Web Technologien Web Ontology Language (OWL)

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1 Web Technologien Web Ontology Language (OWL) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Maass Chair in Information and Service Systems Department of Law and Economics WS 2011/2012 Wednesdays, 8:00 10:00 a.m. Room HS 021, B4 1

2 Wrap-Up Sog. lower-case Semantics ermöglichen in verschiedenen Standards die Annotierung von Website-Inhalten mit Semantik Zu den lower-case Semantics gehören bspw. microformats, Schema.org in HTML5 und RDFa RDF ermöglicht die semantische Repräsentation von Resourcen, welche über URIs referenziert werden Slide 2

3 Was sind Ontologien? Abgeleitet von den griechischen Begriffen ὄν (=on, sein ) und λόγος (= logos, Lehre ) die Lehre des Seins An ontology is a specification of a conceptualization (Tom Gruber, 1992) Später weiter spezifiziert: An ontology defines (specifies) the concepts, relationships, and other distinctions that are relevant for modeling a domain. The specification takes the form of the definitions of representational vocabulary (classes, relations, and so forth), which provide meanings for the vocabulary and formal constraints on its coherent use. (Tom Gruber, 2009) Slide 3

4 RDF & RDFS RDFS erweitert RDF um eine Schemabeschreibung Die Schemabeschreibung erlaubt die Festlegung eines Vokabulars zur Modellierung einer bestimmten Domäne RDF(S) erlaubt somit die Formalisierung von Ontologien bestehend aus Ressourcen, deren Eigenschaften und Beziehungen Dog is an animal Cat1 is a cat Cats are animals Zoos host animals Zoo hosts the Cat2 Grafik: Wikipedia Slide 4

5 Probleme mit RDFS Die Aussagekraft von RDFS zur hinlänglichen Beschreibung von Ressourcen ist zu schwach: Keine Beschränkungsmöglichkeit für lokale Domänen und Bereiche: Man kann nicht ausdrücken, dass haschild bei einem Elefanten ein Elefantenkind und bei Menschen ein Menschenkind ist Keine Beschränkungsmöglichkeiten zur Existenz und Kardinalität: Man kann nicht ausdrücken, dass alle Instanzen von Person Eltern haben die ebenfalls eine Person sind oder, dass jede Person genau 2 Elternteile hat Keine Beschreibungsmöglichkeit für transitive, inverse oder symmetrische Beziehungen: Man kann nicht ausdrücken, dass ispartof eine transitive Beziehung ist, welche haspart als inverse Beziehung hat, oder dass touches eine symmetrische Beziehung ist... Möglichkeiten zum Schlussfolgern können nur schwer angeboten werden, da die logischen Konstrukte in einer proprietären formalen Beschreibung vorliegen Slide 5

6 Web Ontology Language (OWL) Was ist OWL? Akronym für Web Ontology Language Formale Beschreibungssprache für Ontologien Durch XML-Notation mensch- und maschinenverarbeitbar Vergleich zu RDF(S): OWL basiert auf dem RDF Syntax, aber spezialisiert darüber hinaus Die Ausdrucksmöglichkeit von OWL geht über die von RDFS hinaus Ausdrücke in Prädikatenlogik nach der SHOIN-Logik können verwendet werden rdfs:resource rdfs:class rdfs:property owl:class owl:objectproperty owl:datatypeproperty Slide 6

7 Die OWL Spezialisierungen OWL ist in drei Spezialisierungen standardisiert bzgl. der Schlussfolgerungsmechanismen und Ausdrucksstärken: OWL Lite: Minimaler Umfang; keine aufzählenden Klassen, Disjunktionen und Kardinalitäten. (+) einfach zu verstehen und zu implementieren, daher ideal für einfache Taxonomien (-) geringe Ausdrucksstärke OWL DL: Einschränkung, dass OWL Konstruktoren aufeinander angewendet werden können, so dass die Sprache der bekannten Description Logic (DL) entspricht. (+) effiziente Schlussfolgerungsmechanismen (-) Verlust der vollen Kompatibilität mit RDF(S) OWL Full: Alle OWL Primitiva und beliebige Kombination mit RDF(S) möglich, also ohne Einschränkungen. (+) Vollständig Aufwärtskompatibel mit RDF(S) und für Prädikatenlogik höherer Grade geeignet (-) Unentscheidbar, somit keine vollständige Schlussfolgerungen Die Spezialisierungen sind untereinander kompatibel: Jede legale OWL Lite Ontologie ist eine legale OWL DL Ontologie, ebenso DL mit Full Jede valide OWL Lite Schlussfolgerung ist eine valide OWL DL Schlussfolgerung, ebenso DL mit Full Slide 7

8 OWL Syntax OWL basiert auf RDF(S) und verwendet RDF/XML Alternativen: abstract syntax und graphische Beschreibungen, wie vor allem UML Klassendiagramme Header in RDF/XML <rdf:rdf xmlns:owl=" xmlns:rdf=" xmlns:rdfs=" xmlns:xsd=" Slide 8

9 OWL Klassen Klassen werden mit owl:class definiert. Beispiel: Klasse assistentprofessor <owl:class rdf:id="assistentprofessor"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#academicstaffmember"/> </owl:class> Disjunktion von anderen Professoren <owl:class rdf:about="#assistentprofessor"> <owl:disjointwith rdf:resource="#professor"/> <owl:disjointwith rdf:resource="#associateprofessor"/> </owl:class> Slide 9

10 OWL Eigenschaftsbeschränkungen Beschränkungen definieren Bedingungen, die von Instanzen einer Klasse erfüllt werden müssen. Beispiel 1: Examensprüfungen dürfen nur von Professoren gehalten werden. <owl:class rdf:about="#finalexamination"> <rdfs:subclassof> <owl:restriction> <owl:onproperty rdf:resource="#isapprovedby"/> <owl:allvaluesfrom rdf:resource="#professor"/> </owl:restriction> </rdfs:subclassof> </owl:class> Alle Werte der Eigenschaft (hier istaughtby) müssen von der angegebenen Klasse (hier Professor) stammen. Slide 10

11 OWL Eigenschaftsbeschränkungen Beispiel 2: Akademische Mitarbeiter müssen mindestens einen Bachelorkurs lehren: <owl:class rdf:about="#academicstaffmember"> <rdfs:subclassof> <owl:restriction> <owl:onproperty rdf:resource="#teaches"/> <owl:somevaluesfrom rdf:resource="#bachelorcourse"/> </owl:restriction> </rdfs:subclassof> </owl:class> owl:allvaluesfrom entspricht dem All-Quantor owl:somevaluesfrom entspricht dem Existenz-Quantor Slide 11

12 Weitere OWL Primitiva Eigenschaftsbeschränkungen Kardinalitäten: owl:mincardinality, owl:maxcardinality angewendet auf Datentypen, die i.a. mittels XML Schema definiert werden. Boolsche Kombinationen Komplement: owl:complementof Vereinigung: owl:unionof Schnittmenge: owl:intersectionof Aufzählungen Enumerations: owl:oneof Slide 12

13 OWL Instanzen OWL Instanzen werden wie RDF Instanzen beschrieben: <rdf:description rdf:id="234954"> <rdf:type rdf:resource="#academicstaffmember"/> </rdf:description>...oder kürzer <academicstaffmember rdf:id="234954"/>...oder mit mehr Details <academicstaffmember rdf:id="234954"> <uni:age rdf:datatype="&xsd;integer"> 39 </uni:age> </academicstaffmember> Slide 13

14 Open World Assumption Ein Kurs, der von zwei Mitarbeitern gehalten wird, würde wie folgt beschrieben werden: <course rdf:about="cit1234"> <istaughtby rdf:resource="#234954"/> <istaughtby rdf:resource="#234955"/> </course> Problem: Das System könnte schließen, dass beide Individuen gleich sind, da es im Sinne der logischen Open World Assumption davon ausgeht, dass auch Dinge sein können die nicht explizit beschrieben sind. à Anders als bei klassischen Datenbanken! Lösung: Damit Individuen als unterschiedlich identifiziert werden können, müssen sie als explizit ungleich beschrieben werden. <lecturer rdf:id="234954"> <owl:differentfrom rdf:resource="234955"/> </lecturer> Slide 14

15 OWL Beispiel UniversityPeople.owl!!! <?xml version="1.0"?>! <rdf:rdf! xmlns:owl=" [...]! xml:base=" [...]! <owl:ontology rdf:about="">! <owl:class rdf:about="#professor">! <rdfs:comment xml:lang="de">a simple example ontology <rdfs:subclassof rdf:resource="#person"/>! </rdfs:comment>! <owl:disjointwith rdf:resource="#student"/>! </owl:ontology>! </owl:class>! <owl:class rdf:id="person">! <owl:objectproperty rdf:about="#attends">! <owl:disjointwith>! <rdfs:range rdf:resource="#course"/>! <owl:class rdf:id="course"/>! <owl:inverseof>! </owl:disjointwith>! <owl:objectproperty rdf:id="is_attended_by"/>! <rdfs:subclassof>! </owl:inverseof>! <owl:restriction>! <rdfs:domain rdf:resource="#student"/>! <owl:cardinality rdf:datatype= </owl:objectproperty>! " >1</owl:cardinality>! <owl:objectproperty rdf:about="#is_attended_by">! <owl:onproperty>! <owl:inverseof rdf:resource="#attends"/>! <owl:datatypeproperty rdf:id="age"/>! <rdfs:range rdf:resource="#student"/>! </owl:onproperty>! <rdfs:domain rdf:resource="#course"/>! </owl:restriction>! </owl:objectproperty>! </rdfs:subclassof>! <owl:datatypeproperty rdf:about="#name">! <rdfs:subclassof rdf:resource= <rdfs:domain>! " <owl:class>! </owl:class>! <owl:unionof rdf:parsetype="collection">! <owl:class rdf:about="#course">! <owl:class rdf:about="#course"/>! [...]! <owl:class rdf:about="#person"/>! </owl:class>! </owl:unionof>! <owl:class rdf:id="student">! </owl:class>! <owl:disjointwith>! </rdfs:domain>! <owl:class rdf:id="professor"/>! <rdfs:range rdf:resource= </owl:disjointwith>! " >true</protege:subclassesdisjoint>! </owl:datatypeproperty>! <rdfs:subclassof>! <owl:datatypeproperty rdf:about="#age">! <owl:restriction>! <rdfs:range rdf:resource= <owl:onproperty>! " <owl:objectproperty rdf:id="attends"/>! <rdfs:domain rdf:resource="#person"/>! </owl:onproperty>! </owl:datatypeproperty>! <owl:mincardinality rdf:datatype= </rdf:rdf>! " </owl:restriction>! </rdfs:subclassof>! <rdfs:subclassof>! <owl:restriction>! <owl:somevaluesfrom rdf:resource="#course"/>! <owl:onproperty>! <owl:objectproperty rdf:about="#attends"/>! </owl:onproperty>! </owl:restriction>! </rdfs:subclassof>! <rdfs:subclassof rdf:resource="#person"/>! </owl:class>!! Slide 15

16 Arbeiten mit OWL: Editoren Zur Modellierung und Nutzung von Ontologien stehen verschiedene Werkzeuge zur Verfügung, welche über den reinen Funktionsumfang des Anlegens einer Ontologie hinaus gehen: Protégé: (+) kostenfrei, viele Plug-Ins, kann direkt an Reasoner angebunden werden (-) teilweise instabil TopRaid Composer: (+) sehr großer Funktionsumfang (-) sehr teuer Slide 16

17 Protégé Ontology Editor Slide 17

18 Arbeiten mit OWL: Frameworks Zur Entwicklung von Anwendungen stehen ebenfalls viele Frameworks für verschiedene Programmiersprachen zur Verfügung Eine Auswahl kostenfreier Frameworks: Jena oder Sesame (Java): Umfangreiche Frameworks für RDF und OWL inkl. Serialisierung in verschiedene Formate, SPARQL 1.1 Unterstützung und verschiedener Persistenzsysteme ARC 2 (PHP): Semantisches Framework für den LAMP Stack mit Unterstützung für RDF, OWL, microformats und SPARQL Slide 18

19 OWL 2 Überarbeitete Version von OWL auf Grund der Praxiserfahrungen: Zusätzliche ontologische Axiome zur Erweiterung der Ausdrucksstärke Erweiterung um nicht-logische Aspekte wie Metadaten zur Annotation oder Datentypen Behebung von Problemen im OWL Standard Größte Neuigkeiten: Logische Erweiterung um Beschreibungslogik SROIQ mit höherer Ausdrucksstärke als SHOIN Eigenschaftsketten Bessere Beschreibbarkeit von Datentypen und Datenräumen Rollenaxiome Erweiterte Annotation Neue XML Notation zur besseren Lesbarkeit Slide 19

20 Literatur Bücher: G. Antoniou & F. van Harmelen Web Ontology Language: OWL, In: S. Staab & R. Studer (Eds.), Handbook on Ontologies, Springer S , 2004 P. Hitzler, M. Krötsch, S. Rudolph, Y. Sure Semantic Web: Grundlagen, Springer, ISBN-10: , ISBN-13: Web: Slide 20

21 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Maass Chair in Information and Service Systems Saarland University, Germany Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Maass