SEMANTIC WEB Technologien: Einfache Ontologien in RDF

SEMANTIC WEB Technologien: Einfache Ontologien in
RDF und RDF Schema
Igor Shchetinin
Otto-von-Guericke-Universitaet Magdeburg, Fakultaet fuer Informatik, 39016
Magdeburg
Zusammenfassung. Das World Wide Web bietet Zugang zu global
verteilten Daten, Metadaten oder strukturierte Daten ueber Daten, die
Verbesserung der Erkennung und Zugang zu solchen Informationen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erklaerung von Resource
Description Framework (RDF). RDF ist die Sprache mit demmaschinenlesbaren
Darstellungsformat fuer die Entwicklung des Semantic Web und fuer die
Beschreibung strukturierter Informationen.Es ist eine Infrastruktur um die
Kodierung, den Austausch und die Wiederverwendung von strukturierten
Metadaten zu ermoeglichen.
1
Einleitungin RDF
Resource Description Framework wurde unter der Beguenstigung des World Wide
Web Consortium (W3C) entwickelt. RDF definiert die Semantik nicht fuer jede
Gruppe Ressourcenbeschreibung und macht es moeglich, die Metadaten-Elemente
nach Bedarf zu bestimmen. RDF verwendet XML (Extensible Markup Language) als
eine gemeinsame Syntax fuer den Austausch und die Verarbeitung der Metadaten. Die
Syntax von XML ist eine Untergruppe der internationalen Standard-Textverarbeitungs
SGML (Standard Generalized Markup Language (SGML)), die speziell fuer die
Verwendung im Internet entwickelt ist. XML bietet Herstellerunabhaengigkeit,
Benutzererweiterbarkeit,Pruefung von Menschlesbarkeit, und die Faehigkeitkomplexe
Strukturen darzustellen. Ausnutzung derEigenschaften vonXML,RDFgibteine
Struktur,
dieeine
eindeutigeAusdruckSemantikbietetund
gewaehrleistetkonsistenteKodierung,
Austausch
und
Rechnerverarbeitung
vonstandardisiertenMetadaten.
2
Struktur von RDF
Das RDF-Dokument wird durch gerichteten Graph beschrieben, in dem Menge der
Knoten von gerichteten Kanten verbunden werden. Die Knoten und Kanten haben
eigene Bezeichnungen (Abb.1).
Abb.1 Beispiel von RDF-Graph
Man kann fragen: „Warum braucht man RDF Graphen?“. Erster Grund dafuer ist,
dass RDF zur Darstellung von Beziehungen zwischen Ressourcen etwickelt wurde.
Die Quelle von Abb.1 sind aus dem Buch „Seamntic Web“ vom Verlag „Springer“. So
kann man sehen, dass „Semantic Web“ in „Springer“ erscheinen laesst. Da
Beziehungen als Informationgrundlage in RDF stehen, passen Graphen fuer ihre
Darstellung besser als z.B. hierarchischen Baumstruktur, die im XML-Format benutzt
wird.
RDF ist alsBeschreibungssprache fuer Daten und Information im WWW
vorgesehen, die meistens dezentral verwaltet, gespeichert werden. Deswegen als
zweiter Grund sind Graphen fuer Komposition dezentraler Information.
Wie es “Die Knoten und Kanten haben eigene Bezeichnern” im ersten Absatz
gesagt wurde, setzt RDF URIs (Uniform Resource Identifier) fuer Bezeichnung von
Ressourcen ein.URIs ist eine Verallgemeinerung von URLs (Uniform Resource
Locators), die als Web-Addressen dienen, um Online-Dokumente zuzugreiffen.Auf
Abb.1 kann man sehen, dass Knoten und Kanten mitURIs ueberschrieben wurden, um
sie bestimmt zu beschreiben. Aber diese Regel gilt nicht fuer Datenwerte.
Abb.2 RDF-Graph mit Literalen
In RDF wird der Datenwert durch Literal dargestellt. Sie dienen als
reserviertesVerzeichnis fuer RDF-Ressourcen von praezisen Datentypen. Auf Abb.2
werden ungetypteLiterale gezeigt, sie stehenin der rechteckigen Einfassung, um mit
URI-Bezeichnern in den Ovalen zu unterscheiden. Eine ihre wichtige Eigenschaft ist,
dass sie nicht als der Ausgangspunkt von Kanten im RDF-Graph sein duerfen, also
man kann keine direkte Aussage ueber Literale machen.
3
Syntax von RDF
Graphen, in denen Kanten und Knoten mehr z.B. als Tausend sind, sind
kompliziert fuer dasmenschliche Verstaendnis. Deswegen basiert RDF auf der Ideeder
Verwendung einerspeziellen Formvon Anweisungen, mit denen man ein
Objektbeschreibt. Im Beispiel von Abb.1 sieht man den Ausgangspunkt
„http://example.org/SemanticWeb“, Auszeichnunghttp://example.org/VerlegtBei und
Endpunkt bei„http://springer.com/Verlag“. Diese drei Ressourcen werden als Subjekt
(subject), Praedikat (predicate), Objekt (objekt) bezeichnet. Solche einfache Graphen
heissen RDF-Tripel „Subjekt – Praedikat – Objekt“.
Um Tripelsyntaktisch darzustellen, wurde die Umsetzung „Notation 3“ (N3) im
Jahr 1998 vorgestellt. Da N3 kompliziert war, hat die RDF-Recommedation von 2004
den weniger komplizierten Syntax “N-Triples”, welcher ein Teil von N3 ist,
empfohlen. Spaeter wurde N-Tripleserweitert, und heute nutzt man als RDF-Syntax
Turtle, die praktische Kurzschreibweisen vergibt.
Abb.3 Turtle-Syntax
In Abb.3 kann man die direkte UEbersetzung des RDF-Graphes (aus Abb.2) in
Tripel sehen. URIs sind in spitzen Klammern, Literale sind in Anfuehrungszeichen
eingefasst. Jede Aussage endet mit dem Punkt.
Genauso wie im XML ist es moeglich bei Turtle URIs abzukuerzen. Mit Hilfe von
der Form „Praefix:“ (Abb.4) duerfen URIs nicht mehr in spitzen Klammern
eingeschlossen werden. Wahl derPraefixes ist unabhaengig vom dargestellten
Namensraum. Solche Abkuerzungen sollen leicht verstaendlich sein.
Abb.4 Abgekuerzte Turtle-Syntax
Es kann sein, dass eine RDF-Darstellung viele Tripel hat, die sich auf dasselbe
Subjekt oder Subjekt und Praedikat beziehen (Bsp. Abb.2). Dazu hat Turtle auch
Abkuerzung, die auf Abb.5 vorgestellt ist. In der ersten Zeile beendet das Semikolon
das Tripel und zeigt parallel, dass Subjekt „ex: SemanticWeb“ als Subjekt fuer das
naechste Tripel ist.
Abb.5 Weitere Abkuerzung von Turtle-Syntax
3.1
XML – Serialisierung von RDF
Abb.6 XML – Darstellung
RDF-Darstellung mithilfe des Turtles ist gut fuer Menschenlesen, -verstehen. XML
– Serialisierung von RDF ist noetigfuerMaschienen, um zu lesen und zu verstehen.
Weil XML mithilfe der Baeume – der hierarchischer Aufbau dargestellt ist, muss die
Implementierung der RDF-Tripl auch hierarchisch aufgebaut werden. Das Muster aus
Abb.6 zeigt den RDF-Graph aus Abb.1 in XML.
Wie man sehen kann, fangen XML-Version und –Kodierung mit einem Knoten des
Typs rdf:RDF. Das wird als Wurzel von dem XML-Dokument fuer RDF verwendet,
Namensraeume werden durch ex: und rdf:(man kann anstatt Abkuerzungrdf: beliebig
andere Abkuerzungen nutzen) deklariert. Subjekt und Objekt sind durch das Element
rdf:Description vorgestellt. Element ex:VerlegtBei stellt das Praedikat des Tripels
dar. Wenn es viele Tripel gibt, darf man jedes durch eigenes Element rdf:Description
beschreiben, diese Elemente koennen sich auf gleiche URI beziehen. Es ist nicht
prinzipiell wichtig, in welcher Reihenfolge Tripel stehen. Es ist erlaubt Elemente von
rdf:Description zu schachteln. Abb.7 zeigt Darstellung von RDF-Graph aus Abb.2.
Abb.7 XML – Darstellung mit Literalen
In dieser XML-Beschreibung sind Literale als Inhalte von Praedikat-Element
dargestellt. Naechste Abb.8 ist eine Abkuerzung von der Schreibweise aus Abb.7, aber
es ist nur fuerLiteralen erlaubt. Objekte, die durch URIs referenziert sind,duerfen so
nicht kodiert werden, da sie als blosse Zeichenkette aussehen werden. Das Element
ex:VerlegtBei enthaltet in sich das Attribut rdf:resource. Es gibt an, dass es kein
untergeordnetes Element vom Typ rdf:Description mehr braucht. Daraus folgt, dass
ex:VerlegBei keinen inhalt hat und als selbstschliessendes Tag ist.Literaleex:Name,
ex:Titel werden als Attribut dargestellt und man kann diese Beschreibung mit einem
selbstschliessendem Tag vorstellen.
Abb.8 Abkuerzung der XML – Darstellung mit Literalen
1.1
Datentypen in RDF
In den vorherigen Kapiteln hat man die Darstellung der Datenwerte in Form von
Literalen, die als ungetypteLiteralen waren, angesehen. Es ist moeglich sie in RDF
mit Datentypen, die durch URIs identifiziert werden, darzustellen. Die Verwendung
von URIs dazu ist sinnvoll, da Programme am meisten URIs erkennen und
unterstuetzen, aber diese Dartellung ist frei waehlbar. In Abb.9 wird RDF-Graph mit
Datentypinformation gegeben, wo Wertebezeichner von Literalen in
Anfuehrungszeichengeschlossen und durch “^^” mit Datentyp-URI getrennt
ist.Vorgesltellte Datentypen sind
“String” und “Date”. Getypte Literale werden in RDF genauso wie ungetypteLiterale
als einzelne Elemente betrachtet.
Abb.9 Darstellung von RDF-Graph mit getypten Literalen
Abb.10 zeigt Darstellung von Abb.9 in der Turtle-Syntax, wo man Datentyp-URIs
mit namensraeumenabkuerzen kann.
Abb.10 Turtle-Syntax fuer RDF-Graph mit getypten Literalen
In Abb.11 ist XML-Implementierung von RDF-Graph aus Abb.9. Um getypte
Literaly in XML zu beschreiben, wird spezielles Attribut rdf:datatype eingesetzt.
Abb.11 XML-Implementierung fuer RDF-Graph mit getypten Literalen
ImRDF-Dokument ist es zulaessig XML-Fragmente als Wertebezeichner
anzuwenden. Dafuer nutzt man eingebauten Datentyp rdf:XMLLiteral. Die Aussage
“rdf:parseType=”Literal” ” normalisiert XML-Fragment und erzeugt ein Literal des
Typs rdf:XMLLiteral(Abb.12).
Abb.12Beispielfuerrdf:XMLLiteral
3.2
MehrwertigeBeziehungen
Bisher wurden einfahe Beziehungen zwischen zwei Ressourcen und ihre Graphen
vorgestellt. In RDF koennen Beziehungen zwischen mehr als zwei Ressourcen kodiert
werden. Als Beispiel ist ein Rezept von „Chutney“, in dem die Zutat aus 450g. gruene
Mango und 1TL Cayennepfeffer besteht. Auf Abb.13 kann Darstellung von Rezept
anschauen.
Abb.13 Beispiel fuerChutneyrezept
Diese beidenIpmplementierungen sind nicht zulaessig. 1. passt nicht, da Zutaten
und deren Mengen als blosse Zeichenkette dargestellt wurden. Bei 2.Fehlt die
Beziehung zwischen Rezept, Zutat und Mengeangabe z.B. anstatt 1TL
Cayennepfeffer 450g oder 1TL Mango anstatt 450g.
In diesem Fall geht es um dreiwertige Beziehungen zwischen Rezept, Zutat und
Mengeangaben. Um das zu loesen, soll man Hilfsknoten in den Graph einfueheren.
Als Bsp. wird solche Knoten ex:ChutneyZutat1 genannt (Abb.14zeigt Graph und
entsprechende Beschreibung). Dieser Knoten dient als Verbindung fuerRezept, Zutat
und Mengeangabe. Fuer solche Bestandteile (nicht nur wie bei diesem Bsp.) kann
Abb.14 Hilfsknoten bei mehrwertigen Beziehungen
man zusaetzliche Hilfsknoten nutzen. Auf Abb.14 kann man Praedikatrdf:value
sehen, das ist ein Hinweis, welcher Wert in der Beziehung als Hauptwert ist.
Hilfsknoten verweisen auf Helfer-Ressourcen, die mithilfe spezieller URI
bezeichnet sind. RDF verfuegtueberMoeglichkeit, Knoten ohne Bezeichner zu
erzeugen, sie heissen leere Knoten (engl. Blank NodesoderBnodes). Leere Knoten
koennen ohne URI sein und halten im RDF-Graph keine zusaetzliche Information. Da
sie als Subjekt oder Objekt in vielen Tripeln auftauchen koennen und verschidene
Tripel sich auf denselben leeren Knoten beziehen koennen, muessen sie durch
(Knoten-)IDs
rdf:nodeID
bezeichnet
werden.
Abb.15
stellt
XMLImplementierungund Turtle-Syntax fuerBnodes dar.
Abb.15 XML-Implementierung und Turtle-Syntax fuerBnodes
3.3
Listen
Um eine Menge gleichgestellter Objekte, z.B. Menge von Autoren mit einem
Buch, mit einem Subjekt zu verknuepfen, bietet RDF listenaenhliche Struktur zu
generieren. Dazu gibt es zwei Arten von Listen: Container (offene List) und
Collection (geschlossene List).
Idee von Container ist aehnlich mit leeren Knoten. Abb.16 zeigt Darstellung von
Beispiel der List der Autoren von einem Buch.
Abb.16Graph der offenen Liste und seine XML-Implementierung
Graph auf Abb.16 hat viel Knoten Buch, Autoren, leeren Hilfsknoten der Liste und
einen zusaetzlichen Knoten rdf:Seq.Mithilfe dieses Knotens wird der Typ der Liste
bezeichnet, es geht aus Verwendug des Praedikatsrdf:type, das reserviert ist, um
Subjekten Klassenbezeichner zuzuweisen. Um Reihenfolge der Listenelemente
darzustellen, werden automatisch nummerierte Praediketerdf:_1 bis rdf:_n
verwendet.
Bei der XML-Implementierung nutzt man fuer Liste denTyp rdf:Seqanstatt
rdf:Descriptionund den Typ rdf:li, dieser Typ zeigt, dass Element z.B. Hitzler ein
Element der Autorenlist ist.
RDF erhaeltet folgende Arten von Container zur Verfuegung;
 rdf:Seq – ist geordnete Liste von gruppierten Objekten;
 rdf:Bag – ist ungeordnete Menge von gruppierten Objekten;
 rdf:Alt – sind gruppierte Objekte als Menge alternativer Moeglichkeiten.
Man kann Container durch Hinzufuegen weiterer Tripel vergroessern, aber es ist
nicht klar, ob diese Liste vollstaendig und abgeschlossen ist. Hilfe dafuer in RDF ist
Collections als Mittel fuer geschlossene Listen (Abb.17).
Abb.17Graph der geschlossenen Liste
Graph in Abb.16 stellt eine verkettete Liste dar, die sich von Container
unterscheidet. Grund dazu liegt darin, dass man nicht-leere Liste in zwei Teile:
Listenkopf (das erste Element der Liste) und Restliste zerlegen kann. Es ist moeglich
eine geschlossene Liste eindeutig durch Angabe von Listenkopf und Restliste
umzuschreiben. Um das zu schaffen, werden Praedikaterdf:first und rdf:rest
verwendet. In diesem Fall bringt URI keinen Sinn, da Liste durch Kopf und Rest
beschrieben werden, deswegen sind vier nichtleeren (Rest-) Listen aus Bsp. in Abb.16
durch leere Knoten vorgestellt. Leere Liste, die nicht in Kopf und Rest zerlegt
wurden, werden in RDF durch URI rdf:nilrepraesentiert.
Abb.18 zeigt XML-Implementierung und Turtle-Syntax fuer Collection. Bei XMLImplementierung steht das Attribut rdf:parseType,dieses malmit Wert Collection, das
ist notwendig, um geschlossene Liste zu definieren. Jeder Objekt von Tripel, das als
Objekt der Liste ist, wird durch rdf:description vorgestellt.
Abb.18 XML-Implementierung und Turtle-Syntax fuer Collection
4
Ontologien in RDF Schema
RDF Schema (RDFS) ist ein Bestandteil der RDF, der von W3C empfohlen wurde.
RDFS gibt terminologisches Wissen oder Schemawissen ueber die verwendeten
Begriffe
an
und
wird
durch
rdfs:
gemerkt.
Jedes
RDFSDokumentisteinsyntaktischrichtiges RDF-Dokument.
4.1
Klassen
In RDFS steht Begriff “Klasse” fuer eine Menge der Ressourcen (Entitaeten der
realen Welt). URIs von Klassen nennt man Klassenbezeichner. Praedikatrdf:typ(wie
bei Listen) repraesentiert, dass Ressource als Instanz einer Klasse ist, also
Klassenzugehoerigkeit. z.B.zeigt man, dass Ressource “Semantic Web” ein Lehrbuch
ist (also: bezieht sich auf KlassLehrbuecher):
ex:SemanticWebrdf:typeex:Lehrbuch.
Um eine Klasse zu definieren, wird das Praedikatrdfs:Class verwendet. So kann
man allgemeine Klassen definieren, z.B. Buch ist allgemeine Klassefuer alle Buecher:
ex:Buchrdf:typerdfs:Class.
Aussage “rdfs:Classrdf:typerdfs:Class” zeigt, dass eine Klasse aller Klasse selbst
eine Klasse ist und in sich selbst als Element enthaltet ist.
In RDFS gibt es wietere Reihe von Klassen:
 rdfs:Resource steht fuer Klasse aller Ressourcen;
 rdf:Property ist fuer Klasse aller Properties, die Beziehungen darstellen;
 rdfs:Literal steht fuerdie Klasse aller Literalwerte;
 rdfs:Containersteht als Bezeichner fuer offene Listen (rdf:Bag, rdf:Seq,
rdf:Alt);
 rdfs:labelundrdfs:commentsind noetig, um zusaetzliche Information zu
ergaenzen;
 rdf:Statementist als Bezeichner der Klasse vonreifizierten Tripeln bzw.
Aussagen usw.
Klasse in RDFS haben Unterklassen. z.B. Man sucht man nach dem Buch
“Semantic Web”, das sich auf Klass Lehrbuch bezieht, in BuechernFuer Menschen ist
es klar, dass jedes Lehrbuch ein Buch ist, aber Maschinen brauchen tiefe Definition,
sonst man findet Lehrbuch in Buecher nicht. Mithilfe rdfs:subClassOf ist moeglich
Unterklasse bestimmen:
ex:Lehrbuchrdfs:subClassOfex:Buch.
Jetzt kann man Lehrbuch “SemanticWeb” in Buecher suchen.
Unterklassenbeziehung ist transitiv: ex:Lehrbuch ist Unterklasse von ex:Buch,
ex:Buch ist Unterklasse von ex:Printmedium, daraus folgt, dass ex:Lehrbuch ist
unterklasse von ex:Printmedium.
4.2
Properties
Properties stellen Relationen zwischen Ressourcen dar. Aus matematischer Sicht ist
Relation eine Menge der verknuepften Paare. Als Beispiel Property:
ex:istVerheiratetMit ist die Menge aller Ehepaare. Auf Abb.1 ist ex:verlegtBei
Property zwischen Buch und Verlag. Durch rdf:Property werden sie defeniert:
ex:verlegtBeirdf:typerdf:Property.
Genauso wie Klassen haben PropertiesUnterProperties, die durch
rdf:subPropertyOf bestimmt werden.
Bei Property muessenEinschraenkungen eingestellt werden, die man mithilfe
rdfs:domain (bezieht sich auf Subjekt) und rdfs:range (bezieht sich auf Objekt).
Folgende Beispiel zeigt, wozu es notwendig ist:
ex:Felixex:istVerheiratetMitrdf:OVGU.
Ein Mann Felix ist mit Uni OVGU verheiretet, was nicht sein kann. Dazu soll man
Enschraenkungen angeben:
ex: istVerheiratetMitrdfs:domainex:Person.
ex: istVerheiratetMitrdfs:rangeex:Person.
So zeigen wir, dass sich Property ex: istVerheiratetMitnur auf Personen (also
Menschen) bezieht.
rdfs:member ist eine “Kapsel”fuer andere Property. z.B. Wir moechtenpruefen, ob
Wolfgang Amadeus Mozart in der Liste von Autoren des Buchs “Semantik Web”
steht. Wir muessen dazu viel Tripel anschauen:
ex: Mozart
ex: Mozart
rdf:_1
rdf:_2
und weiter...
ex:SemWebAutoren.
ex:SemWebAutoren.
Mit rdfs:memberkoennen wir das nicht machen, alle diese Properties sind in
“Kapseln”, wo sie geprueft werden:
ex:Mozartrdfs:memberex:SemWebAutoren.
4.3
Reifikation
Reifikation ist die Aussage ueber Aussage (Wort – „dass“ ist Indikator dazu). Bsp.:
Polizist vermutet, dass der Student den Professor ermordet hat. Solche Aussagen sind
problematisch zu modellieren.
ex:polizistex:vermutet "Der Student hat den Prof. ermordet.“
So kann man nicht implementieren, da Literal nur als Objekt von Tripeln
verwendet werdendarf.
ex:polizistex:vermutetex:derStudentHatDenProfErmordet.
In diesem Fall faellt die innere Struktur der dass-Aussage aus. Nur „Dass“-Aussage
kann in RDF leicht modelliert werden:
ex:Studentex:hatErmordetex:Prof.
Um dieses Problem zu loesen, machen wir wie in Abschnitt 3.3, ein Hilfsknoten
ex:theorieeinzufuehren (Abb.19).
Abb.19Graph-Darstellung fuerReifikation
Mit der ex:theoriemuessen wir vier Tripel aufbauen:
ex:polizistex:vermutetex:theorie.
ex: theorieex:subjektex:Student.
ex: theorieex:praedicateex:hatErmordet.
ex: theorieex:objektex:Prof.
Schlussfolgerung
In dieser Arbeit werden die Sprache RDF und seine Erweiterung RDFS
beschrieben, dieauf Graphstrukturenbasieren. Grundelemente von dieser Struktur
sind Tripel. Als die Kennzeichnung von Knoten und Kanten bei diesen Tripeln
dient URIs. RDF ermoeglicht Grundlegende Aussagen ueber die Relationen
zwischen Individuen zu realisieren. RDFS dient, um terminologisches Wissen in
Form von Klassen, Propertie und deren Zusammenhaengen zu spezifizieren.
Literaturverzeichnis
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http://www.fgh.rwth-aachen.de/verein/publikat/veroeff/WEBderZunkunft.pdf
3. F.Tatarsky,A.Knyazeva (2009): Lernprogramm „Einfuehrung in die TechnologieWorld
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Kapitel
5.Semantic
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Online
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Abb.3: S.41 – P.Hitzler, M.Kroetzsch, S.Rudolf, Y.Sure (2007): Semantic Web Grundlagen.
Abb.4: S.41 – P.Hitzler, M.Kroetzsch, S.Rudolf, Y.Sure (2007): Semantic Web Grundlagen.
Abb.5: S.42 – P.Hitzler, M.Kroetzsch, S.Rudolf, Y.Sure (2007): Semantic Web Grundlagen.
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Abb.16: S.60 – P.Hitzler, M.Kroetzsch, S.Rudolf, Y.Sure (2007): Semantic Web Grundlagen.
Abb.17: S.62 – P.Hitzler, M.Kroetzsch, S.Rudolf, Y.Sure (2007): Semantic Web Grundlagen.
Abb.18: S.62, 63 – P.Hitzler, M.Kroetzsch, S.Rudolf, Y.Sure (2007): Semantic Web
Grundlagen.