Ontologien in OWL

(1)

− Ontologie und die beiden

Versprechen des ‚Semantic Web‘

− RDF, RDFS,

− Web Ontology Language OWL

− OWL lesen – Sprachkonstrukte

Ontologien in OWL

OWL lesen Sprachkonstrukte

− OWL‐Reasoner sind zurückhaltend:

Die Open World Assumption FH Brandenburg

Die Open World Assumption

− Übung: Mit dem Tool Protege eine Pizza belegen

Jun‐13 2

Dipl.‐Inform. I. Boersch FB Informatik und Medien

Pizza belegen

(2)

W i t i O t l gi ? Was ist eine Ontologie?

Eine Ontologie ist …

eine formale, explizite Spezifikation

maschinenverständlich, geeignet zur Inferenz, Dokument

Personen einigen sich über

, p p

einer gemeinsamen Konzeptualisierung.

Personen einigen sich über Begrifflichkeiten, kontrolliertes Vokabular

Konzepte und Beziehungen, nicht

• Eine Möglichkeit zur Repräsentation von Ontologien sind Terminologien, also

mehr

Mengen von Konzept‐ und Rollendefinitionen in beschreibungslogischen Ausdrücken

• Ontologiesprachen OWL bzw. OWL 2 sind Grundlage des Semantic Web

Jun-13

I. Boersch 3

(3)

PRÜFUNGSRELEVANT

= PRÜFUNGSRELEVANT

Jun-13

I. Boersch 4

(4)

W d G ? Wozu das Ganze?

Die Visionen des Semantic Web

Terminologien in Form des Semantic Web bieten als ‚Mehrwert‘:

1. Vernetzungg von Wissen mit Hilfe eindeutiger Begriffe (URI, gemeinsame OWL‐g g ( , g Ontologie als Vokabular, weltweit)

2. Inferenz in semantischen Netzen (maschinelle Inferenz!) Sie möchten etwas beschreiben.

Dann sollten Sie sich fragen:

Gibt d fü i f ti O t l i ?“

• „Gibt es dafür eine fertige Ontologie?“

Beispiel: The Friend of a Friend (FOAF) project

• describing people, the links between them and the things they create and do

• http://xmlns.com/foaf/spec/index.rdf

Jun-13

I. Boersch 5

(5)

E l f OWL l li i i Lif S i

Examples of OWL ontology applications in Life Science

• Open Biomedical Ontologies Consortium, see http://obo.sourceforge.net

• Gene Ontology (GO)

• Microarray Gene Expression Datay p (MGED) ontology.( ) gy

• US National Cancer Institute (NCI), see http://ncit.nci.nih.gov/

• NCI Thesaurus (NCIt) ‐ Terminologie der Krebsbehandlung, 50.000Klassen, EL++

• EHROntology see http://trajano us es/ isabel/EHR/

• EHROntology, see http://trajano.us.es/~isabel/EHR/

• An electronic health record ontology based on openEHR work

• Neurolex, Neuroscience Lexicon mit Semantic MediaWiki, http://neurolex.org

• OpenGALEN

• European Galen project part of which has involved the construction of a large

• European Galen project, part of which has involved the construction of a large DL Knowledge Base describing medical terminology

• SNOMED‐CT

Jun-13

I. Boersch 6

(6)

Di 1 Vi i V t g Die 1. Vision ‐ Vernetzung

Jun-13

I. Boersch 7

(7)

Di 1 Vi i V t g Die 1. Vision ‐ Vernetzung

Jun-13

I. Boersch 8

(8)

Di 1 Vi i V t g Die 1. Vision ‐ Vernetzung

Jun-13

I. Boersch 9

(9)

3 Wi b

3 Wissensbasen

• When is a node in one graph the same node as a node in another graph?

Jun-13

I. Boersch 10

(10)

Die gemeinsame Ontologie S URI

Same URI

• A node from one graph is merged with a node from another graph—

l if h h h exactly, if they have the same URI.

• Verknüpfung von Wissensbasen

• Schon möglich mit semantischen Netzen, beschrieben in RDF und RDFS

Jun-13

I. Boersch 11

(11)

Akt ll B i i l 4 6 2011 h g Aktuelles Beispiel 4.6.2011: schema.org

• Kontrolliertes Vokabular

• Google + Microsoft + Yahoo

• Relativ kleine Monohierarchie von Konzeptenp Konzept

• Einfaches semantisches Netz in RDFS, d.h. mit beschränkter Semantik

p

„School“

Geerbte Relation

School is_a

EducationalOrganization

„adress“

Jun-13

I. Boersch 12

(12)

htt // h df g/ ll df http://schema.rdfs.org/all.rdf

School ist ein Konzept.

Das Konzept heißt im Englischen ‚School‘, eine Kurzbeschreibung ist ‚A School‘, Webseite dazu http://schema.org/School (siehe vorige Folie)

School ist Subklasse von EO i i ll

EO – eine spezielle Relation

Jun-13

I. Boersch 13

(13)

Akt ll B i i l 4 6 2011 h g Aktuelles Beispiel 4.6.2011: schema.org

Zitat:

“… tags, that webmasters can use to markup their pages in ways recognized by major

search providers. Search engines including Bing, Google, Yahoo! and Yandex rely on this markup to improve the display of search

results, making it easier for people to find the right web pages.”

ull.htmlma.org/docs/fuhttp://schem

Jun-13

I. Boersch 14

(14)

V d St i g h ti h S h Von der Stringsuche zur semantischen Suche

Zeichenkette Zeichenkette

Konzept 1 Konzept 1

Konzept 2

Jun-13

I. Boersch 15

Konzept 2

(15)

V Ph üb h S K ff

Vernetzung: Phasenübergang nach Stuart Kauffmann

Ski ieren Sie den Verla f der K r e

Sk

Skizzieren Sie den Verlauf der Kurve

Wasser] Öltropfen im uffmann, Der

Jun-13

I. Boersch 16

[Ka

(16)

V Ph üb h S K ff

Vernetzung: Phasenübergang nach Stuart Kauffmann

EINE große Komponente Viele kleine Komponenten

Wasser] Öltropfen im uffmann, Der

Jun-13

I. Boersch 17

[Ka

(17)

• Für die 1. Vision der Vernetzung genügt die

Wissensrepräsentation in semantischen Netzen (W3C‐Standards RDF und RDFS)

• Für die 2. Vision der maschinellen Inferenz sind Beschreibungslogiken notwendig

(W3C‐Standards RDF, RDFS, OWL und OWL 2)

Jun-13

I. Boersch 18

(18)

RDF R D i ti F k RDF – Ressource Description Framework

Was lässt sich in RDF beschreiben?

1) Beziehungen zwischen Instanzen

• In DL: eine Assertion – die Rollenzuweisung R(b,c)g ( , )

• Die Instanz b steht zur Instanz c in der Rolle R

• Beispiel: istVaterVon(paul,anna)

Die Instan pa l steht r Instan anna in der Relation istVaterVon

o Die Instanz paul steht zur Instanz anna in der Relation istVaterVon 2) Klassenzugehörigkeit (=Instanziierung)

• Konstrukt rdf:type

• Beziehung = Relation = Rolle ‚instance_of‘,

• In DL: eine Assertion – die Konzeptzuweisung C(a)

• In DL: eine Assertion die Konzeptzuweisung C(a)

• Beispiel: Professor(uhlig)

o Die Instanz uhlig gehört zur Klasse Professor Das war‘s für RDF.

Jun-13

I. Boersch 19

(19)

RDF RDF

Was lässt sich in RDF beschreiben?

• R(b,c) und C(a)

• Beschreibung eines konkreten Zustands in der Anwendungsdomäne g g mit Hilfe von Konzepten und Rollen aus der TBox ‐ die Verbindung zwischen Begriffswelt und realer (wahrgenommener) Welt

Wie wird dieser Teil des Wissens bezeichnet?

• Die ABox einer Ontologie lässt sich in RDF beschreiben

• Erst RDFSermöglicht einfache Konstrukte in der TBox

i l i h i

–> Terminologisches Wissen

Jun-13

I. Boersch 20

(20)

Beschreibungsschichten im S ti W b

Semantic Web

• RDF: Repräsentation von Fakten über Instanzen – nicht über Klassen

• RDFS: einfache Aussagen

üb Kl R ll it

über Klassen, Rollen – mit Semantik

• OWL und OWL2: komplexe Aussagen über Klassen und Rollen

Rollen

Versuchen Sie nicht, diese Abbildung zu interpretieren

Jun-13

I. Boersch 21

(21)

RDFS RDF Vocabulary Description Language RDFS ‐ RDF Vocabulary Description Language

• oder kurz: RDF‐Schema

• http://www.w3.org/2000/01/rdf‐schema#

Welche zusätzliche Ausdruckskraft bringt RDFS?

Jun-13

I. Boersch 22

(22)

RDFS Kl

RDFS: Klassen

Klassen (Konzepte) mit DL‐Semantik

• rdfs:classDie Klasse aller Klassen (Etwas ist eine Klasse)

• Beispiel: Professorist eine Klasse

• Genauer: Professorist eine Instanz von rdfs:class (und damit eine Klasse)

• rdf:type Instanziierung, möglich ist sogar Mehrfachklassifikation

• Beispiel: fred schulzep f _ ist eine Instanz eines Professorsf

• rdfs:subClassOf The subject is a subclass of a class. (Abstraktionsrelation is_a, Teilmenge DL: Konzeptinklusion Mehrfachvererbung erlaubt)

Teilmenge, DL: Konzeptinklusion, Mehrfachvererbung erlaubt)

• Beispiel: Professorist eine Unterklasse von Lehrender

Jun-13

I. Boersch 23

Diese Liste wurde erzeugt mit der SPARQL-Anfrage:

PREFIX rdfs: <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#> select ?label ?comment from <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema>

{?EtwasAusRDFS rdfs:label ?label . ?EtwasAusRDFS rdfs:comment ?comment} limit 50

(23)

RDFS P i RDFS: Properties

i ( i h l i ll )

Properties (Beziehungen, Relationen, Rollen):

• rdf:property (etwas ist eine Relation)

• Beispiel: istVaterVon ist eine Rolle

• rdfs:domain A domain of the subject property, Klassenvorgabe für die linke Seite j p p y, g einer Rolle, Definitionsbereich einer Rolle

• Beispiel: Die Rolle istVaterVon geht immer von einer Person aus

• rdfs:rangeg A range of the subject property, Klassenvorgabe für die rechte Seite g j p p y, g einer Rolle, Wertebereich einer Rolle

• Beispiel: Die Rolle istVaterVon zeigt immer auf ein Kind

• rdfs:subPropertyOf The subject is a subproperty of a property, Spezialisierung von Relationen, Teilmenge, Rolleninklusion

• Beispiel: Die Rolle istVaterVon ist Subproperty der Rolle istVorfahreVon ^‐>Übung

Jun-13

I. Boersch 24

(24)

RDFS

[]

RDFS

Andere:

• rdfs:label A human‐readable name for the subject.

• rdfs:comment A description of the subject resource.

• rdfs:seeAlso Further information about the subject resource. (Assoziationsrelation)j ( )

• rdfs:isDefinedBy

• The definition of the subject resource,

• Verweis auf eine externe Definition, die nicht in RDF vorliegt, Verweis auf eine externe Definition, die nicht in RDF vorliegt,

• subProperty of seeAlso

• rdfs:resource The class resource, everything.

• rdfs:member A member of the subject resource.j

• rdfs:Literal The class of literal values, eg. textual strings and integers.

• rdfs:Datatype The class of RDF datatypes.

• rdfs:Container The class of RDF containers.

• rdfs: ContainerMembershipProperty The class of container membership properties, rdf:_1, rdf:_2, ..., all of which are sub‐properties of 'member'.

Jun-13

I. Boersch 25

(25)

B i i l df bCl Of Beispiel rdfs:subClassOf

• TBox:

E ib di Kl

• Es gibt die 5 Klassen:

Motorvehicle, Truck, Van, PassengerVehicle,

Mini an Minivan

• Es gibt 5

Subklassenbeziehungen:

T k i M t V hi l

Truck is_a MotorVehicle u.s.w.

Jun-13

I. Boersch 26

(26)

<?xml version="1.0"?>

<!DOCTYPE rdf:RDF [<!ENTITY xsd "http://www.w3.org/2001/XMLSchema#">]>

<rdf:RDF

xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22‐rdf‐syntax‐ns#"

xmlns:rdf http://www.w3.org/1999/02/22 rdf syntax ns#

xmlns:rdfs="http://www.w3.org/2000/01/rdf‐schema#"

xml:base="http://example.org/schemas/vehicles">

<rdf:Description rdf:ID="MotorVehicle">

I t ii p o o o

<rdf:typerdf:resource="http://www.w3.org/2000/01/rdf‐schema#Class"/>

</rdf:Description>

<rdf:Description rdf:ID="PassengerVehicle">

Instanziierung:

Motorvehicle is_a rdfs_class

Klassenhierarchie p g

<rdf:type rdf:resource="http://www.w3.org/2000/01/rdf‐schema#Class"/>

<rdfs:subClassOfrdf:resource="#MotorVehicle"/>

</rdf:Description>

Klassenhierarchie, Abstraktion

<rdf:Description rdf:ID="Truck">

<rdfs:subClassOf rdf:resource="#MotorVehicle"/>

</rdf:Description>/ p

<rdf:Description rdf:ID="Van">

<rdfs:subClassOf rdf:resource="#MotorVehicle"/>/

</rdf:Description>

<rdf:Description rdf:ID="MiniVan">

<rdfs:subClassOfrdf:resource="#Van"/>

Mehrfachvererbung

Jun-13

I. Boersch 27

/

<rdfs:subClassOfrdf:resource="#PassengerVehicle"/>

</rdf:Description>

</rdf:RDF>

(27)

RDFS Z i R l ti d fi i

RDFS: Zwei Relationen definieren

<rdf:Propertyrdf:ID="registeredTo">

Relation <rdf:Propertyrdf:ID registeredTo >

<rdfs:domainrdf:resource="#MotorVehicle"/>

<rdfs:rangerdf:resource="#Person"/>

</rdf:Property>

Relation

Vorwärtsdeklaration Abstrakte Rolle

(zeigt auf eine Klasse)

<rdf:Property rdf:ID="rearSeatLegRoom">

<rdfs:domain rdf:resource="#PassengerVehicle"/>

<rdfs:range rdf:resource="&xsd;integer"/>

</rdf:Property>

Vorwärtsdeklaration Konkrete Rolle

(zeigt auf einen

</rdf:Property>

<rdfs:Classrdf:ID="Person"/>

<rdfs:Datatyperdf:about="&xsd;integer"/>

Klasse Datentyp

vordefinierten Datentyp)

<rdfs:Datatyperdf:about &xsd;integer />

<rdf:Property rdf:ID="driver">

<rdfs:domain rdf:resource="#MotorVehicle"/>

</rdf:Property>

Datentyp

/rdf:Property

<rdf:Property rdf:ID="primaryDriver">

<rdfs:subPropertyOfrdf:resource="#driver"/>

</rdf:Property>

Rollenhierarchie

Jun-13

I. Boersch 28

/ d ope ty

(28)

A d k tä k RDFS Ausdruckstärke von RDFS

Jun-13

I. Boersch 29

(29)

S ti h A d k tä k RDFS Semantische Ausdruckstärke von RDFS

1. Definition von Klassen ( = Konzept) „ A ist ein Klasse“

2. Klassenhierarchie: is‐a‐Beziehung rdfs:subClassOf

3. Definition von Rollen („R ist eine Rolle“) mit Domain und Range

3 („ ) g

4. Rollenhierarchie/‐inklusion rdfs:subProperty 5. ABox aus RDF

Fazit RDF + RDFS

• geeignet für einfache Ontologien (wie bspw. schema.org)

• Vorteil: effizientes Schlussfolgern

• Nachteil: beschränkte Ausdruckskraft

• Fehlend: Existenz, Kardinalität, R inverse, transitiv, symmetrisch

• Rückgriff auf mächtigere Sprachen, wie OWL

Jun-13

I. Boersch 30

(30)

N hf lg d F li i d g l h t [AIFB]

Nachfolgende Folien sind angelehnt an [AIFB]:

[AIFB] Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren (AIFB) [AIFB] Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren (AIFB) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT):

http://semantic‐web‐grundlagen.de/wiki/SWebT1_WS09/10

Jun-13

I. Boersch 31

(31)

Jun-13

I. Boersch 32

(32)

OWL OWL

• Web Ontology Language

• http://www w3 org/2002/07/owl#

• http://www.w3.org/2002/07/owl#

• W3c Recommendation seit 2004

• Untermenge der Prädikatenlogik erster Stufe

• Drei Varianten

• OWL Lite < OWL DL < OWL Full

• Praktisch relevant: OWL DL

• ist entscheidbar

• Entspricht Beschreibungslogik

Jun-13

I. Boersch 33

(33)

OWL V i t

[AIFB]

OWL Varianten

• OWL Full

• Enthält OWL DL und OWL Lite

• Enthält als einzige OWL‐Teilsprache ganz RDFS

• Unentscheidbar

• Unentscheidbar.

• Wird durch aktuelle Softwarewerkzeuge nur bedingt unterstützt.

• OWL DL

• Enthält OWL Lite

• Entscheidbar.Entscheidbar.

• Wird von aktuellen Softwarewerkzeugen fast vollständig unterstützt.

i

• OWL Lite

• Entscheidbar.

• Wenig ausdrucksstark.

Jun-13

I. Boersch 34

g

(34)

OWL DL OWL DL

OWL Lit OWL Lite

RDF(S)

Jun-13

I. Boersch 35

(35)

V k b l OWL Vokabular von OWL

owl:FunctionalProperty owl:sameAs

owl:AllDifferent owl:FunctionalProperty

owl:hasValue owl:imports

owl:incompatibleWith

owl:someValuesFrom owl:SymmetricProperty owl:Thing

owl:TransitiveProperty owl:AllDifferent

owl:allValuesFrom

owl:AnnotationProperty

owl:backwardCompatibleWith

owl:intersectionOf

owl:InverseFunctionalProperty owl:inverseOf

l C di lit

owl:TransitiveProperty owl:unionOf

owl:versionInfo rdf:List

owl:cardinality owl:Class

owl:complementOf

l D t t P t owl:maxCardinality

owl:minCardinality owl:Nothing

owl:ObjectProperty

rdf:nil rdf:type

rdfs:comment rdfs:Datatype owl:DatatypeProperty

owl:DeprecatedClass owl:DeprecatedProperty

owl:DataRange j p y

owl:oneOf owl:onProperty owl:Ontology

owl:OntologyProperty

rdfs:Datatype rdfs:domain rdfs:label rdfs:Literal rdfs range owl:DataRange

owl:differentFrom owl:disjointWith owl:distinctMembers

owl:OntologyProperty owl:priorVersion

owl:Restriction

rdfs:range rdfs:subClassOf rdfs:subPropertyOf owl:equivalentClass

owl:equivalentProperty

• DL Semantik definiert unter: http://www w3 org/TR/2004/REC owl semantics 20040210/

Jun-13

I. Boersch 36

• DL‐Semantik definiert unter: http://www.w3.org/TR/2004/REC‐owl‐semantics‐20040210/

(36)

V k b l OWL it B g DL Vokabular von OWL – mit Bezug zu DL

owl:FunctionalProperty owl:sameAs owl:AllDifferent owl:FunctionalProperty

owl:hasValue owl:imports

owl:incompatibleWith

owl:someValuesFrom owl:SymmetricProperty owl:Thing

owl:TransitiveProperty owl:AllDifferent

owl:allValuesFrom

owl:AnnotationProperty

owl:backwardCompatibleWith

owl:intersectionOf

owl:InverseFunctionalProperty owl:inverseOf

l C di lit

owl:TransitiveProperty owl:unionOf

owl:versionInfo rdf:List

owl:cardinality owl:Class

owl:complementOf

l D t t P t owl:maxCardinality

owl:minCardinality owl:Nothing

owl:ObjectProperty

rdf:nil rdf:type

rdfs:comment rdfs:Datatype owl:DatatypeProperty

owl:DataRange j p y

owl:oneOf

owl:onProperty owl:Ontology

owl:OntologyProperty

rdfs:Datatype rdfs:domain rdfs:label rdfs:Literal rdfs range owl:DataRange

owl:differentFrom owl:disjointWith owl:distinctMembers

owl:OntologyProperty owl:priorVersion

owl:Restriction

rdfs:range

rdfs:subClassOf rdfs:subPropertyOf owl:equivalentClass

owl:equivalentProperty

• Syntaxbeispiele unter: http://www w3 org/TR/owl ref/

Jun-13

I. Boersch 37

• Syntaxbeispiele unter: http://www.w3.org/TR/owl‐ref/

(37)

DL i OWL DL in OWL

• Die Beschreibungslogik SHOIN(D) als Basis für die Ontologiesprache OWL S = ALC + transitive Hülle primitiver Rollenp Erinnerungg ALC:

H = Rollenhierarchie subProperty O = Nominale = Namen von Objekten

I In erse Rolle

I = Inverse Rolle

N = Number restriction

(D) = konkrete Domäne = Datentypen

Jun-13

I. Boersch 38

(38)

DL i OWL DL in OWL

In OWL

In OWL O In OWL In OWL In OWL In OWL2

Jun-13

I. Boersch 39

Nicht alle müssen verwendet werden..

(39)

A ig d A d k k ft i DL i P t g Anzeige der Ausdruckskraft einer DL in Protege

Protege zeigt zu einer geladenen Ontologie den verwendeten Umfang der beschreibungs‐

l i h K (DL M ik)

logischen Konzepte (DL‐Metrik)

Beispiel

Jun-13

I. Boersch 40

(40)

Ab i h i O t l gi l Fil Abspeichern einer Ontologie als File

• Verschiedene Serialisierungen von OWL

• Serialisierung RDF/XML muss von allen Tools implementiert werden

Abb. Serialisierungen in Protege

• OWL‐Dokument besteht aus

g g

• Kopf

• Wissensbasis

o TBox

o Abox

Jun-13

I. Boersch 41

(41)

K f i OWL D k t

[AIFB]

Kopf eines OWL‐Dokumentes

[]

• Definition von Namespaces in der Wurzel

<rdf:RDF

xmlns ="http://www.semanticweb‐grundlagen.de/beispielontologie#"

xmlns:rdf ="http://www.w3.org/1999/02/22‐rdf‐syntax‐ns#"

xmlns:xsd "http://www w3 org/2001/XMLSchema#"

xmlns:xsd ="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#"

xmlns:rdfs ="http://www.w3.org/2000/01/rdf‐schema#"

xmlns:owl ="http://www.w3.org/2002/07/owl#">

...

</rdf:RDF>

Jun-13

I. Boersch 42

(42)

K f i OWL D k t

[AIFB]

Kopf eines OWL‐Dokumentes

[]

• Allgemeine Informationen

<owl:Ontology rdf:about="">gy

<rdfs:comment rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#string“>

SWRC Ontologie in der Version vom Dezember 2005

</rdfs:comment>

<owl:versionInfo>v0.5</owl:versionInfo>

<owl:imports rdf:resource="http://www.semanticwebgrundlagen.de/foo"/>

<owl:priorVersion rdf:resource="http://ontoware.org/projects/swrc"/>

</owl:Ontology>

Jun-13

I. Boersch 43

(43)

K f i OWL D k t

[AIFB]

Kopf eines OWL‐Dokumentes

[]

• von RDFS geerbt rdfs:comment

rdfs:label

• für Versionierung owl:versionInfo

owl:priorVersion rdfs:seeAlso

rdfs:isDefinedBy

p

owl:backwardCompatibleWith owl:incompatibleWith

owl:DeprecatedClass

• außerdem owl:imports

Jun-13

I. Boersch 44

(44)

OWL Wi b i OWL Wissensbasis

• Beschreibt ein kontrolliertes Vokabular mit Hilfe von

• Klassen (Konzepte, Begriffe)( p , g )

• Rollen (Relationen, Beziehungen, Eigenschaften, Properties)

• Individuen (Instanzen, Objekte der realen Welt wie Du und ich)

• Klassen zerfallen in OWL in

o die eigentlichen Konzepte und

o Datentypen. Diese betrachten wir nicht weiter.

Jun-13

I. Boersch 45

(45)

OWL Wi b i OWL Wissensbasis

OWL Wissensbasen bestehen aus 2 Teilen:

• TBox: Axiome, die die Struktur der zu modellierenden Domäne beschreiben

( )

• Abox: Axiome, die konkrete Situationen (Daten) beschreiben:

Jun-13

I. Boersch 46

(46)

OWL lesen OWL lesen –

Ein Schnappschuss der Sprachkonstrukte

Jun-13

I. Boersch 47

(47)

S hk t kt i OWL Sprachkonstrukte in OWL

• Konstruktoren zur Beschreibung komplexer Konzepte und Rollen aus einfachen Konzepten und Rollen

• Konzeptkonstruktoren (Descriptions)

1

• Rollenkonstruktoren

• Axiome zum Ausdruck von Fakten über Konzepte, Rollen und Individuen

• Über Konzepte

3

2

• Über Konzepte

o C ist Unterklasse von <Konzeptkonstruktor>

o C und D sind äquivalent

3

o C und D haben keine gemeinsamen Elemente

• Über Rollen

o R hat Domain und Range

4

g

o R ist eine Funktion, ist transitiv

• Über Individuen

i t i C i t hi d b

5

Jun-13

I. Boersch 48

o a ist ein C, a ist verschieden von b

(48)

Von DL zu OWL

OWL DL K k i K

OWL‐DL: Konstruktion von Konzepten

1 Ab t kt S t i OWL DL S t Abstrakte Syntax in OWL DL Syntax

R ist eine Rolle, eine sogenannte ObjectProperty

Konstruktoren mit Datentypen sind hier weggelassen

max

Details der abstrakten Syntax sind hier nicht wichtig, aber die Begriffe finden sich in der konkreten OWL‐

S t iede Syntax wieder

Jun-13

I. Boersch 49

(49)

OWL‐DL: Konstruktion von Konzepten

Ei f h K k

1 Einfache Konstruktoren

• Beispiel einer Konj nktion:

• Beispiel einer Konjunktion:

<owl:intersectionOf rdf:parseType="Collection">

<owl:Class rdf:about="#Burgundy" />

<owl:Class rdf:about="#WhiteWine" />

</owl:intersectionOf>

Jun-13

I. Boersch 50

(50)

OWL‐DL: Konstruktion von Konzepten

V l i i

1 Value restriction

• Entspricht owl:allValuesFrom

• Alle Individuen, die zum gerade beschriebenen Konzept in der Relation R stehen, müssen zum Konzept C gehören

• Als unäres Prädikat:

• DL‐Beispiel: Welches Konzept wird hier beschrieben?

<owl:Restriction>

<owl:onProperty rdf:resource="#hatKind" /> p y /

<owl:allValuesFrom rdf:resource="#Female" />

</owl:Restriction>

Jun-13

I. Boersch 51

(51)

OWL‐DL: Konstruktion von Konzepten

E i i i

[AIFB]

1 Exists restriction

• Entspricht owl:someValuesFrom

• Es gibt mindestens ein Individuum, das zum gerade beschriebenen Konzept in der Relation R steht und zum Konzept C gehört

• Als unäres Prädikat:

• DL‐Beispiel: Welches Konzept wird hier beschrieben?

<owl:Restriction>

<owl:onProperty rdf:resource=„#hatPruefer"/>p y „ /

<owl:someValuesFrom rdf:resource=„#Person"/>

</owl:Restriction>

>Übung

Jun-13

I. Boersch 52

‐>Übung

(52)

OWL‐DL: Konstruktion von Konzepten

(U lifi i ) i h R ik i

1 (Unqualifizierte) numerische Restriktion

<owl:Class rdf:about=„ex:#Animal">„

<rdfs:subClassOf>

<owl:Restriction>

<owl:onPropertyrdf:resource=„ex:#hasGender"/>

/koala.owl

<owl:cardinality rdf:datatype="&xsd;nonNegativeInteger">1</owl:cardinality>

</owl:Restriction>

</rdfs:subClassOf>

wl/owl‐library/

<rdfs:subClassOf>

<owl:Restriction>

<owl:onProperty rdf:resource=„ex:#hasHabitat"/>

<owl:minCardinality rdf:datatype "&xsd;nonNegativeInteger">1</owl:minCardinality> ^e^du/p

lugins/ow

<owl:minCardinality rdf:datatype="&xsd;nonNegativeInteger">1</owl:minCardinality>

</owl:Restriction>

</rdfs:subClassOf>

</owl:Class> ege.stanford.e

</owl:Class>

http://prote

Ein Tier hat ein Geschlecht und mindestens einen Lebensraum.

Primitves Konzept ‚Animal‘, Konzeptinklusion.

Jun-13

I. Boersch 53

(53)

S hk t kt i OWL Sprachkonstrukte in OWL

• Über Konzepte

2

• Über Konzepte

• Über Rollen

o R hat Domain und Rangeg

i t i C i t hi d b

Jun-13

I. Boersch 54

(54)

Von DL zu OWL

OWL DL K k i R ll OWL‐DL: Konstruktion von Rollen

2

Abstrakte Syntax in OWL DL Syntax

‐>Übung

Jun-13

I. Boersch 55

(55)

S hk t kt i OWL Sprachkonstrukte in OWL

• Über Konzepte

3

^• Über Konzepte

3

• Über Rollen

i t i C i t hi d b

Jun-13

I. Boersch 56

(56)

OWL DL A i üb K t OWL‐DL: Axiome über Konzepte

3

Jun-13

I. Boersch 57

(57)

OWL‐DL: Axiome über Konzepte

Kl hi hi d d fi i i

[AIFB]

3 Klassenhierarchie und ‐definition

Jun-13

I. Boersch 58

(58)

OWL‐DL: Axiome über Konzepte

Kl hi hi

[AIFB]

3 Klassenhierarchie

<owl:Class rdf:ID=„Professor">

<rdfs:subClassOf rdf:resource="#Fachbereichsmitglied"/>

</owl:Class>/

<owl:Class rdf:ID=" Fachbereichsmitglied ">

<rdfs:subClassOf rdf:resource="#Person"/>

</owl:Class>

• Es folgt durch Inferenz, dass Professor eine Subklasse von Person ist.

>Übung

Jun-13

I. Boersch 59

‐>Übung

(59)

OWL‐DL: Axiome über Konzepte

Kl ä i l

[AIFB]

3 Klassenäquivalenz

• Nur damit können wir neue komplexe Klassen definieren:

<owl:Class rdf:about= # #JemandNurMitToechtern“>

?

^“>

<owl:Class rdf:about=„#

?

^>

<owl:equivalentClass>

<owl:Restriction>

#JemandNurMitToechtern“>

<owl:onProperty rdf:resource=„#hatKind"/>

<owl:allValuesFrom rdf:resource=„#Female"/>

</owl:Restriction>

</owl:equivalentClass>

<rdfs:subClassOf rdf:resource="&owl;Thing"/>

/ l Cl

</owl:Class>

Jun-13

I. Boersch 60

(60)

OWL‐DL: Axiome über Konzepte

Di j k Kl

[AIFB]

3 Disjunkte Klassen

<owl:Class rdf:ID="Professor">

<rdfs:subClassOf rdf:resource=

"# Fachbereichsmitglied "/>

</owl:Class>

<owl:Class rdf:ID="Buch">

<rdfs:subClassOf rdf:resource="#Publikation"/>

<rdfs:subClassOf rdf:resource= #Publikation />

</owl:Class>

<owl:Class rdf:about="# Fachbereichsmitglied ">

<owl:disjointWith rdf:resource="#Publikation"/>

</owl:Class>

• Es folgt durch Inferenz, dass Professor und Buch ebenfalls disjunkte Klassen sind.

>Übung

Jun-13

I. Boersch 61

‐>Übung

(61)

S hk t kt i OWL Sprachkonstrukte in OWL

• Über Konzepte

• Über Rollen

o R hat Domain und Range

4

g

i t i C i t hi d b

Jun-13

I. Boersch 62

(62)

Von DL zu OWL

OWL DL A i üb R ll OWL‐DL: Axiome über Rollen

4

Jun-13

I. Boersch 63

(63)

OWL‐DL: Axiome über Rollen

D i d R ( h RDFS)

4 Domain und Range (noch aus RDFS)

• Beispiel: Eine Relation hasChildren, die als Definitionsbereich (Domain) und als Wertebereich (Range) Objekte der Klasse ‚Animals‘ erlaubt:

ary/koala.owl

<owl:ObjectProperty rdf:about=„ex:#hasChildren">

<rdfs:range rdf:resource=„ex:#Animal"/>

<rdfs:domain rdf:resource= ex:#Animal"/> ^s/owl/owl

‐libra

<rdfs:domain rdf:resource=„ex:#Animal />

</owl:ObjectProperty>

rd.edu/plugins

<owl:ObjectProperty rdf:about=„ex:#hasDegree">

<rdfs:range rdf:resource=„ex:#Degree"/>

<rdfs:domain rdf:resource=„ex:#Person"/> _ro^teg

e.stanfor

„ /

Aus http://pr

>Übung

Jun-13

I. Boersch 64

‐>Übung

Range: Stellen wir uns ein Konzept vor, von dem Relationen hasChildren nur zu Animals führen

(JemandNurMitAnimalsAlsKind). Alle Konzepte sollen in dieses Konzept gehören ‐> Damit treffen wir eine Aussage über hasChildren: ‚hasChildren zeigt nur auf Animals‘

Domain: Stellen wir uns die Konzepte vor, von denen mindestens eine hasChildren‐Relation ausgeht . Alle diese Konzepte sollen Animals sein ‐> Damit Aussage über hasChildren: ‚hasChildren geht nur von Animals aus‘

(64)

OWL‐DL: Axiome über Rollen

Obj P d D P

4 ObjectProperty und DatatypeProperty

DE Tools

• In OWL gibt es zwei Arten von Rollen:

e 4 and CO‐OD

Abstrakte Rollen : Klasse ‐> Klasse

(ObjectProperty) Using Protege

(ObjectProperty)

L Ontologies U

Konkrete Rollen: Klasse ‐> Datentyp

(DatatypeProperty) _Building

OWLtical Guide To

Jun-13

I. Boersch 65 A Prac

(65)

OWL‐DL: Axiome über Rollen

Ab k R ll Obj P “

4 Abstrakte Rollen „ObjectProperty“

• Abstrakte Rollen sind Rollen zwischen Klassen

• Beispiel: abstrakte Rolle ‚Mitgliedschaft‘

<owl:ObjectPropertyrdf:ID=„Mitgliedschaft"/>

• Domain und Range abstrakter Rollen

<owl:ObjectProperty rdf:ID=„Mitgliedschaft">

<rdfs:domain rdf:resource="#Person"/>

<rdfs:range rdf:resource="#Organisation"/>

Mitgliedschaft besteht zwischen einer Person und einer Organisation.

Jun-13

I. Boersch 66

g g

(66)

OWL‐DL: Axiome über Rollen

K k R ll D P “

4 Konkrete Rollen „DatatypeProperty“

• Konkrete Rollen haben als Range einen vordefinierten Datentypen

• Beispiel: konkrete Rolle ‚Vorname‘

<owl:DatatypeProperty rdf:ID="Vorname"/>

• Domain und Range konkreter Rollen

<owl:DatatypeProperty rdf:ID="Vorname">

<rdfs:domain rdf:resource="#Person" />

<rdfs:range rdf:resource="&xsd;string"/>

</owl:DatatypeProperty>

• Viele XML Datentypen können verwendet werden, bspw. integer und string

Der Vorname einer Person ist eine Zeichenkette.

Jun-13

I. Boersch 67

(67)

OWL‐DL: Axiome über Rollen

W i A üb R ll Obj P i

4 Weitere Aussagen über Rollen ObjectProperties

• ObjectProperties (Rollen zwischen Klassen) können markiert werden als :

• transitiv,

• symmetrisch,y ,

• funktional und

• inverse funktional.

• Beispiel: Die abstrakte Rolle ‚grenztAn‘ ist symmetrisch ^‐>Übung

• Einschränkung: Damit die OWL DL entscheidbar bleibt, können diese Eigenschaften nicht beliebig kombiniert werden.

• Es muss gelten: Properties, die als ‚transitiv' markiert sind, können nicht in ihrer g p , ‚ , Cardinalität eingeschränkt werden, d.h. kein 'Functional' und keine 'min‐' oder 'max‐Cardinality'.

• Dies gilt ebenso für ihre Superproperties und ihre Inversen.

Jun-13

I. Boersch 68

Dies gilt ebenso für ihre Superproperties und ihre Inversen.

(68)

OWL‐DL: Axiome über Rollen

B i i l i h R l i R Rb Æ bR

4 Beispiel symmetrische Relation R, aRb Æ bRa

<owl:ObjectProperty rdf:ID=„grenztAn">

<rdf:type rdf:resource="&owl;SymmetricProperty" />

<rdfs:domain rdf:resource="#Region" />g /

<rdfs:range rdf:resource="#Region" />

</Region>

• Es folgt durch Inferenz dass auch LandkreisElbeElster an LandkreisTeltowFläming

• Es folgt durch Inferenz, dass auch LandkreisElbeElster an LandkreisTeltowFläming grenzt.

Jun-13

I. Boersch 69

(69)

S hk t kt i OWL Sprachkonstrukte in OWL

• Über Konzepte

• Über Rollen

i t i C i t hi d b

5

Jun-13

I. Boersch 70

(70)

Von DL zu OWL

A i i OWL DL (F k )

Assertions in OWL‐DL (Fakten)

5

• ABox

Jun-13

I. Boersch 71

(71)

Assertions in OWL‐DL (Fakten)

I di id

5 Individuen

Konzeptzuweisung C(a)

df D i ti df ID "Di t Uhli "

<rdf:Description rdf:ID="DietmarUhlig">

<rdf:type rdf:resource="#Professor"/>

</rdf:Description>

• gleichbedeutend:

Jun-13

I. Boersch 72

(72)

Assertions in OWL‐DL (Fakten)

I di id d R ll

5 Individuen und Rollen

Rollenzuweisung R(b,c)

P df ID Di t Uhli "

<hatVorname rdf:datatype="&xsd;string">Dietmar</hatVorname>

</Person>

Jun-13

I. Boersch 73

(73)

O l

5 Owl:sameas

5

• Individuen sind identisch

<rdf:Description rdf:about="#William Jefferson Clinton">p _ _

<owl:sameAs rdf:resource="#BillClinton"/>

</rdf:Description>

Jun-13

I. Boersch 74

(74)

• OWL unterstützt XML Schema primitive Datentypen, bspw. integer, real, string

• Strenge Trennung zwischen

• ‚Objekt'‐Klassen und ‚ j

• Datentypen

• Disjunkte Interpretationsdomänen

• Disjunkte Objekt'Properties (Abstrakte Rollen) und Datentyp Properties (Konrete

• Disjunkte ‚Objekt'Properties (Abstrakte Rollen) und Datentyp‐Properties (Konrete Rollen)

Jun-13

I. Boersch 75

(75)

OWL 2 OWL 2

• W3C‐Standard seit Oktober 2009

• OWL 2 ist entscheidbar

• Von SHOIN(D) zu SROIQ(D)( ) Q( )

Jun-13

I. Boersch 76

(76)

W

Wozu

Terminologien in Form des Semantic Web bieten als ‚Mehrwert‘:

• Vernetzungg von Wissen mit Hilfe eindeutiger Begriffe (URI, gemeinsame OWL‐g g ( , g Ontologie als Vokabular)

• Inferenz in semantischen Netzen

• Die TBox und die ABox beinhalten implizites Wissen – dieses soll explizit und damit

i htb ht d

sichtbar gemacht werden

Jun-13

I. Boersch 77

(77)

A f g O t l gi

Anfragen an Ontologien

• Wissensbasis einer DL besteht aus TBox und ABox

• OWL‐Full ist eine Teilmenge der Prädikatenlogik 1. Stufe (PL1, FOL)g g ( , )

• Diese ist unentscheidbar, d.h. die Inferenzalgorithmen terminieren nicht immer

• Wie löst OWL DL dieses Problem?

• Wie löst OWL‐DL dieses Problem?

Einschänkung der Ausdruckskraft führt zur Entscheidbarkeit:

• OWL Lite ist entscheidbar, SHIF(D) – aber nicht ausdrucksstark

OWL‐DL ist entscheidbar SHOIN(D) OWL DL ist entscheidbar, SHOIN(D)

Jun-13

I. Boersch 78

(78)

A f g O t l gi

Anfragen an Ontologien

• Beispiel

• Anfrage an OWL‐DL‐Wissensbasis: Ist C eine Unterklasse von D?

• Sie bekommen auf jeden Fall eine Antwort in endlicher Zeit. (Entscheidbarkeit)j ( )

• Was bedeutet: Antwort = JA

• Was bedeutet: Antwort = NEIN

Jun-13

I. Boersch 79

(79)

O W ld A ti

Open World Assumption

• Bei Anfragen an DL gilt die Open World Assumption

• open world: Das Wissen der Wissensbasis über die Welt ist unvollständig

• Was nicht beweisbar ist, ist nicht automatisch falsch.,

• Auch wenn es keine Erklärung gibt, kann eine Aussage richtig sein.

• Anfrage (bspw. nach Instanzen) liefert nur beweisbare Antworten

• Sie kennen z.B. aus Prolog bisher die: Closed World Assumption

• Annahme: Alles Wissen ist in der Wissensbasis enthalten.

• Daraus folgt: Was nicht aus der Wissensbasis beweisbar ist, ist falsch.

Jun-13

I. Boersch 80

(80)

A f g O t l gi

Anfragen an Ontologien

• Beispiel

• Anfrage an OWL‐DL‐Wissensbasis: Ist C eine Unterklasse von D?

• Sie bekommen auf jeden Fall eine Antwort in endlicher Zeit. (Entscheidbarkeit)j ( )

• Es lässt sich beweisen, dass C eine Unterklasse von D ist.

• Es lässt sich nicht beweisen, dass C eine Unterklasse von D ist

• Die Annahme C sei keine Unterklasse von D führt nicht zu einem Widerspruch

• Die Annahme C sei keine Unterklasse von D führt nicht zu einem Widerspruch.

• Es lässt sich nicht beweisen, dass C eine Unterklasse von D ist – aber auch nicht ausschließen.

Jun-13

I. Boersch 82

(81)

B i i l1 O W ld A ti di TB

TBox

Beispiel1 Open World Assumption – die TBox

Jun-13

I. Boersch 83

(82)

B i i l1 O W ld A ti di AB

ABox

Beispiel1 Open World Assumption – die ABox

Jun-13

I. Boersch 84

(83)

B i i l1 O W ld A ti di A f g

Beispiel1 Open World Assumption – die Anfragen

Leicht Schwierig Schwierig

ABox

Schwierig Leicht

TBox

Jun-13

I. Boersch 85

(84)

B i i l1 O W ld A ti di A t t

Beispiel1 Open World Assumption – die Antworten

A(paul): Nein. Wäre Weiblich(andrea) noch bekannt, wäre die Antwort ebenfalls

‚nein‘, denn es können unbekannte Söhne existieren.

A(fred): Nein. Zwar gilt für alle bekannten Kinder (das sind null) von fred, dass sie weiblich sind, aber es können unbekannte Söhne existieren.

B(paul): Nein. Paul gehört zwar zum Konzept derer, die mindestens ein weibliches Kind haben (rechte Seite der Inklusion), von dem das

Konzept B eine Unterklasse ist. Ob er aber zum Konzept B gehört, ist unbekannt. B könnte bspw. das Konzept der Personen mit zwei klugen Töchtern sein.

B(fred): Nein: Ob fred überhaupt eine Tochter hat, ist nicht bekannt, und über die Zugehörigkeit zu B ebenfalls nichts. Er könnte aber durchaus zu B gehören.

Das Antworten bei OWA sind erkennbar zurückhaltend, es wird nichts Falsches behauptet.

Das hat den großen Vorteil, dass das System bei Erweiterung der Wissensbasis (neues Wissen) seine alten Antworten niemals widerrufen muss.

Jun-13

I. Boersch 86

)

(85)

B i i l2 O W ld A ti TB d F g Beispiel2 Open World Assumption – TBox und Frage

Jun-13

I. Boersch 87

(86)

B i i l2 O W ld A ti A t t Beispiel2 Open World Assumption – Antwort

• Nein. Solange nicht gesagt wird, dass eine MargheritaPizza nur die beiden Toppings Tomate und Mozzarella haben kann könnte sie auch andere fleischhaltige Toppings Tomate und Mozzarella haben kann, könnte sie auch andere, fleischhaltige Toppings haben und ist somit nicht automatisch eine vegetarische Pizza

• Heilung durch Closure (Angabe aller Möglichkeiten) von hasTopping:

Jun-13

I. Boersch 88

(87)

Fazit Fazit

• Was leisten formale Ontologien?

• Was leisten formale Ontologien nicht? g

Jun-13

I. Boersch 89

(88)

W l i t f l O t l gi ? Was leisten formale Ontologien?

Repräsentation Repräsentation

• Exakte, logikbasierte Beschreibungen von Konzepten und Relationen, die durch konkrete Objekte der Welt instanziiert werden (Konzeptualisierung)

Vernetzung

• Einigung über kontrollierte (mächtige und vernetzte) Vokabularien

• Vernet ng erteilter Wissensbasen

• Vernetzung verteilter Wissensbasen

• Konsistenz von Begriffen

Inferenz Inferenz

• Verwendung von maschinellem Schließen, z.B. basierend auf Beschreibungslogiken (OWL‐DL, OWL 2)

• Automatisches Einordnen neuer Konzepte, Automatisches Erstellen von Hierarchien, Konsistenzprüfung, Erfüllbarkeit

Jun-13

I. Boersch 90

(89)

W l i t f l O t l gi i ht?

Was leisten formale Ontologien nicht?

• Keine Repräsentation

• Unsicheren Wissens (Wahrscheinlichkeiten, Sicherheiten)

• Unscharfen Wissens (Fuzzy)( y)

• Prozeduralen Wissen (Regeln, RIF, SWRL)

• Vollständigkeit und Konsistenz nur in begrenzten Wissensgebieten

Semantische Webtechnologien sind der Anfang, das menschliche Wissen in großem Umfang für das menschliche Wissen in großem Umfang für Maschinen zu erschließen.

Jun-13

I. Boersch 91