МПЗиО_13_17_СемантичВеб (Лекции)

ПРЕДСТАВЛЕНИЕЗНАНИЙ:ФОРМАЛЬНЫЕ ЯЗЫКИдляSemantic WebСОДЕРЖАНИЕ1.Концепции Semantic Web и Linked Data2.Понятие URI3.Форматы RDF4.Средства RDFS : словари5.Язык запросов SPARQL6.Язык описания онтологий OWL7.Заключение2ПОИСК И СЕМАНТИЧЕСКИЙ ВЕБРазвитие Интернета: Web-1 – 1989 г. – веб документов Web-2 – 2000 гг. – структурированный исоциализированный веб Web-3 – 2020г.? – семантический вебКомпьютерная программа не способна, загрузив произвольныйдокумент (веб-страница, файл) понять его содержаниеЦелью проекта Semantic Web является создание средств: снабжающих ресурсы сети Интернет метаинформацией позволяющих пользователю осуществлять семантическуюнавигацию и поиск внутри аннотированных ресурсов обеспечивающих поиск и интеграцию информациипрограммными агентамиВ идеальном варианте, все информационные ресурсы вИнтернете должны описываться на двух языках:для человека и для программных агентов3Semantic Web и Linked DataSemantic Web – расширение Web, в рамках которогоинформация представляется в форматах,обеспечивающих семантический поиск на базеаннотированных (метаинформацией) ресурсов ИнтернетSemantic Web позволит пользователю быстро получатьответы на сложные запросы«Онтологии – ведущая парадигма структурированияинформационного контента»Основа Semantic Web – концепция Linked Data, 2006 г.,Тим Бернес-ЛиПредставление данных в структурированном виде,пригодном для машинной обработки (семантические сети и др.)Набор приемов опубликования и соединенияструктурированных данныхОсновные понятия:HTTP URI , RDF,SPARQL4Web и Linked Data:СРАВНЕНИЕWorld Wide WebLinked DataДанные для людей документы в форматеHTMLДанные для машин в формате RDFДокументы в сетиименуются с помощьюURLПроизвольныесущности именуютсяс помощьюHTTP URIHTTP – Hyper Text Transfer Protocol(протокол передачи данных по сети)5ПОНЯТИЯ URI, URL и URNURI (Uniform Resource Identifier) – символьная строка,позволяющая идентифицировать какую-либосущностьПонятие возникло вместе с понятием URL (WWW,1989)Способы именования произвольных сущностей:URL – включает местонахождение сущностиURN – идентифицирует в некотором пространствеимен, но не указывает местонахождение сущности(например, ISBN:0-395-36341-1 идентифицирует книгу)URI – это либо URL, либо URNПримеры:http://www.w3с.org/People/Berners-Lee/mailto:timbl@w3.org6ПОНЯТИЕ HTPP URIHTTP URI – HTTP Uniform Resource IdentifierHTTP URI используются для именования сущностейв Linked Data, позволяют получать информацию попротоколу HTTPДля извлечения информации из разыменованного URIсущности используются стандарты RDF и SPARQLHTTP URIhttp://ru.wikipedia.orgURLftp://myname:mypass@myhost.comURIurn:issn:1535-36137HTTP URI И СУЩНОСТИHTTP URI позволяет ссылаться на произвольныесущности, в том числе понятия(онтологии, модели ПО)FOAF (Friend of a Friend) –проект по созданию модели ПЗ для машинночитаемых домашних страниц и социальных сетейПримеры используемых понятий:Person –name–http://xmlns.com/foaf/0.1/nameknows–http://xmlns.com/foaf/0.1/knowshttp://xmlns.com/foaf/0.1/Person8ПРИНЦИПЫ Linked DataДля именования сущностей и понятийиспользуются HTTP URIДля получения данных применяется протокол HTTPПо данному URI предоставляется информация(в удобном формате)о сущности, на которую указывает URIВ описания сущностей включаются ссылки надругие сущности, чтобы сделать знания/данныесвязаннымиЯзык RDF применяется для описания сущностейи их связей (отношений)9ЯЗЫК RDFRDF : Resource Description FrameworkСхема, формат представления данных и метаданныхСтандарт (де факто) для семантического вебаВозможные метаданные (данные о данных)Запись на RDF – множество триплетов (троек) вида<subject, predicate, object>Метаданные файлов: расширение, размер...Заголовки баз данныхОнтологииСубъект (subject) – URI или переменная (Blank node)Предикат (predicate)– URIОбъект (object) – URI , Blank node или константа (литерал)Для описания данных в RDF используютсясловари (онтологии) классов и отношений (связей, свойств)10ГРАФ ДАННЫХ RDFЗапись на RDF – множество триплетов – может бытьпредставлена графически,в виде семантической сети:Джон знает Майка.Фамилия Джона – Нельсон.Джон знает человека, который родился 21 апреля.ex:Johnknowsex:Mikeknows"Nelson"birthday"04-21"11ФОРМАТЫ RDFНесколько форматов (синтаксисов) записи триплетовXML – используется для хранения и передачиданных по сетиДжона знает человека, который родился 21 апреля:<foaf:Personrdf:about="http://example.org/Person#John"><foaf:knows><foaf:Person foaf:birthday="04−21"/></foaf:knows></foaf:Person>N-Triple – последовательно записываются три HTTP URI,заключенные в угловые скобки, в конце – точкаДжон знает Майка:<http://example.org/Person#John><http://xmlns.com/foaf/0.1/knows><http://example.org/Person#Mike> .12ФОРМАТЫ RDF: NOTATION 3Notation 3 – используются префиксы,определяемые заранее (ex, foaf, др.):@prefix ex: <http://example.org/Person#> .@prefix foaf: <http://xmlns.com/foaf/0.1/> .В результате их использования – более короткаязапись, например:Джон знает Майкаex:John foaf:knows ex:Mike .Если вершина неизвестна, используется знак ?Джон знает человека, который родился 21 апреляex:John foaf:knows? .?foaf:birthday "04-21" .13NOTATION 3: СОКРАЩЕНИЕ ЗАПИСИНесколько троек с одним и тем же пустым узломможно записать в квадратных скобках,сам пустой узел указывать в этом случае не нужно:Джон знает человека, который родился 21 апреля[ ex:John foaf:knows ; foaf:birthday "04−21" .

]Несколько троек с одним и тем же субъектом можнозаписать через точку с запятой, указав субъект толькоодин раз:Джон знает Майка, фамилия Джона – Нельсонex:Johnfoaf:knowsex:Mike ;foaf:familyName"Nelson" .Если тройки с одним субъектом и предикатом, тообъекты можно записать через запятую:ex:Alicefoaf:knows ex:Mike , ex:John .14RDF-СЛОВАРЬ FOAFFOAF – Friend of a FriendКлассы:AgentPersonProjectOrganizationGroupDocumentImage…(онтология без аксиом)Свойства:Отношения:nameagetitlebirthdayfamilyNamegivenNamemember…knowsbased_nearmadedepictsisPrimaryTopicOfcurrentProjectworkplaceHomepage…Каждому понятию соответствует определенный HTTP URI :http://xmlns.com/foaf/0.1/knows15ПРИМЕР RDF-ГРАФАВершинами графа являются субъекты и объекты,ребра – свойства и отношения16RDF-СЛОВАРИFOAF (Friend of a Friend)vCard (visiting Card) - для описания физических июридических лиц, а также фактов, кто с кем знакомGoodRelations - для описания товаров в магазинахSIOC (Semantically-Interlinked Online Communities) для описания информации из блогов и форумовSKOS (Simple Knowledge Organization System)для описания тезаурусов и таксономийDOAP (Description of a Project) - для описанияopen-source проектовDublin Core - простой набор элементов метаданных17СОЗДАНИЕ НОВЫХ СЛОВАРЕЙRDFS : RDF Scheme,RDF Vocabulary Definition Language – языкописания RDF-словарейRDFS – расширение RDF, позволяющееописывать простые (легкие) онтологии:классификации с некоторымидополнительными отношениямиOWL : Web Ontology Language –язык описания веб-онтологий, позволяетописывать более сложные онтологии18RDFS: ОПИСАНИЕ ОНТОЛОГИЙДля описания используются компоненты: rdfs:Class отношения rdf:type и rdfs:subClassOfПример описания классов:ex:MotorVehicle rdf:type rdfs:Class .ex:PassVehicle rdf:type rdfs:Class .Пример взаимосвязи (вложения) классов:ex:PassVehicle rdfs:subClassOf ex:MotorVehicle(Пассажирский автомобиль является механическимтранспортным средством)Используются стандартные префиксы:@prefix rdf: <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#>.@prefix rdfs: <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#> .19RDFS: ОПИСАНИЕ ОТНОШЕНИЙДля описания используются: класс rdf:Property, свойство rdfs:subPropertyOf отношение rdfs:domain –накладывает ограничение на субъект отношение rdfs:range –накладывает ограничение на объектПример описания отношения hasMother снакладыванием ограничений на субъект и объект:ex:hasMotherex:hasMotherex:hasMotherexstaff:Johnrdf:typerdfs:domainrdfs:rangeex:hasMotherrdf:Property .ex:Person .ex:Female .exstaff:Jessica .20RDF: ЛОГИЧЕСКИЙ ВЫВОДRDF-данные можно интерпретироватьс помощью описанных онтологий и получатьлогические заключенияОписание отношения hasMother :ex:hasMother rdf:typerdf:Property .ex:hasMother rdfs:domainex:Person .ex:hasMother rdfs:range ex:Female .Известно: У Джона есть мать Джессикаexstaff:Johnex:hasMother exstaff:Jessica .Значит, Джон – человек, а Джессика – женщина:exstaff:John rdf:typeex:Person .exstaff:Jessica rdf:typeex:Female .21ЯЗЫК SPARQLSPARQL Protocol and RDF Query Language – языкзапросов к данным, представленным в виде RDF,а также протокол для передачи этих запросов и ответовЗапрос – шаблон графа + условие фильтрацииШаблон графа включает шаблонные триплетыШаблонный триплет, пример:Переменные начинаются либо с ?, либо с $Суперпозиции шаблонных триплетов:••••?X :name "John" .{ P1 P2 }\\ перечисление триплетов (&){ P1 } UNION { P2 }\\ дизъюнкция{ P1 OPTIONAL { P2 } } \\ отношения из Р2 не обязательны{ P1 FILTER ( R ) }\\ фильтрация выводимых данныхВозможны префиксы:PREFIX foaf: <http://xmlns.com/foaf/0.1/>22SPARQL: ВИДЫ ЗАПРОСОВSELECT – возвращает всевозможныезначения переменных в запросеCONSTRUCT – строит RDF-граф,подставляя значения переменныхASK – булевский запрос, удовлетворяет лиRDF-граф заданному шаблонуDESCRIBE – возвращает структурусоответствующего RDF-хранилища(набора триплетов)23ПРИМЕР ЗАПРОСА SELECTSELECT ?N ?Eмножество переменныхWHERE{шаблон графа?X :name ?N ;:email ?E .?X :friendOf ?Y .?Y :name"Ruth Garrido“ .}Знак ; означает продолжение использования того же субъекта24ВЫРАЗИТЕЛЬНОСТЬ SPARQLВыразительность языка:• Группировка• Опциональные части• Вложенность• Объединение шаблонов• ФильтрацияРазвитие:Регулярные выраженияСемантика языка:отображения(mappings)25ЯЗЫК OWLОнтологии – средство структурированияинформационного контентаOWL : Web Ontology Language - язык описанияонтологий для семантического вебаДве функции : описательная: представление знаний (онтологии) логическая: получение выводов из знаний)Модель знаний, ключевые понятия: классы свойства экземпляры (индивиды) аксиомы26OWL: КЛАССЫ и СВОЙСТВАДва предопределенных класса: owl:Thing (сущность), owl:Nothing (ничто);Каждый класс являетсяродительским для owl:Nothing идочерним для owl:ThingПример объявления класса (XML):<owl:Class rdf:ID=“Human”/>Отношение Класс-Подкласс (Род-Вид, наследование):rdfs:subClassOfДва класса свойств owl:Property: Связывание объектов-индивидов друг с другом:owl:ObjectProperty Свойства типов данных: связывают индивидов сзначениями типов данных: owl:DatatypeProperty27OWL: АКСИОМЫ КЛАССОВОбъявления классов:owl:Class – объявление классаowl:SubClassOf – объявление подклассаowl:equivalentClass – эквивалентные классыowl:disjointWith – классы не пересекаютсяОграничения на значения:owl:allValuesFrom – все значения свойства –экземпляры указанного класса, если в качествесубъекта выступает данный класс (∀)owl:someValuesFrom – существует (∃)owl:hasValue – имеет значениеОграничения на мощность:owl:maxCardinality – максимальное значениеowl:minCardinality – минимальное значениеowl:cardinality – значение мощности задается явно28OWL: ПРИМЕР ОПИСАНИЯ КЛАССАОписание класса «Футбольная команда»::ФутбольнаяКоманда rdf:type owl:Class ;:ФутбольнаяКоманда rdfs:subClassOf ? ;? rdf:type owl:Restriction ;? owl:onProperty :Игрок ;? owl:cardinality 11 .owl:Restriction – класс OWL, позволяющийзадавать ограничения: owl:onProperty задает ограничение свойства owl:cardinality – ограничение на мощностькласса: количество значений для заданногосвойства29OWL: АКСИОМЫ СВОЙСТВСоотношение данного свойства с другим:owl:equivalentProperty – эквивалентные свойстваowl:inverseOf – первое свойство является обратнымдля второго свойстваГлобальные ограничения на мощность свойств:owl:FunctionalProperty – функциональное:уникальность субъектов во всех тройкахowl:InverseFunctionalProperty – уникальностьобъектов во всех тройкахЛогические характеристики свойств:owl:TransitiveProperty – транзитивностьowl:SymmetricProperty – симметричность30OWL: СИНТАКСИС И СЕМАНТИКА5 официальных форматов синтаксиса(в том числе RDF-based)Две официальные семантики (согласованы): Direct-семантика: Основана на логике первого порядка Прямые соответствия:Классы → множестваСвойства → отношенияЭлементы → константы и переменныепроблемной области RDF-based семантика31OWL: ДИАЛЕКТЫТри версии языка OWL: OWL Full – язык RDFS с расширенным синтаксисом нет различий между классами и экземплярами классов:(Например, Спаниель – имя класса и экземпляра) не различаются объектные свойства и свойства типов неразрешимость логического выводаOWL DL – описание на основе Дескриптивных Логик различает классы, типы данных, свойства типов данных,объектные свойства и индивиды запрещено использовать почти все элементы RDFSOWL Lite – для проектирования простых таксономий снекоторыми дополнительными отношениями сохранение всех ограничений OWL DL + дополнительные запрещается использовать ограниченияowl:hasValue и owl:disjointWith32OWL Lite: ПРОФИЛИOWL ELOWL QLполиномиальные алгоритмы для всехстандартных задач (классификации и проверкисуществования экземпляров)применяется для очень больших онтологийдопускает конъюктивные запросы с использованиемтехнологии реляционной базы данныхприменяется при относительно легких онтологиях, сбольшим количеством индивидовOWL RLприменяется для легких онтологий с большимколичеством индивидов, когда необходимо работатьнепосредственно на данных в форме RDF-триплета33ЗАКЛЮЧЕНИЕПоследнее десятилетие:быстрое развитие проекта Semantic Web,рассмотренных формальных языков,изучение их семантики и логическое обоснование,поиск диалектов с приемлемой вычисл.

сложностьюПроект Semantic Web аккумулирует результаты,полученные рамках всех известных моделей ПЗ(рассмотренных в курсе)Linking Open Data project :цель – развитие концепции Linked Dataвыявление наборов данных, доступных под открытымилицензиямиконвертирование этих данных в формат RDFпубликация в Web, согласно принципам Linked Data34ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ № 9Сформулировать основные отличия средствобъектно-ориентированного программированияот фреймовой модели представления знаний.Ограничение :– не более 5 пунктов отличий(а реально может быть и меньше)– не более 1500 знаков текста (без пробелов)(≈ 3-5 баллов)Контрольный срок сдачи задания – 12 маяСдавать задание в письменном/распечатанномвиде35Linked Data 200836Linked Data 201137.