Языки описания онтологий. Основные синтаксические структуры: классы, отношения, аксиомы

RDF-литералы (или символьные константы)

RDF-литералы бывают двух видов: типизированные и нетипизированные.

Каждый литерал в RDF-графе содержит одну или две именованные компоненты.

Замечание. Язык литерала не нужно путать с идентификатором (языком) локали. Язык относится только к текстам, написанным на естественном языке. Все трудности, возникающие при представлении данных на конкретном компьютере (при определении локали), должны решаться конечным потребителем метаданных.

Сравнение литералов

Два литерала равны тогда и только тогда, когда выполняются все перечисленные ниже условия.

Определение значения типизированного литерала

Рассмотрим следующий пример. Пусть множество {T, F} - множество значений истинности в математической логике. В различных приложениях элементы этого множества могут представляться по-разному. В языках программирования {1, 0} ( 1 соответствует T, 0 соответствует F ), либо {true, false}, либо {истина, ложь}.

Фактически задается некоторое отображение множества значений истинности на множество чисел или строк символов. Теперь значениями логического типа (bool или boolean) становятся строковые значения или спецсимволы. Чтобы получить значения истинности, необходимо воспользоваться обратным отображением.

Таким же образом происходит получение значения типизированного RDF-литерала. За лексической формой стоит некоторое значение, которое определяется применением отображения. Это отображение определяется по URI типа данных и зависит от самого типа.

Контрольные вопросы

6.2. Языки представления онтологий: RDFS, OWL. Язык запросов SPARQL

Для того чтобы реализовывать различные онтологии, необходимо разработать языки их представления, имеющие достаточную выразительную мощность и позволяющие пользователю избежать "низкоуровневых" проблем. Ключевым моментом в проектировании онтологии является выбор соответствующего языка спецификации онтологий. Цель таких языков - дать возможность указывать дополнительную машинно-интерпретируемую семантику ресурсов, сделать машинное представление данных более похожим на положение вещей в реальном мире, существенно повысить выразительные возможности концептуального моделирования слабо структурированных Web-данных.

Распространение онтологического подхода к представлению знаний оказало содействие при создании разнообразных языков представления онтологии и инструментальных средств, предназначенных для их редактирования и анализа. Существуют традиционные языки спецификации онтологий: Ontolingua, CycL, языки, основанные на дескриптивных логиках (такие как LOOM), языки, основанные на фреймах (OKBC, OCML, F-Logic). Более поздние языки основаны на Web-стандартах (XOL, SHOE, UPML). Специально для обмена онтологиями через Web были созданы языки RDF, RDFS, DAML+OIL, OWL.

Языки, о которых пойдет речь в данном разделе, являются основными языками так называемой Семантической Сети (Semantic Web). О Semantic Web упоминалось ранее. Там же было отмечено, что на сегодняшний день наблюдается разрыв между способами представления метаданных (языками их определения) и теми интеллектуальными агентами, которые должны ими пользоваться. Языки описания метаданных и онтологий в Web развиты очень хорошо, языки запросов и языки описания правил доведены до стадии технологических стандартов в данной области. Однако узким местом всё еще являются механизмы взаимодействия агентов на основе онтологий.

Многие популярные редакторы онтологий, которые будут описаны ниже, используют в качестве основного формализма дескриптивную логику (DL) и предоставляют средства для создания OWL-онтологий.

RDFS

Каждый из элементов триплета определяется ссылкой на тип элемента и URI. Предикат (в контексте RDF его обычно называют свойством) может пониматься либо как атрибут, либо как бинарное отношение между двумя ресурсами. Но RDF сам по себе не предоставляет никаких механизмов ни для описания атрибутов ресурсов, ни для определения отношений между ними. Для этого предназначен язык RDFS (RDF Schema) - язык описания словарей для RDF. RDFS определяет классы, свойства и другие ресурсы.

RDFS является семантическим расширением RDF. Он предоставляет механизмы для описания групп связанных ресурсов и отношений между этими ресурсами. Все определения RDFS выражены на RDF (поэтому RDF называется "самоописывающимся" языком). Новые термины, вводимые RDFS, такие как "домен", "диапазон" свойства, являются ресурсами RDF.

Система классов и свойств языка описания RDF-словарей похожа на систему типов объектно-ориентированных языков программирования, например, Java. Но RDF отличается от большинства таких систем тем, что здесь центральным аспектом является определение свойства, а не класса. Свойства в RDF определяются как пары (домен, диапазон). При этом домен представляет некоторое множество классов RDF, к которым данное свойство применимо, диапазон определяет допустимое множество ресурсов - значений свойства. Для сравнения: в Java определение класса имеет законченную форму (свойства класса выражаются в полях и методах класса). В RDF, напротив, описание класса всегда остается открытым (набор свойств класса определяется вне самого класса).

Пример. Определим свойство "автор" с доменом "Документ" и диапазоном "Человек" (рис. 6.2). В случае появления дополнительной информации о свойствах "Документа" нет необходимости изменять описание класса "Документ". Достаточно добавить новое свойство с соответствующим доменом.

Пример "a-la RDF":
Класс ("Документ");
Класс ("Человек");
Свойство ("Автор", "Документ", "Человек").

Пример "a-la Java":
Класс "Документ"
{
	"Человек" "Автор"
}

Можно заметить, что при изменении смысла свойств изменять придется именно их. При этом все классы, зависящие от изменяемых свойств, косвенно изменят свою семантику.

Основное преимущество такого подхода - в легкой расширяемости: добавление/удаление свойств интуитивно проще, чем управление множеством классов, обладающих каждый своим индивидуальным набором свойств (как в ООП). Фактически, любой может расширять описание существующих ресурсов (лозунг Web: "Кто угодно может сказать что угодно о чем угодно!").

Классы

Ресурсы могут объединяться в группы, называемые классами. Члены класса (здесь наиболее близкий термин - "экземпляры" или "объекты" ООП) называются экземплярами класса. Сами классы также являются ресурсами и идентифицируются ссылками RDF-URI. Чтобы указать, что ресурс является экземпляром класса, используется свойство rdf:type ("rdf" здесь применен как префикс пространства имен).

В RDF определение класса или свойства (т.н. интенсионал ) отделено от множества экземпляров класса и значений свойства (т.н. экстенсионала ). Так, два класса с одинаковыми экстенсионалами считаются различными, если они имеют разные наборы свойств (интенсионалы).

Экстенсионал и интенсионал

Рассмотрим множества

A = {0, 2, 4, 6, 8}, 
B = {x | x = 2k, k = 0..4, k - целое}, 
C - множество неотрицательных четных чисел, меньших 10.

В этом примере множество А полностью описывается своим экстенсионалом, множества В и С описываются интенсионалами, т.е. с использованием характеристических свойств данного множества. Множества, имеющие бесконечное число элементов, могут быть описаны только своим интенсионалом. Однако при использовании интенсионала могут возникнуть парадоксыПарадокс Рассела: пусть множество М - множество всех множеств, не содержащих себя. Содержит ли М само себя? Если содержит, то оно не удовлетворяет своему определению - интенсионалу; если М не содержит себя, то оно удовлетворяет определению и, следовательно, должно себя содержать.. Чтобы избежать их, в теории множеств вводятся дополнительные аксиомы. Примечательно, что RDF нарушает эти аксиомы. Классу RDF не запрещено быть экземпляром самого себя.

Группа ресурсов, являющихся классами, в RDFS описывается термином rdfs:Class.

На множестве классов определено отношение ПОДКЛАСС-НАДКЛАСС, описываемое RDFS-свойством rdfs:subClassOf. Семантика данного отношения состоит в том, что экстенсионал любого подкласса данного класса С целиком содержится (как множество) в экстенсионале самого класса С. Другими словами, если ресурс i является экземпляром класса С*, а класс С* является подклассом класса С, то i является экземпляром класса C.

Любой класс RDFS по определению является подклассом самого себя.

В спецификации по RDFS определены также списки, коллекции и контейнеры ресурсов, текстовые пометки и комментарии для создания удобных для чтения примечаний к ресурсам.

Реификация (материализация, овеществление утверждений)

В случае, когда необходимо сделать утверждение об утверждении RDF, прибегают к так называемой реификации, или материализации утверждений. В этом случае само утверждение (или высказывание) выступает в роли объекта.

Для этого используется специальный класс rdf:Statement и его свойства rdf:subject, rdf:predicate и rdf:object. Каждое RDF-утверждение является экземпляром класса rdf:Statement. По свойствам (и их значениям) можно однозначно идентифицировать само утверждение. Обладая этой информацией, возможно фиксировать утверждения об утверждениях.

Пример. В базе данных электронного магазина хранится информация о том, что некий товар ( Т ) имеет цену х. Данное утверждение (1) (товар Т имеет цену х ) может быть выражено Ивановым Иваном Ивановичем на языке RDF. Если далее потребуется высказать утверждение (2) о том, кто именно сделал утверждение (1), можно использовать механизм реификации (рис. 6.3).

Товар             Т                         #
rdf:Property      имеет цену                #
Цена              х                         #
---------------------------------------------
rdf:Statement     Утверждение 1             *
rdf:subject       Т                         *
rdf:predicate     имеет_цену                *
rdf:object        х                         *

rdf:Statement     Утверждение 1             +
rdf:Property      сделано                   +
Человек           Иванов Иван Иванович      +

Отметим один важный момент: фиксация только тех утверждений, которые помечены " * ", не означает, что товар Т действительно имеет цену х. Даже вместе с утверждениями, помеченными " + ", вся информация, которую мы узнаём - это: "некто Иванов Иван Иванович сделал утверждение о товаре Т, что он имеет цену х ". Но не более того! Значение х цены товара Т фиксируется тройкой строк, помеченных " # ".

Понятно, что новое утверждение (высказывание об Утверждении 1) также может быть подвергнуто реификации, поскольку синтаксически не отличается от Утверждения 1 (оно также является экземпляром класса rdf:Statement ).

Далее приводится полный список классов и свойств RDF/RDFS.

Возможности и ограничения языка RDF (RDF Schema)

Сам по себе RDF не является стандартом метаданных, как, например, Dublin Core, FOAF, vCard. Все, что он "умеет", - это фиксировать утверждения о ресурсах, их свойствах и значениях этих свойств.

Важные свойства языка:

Недостатки RDF

Открытость и расширяемость RDF ведет к тому, что "кто угодно (т.е. любой пользователь RDF) может сказать что угодно (т.е. фиксировать произвольное утверждение) о чем угодно (т.е. о любом ресурсе)", используя RDF. RDF не запрещает делать бессмысленных утверждений или утверждений, не согласующихся с другими. Следовательно, нет никакой гарантии целостности и непротиворечивости RDF-описаний. Вся ответственность за проверку ложится на получателей (конечных пользователей) метаданных, т.е. на разработчиков приложений, обрабатывающих RDF-данные.

Способы представления RDF-описаний

Ниже приводится пример двух способов представления RDF графов: в форме XML-документа (часто более удобной для автоматической обработки) и в форме последовательностей троек - так называемый N Triple или N3 синтаксис (удобный для восприятия человеком).

XML-синтаксис

<?xml version="1.0"?>
<rdf:RDF 
xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"
xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/"
xmlns:exterms="http://www.example.org/terms/">

<rdf:Description rdf:about="http://www.example.org/index.html">
<exterms:creation-date>August 16, 1999</exterms:creation-date>
</rdf:Description>

<rdf:Description rdf:about="http://www.example.org/index.html">
<dc:language>en</dc:language>
</rdf:Description>

</rdf:RDF>

N3-синтаксис (удобный для чтения человеком и расширяющий исходную модель данных RDF)

<ex:index.html> <dc:creator> exstaff:85740 .
<ex:index.html> <exterms:creation-date> "August 16, 1999" .
<ex:index.html> <dc:language> "en".

На этих примерах можно заметить "тяжеловесность" XML-синтаксиса RDF по сравнению с N3-синтаксисом. Но он более удобен для сериализации RDF-графов.

Из вышесказанного о RDF и метаданных можно сделать вывод, что RDF имеет довольно слабые (по объему) выразительные средства и не основан на каком-либо логическом формализме. Это язык описания метаданных, причем метаданных в широком смысле слова: имеющих произвольную структуру и смысл. Пожалуй, единственный принцип, которому следует RDF, это основной лозунг Web. RDF - универсальный инструмент и поэтому требует настройки для решения конкретных специализированных задач. Способ такой "настройки" состоит в расширении RDF при помощи словарей. Перейдем к рассмотрению одного из расширений RDF для области проектирования и представления онтологий.

OWL

OWL (Web Ontology Language, в аббревиатуре буквы намеренно переставлены местами, чтобы получилось английское слово "сова") - язык представления онтологий в Web. Фактически это словарь, расширяющий набор терминов, определенных RDFS. OWL-онтологии могут содержать описания классов, свойств и их экземпляров. Создание OWL - это ответ на необходимость представления знаний в Сети в едином формате. Исторически предшественником OWL был язык DAML+OIL, объединивший 2 инициативы: проект DAML (DARPA Agent Markup Language) и проект OIL (Ontology Inference Layer). Наиболее ранним проектом представления онтологий в Web был SHOE (Simlpe HTML Ontology Extensions). Ветви развития языков описания онтологий для Web показаны на рис. 6.4. Верхний уровень: OIL, DAML+OIL и OWL продолжают развиваться, но наибольшей популярностью пользуется OWL.

OWL с 2004 года является рекомендацией W3C и объединяет лучшие черты своих предшественников.

Язык OWL имеет 3 диалекта (подмножества терминов).

Каждый из этих диалектов (кроме OWL Lite) является расширением предыдущего. Как следствие, любая OWL Lite онтология является OWL DL онтологией, а любая OWL DL онтология является OWL Full онтологией.

Структура OWL-онтологии

Любая онтология имеет заголовок и тело. В заголовке содержится информация о самой онтологии (версия, примечания), об импортируемых онтологиях. За заголовком следует тело онтологии, содержащее описания классов, свойств и экземпляров.

Базовые элементы OWL

Классы

В OWL введен новый термин - класс ( owl:Class ). Необходимость этого объясняется тем, что не все классы диалектов OWL DL и OWL Lite являются RDFS-классами (в этом случае owl:Class является подклассом rdfs:Class ). В диалекте OWL Full подобных ограничений нет, и owl:Class фактически является синонимом rdfs:Class.

Для организации классов в иерархию используется свойство rdfs:subClassOf.

Особое место занимают два взаимодополняющих класса - owl:Thing и owl:Nothing. Первый из них является надклассом любого класса OWL, второй - подклассом любого класса OWL. Экземпляр любого класса OWL входит в экстенсионал класса owl:Thing. Экстенсионал класса owl:Nothing является пустым множеством.

OWL-класс может быть описан шестью способами:

Только первый способ определяет именованный класс OWL. Все оставшиеся определяют анонимный класс через ограничение его экстенсионала. Способ 2 явно перечисляет экземпляры класса, способ 3 ограничивает экстенсионал только теми экземплярами, которые удовлетворяют данному свойству. Способы 4-6 используют теоретико-множественные операции (объединение, пересечение и дополнение) над экстенсионалами соответствующих классов, чтобы определить экстенсионал нового класса.

Описания класса являются строительными блоками для определения классов посредством аксиом.

Простейшая аксиома, определяющая именованный класс:

<owl:Class rdf:ID="Human"/>

Всё, что постулирует эта аксиома, - существование класса с именем Human.

В OWL определены еще 3 конструкции, комбинируя которые, можно определять более сложные аксиомы классов:

Свойства

В OWL выделяют две категории свойств: свойства-объекты (или объектные свойства ) и свойства-значения. Первые связывают между собой индивиды (экземпляры классов). Вторые связывают индивиды со значениями данных. Оба класса свойств являются подклассами класса rdf:Property.

Для определения новых свойств как экземпляров owl:ObjectProperty или owl:DatatypeProperty используются аксиомы свойств.

Пример аксиомы:

<owl:ObjectProperty rdf:ID="hasParent"/>

Все, что постулирует данная аксиома, - существование некоторого свойства hasParent, связывающего экземпляры класса owl:Thing друг с другом.

Кроме того, OWL поддерживает следующие конструкции для построения аксиом свойств:

Индивиды (экземпляры классов)

Индивиды определяются при помощи аксиом индивидов (т.н. фактов ). Рассмотрим два вида фактов:

Пример аксиом индивидов первого вида:

<Балет rdf:ID="ЛебединоеОзеро">
  <имеетКомпозитора rdf:resource="#Чайковский"/>
</Балет>

Данная аксиома постулирует сразу 2 факта: (1) существует некоторый индивид класса Балет, имеющий имя ЛебединоеОзеро ; (2) этот индивид связан свойством имеетКомпозитора с индивидом Чайковский (который определен где-то в другом месте). Первый факт говорит о членстве в классе, второй - о значении свойства индивида.

Аксиомы второго вида необходимы для суждения об идентичности индивидов. Дело в том, что в OWL не делается никаких предположений ни о различии, ни о совпадении двух индивидов, имеющих различные идентификаторы URI. Подобные утверждения выражаются аксиомами идентичности с помощью следующих конструкций:

На рис. 6.5 проиллюстрированы основные элементы OWL-онтологии.

SPARQL

Вероятно, сами по себе языки представления онтологий не были бы так сильно востребованы, если бы не возникало необходимости автоматически обрабатывать онтологии, наполнять их содержимым и выполнять к ним запросы. Наиболее популярными среди языков запросов к RDF-хранилищам на сегодняшний день являются языки RDQL и SPARQL.

Рассмотрим несколько упрощенный синтаксис SPARQL-запроса:

SELECT 	<список_перем>
FROM 	<URI_онтологии>
WHERE 	{  <список_шаблонов>.
           FILTER <фильтр>
        }

Где: список_перем - список имен переменных; URI_онтологии - URI-ссылка на онтологию; список_шаблонов - список шаблонов; фильтр - ограничения на значения переменных.

Допустим, онтология содержит следующие RDF-триплеты:

(Foo1, category, "Total Members")
(Foo1, rdf:value, 199)
(Foo2, category, "Total Members")
(Foo2, rdf:value, 200)
(Foo2, category, "CATEGORY X")
(bar,  category, "CATEGORY X")
(bar,  rdf:value, 358)

Проследим за ходом выполнения запроса (имена переменных предваряются знаком " ?")

SELECT ?cat ?val
FROM   <URI_онтологии>
WHERE { ?x rdf:value ?val.
        ?x category ?cat. 
        FILTER (?val>=200)
      }

Семантика запроса: "Выдайте все объекты cat предиката category, субъект которого ( x ) является также субъектом предиката rdf:value со значением объекта val, не меньшим 200. Вместе со значениями cat выдайте соответствующие значения val ".

Ход выполнения запроса:

На место переменной x могут быть подставлены Foo1, Foo2 и bar (из исходной онтологии), причем Foo2 может быть подставлен дважды, поскольку имеет два свойства category.

При подстановке Foo1 значение переменной val не удовлетворяет ограничению в предложении FILTER SPARQL-запроса. Во всех остальных случаях все условия запроса выполнены.

Результат выполнения запроса - 3 пары значений (cat, val):

[
["Total Members", 200], 
["CATEGORY X", 200],
["CATEGORY X", 358]
]

Контрольные вопросы