Jazyk OWL a sémantický web

Základním kamenem sémantického webu je XML (eXtensible Markup Language)^[4]. XML je značkovacím jazykem pro popis dokumentů obsahujících strukturovaná data[XML]. Zaměřuje se na strukturu dat, nikoliv na jejich vzhled. Poskytuje tak syntaktický základ pro tvorbu složitějších struktur a vztahů mezi daty. Umožňuje autorovi přidávat do dokumentu jakoukoliv strukturu, ale neříká nic o tom, co daná struktura znamená. Poté, co v našem příkladu s hlavním městem Dánska, označíme důležité údaje patřičnými značkami, je již přínos XML patrný. Počítač sice stále ještě neví, co znamenají výrazy "hlavní město" a "Kodaň", ale již ví, že "Kodaň " je hodnotou proměnné "hlavní město", která může být kupříkladu součástí něčeho, co označíme "základní informace o státě". XML závisí na použití uživatelem vytvořených tagů. Vyhledávací agent porozumí struktuře dokumentu, ale stále ještě nedokáže porozumět jeho obsahu. Od toho je tady RDF.

RDF (Resource Description Framework)^[5] je základ pro zpracování metadat. Napomáhá spolupráci mezi webovými aplikacemi, které si vyměňují strojově čitelná data. RDF je v podstatě kombinace slovníku a tezauru pro značky XML. Kóduje význam pomocí jednoduchých tvrzení, jimž softwaroví agenti dokáží porozumět a zpracovat je. Jedná se o systém trojic[Ogbuji]. Každá trojice obsahuje subjekt, predikát a objekt nějakého tvrzení. V našem příkladu: Kodaň (subjekt) je hlavním městem (predikát) Dánského království (objekt). Nad takovýmito jednoduchými větami dokážeme vybudovat i rozsáhlé struktury, popisující skutečnosti téměř stejně dobře jako přirozená řeč. Subjektem i objektem mohou být celé dokumenty nebo jen jejich části. Jednoduchost, jednotnost a nezávislost na aplikační doméně dělá RDF volně přenositelným mezi různorodými systémy[Ogbuji].

Ontologie je on-line encyklopedie, která detailně popisuje vztahy mezi výrazy XML a položkami RDF. Jedná se o ucelenou sbírku informací o určité oblasti zájmů. Běžné typy ontologií pro web obsahují určitou taxonomii a množinu odvozovacích pravidel[Lee]. Taxonomie definuje třídy objektů a vztahy mezi nimi. Pomocí odvozovacích pravidel pak z již známých faktů, je počítač schopen vyvodit nové skutečnosti. Zatímco XML zprostředkovává syntaktickou vrstvu sémantického webu, ontologie tvoří vrstvu sémantickou.

V hlavičce se může nacházet více druhů tagů, sloužících pro práci s různými verzemi dokumentu. Owl:versionInfo udává verzi stávajícího dokumentu. Verze je uváděna v nějakém předem sjednaném tvaru, aby tato informace mohla být použita například automatickým kontrolním systémem apod. Owl:priorVersion označuje předchozí verzi dokumentu. Tuto informaci opět využívají automatizované systémy. Pokud stávající verze není kompatibilní s předcházející, použije se značky owl:incompatibleWith. Lze použít rovněž owl:backwardCompatibleWith, který udává, že dokument je zpětně kompatibilní. Pokud tento tag chybí, zpětnou kompatibilitu nelze zaručit. Syntaxe dvou naposledy uvedených tagů je stejná jako u owl:priorVersion uvedeného v příkladě.

Posledními možnostmi jsou tagy owl:deprecatedClass a owl:deprecatedProperty, sloužící k označení třídy (resp. vlastnosti), jež je do ontologie zařazena z historických důvodů, ještě je podporována, ale v příštích verzích bude nahrazena jinou třídou (vlastností) nebo zrušena.

<owl:DeprecatedClass rdf:ID="Fakulta informatiky">
  <rdfs:comment>Tato třída bude v budoucnu nahrazena 
                třídou FI</rdfs:comment>
</owl:DeprecatedClass>

Rdfs:comment je tag pro komentář. Nijak neovlivňuje strukturu ontologie.

Owl:imports vkládá do dokumentu jinou ontologii, uvedenou atributem rdf:resource. Rozdíl mezi použitím tohoto tagu a použitím jmenného prostoru je ten, že deklarace jmenného prostoru pouze přiřazuje jednoznačná jména elementům z jiných ontologií, zatímco owl:imports přenáší do dokumentu i struktury a vztahy. Tento tag se proto používá většinou pro ontologie, které obsahují pouze definice a nezavádějí nová jména. V případě, že se v importované ontologii zavádějí nová jména, se doporučuje pro tyto ontologie deklarovat též jmenný prostor.

Hlavičku uzavřeme tagem </owl:Ontology>. Následuje seznam definic tříd a vztahů mezi nimi tvořící vlastní ontologii.

Třída lze definovat pouze uvedením svého jména.

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

Tento příkaz nám o třídě říká jedinou věc. A to, že existuje. Nijak nepopisuje množinu jejích členů ani vlastnosti, které musí její prvky splňovat. V jazyce OWL jsou dvě třídy již předem definovány. Jsou to owl:Thing a owl:Nothing. Element owl:Thing označuje množinu všech individuí, která se v ontologii vyskytují. Každá třída definované ontologie je tedy podtřídou owl:Thing. Na druhou stranu owl:Nothing označuje prázdnou množinu a to znamená, že je podtřídou každé námi definované třídy.

Prvním z netriviálních způsobů jak definovat třídy, je vyjmenování jejích prvků. V tomto případě používáme element owl:oneOf s atributem rdf:parseType="Collection". Je důležité si uvědomit, že výčet prvků je konečný, proto nelze v průběhu dalšího návrhu ontologie přidávat do třídy žádná další individua.

<owl:Class>
  <owl:oneOf rdf:parseType="Collection">
    <owl:Thing rdf:about="#FI"/>      
    <owl:Thing rdf:about="#FSS"/>
     .
     .
    <owl:Thing rdf:about="#PrF"/>
  </owl:oneOf>
</owl:Class>

Příklad definuje třídu, jež sdružuje individua označující jednotlivé fakulty Masarykovy univerzity. Můžeme si všimnout, že v této definici není uvedeno jméno výsledné třídy. Jedná se proto o definici tzv. anonymní třídy[DAML+OIL]. Na anonymní třídu se nelze v ontologii odkazovat. Používají se proto vštšinou ve složitějších konstrukcích. Vytváříme-li například třídu, která je výsledkem průniku dvou tříd, není nutné mít tyto dvě třídy pojmenované. Stačí nám pojmenovat výsledný průnik. Čtenáře však může napadnout, že je celkem nesmyslné dělat průnik dvou anonymních tříd definovaných výčtem. Vždyť daleko jednodušší je definovat třídu výčtem pouze těch prvků, které patří do obou tříd. To je samozřejmě pravda. Uvědomme si však, že dané dvě třídy nemusí být vůbec definovány výčtem, ale kupříkladu též průnikem nebo sjednocením dalších tříd. V takových složitých konstrukcích již má použití anonymních tříd svůj význam.

Zbývá ještě dodat, že chceme-li tedy nějakou třídu pojmenovat, použijeme v elementu owl:Class atribut rdf:ID="jméno třídy". V našem příkladu bude tedy výsledná třída vypadat

<owl:Class rdf:ID="muni">
  <owl:oneOf rdf:parseType="Collection">
    <owl:Thing rdf:about="#FI"/>      
    <owl:Thing rdf:about="#FSS"/>
     .
     .
    <owl:Thing rdf:about="#PrF"/>
  </owl:oneOf>
</owl:Class>

Rovněž zde vidíme použití elementu owl:Thing s atributem označujícím jméno fakulty. Jak již bylo uvedeno výše, každá třída definované ontologie je podtřídou owl:Thing a tak je naše definice korektní.

Při definici třídy sjednocením se používá konstrukce owl:unionOf. Opět je uveden atribut rdf:parseType="Collection", který vytváří soubor údajů. V našem případě soubor prvků, které náleží alespoň do jedné z uvedených tříd.

<owl:Class>
  <owl:unionOf rdf:parseType="Collection">
    <owl:Class rdf:about="#studentFI_BcInf"/>
    <owl:Class rdf:about="#studentFI_BcApInf"/>
  </owl:unionOf>
</owl:Class>

vytvoří třídu sdružující všechny studenty bakalářského (obor informatika a obor aplikovaná informatika) studia na fakultě informatiky. Samozřejmě počet tříd v seznamu není, stejně jako u následující definice průnikem, omezený na dvě. Definovat třídu lze tedy sjednocením více tříd.

Definice je velmi podobná definici předešlé, jen s tím rozdílem, že používáme element owl:intersectionOf. Výsledná třída obsahuje pouze ty prvky, které se vyskytují v každé třídě seznamu.

<owl:Class>
  <owl:intersection rdf:parseType="Collection">
    <owl:Class rdf:about="#studentPrF"/>
    <owl:Class rdf:about="#studentFF"/>
    <owl:Class rdf:about="#studentLF"/>
  </owl:intersection>
</owl:Class>

definuje třídu studentů, kteří studují zároveň na právnické, filosofické a lékařské fakultě. Není zrovna moc pravděpodobné, že se nějaký takový student skutečně vyskytuje, nicméně jako příklad nám to postačuje. Měli bychom si též uvědomit, že naše definice počítá s předpokladem, že všechny položky v seznamu odkazují na navzájem různá individua[OWL]. Ne vždy však musí rozdílné identifikátory odkazovat na rozdílné zdroje, proto se nám může stát, že výsledek průniku, ale například i sjednocení a ostatních operací, může být poněkud matoucí. Je proto dobré si při návrhu ontologie pečlivě rozmyslet, jaké URI odkazuje na který zdroj. Bližší seznámení s tímto problémem bude ještě následovat v sekci o individuích.

Po sjednocení a průniku je doplňek třetí množinovou operací použitelnou v jazyce OWL. Používáme značku owl:complemetOf. Zatímco v předchozích dvou případech mohly mít operace více parametrů, nyní smí být použit pouze jeden. Výsledná třída obsahuje prvky, které nepatří do třídy uváděné jako parametr. Při použití tohoto elementu doporučuji být velmi opatrný. Při samotném použití owl:complementOf může obsahovat výsledná třída obrovské množstí prvků. Například definice

<owl:Class>
  <owl:complementOf>
    <owl:Class rdf:about="#studentPrF"/>
  </owl:complementOf>
</owl:Class>

pro vytvoření třídy všech studentů nestudujících na právnické fakultě, je chybná, protože výsledná třída bude zahrnovat všechna individua, která nejsou studenty právnické fakulty. To znamená i například předměty vyučované na právnické fakultě, učitelé z ostatních fakult, apod. Proto je použití owl:complementOf vhodné kombinovat s ostatními množinovými operátory. Požadovaná třída by pak mohla být definována následovně

<owl:Class>
  <owl:intersectioOf rdf:parseType="Collection">
    <owl:Class rdf:about="#Student"/>
    <owl:complementOf>
      <owl:Class rdf:about="#studentPrF"/>  
    <owl:complementOf/>
  </owl:intersectionOf>
</owl:Class>

Říká, že vlastnost je podmnožinou vlastnosti jiné. Přesněji řečeno množina prvků splňujících jednu vlastnost je podmnožinou množinu individuí splňujích vlastnost jinou. Prvkem je v tomto případě myšlena dvojice individuí, mezi kterými existuje patřičná relace.

 
<owl:ObjectProperty rdf:ID="obhajuje_projekt">
  <rdfs:subPropertyOf rdf:resource="#dela_projekt"/>
</owl:ObjectProperty>
  

Jistě množina prvků (např. dvojice student - název projektu) postihující ty studenty, co projekt obhajují, je podmnožinou těch, co na nějakém projektu pouze pracují.

Uvádí definiční obor dané vlastnosti. To nedovolí, aby dané vlastnosti mohly nabývat jiné prvky, než prvky třídy uvedené v rdfs:domain.

 
<owl:ObjectProperty rdf:ID="vlastni_ISIC">
  <rdfs:domain>
    <owl:Class rdf:about="#Student"/>
  </rdfs:domain>
</owl:ObjectProperty>  

Příklad říká, že vlastnit ISIC kartu mohou pouze studenti. Přesněji řečeno: vlastnost "vlastni_ISIC" mohou mít pouze individua patřící do třídy "#Student".

Udává obor hodnot, přičemž jako parametr může být uvedena buď třída nebo datový typ ^[12].

 
<owl:ObjectProperty rdf:ID="ma_zvlastni_pristup">
  <rdfs:range>
    <owl:Class>    
      <owl:unionOf rdf:parseType="Collection">
        <owl:Class rdf:about="#laboratore"/>
        .
        .
        <owl:Class rdf:about="#neverejny_server"/>
      </owl:unionOf>
    </owl:Class>    
  </rdfs:range>
</owl:ObjectProperty>  

Tyto dva elementy jsou identické (značka owl:sameIndividualAs je do jazyka zařazena pouze z historických důvodů). Vyjadřují, že dvě různá URI označují to samé individuum. Nemusí se primárně jednat o idividuum, může jít i o jiný zdroj.

 
<student rdf:about="#39415">
  <owl:sameAs rdf:resource="#xhradsky"/>
</student>
  

Příklad říká, že v naší ontologii je jedno, jestli se na daného studenta odkazujeme jeho identifikačním číslem nebo kupříkladu jeho přihlašovacím jménem do informačního systému. Obě dvě možnosti totiž odkazují na stejnou instansi třídy "#student".

Na rozdíl od předchozího tyto elementy vyjadřují, že dvě URI odkazují na různé zdroje.

 
<student rdf:about="#Jan_Novak">
  <owl:sameAs rdf:resource="#novak"/>
</student>
  

V případě, že chceme uvést více individuí, která se všechna navzájem liší, použijeme owl:AllDifferent. Jedná se o zvláštní třídu, která vždy musí obsahovat vlastnost owl:distinctMembers[OWL].

 
<owl:AllDifferent>
  <owl:distinctMembers rdf:parseType="Collection">
    <predmet rdf:about="#AlgebraI"/>
    <predmet rdf:about="#AlgebraII"/>
    <predmet rdf:about="#Linearni_AlgebraI"/>
    <predmet rdf:about="#Linearni_AlgebraII"/>
  </owl:distinctMembers>
</owl:AllDifferent>  

nám zaručí, že každý z uvedených identifikátorů odkazuje na jiný předmět.

Kromě způsobů definice tříd již zmíněných v kapitole o třídách, existuje ještě jeden způsob definice. A tím je definování anonymní třídy jako množiny individuí splňujících určitá omezení. Jedná se o tzv. lokální omezení, protože se vztahují na vlastnost pouze v případě jejího použití na konkrétní třídu. Na rozdíl od globálních omezení, která se vztahují na vlastnost jako takovou, tzn. aplikovanou na jakoukoliv třídu. Globální omezení budou popsána v následující podkapitole.

Lokální omezení může být buď omezení rozsahu hodnot nebo omezení mohutnosti[OWL]. První případ specifikuje rozsah hodnot, jakých může vlastnost nabývat. Jako argument je použita buď třída a hodnoty pak smějí být instance této třídy, nebo je jako argument použit určitý rozsah datového typu. Používá elementy owl:allValuesFrom, owl:someValuesFrom a owl:hasValue.

Druhý případ omezuje počet hodnot, kterých smí vlastnost nabývat a používá elementy owl:maxCardinality, owl:minCardinality a owl:cardinality.

<owl:Restriction>
  <owl:onProperty rdf:resource="#uci"/>
  <owl:allValuesFrom rdf:resource="#predmet"/>
</owl:Restriction>

<owl:Restriction>
  <owl:onProperty rdf:resource="#uci"/>
  <owl:someValuesFrom rdf:resource="#mat_predmet"/>
</owl:Restriction>

<owl:Restriction>
  <owl:onProperty rdf:resource="#uci"/>
  <owl:allValuesFrom rdf:resource="#mat_predmet"/>
</owl:Restriction>

                                                                                          
<owl:Restriction>
  <owl:onProperty rdf:resource="#uci" />
  <owl:hasValue rdf:resource="#Algebra II"  />
</owl:Restriction>

                                                                                          
<owl:Restriction>
  <owl:onProperty rdf:resource="#ma_zapsano"/>
  <owl:maxCardinality rdf:datatype="&xsd;nonNegativeInteger">
                  10</owl:maxCardinality>
</owl:Restriction>

                                                                                          
<owl:Restriction>
  <owl:onProperty rdf:resource="#ma_zapsano"/>
  <owl:minCardinality rdf:datatype="&xsd;nonNegativeInteger">5
  </owl:minCardinality>
  <owl:maxCardinality rdf:datatype="&xsd;nonNegativeInteger">10
  </owl:maxCardinality>
  owl:Restriction>

Jedná se o takzvaná globální omezení, protože se vztahují na vlastnost aplikovanou na jakoukoliv třídu. Do globálních omezení lze zařadit též omezení definičního oboru a oboru hodnot, které jsme popsali v kapitole o vlastnostech. Nebudeme je proto již popisovat.

 
<owl:ObjectProperty rdf:ID="ma_kancelar">
  <rdfs:domain rdf:resource="#zamestnanec"/>
  <rdfs:range  rdf:resource="#kancelar"/>
</owl:ObjectProperty>
<owl:FunctionalProperty rdf:about="#ma_kancelar"/>
  

 
<owl:ObjectProperty rdf:ID="ma_kancelar">
  <rdf:type    rdf:resource="&owl;FunctionalProperty"/>
  <rdfs:domain rdf:resource="#zamestnanec"/>
  <rdfs:range  rdf:resource="#kancelar"/>
</owl:ObjectProperty>  

 
<owl:InverseFunctionalProperty rdf:ID="ma_tel_cislo">
  <rdfs:domain rdf:resource="#zamestnanec"/>
  <rdfs:range rdf:resource="#tel_cislo"/>
</owl:InverseFunctionalProperty>
 

 
<owl:ObjectProperty rdf:ID="uci">
  <owl:inverseOf rdf:resource="#je_vyucovan"/>
</owl:ObjectProperty>
  

 
<owl:SymetricProperty rdf:ID="spolupracuje">
  <rdfs:domain rdf:resource="#Student"/>
  <rdfs:range  rdf:resource="#Student"/>
</owl:SymetricProperty>
 

 
<owl:TransitiveProperty rdf:ID="podrizeny">
  <rdfs:domain rdf:resource="#Zamestnanec"/>
  <rdfs:range  rdf:resource="#Zamestnanec"/>
</owl:TransitiveProperty>
 

Element rdfs:subClassOf představuje jednu z nezbytných konstrukcí pro tvorbu hierarchické struktury. Definuje, že třída je podtřídou jiné třídy.

Při návrhu ontologie může být někdy obtížné rozlišit, zda nějaké individuum bude reprezentovat instanci určité třídy nebo její podtřídu[ OWL]. Jednoduchou pomůckou pro rozlišení mezi těmito dvěma možnostmi je fakt, že podtřída by měla popisovat nějakou podmnožinu třídy, jíž je podtřídou. Zatímco instance je pouze jedním prvkem třídy. Jestliže třída "muni" popisuje množinou všech fakult Masarykovy univerzity, pak třída "FI" nemůže být označena jako její podtřída, protože nepopisuje podmnožinu fakult. Ona sama je fakultou.

<owl:Class rdf:ID="Ucitel"> 
  <rdfs:subClassOf rdf:resource="#Zamestnanec_skoly" />
</owl:Class> 
 

říká, že všichni učitelé jsou zároveň i zaměstnanci školy.

O elementu rdfs:subPropertyOf jsme již mluvili. Zbývá znad jen dodat, že i on je jedním ze základních axiomů.

Umožňuje vyjádřit, že dvě třídy obsahují shodnou množinu individuí. Resp., že dvě vlastnosti mají stejný definiční obor a obor hodnot. Nepleťme si to ovšem z již zmiňovaným elementem owl:sameAs. Owl:equivalentClass neříká, že struktura těchto tříd je shodná, hovoří pouze o shodných množinách jejich prvků.

Vyjadřuje disjunktnost tříd. Individuum náležící do jedné třídy nesmí zároveň patřit do třídy jiné. Pro příklad použijeme kombinaci s již výše uvedenými konstrukcemi.

<owl:Class rdf:ID="StudentFI_Mgr">
  <rdfs:subClassOf rdf:resource="#StudentFI" />
  <owl:disjointWith rdf:resource="#StudentFI_Bc"/>
  <owl:disjointWith rdf:resource="#StudentFI_D"/>
</owl:Class> 
 

Student magisterského programu na fakultě informatiky je podmnožinou všech studentů na FI, ale nemůže být zároveň studentem bakalářského nebo doktorského studijního programu.

Obsahuje všechny elementy a konstrukce jazyka. Nemá žádná omezení. Umožňuje i neomezené použití RDF konstrukcí. Třídy smějí být použity jako individua.

V této práci se vychází právě z použití jazyka OWL Full.

Oproti OWL Full přináší již jistá omezení. Není možno používat všechny RDF konstrukce. Třída ani vlastnost nesmí být zároveň indoviduem. Obě množiny vlastností (vlastnosti datového typu i vlastnosti objektů) musí být disjunktní. Tzn., že pro vlastnosti datového typu nesmí být použity elementy owl:inverseOf, owl:InverseFunctionalProperty, owl:SymetricProperty a owl:TransitiveProperty. Všechny axiomy musí být definovány tak, aby se v nich nevyskytovaly žádné nedefinované části. Argumenty elementů owl:same AS, owl:differentFrom a owl:AllDiferent nesmí být nepojmenovaná individua.

Představuje nejnižší úroveň složitosti. S její pomocí definujeme základní taxonomii a jednoduchá omezení. Kromě omezení pro OWL DL, jsou zde ještě nějaká omezení navíc. OWL Lite zakazuje používání anonymních tříd ve většině elementů. Dále nelze používat elementy owl:oneOf, owl:unionOf, owl:complementOf, owl:hasValue, owl:disjointWith, owl:DataRange a owl:Nothing.