Semantic Web: роли XML и RDF

XML и RDF — современные Internet-стандарты, служащие для обеспечения семантической интероперабельности в Web. При этом XML затрагивает вопросы, связанные только со структурой документов.

Джин Брукстра, Дитер Фенсел, Майкл Эрдманн, Мишель Клейн, Сергей Мельник, Стин Декер, Франк ван Хермелен, Ян Хоррокс

XML и RDF — современные Internet-стандарты, служащие для обеспечения семантической интероперабельности в Web. При этом XML затрагивает вопросы, связанные только со структурой документов. RDF более приспособлен для обеспечения семантической интероперабельности, поскольку предлагает модель данных, которую можно расширить таким образом, чтобы она охватывала более совершенные методики представления онтологии.

Феномен World Wide Web стал возможен благодаря тому, что набор широко распространенных стандартов практически обеспечил интероперабельность на различных уровнях. До сих пор Web была ориентирована на работу человека, но Web следующего поколения, которую Тим Бернерс-Ли и его коллеги называют Semantic Web, должна быть рассчитана на машинную обработку информации [1].

Формирование Semantic Web станет возможным только при условии обеспечения более высокого уровня интероперабельности. Необходимы стандарты не только для синтаксической формы документов, но и для их семантического наполнения. Самой значительной среди предпринятых консорциумом W3C инициатив, связанных со стандартизацией, стали XML и RDF, которые поддерживают семантическую совместимость.

В статье рассказывается о роли онтологий в архитектуре Semantic Web. Кратко описаны основные элементы XML и RDF и показано, почему использование XML как единственного инструментария для поддержки семантической совместимости в перспективе станет неэффективным. Здесь также приводится иллюстрация применения данного метода к языку Ontology Interchange Language [2].

Онтологии: описание концепций предметной области

Онтологии в состоянии сыграть критически важную роль в организации обработки знаний на базе Web, их совместного использования и обмена ими между приложениями. Онтологии, в общем виде определяемые как совместно используемые формальные концепции конкретных предметных областей, дают общее представление о темах, информацией по которым могут обмениваться люди и приложения.

Онтологии используются в электронной коммерции для поддержки автоматизированного обмена данными между покупателями и продавцами, для вертикальной интеграции рынков (например, VerticalNet.com), а также для повторного использования описаний различными электронными торговыми точками. Механизмы поиска также применяют онтологии для выборки страниц с синтаксически различными, но семантически одинаковыми словами.

Онтология, как правило, содержит иерархию концепций предметной области и описывает важные свойства каждой концепции с помощью механизма «атрибут — значение». Связи между концепциями могут быть описаны с помощью дополнительных логических утверждений. Наконец, константы (такие как «Январь») сопоставляются одной или нескольким концепциям (таким как «Месяц»).

В языке OIL онтологии содержат определения свойств (slot-def) и определения классов (class-def). На рис. 1 приведен пример онтологии. Определения Slot-def описывают отношения между двумя объектами. Class-def связывает имя класса с его описанием и содержит ряд компонентов.

• В качестве типа определения (definition type) может быть указано либо defined («определяемый»), либо primitive («примитивный»). Для типов defined класс полностью описывается в определении класса.
• Ограничение свойства (slot constraint) указывает допустимые значения для свойства применительно к экземпляру класса.
• subclass-of связывает определяемый таким образом класс со списком, состоящим из одного или нескольких выражений классов (class expression), т.е. имен классов, ограничений свойств или составленных из них булевых выражений произвольной сложности. Новый класс является подклассом сразу всех классов, заданных этими выражениями.

У ограничения свойства есть несколько компонентов.

• Имя (name) — строка, называющая свойство, на которое накладывается ограничение.
• Значение-типа (value-type) — список, состоящий из одного или нескольких выражений классов, которые представляют собой диапазон ограничений для свойства применительно к определяемому классу. Например, если класс имеет свойство eats («ест») при наличии ограничения свойства value-type animals («животные»), описываемые экземпляры класса «едят только животных».
• Имеет-значение (has-value) — список, состоящий из одного или нескольких выражений классов, в которых все экземпляры класса, определенные посредством некоторого свойства, должны быть связаны этим свойством по крайней мере с одним экземпляром каждого выражения класса в списке. Например, если класс имеет свойство eats («ест») с ограничением свойства has-value zebra, wildebeest («зебра», «гну»), тогда каждый экземпляр нового класса «ест» по крайней мере один экземпляр класса «зебра» и один — класса «гну». Он может также «есть» экземпляры других классов, скажем, gazelle («газель»).

И XML, и RDF вносят свой вклад в фундамент Semantic Web. Вместе с тем, RDF предлагает более адекватные механизмы применения языков представления онтологии, таких как OIL, для решения задачи семантической интероперабельности Web.

Грамматика XML

В отличие от языка HTML, создававшегося для гипертекстовых документов с фиксированной структурой, XML [3] предназначен для разметки документов произвольной структуры.

Корректным образом составленные XML-документы содержат сбалансированное дерево вложенных открывающих и закрывающих тегов, каждый из которых может включать в себя несколько пар «атрибут-значение». Поскольку фиксированного словаря тегов, равно как и набора их допустимых комбинаций не существует, теги могут определяться независимо для каждого приложения. В XML 1.0 это делается с помощью определения типа документа DTD (document type definition), накладывающего ограничения на используемые теги и указывающего, каким образом должна быть организована их вложенность внутри документа. DTD задает грамматику, которая указывает допустимые комбинации и вложения имен тегов, имен атрибутов и так далее. В настоящее время W3C активно работает над тем, чтобы заменить DTD на определения XML Schema [4, 5].

На рис. 2 приведен пример описания структуры части онтологии с рис. 1. Язык XML — прекрасное средство определения грамматики, и поскольку для описания одного и того же информационного наполнения могут использоваться различные грамматики, XML допускает различные представления. Информация в последнем определении класса на рис. 2, к примеру, может быть выражена в абсолютно иной форме:

branch

is-part-of
tree

XML используется для разных целей.

• Представление синтаксиса для других языков разметки. К примеру, язык Synchronized Multimedia Integration Language (SMIL) [6].
• Семантическая разметка Web-страниц. XML-представление может использоваться на Web-странице вместе с таблицей стилей XSL, которая определяет корректный вывод различных элементов [7].
• Единый формат обмена данных. XML-представление может передаваться между двумя приложениями как объект данных.

Важно отметить, что DTD определяет только синтаксические соглашения; любая предполагаемая семантика находится вне сферы действия спецификации XML.

RDF: описание ресурсов Web

Модель Resource Description Framework, недавно получившая статус рекомендации W3C, имеет своей целью стандартизовать определение и использование метаданных, описывающих ресурсов Web [8]. Впрочем, RDF столь же хорошо подходит и для представления данных.

Базовый строительный блок в RDF — тройка «объект — атрибут — значение», которую часто записывают в виде A(O,V). Читай: объект O имеет атрибут A со значением V. Эту связь можно также представить как ребро с меткой A, соединяющее два узла, O и V: [O]-A—>[V]. Данная нотация весьма полезна, поскольку RDF позволяет менять местами объекты и значения. Таким образом, любой объект может играть роль значения, что в графическом представлении соответствует цепочке из двух ребер с метками. Граф на рис. 3, к примеру, представляет следующие три отношения в формате A(O,V):

hasName
(?http://www.w3.org/employee/id1321?,
«Jim Lerners»)
authorOf
(?http://www.w3.org/employee/id1321?,
 ?http://www.books.org/ISBN0012515866?)
hasPrice
(?http://www.books.org/ISBN0012515866?, «$62»).

Кроме того, RDF допускает форму представления, в которой любое выражение RDF в тройке может быть объектом или значением, т. е. графы могут быть как вложенными, так и линейными. В Web это позволяет нам, к примеру, выражать сомнение или согласие с выражениями, созданными другими людьми. Наконец, это позволяет указать, что данный объект имеет определенный тип, к примеру, что «ISBN0012515866» — это rdf:type book, за счет создания дуги, указывающей на определение book в схеме RDF.

hasName
(?http://www.w3.org/employee/id1321?,
«Jim Lerners»)
authorOf
(?http://www.w3.org/employee/id1321?,
?http://www.books.org/ISBN0012515866?)
hasPrice
(?http://www.books.org/ISBN0012515866?,
«$62»).

Цель RDF — предложить базовую модель данных «объект — атрибут — значение» для метаданных. Помимо этой предполагаемой семантики, описанной в стандарте лишь неформально, RDF не содержит каких-либо четких правил, ориентированных на моделирование данных. Также как и XML Schema используется для определения словаря, RDF Schema позволяет разработчикам определять конкретный словарь для данных RDF (такой, как authorOf) и указывать виды объектов, к которым могут применяться эти атрибуты [9]. Иными словами, механизм RDF Schema предоставляет базовую систему типов для моделей RDF. Эта система типов использует некоторые предопределенные термины, такие как Class, subPropertyOf и subClassOf, для схемы, ориентированной на конкретное приложение. Выражения схемы RDF также являются корректными выражениями RDF (как и выражения схемы XML — корректные выражения XML).

Объекты RDF можно определить как экземпляры одного или нескольких классов с помощью свойства type. Свойство subClassOf позволяет разработчику указывать иерархическую организацию таких классов, а subPropertyOf выполняет то же самое для свойств. Ограничения на свойства также могут быть указаны с помощью конструкций домена и диапазона, которые применяются как для расширения словаря, так и для предполагаемой интерпретации выражений RDF. Именно этот механизм мы и использовали для преобразования языка представления онтологий в RDF.

26.10.2001г