Semantik Web • Hafta 04

OWL Temelleri

Class, Property, Individual, Axiom; OWL Lite / DL / Full, OWL 2 profilleri ve Protégé ile ilk ontoloji

Lisansüstü Semantik Web Dersi • CMPE 583

Hafta 04 • Kazanımlar

Bu hafta sonunda

OWL'un dört yapı taşını ve aksiyom türlerini kullanabileceksiniz.
OWL Lite / DL / Full ile OWL 2 profillerini örneklerle ayırt edebileceksiniz.
Özellik karakteristiklerini (functional, inverse, transitive) uygulayabileceksiniz.
Protégé'de sıfırdan bir ontoloji kurup reasoner çalıştırabileceksiniz.
Alerji ontolojisinin her satırını okuyup gerekçelendirebileceksiniz.

Ödev 3'ün Çözümü

Turtle grafı, RDFS çıkarımları ve zincirleme SPARQL.

Çözüm 3.1 — Beklenen Turtle

:TC_005 a :Person ;
  :hasAge "16"^^xsd:int ;
  :hasAllergy :Gluten ;
  :ChooseProduct :EAN_00001 .

Çıkarım:
:EAN_00001 a :Product      (domain)
:Alginic_Acid a :FoodAdditives (range)
Risk zinciri KAPANIR:
Gluten ← Alginic_Acid ← EAN_00001
Adult DEĞİL (16 < 18)

Tipsiz "16" yazılırsa S5 kuralı sessizce sonuç üretmez — en sık kaybedilen puan.

Çözüm 3.2 — Zincirleme sorgu

SELECT ?ad ?katki WHERE {
  ?p :hasName ?ad ; :hasAllergy ?a ; :ChooseProduct ?u .
  ?u :Contain ?katki .
  ?katki :Triggers ?a .
}

Sık hata	Sonucu
?a yerine sabit :Lactose	Diğer alerjiler görünmez
:Triggers yönünün ters yazımı	Boş sonuç
PREFIX eksikliği	Ayrıştırma hatası

OWL: Web Ontology Language

W3C standardı; temeli tanımlama mantığı (description logic).
Sınıfları yalnızca adlandırmakla kalmaz, tanımlar: koşullarla ifade eder.
Karar verilebilirlik korunur: reasoner sonlu zamanda cevap verir.
Projede OWL, veriyi değil modelin kurallarını taşır.

RDFS'ten OWL'a: ne kazanıyoruz?

Yetenek	RDFS	OWL
Ayrık sınıflar	—	owl:disjointWith
Denk sınıflar	—	owl:equivalentClass
Kısıtlar	—	Restriction
Sayı kısıtı	—	Cardinality
Özellik karakteristiği	—	functional, inverse, transitive
Birey özdeşliği	—	sameAs / differentFrom

Dört yapı taşı

Kavram	Alerji projesi	İkinci örnek (üniversite)
Class	Person, Product, Allergy	Student, Course, Instructor
Object Property	Contain, Triggers	enrolledIn, teaches
Datatype Property	hasAge, hasBMI	hasCredit, hasGPA
Individual	Nisin, TC_001	CMPE583, Ali
Axiom	Adult ⊑ Person	Student ⊓ Instructor = ∅

Aksiyom türleri: TBox, RBox, ABox

TBox — sınıflar

Adult ⊑ Person

Terminoloji: kavram tanımları

RBox — özellikler

Lactose_Allergen ⊑ Effected_Allergen

Rol hiyerarşisi ve karakteristikler

ABox — bireyler

Product(EAN_00004)

Olgular: veri

Projede TBox küçük, ABox orta, RBox ise alt özellik hiyerarşisiyle şaşırtıcı biçimde etkilidir.

OWL Türleri ve Sürümleri

Lite, DL, Full ve OWL 2 profilleri — hangisi neden?

OWL 1: Lite, DL, Full

Tür	İfade gücü	Karar verilebilir?	Kullanım
OWL Lite	Sınırlı: hiyerarşi, basit kısıt	Evet, hızlı	Basit taksonomiler
OWL DL	Yüksek, mantıksal sınırlar içinde	Evet	Projemiz burada
OWL Full	En yüksek, RDF ile tam uyum	Hayır	Meta-modelleme

DL seçimi bir mühendislik kararıdır: HermiT ve Pellet ancak DL sınırları içinde garantili sonuç verir.

Farkında olmadan OWL Full'a düşmek

Hatalı

:Lactose a owl:Class ;
         a :Allergy .
# hem sınıf hem birey!

Doğru (projede)

:Allergy a owl:Class .
:Lactose a :Allergy .

Bir kaynağı hem sınıf hem birey yapmak (punning) OWL DL'i terk etmektir; reasoner uyarı verir veya sonucu garanti etmez.

OWL 2 profilleri

Profil	Güçlü yanı	Tipik alan
OWL 2 EL	Çok büyük taksonomilerde hızlı sınıflandırma	SNOMED CT, tıbbi terminoloji
OWL 2 QL	Veritabanı üstünde sorgu yazımı (OBDA)	Kurumsal veri erişimi
OWL 2 RL	Kural motorlarıyla ölçeklenir	Kurumsal kural sistemleri
OWL 2 DL	Tam ifade gücü	Alerji projesi

Profil seçimi = ifade gücü ile hız arasında bilinçli takas.

OWL 2 neler ekledi?

Yenilik	Alerji örneği
Nitelikli sayı kısıtı	En az 2 FoodAdditives içeren ürün
Özellik zinciri	Contain ∘ Triggers ⊑ mayTrigger
Ayrık birleşim	Person / Product / Allergy tek aksiyomda ayrık
Veri aralıkları	BMI için double[>= 30.0]
Anahtarlar (HasKey)	Barkod, ürünü tekil belirler

Özellik zinciri, S6 kuralının bir kısmını SWRL'siz ifade etmemizi sağlar — Hafta 05'te deneyeceğiz.

Aynı aksiyom, dört sözdizimi

ManchesterAdult SubClassOf Person

FunctionalSubClassOf(:Adult :Person)

Turtle:Adult rdfs:subClassOf :Person .

RDF/XML<owl:Class rdf:about="#Adult"> <rdfs:subClassOf rdf:resource="#Person"/> </owl:Class>

Protégé arayüzünde Manchester, dosyada RDF/XML görürsünüz. Aynı aksiyom.

Sınıflar ve Aksiyomlar

Hiyerarşi, ayrıklık, denklik ve tanımlı sınıflar.

Sınıf bildirimi

<owl:Class rdf:about="#Person"/>
<owl:Class rdf:about="#Product"/>
<owl:Class rdf:about="#FoodAdditives"/>
<owl:Class rdf:about="#Allergy"/>

<owl:Class rdf:about="#Adult">
  <rdfs:subClassOf
     rdf:resource="#Person"/>
</owl:Class>

<owl:Class rdf:about="#PersonAtRisk">
  <rdfs:subClassOf
     rdf:resource="#Person"/>
</owl:Class>

Dört üst sınıf birbirinden bağımsızdır; iki alt sınıf yalnızca Person altındadır.

Ayrık sınıflar: modelin bekçisi

<owl:AllDisjointClasses>
  <owl:members rdf:parseType="Collection">
    <rdf:Description rdf:about="#Person"/>
    <rdf:Description rdf:about="#Product"/>
    <rdf:Description rdf:about="#FoodAdditives"/>
    <rdf:Description rdf:about="#Allergy"/>
  </owl:members>
</owl:AllDisjointClasses>

Bu tek aksiyom sayesinde :TC_009 :Contain :Nisin gibi bir hata tutarsızlık olarak yakalanır: kişi aynı anda ürün olamaz.

Denk sınıf: tanımlı (defined) sınıflar

# Manchester
RiskyProduct
  EquivalentTo
    Product
    and (Contain some
         (Triggers some Allergy))

Gerekli ve yeterli koşul: bu tanımı sağlayan her ürün otomatik olarak sınıfa girer.

Reasoner sonrası:
RiskyProduct = {EAN_00001, EAN_00002,
                EAN_00003, EAN_00004}

Fark: subClassOf yalnızca gerekli koşuldur — üyelik çıkarılmaz.

Sınıf ifadeleri: kesişim, birleşim, tümleyen

İfade	Manchester	Alerji örneği
Kesişim (⊓)	and	Person and (hasAllergy some Allergy)
Birleşim (⊔)	or	Lactose or Egg alerjisi
Tümleyen (¬)	not	not (hasAllergy some Allergy)
Sıralı küme	{ … }	{Lactose, Egg, Fish, Gluten}

Tümleyen ile "alerjisi olmayan" yazılabilir; ama açık dünyada bu sınıf, bilinen alerjisi olmayanları değil, alerjisi olmadığı kanıtlanmış olanları içerir.

Nesne özellikleri

Özellik	Domain → Range	Rolü
ChooseProduct	Person → Product	Tüketim tercihi
Contain	Product → FoodAdditives	Etiket bilgisi
Triggers	FoodAdditives → Allergy	Tıbbi bilgi
hasAllergy	Person → Allergy	Hasta profili
Effected_Allergen	Person → FoodAdditives	Çıkarım sonucu

İlk dördü bildirilir, beşincisi üretilir. Bir ontolojide hangi özelliğin veri hangisinin sonuç olduğunu bilmek tasarımın özüdür.

Veri özellikleri

<owl:DatatypeProperty rdf:about="#hasAge">
  <rdfs:domain rdf:resource="#Person"/>
  <rdfs:range rdf:resource="&xsd;int"/>
</owl:DatatypeProperty>

Özellik	Tip
hasName	string
hasAge	int
hasWeight / hasHeight	double
hasBMI	double (çıkarım)

Özellik karakteristikleri

Karakteristik	Anlamı	Örnek
Functional	En çok bir değer	hasBMI, hasBirthDate
Inverse functional	Değer özneyi belirler	hasBarcode
Transitive	Zincir taşınır	hasIngredientPart
Symmetric	İki yönlü	crossReactsWith
Asymmetric	Ters asla doğru değil	Contain
Irreflexive	Kendisiyle ilişkilenmez	Triggers

Functional: sessiz ama güçlü

hasBMI Functional

:TC_001 :hasBMI 23.92 .
:TC_001 :hasBMI 24.10 .

Sonuç: TUTARSIZ
(iki farklı sayı aynı olamaz)

Nesne özelliği olsaydı:
sameAs çıkarımı yapılırdı.

Bu yüzden BMI'yi functional yapmak, kural motorunun iki kez farklı değer yazmasını hata olarak ortaya çıkarır — istenen davranıştır.

Ters özellik ve özellik zinciri

Inverse

containedIn
  InverseOf Contain

:Nisin :containedIn :EAN_00004
(çıkarıldı)

Zincir (OWL 2)

mayTrigger
  SubPropertyChain
    Contain o Triggers

:EAN_00004 :mayTrigger :Lactose
(çıkarıldı)

Zincir sayesinde "bu ürün hangi alerjileri tetikleyebilir?" sorusu SWRL'siz cevaplanır. Kişi profilini işe katmak ise hâlâ kural gerektirir.

Bireyler ve özdeşlik

<owl:NamedIndividual rdf:about="#Nisin">
  <rdf:type rdf:resource="#FoodAdditives"/>
  <Triggers rdf:resource="#Lactose"/>
</owl:NamedIndividual>

:Nisin owl:sameAs :E234 .
:Nisin owl:differentFrom :Casein .

E kodları ile ticari adları sameAs ile bağlamak, farklı market kataloglarını birleştirmenin yoludur.

Protégé ile İlk Ontoloji

Sıfırdan kurulum: IRI, sınıf, özellik, birey, reasoner.

Protégé'de ontoloji yaratma: sekiz adım

#	İşlem	Nerede
1	Yeni ontoloji, IRI belirle	File → New
2	Sınıfları ekle	Entities → Classes
3	Ayrıklık bildir	Disjoint With
4	Nesne özellikleri, domain/range	Object properties
5	Veri özellikleri	Data properties
6	Bireyleri ekle	Individuals
7	Reasoner çalıştır	Reasoner → HermiT → Start
8	RDF/XML olarak kaydet	File → Save as

Adım 1 — Ontoloji IRI'si

Active ontologyEntitiesIndividuals by class

Ontology IRIhttp://EMU/AllergyOntology

Ontology Version IRIhttp://EMU/AllergyOntology/1.1

Annotationsrdfs:comment "Gıda alerjisi karar destek ontolojisi"@tr

Şematik gösterim. IRI sonradan değiştirilirse tüm yerel adlar taşınır — baştan doğru seçin.

Adım 2–3 — Sınıflar ve ayrıklık

Active ontologyEntitiesSWRLTab

Class hierarchy ▾ owl:Thing Person Product FoodAdditives Allergy

Description: Person SubClass Of owl:Thing Disjoint With Product, FoodAdditives, Allergy

Ayrıklığı en baştan bildirin: sonradan eklenen ayrıklık, biriken hatalı bireyleri anında tutarsız yapar.

Adım 4 — Nesne özelliği ve domain/range

Object propertiesData properties

Property hierarchy ▾ owl:topObjectProperty ChooseProduct Contain ▾ Effected_Allergen Lactose_Allergen Fish_Allergen

Characteristics ☐ Functional ☐ Transitive ☑ Asymmetric Domains / Ranges Domain: Person · Range: FoodAdditives

Adım 6 — Birey ve bildirimler

EntitiesIndividuals by class

EAN_00004 — Types Product Object property assertions Contain Ascorbic_Acid · Contain Nisin · Contain Soy_Lecitin Data property assertions hasProductName "Eti Chocolate"

Birey adı = barkod; okunur ad ise veri özelliğidir. Bu ayrım, çok dilli katalogda kritik olur.

Adım 7 — Reasoner'ı çalıştırmak

Menü	İşi
Reasoner → HermiT	Motoru seç
Start reasoner	Çıkarımı başlat
Synchronise	Değişiklik sonrası yenile
Explain inconsistency	Çelişkinin gerekçesi

Okuma ipucu

Protégé çıkarılan bildirimleri farklı renkte gösterir. Sarı zeminli satır = reasoner'ın ürettiği bilgi; dosyaya yazılmaz.

Adım 8 — Hangi biçimde kaydetmeli?

Biçim	Avantaj	Projede
RDF/XML	En yaygın, araç desteği tam	Kullandığımız
Turtle	İnsan tarafından okunur	Derste örnekler
OWL/XML	Şemaya dayalı doğrulama	—
Functional	Standart metinde kullanılır	Akademik yazım
OBO / Manchester	Alan toplulukları	—

SWRL kuralları RDF/XML'de swrl:Imp aksiyomları olarak saklanır — biçim değiştirirken kural kaybını kontrol edin.

İlk ontolojide beş sık hata

Hata	Belirtisi	Çözüm
Somut nesneyi sınıf yapmak	Nisin adlı boş sınıf	Birey olarak ekle
Ayrıklık bildirmemek	Reasoner hata bulmuyor	Disjoint ekle
Literal tipini boş bırakmak	Kural sonuç üretmiyor	xsd tipini seç
Domain'i kısıt sanmak	Beklenmeyen tip çıkarımı	Kısıt için Restriction kullan
IRI'yi sonradan değiştirmek	Kurallar kırılıyor	Baştan sabitle

İkinci örnek: üniversite ontolojisi

Student ⊑ Person
Instructor ⊑ Person
Student ⊓ Instructor ⊑ ⊥

enrolledIn: Student → Course
teaches:    Instructor → Course
hasCredit:  Course → xsd:int

GraduateCourse
  EquivalentTo
    Course and (hasCredit some
      int[>= 500])

:CMPE583 a Course ;
   :hasCredit 583 .
→ GraduateCourse (çıkarıldı)

Aynı üç yapı: ayrık sınıflar, domain/range, tanımlı sınıf. Alan değişir, kalıp değişmez.

Üçüncü örnek: menü ontolojisi

VegetarianDish
  EquivalentTo
    Dish and
    (hasIngredient only
       (not MeatProduct))

only (allValuesFrom) evrensel kısıttır: bütün malzemeler et dışı olmalı.

Tuzak: malzemeleri kapatmadıysanız (closure), açık dünya gereği hiçbir yemek vejetaryen çıkarılmaz.

Aynı tuzak alerji projesinde "güvenli ürün" tanımında karşımıza çıkacak — Hafta 05.

Ödev 4 — Protégé'de ontoloji

Kendi alanınız için 6 sınıf, 5 nesne, 3 veri özelliği tanımlayın.
Üst sınıfları ayrık bildirin; en az bir alt özellik hiyerarşisi kurun.
En az 12 birey ekleyin, bildirimlerini tamamlayın.
Bir tanımlı (equivalentClass) sınıf yazın ve çıkarımını gösterin.
HermiT ile tutarlılığı doğrulayın; bir çelişki üretip explain ekranını raporlayın.

Teslim

.owl dosyası (RDF/XML) + 3 sayfa rapor: aksiyom listesi, çıkarım ekran görüntüleri, çelişki analizi.

Çözümü Hafta 05'in başında ele alacağız.

Değerlendirme ölçütleri

Ölçüt	Ağırlık	Beklenen
Sınıf ve hiyerarşi	20%	Ayrıklık doğru bildirilmiş
Özellik tasarımı	25%	Domain/range + karakteristikler
Bireyler	15%	Tipli literaller
Tanımlı sınıf	25%	Çıkarım kanıtlanmış
Çelişki analizi	15%	Gerekçe doğru okunmuş

Kaynaklar

W3C — OWL 2 Web Ontology Language Primer; Structural Specification.
W3C — OWL 2 Profiles (EL, QL, RL).
Horridge, M. — A Practical Guide To Building OWL Ontologies Using Protégé 5.
Baader, Calvanese, McGuinness et al. — The Description Logic Handbook.
Hitzler, Krötzsch, Rudolph — Foundations of Semantic Web Technologies, Böl. 4–5.

Özet • 1 / 2

Dil ve yapı

OWL, sınıfları adlandırmakla kalmaz; koşullarla tanımlar.
TBox / RBox / ABox ayrımı, hangi bilginin nerede durduğunu söyler.
OWL DL karar verilebilirliği korur; punning OWL Full'a düşürür.
OWL 2 profilleri ifade gücü ile ölçek arasında takas sunar.

Özet • 2 / 2

Projede ve sonraki adım

Dört ayrık üst sınıf modelin bekçisidir.
Alerjen alt özellikleri kuralları kısaltır.
hasBMI functional: çift değer hatayı görünür kılar.
Protégé'de sekiz adım: IRI'den kayda.

Hafta 05'te

OWL ileri konular: someValuesFrom / allValuesFrom, cardinality, karmaşık sınıf tanımları ve Protégé uygulamaları.

Ayrıca: Ödev 4'ün ayrıntılı çözümü.

Tekrar Soruları

Kendinizi sınayın

subClassOf ile equivalentClass arasındaki çıkarım farkı nedir?
Punning neden OWL DL'i terk eder?
hasBMI functional olmasa ne olurdu?
Özellik zinciri hangi SWRL kuralının yerini alabilir?

OWL 2 EL hangi durumda DL'e tercih edilir?
Ayrıklık bildirimi olmadan hangi hata sessiz kalır?
"Alerjisi olmayan kişi" sınıfı açık dünyada neden boş kalır?
Aynı aksiyomu Manchester ve RDF/XML ile yazın.

Alıştırma • Sınıf içi

Tanımlı sınıf yazın

"Laktoz alerjisi olan ve laktoz tetikleyici katkı içeren bir ürün seçen kişi" sınıfını Manchester sözdizimi ile tanımlayın.

LactoseRiskPerson
  EquivalentTo
    Person
    and (hasAllergy value ______)
    and (ChooseProduct some
         (Contain some ______))

Sorular

Hangi bireyler bu sınıfa girer?
Bu tanım S6+S7 kurallarının yerini tutar mı?
Neden hâlâ SWRL'e ihtiyaç var?

Çözüm Hafta 05'te.