Im WWW nichts Neues? Teil II – Das Semantic Web Roland Mücke IMISE Leipzig 11. September 2006

Im WWW nichts Neues?

Teil II – Das Semantic Web

Roland MückeIMISE Leipzig

11. September 2006

Montag, 11. September 2006 GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues? 2

Inhalt

Die Vision des Semantic Web

Grundlegende Technologien

Praktische Anwendungen

Einsatzszenarien in der Medizin


Inhalt






Das World Wide Web bisher

Was wir haben

Eine Vielzahl von Dokumenten, Inhalten und Daten Sprachen zur Darstellung von Inhalten (HTML, CSS...) Werkzeuge für die Nutzung (Webbrowser,

Suchmaschinen...) Anwendungsfälle (Information, Bildung, Unterhaltung, E-

Commerce, Organisation, Kommunikation...) Was wir nicht haben

Ein echtes Zusammenspiel der informationsverarbeitenden Systeme

Was wir brauchen

Semantik


Semantik?

Bezeichnet die exakte Bedeutung von Sprachen unter Zuhilfenahme formaler, logisch-mathematischer Methoden.

In Abgrenzung zur Semantik in Philosophie und Linguistik als formale Semantik bezeichnet.

Ziel ist es, dass Computersysteme Inhalte nicht nur bereitstellen (Webserver), transportieren (Internet) und präsentieren (Webbrowser), sondern auch „verstehen“.

Zumindest soweit verstehen, dass die bereitgestellten Daten in nutzbringender Weise miteinander in Verbindung gebracht werden können.


Ein visionäres Beispiel

„At the doctor's office, Lucy instructed her Semantic Web agent through her handheld Web browser. The agent promptly retrieved information about Mom's prescribed treatment from the doctor's agent, looked up several lists of providers, and checked for the ones in-plan for Mom's insurance within a 20-mile radius of her home and with a rating of excellent or very good on trusted rating services. It then began trying to find a match between available appointment times and Pete's and Lucy's busy schedules.

In a few minutes the agent presented them with a plan. Pete didn't like it—University Hospital was all the way across town from Mom's place, and he'd be driving back in the middle of rush hour. He set his own agent to redo the search with stricter preferences about location and time. Lucy's agent, having complete trust in Pete's agent in the context of the present task, automatically assisted by supplying access certificates and shortcuts to the data it had already sorted through.“

Quelle: Tim Berners-Lee, James Hendler und Ora Lassila: The Semantic Web - A new form of Web content that is meaningful to computers will unleash a revolution of new possibilities, Scientific American, May 17, 2001


Ein paar praktische Beispiele

Zusammenstellen von Nachrichten-Schlagzeilen aus verschiedenen Quellen und Filterung nach vorgegebenen Kategorien

Präsentation persönlicher Kontaktinformationen auf verschiedenen Websites und zugleich im Adressbuch des E-Mail-Clients, der Terminverwaltung und im PDA

Import von Terminen aus verschiedenen Quellen per Drag&Drop aus dem Webbrowser in die persönliche Terminverwaltung


Beispiel: Termine aus mehreren Quellen

Website

Informationsfluss

SW-Baustein


Das „Web“ in Semantic Web

Anbieter von semantisch ausgezeichneten Daten und die Nutzer dieser Daten sind nur lose miteinander gekoppelt. Genauso wie Webserver und Webbrowser nur lose über HTTP und HTML miteinander in Verbindung stehen. Es gibt keine zentrale Instanz, die die Kommunikation steuert.

Website Client Zugriff


It's all about the Data

Das Semantic Web wird kein Nachfolger des World Wide Web sein. Es ist vielmehr eine Ergänzung desselben.

Da die Hauptnutzer Softwaresysteme sind, wird das Semantic Web für uns Menschen weitgehend im Verborgenen bleiben.

Der Fokus liegt auf den Daten, die ausgetauscht und miteinander kombiniert werden. Die (visuelle) Darstellung spielt hierbei eine nachgeordnete Rolle.


Zwei grundlegende Philosophien

Zugang zu strukturierten Informationen in Datenbanken

Diese Daten sind sonst gar nicht oder nur indirekt über Webanwendungen erreichbar.

Semantisches Markup von Webdokumenten

Dokumente, die für den Menschen als Nutzer gedachtsind, werden zusätzlich mit Markup versehen, der die Inhalte für Computersysteme verständlich macht.

Beide Philosophien stehen nicht im Widerspruch zueinander und so werden für beide eine Vielzahl von Technologien entwickelt


Inhalt






Ein Stapel von Spezifikationen

Das Semantic Web wird vom W3C auf dem Fundament des WWW entwickelt

URIs für Identifikation Unicode für universelle

Zeichencodierung XML als universelle

Repräsentationsform Sprachen des Semantic Web: RDF, OWL (Ontology),

SPARQL (Query), SWRL (Rules) Logic, Proof und Trusted SW folgen später


Resource Description Framework

Mit RDF werden Aussagen über Dinge (Statements) ausgedrückt.

Dinge (Ressourcen) können Dokumente im Web sein oder Personen oder Termine oder oder oder ...

Also alles, worüber man etwas ausdrücken möchte. Die Aussagen haben die Form von Tripeln

(Subjekt, Prädikat, Objekt) oder (Subject, Property, Value)

Subject Property Value


RDF-Beispiele

Aus RDF-Statements werden Graphen gebildet.

Die Statements können aus beliebigen Quellen stammen. Die Verbindung erfolgt über die URIs.

<rdf:RDF xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#" xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/" xmlns:foaf="http://xmlns.com/foaf/0.1/"> <rdf:Description rdf:about="http://www.gmds2006.de/Tutorien/WWW-Teil2.pdf"> <dc:title>Im WWW nichts Neues?</dc:title> <dc:author>http://www.imise.de/Mitarbeiter/RolandMuecke</dc:author> </rdf:Description> <rdf:Description rdf:about="http://www.imise.de/Mitarbeiter/RolandMuecke"> <foaf:firstname>Roland</foaf:firstname> <foaf:surename>Mücke</foaf:surename> </rdf:Description></rdf:RDF>


Web Ontology Language (OWL)

Die explizite Festlegung von Struktur erfolgt durch Vokabulare (einfach), Schemata oder Ontologien (komplex).

OWL definiert Konzepte und Beziehungen.

Klassen und ihre Eigenschaften Hierarchien von Klassen und Eigenschaften

Vergleichbar mit Datenbank-Schemata.

Kann aber komplexere Beziehungen ausdrücken Wird in RDF ausgedrückt. Unterscheidung in z. B. OWL Lite, OWL DL und OWL Full. Grundlage für die Ableitung impliziter Statements.


OWL-Beispiel

Definition der Klasse „Person“ und einer ihrer Eigenschaften „firstName“ aus dem FOAF-Schema

<rdfs:Class rdf:about="http://xmlns.com/foaf/0.1/Person" rdfs:label="Person" rdfs:comment="A person."> <rdfs:subClassOf rdf:resource="http://xmlns.com/wordnet/1.6/Person"/> <rdfs:subClassOf rdf:resource="http://xmlns.com/foaf/0.1/Agent"/> <rdfs:subClassOf rdf:resource="http://www.w3.org/2000/10/swap/pim/contact#Person"/> <rdfs:subClassOf rdf:resource="http://www.w3.org/2003/01/geo/wgs84_pos#SpatialThing"/> <rdfs:isDefinedBy rdf:resource="http://xmlns.com/foaf/0.1/"/> <owl:disjointWith rdf:resource="http://xmlns.com/foaf/0.1/Document"/> <owl:disjointWith rdf:resource="http://xmlns.com/foaf/0.1/Organization"/> <owl:disjointWith rdf:resource="http://xmlns.com/foaf/0.1/Project"/></rdfs:Class>

<rdf:Property rdf:about="http://xmlns.com/foaf/0.1/firstName" rdfs:label="firstName" rdfs:comment="The first name of a person."> <rdf:type rdf:resource="http://www.w3.org/2002/07/owl#DatatypeProperty"/> <rdfs:domain rdf:resource="http://xmlns.com/foaf/0.1/Person"/> <rdfs:range rdf:resource="http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#Literal"/> <rdfs:isDefinedBy rdf:resource="http://xmlns.com/foaf/0.1/"/></rdf:Property>


Implizites Wissen

Mit den in OWL ausgedrückten Beziehungen von Konzepten und ihren Eigenschaften kann aus vorhandenem Wissen neues Wissen abgeleitet werden.

Beispiel

„Im WWW nichts Neues?“ ist ein GMDS-Tutorium. Ein GMDS-Tutorium ist eine GMDS-Veranstaltung. „Im WWW nichts Neues?“ ist eine GMDS-Veranstaltung

und gehört deswegen in jeden Tagungs-Kalender. Die Ableitung dieses impliziten Wissens (Inferenz,

Entailment) wird von einem Reasoner durchgeführt, der meist direkt an einem RDF-Store angeschlossen sind.


SPARQL Protocol and RDF Query Language

Abfragesprache für RDF-Graphen

Grundlage jeder anspruchsvollen SW-Anwendung Liefert einzelne Werte, Datensätze oder Teilgraphen

Vergleichbar mit SQL für Datenbanken

Allerdings nur mit lesendem Zugriff Die Spezifikation definiert zusätzlich ein Protokoll für die

Kommunikation zwischen SPARQL-Clients und -Servern.

Implementationen können auf HTTP oder SOAP aufsetzen


SPARQL-Beispiele

SELECT ?titleWHERE { <http://example.org/book/book1> dc:title ?title }

SELECT ?title ?priceWHERE { ?x ns:price ?price . FILTER (?price < 30) . ?x dc:title ?title . }

SELECT ?name ?mbox ?hpageWHERE { ?x foaf:name ?name . OPTIONAL { ?x foaf:mbox ?mbox } . OPTIONAL { ?x foaf:homepage ?hpage } }


Inhalt






Das Semantic Web in der freien Wildbahn

Seit der „Einführung“ des Semantic Web im Scientific American im Jahre 2001 hat es nicht nur Entwicklungen im wissenschaftlichen Umfeld gegeben.

Einige Anwendungen sind dabei, die Labore zu verlassen und sich im praktischen Alltag zu bewähren.

Besonders empfänglich: die Blogger-Szene Der Geek-Faktor ist jedoch noch immer sehr hoch. Die einzige Ausnahme ist RSS – und das ist nicht mal

echtes Semantic Web.


Nachrichten-Aggregation: RSS

Bereitstellung von Nachrichten-Schlagzeilenmittels „Rich Site Summary“

Clientseitige Nutzung in Newsreadern oder Live-Bookmarks

Serverseitige Nutzung auf Nachrichten-Portalen, die Schlagzeilen aus vielen Quellen zusammenführen (Syndizierung)

Kategorien von News (Channels)

Kein allgemeiner Standard zur Kategorisierung Es existieren mehrere Versionen von RSS und nur eine

(die 1.0) verwendet RDF


Netzwerk von Bekanntschaften: FOAF

FOAF steht für „Friend of a Friend“ Persönliche Beschreibung von sich und seinen Freunden

Name, Mailbox, Homepages, Bild Diverse Instant-Messenger-IDs und Online-Accounts Bekanntschaften, Interessen, Publikationen, Projekte

Derzeit die Visitenkarte im Semantic Web und bei Bloggern.

<foaf:Person> <foaf:name>Dan Brickley</foaf:name> <foaf:mbox_sha1sum>241021fb0e6289f92815fc210f9e9137262c252e</foaf:mbox_sha1sum> <foaf:homepage rdf:resource="http://rdfweb.org/people/danbri/" /> <foaf:img rdf:resource="http://rdfweb.org/people/danbri/mugshot/danbri-small.jpeg" /></foaf:Person>


Semantisches Markup in XHTML

Die Grundidee ist, dass vorhandene Web-Dokumente mit Auszeichnungen versehen werden, die ihren Inhalt semantisch „greifbar“ machen.

Die Ansätze reichen bezüglich der Auswirkungenauf den XHTML-Code von „unauffällig“ (GRDDL) bis „brachial“ (RDF/A).

Das Ziel ist, eine Dopplung von Informationen in XHTML- und RDF-Dateien zu vermeiden.

Minimiert Arbeit und Fehler Ideal, wenn die Inhalte nicht anderweitig strukturiert sind,

z.B. in Datenbanken

<HTML>

<RDF>


GRDDL, Microformats, RDF/A

GRDDL: Gleaning Resource Descriptions from Dialects of Languages extrahiert Daten mittels XSL-Transformation aus XML-Dokumenten.

XSL muss die Struktur der XML-Dialekte (z. B. XHTML) kennen, in denen die gewünschten Inhalte stecken.

Microformats: Vorgegebene Konstrukte aus <div>- und -Tags zusammen mit CSS-Klassen

Vordefinierte Formate, die die Verarbeitung stark vereinfachen. Beispiele sind hCard oder hCalendar

RDF/A: Einbettung von RDF direkt in XHTML-CodeDieser Teil des Tutoriums ist von

Roland Mücke.


SPARQL-Endpunkt für SQL-Datenbanken

Zugriff auf SQL-Datenbanken über einen Wrapper, der SPARQL-Querys in SQL-Querys umwandelt.

Beispiel: D2RQ

Anbindung an lokale SQL-Datenbanken Zugriff auf Datenbankinhalt als RDF-Graph möglich Beziehung zwischen Datenbankschema und RDF-Graph

über Mapping, das semi-automatisch hergestellt wird.

DB Endpunkt Semantic WebSPARQLSQL


Zum Rumprogrammieren: APIs

Für die Entwicklung von „Semantic-Web-Anwendungen“ stehen einige APIs als OpenSource zur Verfügung.

Teilweise Referenzimplementationen, also kein Bastelkram! Jena, Sesame

Java-APIs für RDF und SPARQL, RDF-Store Redland

Gleicher Leistungsumfang, in C geschrieben Bindings u. a. für Perl, Python, Ruby und PHP

Keine APIs, aber sehr leistungsfähige Browser/Editoren: Protege und Swoop


Wann kommt die Killer-App?

Vermutlich wird es nie eine Killer-Applikation geben, die dem Semantic Web zum Durchbruch verhelfen wird.

Gab es eine Killer-Website, die dem WWW zum Durchbruch verhalf?

Stattdessen wird es viele kleine Semantic Webs geben, die sich in bestimmten Nutzerkreisen oder bei bestimmten Anwendungsfällen durchsetzen, z. B. RSS oder FOAF.

Der Wandel hin zum Semantic Web wird sich hinter den Kulissen vollziehen, so dass Otto-Normalsurfer nichts davon mitbekommt.

Große E-Commerce-Websites könnten die Entwicklung drastisch beschleunigen.


Inhalt






Medizinische Informationsportale

RSS für Neuigkeiten und Termine FOAF als Visitenkarte

Entweder aus Verzeichnisdienst generieren oder FOAF-a-Matic

Microformats für Termine und Kontaktinformationen

Spätestens bei der nächsten Überarbeitung mit einplanen, wenn man sich sowieso stärker mit CSS beschäftigen will

Generell gilt: Catch the low hanging fruit!

Mit geringem Aufwand den Nutzern einen zusätzlichen Service bieten.


Verteilte Studienregister

Anstelle eines zentralen Dienstes wird die bestehende Web-Infrastruktur von Studien-gruppen und Forschungsprojekten genutzt.

Beschreibung von Studien mit RDF

Entweder aus der lokalen Studiendatenbank Oder mittels GRDDL oder RDF/A

Ein zentrales Schema für die Beschreibung ist nicht zwingend notwendig

Mapping individueller Schemata aufeinander Vereinfacht die Organisation


Planung und Durchführung von Studien

Beschreibung von Studien-Items mit RDF Nutzung dieser Beschreibungen zur

Erzeugung der Studiendatenbanken Generierung von Studiendokumenten (CRFs) Annotation der Studienprotokolle Kommunikation mit Studienregistern


Semantisch annotierte SOPs

SOPs besitzen meist eine Grundstruktur, klar definierte Zielgruppen und Anwendungsfälle.

Über Annotationen kann die Erreichbarkeit und Bekanntmachung von SOPs verbessert werden.

Zielgruppengerichtete Information über Neuerungen Anwendungsfallbezogene Suche in SOP-Systemen Integration direkt in die Arbeitsumgebung


Semantische Wörterbücher

Wörterbücher dienen dazu, die vielschichtigen Begrifflichkeiten in der Medizin klarer zu fassen und Missverständnisse zu vermeiden.

Eine semantische Beschreibung von Wörterbucheinträgen hilft, Begriffe und ihre Bedeutungen im richtigen Kontext zu gebrauchen.

In Verbindung mit annotierten SOPs liefern sie die korrekten Begriffe beim Nachschlagen.

Bei Studienregistern sorgen sie für eine präzise Interpretation von Studieneigenschaften (z. B. beim Begriff der „Remission“)


Medizinische Ontologien

Eine Grundlage für die Beschreibung medizinischer Sachverhalte sind Vokabulare, Terminologien und Klassifikationen.

ICD-10, SNOMED, MeSH, UMLS, GALEN Das National Cancer Institute (NCI) stellt mit ihren

Enterprise Vocabulary Services ein umfangreiches Vokabular für die Onkologie bereit.

Wem das alles zu schwergewichtig ist, der kann sich natürlich auch seine eigene Ontologie erstellen.

Die Interoperabilität wird durch Mappings gewährleistet.


Ausblick

Das Semantic Web steckt noch in seinen Kinderschuhen

Noch stehen nicht alle benötigten Bausteine zur Verfügung Die Praxistauglichkeit mancher Ideen muss sich erst zeigen

Medizinische Anwendungsgebiete stehen explizit im Fokus der Forschung rund um das Semantic Web

Eine ergiebige Domäne mit breitem Anwendungsspektrum und einer Vielzahl von Profiteuren (Ärzte, Patienten, Wissenschaftler, Controller)

Das Semantic Web wird allmählich seinen Nutzen zeigen

Mitmachen ist gefragt, sonst droht das Henne-Ei-Problem


Zusammenfassung

Das Semantic Web macht Wissen im World Wide Web für Maschinen verständlich und nutzbar.

Es ist eine Ergänzung des bestehenden Web, die weitgehend unsichtbar für den Menschen mit Daten operiert.

Die Daten stammen entweder aus Datenbanken oder aus semantisch ausgezeichneten Webdokumenten.

Die Infrastruktur und Grundbausteine des WWW werden genutzt: URI, Unicode, XML

Auf ihnen setzen die Sprachen des Semantic Web auf


Zusammenfassung

RDF zur Beschreibung von Dingen im Semantic Web

Statements (Subject, Property, Value) bilden RDF-Graphen OWL zur Beschreibung von Vokabularen oder Ontologien

Definition von Klassen, ihren Eigenschaften und Beziehungen

Unerlässlich für das Schlussfolgern impliziten Wissens SPARQL zur Abfrage von RDF-Stores

Das „SQL für das Semantic Web“ Regeln, Logik, Beweisen, Signatur und Verschlüsselung

werden in der Zukunft ein vertrauensürdiges SW erlauben


Zusammenfassung

Aktuelle Anwendungsgebiete des Semantic Web

RSS für Nachrichten-Schlagzeilen FOAF als Visitenkarte GRDDL, Microformats und RDF/A für semantisches

Markup von Webdokumenten Im medizinischen Umfeld ist die Nutzung des Semantic

Webs für Studienregister, SOPs oder Wörterbücher vorstellbar

Neue Anwendungsfälle benötigen nur ein wenig Phantasie – und der sind keine Grenzen gesetzt!


Kontakt

Roland Mücke Institut für Medizinische Informatik, Statistik und

Epidemiologie (IMISE)Universität LeipzigHärtelstraße 16-1804107 Leipzig

Tel.: +49 341 97 16165 E-Mail: [email protected]

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