Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico Le Ontologie in Campo Umanistico.

Dipartimento di Sistemi e InformaticaUnivsrsità di Firenze

Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico VicarioUso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico

Le Ontologie in Campo Umanistico

Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006

Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico

Fabrizio Baldini [email protected]

Carlo Torniai [email protected]

Enrico Vicario [email protected]





ContenutiContenuti

Utilizzo di basi di dati in applicazioni Utilizzo di basi di dati in applicazioni orientate al Semantic Web orientate al Semantic Web Scenario Scenario Problematiche Problematiche Valutazione delle soluzioniValutazione delle soluzioni Conclusioni e prospettiveConclusioni e prospettive

Tesi di Laurea per il corso di Ingegneria Informatica, A. Tesi di Laurea per il corso di Ingegneria Informatica, A. Matteini e T. Papi “Semantic Web: analisi dei metodi e Matteini e T. Papi “Semantic Web: analisi dei metodi e sperimentazione delle tecnologie”sperimentazione delle tecnologie”





Web attualeWeb attuale le informazioni non le informazioni non hannohannostruttura semanticastruttura semantica

la semantica è la semantica è human understandablehuman understandable

le applicazioni possono le applicazioni possono ‘comprendere’ solo la ‘comprendere’ solo la sintassisintassi

Semantic WebSemantic Web associa alle risorseassocia alle risorse

una struttura una struttura semanticasemantica

caratterizza le caratterizza le risorse e le risorse e le relazioni relazioni associandogli un associandogli un significato significato particolareparticolare

Web vs Semantic Web





Il Semantic WebIl Semantic Web

Benefici relativi allo sviluppo di Benefici relativi allo sviluppo di applicazioni orientate al Semantic Webapplicazioni orientate al Semantic Web L’informazione L’informazione machine understandablemachine understandable

Interscambio datiInterscambio dati Relazioni semantiche tra i contenutiRelazioni semantiche tra i contenuti

Navigazioni tematiche e correlazioni dinamicheNavigazioni tematiche e correlazioni dinamichetra contenuti tra contenuti

Capacità di Capacità di retrievalretrieval semantico dei contenuti semantico dei contenuti Capacità di arricchire la base di conoscenza Capacità di arricchire la base di conoscenza con conoscenza inferitacon conoscenza inferita





ProblematicheProblematiche

Cosa implica sviluppare una applicazioneCosa implica sviluppare una applicazioneorientata al Semantic Web?orientata al Semantic Web?

Linguaggi standardizzatiLinguaggi standardizzati

Carenza di strumenti di sviluppo e best practices relativeCarenza di strumenti di sviluppo e best practices relative

Basi di conoscenza prevalentemente relazionaliBasi di conoscenza prevalentemente relazionali

La struttura relazionale non è consistente con la struttura La struttura relazionale non è consistente con la struttura semantica di una base di conoscenzasemantica di una base di conoscenza





Semantic Web e DatabaseSemantic Web e Database

Il Semantic Web non richiede necessariamente Il Semantic Web non richiede necessariamente interazione con dBinterazione con dB i dati possono essere memorizzati i dati possono essere memorizzati

in documenti RDF o OWLin documenti RDF o OWL

I database sono la soluzione più diffusa I database sono la soluzione più diffusa per la gestione di basi di conoscenza per la gestione di basi di conoscenza persistentipersistenti risulta importante prevedere un riuso risulta importante prevedere un riuso

di strutture dati preesistentidi strutture dati preesistenti






Problema di Problema di mismatchmismatch tra l’organizzazione tra l’organizzazione semantica delle risorse e quella relazionale semantica delle risorse e quella relazionale dei databasedei database






Analisi delle soluzioni architetturali per:Analisi delle soluzioni architetturali per: rendere persistente su un database rendere persistente su un database

una base di conoscenza semanticauna base di conoscenza semantica consentire modalità di accesso semanticoconsentire modalità di accesso semantico

a database relazionalia database relazionali

Le soluzioni identificate ed implementate sono:Le soluzioni identificate ed implementate sono: database con schema semantico database con schema semantico modelli persistenti di Jenamodelli persistenti di Jena D2RMap e D2RQD2RMap e D2RQ





Soluzione A: Soluzione A: Database con schema semanticoDatabase con schema semantico

Usa un database relazionale con schema che emulaUsa un database relazionale con schema che emulala struttura di documenti RDFla struttura di documenti RDF

Svantaggi:Svantaggi: Non utilizza le tecnologie raccomandate dal W3CNon utilizza le tecnologie raccomandate dal W3C Non supporta interrogazioni RDQL (solo SQL)Non supporta interrogazioni RDQL (solo SQL)





Soluzione B: Soluzione B: Modelli di JenaModelli di Jena¹¹

Jena è un framework per lo sviluppo Jena è un framework per lo sviluppo di applicazioni orientate al Web Semanticodi applicazioni orientate al Web Semantico

Fornisce API per la creazione, gestione e Fornisce API per la creazione, gestione e interrogazione di documenti RDFinterrogazione di documenti RDF

Consente di gestire basi di conoscenza Consente di gestire basi di conoscenza semantiche come modelli:semantiche come modelli: in memoriain memoria persistenti (su dB)persistenti (su dB)

[¹] http://jena.sourceforge.net[¹] http://jena.sourceforge.net





Soluzione B: Soluzione B: Modelli di JenaModelli di Jena

Vantaggi: Vantaggi: semplicità di gestione semplicità di gestione trasparenza nelle operazionitrasparenza nelle operazioni

Svantaggi: Svantaggi: errori di ridondanza nel modelloerrori di ridondanza nel modello difficoltà di manipolazione del result setdifficoltà di manipolazione del result set

modello modello persistente di persistente di JenaJena

AAPPII





Soluzione C: Soluzione C: D2Rmap e D2RQ¹D2Rmap e D2RQ¹

I dati esistenti sono memorizzati in databaseI dati esistenti sono memorizzati in database Necessità di tecniche che consentano:Necessità di tecniche che consentano:

riutilizzo dei dati e delle strutture riutilizzo dei dati e delle strutture associazione di una struttura semanticaassociazione di una struttura semantica

Tecniche di mapping disponibili:Tecniche di mapping disponibili: D2Rmap (batch)D2Rmap (batch) D2RQ D2RQ (runtime)(runtime)

[¹] D2Rmap e D2RQ, http://www.wiwiss.fu-berlin.de/suhl/bizer [¹] D2Rmap e D2RQ, http://www.wiwiss.fu-berlin.de/suhl/bizer





Soluzione C1: Soluzione C1: D2RmapD2Rmap

Converte un database relazionale in una base di Converte un database relazionale in una base di conoscenza semanticaconoscenza semantica utilizza una mappa per la conversioneutilizza una mappa per la conversione genera un documento RDF a partire dai dati contenuti nel dBgenera un documento RDF a partire dai dati contenuti nel dB

MappaMappa





Soluzione C2: Soluzione C2: D2RQD2RQ

Permette di interrogare un database relazionale Permette di interrogare un database relazionale utilizzando il linguaggio RDQLutilizzando il linguaggio RDQL utilizza dinamicamente una mappautilizza dinamicamente una mappa

per l’accesso semantico al contenuto del databaseper l’accesso semantico al contenuto del database restituisce degli statement restituisce degli statement gestisce database relazionali come grafi RDFgestisce database relazionali come grafi RDF

attraverso le API di Jenaattraverso le API di Jena

MappaMappa





Riepilogo architettureRiepilogo architetture

Soluzione C1Soluzione C1

Mapping D2RMapMapping D2RMapSoluzione C2Soluzione C2

Mapping D2RQMapping D2RQ

Soluzione BSoluzione B

Modello PersistenteModello Persistente

JenaJena

Soluzione ASoluzione A

Database relazionaleDatabase relazionale

con schema semanticocon schema semantico

API

MappaMappa

MappaMappa





Sperimentazione delle diverse architetture per valutarne Sperimentazione delle diverse architetture per valutarne complessità di implementazionecomplessità di implementazione applicabilità (vincoli di legacy, compatibilità organizzativa)applicabilità (vincoli di legacy, compatibilità organizzativa) prestazioniprestazioni

Applicazione relativa ad un contesto reale Applicazione relativa ad un contesto reale e con requisiti definitie con requisiti definiti

Sperimentazione architettureSperimentazione architetture





Contesto del SUAPContesto del SUAP

Sportello unico per la gestione delle Sportello unico per la gestione delle autorizzazioni necessarie alle imprese per la autorizzazioni necessarie alle imprese per la produzione di beni e serviziproduzione di beni e servizi

La struttura del dB del SUAP è stata La struttura del dB del SUAP è stata utilizzata come riferimento sia in fase di utilizzata come riferimento sia in fase di progettazione che in fase di sviluppoprogettazione che in fase di sviluppo





Identificazione delle architetture possibili:Identificazione delle architetture possibili:

Valutazione qualitativa e quantitativaValutazione qualitativa e quantitativa

Valutazione architettureValutazione architetture

(sem)





Soluzione database con schema semanticoSoluzione database con schema semantico Complessità implementativa limitataComplessità implementativa limitata Non utilizza gli strumenti del Semantic WebNon utilizza gli strumenti del Semantic Web

ma ne emula esclusivamente il funzionamentoma ne emula esclusivamente il funzionamento Ostacola l’interoperabilità dell’applicazione ?Ostacola l’interoperabilità dell’applicazione ?

Soluzione file RDFSoluzione file RDF Complessità implementativa più elevata rispetto alla prima Complessità implementativa più elevata rispetto alla prima

soluzionesoluzione Utilizza strumenti del Semantic WebUtilizza strumenti del Semantic Web Poca flessibilità data dal tipo di modello persistente (file Poca flessibilità data dal tipo di modello persistente (file

system)system)

Soluzioni Jena e D2RSoluzioni Jena e D2R Utilizzano appieno strumenti del Semantic WebUtilizzano appieno strumenti del Semantic Web Differiscono per complessità implementativa (gestione delle API Differiscono per complessità implementativa (gestione delle API

di Jena + utilizzo di tools di mapping nel caso di D2R)di Jena + utilizzo di tools di mapping nel caso di D2R) Differiscono per prestazioniDifferiscono per prestazioni L’utilizzo di strumneti di mapping risponde a vincoli di legacyL’utilizzo di strumneti di mapping risponde a vincoli di legacy

Valutazione qualitativaValutazione qualitativa





Architetture software analizzate:Architetture software analizzate: modello persistente di Jena, D2RQ e documento RDFmodello persistente di Jena, D2RQ e documento RDF

Cosa ci aspettiamo? Cosa ci aspettiamo? tempi di risposta più elevati per la soluzione con D2RQ che tempi di risposta più elevati per la soluzione con D2RQ che

prevede una funzione di mapping intermediaprevede una funzione di mapping intermedia

Analisi del tempo di riposta delle query:Analisi del tempo di riposta delle query: con 8 query differenti, ognuna ripetuta per 50 volte, su KB con 8 query differenti, ognuna ripetuta per 50 volte, su KB

contenenti 150.000 e 750.000 statementscontenenti 150.000 e 750.000 statements

Analisi del tempo di caricamento in memoria dei dati:Analisi del tempo di caricamento in memoria dei dati: ripetuto 30 volte per ogni architettura, su KB contenenti 150.000 ripetuto 30 volte per ogni architettura, su KB contenenti 150.000

e 750.000 statementse 750.000 statements

Valutazione prestazioni





La soluzione con RDF comporta i tempi di La soluzione con RDF comporta i tempi di esecuzioni migliori per le queryesecuzioni migliori per le queryma molto elevati per il caricamento dei datima molto elevati per il caricamento dei datiLa soluzione con D2RQ comporta tempi di esecuzione La soluzione con D2RQ comporta tempi di esecuzione mediamente migliori rispetto alla soluzione con Jenamediamente migliori rispetto alla soluzione con Jenacontrariamente alle aspettative!contrariamente alle aspettative!

Valutazione prestazioni: risposta in msec





Implementazione di una applicazione orientata al Implementazione di una applicazione orientata al Semantic WebSemantic Web

Obiettivi:Obiettivi: analizzare i problemi implementativi in un contesto analizzare i problemi implementativi in un contesto

con requisiti definiti che non imponesse vincoli di legacycon requisiti definiti che non imponesse vincoli di legacy utilizzare tecnologie di riferimentoutilizzare tecnologie di riferimento

Strumenti:Strumenti: API JenaAPI Jena Protégé Protégé

Sviluppo di una applicazioneSviluppo di una applicazione





Struttura MVC Struttura MVC (persistent model, Jsp, Servlet)(persistent model, Jsp, Servlet) Soluzione con modelli persitenti di JenaSoluzione con modelli persitenti di Jena

Schema architetturaleSchema architetturale





Implementazione di un’applicazione Web che offre Implementazione di un’applicazione Web che offre un’interfaccia grafica per l’esplorazione un’interfaccia grafica per l’esplorazione di una base di conoscenza semanticadi una base di conoscenza semantica

FunzionalitàFunzionalità elaborare e formulare la query in base alla richiesta elaborare e formulare la query in base alla richiesta

dell’utentedell’utente interrogare modelli, dopo averli importati in memoriainterrogare modelli, dopo averli importati in memoria validare i contenutivalidare i contenuti estrarre le informazioni d’interesseestrarre le informazioni d’interesse presentare le informazioni ricavatepresentare le informazioni ricavate

Barra di Barra di navigazione navigazione che si che si aggiorna in aggiorna in base al base al contenuto contenuto della pagina, della pagina, machine machine understandableunderstandable

EsplorazioneEsplorazione





Web application per aggiornamento di una KB sulla Web application per aggiornamento di una KB sulla base di un’ontologia predefinitabase di un’ontologia predefinita

Requisiti:Requisiti: Conformità dai dati all’ontologiaConformità dai dati all’ontologia

Implementazione:Implementazione: sono stati implementati i metodisono stati implementati i metodi

per gestire la creazione del modulo di inserimento dati per gestire la creazione del modulo di inserimento dati a partire dall’ontologia a partire dall’ontologia

per validare ed inserire effettivamente i dati immessi per validare ed inserire effettivamente i dati immessi dall’utentedall’utente Modulo che Modulo che

viene creato viene creato in funzione in funzione dell’ontologdell’ontologiaia

TransazioniTransazioni





Conclusioni Conclusioni

Abbiamo individuato e sperimentato architetture Abbiamo individuato e sperimentato architetture software che permettono lo sviluppo di applicazioni software che permettono lo sviluppo di applicazioni di Web Semantico su basi di conoscenza di di Web Semantico su basi di conoscenza di dimensioni e caratteristiche realistichedimensioni e caratteristiche realistiche

La convenienza delle varie implementazioni dipende La convenienza delle varie implementazioni dipende dai vincoli di legacy e dalla organizzazione del dai vincoli di legacy e dalla organizzazione del processo di alimentazione della base di conoscenzaprocesso di alimentazione della base di conoscenza

Il limite di prestazione non sembra costituire un Il limite di prestazione non sembra costituire un ostacolo alla applicazione a contesti realisticiostacolo alla applicazione a contesti realistici





Prosepettive Prosepettive

Applicazione alla creazione di portali di supporto alla Applicazione alla creazione di portali di supporto alla aggregazione e cooperazione nello sviluppo di basi di aggregazione e cooperazione nello sviluppo di basi di conoscenzaconoscenza Capacità di adattamento all’evoluzione del modello ontologicoCapacità di adattamento all’evoluzione del modello ontologico Qualità dell’informazioneQualità dell’informazione Fattori umani e organizzativi Fattori umani e organizzativi

La filosofia del Semantic Web e l’utilizzo di ontologie ha La filosofia del Semantic Web e l’utilizzo di ontologie ha preso piede non solamente per la descrizioni di contenuti preso piede non solamente per la descrizioni di contenuti Web Web annotazione e retrieval di contenuti multimedialiannotazione e retrieval di contenuti multimediali descrizione semantica di immagini, video, ecc.descrizione semantica di immagini, video, ecc.

La combinazione di contenuti descritti e correlati La combinazione di contenuti descritti e correlati semanticamente può portare alla realizzazione di semanticamente può portare alla realizzazione di applicazioni fortemente interattive e con alto livello di applicazioni fortemente interattive e con alto livello di usabilità usabilità

Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico Le Ontologie in Campo Umanistico.

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