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

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

2 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?2 Inhalt Die Vision des Semantic Web Grundlegende Technologien Praktische Anwendungen Einsatzszenarien in der Medizin

3 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?3 Inhalt Die Vision des Semantic Web Grundlegende Technologien Praktische Anwendungen Einsatzszenarien in der Medizin

4 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?4 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

5 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?5 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.

6 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?6 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

7 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?7 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

8 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?8 Beispiel: Termine aus mehreren Quellen Website Informationsfluss SW-Baustein

9 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?9 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

10 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?10 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.

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

12 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?12 Inhalt Die Vision des Semantic Web Grundlegende Technologien Praktische Anwendungen Einsatzszenarien in der Medizin

13 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?13 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

14 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?14 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

15 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?15 RDF-Beispiele Aus RDF-Statements werden Graphen gebildet. Die Statements können aus beliebigen Quellen stammen. Die Verbindung erfolgt über die URIs. Im WWW nichts Neues? http://www.imise.de/Mitarbeiter/RolandMuecke Roland Mücke

16 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?16 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.

17 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?17 OWL-Beispiel Definition der Klasse „Person“ und einer ihrer Eigenschaften „firstName“ aus dem FOAF-Schema

18 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?18 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.

19 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?19 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

20 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?20 SPARQL-Beispiele SELECT ?title WHERE { dc:title ?title } SELECT ?title ?price WHERE { ?x ns:price ?price. FILTER (?price < 30). ?x dc:title ?title. } SELECT ?name ?mbox ?hpage WHERE { ?x foaf:name ?name. OPTIONAL { ?x foaf:mbox ?mbox }. OPTIONAL { ?x foaf:homepage ?hpage } }

21 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?21 Inhalt Die Vision des Semantic Web Grundlegende Technologien Praktische Anwendungen Einsatzszenarien in der Medizin

22 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?22 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.

23 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?23 Nachrichten-Aggregation: RSS Bereitstellung von Nachrichten-Schlagzeilen mittels „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

24 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?24 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. Dan Brickley 241021fb0e6289f92815fc210f9e9137262c252e

25 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?25 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 Auswirkungen auf 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

26 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?26 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 - 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-Code Dieser Teil des Tutoriums ist von Roland Mücke.

27 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?27 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 Web SPARQLSQL

28 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?28 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

29 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?29 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.

30 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?30 Inhalt Die Vision des Semantic Web Grundlegende Technologien Praktische Anwendungen Einsatzszenarien in der Medizin

31 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?31 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.

32 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?32 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

33 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?33 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

34 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?34 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

35 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?35 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“)

36 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?36 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.

37 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?37 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

38 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?38 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

39 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?39 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

40 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?40 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!

41 Montag, 11. September 2006GMDS-Tutorium: Im WWW nichts Neues?41 Kontakt Roland Mücke Institut für Medizinische Informatik, Statistik und Epidemiologie (IMISE) Universität Leipzig Härtelstraße 16-18 04107 Leipzig Tel.: +49 341 97 16165 E-Mail: roland.muecke@imise.uni-leipzig.de