Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Uso di basi di conoscenza
relazionali in applicazioni di Web
Semantico
Fabrizio Baldini
Carlo Torniai
Enrico Vicario
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Contenuti

Utilizzo di basi di dati in applicazioni
orientate al Semantic Web





Scenario
Problematiche
Valutazione delle soluzioni
Conclusioni e prospettive
Tesi di Laurea per il corso di Ingegneria Informatica, A. Matteini e T. Papi
“Semantic Web: analisi dei metodi e sperimentazione delle tecnologie”
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Web vs Semantic Web

Web attuale
 le informazioni non hanno
struttura semantica
 la semantica è
human understandable
 le applicazioni possono
‘comprendere’ solo la
sintassi
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze

Semantic Web

associa alle risorse
una struttura semantica

caratterizza le risorse e
le relazioni associandogli
un significato particolare
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Il Semantic Web

Benefici relativi allo sviluppo di applicazioni
orientate al Semantic Web

L’informazione machine understandable


Relazioni semantiche tra i contenuti



Interscambio dati
Navigazioni tematiche e correlazioni dinamiche
tra contenuti
Capacità di retrieval semantico dei contenuti
Capacità di arricchire la base di conoscenza con
conoscenza inferita
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Problematiche

Cosa implica sviluppare una applicazione
orientata al Semantic Web?

Linguaggi standardizzati


Carenza di strumenti di sviluppo e best practices relative
Basi di conoscenza prevalentemente relazionali

La struttura relazionale non è consistente con la struttura semantica di una
base di conoscenza
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Semantic Web e Database

Il Semantic Web non richiede necessariamente
interazione con dB


i dati possono essere memorizzati
in documenti RDF o OWL
I database sono la soluzione più diffusa
per la gestione di basi di conoscenza persistenti

risulta importante prevedere un riuso
di strutture dati preesistenti
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Semantic Web e Database

Problema di mismatch tra l’organizzazione semantica
delle risorse e quella relazionale dei database
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Semantic Web e Database

Analisi delle soluzioni architetturali per:
rendere persistente su un database
una base di conoscenza semantica
 consentire modalità di accesso semantico
a database relazionali


Le soluzioni identificate ed implementate sono:
database con schema semantico
 modelli persistenti di Jena
 D2RMap e D2RQ

Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Soluzione A:
Database con schema semantico


Usa un database relazionale con schema che emula
la struttura di documenti RDF
Svantaggi:


Non utilizza le tecnologie raccomandate dal W3C
Non supporta interrogazioni RDQL (solo SQL)
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Soluzione B:
Modelli di Jena¹



Jena è un framework per lo sviluppo
di applicazioni orientate al Web Semantico
Fornisce API per la creazione, gestione e interrogazione
di documenti RDF
Consente di gestire basi di conoscenza semantiche
come modelli:
in memoria
 persistenti (su dB)

[¹] http://jena.sourceforge.net
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Soluzione B:
Modelli di Jena
A
P
I
modello persistente
di Jena

Vantaggi:
semplicità di gestione
 trasparenza nelle operazioni


Svantaggi:
errori di ridondanza nel modello
 difficoltà di manipolazione del result set

Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Soluzione C:
D2Rmap e D2RQ¹


I dati esistenti sono memorizzati in database
Necessità di tecniche che consentano:



riutilizzo dei dati e delle strutture
associazione di una struttura semantica
Tecniche di mapping disponibili:


D2Rmap (batch)
D2RQ (runtime)
[¹] D2Rmap e D2RQ, http://www.wiwiss.fu-berlin.de/suhl/bizer
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Soluzione C1:
D2Rmap

Converte un database relazionale in una base di
conoscenza semantica

utilizza una mappa per la conversione
 genera un documento RDF a partire dai dati contenuti nel dB
Mappa
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Soluzione C2:
D2RQ

Permette di interrogare un database relazionale
utilizzando il linguaggio RDQL
utilizza dinamicamente una mappa
per l’accesso semantico al contenuto del database
 restituisce degli statement
 gestisce database relazionali come grafi RDF
attraverso le API di Jena

Mappa
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Riepilogo architetture
A
P
I
Soluzione A
Database relazionale
con schema semantico
Soluzione B
Modello Persistente
Jena
Mappa
Mappa
Soluzione C1
Mapping D2RMap
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Soluzione C2
Mapping D2RQ
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Sperimentazione architetture

Sperimentazione delle diverse architetture per valutarne




complessità di implementazione
applicabilità (vincoli di legacy, compatibilità organizzativa)
prestazioni
Applicazione relativa ad un contesto reale
e con requisiti definiti
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Contesto del SUAP

Sportello unico per la gestione delle autorizzazioni
necessarie alle imprese per la produzione di beni e
servizi

La struttura del dB del SUAP è stata utilizzata come
riferimento sia in fase di progettazione che in fase di
sviluppo
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Valutazione architetture

Identificazione delle architetture possibili:
(sem)

Valutazione qualitativa e quantitativa
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Valutazione qualitativa

Soluzione database con schema semantico




Soluzione file RDF




Complessità implementativa limitata
Non utilizza gli strumenti del Semantic Web
ma ne emula esclusivamente il funzionamento
Ostacola l’interoperabilità dell’applicazione ?
Complessità implementativa più elevata rispetto alla prima soluzione
Utilizza strumenti del Semantic Web
Poca flessibilità data dal tipo di modello persistente (file system)
Soluzioni Jena e D2R




Utilizzano appieno strumenti del Semantic Web
Differiscono per complessità implementativa (gestione delle API di Jena +
utilizzo di tools di mapping nel caso di D2R)
Differiscono per prestazioni
L’utilizzo di strumneti di mapping risponde a vincoli di legacy
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Valutazione prestazioni

Architetture software analizzate:


Cosa ci aspettiamo?


tempi di risposta più elevati per la soluzione con D2RQ che prevede una
funzione di mapping intermedia
Analisi del tempo di riposta delle query:


modello persistente di Jena, D2RQ e documento RDF
con 8 query differenti, ognuna ripetuta per 50 volte, su KB contenenti
150.000 e 750.000 statements
Analisi del tempo di caricamento in memoria dei dati:

ripetuto 30 volte per ogni architettura, su KB contenenti 150.000 e 750.000
statements
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Valutazione prestazioni: risposta in msec
La soluzione con D2RQ
RDF comporta
comporta
i tempi
tempi di
di esecuzioni
esecuzionemigliori
molto
elevatialla
persoluzione
il caricamento
dei dati
per le query ma
mediamente
migliori
rispetto
con Jena
contrariamente alle aspettative!
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Sviluppo di una applicazione



Implementazione di una applicazione orientata al Semantic Web
Obiettivi:

analizzare i problemi implementativi in un contesto
con requisiti definiti che non imponesse vincoli di legacy

utilizzare tecnologie di riferimento
Strumenti:

API Jena

Protégé
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Schema architetturale


Struttura MVC (persistent model, Jsp, Servlet)
Soluzione con modelli persitenti di Jena
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Esplorazione

Implementazione di un’applicazione Web che offre
un’interfaccia grafica per l’esplorazione
di una base di conoscenza semantica

Funzionalità





Barra di
navigazione
elaborare e formulare la query in base alla richiesta
dell’utenteche
si aggiorna in
interrogare modelli, dopo averli importati in memoria
base al
validare i contenuti
contenuto della
pagina, machine
estrarre le informazioni d’interesse
understandable
presentare le informazioni ricavate
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Transazioni

Web application per aggiornamento di una KB sulla base di
un’ontologia predefinita

Requisiti:


Conformità dai dati all’ontologia
Implementazione:

sono stati implementati i metodi


per gestire la creazione del modulo di inserimento dati a partire
dall’ontologia
per validare ed inserire effettivamente i dati immessi dall’utente
Modulo che
viene creato in
funzione
dell’ontologia
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Conclusioni



Abbiamo individuato e sperimentato architetture software
che permettono lo sviluppo di applicazioni di Web Semantico
su basi di conoscenza di dimensioni e caratteristiche
realistiche
La convenienza delle varie implementazioni dipende dai
vincoli di legacy e dalla organizzazione del processo di
alimentazione della base di conoscenza
Il limite di prestazione non sembra costituire un ostacolo alla
applicazione a contesti realistici
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006
Fabrizio Baldini, Carlo Torniai, Enrico Vicario
Uso di basi di conoscenza relazionali in applicazioni di Web Semantico
Prosepettive

Applicazione alla creazione di portali di supporto alla aggregazione
e cooperazione nello sviluppo di basi di conoscenza
Capacità di adattamento all’evoluzione del modello ontologico
 Qualità dell’informazione
 Fattori umani e organizzativi


La filosofia del Semantic Web e l’utilizzo di ontologie ha preso piede
non solamente per la descrizioni di contenuti Web
annotazione e retrieval di contenuti multimediali
 descrizione semantica di immagini, video, ecc.


La combinazione di contenuti descritti e correlati semanticamente
può portare alla realizzazione di applicazioni fortemente interattive
e con alto livello di usabilità
Dipartimento di Sistemi e Informatica
Univsrsità di Firenze
Le Ontologie in Campo Umanistico
Archeologia, Architettura e Beni Culturali - Firenze 27 Gennaio 2006