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https://github.com/k00ni/ki-werk-wissensci


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# KI-Werk: Modellierung und Validierung von Anforderungen mittels Semantic Web Technologien



Modellierung und Validierung von Anforderungen an Industrieprodukte mittels Semantic Web Technologien wie OWL-Reasoner oder SHACL.



**Inhaltsverzeichnis:**



* [Grundbegriffe](#Grundbegriffe)

* [Konsistenzprüfung](#Konsistenzprüfung)

* [Erfüllbarkeit](#Erfüllbarkeit)

* [SHACL](#SHACL)

* [SPARQL](#SPARQL)

* [Sonstiges](#Sonstiges)



## Grundbegriffe



### Axiom



Ein Axiom ist eine Aussage, die innerhalb eines klar benannten Wissensgebietes (aka Fachgebiet, Domäne) als `wahr` angesehen wird.

Zum Beispiel wären im Wissensgebiet "Personalverwaltung" die folgende Aussagen `wahr`:



```

Ein Mitarbeiter ist eine Person.

Eine Person ist ein Mensch.

Hans ist ein Mitarbeiter und damit auch ein Mensch.

```



### Instanz



Instanz oder Instanz-Daten bezeichnet alle Instanzen aller Klassen einer [Wissensbasis](#Wissensbasis).

Klassen in einer Wissensbasis stellen Baupläne dar und Instanzen erlauben die Nutzung der Klassen.

Man nennt Instanzen auch Invididuen.



### Widerspruch



Ein Widerspruch ist eine Menge von mindestens zwei Aussagen, die alle (in der Wissensbasis) relevant sind, sich aber vom Inhalt nicht zusammen verwenden lassen.



### Wissensbasis



Im Kontext dieses Projektes ist eine Wissensbasis eine Sammlung von strukturierten Daten bzw. formalisiertes Wissen in einer Semantic Web Serialisierung.

Als Beispiel sei hier [RDF/Turtle](https://en.wikipedia.org/wiki/Turtle_(syntax)) genannt, welches in einer Datei namens `knowledge.ttl` vorliegen könnte.

Statt einer Datei kann dies auch in Form einer Datenbank (Quadstore) sein, spielt hier jedoch vorerst keine Rolle.



## Konsistenzprüfung



Bei einer Konsistenzprüfung wird geprüft, ob alle [Axiome](#Axiom) einer Wissensbasis in sich konsistent sind.

Allgemeiner formuliert kann man auch sagen, dass geschaut wird, ob eine Wissensbasis [Widersprüche](#Widerspruch) enthält.



### Beispiel: Ein Traktor



```

(has_component some Motor)

 and (has_delivery some Delivery_Tractor_X)

 and (has_standard some Emission_Standard)

 and (has_storage some Storage_Tractor_X)

 and (has_weight some xsd:integer[< 5])

```



Inkonsistent wird die Wissensbasis, wenn man z.B. `has_weight some xsd:integer[> 5]` festlegen würde.



Die `Checker.jar` nutzt standardmäßig die Datei `knowledge.ttl` und prüft, ob das Wissen konsistent ist:



```bash

java -jar ./bin/Checker.jar

```



Im Erfolgsfall wird "Knowledge consistent" auf der Konsole ausgegeben, ansonsten eine Fehlermeldung.



## Erfüllbarkeit



Eine Wissensbasis ist erfüllbar, wenn alle Klassen instanziiert werden können.

Im Umkehrschluss heißt eine Wissensbasis nicht erfüllbar, wenn sie mindestens eine Klasse enthält, die nicht instanziierbar wäre.



Weißt heißt das nun konkret? Man könnte statt Erfüllbarkeit auch "nutzbar" wählen. Eine Klasse, von der man keine Instanzen erzeugen kann, ist nicht nutzbar. Daraus folgt, dass ihre Definition nicht in Ordnung ist. Eine Klasse in OWL verhält sich analog wie eine z.B. in Java. Sie ist ein Bauplan und man kann Instanzen von ihr erzeugen. Diese Instanzen werden auch Individuen genannt.



Die `Checker.jar` nutzt standardmäßig die Datei `knowledge.ttl` und prüft alle Klassen auf Erfüllbarkeit:



```bash

java -jar ./bin/Checker.jar

```



## SHACL



[SHACL](https://www.w3.org/TR/shacl/) kann genutzt werden, um Regeln für Wissensbasen zu beschreiben.

Mithilfe eines SHACL Prozessors wie [Apache Jena SHACL](https://jena.apache.org/documentation/shacl/index.html) kann geprüft werden, ob eine Wissensbasis die aufgestellten Regeln erfüllt.



Zu beachten ist, dass man nur Regeln über die [Instanzen](#Instanz) aufstellen kann. Regeln über Klassen und deren Beziehungen sind *nicht* möglich.



Apache Jena stellt einen SHACL Prozessor bereit. Man kann ihn wie folgt ausführen:



```bash

./apache-jena/bin/shacl validate --shapes SHAPES.ttl --data DATA.ttl

```



*Hinweis: `SHAPES.ttl` und `DATA.ttl` können auch eine Datei sein (siehe den Link zu Apache Jena SHACL).*



### Anwendungsbereiche



SHACL kann nur für Instanzdaten genutzt werden.

Aus diesem Grund müssen ggf. Teile aus der Klassen-Ebene in SHACL dupliziert werden, um eine konsistente Wissensbasis auf den verschiedenen Ebenen gewährleisten zu können.



#### Ergänzung von Wissen der Klassen-Ebene



Manche Dinge lassen sich nicht auf Klassen-Ebene abbilden, insbesondere wenn es um konkrete Werte geht.

Auf Klassen-Ebene beschreibt man z.B. vordergründig Properties und deren Wertebereich und nutzt die Instanz-Ebene, um die konkreten Werte für einen konkreten Anwendungsfall zu modellieren.



#### Einbindung von Weltwissen



Weltwissen kann in verschiedenen Formen vorliegen, z.B. physikalischen Gesetzen oder der Festlegung von Dingen die einfach *sind* (z.B. den Fakt, dass es Personen gibt).



## SPARQL



[SPARQL](https://www.w3.org/TR/rdf-sparql-query/) ist eine Query-Sprache, um RDF-Daten abfragen zu können.



```bash

TODO

```



## Sonstiges



### Hinweise zu Protégé



* Protege's Reasoner schließt bei Prüfung auch Instanzen mit ein. Das heißt, dass an einer Klasse "owl:Nothing" angezeigt wird, wenn eine ihrer Instanzen ungültige Werte nutzt

* Nutzt man einen Reasoner, dann muss nach Änderungen an der Wissensbasis dieser neu synchronisiert werden (Reasoner => Synchronize Reasoner)



### Interessante Beiträge



* *Why I Don’t Use OWL Anymore*, 2021 - https://www.topquadrant.com/owl-blog/

* *Why I Use SHACL For Defining Ontology Models*, 2021 - https://www.topquadrant.com/shacl-blog/