Sieci Semantyczne - WWW następnej generacji

Poniższy artykuł zawiera informacje dotyczące najnowszych technologii internetowych, które w niedalekim czasie umożliwią przemianę istniejącej sieci WWW w internet następnej generacji. Na wstępie chciałbym zaznaczyć, że pojęcie Semantic Web (Sieć Semantyczna), bynajmniej nie oznacza radykalnej rewolucji, w której to istniejąca dzisiaj sieć WWW ulegnie całkowitemu zastąpieniu przez Sieć Semantyczną. Proces ten można postrzegać jako ewolucję internetu - jego stopniową przemianę w bardziej wyrafinowane medium. Z punktu widzenia użytkownika, ta przemiana poza udostępnieniem szeregu nowych i dotąd niespotykanych możliwości oraz usług, będzie niezauważalna.

Jest to pierwszy artykuł poświęcony tej dziedzinie informatyki, dlatego też najpierw postaram się wprowadzić w tematykę oraz idee kryjące się pod pojęciem Sieci Semantycznych. Jeśli artykuł będzie cieszył się zainteresowaniem, w następnych częściach opiszę technologie wchodzące w skład Sieci Semantycznych, takie jak: Inteligentni Agenci, Systemy Wieloagentowe (Multiagent Systems), Ontologie, Semantyczne Usługi Sieciowe (Semantic Web Services), semantyczne języki opisu danych (Semantic Web Languages) oraz systemy wnioskowania (Inference Engines). Zastosowanie tych technologii będzie zobrazowane na zaprojektowanym oraz zaimplementowanym systemie.

1 Sieci Semantyczne - WWW następnej generacji
2 1. Rewolucja internetu - konieczność czy kaprys?
     2.1 Internet
     2.2 Problemy z wyszukiwaniem informacji
     2.3 Problemy z integracją informacji
     2.4 Brak perspektyw rozwoju
3 2. Sieci Semantyczne - nowe możliwości
4 3. Co to jest semantyka?
     4.5 Zgodność syntaktyczna
     4.6 Zgodność semantyczna
          4.6.1 Przykład
     4.7 4. Charatkerystyka Sieci Semantycznych

1. Rewolucja internetu - konieczność czy kaprys?

Internet

Największą zaletą WWW jest jego uniwersalność oraz prostota, gdzie za pomocą zwykłych linków hipertekstowych możliwe jest łączenie informacji oraz tworzenie rozbudowanej i skomplikowanej sieci danych. Informacje na internecie są ogromnie zróżnicowane, ale istnieje podstawowy podział jeśli chodzi o dane stworzone dla konsumpcji przez człowieka oraz dla przetwarzania przez maszyny. Z jednej strony mamy wszystko, od powiedzmy - 5 sekundowych reklam, do poezji, z drugiej natomiast - bazy danych, serwery aplikacji oraz przeróżnego typu sensory.

Problemy z wyszukiwaniem informacji

W miare rozwoju internetu oraz jego dynamicznej ekspansji, coraz większym problemem okazuje się, de fakto, jego najprostsza i najbardziej użyteczna funkcja - wyszukiwanie informacji. Strony WWW i język HTML umożliwiają bardzo łatwą publikację oraz prezentację informacji, ale niestety wykorzystują nieefektywne sposoby jej kategoryzacji. Dlatego też dzisiejsze wyszukiwarki internetowe w wielu przypadkach zwracają mnóstwo niepotrzebnych informacji, co z kolei wymaga męczącej i czasochłonnej ręcznej filtracji przez użytkownika.

Jeśli na przykład staramy się znaleźć informację pod słowem kluczowym mysz, komputer nie wie czy szukamy informacji na temat urządzenia komputerowego, zwierzątka, być może nawet jakiejś osoby lub czegokolwiek pod tą nazwą kluczową. Dlatego też otrzymamy mnóstwo znalezionych stron, z których sami będziemy musieli wybrać nas interesujące. Jak widać komputer nie na wiele zdaje się być pomocnym, ponieważ słowo mysz nie ma dla niego żadnego znaczenia, nie jest semantycznie powiązane z żadnym pojęciem. Z tego powodu jego potężna moc obliczeniowa jest ograniczona jedynie do prezentacji niezrozumiałych dla niego zanków.

Problemy z integracją informacji

O ile użytkownik szukający informacji na internecie, ostatecznie, przebrnąwszy przez szereg stron, znajdzie cenne dla niego dane, o tyle o wiele trudniejszym i aktualnie niemożliwym do rozwiązania problemem jest komunikacja i inteligentna wymiana informacji pomiędzy maszynami. Bynajmniej nie chodzi tutaj o współprace sieci serwerów, które były do tego przystosowane, ale o bardziej wyrafinowaną wymianę informacji, która umożliwiłaby komunikację maszyn, systemów, oprogramowania, które nigdy wcześniej ze sobą nie współpracowało (albo nawet nie wiedziało o swoim istnieniu). O ile potężniejszym narzędziem stałby się internet jeżeli systemy mogłyby dynamicznie wyszukiwać inne jednostki obliczeniowe oraz komunikować się z nimi w zrozumiały sposób.

Problemy związane z niezgodnością protokołów oraz standardów zauważono już kilka late temu. W celu umożliwienia integracji stworzono nową technologię tzw. Usługi Sieciowe (Web Services), które umożliwiają komunikację oraz wymianę informacji pomiędzy niekompatybilnymi platformami. Jest to duże osiągnięcie w kierunku ujednolicenia oraz stnadardyzacji protokołów komunikacji (SOAP). Z punktu widzenia Sieci Semantycznych będzie to podstawowa technologia umożliwiająca dostęp do usług. Jednak aby maszyny mogły samodzielnie wyszukiwać, tworzyć kompozycje usług oraz je wywoływać - potrzebna będzie semantyka.

Brak perspektyw rozwoju

Z jednej strony mamy potężną sieć informacyjna, w której przechowywana jest ogromna wiedza i funkcjonują miliony maszyn, które umożliwiają wymianę informacji. Z drugiej jest to archaiczna sieć, która nie wykorzystuje swojego prawdziwego potencjału. Maszyny o potężnej mocy obliczeniowej nadal traktowane są jako urządzenia do prezentacji, przesyłania oraz sztucznego przetwarzania danych, których nie rozumieją nie wspominając już o inteligentnych usługach. Do dzisiaj internet rozwijał się gwałtownie jako medium służące przede wszystkim do publikacji dokumentów przeznaczonych dla ludzi, a nie dla informacji, które mogłyby być automatycznie przetwarzane przez maszyny. Celem Sieci Semantycznych (Semantic Web) jest właśnie umożliwienie tego typu funkcjonalności.

2. Sieci Semantyczne - nowe możliwości

Wyobraźmy sobie, że wybraliśmy się na zakupy, jesteśmy w parku rozrywki, siedzimy w teatrze bądź podróżujemy. Przy sobie mamy urządzenie bezprzewodowe z możliwością komunikacji z internetem (np. telefon, PDA). Razem z nami podróżuje nasz osobisty asystent - aktywny, inteligentny program umieszczony na tymże urządzeniu, któremu możemy zlecać szereg zadań.
Dla przykładu, w momencie gdy przechadzamy się w centrum miasta lub pobliżu sieci sklepów, możemy poinstruować naszego asystenta, aby znalazł nam sklepy, które posiadają artykuły nam potrzebne (oraz być może nawet wynegocjować zniżki lub wyszukać najtańsze), znaleźć restauracje (które by nam odpowiadały oraz zarezerwować miejsce dla nas) lub pomóc zlokalizować przyjaciół, którzy mogą również być w tym rejonie. Nasz asystent mógłby natychmiastowo dokonać zakupów, porównać ceny poszukiwanego produktu w pobliskich sklepach lub nawet w sklepach internetowych, a co najważniejsze oszczędzić mnóstwo czasu.

Dzisiejszy internet nie oferuje jeszcze tak wysublimowanych i inteligentnych usług, ale dzięki Sieciom Semantycznym - rola internetu powoli zacznie ewoluować ze stricte informacyjnej na środowisko w którym będzie szereg usług.

W powyższym przykładzie mogliśmy użyć swojego Osobistego Agenta, w celu zlecenia naszych zadań nie dzięki sieci WWW, która istnieje dzisiaj, ale dzięki Sieci Semantycznej, w którą niebawem zostanie zmodyfikowana. Dzisiaj większość informacji w WWW jest stworzona dla ludzi w celu czytania, a nie dla programów komputerowych w celu manipulowania oraz przetwarzania ich w inteligentny sposób. Z tego powodu aktualny stan WWW przedstawia poważne przeszkody oraz ograniczenia w dalszym jej rozwoju. Prostota technologii (w której każdy użytkownik może publikować swoją stronę) z jednej strony umożliwiła bardzo dynamiczny rozwój internetu, z drugiej jednak, stworzyła poważne zagrożenie związane z coraz bardziej ograniczoną możliwością wyszukiwania, wydobywania, utrzymywania oraz tworzenia informacji.

Ponieważ komputery są używane jedynie jako urządzenia, które wysyłają oraz renderują informacje (serwery www, przeglądarki), nie mają one możliwości inteligentnego przetwarzania danych. Dlatego też, maszyny oferują jedynie limitowaną pomoc podczas dostępu oraz w trakcie przetwarzania informacji. Co najważniejsze i najgorsze - operują one jedynie na poziomie zgodności syntaktycznej(wyjaśnione poniżej), czyli nie posiadają one możliwości zrozumienia oraz przetwarzania semantyki zawartej w informacji, typu np. powyższy adres WWW zaprowadzi mnie na stronę domową mojego przyjaciela, co jest bardzo oczywistą informacją dla człowieka. Dlatego też największy ciężar nie tylko związany z dostępem oraz przetwarzaniem informacji, ale i wydobywaniem i tłumaczeniem jej, spoczywa na użytkowniku. Z uwagi na ten poważny mankament, aktualnie jesteśmy świadkami internetu pierwszej generacji.

Następna wersja sieci globalnej będzie o wiele większa oraz potężniejsza. Aby umożliwić przemianę istniejącej sieci, musimy wprowadzić strukturę oraz semantykę dla informacji zawartych na WWW. Dzięki temu stworzymy środowisko, w którym autonomiczne, inteligentne oprogramowanie - agenci, nawigując po stronach, bądź używając wyspecjalizowanych usług, będą mogli przetwarzać oraz rozumieć napotkane informacje oraz wykonywać skomplikowane oraz wyrafinowane zadania dla użytkowników. Taki agent, napotkawszy moją stronę, będzie wiedział nie tyko, że strona posiada słowa kluczowe: strona domowa Mariusza, moje zainteresowania, mój plan zajęć (co może być z łatwością zapisane nawet dzisiaj), ale również informacje że mam bardzo zapracowany poniedziałek i czwartek, ale za to w piątek mam wolne, że lubię słuchać muzyki rockowej i moim ulubionym trunkiem jest piwo, że Romek i Ania są moimi przyjaciółmi oraz posiadają własne strony pod podanymi adresami. A co najważniejsze, tego typu informacje agent będzie rozumiał bez żadnego skomplikowanego wnioskowania lub zaawansowanej, scentralizowanej sztucznej inteligencji (jak np. system expertowy).

Tego typu wiedza (semantyka) będzie zakodowana na mojej stronie za pomocą typowego narzędzia do tworzenia semantycznych stron internetowych (tak jak dzisiaj narzędzia WYSIWYG do tworzenia stron WWW). Podczas porównywania moich zainteresowań i mojego przyjaciela - Romka, agent będzie mógł w bardzo prosty sposób zweryfikować, że moja ulubiona kategoria filmów - science fiction jest dalece odmiennym gatunkiem od jego ulubionej kategorii - komedii. Ostatecznie taki agent - mając określone zadanie do zrealizowania np. zaplanowanie wieczoru dla grupy przyjaciół - będzie mógł odkryć ogłoszone w internecie informacje na temat repertuaru kin, pubów, restauracji oraz zaplanować wieczór, rezerwując bilety oraz zamawiając transport, dla klienta oraz wybranej grupy przyjaciół (dokładniejszy opis tego scenariusza w następnej części). Do tej pory agenci byli wykorzystywani w bardzo specyficznych oraz zamkniętych systemach (np. NASA- systemy autonomiczne). Z nadejściem Sieci Semantycznych, tego typu autonomiczne programy będą mogły wykorzystać swój prawdziwy potencjał operując w tak ogromnym, dynamicznym i niedeterministycznym środowisku jakim jest internet. Dzięki nim, użytkownicy otrzymają nieocenioną pomoc podczas wielu skomplikowanych i czasochłonnych zadań.

3. Co to jest semantyka?

Zgodność syntaktyczna

Zgodność syntaktyczna wymusza poprawność informacji pod względem ich prawidłowej budowy - składni (komputer weryfikuje czy wszystkie elementy wchodzące w skład informacji są prawidłowe, czy istnieją, np. w zdaniu weryfikowane są wyrazy pod względem ich istnienia). Tego typu weryfikacja nie jest w stanie potwierdzić czy dane (aczkolwiek poprawne syntaktycznie), mają sens.

Zgodność semantyczna

Zgodność semantyczna wymaga mapowania oraz weryfikowania relacji pomiędzy elementami informacji, co z kolei wymusza analizę zawartości informacji. Semantyka wymusza formalną oraz wyraźną specyfikację modelu dziedziny, który definiuje pojęcia oraz relacje pomiędzy składowymi tego modelu. Takie formalne modele, czasami nazywane ontologiami, będą odgrywały decydującą rolę podczas umożliwiania przetwarzania oraz współdzielenia wiedzy pomiędzy programami w sieci WWW.

Przykład

Rozważmy poniższe przykłady zdań.

• Zamierzam kupić Słońce.
• Zamierzam kupić samochód.
  Powyższe zdania pod względem zgodności syntaktycznej są prawidłowe (wyrazy tworzące informację instnieją w rzeczywistości i są poprawne). Rozpatrując informacje zawarte w podanych zdaniach pod względem zgodności semantycznej można zauważyć że pierwsze zdanie jest nieprawidłowe. Wiemy że pierwsze zdanie nie ma sensu, a drugie jest prawidłowe, ponieważ posiadamy wiedzę (ontologię) na temat otaczających nas rzeczy, którą zdobyliśmy podczas naszego życia. Rozumiemy co kryje się pod pojęciem takich słów jak Słońce oraz samochód. Co więcej, jesteśmy w stanie zrozumieć pewnie relacje pomiędzy częściami informacji w obydwu zdaniach i na ich podstawie zweryfikować czy zdanie ma sens czy nie. Dlatego też, zdajemy sobie sprawę, że żyjemy na ziemi i nie możemy tak po prostu kupić Słońca.

4. Charatkerystyka Sieci Semantycznych

Tak samo jak Internet, Sieć Semantyczna (SS) będzie się charakteryzować silną decentralizacją. Rozproszone systemy operujące w SS, działające dla potężnych korporacji jak i zwykłych użytkowników będą dostarczały szereg inteligentnych usług, niemożliwych do zrealizowania w dzisiejszymWWW. Sieci Semantyczne umożliwią automatyczny dostęp do informacji oparty na semantycznych metadanych, umożliwiających przetwarzanie i rozumienie (wykorzystując techniki z dziedziny AI ) informacji przez maszyny.

Udostępnienie maszynom możliwości operowania na poziomie semantyki umożliwi stworzenie sieci, która dostarczy nowy i niespotykany poziom wyrafinowanych usług. Powstanie ogromna sieć wiedzy, wzbogacona o możliwość inteligentnego przetwarzania tych informacji przez maszyny. Różne zautomatyzowane usługi będą w stanie pomóc użytkownikowi wykonać skomplikowane zadania poprzez dostęp do informacji rozumianej przez maszyny. Ten proces w fazie końcowej stworzy ogromny system wiedzy, z różnego rodzaju wyspecjalizowanymi usługami wnioskującymi (reasoning services) - systemami, które będą nam pomagały niemalże w każdym aspekcie naszego życia i staną się tak niezastąpione, jak dostęp do elektryczności dzisiaj. Autorem i pomysłodawcą SS, jako sukcesora dzisiajeszego internetu jest sam twórca WWW - Tim Berners-Lee, aktualnie dyrektor konsorcjum WWW (W3C), które z pomocą wielu firm software’owych oraz ośrodków badawczych pracuje nad przyszłością internetu. Od kiedy pojęcie oraz idea Sieci Semantycznych została zaproponowana przez Tima w 1999, została ona określona jako najbardziej obiecująca technologia internetowa, która pozwoli zrewolucjonizować informatykę.