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E-Book

Semantische Technologien

Grundlagen. Konzepte. Anwendungen.

VerlagSpektrum Akademischer Verlag
Erscheinungsjahr2011
Seitenanzahl461 Seiten
ISBN9783827426642
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis14,99 EUR
Dieses Lehrbuch bietet eine umfassende Einführung in Grundlagen, Potentiale und Anwendungen Semantischer Technologien. Es richtet sich an Studierende der Infor¬matik und angrenzender Fächer sowie an Entwickler, die Seman¬tische Technologien am Arbeitsplatz oder in verteilten Applikationen nutzen möchten. Mit seiner an praktischen Beispielen orientierten Darstellung gibt es aber auch Anwendern und Entscheidern in Unternehmen einen breiten Überblick über Nutzen und Möglichkeiten dieser Technologie.

Semantische Technologien versetzen Computer in die Lage, Informationen nicht nur zu speichern und wieder zu finden, sondern sie ihrer Bedeutung entsprechend auszuwerten, zu verbinden, zu Neuem zu verknüpfen, und so flexibel und zielgerichtet nützliche Leistungen zu erbringen.

Das vorliegende Buch stellt im ersten Teil die als Semantische Technologien bezeichneten Techniken, Sprachen und Repräsentationsformalismen vor. Diese Elemente erlauben es, das in Informationen enthaltene Wissen formal und damit für den Computer verarbeitbar zu beschreiben, Konzepte und Beziehungen darzustellen und schließlich Inhalte zu erfragen, zu erschließen und in Netzen zugänglich zu machen.

Der zweite Teil beschreibt, wie mit Semantischen Technologien elementare Funktionen und umfassende Dienste der Informations- und Wissensverarbeitung realisiert werden können. Hierzu gehören etwa die Annotation und das Erschließen von Information, die Suche in den resultierenden Strukturen, das Erklären von Bedeutungszusammenhängen sowie die Integration einzelner Komponenten in komplexe Ablaufprozesse und Anwendungslösungen.

Der dritte Teil beschreibt schließlich vielfältige Anwendungsbeispiele in unterschiedlichen Bereichen und illustriert so Mehrwert, Potenzial und Grenzen von Semantischen Technologien. Die dargestellten Systeme reichen von Werkzeugen für persönliches, individuelles Informationsmanagement über Unterstützungsfunktionen für Gruppen bis hin zu neuen Ansätzen im Internet der Dinge und Dienste, einschließlich der Integration verschiedener Medien und Anwendungen von Medizin bis Musik.

Prof. Dr. Andreas Dengel ist Wissenschaftlicher Direktor am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserslautern, Professor für Informatik an der Technischen Uni¬versität Kaiserslautern und Honorarprofessor am Dept. of Computer Science and Intelligent Systems der Graduate School of Engineering an der Osaka Prefecture University und arbeitet mit seiner Gruppe seit vielen Jahren auf dem Gebiet Semantischer Technologien.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Inhaltsverzeichnis6
Teil I Grundlagen13
1 Einleitung14
1.1 Daten, Information und Wissen15
1.2 Wissen im Alltag: Ein menschliches Beispiel16
1.2.1 Beispielszenario17
Personenbeschreibung Rudi Baispilov17
Kontaktdaten18
Personenbeschreibung Dr. Gesine Mustermann18
Kontaktdaten19
1.2.2 Wissensarbeit – Wunsch und Wirklichkeit19
1.3 Semantik und semantische Technologien21
1.4 Metadaten24
1.5 Der weitere Inhalt dieses Buches26
2 Wissensrepräsentation31
2.1 Prinzipien der maschinellen Wissensverarbeitung33
2.2 Fakten und Regeln33
2.2.1 Formalisierung von Aussagen33
2.2.2 Fakten34
2.2.3 Inferenz mit Regeln35
2.2.4 Anfragen36
2.3 Logik und Inferenz37
2.3.1 Logische Operatoren38
2.3.2 Inferenzmechanismen38
2.4 Pr¨adikatenlogik41
2.4.1 Symbolformen41
2.4.2 Quantoren41
2.5 Semantische Netze43
2.5.1 Wissensdarstellung mit Graphen44
2.5.2 Relationen und ihre Eigenschaften45
2.5.3 Eigenschaften Semantischer Netze46
2.5.4 Kardinalit¨at von Relationen48
2.6 Frames49
2.6.1 Der Schemabegriff49
2.6.2 Frames als Denkmodell51
2.6.3 Klassifikation53
2.6.4 Generalisierung und Spezialisierung54
2.6.5 Vererbung55
2.6.6 Instanziierung57
2.7 Taxonomien58
2.7.1 Multi-perspektivische Schemahierarchien59
2.7.2 Probleme bei unterschiedlichen Rollen61
2.8 Conceptual Dependencies62
2.8.1 Handlung und Zustand63
2.8.2 Handlungsoptionen63
2.8.3 Mentale Drehb¨ucher65
2.9 Taxonomien mit formaler Semantik: Die KL-ONE-Familie68
2.9.1 Superkonzepte69
2.9.2 Rollen70
2.9.3 Vererbung und Rollenrestriktionen70
2.9.4 Wohlgeformte Terme und ihre Semantik71
2.9.5 Subsumption und Klassifizierung72
2.10 Ontologien74
2.10.1 Der Ontologiebegriff in der Informatik74
2.10.2 Aufbau von Ontologien76
2.10.3 Nutzen von Ontologien80
2.11 Fazit81
2.12 Weiterf¨uhrende Literatur82
3 Semantische Netze, Thesauri und Topic Maps83
3.1 Grundlagen84
3.1.1 Struktur Semantischer Netze84
3.1.2 Klassifikation Semantischer Netze85
3.2 Grafische Notationen88
3.2.1 Mind-Maps89
Geschichte und Motivation90
Werkzeuge90
3.2.2 Concept-Maps90
Geschichte und Motivation91
Anwendungen von Concept-Maps92
Erstellung von Concept-Maps93
Formale Semantik von Concept-Maps95
Werkzeuge97
3.2.3 Conceptual Graphs98
Conceptual Graphs98
3.2.4 Grafische vs. Lineare Notationen99
3.3 Weitere Repr¨asentationstechnologien102
3.3.1 Thesauri102
Linguistische Thesauri103
Thesauri zur Dokumentation104
Standardisierung104
3.3.2 Topic Maps104
Datenmodell105
Standards und Standardisierungsprojekte110
Anwendungsbereiche111
Werkzeuge und Systeme113
3.4 Fazit114
3.5 Weiterf¨uhrende Literatur116
4 Das Resource Description Framework118
4.1 Von der Pr¨asentationszur Inhaltssicht121
4.1.1 Pr¨asentationsebene: Die Hypertext Markup Language HTML121
4.1.2 Die Strukturierungssprache XML122
4.1.3 Umgang mit Mehrdeutigkeit: Disambiguierung durch Zuweisung von Namensr¨aumen125
4.2 Das RDF-Datenmodell127
4.2.1 Container128
4.2.2 Aussagen ¨uber Aussagen: Reifizierung131
4.3 Ontologische Strukturierung von Daten: RDF-Schema133
4.4 (X)HTML-Erweiterung: RDFa135
4.5 Die Web Ontology Language (OWL)136
4.6 Fazit137
4.7 Weiterf¨uhrende Literatur137
5 Ontologien und Ontologie-Abgleich in verteilten Informationssystemen139
5.1 Motivation: Ontologien in verteilten IT-Systemen140
5.1.1 Explizite Konzeptualisierungen als Basis semantischer IT-Systeme140
5.1.2 Ontologien in verteilten Informationslandschaften143
5.2 Abgleich von Ontologien145
5.2.1 Repr¨asentation von Abbildungen zwischen Ontologien147
5.2.2 Heuristiken zur automatischen Berechnung von Beziehungen zwischen Ontologien151
Die lexikalische Ebene der Ontologien151
Die Ontologie-Struktur155
Ontologie-Nutzung als Evidenz f¨ur Korrespondenzen156
5.2.3 Integration von Mapping-Vorschl¨agen158
Integration einzelner Matching-Heuristiken158
Integration mehrerer Abbildungsvorschl¨age160
5.2.4 Zusammenfassung: Der generelle Matching-Prozess160
5.3 Werkzeuge162
5.3.1 Alignment API162
5.3.2 S-Match164
5.3.3 Die PROMPT-Suite164
5.4 Fazit166
5.5 Weiterf¨uhrende Literatur167
6 Anfragesprachen und Reasoning169
6.1 Anfragesprachen169
6.1.1 Einfache SPO-Anfragen170
6.1.2 SPARQL170
Abk¨urzende Schreibweisen172
Filter172
Weitere Graph-Pattern173
L¨osungslistenmodifikatoren174
Weitere Anfrageformate174
RDF-Datasets und benannte Graphen175
SPARQL und RDFS176
6.1.3 Anfragesprachen f¨ur OWL177
6.2 Reasoning178
6.2.1 Hornlogik und F-Logik178
Regeln in Jena178
6.2.2 Reasoning f¨ur OWL182
SWRL (Semantic Web Rule Language)182
6.3 Fazit184
6.4 Weiterf¨uhrende Literatur184
Teil II Fundamentale Dienste und Funktionen189
7 Linked Open Data, Semantic Web Datensätze190
7.1 Linked Open Data die Grundlagen192
7.2 Ver¨offentlichen von Linked Open Data193
7.2.1 Wrapping von existierenden Datens¨atzen194
Wrapper-Ans¨atze195
7.3 Beispiele f¨ur LOD-Services197
7.3.1 Dump-Konversion: DBpedia198
7.3.2 Online-Konversion: DBTropes199
7.4 Zugriff auf Linked Data200
7.4.1 REST & HTTP Content Negotiation201
7.4.2 Zugriff durch menschliche Nutzer201
Generische Linked-Data-Browser202
Suchmaschinen f¨ur Linked Data204
Linked-Data-basierte Anwendungen204
7.4.3 Zugriff in Anwendungen204
Zugriff durch automatische Navigation im Web of Data205
Automatischer Zugriff auf Linked-Data-Suchmaschinen206
Anfrageausf¨uhrung ¨uber dem Web of Linked Data206
7.5 Beispiel208
7.6 Fazit209
7.7 Weiterf¨uhrende Literatur209
8 Semantik in der Informationsextraktion211
8.1 Informationsextraktion213
8.2 Generischer Aufbau einer Informationsextraktion214
8.2.1 Syntaktische Analyse214
Textextraktion215
Spracherkennung215
Segmentierung von W¨ortern216
Segmentierung von S¨atzen216
Part-of-Speech-Tagging217
Erkennung von Phrasen218
8.2.2 Semantische Analyse219
Erkennung von benannten Entit¨aten219
Erkennung von strukturierten Entit¨aten220
Koreferenzanalyse220
Aufl¨osung sprachlicher Mehrdeutigkeiten221
Erkennung von Fakten221
8.2.3 Templates223
8.3 Ontologien in der Informationsextraktion225
8.3.1 Formale Modellierung von sprachlichem Hintergrundwissen225
8.3.2 Extraktionsontologien226
8.3.3 Formale Modellierung von Dom¨anenwissen227
8.3.4 Formale Anfragesprachen zur Spezifikation von Templates228
8.4 Formale Repr¨asentation von Extraktionsresultaten229
8.4.1 Semantisches Anreichern von Dokumenten229
8.4.2 Semantische Annotationen230
8.5 Fazit234
8.6 Weiterf¨uhrende Literatur234
9 Semantische Suche236
9.1 Der Begriff Semantische Suche237
9.1.1 Grundlagen237
9.1.2 Viele Definitionen ein Ziel238
9.2 Kategorien semantischer Suchmaschinen239
9.2.1 Formularbasierte Suche240
9.2.2 Suchmaschinen mit RDF-basierten Anfragesprachen241
9.2.3 Faceted Browsing242
9.2.4 Semantikbasierte Schl¨usselwortsuchmaschinen243
9.2.5 Question Answering Tools244
9.2.6 Schl¨usselwortsuche mit semantischer Nachverarbeitung245
9.2.7 Semantikbasierte intelligente Visualisierung246
9.3 Architektur und Ans¨atze246
9.3.1 Wissensbasis, Suchraum248
Suchraum vs. Wissensbasis248
Beschaffenheit des Suchraumes und der Wissensbasis249
9.3.2 Anfrageverarbeitung250
Formalit¨at der Anfrage250
Anfragemodifizierung250
9.3.3 Ans¨atze, Suchalgorithmen252
9.3.4 Beispiele256
9.4 Benutzerkontext, Personalisierung und Transparenz258
9.4.1 Benutzerkontext und Personalisierung258
9.4.2 Transparenz259
9.5 Fazit260
9.6 Weiterf¨uhrende Literatur261
10 Erklärungsfähigkeit semantischer Systeme262
10.1 Szenario263
10.2 Der Begriff der Erkl¨arung265
10.2.1 Erkl¨arungen im Alltag266
10.2.2 Wissenschaftliche Erkl¨arungen267
10.3 Erkl¨arungen in Expertensystemen268
10.3.1 MYCIN269
10.3.2 NEOMYCIN269
10.3.3 RED270
10.3.4 PEA271
10.3.5 REX272
10.4 Aspekte von Erkl¨arungen273
10.4.1 Arten von Erkl¨arungen273
10.4.2 Ziele von Erkl¨arungen274
10.4.3 Darstellungen von Erkl¨arungen275
10.4.4 Wahrheit und Erkl¨arung275
10.4.5 Anforderungen an Erkl¨arungen275
10.4.6 Erkl¨arungsszenario277
10.5 Erkl¨arungen im Semantic Web278
10.5.1 Inference Web279
10.5.2 Erkl¨arungskomponente von RadSem283
10.6 Fazit285
10.7 Weiterf¨uhrende Literatur287
Teil III Anwendungen288
11 Semantische Webservices zur Steuerung von Produktionsprozessen289
11.1 Einleitung290
11.2 Grundlagen292
11.2.1 Steuerungen in heutigen Produktionsanlagen292
11.2.2 Serviceorientierte Architekturen293
WSDL – Beschreibung von Webservices294
UDDI – Verzeichnisdienste f¨ur Webservices297
BPEL – Orchestrierung von Webservices297
11.2.3 Semantische Webservices298
SAWSDL298
WSMO300
OWL-S301
11.3 Anwendungsfeld303
11.3.1 Semantische Webservices in der Produktionsdom¨ane303
11.3.2 Experimenteller Aufbau304
11.4 Semantisches Auffinden von Webservices in der Produktion305
11.4.1 Semantische Annotation der Webservices305
Semantische Annotation mit SAWSDL307
Semantische Beschreibung mit OWL-S308
Ergebnisse des Vergleichs von SAWSDL und OWL-S310
11.4.2 Erstellungsprozess und Struktur der Ontologien310
11.4.3 Systemarchitektur und Ablauf des semantischen Auffindens von Webservices312
11.5 Automatische Orchestrierung zur Erstellung flexibler Produktionsprozesse313
11.5.1 Semantisch unterst¨utzte Prozessmodellierung314
11.5.2 Konzeptioneller Ansatz zur flexiblen Steuerung von Produktionsprozessen314
11.6 Fazit317
11.7 Weiterf¨uhrende Literatur318
12 Wissensarbeit am Desktop319
12.1 Herausforderungen der Wissensarbeit auf dem Desktop320
12.2 Semantische Modellierung des Wissensraums321
12.2.1 Pers¨onliches Informationsmodell (PIMO)323
Repr¨asentation des PIMOs in RDF324
PIMO-Upper: Allgemeine Klassen325
PIMO-Mid: Ontologien, die in einer Dom¨ane oder Gruppe geteilt werden325
Pers¨onliche Klassen, Relationen und Erweiterungen325
Beispiel326
12.2.2 Die NIE-Ontologien zur Datenrepr¨asentation327
Repr¨asentation eines Adressbucheintrages in RDF329
12.2.3 Integration propriet¨arer Informationsquellen332
Aperture332
Gnowsis333
12.3 Der Semantic Desktop334
12.3.1 Ausgangssituation335
12.3.2 Die Idee des Semantic Desktops336
12.3.3 Nepomuk Semantic Desktop337
12.3.4 Refinder343
12.4 Wikis und Semantische Wikis347
12.4.1 Annotationen bei dokumentbasierter Arbeit349
12.4.2 Das pers¨onliche Wiki im Semantic Desktop351
12.4.3 Feingranulare Annotationen – der Ansatz in Mymory352
Die Technische Realisierung der Annotationen354
Annotationsbasierte Suche356
Visualisierung der strukturierten Daten356
Beispiele357
12.5 Aufgabenmanagement f¨ur Wissensarbeiter358
12.5.1 Permanenter Aufgabenwechsel (Multitasking)359
12.5.2 Ziele f¨ur die technische Unterst¨utzung360
12.5.3 Task Management-Systeme360
12.5.4 Semantische Aufgabenmodellierung361
12.5.5 Kontext eines Wissensarbeiters362
Semantische Kontextmodellierung362
12.5.6 ConTask: Kontextsensitives Aufgabenmanagement366
Benutzerverhalten und Historie367
12.6 Fazit371
12.7 Weiterf¨uhrende Literatur371
13 Semantische Suche für medizinische Bilder373
13.1 Medico-Ontologie-Hierarchie374
13.1.1 Representational Ontologies375
13.1.2 Upper Ontology375
13.1.3 Information Element Ontology376
13.1.4 Clinical Ontology376
13.1.5 Annotation Ontology377
13.1.6 Medical Ontologies377
13.2 Semantische Technologien im Medico-System378
13.2.1 MedicoServer379
13.2.2 SemanticSearch and SemanticAnnotation380
13.2.3 Tripel-Speicher381
13.2.4 Semantisches Volumen-Parsing382
13.2.5 Spatial DBMS383
13.2.6 Der 2-D-Annotations-Prototyp RadSem384
13.2.7 Die 3-D-Annotationsanwendung f¨ur den klinischen Betrieb385
13.2.8 Semantische Navigation385
13.2.9 Multimodal Dialogue Interface386
13.3 Fazit387
13.4 Weiterf¨uhrende Literatur388
14 Semantische Musikempfehlungen389
14.1 Grundlagen390
14.1.1 Musikontologien390
The Music Ontology390
14.1.2 Social Music und das Semantic Web391
14.2 Datensammlungen zu musikbezogenen Informationen393
14.2.1 Traditioneller Musikjournalismus im Wandel der Zeit393
14.2.2 Musik und das Linked Open Data Projekt394
DBTune394
DBpedia395
Freebase396
14.3 Algorithmen zur Musikempfehlung397
14.3.1 Inhaltsbasierte Verfahren397
14.3.2 Kollaboratives Filtern398
14.3.3 Hybride Ans¨atze398
14.4 Soziosemantische Musikempfehlungen399
14.4.1 Kollaboratives Filtern und Semantische Social Networks399
FOAF-ing the music400
14.4.2 dbrec: DBpedia als Basis f¨ur Musikempfehlungen400
14.4.3 HORST – Holistic Recommendation and Storytelling402
¨Uberf¨uhren der semantischen Daten in einen Vektorraum403
Merkmalsauswahl und Gewichtung403
Berechnung der ¨Ahnlichkeit404
Bereitstellung einer erkl¨arenden Geschichte404
14.5 Fazit405
14.6 Weiterf¨uhrende Literatur405
15 Optimierung von Instandhaltungsprozessen durch Semantische Technologien406
15.1 Einleitung407
15.2 Grundlagen409
15.2.1 Interpretation von Kontextinformationen als Grundlage kontextadaptiver Anwendungen409
15.2.2 Systemarchitektur zur Interpretation und Nutzung von Ortsinformationen in Fabriksystemen411
15.3 Anwendungsfeld und Szenario413
15.3.1 Instandhaltungsprozesse in der industriellen Produktion413
15.3.2 Szenario414
15.4 Semantische nahtlose Navigationsanwendung417
15.4.1 Ontologiebasierte Situationsinterpretation417
Identifikation und Modellierung einzelner Situationen418
Modellierung der Ontologie421
Semantisches Reasoning423
15.4.2 Anwendungsbezogene Nutzung von Ontologien424
Interpretation Server als technische Grundlage424
Semantische nahtlose Navigation als Anwendung425
15.5 Fazit426
15.6 Weiterf¨uhrende Literatur429
Literaturverzeichnis430
Akronyme451
Index454
Die Autorinnen und Autoren460

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