지식그래프에서 스키마란?

출처 : https://tech.kakaoenterprise.com/95

지식그래프에서 스키마는

지식그래프의 구조와 의미를 정의하는 역할을 합니다.
스키마에는 다음과 같은 정보가 포함됩니다.
   엔티티: 지식그래프에서 표현하는 개체를 나타냅니다.
   속성: 엔티티가 가지고 있는 특성을 나타냅니다.
   관계: 엔티티 간의 관계를 나타냅니다.

스키마는 지식그래프의 데이터를 이해하고 처리하는 데 필수적입니다. 
스키마가 없으면 지식그래프에 저장된 데이터의 의미를 파악하기 어렵습니다. 
또한, 스키마를 통해 지식그래프의 구조를 정리하고 효율적으로 관리할 수 있습니다.

스키마의 주요 역할

• 지식그래프의 구조와 의미를 정의: 스키마는 지식그래프에 포함된 엔티티, 속성, 관계의 종류와 의미를 정의합니다.
  이를 통해 지식그래프의 데이터를 이해하고 처리할 수 있습니다.
•  지식그래프의 데이터를 정리: 스키마를 통해 지식그래프의 데이터를 체계적으로 정리할 수 있습니다.
  이를 통해 데이터의 중복을 제거하고, 데이터를 효율적으로 관리할 수 있습니다.  
• 지식그래프의 확장과 발전을 지원: 스키마를 통해 지식그래프를 확장하고 발전시킬 수 있습니다. 
   새로운 엔티티, 속성, 관계를 추가하거나 기존의 엔티티, 속성, 관계의 의미를 변경할 수 있습니다.

스키마 예시

영화 지식그래프
영화 지식그래프는 영화, 배우, 감독, 장르와 같은 엔티티와 그 간의 관계를 표현하는 지식그래프 입니다.

엔티티
* 영화
* 배우
* 감독
* 장르

속성
* 영화: 제목, 장르, 개봉일, 평점
* 배우: 이름, 나이, 국적
* 감독: 이름, 출생년도, 출생지
* 장르: 이름, 설명

관계
* 영화 - 감독: 감독이 연출한 영화
* 영화 - 배우: 배우가 출연한 영화
* 영화 - 장르: 영화의 장르

RDF(Resource Description Framework)를 사용하여 작성된 스키마 예시

@prefix rdfs: <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#>.
@prefix owl: <http://www.w3.org/2002/07/owl#>.
@prefix xsd: <http://www.w3.org/2001/XMLSchema#>.

# 엔티티 정의

<http://example.com/Person> 
  a owl:Class ;
  rdfs:label "사람" ;
  rdfs:comment "사람을 나타내는 클래스".

<http://example.com/Movie> 
  a owl:Class ;
  rdfs:label "영화" ;
  rdfs:comment "영화를 나타내는 클래스".

<http://example.com/Place> 
  a owl:Class ;
  rdfs:label "장소" ;
  rdfs:comment "장소를 나타내는 클래스".

# 속성 정의

<http://example.com/name> 
  a owl:DatatypeProperty ;
  rdfs:label "이름" ;
  rdfs:range xsd:string.

<http://example.com/age> 
  a owl:DatatypeProperty ;
  rdfs:label "나이" ;
  rdfs:range xsd:integer.

<http://example.com/gender> 
  a owl:DatatypeProperty ;
  rdfs:label "성별" ;
  rdfs:range xsd:string.

<http://example.com/address> 
  a owl:DatatypeProperty ;
  rdfs:label "주소" ;
  rdfs:range xsd:string.

<http://example.com/title> 
  a owl:DatatypeProperty ;
  rdfs:label "제목" ;
  rdfs:range xsd:string.

<http://example.com/releaseDate> 
  a owl:DatatypeProperty ;
  rdfs:label "개봉일" ;
  rdfs:range xsd:date.

<http://example.com/genre> 
  a owl:DatatypeProperty ;
  rdfs:label "장르" ;
  rdfs:range xsd:string.

<http://example.com/director> 
  a owl:DatatypeProperty ;
  rdfs:label "감독" ;
  rdfs:range xsd:string.

<http://example.com/actor> 
  a owl:DatatypeProperty ;
  rdfs:label "배우" ;
  rdfs:range xsd:string.

# 관계 정의

<http://example.com/friend> 
  a owl:ObjectProperty ;
  rdfs:label "친구" ;
  rdfs:domain <http://example.com/Person> ;
  rdfs:range <http://example.com/Person>.

<http://example.com/spouse> 
  a owl:ObjectProperty ;
  rdfs:label "배우자" ;
  rdfs:domain <http://example.com/Person> ;
  rdfs:range <http://example.com/Person>.

<http://example.com/family> 
  a owl:ObjectProperty ;
  rdfs:label "가족" ;
  rdfs:domain <http://example.com/Person> ;
  rdfs:range <http://example.com/Person>.

<http://example.com/genre> 
  a owl:ObjectProperty ;
  rdfs:label "장르" ;
  rdfs:domain <http://example.com/Movie> ;
  rdfs:range <http://example.com/Movie>.

<http://example.com/director> 
  a owl:ObjectProperty ;
  rdfs:label "감독" ;
  rdfs:domain <http://example.com/Movie> ;
  rdfs:range <http://example.com/Person>.

<http://example.com/actor> 
  a owl:ObjectProperty ;
  rdfs:label "배우" ;
  rdfs:domain <http://example.com/Movie> ;
  rdfs:range <http://example.com/Person>

위와 같은 스키마는 어떻게 사용되는가??

해당 스키마를 사용하려면 먼저 parsing을 해야 합니다.
RDF 트리구조를 분석하여 스키마의 엔티티, 속성, 관계를 추출하는 과정 입니다.

<http://example.com/Person> 
  a owl:Class ;
  rdfs:label "사람" ;
  rdfs:comment "사람을 나타내는 클래스".

위의 RDF 트리의 경우,
   <http://example.com/Person>은 엔티티, 
   a는 관계,
   owl:Class는 엔티티의 종류,
   rdfs:label은 엔티티의 이름,
   rdfs:comment는 엔티티의 설명을 나타냅니다.

RDF를 parsing을 하면 

String rdf = """
  <http://example.com/Person>
    a owl:Class ;
    rdfs:label "사람" ;
    rdfs:comment "사람을 나타내는 클래스".
""";

List<RDFNode> nodes = parseRDF(rdf);

for (RDFNode node : nodes) {
  System.out.println(node.getSubject() + " " + node.getPredicate() + " " + node.getObject());
}

public static List<RDFNode> parseRDF(String rdf) {
  List<RDFNode> nodes = new ArrayList<>();
  String[] lines = rdf.split("\n");
  for (String line : lines) {
    String[] tokens = line.split(" ");
    if (tokens.length == 3) {
      nodes.add(new RDFNode(tokens[0], tokens[1], tokens[2]));
    }
  }
  return nodes;
}

아래와 같이 출력이 됩니다.

<http://example.com/Person> a owl:Class
<http://example.com/Person> rdfs:label "사람"
<http://example.com/Person> rdfs:comment "사람을 나타내는 클래스"

엔티티는 <http://example.com/Person>이라고 했습니다.
이 엔티티를 추출한 후에 속성과 관계를 추출할 수 있습니다.

public class RDFParser {

  private static final String RDF_TYPE = "a";

  public static List<String> extractProperties(List<RDFNode> nodes) {
    List<String> properties = new ArrayList<>();
    for (RDFNode node : nodes) {
      if (RDF_TYPE.equals(node.getPredicate())) {
        properties.add(node.getObject());
      }
    }
    return properties;
  }

  public static List<String> extractRelationships(List<RDFNode> nodes) {
    List<String> relationships = new ArrayList<>();
    for (RDFNode node : nodes) {
      if (!RDF_TYPE.equals(node.getPredicate())) {
        relationships.add(node.getPredicate());
      }
    }
    return relationships;
  }

  public static void main(String[] args) {
    String rdf = """
      <http://example.com/Person>
        a owl:Class ;
        rdfs:label "사람" ;
        rdfs:comment "사람을 나타내는 클래스".
      <http://example.com/Person> rdfs:label "사람".
      <http://example.com/Person> <http://example.com/friend> <http://example.com/Person>.
    """;

    List<RDFNode> nodes = parseRDF(rdf);

    List<String> properties = extractProperties(nodes);
    System.out.println("속성: " + properties);

    List<String> relationships = extractRelationships(nodes);
    System.out.println("관계: " + relationships);
  }

}

 결과로 아래와 같이 출력 됩니다.

속성: [rdfs:label]
관계: [a owl:Class rdfs:label]

다시 돌아와서 parsing을 통해 추출한 엔티티와 속성, 관계를 사용하여 지식그래프를 생성 할 수 있습니다.
또한 생성된 지식그래프를 사용하여 다음과 같은 질문에 대한 답을 할 수 있습니다.

"아이유는 누구와 친구입니까?"

SELECT ?friend
FROM <http://example.com/>
WHERE
{
  <http://example.com/IU> <http://example.com/friend> ?friend .
}

위 쿼리에 대한 결과는 아래와 같습니다.

?friend
<http://example.com/BTS>
<http://example.com/Jennie>

아이유의 친구는 BTS와 Jennie

결론

RDF의 형태로 스키마를 구성하여 지식그래프의 구조와 의미를 정의하고 해당 스키마 RDF를 파싱해서 질의를 하여 답을 얻어낼수 있다.

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질의를 하는 SPARQL에 대해서 알아보자!