RDFSとSHACLの使い分け：rangeとpropertyShapeの関係を理解する

はじめに

RDF（Resource Description Framework）でデータを扱う際、「RDFS（RDF Schema）」と「SHACL（Shapes Constraint Language）」という2つの仕組みが出てきます。どちらもプロパティやクラスの制約を定義できますが、目的も動作も全く異なります。

この記事では、特に混乱しやすい以下の疑問に答えます：

• rdfs:domain / rdfs:range と SHACL の sh:class / sh:datatype は何が違うのか？
• RDFS の range と異なる SHACL 制約を設定してもいいのか？
• range がクラス（foaf:Person）なのに SHACL でデータ型（xsd:string）を指定するのは問題ないか？

1. RDFSとSHACLの根本的な違い

RDFS：推論（Inference）のため

RDFS は**「もしこのプロパティが使われたら、こういう知識が導き出せる」**という宣言です。

# RDFS スキーマ定義
ex:author rdfs:domain ex:Book ;
          rdfs:range ex:Person .

意味:

• ex:author が使われたら、主語（subject）は自動的に ex:Book のメンバーと推論される
• 目的語（object）は自動的に ex:Person のメンバーと推論される

# 元のデータ
ex:book1 ex:author ex:john .

# 推論エンジンが自動的に導き出す知識
ex:book1 a ex:Book .      # domain から推論
ex:john a ex:Person .     # range から推論

特徴:

• ✅ 新しい知識を生成する（推論エンジンが実行）
• ✅ Open World Assumption（世界は開かれている）
• ✅ エラーという概念はない
• ✅ 「もし使われたら、これも真である」という宣言

SHACL：検証（Validation）のため

SHACL は**「既存のデータがこのルールに従っているかチェック」**する制約です。

# SHACL 制約定義
ex:BookShape
  a sh:NodeShape ;
  sh:targetClass ex:Book ;
  sh:property [
    sh:path ex:author ;
    sh:class ex:Person ;      # ← "値は ex:Person でなければならない"
    sh:minCount 1 ;           # ← "少なくとも1つ必要"
    sh:maxCount 3             # ← "最大3つまで"
  ] .

意味: 「データはこのルールに従うべき」

# テストデータ
ex:book1 ex:author "John Smith" .   # 違反！ Person ではなく文字列

# 検証結果（バリデーションレポート）
sh:ValidationReport [
  sh:conforms false ;
  sh:result [
    sh:resultSeverity sh:Violation ;
    sh:focusNode ex:book1 ;
    sh:resultPath ex:author ;
    sh:value "John Smith" ;
    sh:resultMessage "Value is not a member of class ex:Person"
  ]
] .

特徴:

• ✅ ルール違反を検出する（検証エンジンが実行）
• ✅ Closed World Assumption的（ルールに明示されたものを検証）
• ✅ エラーレポートを生成
• ✅ 「データはこうあるべき」という制約

2. 両者の比較表

観点	RDFS domain/range	SHACL property shape
目的	意味定義・推論	データ検証
動作	新しい知識を生成	ルール違反を検出
哲学	Open World	Closed World的
タイミング	スキーマ設計時	データ登録・検証時
実行主体	推論エンジン	検証エンジン
結果	推論されたトリプル	バリデーションレポート
柔軟性	より緩い	より厳密

3. 実践的な使い分け

パターン1：RDFS で意味を定義、SHACL で品質を保証

これが最も推奨される組み合わせです。

# 1. RDFS で意味を定義（語彙レベル）
ex:hasContact rdfs:domain ex:Person ;
              rdfs:range ex:ContactInfo ;
              rdfs:label "連絡先を持つ" .

# 2. SHACL でデータ品質を保証（プロファイルレベル）
ex:PersonShape
  a sh:NodeShape ;
  sh:targetClass ex:Person ;
  sh:property [
    sh:path ex:hasContact ;
    sh:class ex:ContactInfo ;  # RDFS の range と対応
    sh:minCount 1 ;            # しかし、SHACL では「必須」を追加
    sh:maxCount 3              # さらに「最大3件」という制約も追加
  ] .

ex:ContactInfoShape
  a sh:NodeShape ;
  sh:targetClass ex:ContactInfo ;
  sh:property [
    sh:path ex:email ;
    sh:datatype xsd:string ;   # データ型指定
    sh:pattern "^[^@]+@[^@]+$" ;  # メール形式の正規表現
    sh:minCount 1
  ] .

パターン2：プロファイルごとに異なる制約

同じ語彙を、用途に応じて異なる制約で使えます。

# 語彙は汎用的に定義
ex:author rdfs:range foaf:Agent .  # 人 or 組織

# 論文プロファイル - 個人のみ必須
:PaperProfile
  sh:property [
    sh:path ex:author ;
    sh:class foaf:Person ;  # Agent より厳しい
    sh:minCount 1
  ] .

# 報告書プロファイル - 組織のみ必須
:ReportProfile
  sh:property [
    sh:path ex:author ;
    sh:class foaf:Organization ;  # Agent より厳しい
    sh:minCount 1
  ] .

# 書籍プロファイル - どちらでもよい
:BookProfile
  sh:property [
    sh:path ex:author ;
    sh:class foaf:Agent ;  # range と同じ
    sh:minCount 1
  ] .

4. よくある疑問Q&A

Q1: RDFS の range と異なる SHACL 制約を設定できますか？

A: はい、できますし、推奨される場合も多いです。

ただし、SHACL は range と同じか、より厳しい制約にすべきです。

✅ 推奨パターン：サブクラスで絞り込む

# RDFS - 広い範囲
ex:creator rdfs:range foaf:Agent .   # 人 or 組織

# SHACL - より具体的
:ProfileShape
  sh:property [
    sh:path ex:creator ;
    sh:class foaf:Person ;  # ✅ Agent のサブクラスに絞り込み
    sh:minCount 1
  ] .

✅ 推奨パターン：リテラル型を具体化

# RDFS - 一般的なリテラル
ex:value rdfs:range rdfs:Literal .

# SHACL - データ型を具体的に
:ProfileShape
  sh:property [
    sh:path ex:value ;
    sh:datatype xsd:integer ;  # ✅ Literal を integer に具体化
    sh:minInclusive 0
  ] .

⚠️ 避けるべきパターン：range より広くする

# RDFS
ex:author rdfs:range foaf:Person .

# SHACL
:ProfileShape
  sh:property [
    sh:path ex:author ;
    sh:class foaf:Agent  # ⚠️ Person より広い（推奨されない）
  ] .

論理的に矛盾はしませんが、混乱を招きます。

Q2: range がクラスなのに SHACL でデータ型を指定するのは問題ですか？

A: はい、これは意味的な矛盾です。絶対に避けてください。

❌ 問題のある例

# 語彙定義 - クラス（URI参照）を期待
ex:author rdfs:range foaf:Person .

# プロファイル - データ型（リテラル）を要求
:ProfileShape
  sh:property [
    sh:path ex:author ;
    sh:datatype xsd:string  # ❌ 矛盾！
  ] .

なぜ問題か:

• rdfs:range foaf:Person: 値は foaf:Person のインスタンス（URI参照）
• sh:datatype xsd:string: 値は文字列リテラル

この2つは型として互換性がありません：

# RDFS に従ったデータ（URI参照）
ex:book1 ex:author <http://example.org/person/john> .
# ✅ RDFS的にOK、❌ SHACL的にNG

# SHACL に従ったデータ（文字列リテラル）
ex:book1 ex:author "John Doe" .
# ❌ RDFS的にNG、✅ SHACL的にOK

# → どちらにも従うデータは存在しない！

✅ 正しいパターン1：URI参照を使う

# 語彙
ex:author rdfs:range foaf:Person .

# プロファイル
sh:property [
  sh:path ex:author ;
  sh:class foaf:Person ;      # ✅ range と一致
  sh:nodeKind sh:IRI ;        # URI参照であることを明示
  sh:minCount 1
] .

# データ
ex:book1 ex:author <http://example.org/person/john> .
<http://example.org/person/john> a foaf:Person ;
  foaf:name "John Doe" .

✅ 正しいパターン2：リテラルを使う

# 語彙
ex:authorName rdfs:range xsd:string .  # リテラル

# プロファイル
sh:property [
  sh:path ex:authorName ;
  sh:datatype xsd:string ;    # ✅ range と一致
  sh:minCount 1 ;
  sh:maxLength 200
] .

# データ
ex:book1 ex:authorName "John Doe" .

✅ 推奨パターン：両方提供する

# 語彙 - 2つの別プロパティを定義
ex:author rdfs:range foaf:Person .     # URI参照用
ex:authorName rdfs:range xsd:string .  # 文字列ラベル用

# プロファイル
sh:property [
  sh:path ex:author ;
  sh:class foaf:Person ;
  sh:nodeKind sh:IRI
] ;
sh:property [
  sh:path ex:authorName ;
  sh:datatype xsd:string ;
  sh:minCount 1  # こちらは必須
] .

# データ
ex:book1 ex:author <http://example.org/person/john> ;
         ex:authorName "John Doe" .

Q3: 型カテゴリの整合性とは？

A: RDFS range と SHACL 制約は同じ「型カテゴリ」でなければなりません。

rdfs:range	SHACL 制約	型カテゴリ	評価
foaf:Person	sh:class foaf:Person	クラス ↔ クラス	✅ 整合
foaf:Person	sh:class foaf:Agent	クラス ↔ クラス	⚠️ より緩い
foaf:Agent	sh:class foaf:Person	クラス ↔ クラス	✅ より厳しい（推奨）
foaf:Person	sh:datatype xsd:string	クラス ↔ データ型	❌ 矛盾
xsd:string	sh:datatype xsd:integer	データ型 ↔ データ型	❌ 矛盾
rdfs:Literal	sh:datatype xsd:string	データ型 ↔ データ型	✅ 具体化（推奨）

5. 実際のアプリケーションでの活用例

ケース：メタデータ管理システム

# === 語彙管理画面で定義（RDFS） ===

# 汎用的なプロパティを定義
myv:subject
  rdfs:domain myv:Resource ;
  rdfs:range skos:Concept ;    # 広く「概念」を受け入れる
  rdfs:label "主題" .

myv:creator
  rdfs:domain myv:Resource ;
  rdfs:range foaf:Agent ;      # 人 or 組織
  rdfs:label "作成者" .

myv:format
  rdfs:domain myv:Resource ;
  rdfs:range dcterms:MediaTypeOrExtent ;
  rdfs:label "形式" .


# === プロファイル管理画面で制約（SHACL） ===

# データセットプロファイル - 厳格な制約
:DatasetProfile
  a sh:NodeShape ;
  sh:targetClass myv:Dataset ;
  sh:property [
    sh:path myv:subject ;
    sh:class myv:NDCConcept ;    # skos:Concept のサブクラスに絞り込み
    sh:node [
      sh:property [
        sh:path skos:inScheme ;
        sh:hasValue <http://example.org/scheme/NDC>  # NDC分類のみ
      ]
    ] ;
    sh:minCount 1 ;              # 必須
    sh:maxCount 10
  ] ;
  sh:property [
    sh:path myv:creator ;
    sh:class foaf:Person ;       # foaf:Agent から Person に絞り込み
    sh:nodeKind sh:IRI ;
    sh:minCount 1                # 必須
  ] ;
  sh:property [
    sh:path myv:format ;
    sh:datatype xsd:string ;     # MediaTypeOrExtent を string に具体化
    sh:pattern "^[a-z]+/[a-z0-9+.-]+$" ;  # MIME type形式
    sh:minCount 1
  ] .

# 画像プロファイル - より柔軟な制約
:ImageProfile
  a sh:NodeShape ;
  sh:targetClass myv:Image ;
  sh:property [
    sh:path myv:subject ;
    sh:class skos:Concept ;      # range と同じ（自由な概念スキーム）
    sh:minCount 1
  ] ;
  sh:property [
    sh:path myv:creator ;
    sh:or (
      [ sh:class foaf:Person ]
      [ sh:class foaf:Organization ]  # 組織も許可
    ) ;
    sh:minCount 1
  ] ;
  sh:property [
    sh:path myv:format ;
    sh:in ( "image/jpeg" "image/png" "image/gif" ) ;  # 許可された値のリスト
    sh:minCount 1 ;
    sh:maxCount 1
  ] .

6. まとめ：設計指針

語彙設計（RDFS）のポイント

1. できるだけ一般的に定義する（再利用性を高める）
2. domain/range は柔軟に（将来の拡張を考慮）
3. 意味的な関係を明示（推論に使える情報を提供）

プロファイル設計（SHACL）のポイント

1. 用途に応じて具体的な制約を設定（データ品質を保証）
2. RDFS range と同じか、より厳しい制約に（より緩くしない）
3. 型カテゴリの整合性を保つ（クラス↔クラス、データ型↔データ型）
4. 必須・任意、個数制限などを明確に（運用ルールを反映）

禁止事項

❌ RDFS がクラス（foaf:Person）なのに SHACL でデータ型（xsd:string）を指定
❌ RDFS がデータ型（xsd:string）なのに SHACL で別のデータ型（xsd:integer）を指定
❌ SHACL の制約を RDFS range より緩くする

推奨事項

✅ RDFS は汎用的に、SHACL は具体的に
✅ サブクラスやサブプロパティで絞り込む
✅ プロファイルごとに異なる制約を設定
✅ URI参照とリテラルは別プロパティで管理

7. さらに学ぶために

• RDF 1.1 Primer
• RDF Schema 1.1
• SHACL - Shapes Constraint Language
• SHACL Playground - SHACL制約を試せるオンラインツール