UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA MESTRADO EM INFORMÁTICA VERUSKA CARRETTA ZAMBORLINI EE AA MM OO SSTTUUDDOO DDEE LLTTEERRNNAATTIIVVAASS DDEE AAPPEEAAMMEENNTTOO DDEE NNTTOOLLOOGGIIAASS LL OO UUMMLL OOWWLL:: DDAA IINNGGUUAAGGEEMM NNTTOO PPAARRAA AABBOORRDDAAGGEENNSS PPAARRAA RREEPPRREESSEENNTTAAÇÇÃÃOO DDEE IINNFFOORRMMAAÇÇÃÃOO TTEEMMPPOORRAALL VITÓRIA 2011 VERUSKA CARRETTA ZAMBORLINI EE AA MM OO SSTTUUDDOO DDEE LLTTEERRNNAATTIIVVAASS DDEE AAPPEEAAMMEENNTTOO DDEE NNTTOOLLOOGGIIAASS LL OO UUMMLL OOWWLL:: DDAA IINNGGUUAAGGEEMM NNTTOO PPAARRAA AABBOORRDDAAGGEENNSS PPAARRAA RREEPPRREESSEENNTTAAÇÇÃÃOO DDEE IINNFFOORRMMAAÇÇÃÃOO TTEEMMPPOORRAALL Dissertação submetida ao Programa de Pós- Graduação em Informática do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Informática, na área de concentração Inteligência Computacional. Orientador: Prof. Giancarlo Guizzardi, Ph.D. VITÓRIA 2011 VERUSKA CARRETTA ZAMBORLINI Estudo de Alternativas de Mapeamento de Ontologias da Linguagem OntoUML para OWL Abordagens Representação de Informação Temporal Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Informática do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Informática, na área de concentração Inteligência Computacional. Aprovada em 20 de janeiro de 2011. COMISSÃO EXAMINADORA Prof. Giancarlo Guizzardi, Ph.D. Universidade Federal do Espírito Santo Orientador Prof. Dr. Flávio Miguel Varejão Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Dr. Fernando Náufel do Amaral Universidade Federal Fluminense Prof. Daniel Schwabe, Ph.D. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Ao Mestre. À família. Aos mestres. Aos amigos. Algumas pessoas marcam a nossa vida para sempre, umas porque nos vão ajudando na construção, AGRADECIMENTOS outras porque nos apresentam projetos de sonho e outras ainda porque nos desafiam a construí-los. [autor desconhecido] ... a Deus e à minha família, que são meu refúgio e minha fortaleza, minha fonte da alegria de viver, da coragem pra encarar os desafios, enfim, do amor... ... à minha família, meus pais, Toninho e Rita, meus irmãos, Léo e Mila, meus cunhados Alê e Lucas, meus sobrinhos, Maria Julia, Antonio e Maria Rita, pela paciência, pelo apoio, pelo carinho, por aceitarem minha ausência e por fazerem questão da minha presença, pela companhia tão preciosa, da qual tantas vezes tive que abdicar e senti imensa falta ... ... em especial aos meus pais, meus maiores mestres, que com muito amor fizeram todo sacrifício necessário para me dar condições de chegar até aqui ... ... em especial e à minha irmã pelas revisões, dicas e conselhos valiosos, e ao meu irmão pela paciência de me ajudar na revisão e impressão da disseração ... ... muito obrigada! ... ao orientador Giancarlo Guizzardi, pelo conhecimento compartilhado, pelos poucos minutos que valeram por vários, pela paciência com meu perfeccionismo e minha inconstância, por acreditar em mim há tanto tempo... muito obrigada! ... à amiga/professora Rosane de Oliveira, pelas conversas, pelo incentivo, pelo carinho, pelos ensinamentos acadêmicos e pessoais, enfim, pelos momentos felizes ou tristes em que pude contar com seu carinho e seu apoio... muito obrigada! ... aos outros professores/colegas/amigos do Departamento de Informática, pelas conversas, conselhos, livros, links e por participarem e incentivarem a minha formação acadêmica desde a graduação... muito obrigada! ... aos professores, amigos e colegas do Laboratório NEMO, pelos momentos juntos de trabalho, de estudo e de lazer, pelas discussões e reflexões sobre os mais variados assuntos, pelas contribuições profissionais e pessoais na minha vida. Devo destacar um agradecimento ao professor João Paulo Almeida pelas vezes em que recorri, e fui prontamente atendida, em especial pelo apoio na implementação dos mapeamentos, que foi possível graças à colaboração do colega Roberto Carraretto. Agradeço especialmente aos queridos amigos, Alessander, Bernardo Braga, Calhau, Evellin, Lucas e Tina, que acompanharam minha saga, por todo apoio que me ofereceram... muito obrigada! ... ao professor Fernando Náufel pela valiosa ajuda em questões sobre OWL e DL e pela feliz oportunidade, infelizmente tardia, de participar de reuniões periódicas com ele, juntamente com o prof. Giancarlo, e com os amigos Alessander e Bernardo Braga... muito obrigada! ... aos meus familiares e amigos em geral, aos da UFES e aos “normais”, pelo carinho, palavras de incentivo, por não desistirem de mim mesmo quando eu nunca tinha tempo, e quando meus únicos assuntos eram mestrado e ontologias. Em especial, agradeço ao amigo Bernardo Gonçalves, pelas valiosas e variadas discussões, inclusive sobre Eletrocardiologia... muito obrigada! ... a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior), pelo apoio financeiro, viabilizado por meio de uma bolsa de mestrado. RESUMO O uso de ontologias para representação do conhecimento acerca de um domínio tem crescido na computação, especialmente no contexto da Web Semântica. Entretanto, observa-se uma forte tendência em priorizar a eficiência computacional em detrimento da qualidade da representação, deixando de lado importantes características do domínio, como aspectos temporais. De fato, a linguagem OWL, padrão adotado na Web Semântica, não permite, em princípio, a representação de informação temporal. As principais estratégias propostas na literatura para resolver este problema, as abordagens Perdurantista 4D e de Reificação Temporal, não provêem suporte para apoiar as decisões do modelagem, deixando a responsabilidade nas mãos do usuário. Neste contexto, este trabalho objetiva, através da aplicação de resultados vindos da disciplina filosófica de Ontologia Formal, fundamentar tais abordagens para representação de informação temporal em OWL, provendo uma estrutura-base ontologicamente fundamentada e diretrizes para guiar sua utilização, avaliando e comparando as alternativas propostas. Ademais, uma vez que não é tarefa trivial a aplicação direta das noções ontológicas, observa-se que, utilizando-se uma linguagem de modelagem que as incorpore, é possível definir mapeamentos sistemáticos a partir desta linguagem para OWL de tal forma que se permita a geração automática de modelos num processo de Engenharia de Ontologias. Assim, outro objetivo deste trabalho é propor alternativas de mapeamentos entre a linguagem nível ontológico OntoUML e a linguagem de nível epistemológico OWL. Realiza-se ainda um estudo de caso no domínio de Eletrocardiografia, aplicando-se uma das alternativas para codificar automaticamente uma ontologia de referência de ECG, seguindo-se um processo de Engenharia de Ontologias, permitindo representar a informação temporal. Por fim, os resultados obtidos neste trabalho são relevantes no contexto de Engenharia de Ontologias por prover mapeamentos sistemáticos que, uma vez implementados, permitem que a codificação da ontologia de referência seja realizada de forma automatizada e eficiente, preservando a qualidade do modelo de referência e evitando erros decorrentes do processo de codificação manual; e, além disso, permitem contornar a limitação da linguagem OWL quanto à representação da informação temporal. Palavras-chave: Ontologia. Codificação de Ontologias. Mapeamento. Representação de Informação Temporal em OWL. ABSTRACT The application of ontologies for domain knowledge representation has gained much interest in the later years, specially in the context of Semantic Web. However, it is been observed a strong tendency a strong tendency to prioritize the computational efficiency over quality of representation, leaving out important features of the domain, such as temporal aspects. Indeed, the OWL, standard adopted for the Semantic Web, does not allow, in principle, the representation of temporal information. The main strategies proposed in the literature to solve this problem, namely, the Perdurantistic and Temporal Reification approaches, do not provide support for the modeling support the decisions, leaving the responsibility for the user. In this context, this research aims, through the application of results from the philosophical discipline of Formal Ontology, to provide for such approaches a base structure ontologically founded and guidelines to guide its use, evaluating and comparing the proposed alternatives. Moreover, since not a trivial task the direct application of the ontological notions, it is observed that using a modeling language that incorporates them, it is possible to define systematic mappings from this language to OWL so that it allows automatic generation of models in an Ontology Engineering process. Thus, another goal is to propose alternative mappings between the ontological level language OntoUML and epistemological level language OWL. Moreover, one of these alternatives have been applied in a case study in the Electrocardiography domain for automatically codifying an ECG reference ontology following an Ontology Engineering process, allowing to represent the temporal information. Finally, the results of this research are relevant in the context of Ontology Engineering for providing systematic mappings which, once implemented, allows the reference ontology codification to be conducted in an automated and efficient way, while preserving the quality of the reference model and avoiding errors arising from manual coding process and, moreover, allowing to circumvent the limitation of OWL on the representation of temporal information. Keywords: Ontology. Ontology Codification. Mapping. Representation of Temporally Changing Information in OWL. LISTA DE FIGURAS Figura 1. Diferentes tipos de especificações classificadas como ontologies na literatura de ciência da computação. ............................................................................................................................................... 25 Figura 2. Fragmento da UFO - tipos de Universais e Indivíduos. ..................................................................... 30 Figura 3. Fragmento da UFO em esquema de níveis - Universais Monádicos e Indivíduos. ........................ 31 Figura 4. Fragmento da UFO – Substantials e Moments. ........................................................................................ 32 Figura 5. Fragmento da UFO em esquema de níveis – Substantials e Moments. ................................................. 33 Figura 6. Fragmento da UFO – especialização do tipo de indivíduos Substantial. ........................................... 34 Figura 7. Fragmento da UFO – especialização do tipo de universais Substantial. ............................................ 34 Figura 8. Fragmento da UFO em esquema de níveis – Substantials. ................................................................... 36 Figura 9. Fragmento da UFO – especialização do tipo de indivíduos Substantial. ........................................... 37 Figura 10. Fragmento da UFO – especialização do tipo de universais Moment. ............................................... 39 Figura 11. Fragmento da UFO em esquema de níveis – Moments. ..................................................................... 39 Figura 12. Fragmento da UFO – tipos de Relação. .............................................................................................. 40 Figura 13. Fragmentos da UFO – relações entre tipos de indivíduos. .............................................................. 41 Figura 14. Fragmento da UFO em esquema de níveis – Relações. .................................................................... 42 Figura 15. Fragmento da UFO em esquema de níveis – Relações Meronímicas. ............................................ 42 Figura 16. Abordagem de Engenharia de Ontologia. ........................................................................................... 45 Figura 17. Fragmento do metamodelo da linguagem OntoUML para o tipo Class. ........................................ 46 Figura 18. Fragmento do metamodelo da linguagem OntoUML para o tipo Relationship. ............................. 47 Figura 19. Exemplo de esquema estilo UML para representação de OWL. ..................................................... 48 Figura 20. Modelo de domínio de exemplo. .......................................................................................................... 55 Figura 21. Esquemas ilustrativos de um objeto segundo a visão clássica 4D (a) e dividido em visões estática e dinâmica (b). ............................................................................................................................. 58 Figura 22. Esquema estilo UML da estrutura base OWL para a abordagem 4D. ........................................... 59 Figura 23. Esquema estilo UML da aplicação da alternativa A0 ao exemplo da Figura 20. ........................... 60 Figura 24. Esquema ilustrativo de instanciação do modelo da Figura 23. ........................................................ 61 Figura 25. Esquema estilo UML da aplicação da alternativa A1 ao exemplo da Figura 20. ........................... 62 Figura 26. Esquema ilustrativo de instanciação do modelo da Figura 25. ........................................................ 63 Figura 27. Esquema estilo UML da aplicação da alternativa A2 ao exemplo da Figura 20. ........................... 64 Figura 28. Esquema ilustrativo de instanciação do modelo da Figura 27. ........................................................ 65 Figura 29. Esquema estilo UML da abordagem proposta por Welty e Fikes. .................................................. 66 Figura 30. Esquema ilustrativo de instanciação do modelo da Figura 29. ........................................................ 67 Figura 31. Esquema estilo UML da estrutura OWL proposta por Krieger. ..................................................... 67 Figura 32. Esquema ilustrativo de instanciação do modelo da Figura 31. ........................................................ 68 Figura 33. Esquema ilustrativo comparativo entre a representação de atributos, papéis e relações materiais da forma tradicional (a, c) e a forma reificada (b, d). .......................................................................... 74 Figura 34. Esquema ilustrativo da abordagem de reificação temporal. ............................................................. 75 Figura 35. Esquema estilo UML da estrutura base OWL para a abordagem de reificação temporal. .......... 77 Figura 36. Esquema estilo UML da aplicação da abordagem de reificação ao exemplo da Figura 20. ........ 80 Figura 37. Esquema ilustrativo de instanciação do modelo da Figura 34. ........................................................ 80 Figura 38. Esquema estilo UML da estrutura OWL para a abordagem proposta por Gangemi................... 82 Figura 39. Esquema estilo UML da estrutura OWL para a abordagem de O‟Connor e Das. ....................... 82 Figura 40. Esquema ilustrativo da alternativa H1. ................................................................................................ 91 Figura 41. Esquema ilustrativo da alternativa H2. ................................................................................................ 91 Figura 42. Esquema ilustrativo da alternativa H3. ................................................................................................ 92 Figura 43. Esquema ilustrativo da sistematização dos mapeamentos. ............................................................... 95 Figura 44. Modelo de exemplo na linguagem OntoUML. ................................................................................... 96 Figura 45. Esquema estilo UML da estrutura OWL para mapeamento para cenário estático simples. ....... 98 Figura 46. Esquema estilo UML estendendo a estrutura OWL da Figura 45 para o mapeamento para cenário estático reificado. ........................................................................................................................ 99 Figura 47. Aplicação parcial do mapeamento, para as classes do tipo sortal rígido do exemplo da Figura 44. ................................................................................................................................................................... 102 Figura 48. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático simples, para as classes do tipo sortal anti-rígido do exemplo da Figura 44. ............................................................. 105 Figura 49. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático reificado, para as classes do tipo sortal anti-rígido do exemplo da Figura 44. ............................................................. 106 Figura 50. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático simples, para as classes do tipo mixin do exemplo da Figura 44. ................................................................................. 108 Figura 51. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático reificado, para as classes do tipo mixin do exemplo da Figura 44. ................................................................................. 109 Figura 52. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático simples, para as classes do tipo moment do exemplo da Figura 44. .............................................................................. 110 Figura 53. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático reificado, para as classes do tipo moment do exemplo da Figura 44. .............................................................................. 111 Figura 54. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático simples, para as associações materiais do exemplo da Figura 44. ................................................................................ 114 Figura 55. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático reificado, para as associações materiais do exemplo da Figura 44. ................................................................................ 115 Figura 56. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático simples, para as relações de dependência do exemplo da Figura 44. .......................................................................... 118 Figura 57. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático reificado, para as relações de dependência do exemplo da Figura 44. .......................................................................... 118 Figura 58. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático simples, para as relações meronímicas do exemplo da Figura 44. ............................................................................... 121 Figura 59. Modelo resultante da aplicação parcial do mapeamento para cenário estático reificado, para as relações meronímicas do exemplo da Figura 44. ............................................................................... 121 Figura 60. Modelo resultante da aplicação total do mapeamento para cenário estático simples para o exemplo da Figura 44. ............................................................................................................................ 123 Figura 61. Modelo resultante da aplicação total do mapeamento para cenário estático reificado para o exemplo da Figura 44. ............................................................................................................................ 124 Figura 62. Esquema estilo UML para representação da abordagem 4D em OWL baseando-se na linguagem OntoUML. ............................................................................................................................ 124 Figura 63. Modelo resultante da aplicação do mapeamento referente à alternativa 4D-A0 para o exemplo da Figura 44. ............................................................................................................................................ 128 Figura 64. Modelo resultante da aplicação do mapeamento referente à alternativa 4D-A1 para o exemplo da Figura 44. ............................................................................................................................................ 130 Figura 65. Modelo resultante da aplicação do mapeamento referente à alternativa 4D-A2 para o exemplo da Figura 44. ............................................................................................................................................ 134 Figura 66. Esquema estilo UML para representação da abordagem de Reificação em OWL baseando-se na linguagem OntoUML, estendendo a estrutura OWL da Figura 46. ............................................... 135 Figura 67. Modelo resultante da aplicação do mapeamento referente à abordagem de reificação para o exemplo da Figura 44. ............................................................................................................................ 139 Figura 68. Sistema de mapeamento que transforma um modelo de origem OntoUML em um certo modelo OWL seguindo as diretrizes conforme o tipo de mapeamento indicado. ...................... 140 Figura 69. Diagrama de sequência simplificado do sistema de mapeamento. ................................................ 141 Figura 70. A forma de onda em um ciclo completo de ECG. .......................................................................... 146 Figura 71. Ontologia de ECG (simplificada) ....................................................................................................... 147 Figura 72. Esquema estilo UML da aplicação da alternativa A0 à ontologia da Figura 71. ......................... 149 Figura 73. Esquema ilustrativo de instanciação do modelo da Figura 72. ...................................................... 150