OntoEmerge: construção de uma ontologia core para a área de emergências baseada em ontologia de fundamentação

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1 OntoEmerge: construção de uma ontologia core para a área de emergências baseada em ontologia de fundamentação Maria Inês Bosca (UFRJ-PPGI) mariaines.bosca@gmail.com Kelli de Faria Cordeiro (UFRJ-PPGI/Marinha do Brasil-DFM) kelli.faria@gmail.com Jonice Oliveira (UFRJ-PPGI) jonice@dcc.ufrj.br Maria Luiza Machado Campos (UFRJ-PPGI) mluiza@ufrj.br Resumo: A gestão de emergências envolve a interação com um grande volume de dados de diversas fontes para uma rápida tomada de decisão. Normalmente, esses dados não possuem padrões e vocabulário comum, tornando inviável a interoperabilidade entre os sistemas. Neste trabalho, os vocabulários, glossários, padrões e ontologias na área de emergência foram analisados para a seleção dos conceitos mais gerais e posteriormente classificados nas categorias ontológicas da UFO (Ontologia de Fundamentação Unificada). Como resultado, os conceituais da ontologia core OntoEmerge foram modelados tematicamente para facilitar o entendimento do domínio, podendo ser usada, inicialmente, como um quadro de referência na gestão de emergências. A ontologia resultante será utilizada e validada, em alguns cenários reais, como descrito neste trabalho. Palavras-chave: Gestão de Emergências; Ontologia; Ontologia Core. 1. Introdução Gestão de emergências é um processo complexo que lida com informações de diferentes fontes e sistemas num ambiente dinâmico, onde as decisões são tomadas sob pressão. Para obter sucesso nesse processo é necessário garantir um entendimento comum entre todos os atores envolvidos em diferentes fases, sejam pessoas ou organizações, além de uma interoperabilidade entre os sistemas (Iannella et al, 2009). Neste cenário, ontologias se tornam essenciais, viabilizando a interoperabilidade semântica dos sistemas envolvidos, assim como uniformizando ou explicitando diferentes perspectivas sobre o conhecimento já existente. Tendo como objetivo a compatibilização de conceitos e melhoria a qualidade de modelos conceituais, Ontologias de Fundamentação têm sido usadas como base de estratégias de construção e análise de esquemas terminológicos, sendo categorias filosoficamente bem fundamentadas e independentes de domínio, como por exemplo, DOLCE (Bottazzi e Ferrario, 2006), GFO (Herre et al., 2006), SUMO (Niles e Pease, 2001) e UFO (Guizzardi et al, 2005).

2 Diante deste cenário, este trabalho propõe uma abordagem iterativa, de refinamentos sucessivos, para o levantamento, análise e seleção dos conceitos mais gerais do domínio de emergência e sua classificação nas categorias ontológicas da UFO. Nessa abordagem, os conceitos foram definidos incrementalmente, por área temática, visando facilitar a compreensão do domínio. Neste artigo, os elementos conceituais da área de emergência estudados foram descritos (seção 2), os diferentes níveis de ontologias apresentados (seção 3) e a nossa abordagem detalhada (seção 4), para depois serem apresentados os trabalhos futuros e conclusões (seção 5). 2. Elementos Conceituais do Domínio de Emergência Na gestão de emergências, especialmente na fase de resposta, diversas equipes com diferentes perspectivas e atribuições precisam colaborar tendo em vista uma meta comum. O crescimento da utilização de arquiteturas de informação distribuídas, especialmente no ambiente da Web, de interfaces abertas de acesso a bancos de dados, de tecnologias de mediadores e de padrões de formato para troca de dados tornou este cenário ainda mais complexo, gerando uma verdadeira sobrecarga de informações heterogêneas para os tomadores de decisão. Se considerarmos o vasto volume de informações disponíveis no cenário de emergências, na forma de normas, regulamentos, bases de relatos de situações de emergência, boletins de ocorrência, dentre outros, temos disponível um rico corpus de referência, com representativo conhecimento acerca de diferentes domínios (Santos, 2007). Este corpus não apenas serve de base para levantamento do vocabulário típico utilizado no contexto de cada domínio, mas também para captura de importantes conceitos e associações relativas a ele (Maedche & Staab, 2000). Na tentativa de uma uniformização de conceitos, há um esforço na criação de vocabulários, glossário e padrões na área de emergência, como veremos a seguir. 2.1 Vocabulários, Glossários e Padrões na Área de Emergências Para obter um panorama de definições associadas aos termos mais comuns na área, levantamos alguns glossários e esquemas terminológicos, procurando identificar seus usos e contextos, assim como eventuais conflitos e inconsistências, como mostra a tabela 1.

3 Tabela 1: Glossários da Área de Emergências Sigla Descrição Qtd de Termos OASIS The OASIS Glossary (OASIS - Open Advanced System for Disaster And Emergency Management) 22 UNISDR UNISDR Terminology (UNISDR - International Strategy for Disaster Reduction) 54 EM-DAT The EM-DAT Glossary (The International Disaster Database) 69 NIMS Glossary of National Incident Management System (NIMS - National Incident Management System) 168 SAHANA Sahana Glossary of Humanitarian Aid and Emergency Terms & Acronyms (SAHANA - Free and ~300 Open Source Disaster Management system) ICDRM ICDRM/GWU Emergency Management Glossary of Terms (Institute for Crisis, Disaster and Risk ~500 Management) EMI Guide to Emergency Management And Related Terms, Definitions, Concepts, Acronyms, ~ Organizations, Programs, Guidance, Executive Orders & Legislation (Emergency Management Institute EMI) ARCE Glossary of terms of the Iberoamerican Association of Governmental Organizations and Civil Defense (ARCE - Aplicación en Red para Casos de Emergencia) É comum encontrar em diferentes glossários de uma mesma área, diversos termos com mesmo significado e diferentes definições para um mesmo termo, apresentando variações em termos de nível de abstração, abrangência ou até mesmo aplicabilidade ou uso. Por exemplo, o termo VOLUNTÁRIO possui múltiplas definições, algumas levando em consideração a questão do não pagamento dos serviços e outras enfatizando a não permanência ou afiliação do ator em uma organização. Padrões também são iniciativas que buscam viabilizar a interoperabilidade entre sistemas através da definição de especificações comuns e consensuais dentro de uma comunidade. O OASIS 1, um consórcio sem fins lucrativos, tem como propósito o desenvolvimento, convergência e adoção de padrões internacionais. Os termos usados nos padrões de comunicação estabelecidos pelo OASIS indicam conceitos mais gerais do domínio, importantes para o propósito deste trabalho. Além dos padrões, outros instrumentos terminológicos são úteis para interoperabilidade entre os sistemas, a exemplo das ontologias, que explicitam o relacionamento entre os termos. 2.2 Ontologias na Área de Emergências O conceito de sistemas de informação orientados a ontologias (Guarino, 1998), o qual enfatiza o papel central da ontologia em cada componente do sistema de informação, tem sido utilizado na área de emergências. Xu e Zlatanova (2007) propõem uma arquitetura de ontologia híbrida para gerenciamento de desastres, tendo em vista que devido à complexidade do gerenciamento de emergência o uso de uma única ontologia global não 1 OASIS - Organização para o Avanço de Padrões Estruturados de Informação

4 representa corretamente o domínio de emergências. Uma ontologia de resposta a emergências para atender a CIMS 2 colaborativos, proposta por Li et al. (2008), trata de uma ontologia de tarefas, considerando as fases de emergência (Iannella et al., 2009) e baseada no workflow genérico de atividades da fase de resposta à emergência. Di Maio (2007) também propõe uma ontologia aberta para criar e apoiar o conhecimento semântico em um ambiente de desenvolvimento colaborativo para atender a resposta à emergência. Truptil et al. (2009) apresentam uma análise interessante sobre caracterização de crises e Kruchten et al. (2008) mostram um detalhamento quanto ao tratamento de interdependências de infra-estruturas críticas no contexto de emergências. No desenvolvimento da OntoEmerge estamos considerando a utilização de alguns conceitos definidos nestes dois últimos trabalhos. Na tabela 2 abaixo, os trabalhos levantados, identificados e analisados, até o momento, encontram-se relacionados. Ontologia Ontologias para gerenciamento de resposta a desastres - Xu e Zlatanova (2007) Ontologia de resposta a Emergência - Li et al. (2008) EROo (Ontologia aberta a resposta de Emergências) DiMaio (2007) Metamodelo conceitual de desastre Kruchten et al. (2008) Ontologia Core SAW Matheus et al. (2003) Metamodelo de Crise Truptil et al. (2009) Tabela 2: Ontologias de Emergência Descrição uma abordagem de desenvolvimento de ontologia e arquitetura de ontologia do sistema de geoinformação para apoiar à gestão de desastres. visa padronizar um conjunto de conceitos semânticos que podem ser genericamente aplicados a muitos sistemas de resposta de emergência diferentes. propõe o novo conceito de "ontologia aberta" como uma ponte de comunicação necessária para suportar o compartilhamento e reuso de conhecimento e interoperabilidade de informações entre a comunidade de resposta a emergência.(colaborativas) um modelo conceitual uma ontologia de desastres afetando infraestruturas críticas. para representar diferentes cenários de consciência da situação. Diferentes classes de situações exigirão diferentes ontologias, a fim de definir adequadamente os vários objetos e relações relevantes para os seus domínios específicos. a ontologia permite a caracterização da crise e raciocínio sobre essa caracterização por meio de regras. Tais regras ajudam a gestão estabelecer um processo colaborativo para mitigação da crise. 3. Níveis de Ontologias e o Papel das Ontologias de Fundamentação Guarino (1997) propôs uma classificação das ontologias de acordo com o seu nível de dependência de uma tarefa ou ponto de vista particular, distinguindo-as em ontologias de: (i) Fundamentação ou Alto Nível, que descrevem os conceitos mais gerais, independentes de domínio; (ii) Domínio e Tarefa, que descrevem, respectivamente, o vocabulário relacionado a um domínio genérico ou uma tarefa genérica, especializando os termos introduzidos na 2 Sistemas de Gerenciamento de Informações de Crise

5 ontologia de alto nível; e (iii) Aplicação, que descreve conceitos que freqüentemente correspondem a papéis desempenhados por entidades do domínio enquanto executam certas atividades, sendo dependentes das ontologias de domínio e tarefa. No nível mais geral de abstração, a preocupação é com as categorias que se aplicam às diversas áreas de conhecimento. Essas ontologias de alto nível (Guizzardi et al., 2008) têm como uma das suas principais funções estabelecer um consenso, melhorar a qualidade de linguagens de modelagem e modelos conceituais (Guizzardi, 2005), além de apoiar a interoperabilidade semântica de larga escala entre um grande número de ontologias que são delas derivadas. Várias iniciativas trabalharam na busca dessas categorias mais gerais, o que resultou em diversas propostas de ontologias de fundamentação, como DOLCE - Descriptive Ontology for Linguistic and Cognitive Engineering (Bottazzi e Ferrario, 2006), GFO - General Formal Ontology (Herre et al., 2006), SUMO - Suggested Upper Merged Ontology (Niles e Pease, 2001) e UFO - Unified Foundational Ontology (Guizzardi, 2005). Em determinados domínios, pode ser interessante o uso de ontologias intermediárias, entre as de fundamentação e as de domínio/tarefa, a exemplo do domínio da área Legal - Core Legal Ontology (CLO) (Gangemi et. al, 2005) e da Engenharia de Requisitos (Jureta et. al, 2009). Essas ontologias, chamadas de Core, são básicas e mínimas, consistem apenas de conceitos mínimos requeridos para entender os outros conceitos. A partir dessas ontologias Core, com os conceitos mais gerais do domínio baseados nas de fundamentação, as ontologias de domínio/tarefa podem ser derivadas, conforme ilustrado na figura 1. Da mesma forma, no domínio de gestão de emergências, uma ontologia core pode facilitar a compreensão e uniformização dos conceitos presentes neste cenário complexo. Nesse sentido, a ontologia core OntoEmerge vem sendo construída, tendo como referência as categorias ontológicas da UFO (Guizzardi, 2005). A partir das ontologias de fundamentação pesquisadas, a UFO foi selecionada por possuir categorias ontológicas que, inicialmente, se adequam aos conceitos mais gerais da área de emergência e divide o mundo de entidades em endurants e perdurants. Se em sua persistência ao longo do tempo, as entidades são rigorosamente idênticas em cada momento, dizemos que

6 são endurants, e, se evidenciam ao longo do tempo diferentes partes de si mesmas, dizemos que são perdurants. Assim algumas categorias da UFO (kind, phase, role, role mixin) foram selecionadas e usadas nos exemplos descritos na seção 4.2, para a representação conceitual das Pessoas envolvidas no cenário de uma emergência. A descrição detalhada dessas categorais encontra-se em Guizzardi (2005). A partir dessas categorias ontológicas, que são independentes de domínio, os conceitos mais gerais do domínio de emergências são classificados, se valendo dos formalismos presentes em cada uma dessas categorias, formando assim, a ontologia core OntoEmerge. 4. OntoEmerge: Etapas para a construção da ontologia Core As ontologias de fundamentação e os elementos conceituais do domínio de emergência descritos nas seções anteriores foram utilizados para a construção de uma ontologia Core em emergência, conforme o fluxo de atividades ilustrado na figura 2. Com a ontologia core criada, pode-se derivar ontologias de tarefa e de aplicação (como descrito na seção 3). FIGURA 2: Abordagem de Construção Incremental e Temática da Ontologia Core Esta abordagem é composta por quatro fases: i) Levantamento, etapa onde são levantados os elementos conceituais da área (seção 2) e a ontologia de fundamentação a ser utilizada (seção 3); ii) Análise, onde o significado dos termos e a especificação das categorias ontológicas são estudados; iii) Seleção, onde apenas os termos que expressam conceitos mais gerais da área e as categorias que se adequam a eles são escolhidas; e iv) Classificação, onde os termos selecionados são classificados em uma das categorias da ontologia de fundamentação escolhida. Nesta etapa, os termos são agregados em Temas, ou seja, conceitos mais gerais (macro-conceitos) amplamente usados na área de emergências. Esta divisão em temas auxilia o refinamento da ontologia em cada iteração, pois permite uma visão consolidada de conceitos conforme a sua aplicabilidade. Essa abordagem segue as etapas usuais de metodologias para construção e reúso de ontologias já propostas (Uschold e King, 1996;

7 Fernández-López, Gómez-Pérez e Juristo, 1997; Plant e Gamble, 2003; Gangemi, Steve e Giancomelli, 1996), apenas enfatizando a análise e classificação segundo as categorias da ontologia de fundamentação. O processo de construção do OntoEmerge é iterativo, com refinamentos sucessivos, pois os termos (e seus temas) são constantemente reavaliados, no aspecto conceitual e classificatório. 4.1 Temas: Macro-Conceitos na Área de Emergências Os termos levantados foram divididos em oito grandes temas, conforme ilustrado na figura 3, visando facilitar a compreensão, o estudo, o tratamento e o detalhamento dos conceitos mais utilizados em Emergência. FIGURA 3: Conceitos gerais das grandes áreas do domínio de emergência Em cada iteração do processo, a abrangência dos temas é revista e os conceitos são classificados, de acordo com a relevância e generalidade, em alguma das categorias ontológicas da UFO. A partir desta classificação, definimos as entidades e os relacionamentos do modelo conceitual, que pode ser visto na figura 4. FIGURA 4: Metamodelo conceitual OntoEmerge

8 4.2 Um exemplo da ontologia core resultante Consideramos Elemento envolvido qualquer componente do mini-mundo afetado pela crise, podendo incluir pessoas, animais, elementos do meio-ambiente e bens. Para exemplificar, discutiremos o conceito de Voluntário (figura 5), ligado ao tema Pessoa (figura 4). Os conceitos Pessoa e Organização são entidades envolvidas (por serem afetadas ou realizarem ações) em uma emergência. O foco deste exemplo é o conceito de Voluntário, que para nós é papel assumido por pessoa que atua, de maneira voluntária, em situações de emergência, sem receber remuneração por suas ações. Em uma situação de emergência, temos como especialização de Pessoa: Pessoa Afetada, relativa àquelas que sofreram conseqüências da situação que gerou o estado da emergência; Voluntário Não-Afiliado, correspondendo aos que não são matriculados em qualquer organização de apoio, mas ajudam na situação de emergência (com donativos, informações e ações); Voluntário Afiliado, relativo às pessoas que se alistam formalmente em alguma organização, para atuarem em uma situação de emergência. Ou seja, possuem um vínculo, mesmo que temporário, em uma organização. Por isto, são definidas como um role. Pessoas afetadas, quando não estão em um estado de risco, podem ser voluntárias fornecendo informações sobre o local, a situação ou sobre outras vítimas. Em muitos casos, também são utilizadas para auxiliar em algumas ações (como na remoção de escombros e procura de sobreviventes). Devido a isto, a especialização é sobreposta. Pessoa Afetada, Voluntário e Voluntário Não-Afiliado são também qualificadas como role. Neste exemplo, as contribuições do uso da UFO são principalmente em relação a restrições de identidade e de durabilidade de atributos ou características, evitando a criação de conceitos, relacionamentos e caracterizações semanticamente inconsistentes ou incompletos, como os da figura 6. FIGURA 5: Exemplificação do tema PESSOA, da ontologia Core gerada FIGURA 6: Modelagem Semanticamente Inconsistente

9 5. Conclusão e Trabalhos Futuros Este trabalho propõe um processo incremental para a construção de ontologias core para o domínio de emergências usando ontologias de fundamentação. Utilizamos vocabulários, glossários, padrões e ontologias existentes, modelando os conceitos mais gerais do domínio de emergência utilizando a ontologia de fundamentação UFO e organanizando os metaconceitos da área em temas. Durante a elaboração deste trabalho, os conceitos mais gerais foram divididos tematicamente, mas observamos a necessidade de outros mapeamentos transversais para contemplar as fases do processo de gestão de emergência (Iannella et al., 2009) e a modularização das ontologias de fundamentação (Teymourian et. al., 2010; Stuckenschmidt et. al., 2009). Além disso, para enriquecer a ontologia proposta, é necessário o aprofundamento na pesquisa de esquemas terminológicos e classificatórios da área de emergência, que ainda não se encontra completo. O OntoEmerge faz parte do projeto TIPEX 3, fruto da colaboração entre as Universidades de Valência, Madri, Servilla e UFRJ. Em um próximo estágio, a ontologia gerada será validada por especialistas em emergências destas localidades. Após avaliada, será utilizada como base na construção de um ambiente automatizado, cooperativo e interoperável para apoiar a construção de planos de emergência, o planejamento e treinamento da proteção civil. Referências ARCE, Aplicación en Red para Casos de Emergencia, Recopilación de términos usados em protección civil y materias afines, disponível em acesso em 26/06/2010. BOTTAZZI, E.; FERRARIO, R. Preliminaries to a DOLCE Ontology of Organizations, International Journal of Business Process Integration and Management, BLANCHARD, W., Guide to Emergency Management and related terms, definitions, concepts, acronyms, organizations, programs, guidance, executive orders & legislation, Disponível em < Acesso em 26/06/2010. COUTURIER, M., OASIS Terms and Acronyms, 2005, European Commission FP6 Information Society Technologies program. Disponível em < Acesso em 26/06/2010. DI MAIO, P. An Open Ontology For Open Source Emergency Response System, Open Source Research Community, EM-DAT The International Disaster Database, CRED Centre for Research on the Epidemiology of Disasters, The EM- DAT Glossary, disponível em acesso em 26/06/2010. FEMA NIMS - National Incident Management System, NIMS Resource Center - Disponível em: Acesso em 26/06/ Tecnologías de la información para la planificación y el entrenamiento en protección civil

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