OWL e Protégé-2000 na definição de uma ontologia para o domínio Universidade

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1 OWL e Protégé-2000 na definição de uma ontologia para o domínio Universidade Pollyane de Almeida Lustosa 1, Fabiano Fagundes 2, Parcilene F. de Brito 2 1 Acadêmica do curso de Bacharel em Sistemas de Informação Centro Universitário Luterano de Palmas (CEULP / ULBRA) Caixa Postal Palmas TO Brasil 2 Professor(a) M.Sc. do Centro Universitário Luterano de Palmas (CEULP / ULBRA) {pollyane, fagundes, Abstract. Tim Berners-Lee glimpsed the development of the Semantic Web as the second generation of the Web [Berners-Lee 2001]. From the intensive use of metadata, data that describe data, semantic web aims to provide automatized access to the information based on heuristics and data semantic processing realized by computers. The creation of ontologies is inserted in the context that involves the concretion of the Semantic Web. An ontology describes formally the concepts referring to one determined domain. This work objectives to present the language OWL, used for development of ontologies, as well as to propose the modeling of a ontology for the domain University using the tool Protégé Resumo. Tim Berners-Lee vislumbrou o desenvolvimento da Web Semântica como a segunda geração da Web [Berners-Lee 2001]. A partir do uso intensivo de metadados, a Web Semântica visa prover acesso automatizado à informação com base no processamento semântico de dados e heurísticas feito por máquinas. A criação de ontologias está inserida no contexto que envolve a concretização da Web Semântica. Uma ontologia descreve formalmente os conceitos referentes a um determinado domínio. Este trabalho tem o objetivo de apresentar sucintamente a linguagem OWL, utilizada para desenvolvimento de Ontologias, bem como propor a modelagem de uma ontologia para o domínio Universidade utilizando a ferramenta Protégé Introdução A World Wide Web (ou simplesmente Web) é um grande repositório de dados e se tornou a maior fonte de disseminação de informações do mundo. A Web apresenta características particulares no que se refere a meios de acesso e estrutura. Seus dados não possuem uma estrutura previamente definida e não são fortemente tipados, sendo, assim, denominados dados semi-estruturados [Mello 2000]. Com o seu crescente avanço e a diversificada forma de representação de seus dados, torna-se cada vez mais difícil a recuperação das informações por ela dispostas. Assim, a Web vem se destacando como um atraente campo de pesquisa e muitos projetos referentes a ela têm sido criados. Essa deficiência, na Web, quanto a disponibilização de dados heterogêneos e sua despadronização e a elevada quantidade de informações resultantes de consultas que não

2 atendem as reais necessidades dos usuários levou a necessidade de se buscar a compreensão semântica do conteúdo dos documentos pela própria máquina para o processamento dessas informações: a Web Semântica [SW 2001]. Tim Berners-Lee vislumbrou o desenvolvimento da Web Semântica como a segunda geração da Web [Berners-Lee 2001], que a partir do uso intensivo de metadados, dados que descrevem dados, visa prover acesso automatizado à informação com base no processamento semântico de dados e heurísticas feito por máquinas. Para que essa nova Web se concretize, é necessário o desenvolvimento de linguagens que ofereçam suporte ao seu desenvolvimento, bem como de ferramentas que viabilizem essa transformação. A criação de ontologias está inserida no contexto que envolve a concretização da Web Semântica. Uma ontologia descreve formalmente os conceitos referentes a um determinado domínio. Este trabalho tem o objetivo de apresentar sucintamente a linguagem OWL, utilizada para desenvolvimento de Ontologias, bem como propor a modelagem de uma ontologia para o domínio Universidade utilizando a ferramenta Protégé Web Semântica A Web Semântica representa a evolução e a extensão da Web atual, porém apresentará uma estrutura que possibilitará a compreensão e o gerenciamento dos conteúdos armazenados na Web independente da forma em que estes se apresentem, seja texto, som, imagem ou gráficos, a partir da valoração semântica desses conteúdos e através de agentes que serão programas coletores de conteúdo advindos de fontes diversas capazes de processar as informações e permutar resultados com outros programas [Berners-Lee 2001]. Assim, ela visa fornecer estruturas e semântica ao conteúdo das páginas Web, criando um ambiente onde agentes de software e usuários possam trabalhar cooperativamente. A Web Semântica é a representação dos dados na Web. É um esforço colaborativo conduzido pela W3C [W3C 2003] com participação de um grande número de pesquisadores. É baseada no RDF (Resource Description Framework) [RDF 2000], integrada a uma variedade de aplicações usando XML (extensible Markup Language) [XML 2003] para a sintaxe e os URIs (Universal Resource Identifier) para nomeações [SW 2001]. A Web Semântica visa o discernimento pela própria máquina das informações contidas nos documentos Web. Atualmente, essa compreensão é realizada pelo usuário, onde ele escolhe e define o que verdadeiramente lhe interessa. Com a utilização de metadados é possível a descrição e uma melhor definição semântica das informações, gerando uma recuperação com maior qualidade e precisão. Assim, diversas tecnologias, como a XML e a RDF, vêm sendo trabalhadas com o objetivo de promover o intercâmbio de metadados desenvolvidos de forma independente, de modo que eles possam ser compreendidos pelo computador, sem o auxílio do discernimento humano. A arquitetura RDF consiste em uma estrutura básica para o processamento de metadados, provendo interoperabilidade entre aplicações que trocam informações, compreendidas pela máquina e entre si na Web [RDF 2000] e descrevendo formalmente um determinado recurso da Web através de seus metadados. Através da criação de padrões, arquiteturas de metadados, ontologias, dentre outras, projetos, como o da Web Semântica [SW 2001] conduzido pela W3C, têm sido realizados no sentido de buscar a otimização da integração, intercâmbio e compreensão semântica das informações Web.

3 Entretanto, a obtenção da concretização da Web Semântica ainda precisa ultrapassar grandes problemas como: a busca e recuperação de informações na Web e a heterogeneidade semântica, a qual dificulta a interoperabilidade de modo que haja a cooperação entre múltiplas fontes de informação, apresentando diferenças sintáticas, semânticas e estruturais. 2. Ontologias O termo ontologia é proveniente da Filosofia, sendo empregado como a representação da existência através de uma explicação sistemática [Novello 2002]. Na área da Informática, mais precisamente em Inteligência Artificial, ela é utilizada como a especificação explícita de uma conceitualização [Grubber 1999] [Guarino 1998]. Assim, a ontologia é uma descrição explícita de conceitos e relações referentes a determinado domínio. Essa conceitualização refere-se ao conjunto de conceitos, relações, objetos e restrições que são definidos para um modelo semântico de algum domínio de interesse. Uma ontologia requer o uso de um vocabulário específico para descrever uma realidade, de forma que o domínio de conhecimento seja definido em um nível genérico [Novello 2002]. Essa definição é realizada através de uma especificação formal acerca do domínio, de modo que com a utilização de uma ontologia seja possível o compartilhamento e reuso de conhecimento. Assim, pode-se ver ontologia como uma maneira formal de especificar conceitos acerca de um domínio, de modo que possibilite o compartilhamento e reuso de conhecimento. O desenvolvimento de uma ontologia pode ser resumido pelos seguintes princípios básicos [Novello 2002]: clareza e objetividade: os termos devem ser definidos de forma clara e acompanhados de documentação em linguagem natural; padronização dos nomes; uma definição deve exprimir as condições necessárias e suficientes para expressar um termo, indo além das necessidades circunstanciais de uma aplicação; coerência de modo que se permita originar inferências que sejam consistentes com as definições declarada; permissão da declaração de novos termos sem que seja necessários a revisão dos termos já existentes; possibilidade da definição de tão poucas suposições quanto possíveis sobre o mundo a ser modelado, permitindo que as especializações e instanciações da ontologia sejam definidas com liberdade; as classes definidas devem ser independentes, sem sobreposição de conceitos; modularidade; representação dos conceitos similares seguindo as mesmas primitivas, de modo que sejam agrupados numa mesma ordem semântica. Uma ontologia visa desenvolver um conjunto de regras que possibilitem a inferência de forma que a máquina possa, através do acesso a essas regras e a uma coleção de dados e metadados, abstrair um significado semântico das informações disponibilizadas na Web. A vantagem da utilização de uma ontologia é de se lidar com conceitos, representando-os formalmente, e de se livrar de problemas inerentes ao vocabulário da

4 linguagem natural [Bézivin 1998]. Ou seja, com a utilização de ontologias, é possível, então, evitar questões como palavras com significação aproximada e utilização de outras expressões em substituição de determinada palavra, representando o mesmo significado. 3. Linguagens para a criação de Ontologias na Web Nos últimos anos, diversas linguagens para definição de ontologias vêm sendo desenvolvidas, como por exemplo, a OIL (Ontology Inference Layer) [OIL 2000], SHOE (Simple HTML Ontology Extensions) [SHOE 2000], XOL (XML-based Ontology Exchange Language) [XOL 1999], DAML (DARPA Agent Markup Language) [DAML 2003], DAML+OIL [DAML+OIL 2001], OWL [OWL 2003], dentre outras. A principal característica dessas linguagens está na capacidade de representar ontologias em RDF [RDF 2000] e RDFSchema[RDFS 2003], arquitetura já consagrada pela W3C para interoperabilidade de dados na Web [Moura 2001] OWL (Web Ontology Language) A Web Semântica será desenvolvida através da potencialidade do XML em definir esquemas de tags e da flexibilidade que o RDF possui para representar os dados [OWL 2003]. Inicialmente, sobre o RDF, é requerida para a Web Semântica uma linguagem para ontologias, de modo que se descreva formalmente os significados das terminologias utilizadas em documentos Web. Espera-se que as máquinas executem um raciocínio lógico destes documentos, assim a linguagem deve ir além da semântica básica oferecida pelo RDF Schema [OWL 2003]. A OWL (Web Ontology Language) é parte da crescente lista de recomendações da W3C para o desenvolvimento da Web Semântica [OWL 2003]: XML: fornece uma sintaxe superficial para a estrutura de documentos, mas não dispõe de uma semântica acerca do significado destes documentos. XML Schema: é uma linguagem para definir restrições relacionadas a estruturas de documentos XML. RDF: é um modelo de dados para objetos (recursos) e relações existentes entre eles, fornecendo uma semântica simples para esse modelo, o qual pode ser representado através de uma sintaxe XML. RDF Schema: é um vocabulário para descrever as propriedades e classes dos recursos de RDF, com uma semântica referente a hierarquias e generalizações de tais classes e propriedades. OWL: adiciona mais vocabulário para a descrição das classes e propriedades como, por exemplo, relações entre estas classes, cardinalidades, igualdades, tipos e características mais apurados das propriedades e enumerações das classes. A OWL é utilizada para representar explicitamente o conjunto de termos de um vocabulário e os relacionamentos entre estes termos. A OWL é uma linguagem para Ontologias Web que é desenvolvida para o uso por aplicações que necessitam processar o conteúdo de informações em vez de somente apresentá-las aos usuários, ou seja, ela é pretendida para ser utilizada quando informações contidas em documentos precisam ser processadas por aplicações, ao contrário do que ocorre quando estes conteúdos somente são apresentados aos humanos. A OWL facilita à máquina uma maior legibilidade ao conteúdo da Web que aquelas suportadas pelo XML, RDF e RDF Schema, por fornecer um vocabulário

5 adicional juntamente com uma semântica formal. A OWL possui três sub-linguagens, que foram projetadas conforme o grupo de implementadores e usuários: OWL Lite, OWL DL e OWL Full [OWL 2003]. A OWL tem mais facilidade para expressar a semântica que o XML, RDF e RDF Schema, superando estas linguagens em sua habilidade para representar de forma legível o conteúdo na Web [OWL 2003]. A OWL é uma revisão da linguagem DAML + OIL, acrescentadas de características aprendidas no desenvolvimento e nas aplicações da DAML + OIL. Nos próximos parágrafos será apresentada a sintaxe básica da linguagem OWL para definição de uma ontologia. Uma ontologia OWL inicia com uma declaração, em RDF, contendo os namespaces que serão utilizados na ontologia. Basicamente, a ontologia começa da seguinte forma [OWL 2003]: Figura 2. Namespaces declarados em uma ontologia OWL 1. <rdf:rdf 2. xmlns ="http://www.w3.org/2001/sw/webont/guide-src/wine#" 3. xmlns:vin ="http://www.w3.org/2001/sw/webont/guide-src/wine#" 4. xmlns:food="http://www.w3.org/2001/sw/webont/guide-src/food#" 5. xmlns:owl ="http://www.w3.org/2002/07/owl#" 6. xmlns:rdf ="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#" 7. xmlns:rdfs="http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#" 8. xmlns:xsd ="http://www.w3.org/2000/10/xmlschema#"> As três primeiras declarações indicam o namespace associado à ontologia que está sendo desenvolvida, a qual refere-se a vinhos e comidas. Na quinta linha, é indicado o namespace específico da OWL e nas linhas subseqüentes têm-se as referências aos vocabulários do RDF, RDF Schema e XML Schema, respectivamente. Uma vez que os namespaces estão definidos, inclui-se, através da tag <owl:ontology>, informações como comentários, controle de versões e inclusão de outras ontologias, caso esteja havendo extensão de uma já existente. Na Figura 18, apresenta-se um código referente a estas informações [OWL 2003]: Figura 3. Cabeçalho OWL <owl:ontology rdf:about=""> <rdfs:comment>an example OWL ontology</rdfs:comment> <owl:priorversion rdf:resource="http://www.w3.org/2001/sw/webont/ guide-src/wine owl"/> <owl:imports rdf:resource="http://www.w3.org/2001/sw/webont/guidesrc/food.owl"/>... Têm-se na Figura 18 a representação de um cabeçalho OWL contendo informações diversas representadas por: rdfs:comment apresenta algum comentário referente à ontologia modelada; owl:priorversion é uma tag padrão utilizada para o controle de versões da ontologia; owl:imports indica a importação de uma ontologia já existente definida pelo recurso apresentado em seguida. As classes e subclasses OWL são definidas, respectivamente, através dos elementos owl:class e rdfs:subclassof. Por exemplo:

6 Figura 4. Declaração de classe e subclasse em OWL 1. <owl:class rdf:id= Curso /> 2. <owl:class rdf:id= Graduação > 3. <rdfs:subclassof rdf:resource= #Curso /> </owl:class> Na Figura 4, tem-se a declaração de duas classes: Curso e Graduação. Sendo que, na linha 3, é identificado que Graduação é subclasse de Curso. Através do elemento owl:objectproperty define-se as propriedades das classes e subclasses. Utiliza-se, em conjunto com a tag de propriedades, o elemento rdfs:domain para especificar a qual classe a referida propriedade está sendo atribuída. Segue um simples exemplo: Figura 5. Declaração de propriedades em OWL 1. <owl:objectproperty rdf:id= nome /> 2. <rdfs:domain rdf:resource= #Aluno /> 3. </owl:objectproperty> A propriedade duração está sendo declarada na primeira linha (Figura 5) e identificada que pertence à classe Curso na linha 2. A OWL oferece vários elementos como owl:restriction, owl:cardinality, owl:mincardinality, owl:maxcardinality, owl:inverseof, entre diversos outros, os quais permitem determinar, respectivamente, as restrições, cardinalidades, cardinalidade mínima, cardinalidade máxima, relação inversa, de modo a obter uma ontologia mais completa e melhor modelada. 4. Utilização da ferramenta Protégé-2000 na definição da Ontologia Universidade Com a finalidade de demonstrar a modelagem de uma ontologia, através da utilização da ferramenta Protégé-2000, propõe-se a descrição dos conceitos envolvendo o domínio Universidade. Para a definição do modelo ontológico, foram-se consideradas universidades que estão subdivididas em cursos, áreas de conhecimento ou centros. Ou seja, o modelo referencia as instituições que possuem as seguintes hierarquias: áreas de conhecimento, as quais contêm cursos, como é o caso da UFG (Universidade Federal de Goiás); centros, que por sua vez possuem departamentos e esses, então, estão subdividos em cursos. Por exemplo, a UFSC (Universidade Federal de Santa Catarina) está organizada dessa forma; subdividem-se diretamente em cursos, como é o caso do CEULP/ULBRA (Centro Universitário Luterano de Palmas). Para o seu desenvolvimento foi utilizada uma das ferramentas disponíveis para edição de ontologias, o Protégé-2000 [Protégé 2003] versão 1.8. Ela foi escolhida por ser muito bem citada nos materiais relacionados ao tema, por ter uma interface simples, o que permitiu que o desenvolvimento da ontologia não fosse uma tarefa muito complexa e por ter atendido as necessidades para a conclusão do trabalho. O desenvolvimento de

7 uma ontologia no Protégé-2000 consiste basicamente nos seguintes passos: primeiramente é definido um esquema com as classes (class), subclasses (subclass), propriedades e relações (slots) referentes ao domínio que se deseja modelar, neste caso do domínio Universidade (Figura 9). Figura 9. Classes, subclasses e slots da Ontologia Universidade A Figura 9 apresenta a estrutura hierárquica de classes e subclasses constante no domínio Universidade, representadas pelo símbolo. Os slots são representados pelos quadradinhos com a letra S em seu interior, sendo que os referenciam os slots atribuídos diretamente à classe e os indicam os slots que foram herdados de sua superclasse. Figura 10. Definição de Classes

8 Na Figura 10, a referência representada pelo círculo número 1, é a área destinada à manipulação das classes e subclasses. Essa manipulação refere-se à criação e exclusão de classes e definição de o que é classe e o que é subclasse (hierarquia). O círculo número 2 refere-se ao painel dedicado à inclusão e exclusão dos slots correspondentes a cada classe ou subclasse. Para que esses slots sejam inclusos, primeiramente eles têm que ser criados, podendo fazer isso nesse próprio painel. Os demais campos de preenchimento são para identificação da classe, como nome, documentação e restrições. Figura 11 - Definição de Slots A referência número 1 (Figura 11) refere-se à apresentação dos slots já criados, sendo que as classes, as quais o slot selecionado pertence, são apresentadas no retângulo número 6. No retângulo número 2, define-se o tipo do valor do slot. Esses tipos podem ser: Booleanos (True ou False); Class (Representam alguma classe definida na base); Float (Números reais); Instance (Instância de alguma classe definida na base); Integer (Números inteiros); String (Caracteres alfanuméricos) e Symbol (Lista de valores). No caso da Figura 11, o tipo do slot ministrada_por foi instance, sendo assim é necessário referenciar qual a classe conterá as instâncias de que se necessita. A definição da classe é demonstrada no círculo 3. O retângulo número 4 refere-se à atribuição de cardinalidade ao slot: at least (pelo menos) e at most (no máximo) o valor indicado no campo de edição. E, por fim, no retângulo número 5, é declarado com qual slot existente, o slot o qual está sendo criado possuirá uma relação inversa. A relação inversa refere-se à: têm-se um slot ministra que pertence à classe Professor, o qual indica a relação existente entre Professor e a classe Disciplina (Professor ministra disciplina). O slot que está sendo criado, ministrada_por, pertence à classe Disciplina e definindo o espaço inverse slot (retângulo 5) está-se designando a relação inversa, ou seja, automaticamente é determinado a existência da relação Disciplina é ministrada por Professor. 6. Considerações Finais A Web Semântica pode trazer uma série de otimizações em diversos serviços já oferecidos na Web como: no comércio eletrônico, com o desenvolvimento de eficientes catálogos eletrônicos; em sites não-comerciais; em bibliotecas digitais e mecanismos de buscas.

9 Assim, a Web Semântica poderá fornecer pesquisas mais apuradas e eficientes, através de mecanismos de buscas, conforme as necessidades do usuário e a disponibilidade das fontes de dados. O desenvolvimento da Web Semântica é um grande desafio enfrentado pelos pesquisadores científicos da área, pois envolve a transformação da atual Web somente de exibição de informações para uma Web onde as informações sejam apresentadas, interpretadas e processadas por agentes de software, auxiliando o homem em suas atividades. Grande parte da infra-estrutura de suporte a Web Semântica está em fase de desenvolvimento, sendo, ainda, necessários muitos esforços no sentido de se obter a sua concretização. Observa-se que as pesquisas nessa área estão tendendo, gradualmente, para o tema ontologia, visto que diversas linguagens e ferramentas têm sido criadas no sentido de promover sua definição. A ferramenta empregada, neste trabalho, para demonstração de como utilizar um ambiente para construção de ontologias, a Protégé-2000, possui uma interface simples e de fácil utilização. Além da modelagem de uma ontologia, com a definição de suas classes, subclasses, slots, este software possibilita a personalização de um formulário de dados para a entrada de instâncias conforme a ontologia modelada. Permitindo, ainda, uma manipulação referente à realização de consultas à base de conhecimento, gerada a partir da ontologia desenvolvida e das instâncias criadas. Este trabalho teve como objetivo descrever de forma sintetizada a linguagem OWL, utilizada para desenvolvimento de Ontologias. Apresentando, ainda, a definição de um modelo ontológico acerca do domínio Universidade, através da utilização da ferramenta Protégé A escolha pela OWL deve-se ao fato de ser uma revisão de outras linguagens já existentes para criação de ontologias, como a DAML+OIL, bem como por ser uma linguagem recomendada pela W3C para o desenvolvimento de ontologias. Como sugestões para trabalhos futuros recomenda-se estudos mais aprofundados referentes a ontologias aplicadas a serviços Web; implementação, utilizando a OWL, do modelo ontológico proposto, ressaltando-se que a Protégé-2000 possui um plugin OWL que oferece suporte ao desenvolvimento de ontologias nessa linguagem. 7. Referências [Berners-Lee 2001] Berners-Lee, Tim., Hendler, James., Lassila, Ora. (2001) The Semantic Web, Maio. [Bézivin 1998] Bézivin, Jean (1998) Who s Afraid of Ontologies?, [DAML 2003] The Darpa Agent Markup Language Homepage (2003), Junho. [DAML+OIL 2001] Daml+Oil (March 2001) Reference Description (2001), Dezembro. [Duineveld 1999] Duineveld, A., Stoter, R., Weiden, M., Kenepa, B., Benjamins, R. (1999) Wondertools? A comparative study of ontological engineering tools, IN: Proceedings of

10 the 12 th Workshop on Knowledge Acquisition, Modeling and Management (KAW 99). Banff: Canadá. [Grubber 1999] Grubber, T. (1999) What is an Ontology?, [Guarino 1998] Guarino, N. (1998) Formal Ontology and Information Systems, IN: First International Conference (FOIS), Trento, Itália. Anais: Trento: IOS Press, [Mello 2000] Mello, Ronaldo dos Santos (2000) Aplicação de ontologias a bancos de dados semi-estruturados, Tese (Pós-Graduação), Fevereiro de Instituto de Informática. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre-RS. [Moura 2001] Moura, Ana Maria de C. (2001) A Web Semântica: fundamentos e tecnologias, Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 4.pdf>, Setembro. [Novello 2002] Novello, Taisa Carla. (2002) Ontologias, Sistemas baseados em conhecimento e modelos de banco de dados, [OIL 2000] Description of OIL (2000), [OWL 2003] OWL Web Ontology Language Semantics and Abstract Syntax (2003), Março. [Protégé 2003] Protégé-2000 (2003), Junho. [RDF 2000] Resource Description Framework (RDF) Schema Specification 1.0 (2000), Março. [RDFS 2003] Rdf Vocabulary Description Language 1.0: Rdf Schema (2003), [SHOE 2000] SHOE 1.01 Proposed Specification (2000), Abril. [SW 2001] Semantic Web (2001), [W3C 2003] World Wide Web Consortium (2003), [XML 2003] Extensible Markup Language (2003), [XOL 1999] XOL Ontology Exchange Language (1999), xol/xol.html, Agosto.

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