ONTOLOGIAS: Interoperabilidade, Contexto, Computação Ubíqua

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1 ONTOLOGIAS: Interoperabilidade, Contexto, Computação Ubíqua Isabel Cafezeiro (UFF, José Viterbo, Alexandre Rademaker, Edward Hermann Haeusler, Markus Endler (PUC-Rio Resumo: Esta pesquisa investiga a utilização de ontologias para a formalização de sistemas computacionais onde o significado de uma entidade é dependente do ambiente em que está inserida, ou onde as entidades são afetadas por mudanças dinâmicas no ambiente em que se inserem. Palavras-chave: Ontologias, Contexto, Interoperabilidade, Mobilidade, Computação Ubíqua. Abstract: This research is about the utilization of ontologies to the formalization of computational systems where the meaning of an entity depends on the environment constraints or where dynamic changes on the environment have to be considered. Keywords: Ontology, Context, Interoperabiliity, Mobility, Ubiquitous Computing. 1. Introdução Designamos por ontologia formal (formal ontology) uma estrutura composta basicamente por conceitos organizados em uma taxionomia, por relações que estabelecem conexões não taxionômicas, e por axiomas lógicos, que são usados para expressar restrições entre as relações. Este tipo de estrutura, aliada à semântica de modelos da linguagem lógica considerada, se mostra adequada para descrever objetos e situações do mundo real, e vem sendo utilizada em Ciências da Computação como base de projetos de Sistemas de Informação. Entendemos por interoperabilidade a capacidade de sistemas computacionais operarem e cooperarem mesmo na presença de diferentes representações de dados e protocolos de comunicação. A interoperabilidade, que já chamava atenção dos profissionais da computação, passou a representar um ponto crucial após o advento da internet, que acelerou o intercâmbio de informações e eliminou fronteiras antes intransponíveis. Por contexto designamos o complexo emaranhado de informações que dá sentido à um objeto ou situação do mundo real. A análise contextual de uma entidade (objeto ou situação) permite esclarecer situações como casos em que um mesmo termo denota entidades diferentes, ou uma mesma entidade é denotada por termos diferentes, ou ainda, situações em que entidades são descritas em diferentes níveis de detalhes, dificultando a interação. Computação ubíqua é um novo paradigma no qual pequenos dispositivos computacionais distribuídos e integrados, alocados em ambientes, ou portáveis,

2 provêem serviços e informações a qualquer momento, em qualquer local. Estes serviços tendem a ser incorporados à vida cotidiana de uma tal forma que sua presença passa a ser despercebida, ao passo que sua ausência causa grandes transtornos. Segundo Mark Weiser, 1991: The most profound technologies are those that disappear. They weave themselves into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it. Este paradigma envolve grande heterogeneidade entre os componentes computacionais, e portanto, requer um alto grau interoperabilidade. Além disso, sistemas ubíquos precisam responder dinamicamente à mudanças no ambiente, com pequena (ou nula) interferência humana, o que faz com que informações de contexto sejam fundamentais para sua implementação. A pesquisa Ontologias: Interoperabilidade, Contexto, Computação Ubíqua investiga mecanismos que possibilitem a construção de sistemas ubíquos baseados em ontologias que tenham a capacidade de interagir em larga escala com outros sistemas, plataformas, bases de dados, etc, de maneira a viabilizar a ubiquidade. Adota-se ontologias como formalismo para representação de conhecimento não somente devido à facilidade que oferece para reuso e compartilhamento de conhecimento, mas também devido ao modo abstrato (desvinculado de estratégias de implementação) e relativamente simples (com o poder expressivo da lógica de primeira ordem) de representar a informação. Segundo Gruber, 2008: Due to their independence from lower level data models, ontologies are used for integrating heterogeneous databases, enabling interoperability among disparate systems, and specifying interfaces to independent, knowledge-based services. Diversos autores apontam, no entanto, dificuldades em lidar com a heterogeneidade a que Gruber se refere. Segundo estes, a chave para a interoperabilidade reside na construção de mecanismos de mapeamento e integração de ontologias, que, tornando inócuas as diferenças, possibilitem o intercâmbio e inter-relacionamento (Y. Kalfoglou e M. Schorlemmer, 2004). Neste sentido, a presente pesquisa propõe uma álgebra que adota ontologias como mecanismo para representação de entidades e contexto e toma como conceito básico o mapeamento entre ontologias. Sobre este conceito são formuladas operações de composição/decomposição/integração de ontologias e manipulação de contexto, que, de forma independente da linguagem de implementação de ontologias adotada, fundamentam a implementação de sistemas de informação baseados em ontologias e incentivam o reuso de partes e a construção modular.

3 2. Material e Métodos Adotamos Teoria das Categorias neste trabalho devido ao enfoque que se pretende dar ao relacionamento entre entidades (mapeamento entre ontologias), em oposição à abordagens onde se focaliza a própria entidade em questão (ontologias). A ênfase atribuída aos relacionamentos força a descrição das entidades e de suas relações através de suas interfaces, o que preserva a integridade das entidades. Em Ciências da Computação, o enfoque nos relacionamentos, em oposição ao enfoque às entidades é advogado desde a década de 70, e vem a ser o ponto chave para o reuso e modularidade: Segundo Parnas, 1972: Every module (...) is characterized by its knowledge of a design decision which it hides from all others. Its interface or definition was chosen to reveal as little as possible about its inner workings. Também em Teoria das Categorias, o enfoque é centrado na noção de morfismos (associação entre objetos). Consegue-se, então, um maior poder de abstração, e coloca-se, a nível de fundamentos, uma prática já adotada na construção de sistemas. Brevíssima Apresentação de Teoria das Categorias. Categoria é uma estrutura (O,M,Dom,Cod,º,id), onde O é uma coleção de objetos; M é uma coleção de morfismos f: A B, onde A,B O; Dom,Cod: M O são operações que associam a cada morfismo seu objeto domínio ou codomínio; º é a operação de composição associativa de morfismos; e id é uma coleção de morfismos de identidade, sendo um morfismo id A para cada objeto A. Observe que cinco, dentre os seis componentes desta estrutura, referem-se ao conceito de morfismo. Em contraste, pouco é dito com relação a objetos: apenas que há um conjunto de objetos. Em função disto, objetos são caracterizados por uma visão externa, determinada por seus relacionamentos. A título de ilustração, considere a categoria Sets, onde os objetos são conjuntos e morfismos são funções entre conjuntos. Nesta categoria, o conjunto unitário é o objeto 1 tal que, para qualquer outro objeto o da categoria existe um único morfismo de o para 1; o conjunto vazio é o objeto 0 tal que, para qualquer outro objeto o da categoria existe um único morfismo de 0 para o; um elemento de um conjunto o é caracterizado por um morfismo do objeto conjunto unitário 1 para o. Além dos três conceitos citados, todos os outros conceitos conjuntistas podem ser expressos na categoria Sets através de morfismos. Morfismos e objetos são dispostos de tal forma que a (partes da) categoria pode ser representada como um grafo (diagrama). A simples reversão das setas nesta

4 representação fornece o conceito de dualidade, permitindo a definição de operações cujas propriedades são facilmente derivadas de suas duais. Este é o caso do conceito de limite categórico e sua operação dual, o colimite categórico. O limite categórico captura a noção de tudo o que há em comum em um diagrama. Dualmente, o colimite captura a noção de nada mais do que a união em um diagrama. Estas operações precisamente definidas e facilmente compreendidas através de diagramas formalizam de maneira elegante as operações necessárias para compor ou decompor entidades, contextos e entidades contextualizadas. Semântica através de malha de relacionamentos: flexibilidade e dinamismo. Neste trabalho optamos pela homogeneidade na descrição de entidades e contextos: ambos são descritos através de ontologias. De modo geral, o contexto fornece informações gerais sobre a própria entidade ou sobre o ambiente onde ela opera. Fica, então, a cargo do conceito de morfismo (mapeamento entre ontologias) o papel de informar, em cada situação particular qual ontologia exerce o papel de entidade (domínio do morfismo) e qual exerce o papel de contexto (codomínio do morfismo). Como morfismos podem ser compostos associativamente, um contexto pode atuar como entidade de outro contexto. Assim o terceiro contexto atua como (meta) contexto da primeira entidade. Também é possível a uma entidade que tenha vários contextos (vários morfismos com o mesmo domínio) ou a um contexto, que contextualize várias entidades (vários morfismos com um mesmo codomínio). Estas situações podem se prolongar indefinidamente formando uma teia de entidades e contextos, que, em conjunto, fornecem o entendimento de um objeto ou situação. O morfismo também se encarrega de assegurar a coerência entre a entidade e o contexto, isto é, garantir que o contexto respeita (preserva) hierarquia e relacionamentos da entidade. Por exemplo, suponha que uma entidade E tenha conceitos e 1 e e 2 por f. Então um morfismo F de E para seu contexto C obedece à propriedade: F(f(e 1,e 2 )) = F(f)[F(e 1 ),F(e 2 )]. Esta homogeneidade na representação simplifica descrições, permite maior flexibilidade, e a interoperabilidade. 3. Resultados A pesquisa aqui relatada encontra-se em desenvolvimento. A formalização da álgebra está descrita em [5], que aborda a utilização de Teoria das Categorias para interoperabilidade de ontologias, considerando a rede semântica WWW como

5 motivação. Em [6] a noção de contexto é considerada. É apresentada a formalização categórica da noção de contexto, tendo-se como base o trabalho anterior. Finalmente, [7] mostra que o aparato formal desenvolvido é bastante adequado para aplicações em sistemas ubíquos, e apresenta um estudo de caso. Atualmente a equipe envolvida concentra-se em aplicações. Através de experimentos confronta-se a abstração necessária à formalização com a presença de informações específicas características da implementação. Dentro desta dicotomia procura-se desenvolver uma metodologia estratificada, considerando desde a mais abstrata visão do sistema até versões bem próximas da implementação. 4. Discussão e Conclusão A proposta de combinar Ontologias e Teoria das Categorias na construção de um aparato capaz de formalizar adequadamente sistemas ubíquos de computação tem se mostrado pertinente. A representação uniforme de contextos e entidades através de ontologias atribui homogeneidade à abordagem, o que resulta em grande simplicidade e reúso. Flexibilidade e dinamismo são garantidos através da semântica por malha de relacionamentos. Reúso e modularidade estão presentes em dois sentidos: na descrição de entidades e contextos e através de ontologias; na construção da malha através de Teoria das Categorias. Os experimentos vêm nos mostrando de que maneira o aparato formal deve se adequar aos conceitos do domínio da aplicação de modo a gerar especificações simples e facilmente implementáveis. 5. Referências [1] Parnas, D. (1972) On the Criteria to Be Used in Decomposing Systems Into Modules Communications of the ACM, 1972 [2] Kalfoglou, Y. e Schorlemmer, M. (2004) Formal Support for Representing and Automating Semantic Interoperability, Proceedings of 1th European Semantic Web Symposium, Grece, 2004 [3] Weiser, M. (1991) The Computer for the Twenty-first century Scientific American, 265(3): Setembro 1991 [4] Gruber, T. (2008) Ontology in Encyclopedia of Database Systems, Ling Liu and M. Tamer Özsu (Eds.), Springer-Verlag, [5] Cafezeiro, I. Haeusler, E. H. (2007) Semantic Interoperability via Category Theory Conferences in Research and Pratice in Information Technology, 83, 2007 [6] Cafezeiro, I. Haeusler, E. H., Rademaker, A. (2008) Ontology and Context In Proceedings of PerCom 08 Workshops (CoMoRea'08, 5rd IEEE Workshop on Context Modeling and Reasoning) pp 53-62, 2008 [7] Cafezeiro, I., Viterbo, J., Rademaker, A., Endler, M., Haeusler, E. H., (2008) A formal Framework for modeling context-aware behavior in ubiquitous computing Communications in Computer and Information Science, Volume N. 17. Proceedings of the 3rd IEEE International Symposium On Leveraging Applications of Formal Methods, Verification and Validation