Engineering Temporal and Spatial Aspects in OWL using Patterns

WWW is a huge, open, heterogeneous system, however its contents data is mainly human oriented. The Semantic Web needs to assure that data is readable and “understandable” to intelligent software agents, though the use of explicit and formal semantics. Ontologies constitute a privileged artifact for capturing the semantic of the WWW data. Temporal and spatial dimensions are transversal to the generality of knowledge domains and therefore are fundamental for the reasoning process of software agents. Representing temporal/spatial evolution of concepts and their relations in OWL (W3C standard for ontologies) it is not straightforward. Although proposed several strategies to tackle this problem but there is still no formal and standard approach. This work main goal consists of development of methods/tools to support the engineering of temporal and spatial aspects in intelligent systems through the use of OWL ontologies. An existing method for ontology engineering, Fonte was used as framework for the development of this work. As main contributions of this work Fonte was re-engineered in order to: i) support the spatial dimension; ii) work with OWL Ontologies; iii) and support the application of Ontology Design Patterns. Finally, the capabilities of the proposed approach were demonstrated by engineering time and space in a demo ontology about football.

A World WideWeb (WWW) é uma rede de dados enorme, aberta, muito rica, heterogénea e não controlada. Contudo, os dados existentes na rede são principalmente orientados ao consumo humano. A Semantic Web, de acordo com a perspectiva de Berners-Lee, deve fornecer condições para que a informação publicada seja lida e interpretada/compreendida por máquinas (agentes), através do enriquecimento semântico formal e explícito. As ontologias são a especificação formal de uma conceptualização partilhada e como tal constituem um artefacto privilegiado para capturar a semântica de um modelo. O formato standard proposto pela W3C (World Wide Web Consortium) para a representação de ontologias no contexto da WWW é o OWL (Web Ontology Language). As dimensões temporal e espacial são transversais à generalidade dos domínios. No processo de entendimento e raciocínio por agentes é crucial a consideração das dimensões temporal e espacial, em particular em tarefas como a análise de narrativas, contextualização, processamento de língua natural ou planeamento. Por exemplo, uma pessoa pode desempenhar vários papéis numa organização no decorrer do tempo; um objecto passa por diversas fases durante o processo de fabrico; ou o planeamento de uma viagem à Europa deve obedecer a diversas restrições temporais e espaciais. Apesar de os humanos demonstrarem uma capacidade inata para lidar com o tempo e o espaço, os agentes inteligentes de software precisam de especificações formais. Contudo, apesar da vasta investigação que tem sido levada a cabo no domínio da engenharia temporal/espacial esta é ainda uma tarefa complexa, trabalhosa e sujeita a erros, visto que é necessário ter conhecimento específico sobre o domínio a modelar e também sobre as teorias que modelam/capturam o tempo e o espaço. Integrar as dimensões temporal e espacial em sistemas inteligentes é uma tarefa complexa e propensa a erros, principalmente porque: 1. muitas vezes o Engenheiro de Conhecimento tem uma percepção intuitiva e informal do tempo e do espaço, enquanto os modelos existentes são formais e complexos, resultando em sistemas nos quais não é possível explorar adequadamente estas dimensões; 2. as dimensões extra, resultantes das componentes temporal e espacial, tornam a ontologia mais complexa, aumentando a dificuldade do processo de verificação e a garantia da completude e consistência do sistema; 3. diferentes intervenientes têm diferentes percepções do tempo e do espaço. Em particular, representar e raciocinar sobre a evolução temporal de conceitos e suas relações considerando ontologias em OWL enfrenta problemas adicionais. A linguagem OWL baseia-se na utilização de relações binárias, o que lhe confere enormes vantagens no processamento automático mas que impõe limitações ao nível da expressividade, tornando complexo representar relações que envolvam mais do que dois argumentos (como por exemplo a caracterização temporal ou espacial de relações). A comunidade científica tem estudado várias formas para fazer face a este problema, nomeadamente: 1. extensões da Lógica Descritiva (DL) com operadores temporais e espaciais; 2. extensões do esquema formal do OWL; 3. aplicação de técnicas de gestão de versões permitindo registar o histórico da evolução da ontologia; 4. ou ainda a criação de esquemas mais complexos para a representação da informação como a criação de conceitos auxiliares para simular a existência de relações n-árias. O principal objectivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de métodos e ferramentas capazes de suportar a engenharia de aspectos temporais e espaciais em sistemas inteligentes através da utilização de ontologias codificadas na linguagem OWL. Uma metodologia de engenharia de ontologias existente chamada Fonte foi utilizada como framework no desenvolvimento deste trabalho. Este método foi aplicado com sucesso na engenharia de aspectos temporais em sistemas inteligentes utilizando ontologias no formato F-Logic. O Fonte utiliza uma abordagem de dividir-para-conquistar de forma que a modelação de domínios complexos pode ser realizada através da composição de diferentes ontologias que definem as diferentes categorias de conhecimento envolvidas no domínio. O Fonte foi utilizado na engenharia dos aspectos temporais em ontologias. Como resultado deste trabalho foi realizada a reengenharia do método Fonte de forma a suportar também a dimensão espacial e a aplicação semiautomática de padrões de desenvolvimento de ontologias (PDO). Em particular este trabalho consistiu no desenvolvimento de: 1. uma linguagem de regras que permite a implementação de PDO e a sua aplicação através da metodologia Fonte 2. mecanismos de verificação que garantem a consistência da ontologia de domínio durante o processo de engenharia; 3. mecanismos de criação automática de propostas baseados em algoritmos de pesquisa semântica e estrutural; 4. ferramenta gráfica de suporte ao método Fonte. As capacidades da metodologia e ferramentas propostas e desenvolvidas foram demonstradas através da engenharia temporal e espacial de uma ontologia do domínio do futebol.