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Tese de Doutorado
Documento
Autor
Nome completo
João Paulo Orlando
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2017
Orientador
Banca examinadora
Moreira, Dilvan de Abreu (Presidente)
Fortes, Renata Pontin de Mattos
Isotani, Seiji
Santos, José Laurindo Campos dos
Silveira, Marcos Renato da
Título em português
ONTO-Analyst: um método extensível para a identificação e visualização de anomalias em ontologias
Palavras-chave em português
Identificação de anomalias
Ontologias OWL
Problemas de ontologias
Visualização de anomalias
Web semântica
Resumo em português
A Web Semântica é uma extensão da Web em que as informações tem um significado explícito, permitindo que computadores e pessoas trabalhem em cooperação. Para definir os significados explicitamente, são usadas ontologias na estruturação das informações. À medida que mais campos científicos adotam tecnologias da Web Semântica, mais ontologias complexas são necessárias. Além disso, a garantia de qualidade das ontologias e seu gerenciamento ficam prejudicados quanto mais essas ontologias aumentam em tamanho e complexidade. Uma das causas para essas dificuldades é a existência de problemas, também chamados de anomalias, na estrutura das ontologias. Essas anomalias englobam desde problemas sutis, como conceitos mal projetados, até erros mais graves, como inconsistências. A identificação e a eliminação de anomalias podem diminuir o tamanho da ontologia e tornar sua compreensão mais fácil. Contudo, métodos para identificar anomalias encontrados na literatura não visualizam anomalias, muitos não trabalham com OWL e não são extensíveis por usuários. Por essas razões, um novo método para identificar e visualizar anomalias em ontologias, o ONTO-Analyst, foi criado. Ele permite aos desenvolvedores identificar automaticamente anomalias, usando consultas SPARQL, e visualizá-las em forma de grafos. Esse método usa uma ontologia proposta, a METAdata description For Ontologies/Rules (MetaFOR), para descrever a estrutura de outras ontologias, e consultas SPARQL para identificar anomalias nessa descrição. Uma vez identificadas, as anomalias podem ser apresentadas na forma de grafos. Um protótipo de sistema, chamado ONTO-Analyst, foi criado para a validação desse método e testado em um conjunto representativo de ontologias, por meio da verificação de anomalias representativas. O protótipo testou 18 tipos de anomalias retirados da literatura científica, em um conjunto de 608 ontologias OWL de 4 repositórios públicos importantes e dois artigos. O sistema detectou 4,4 milhões de ocorrências de anomalias nas 608 ontologias: 3,5 milhões de ocorrências de um mesmo tipo e 900 mil distribuídas em 11 outros tipos. Essas anomalias ocorreram em várias partes das ontologias, como classes, propriedades de objetos e de dados, etc. Num segundo teste foi realizado um estudo de caso das visualizações geradas pelo protótipo ONTO-Analyst das anomalias encontradas no primeiro teste. Visualizações de 11 tipos diferentes de anomalias foram automaticamente geradas. O protótipo mostrou que cada visualização apresentava os elementos envolvidos na anomalia e que pelo menos uma solução podia ser deduzida a partir da visualização. Esses resultados demonstram que o método pode eficientemente encontrar ocorrências de anomalias em um conjunto representativo de ontologias OWL, e que as visualizações facilitam o entendimento e correção da anomalia encontrada. Para estender os tipos de anomalias detectáveis, usuários podem escrever novas consultas SPARQL.
Título em inglês
ONTO-Analyst: An Extensible Method for the Identification and the Visualization of Anomalies in Ontologies
Palavras-chave em inglês
Anomaly identification
Anomaly visualization
Ontology problems
OWL ontologies
Semantic web
Resumo em inglês
The Semantic Web is an extension of the World Wide Web in which the information has explicit meaning, allowing computers and people to work in cooperation. In order to explicitly define meaning, ontologies are used to structure information. As more scientific fields adopt Semantic Web technologies, more complex ontologies are needed. Moreover, the quality assurance of the ontologies and their management are undermined as these ontologies increase in size and complexity. One of the causes for these difficulties is the existence of problems, also called anomalies, in the ontologies structure. These anomalies range from subtle problems, such as poorly projected concepts, to more serious ones, such as inconsistencies. The identification and elimination of anomalies can diminish the ontologies size and provide a better understanding of the ontologies. However, methods to identify anomalies found in the literature do not provide anomaly visualizations, many do not work on OWL ontologies or are not user extensible. For these reasons, a new method for anomaly identification and visualization, the ONTO-Analyst, was created. It allows ontology developers to automatically identify anomalies, using SPARQL queries, and visualize them as graph images. The method uses a proposed ontology, the METAdata description For Ontologies/Rules (MetaFOR), to describe the structure of other ontologies, and SPARQL queries to identify anomalies in this description. Once identified, the anomalies can be presented as graph images. A system prototype, the ONTO-Analyst, was created in order to validate this method and it was tested in a representative set of ontologies, trough the verification of representative anomalies. The prototype tested 18 types of anomalies, taken from the scientific literature, in a set of 608 OWL ontologies from major public repositories and two articles. The system detected 4.4 million anomaly occurrences in the 608 ontologies: 3.5 million occurrences from the same type and 900 thousand distributed in 11 other types. These anomalies occurred in various parts of the ontologies, such as classes, object and data properties, etc. In a second test, a case study was performed in the visualizations generated by the ONTO-Analyst prototype, from the anomalies found in the first test. It was shown that each visualization presented the elements involved in the anomaly and that at least one possible solution could be deduced from the visualization. These results demonstrate that the method can efficiently find anomaly occurrences in a representative set of OWL ontologies and that the visualization aids in the understanding and correcting of said anomalies. In order to extend the types of detectable anomalies, users can write new SPARQL queries.
 
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Data de Publicação
2017-12-07
 
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