wontovlab: um processo para autoria de laboratórios...

WOntoVLab: Um Processo para Autoria de

Laboratórios Virtuais Baseado em

Workflows e Ontologias

Aluno: Daniel Cintra Cugler

Orientadora: Profa. Dra. Marilde T. P. Santos

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Sumário Introdução

Motivação

Fundamentação Teórica

◦ Laboratórios Virtuais

◦ Ontologias

◦ Tecnologia de Representação de Workflow (XPDL)

Processo WOntoVLab

Protótipo

Estudo de Caso

Conclusão

Contribuições

Trabalhos Futuros

3/35

Introdução Projeto PIPE

◦ Coordenadora: Dra. Célia Maria de Jesus

◦ Pesquisador: Prof. Dr. Mauro Biajiz

Objetivo: Laboratório Virtual de Biologia Molecular

Projeto TIDIA-Ae

◦ Prof. Dr. Cesar A. C. Teixeira

◦ Profa. Dra. Marilde T. P. Santos

◦ Prof. Dr. Mauro Biajiz

4/35

Introdução Laboratórios virtuais

◦ Execução de experimentos em computador

◦ Disponibiliza aparatos para experimentação

◦ Todos aparatos são virtuais

◦ Economia de recursos financeiros

◦ Eliminação de barreiras físicas e temporais

◦ Agregar valor ou substituir laboratórios físicos

Figuras extraídas de: http://engalimentos20082.files.wordpress.com, www.randon.com.br, www.bernabauer.com,

http://www.portalpoliciaecia.com e http://portugues.istockphoto.com

Treinamentos Demonstração de

produtosEducação

EmpresasInstituições de ensino

http://engalimentos20082.files.wordpress.com/

http://engalimentos20082.files.wordpress.com/

http://www.randon.com.br/

http://www.bernabauer.com/

http://www.portalpoliciaecia.com/

http://portugues.istockphoto.com/

5/35

Motivação

Figuras extraída de: http://www.portaldosformadores.com, http://fma.if.usp.br, http://magento-themes.joomlart.com e http://www.maine.gov

Domínio

Biologia Molecular

Extração de DNA

http://www.portaldosformadores.com/

http://fma.if.usp.br/

http://magento-themes.joomlart.com/



http://www.maine.gov/

6/35

Laboratórios virtuais

Mecânica

Figuras extraídas de: http://ahgservices.com, http://portugues.istockphoto.com, http://forum.clubedohardware.com.br,

http://plusengenharia.net, http://upload.wikimedia.org.

Demonstração de

produtos

Engenharia

Treinamentos

Eletrônica

http://ahgservices.com/

http://portugues.istockphoto.com/

http://forum.clubedohardware.com.br/

http://plusengenharia.net/

http://upload.wikimedia.org/

7/35

Comparativo entre os trabalhos

CaracterísticasTrabalhos

1 2 3 4 5 6 7 8

Permite interação do aprendiz na execução

do experimentoX X X X X X

Permite seguir protocolos X X

Permite executar protocolos alternativos

Realiza recomendações X

Permite realizar a avaliação dos

experimentos executados

Voltado para aprendizado à distância

(EAD)X X X X X X X

Tecnologias

Utiliza Wokflows X

Utiliza Ontologias X

DUARTE et al.,2008

GRANADO et al., 2007

DOBRZANSKI; HONYSZ, 2007BREAKEY et al., 2008BELLOUM et al., 2003LUTTICKE;GNORLICH;HELBIG,2002 GERVASI et al., 2003BLASQUEZ et al., 2008

8/35

Desafios

Ontologias + Workflows

Processo WOntoVLab

Ontologias

1. Permitir que experimentos sejam criados conforme as necessidades dos

projetistas

2. Possibilitar a criação de protocolos (roteiro)

3. Realizar recomendações (representação semântica dos aparatos)

4. Explorar a criatividade dos usuários, permitindo a execução de passos

não previstos no protocolo (protocolos alternativos)

5. Avaliar o desempenho dos usuários

9/35

OntologiaClassificação de ontologias: baseado no conteúdo da conceitualização [GUARINO,

1997,1998]

Ontologia de

nível superior

Ontologia de

domínio

Ontologia de

tarefa

Ontologia de

aplicação

Tipos de ontologias, de acordo com sua dependência em relação a uma tarefa ou ponto de vista

particular.

Matéria Tempo

Espaço

Mecânica de navios

Biologia Molecular

Vendas

Extração de DNA

Extração de DNA de tecidos

sólidos

Venda de peças para navios

10/35

Ontologia de Domínio• Representar semanticamente os aparatos associados aos experimentos

• Recomendar aparatos (Motores de inferência – Jena)

• Descrever conceitos, relacionamentos, restrições e instâncias associadas aos

experimentos

Representação parcial de uma ontologia de domínio de biologia molecular

11/35

Ontologia de Aplicação• Representar o protocolo que compõe o experimento

• Descrever diferentes maneiras de se realizar uma tarefa (Protocolos alternativos)

Representação parcial de uma ontologia de aplicação de extração de DNA

12/35

Protocolos Alternativos

Alternativas de execução de um experimento que conduzem a um mesmo resultado

Passo

inicial

Fluxo

Principal

Fluxo

Principal

Fluxo

Alternativo

1

Fluxo

Principal

Passo

Final

Fluxo

Alternativo

2

Fluxo

Alternativo

2

Processo WOntoVLab


DESAFIOS

1. Permitir que experimentos sejam criados conforme as

necessidades dos projetistas


3. Realizar recomendações (representação semântica dos

aparatos)

4. Explorar a criatividade dos usuários, permitindo a execução

de passos não previstos no protocolo (protocolos

alternativos)


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Tecnologia de representação de

workflow (XPDL)◦ XPDL – XML Process Definition Language

◦ Recomendação oficial do Workflow Management Coalition (WfMC)

◦ Propósito permitir a modelagem e representação de processos que compõem

workflows

◦ No WOntoVLab: representar os protocolos dos experimentos.

<xpdl:Activity Id=“Tratar_amostra_com_RNase">

<xpdl:ExtendedAttribute Name="Material" Value=“http...#RNase">

<xpdl:ExtendedAttribute Name="http...#quantidade" Value="5"/>

</xpdl:ExtendedAttribute>

<xpdl:ExtendedAttribute Name="ApplicationOntologyReference" Value="http...

Tratar_amostra_com_RNase_Metodo1"/>

</xpdl:Activity>

...

<xpdl:Transition From="id" Id="trId" To="id"/>

14/35

XPDL – Representação de padrões

de workflow

Padrão Parallel Split – Figura extraída de http://www.workflowpatterns.com

Padrão Sequence – Figura extraída de http://www.workflowpatterns.com

Processo WOntoVLab


DESAFIOS





aparatos)



alternativos)


• Outros padrões...

15/35

Processo WOntoVLab

Processo se adapta a

diferentes domínios

Adequar as ontologias

utilizadas

Tempo de funcionamento

Velocidade

Usuário pode utilizar

seu próprio

algoritmo de

avaliação

16/35

ProtótipoDesenvolvido em quatro etapas:

• 1ª Etapa: Laboratório virtual no ambiente TIDIA-Ae

• 2ª Etapa: Framework WPF (WOntoVLab Process Framework)

• 3ª Etapa: Etapa 1 + Etapa 2

17/35

Protótipo• 4ª Etapa:

• WPF-WS: Web service

Diferentes laboratórios virtuais de diferentes domínios acessando os métodos do WPF através de web services

getAllMaterials

getMaterial

getInstancesSimilarTo

getAllTasks

getTask

creatingAuthorshipWorkflow

creatingExecutionWorkflow

comparingWorkflows

18/35

Estudo de casoObjetivo:

•Verificar eficácia do framework WPF

•Validar o processo WOntoVLab

Experimento: “Extração de DNA genômico de tecidos sólidos”

Especialista do domínio: Dra. Célia Maria de Jesus

Roteiro:

• Modelagem da ontologia de domínio

• Modelagem da ontologia de aplicação

• Levantamento dos requisitos para autoria do experimento

• Criação do diagrama de estados

19/35

Estudo de caso• Métodos do framework WPF

20/35

Estudo de caso - Autoria

Passo: “Acrescentar NaCl e álcool absoluto gelado em um recipiente”

21/35



22/35



23/35



<xpdl:Activity Id="Passo_11">

<xpdl:Description> Acrescentar NaCl e álcool absoluto gelado em um recipiente </xpdl:Description>

<xpdl:ExtendedAttributes>

<xpdl:ExtendedAttribute Name="Material“ Value="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#NaCl">

<xpdl:ExtendedAttribute Name="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#quantidade" Value=“2"/>

<xpdl:ExtendedAttribute Name="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#concentracao_iodo"

Value=“10"/>


<xpdl:ExtendedAttribute Name="Material“

Value="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#Alcool_Absoluto_Gelado">


<xpdl:ExtendedAttribute Name="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#concentracao"

Value=“99"/>


<xpdl:ExtendedAttribute Name="Material"

Value="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#Tubo_de_Ensaio_de_Vidro"/>

<xpdl:ExtendedAttribute Name="ApplicationOntologyReference"

Value="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1258201595.owl#Acrescentar_NaCL_Alc_Metodo1"/>

</xpdl:ExtendedAttributes>

</xpdl:Activity>

24/35

Estudo de caso - ExecuçãoPasso: “Acrescentar NaCl e álcool absoluto gelado em um recipiente”

25/35

Estudo de caso - ExecuçãoPasso: “Acrescentar NaCl e álcool absoluto gelado em um recipiente”





<xpdl:ExtendedAttribute Name="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#concentracao_iodo" Value=“10"/>


<xpdl:ExtendedAttribute Name="Material“ Value="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#Alcool_Absoluto_Gelado">


<xpdl:ExtendedAttribute Name="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#concentracao” Value=“99"/>



Value="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#Agitador_Shaker”>

<xpdl:ExtendedAttribute Name="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#Tempo_funcionamento"

Value=“5"/>


<xpdl:ExtendedAttribute Name="Material“ Value="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#Cadinho"/>


Value="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1251833905.owl#Tubo_de_Ensaio_de_Plastico"/>


…

26/35

Estudo de caso - Avaliação

Recuperar os workflows de autoria e execução

Identificar os aparatos utilizados que não foram propostos pelo projetista







Value=“10"/>






Value=“99"/>





Value="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1258201595.owl#Acrescentar_NaCL_Metodo1"/>


</xpdl:Activity>

Materiais utilizados na autoria do

experimento

Materiais utilizados na execução

do experimento

1 – NaCl 1 – NaCl

2 – Álcool absoluto gelado 2 – Álcool absoluto gelado

3 – Tubo de ensaio de vidro 3 – Agitador Shaker

4 – Cadinho

5 – Tubo de ensaio de vidro

27/35

Estudo de caso - Avaliação<xpdl:Activity Id="Passo_11">






Value=“10"/>






Value=“99"/>





Value="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1258201595.owl#Acrescentar_NaCL_Metodo1"/>


</xpdl:Activity>

28/35

Conclusões

DESAFIOS





aparatos)



alternativos)


29/35

Comparativo entre os trabalhos

CaracterísticasTrabalhos

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Permite interação do aprendiz na

execução do experimentoX X X X X X X

Permite seguir protocolos X X X

Permite executar protocolos alternativos X

Realiza recomendações X X

Permite realizar a avaliação dos

experimentos executadosX

Voltado para aprendizado à distância

(EAD)X X X X X X X X

Tecnologias

Utiliza Workflows X X

Utiliza Ontologias X X

WOntoVLab

30/35

Contribuições

1ª - Processo WOntoVLab

Possibilita a autoria de experimentos conforme as necessidades dos projetistas

Permite a criação de protocolos de execução (roteiro)

Representa semanticamente os aparatos (recomendação)

Considera a execução de passos não previstos no protocolo (protocolos

alternativos)

Avalia o desempenho dos usuários;

Persiste os dados da execução dos experimentos;

Aplicável a diferentes domínios;

SBC: Grandes desafios da pesquisa em computação no Brasil [GRANDES... , 2006]

2º Desafio

Modelagem e simulação computacionais, conduzindo à redução de

custos através da execução de experimentos virtuais

31/35

Contribuições

2ª - Framework WPF – Plugin

3ª - Framework WPF –Web Service

Métodos relacionados à ontologia de domínio:

•List<Material> doGetAllMaterials()

•Material doGetMaterial(String domainOntologyMaterialReference)

•List<Material> doGetInstancesSimilarTo(Material material)

Métodos relacionados à ontologia de aplicação:

•List<Task> aoGetAllTasks()

•Task aoGetTask(String ontoInstanceReference)

•List<Task> aoGetTasksSimilarTo(String applicationOntologyTaskReference)

Métodos relacionados aos workflows

•creatingAuthorshipWorkflow(Experiment experiment, String xpdlFilePath)

•creatingExecutionWorkflow(Experiment experiment, String xpdlFilePath)

•void readAuthorshipWorkflow(String xpdlPath)

•void readExecutionWorkflow(String xpdlPath)

•String comparingWorkflows()

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Trabalhos Futuros

Aperfeiçoar a etapa de avaliação de experimentos

◦ Utilizar redes de petri para representar os protocolos

Base em propriedades matemáticas para comparação dos workflows de autoria e

execução

Implementar algoritmos de avaliação que reconheçam outros

padrões de workflow:

◦ Parallel Split, Synchronization, Exclusive Choice, Simple Merge...

Utilizar os dados do repositório para refinar a etapa de

avaliação

Avaliar o processo WOntoVLab em outros domínios

◦ Laboratórios virtuais de química e física

33/35

Produção CientíficaCUGLER, D. C. et al. OntoVLab: uma arquitetura para laboratórios virtuais baseadaem ontologias. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE BANCO DE DADOS (SBBD) - VIIIWORKSHOP DE TESES E DISSERTAÇÕES EM BANCO DE DADOS, 2009,Fortaleza/Brasil. Proceedings... 2009.

MELO, H. V. F.; CUGLER, D. C.; TEIXEIRA, C. A. C. WebLab: Um modelo paraespecificação e validação de pré-configurações. In: WEBMEDIA - SIMPÓSIOBRASILEIRO DE SISTEMAS MULTIMÍDIA E WEB, 2009, Fortaleza/Brasil.Proceedings... 2009.

CUGLER, D. C.; YAGUINUMA, C. A.; SANTOS, M. T. P. WOntoVLab: uma arquiteturapara laboratórios virtuais baseada em workflows e ontologias. In: SIMPÓSIOBRASILEIRO DE INFORMÁTICA NA EDUCAÇÃO (SBIE). Short paper, 2009,Florianópolis/Brasil. Proceedings... 2009.

CUGLER, D. C.; YAGUINUMA, C. A.; SANTOS, M. T. P. WOntoVLab: a virtuallaboratory authorship process based on workflow and ontologies. In: THE 10th IEEEINTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED LEARNINGTECHNOLOGIES (ICALT), 2010, Sousse/Tunisia. Proceedings... 2010.

34/35

Agradecimentos

FAPESP◦ Financiamento do projeto TIDIA-Ae fase 2 – Processo

2005/60653-1

◦ Projeto PIPE – Processo 07/51636-1

Dra. Célia Maria de Jesus

Prof. Dr. Mauro Biajiz

Profa. Dra. Marilde T. P. Santos

35/35

Obrigado

e-mail: [email protected]

36/35

ReferênciasBELLOUM, A. S. Z. et al. VLAM-G: a grid-based virtual laboratory. Future Generation Computer Systems, v. 19, n. 2, p. 209-217, Feb., 2003.

BLAZQUEZ, J. P. et al. Virtual Laboratory ontology for engineering education. In: 38th FRONTIERS IN EDUCATION CONFERENCE (FIE), 2008, Saratoga

Springs, NY Proceedings. 2008. p. S2F-1-S2F-6. Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4720470>. Acesso em: 01/2010.

BREAKEY, K. M. et al. Genetics education. Genetics, v. 179, p. 1151-1155, 2008.

DOBRZANSKI, L. A.; HONYSZ, R. Materials science virtual laboratory as an example of the computer aid in materials engineering. Journal of

Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, v. 24, n. 2, p. 219-222, 2007.

DUARTE, M. et al. An intelligent universal virtual laboratory (UVL). IEEE Transactions on Education, v. 51, n. 1, p. 2-9, Feb, 2008. Disponível em:

<http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4358718>. Acesso em: 01/2010.

GRANDES..., 2006. Disponível em: <http://www.sbc.org.br/index.php?language=1\&content=downloads\&id=272>. Acesso em: 12/2009.

GRUBER, T. Ontology. In: LIU, L.; OZSU, M. T. (Ed.). Encyclopedia of Database Systems. Springer US, 2009. p. 1963-1965.

GERVASI, O. et al. VMSLab-G: a virtual laboratory prototype for molecular science on the Grid. Future Generation Computer Systems, v. 20, n. 5, p.

717-726, June, 2004.

GRANADO, E. et al. A web-based virtual laboratory for teaching automatic control. Computer Applications in Engineering Education, v. 15, n. 2, p.

192, 2007.

GUARINO, N. Understanding, building and using ontologies. International Journal of Human Computer Studies, v. 46, n. 2, p. 293-310, 1997.

GUARINO, N. Formal Ontology and Information Systems. In: FORMAL ONTOLOGY AND INFORMATION SYSTEMS (FOIS), 1998, Trento, Italy.

Proceedings. IOS Press, 1998. p. 3-15.

LUTTICKE, R.; GNORLICH, C.; HELBIG, H. VILAB - A virtual electronic laboratory for applied computer science. In: CONFERENCE NETWORKED

LEARNING IN A GLOBAL ENVIRONMENT, 2002, Canada/The Netherlands. Proceedings. ICSC Academic Press, 2002. p. 135-140.

http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4720470>






















http://www.sbc.org.br/index.php?language=1/&content=downloads/&id=272>


















37/35

SADT

Structured Analysis and Design Technique

FunçãoOutputInput

Control

Mechanisms

Metodologia para descrever sistemas como uma hierarquia de funções

38/35

Framework / Arquitetura

Framework – Abstração que provê funcionalidades genéricas que podem

ser especializadas para prover uma funcionalidade específica

Arquitetura - Define o que é o sistema em termos de componentes

computacionais e os relacionamentos entre estes componentes. [Shaw96]

39/35

Módulo de autoria

Enquanto houver passos a criar{

Recuperar lista de aparatos representados na

ontologia de domínio e exibir ao projetista;

Solicitar ao projetista a seleção dos aparatos

utilizados no passo corrente;

Recomendar aparatos similares aos selecionados;

Permitir que o projetista selecione aparatos

informados na recomendação;

Se (aparato possui propriedades) {

Solicitar ao projetista o preenchimento das

propriedades;

}

Recuperar lista de tarefas representadas na

ontologia de aplicação e exibir ao projetista;

Solicitar ao projetista a seleção da tarefa que

corresponde ao passo corrente;

}

Gerar workflow de autoria;

40/35

Módulo de execução

Enquanto houver passos a executar {

Recuperar lista de aparatos representados na

ontologia de domínio e exibir ao aprendiz;

Solicitar ao aprendiz a seleção dos aparatos

utilizados no passo corrente;

Recomendar aparatos similares aos selecionados

(facultativo);

Permitir que o aprendiz selecione aparatos

informados na recomendação;

Se (aparato possui propriedades) {

Solicitar ao aprendiz o preenchimento das

propriedades;

}

}

Gerar workflow de execução;

41/35

Módulo de execuçãoRecuperar o workflow de autoria;

Recuperar o workflow de execução;

List<Passos> autoria = lista contendo os passos do workflow de autoria

que são diferentes do workflow de execução;

List<Passos> execução = lista contendo os passos do workflow de execução

que são diferentes do workflow de autoria;

Para (int posição = 0; posição <= autoria.size; posição++) {

Se (inferir na ontologia de domínio se aparatos utilizados na

autoria.get(posição) são similares aos utilizados na

execução.get(posição)) {

Se (propriedades dos aparatos utilizados na autoria e execução são

iguais)

Validar execução.get(posição);

} caso contrario {

Recuperar na ontologia de aplicação lista de tarefas similares à

autoria.get(posição);

Se (execução.get(posição) corresponde à alguma tarefa similar) {

Validar execução.get(posição);

} caso contrário

Invalidar execução.get(posição);

}

posição++;

}

Exibir ao projetista recomendação da avaliação do experimento;

wontovlab: um processo para autoria de laboratórios...

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