WOntoVLab: Um Processo para Autoria de
Laboratórios Virtuais Baseado em
Workflow e Ontologias
Aluno: Daniel Cintra Cugler
Sumário
Introdução Motivação
Fundamentação Teórica
◦ Laboratórios Virtuais
◦ Tecnologia de Representação de Workflow (XPDL)
◦ Ontologias
Proposta: Processo WOntoVLab
Aspectos de Implementação do Protótipo Estudo de Caso
Conclusão Contribuições
Introdução
Laboratórios virtuais
◦ Execução de experimentos em computador
◦ Disponibiliza recursos para experimentação
◦ Todos aparatos são virtuais
◦ Economia de recursos financeiros
◦ Eliminação de barreiras físicas e temporais
◦ Agregar valor ou substituir laboratórios físicos
Treinamentos Demonstração de
produtos
Educação
Empresas
Motivação
Biologia Molecular
Comparativo entre trabalhos
An intelligent universal virtual laboratory (DUARTE et al., 2008).
A web-based virtual laboratory for teaching automatic control (GRANADO et al., 2007). Materials science virtual laboratory as an example of the computer aid in materials
engineering (DOBRZANSKI; HONYSZ, 2007).
The Use of Scenario-Based-Learning Interactive Software to Create CustomVirtual
Laboratory Scenarios for Teaching Genetics (BREAKEY et al., 2008).
VILAB - A virtual electronic laboratory for applied computer science (LUTTICKE;
GNORLICH; HELBIG, 2002).
VLAM-G - a grid-based virtual laboratory (BELLOUM et al., 2003).
VMSLab-G - a virtual laboratory prototype for molecular science on the Grid (GERVASI et
al., 2004).
Laboratórios virtuais
Mecânica Demonstração de produtos Eletrônica Engenharia TreinamentosLimitações dos trabalhos/Desafios
Permitir que experimentos sejam criados conforme as necessidades dos
projetistas
Exigir cumprimento de um protocolo (roteiro)
Passo não previsto no protocolo (protocolos alternativos) Avaliar desempenho dos usuários
Representar semanticamente os aparatos de laboratório Realizar recomendações
Ontologias + Workflows
Ontologia
Por que utilizar ontologias?
• Representar semanticamente os aparatos e protocolos associados aos experimentos • Detalhar recursos, materiais e aparatos utilizados.
• Descrever conceitos, relacionamentos, restrições e instâncias associadas aos
experimentos
• Classificação de ontologias: baseado no conteúdo da conceitualização [GUARINO,
1997,1998]
• Ontologias de Domínio • Ontologias de Aplicação
Ontologia de domínio
• Representar semanticamente os aparatos e protocolos associados aos
experimentos
• Recomendar aparatos
Ontologia de Aplicação
• Representar o protocolo que compõe o experimento
• Descrever diferentes maneiras de se realizar uma tarefa (Protocolos alternativos)
Ontologia de Aplicação
Diferentes maneiras de executar 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
Ontologias + Workflows
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
◦ Permite modelar os passos que compõem o protocolo do experimento.
<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 – 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
Ontologias + Workflows
Proposta – Processo WOntoVLab
Como validar o
processo?
Processo se adapta a diferentes domínios
Protótipo
Desenvolvido em duas etapas:
Protótipo
Desenvolvido em duas etapas:
Protótipo
Desenvolvido em duas etapas:
• 2ª Etapa: Framework WPF (WOntoVLab Process Framework)
• Provê métodos para criar laboratórios virtuais seguindo o processo WOntoVLab
• Duas versões:
• Plugin
• Web service
Estudo de caso
Experimento: “Extração de DNA genômico de tecidos sólidos” Especialista do domínio: Dra. Célia Maria de Jesus
Roteiro:
• Criação da ontologia de domínio
• Criação da ontologia de aplicação
• Levantamento dos requisitos para autoria do experimento
• Criação do diagrama de estados
•Autoria do experimento (Testes realizados em lote)
• Chamada dos métodos do WPF
• Recuperar aparatos na ontologia
• Inferências recomendação
Estudo de caso
• Execução do experimento
• Chamada dos métodos do WPF
• Recuperação do workflow de autoria
• Recuperação dos aparatos na ontologia de domínio
Estudo de caso
•Avaliação do experimento
• Chamada dos métodos do WPF
• Recuperação do workflow de autoria
• Recuperação do workflow de execução
• Comparação dos workflows
• Consulta à ontologia de domínio
• Consulta à ontologia de aplicação
• Feedback do resultado da comparação
Estudo de caso
• Especialista do domínio Avaliação dos processos:
•Autoria
• Execução
•Avaliação
•Tópicos avaliados:
• Recomendação de aparatos
•Avaliação dos experimentos
•Validação dos protocolos alternativos
Conclusões
• Detecção da necessidade de um processo para autoria de laboratórios virtuais.
• O framework WPF possibilitou:
• Realizar estudo de caso
• Estudo de caso demonstrou a eficiência do WPF
• Eficácia do processo WOntoVLab
• Superação das limitações dos trabalhos analisados
•WPF web service
• Maior abrangência e acessibilidade para usuários que desejam utilizar o processo WOntoVLab
Contribuições
Definição de um processo para autoria de laboratórios virtuais para:
Criar experimentos representados por protocolos;
Representar semanticamente os aparatos do laboratório; Recomendar aparatos;
Exigir que usuários cumpram protocolos;
Representar formalmente os protocolos dos experimentos, de forma a possibilitar e
facilitar suas avaliações;
Permitir usuários executarem protocolos alternativos; Persistir os dados da execução dos experimentos;
Prover um processo para autoria de laboratórios virtuais que seja funcional em
diferentes domínios;
Prover um web service contendo métodos que dêem suporte à criação de laboratórios
virtuais
SBC: Grandes desafios da pesquisa em computação no Brasil
[GRANDES... , 2006]
“Modelagem computacional de sistemas complexos artificiais, naturais e
socioculturais e da interação homem-natureza”
Modelagem e simulação computacionais, conduzindo à redução de
custos através da execução de experimentos virtuais
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
Reconhecer padrões de workflow:
◦ Parallel Split, Synchronization, Exclusive Choice, Simple Merge...
Realimentar a ontologia
Avaliar o processo WOntoVLab em outros domínios
Publicações
CUGLER, D. C.; YAGUINUMA, C. A.; SANTOS, M. T. P. WOntoVLab: a virtual laboratory authorship process based on workflow and ontologies. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED LEARNING TECHNOLOGIES (ICALT), 2010, Sousse/Tunisia.Proceedings. 2010.
CUGLER, D. C. et al. OntoVLab: uma arquitetura para laboratórios virtuais baseada em ontologias. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE BANCO DE DADOS (SBBD) - VIII WORKSHOP DE TESES E DISSERTAÇÕES EM BANCO DE DADOS, 2009, Fortaleza/Brasil. Proceedings. 2009.
CUGLER, D. C.; YAGUINUMA, C. A.; SANTOS, M. T. P. WOntoVLab: uma arquitetura para laboratórios virtuais baseada em workflows e ontologias. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE INFORMÁTICA NA EDUCAÇÃO (SBIE). Short paper, 2009, Florianópolis/Brasil. Proceedings. 2009.
MELO, H. V. F.; CUGLER, D. C.; TEIXEIRA, C. A. C. WebLab: Um modelo para especificação e validação de pré-configurações. In: WEBMEDIA - SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SISTEMAS MULTIMÍDIA E WEB, 2009, Fortaleza/Brasil.
Agradecimentos
FAPESP
◦
Financiamento do projeto TIDIA-Ae fase 2 – Processo
2005/60653-1
◦
Projeto PIPE – Processo 07/51636-1
Prof. Dr. Mauro Biajiz
Referências
BELLOUM, 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. 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.
Obrigado
SADT
Structured Analysis and Design Technique
Função Output
Input
Control
Mechanisms
Framework / Arquitetura
Framework – Abstração que provê funcionalidades genéricas que podem
