Planejamento para Serviços Web Semânticos

Planejamento para
Serviços Web Semânticos
Juliana Jabra Chahoud
jchahoud@gmail.com
Junho / 2006
Orientadora: Profa Leliane Nunes de Barros

Conteúdo da apresentação

n  Introdução
n  Serviços Web
n  Web Semântica
n  OWL-S: ontologias para descrição de serviços Web
n  Planejamento com ontologias
n  A ferramenta WEBRPlan
n  Um estudo de caso: planejamento de viagens
n  Conclusões e contribuições
n  WEBRPlan: Demonstração

Motivação

n  Serviços Web são componentes de software que podem ser
acessados por outros softwares através da Web;
n  Com o crescimento e proliferação dos serviços Web, torna-se
cada vez mais difícil encontrar um serviço que possa executar
uma tarefa desejada.
n  Isto é ainda mais difícil quando não existe um serviço único, mas
sim combinações de serviços que sejam capazes de executar tal
tarefa
n  Essa combinação de serviços para atingir uma necessidade é
denominada composição de serviços e pode ser feita por um
programador ou automaticamente.
n  O objetivo desse trabalho é automatizar o processo de
composição de serviços.

Introdução

Exemplo de composição de serviços Web

1 2

Preço de livros
em reais

Preço de livros em Conversão de
dólares moedas

Introdução

Composição de serviços completamente
automatizada

n  A composição de serviços Web completamente
automatizada pode ser caracterizada como um
processo que envolve os três passos:
1)  Descoberta automática - localizar serviços candidatos
para a composição
2)  Composição automática - determinar quais serviços
devem ser executados e em que seqüência para atingir
o objetivo
3)  Execução automática - invocação dos serviços Web

Introdução

O que é necessário para a automação

n  Descrever serviços Web de modo que eles possam ser
interpretáveis por máquinas
è  Essa é a proposta da Web Semântica
n  Determinar quais serviços executar e em que ordem:
è  Problema tratado por técnicas de Planejamento em
Inteligência Artificial

Introdução

Principais objetivos desse trabalho

n  definir como a composição de serviços Web pode ser descrita
como um problema de planejamento;
n  determinar quais técnicas de planejamento em IA podem ser
usadas para a composição de serviços Web, o que envolve
identificar quais são as restrições do ambiente de planejamento;
n  identificar uma maneira de descrever serviços Web como
domínios de planejamento (i.e., em termos de ações, tarefas, pré-
condições e efeitos) com base nos princípios da Web Semântica;
n  implementar uma ferramenta de software para dar suporte
durante todas as etapas envolvidas na composição automática de
serviços Web – WEBRPlan (Planejamento para WEB do Brasil)
n  implementar um conjunto de serviços Web que serão usados num
estudo de caso

Introdução

Estudo de Caso:
planejamento de uma viagem para Europa

n  Um turista deseja visitar diversas cidades da Europa. Essa tarefa envolve: reservar
hospedagens, comprar passagens aéreas ou de trem, alugar carro, comprar
ingressos para pontos turísticos e criar uma agenda com seus compromissos de
viagem.
n  Restrições do problema:
l  o cartão de crédito do turista possui um limite de saldo;
l  acomodações possuem uma dada disponibilidade de vagas;
l  de acordo com a distância entre as cidades existem diferentes tipos de transporte
disponíveis;
l  de acordo com o seu saldo, o turista pode pagar diferentes tipos de transporte e
acomodação;
l  de acordo com a previsão de tempo diferentes pontos turísticos podem ser visitados.
n  Serviços Web criados:
l  Hospedagem, Transportes, Ingressos, EuroInfo (informações sobre tempo e
distância) e Agenda.

Introdução

Conhecimento prévio sobre o domínio de viagens

n  Meios de transporte: trem, carro ou avião
n  Meios de transporte possuem as propriedades: custo e disponibilidade. O custo
de trem e de avião corresponde ao preço das passagens e o custo de carro ao seu
aluguel.
n  Tipos de passagens: passagem aérea ou passagem de trem. Passagens possuem
as seguintes propriedades: passageiro, origem, destino, data e custo.
n  Localizações: cidades, aeroportos, países, acomodações e pontos turísticos. Uma
localização pode estar localizada em outras localizações.
n  Acomodações: hotéis, pousadas e albergues. Acomodações possuem as seguintes
propriedades: número de vagas, custo (diária) e localização.
n  Pontos turísticos podem ser classificados em pontos turísticos de inverno ou de
verão.
n  Pessoas: turistas e passageiros. Pessoas possuem cartão de crédito que por sua
vez possui um saldo. Turistas, possuem agendas com datas e descrições de seus
compromissos.
n  Um turista possui os seguintes compromissos: embarcar, desembarcar, retirar
carro, devolver carro, visitar pontos turísticos, check-in e check-out em uma
acomodação.
n  Pessoas e meios de transporte mudam de localização.

Introdução

O que são serviços Web?

n  São componentes de software que:
l  disponibilizam uma interface (WSDL) que descreve
uma coleção de operações acessíveis pela rede
através de mensagens (SOAP), em formato XML
l  são independentes de linguagens e de plataformas
(padrões propostos pela W3C: WSDL, SOAP, XML,
HTTP)

Serviços Web

Como usar um serviço Web?

1 Publica a URL e descrição do
serviço Web
2 Descobre o serviço Web UDDI
3 Lê a descrição WSDL
5 Cria um proxy para o serviço Web
2 1
6 Invoca o
serviço Web
através do Cliente
Proxy 3 .wsdl
5 6
Proxy Serviço Web

Serviços Web

WSDL: exemplo do serviço para compra de ingressos

Onde o serviço está Como as mensagens Operações que serão Mensagens que serão
localizado serão transmitidas: permitidas: transmitidas:
especificação do SOAP comprarIngresso comprarIngressoRequest
comprarIngressoResponse

Serviços Web

Principais utilizações dos serviços Web

n  Integração entre empresas (B2B)
n  Integração entre empresas e consumidores (B2C)
n  Integração de aplicações corporativas
n  Dispositivos móveis
n  Distribuído / Peer-to-Peer

Serviços Web

Serviços Web Semânticos

n  A linguagem WSDL descreve a interface de serviços
Web de modo que serviços possam ser acessados
independentemente de linguagem e plataforma.
n  Porém, para fazer a composição automática, bem como
a descoberta, é necessária uma descrição de serviços
Web segundo a proposta da Web Semântica:
l  conteúdo Web descrito em uma linguagem formal,
interpretável por máquina, que permita fazer inferências
lógicas

Web Semântica

O que é Web Semântica?

n  A Web Semântica surge como uma evolução da Web
atual, com a principal preocupação em representar
informações na Web de maneira que as máquinas
possam interpretá-las
n  Tecnologias necessárias para sua implementação:
l  uma maneira de disponibilizar definições de
termos e relações entre eles (ontologias)
l  uma linguagem que permita adicionar semântica
aos documentos da Web (instâncias das
ontologias)
ontologias + instâncias = base de conhecimento
Web Semântica

O que é ontologia?

n  Uma especificação formal (baseada em lógica) de conceitos de
um domínio e da relação que existe entre eles.
n  Ontologias servem para:
l  compartilhar uma interpretação da estrutura de
informação entre pessoas ou agentes computacionais
l  permitir a reutilização de uma especificação (modelo)
de um domínio do conhecimento
l  fazer inferências lógicas a respeito de um domínio

n  OWL é a linguagem adotada como padrão pelo W3C para
descrição de ontologias

Web Semântica

OWL: características básicas

n  Classe é uma coleção de propriedades que descrevem
um grupo de indivíduos (owl:Class)
n  Propriedades são usadas para criar relações
(owl:ObjectProperty e owl:DatatypeProperty)
n  OWL fornece características de propriedades,
restrições de tipo (owl:Restriction) e de cardinalidade
(owl:Cardinality)
n  Permite construções de classes complexas
(intersectionOf, unionOf e complementOf)

Web Semântica

Ferramentas para ontologias

n  Ferramentas para edição de ontologias (Protégé, Oiled,
OWL-editor, etc)
n  Ferramentas para construção de aplicações: para
consultas em ontologias e mecanismos de inferências
(Jena, Racer, Pellet, etc)

Web Semântica

JENA

n  Framework em JAVA para construção de aplicações
para Web Semântica, fornecendo um ambiente de
programação para as linguagens RDF, RDFS e OWL.
Suas principais funcionalidades são:
l  APIs para RDF e para ontologias, incluindo leitura e
escrita nos documentos
l  Armazenamento das informações em memória ou
persistência em banco de dados
l  Linguagens para consulta em ontologias (ARQ, que
implementa SPARQL)
l  Motores de inferência (RDFS, OWL, regras)

Web Semântica

Ontologias usadas nesse trabalho

n  Esse trabalho, além de usar ontologias que descrevem
serviços Web (mostradas a seguir), são usadas
também ontologias específicas do domínio de
aplicação.
n  Por exemplo, para o Estudo de Caso sobre viagens
para Europa, foi construída a ontologia Euro.owl
(Protégé).

Web Semântica

OWL-S:
ontologias para descrição
de serviços Web

OWL-S: OWL-based Web Service ontology

n  Conjunto de ontologias para descrever serviços Web
através da linguagem OWL que facilitam a construção
de processos automáticos para Web
n  OWL-S é estruturada em quatro ontologias:
l  Service.owl,
l  Profile.owl,
l  Process.owl e
l  Grounding.owl

ontologias OWL-S + serviços Web = base de conhecimento

OWL-S

Relação entre as ontologias do OWL-S
[OWL-S, 2004]

OWL-S

ServiceModel (Process.owl):
principal ontologia para composição

n  A ontologia ServiceModel descreve:
l  operações de serviços como processos atômicos e
compostos
l  a decomposição de processos compostos através de
construções de controle (sequence, split, split+join,
unordered, choice, if-then-else, iterate e repeat-until)
l  Propriedades de processos necessárias para
automatizar a composição (IOPES) : hasInput,
hasOutput, hasPrecondition e hasResult.
Limitação: não existe um padrão para descrever essas
propriedades.

OWL-S

Exemplo de processo composto:
devolve preço em reais de livros
<process:CompositeProcess rdf:ID="BookPriceProcess">
<process:hasInput rdf:resource="#BookName" />
<process:hasInput rdf:resource="#Currency" />
<process:hasOutput rdf:resource="#BookPrice" />
<process:composedOf>
<process:Sequence>
<process:components rdf:parseType="Collection">

<process:AtomicProcess rdf:about="BNPrice.owl#BNPriceProcess" />
<process:AtomicProcess rdf:about="CurrencyConverter.owl#CurrencyConverterProcess" />

</process:components>
</process:Sequence>
</process:composedOf>
...
</process:CompositeProcess>

OWL-S

Ferramentas para a linguagem OWL-S

n  WSDL2OWLS: dado um serviço Web descrito na
linguagem WSDL, essa ferramenta fornece uma
tradução semi-automática de WSDL para OWL-S:
l  especificação completa de Grounding e
l  especificações parciais das ontologias e Process e
Profile (adição manual de IOPES)
n  OWL-S API: dado um serviço Web descrito em OWL-S,
essa ferramenta fornece uma maneira de ler e executar
esses serviços

OWL-S

Planejamento com
ontologias

Planejamento

n  Planejar é um processo de escolha de ações para atingir
um objetivo, através da previsão dos efeitos da execução
dessas ações e da descrição do estado atual do mundo.
n  Planejamento clássico: ações instantâneas, informação
completa do mundo, ações determinísticas, não existência
de ações exógenas.
n  Existem duas abordagens de planejamento clássico:
l  planejamento para metas de alcançabilidade
l  planejamento para decompor tarefas

Planejamento com ontologias

Planejamento para metas de alcance

Um problema de planejamento pode ser descrito pelos elementos
<S, s0,G, A, f >, em que:
l  S é um conjunto finito de estados;
l  s0 ∈ S é um estado inicial;
l  G ⊆ S é um conjunto de estados meta;
l  A(s) é um conjunto finito de ações aplicáveis, para cada estado s ∈ S;
l  f : S × A −> S é uma função de transição de estados que mapeia um estado
s para outro estado s’, após a execução de uma ação a em s.
Plano Solução: uma seqüência de ações que quando executada em s0 leva a
(alcança) um estado meta g ∈ G.
Estratégia de solução: raciocinar sobre estados e a função de transição de estados
para alcançar os estados meta.


Planejamento para decompor tarefas
(planejamento hierárquico)
Um problema de planejamento hierárquico pode ser descrito pelos elementos <S, s0,A, f, T,M, d0>, em que:
n  S é um conjunto finito de estados;
n  s0 ∈ S é um estado inicial;
n  G ⊆ S é um conjunto de estados meta;
n  A(s) é um conjunto finito de ações aplicáveis (tarefas primitivas), para cada estado s ∈ S;
n  f : S × A −> S é uma função de transição de estados que mapeia a transição de um estado s para outro
estado s’ após a execução de uma ação a em s;
n  T é um conjunto finito de (nomes) tarefas compostas;
n  M é um conjunto de métodos para decompor tarefas compostas. Um método é um par (t,d), onde t ∈ T e
d é uma rede de tarefas. M(s) é um conjunto finito de métodos aplicáveis, para cada estado s ∈ S;
n  Uma rede de tarefas é formada por um conjunto de tarefas compostas ou primitivas e uma ordem parcial
(ou total) entre elas;
n  d0 é a rede de tarefas inicial;
Plano Solução: Uma rede de tarefas primitivas que pode ser executada em s0
Estratégia de solução: raciocinar sobre os métodos (alternativos) de decomposição das tarefas compostas
contidas na rede de tarefas inicial (d0)


Planejamento para metas de alcance: exemplo

s0: {em(SaoPaulo), G: visitada(TorreEiffel)
tempassagem(SaoPaulo,Paris)}

Ação: visitar(TorreEiffel)
Prec: {em ( Paris)}
Ação: viajar(SaoPaulo,Paris)
Prec: {em (SaoPaulo) , Efeitos de adição: {visitada
(TorreEiffel)}
Efeitos de Adição: {em(Paris)}
Efeitos de Eliminação: {em(SaoPaulo),

Plano solução: viajar( SãoPaulo, Paris) è visitar( TorreEiffel)


Planejamento para decompor tarefas: exemplo

Tarefa: viajar(Barcelona,Paris) Tarefa: comprar_pass_aérea(Barcelona,Paris)
Prec: {saldo_cartao(C) ,
s0: {em(Barcelona), saldo_cartao(C),
custo_pass_aerea(Barcelona, Paris,P1), (C>= P1)}
custo_pass_aerea(Barcelona, Paris, P1)
Efeitos de adição:
custo_pass_trem(Barcelona, Paris, P2)}
{passagem_comprada(Barcelona, Paris),
Método(viajar,d1) saldo_cartao(C – P1)}
Prec: {distancia(Barcelona,Paris) > 500 km} Efeitos de eliminação: {saldo_cartao(C)}
Rede de Tarefas d1:
Tarefa: viajar_de_aviao(Barcelona,Paris)
{comprar_pass_aérea(Barcelona,Paris)
Prec: {passagem_comprada(Barcelona, Paris),
viajar_de_aviao(Barcelona,Paris)}
em(Barcelona)}
Método(viajar,d2) Efeitos de adição: {em(Paris)}
Prec: { } Efeitos de eliminação: {em(Barcelona)}
Rede de Tarefas d2:
{comprar_pass_trem(Barcelona,Paris),
viajar_de_trem(Barcelona,Paris)}

Plano solução: comprar_pass_aérea(Barcelona,Paris) è viajar_de_aviao(Barcelona,Paris)


Planejamento para serviços Web: as suposições
feitas em planejamento clássico
Na Web, não é possível fazer a maioria das suposições feitas no planejamento
clássico:
l  informação incompleta do mundo: a Web possui uma coleção massiva de
informações e que nem sempre podem ser acessadas
l  ainda que todo o conteúdo da Web pudesse ser acessado, qualquer aplicação
deve coletar informação na Web somente quando necessária
l  não se pode ter certeza sobre os efeitos da execução de uma ação (ações
não-determinísticas)
l  podem ocorrer mudanças no estado do mundo que independem das ações
definidas no domínio de planejamento (ações exógenas)
l  podem ocorrer transições de estado que não sejam instantâneas (ações com
duração de tempo)
l  serviços Web podem descrever nomes de processos e dados (nomes de ações
e literais) que podem ser subclasses ou equivalência de outros nomes de
conceitos


Como fazer planejamento de serviços Web?

Nesse trabalho foram adotadas as seguintes soluções:
1.  Serviços Web devem ser descritos como instâncias das ontologias do OWL-S
2.  Uso de técnicas de planejamento hierárquico para decompor processos
compostos de serviços Web
3.  Tarefas primitivas e compostas são processos
OWL-S (serviços Web são naturalmente descritos em uma estrutura hierárquica)
4.  O estado do mundo é representado como instâncias de ontologias: de serviços e
do domínio de aplicação (base de conhecimento) + as informações da Web

5.  Pré-condições (de ações primitivas ou de métodos de decomposição) especificam
consultas à base de conhecimento ou consultas à Web
6.  Para verificar se uma pré-condição é verdadeira, é usado um motor de inferência
junto com ontologias


Planejamento para decompor tarefas:
exemplo utilizando consultas na base de conhecimento

Tarefa: viajar(Barcelona,Paris)
Tarefa:comprar_pass_aérea(euro:Barcelona,euro:Paris)
Prec: {SELECT ?C WHERE
Método(viajar,d1) { euro:cartao euro:saldo ?C} ,
Prec: { SELECT ?P1 WHERE
(SELECT ?x WHERE {?pass rdf:type euro:passagemAerea.
{ ?dist rdf:type euro:dist. ?pass euro:de euro:Barcelona.
?dist euro:de euro:Paris. ?pass euro:para euro:Paris.
?dist euro:para euro:Barcelona. ?pass euro:custo ?P1}
?dist euro:valor ?x}) (C >= P1)}
x > 500 km} Efeitos de adição:
Rede de Tarefas d1: {(euro:pass_comprada, euro:Barcelona, euro:Paris),
{comprar_pass_aérea (euro:cartao, euro:saldo, C – P1)}
(euro:Barcelona,euro:Paris) Efeitos de eliminação: {(euro:cartao, euro:saldo, C)}
viajar_de_aviao
(euro:Barcelona,euro:Paris)}
Tarefa: viajar_de_aviao(Barcelona,Paris)
...

Dificuldades para a implementação da ferramenta
WEBRPlan

1.  A maioria dos sistemas de planejamento não fazem:
l  chamadas externas para a verificação de pré-
condições (na Web);
l  raciocínio sobre ontologias
2.  Não existem Serviços Web descritos diretamente em
OWL-S
3.  Não é possível descrever processos compostos, pré-
condições e efeitos em WSDL. Assim, tradutores
automáticos de WSDL para OWL-S são limitados.

A ferramenta WEBRPlan

Sistema de planejamento JSHOP2

JSHOP2 é um sistema de planejamento hierárquico que
possui características desejadas para o planejamento
de serviços Web:
l  redes de tarefas totalmente ordenadas, o que permite
conhecer o estado corrente do mundo em cada etapa
do processo de planejamento, facilitando a verificação
de pré-condições;
l  possui um grande poder de expressividade, por
exemplo, nas pré-condições pode-se misturar
computações numéricas e chamadas a programas
externos (consultas a base de conhecimento ou Web).


WEBRPlan

Ferramenta implementada em JAVA que possui quatro
funções principais:
1.  Seleção de serviços Web para composição e seleção
das ontologias relacionadas ao domínio de aplicação
2.  Conversão das descrições dos serviços em WSDL para
OWL-S + inserção de processos compostos e IOPES
3.  Conversão das descrições dos serviços em OWL-S para
tarefas e métodos de planejamento hierárquico +
inserção das chamadas a um avaliador de pré-condições
4.  Composição de serviços Web, dada uma rede de tarefas
especificada pelo usuário, utilizando o planejador
JSHOP2 e o JENA (JENA2)

Integração do JSHOP2 com o JENA e a Web


Execução do plano

n  apesar de fazer coleta de informações e consulta a uma
base de conhecimento on-line, o JSHOP2 gera um
plano para ser executado off-line.
n  somente nesse instante os efeitos da execução dos
processos são adicionados a base de conhecimento


Um estudo de caso:
planejamento de viagens

Metodologia de desenvolvimento do estudo de caso

Resolver o problema de planejamento de viagens de três
maneiras diferentes:
1.  Descrever o problema diretamente como tarefas e
métodos do planejador JSHOP2
2.  Uso do planejador JSHOP2 fazendo consultas a base de
conhecimento formada pela ontologia de viagens
(Euro.owl) e suas instâncias. Aqui, precondições e e
efeitos são termos da ontologia. Uso do JENA.
3.  Planejamento de viagens diretamenta na Web.
Construção e tradução dos serviços de viagem para
tarefas e métodos do JSHOP2. Uso do JENA e de cliente.

Estudo de caso

Dados do estudo de caso
n  Foram implementados 5 serviços Web contendo:
l  11 operações transacionais (não instanciadas),
l  12 operações de coleta de informação (na base de conhecimento ou na Web),
l  Um conjunto de 4 ontologias para cada serviço criado e
l  Conceitos definidos na ontologia Euro.owl (editada no Protégé).

Estudo de caso

Conclusões

n  Neste trabalho foi mostrado como a composição de serviços Web
pode ser descrita como um problema de planejamento;
n  Foi identificado que planejamento hierárquico com pré-condições
como chamadas de programas externos é uma técnica que pode
ser usada a composição de serviços Web;
n  Foi definida uma maneira de descrever serviços Web como
domínios de planejamento (i.e., em termos de ações, tarefas, pré-
condições e efeitos) com base nos princípios da Web Semântica;
n  Foi implementado um conjunto de serviços Web para um estudo
de caso sobre planejamento de viagens
n  Foi implementada a ferramenta WEBRPlan para dar suporte
durante todas as etapas envolvidas na composição automática de
serviços Web.

Conclusões e contribuições

Conclusões

n  Foram estudadas e/ou empregadas as seguintes
tecnologias:
l  Ontologias e Web Semântica
l  JENA, SPARQL, Protégé, OWL, RDF, RDFS
l  XML, Java, Eclipse
l  Serviços Web, WSDL, Tomcat, Axis e os protocolos
HTTP e SOAP
l  OWL-S, OWL-S API, WSDL2OWL-S
l  Planejamento em IA e o planejador JSHOP2


Contribuições

n  propor e implementar uma combinação original de tecnologias para
realizar a composição de Serviços Web:

JSHOP-2 + JENA + OWL-S
n  explicar e implementar um processo completo de composição de serviços
Web segundo a proposta da Web Semântica
n  desenvolver uma interface entre o planejador e o motor de inferência,
evitando-se alterar a implementação do planejador
n  adotar uma nova maneira de representar pré-condições e efeitos em OWL-
S
n  disponibilizar a ferramenta de software WEBRplan, para ser usda em
outros domínios de aplicação, diferentes do estudo de caso: WEBRplan
ferramenta pode ser vista como um produto gerado pelo trabalho de
mestrado
n  construção incremental do estudo de caso como uma forma didática para
a compreensão do uso de 3 tecnologias emergentes: (1) planejamento, (2)
planejamento com ontologias e (3) planejamento com ontologias para
serviço Web.


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