Enunciado - Técnico Lisboa

Instituto Superior Técnico
Licenciatura em Eng. Informática e de Computadores
Campus Taguspark
Enunciado do Projecto de Representação de
Conhecimento
Ontologia de Ciclo de Vida das Estrelas
Ano 2003-2004
Objectivo
O objectivo deste trabalho é a construção de uma ontologia no domínio da Astrofísica,
em particular sobre corpos celestes em geral. Pretende-se que seja dado um ênfase
especial para o ciclo de vida das estrelas o qual determina as características das estrelas
que observamos.
Domínio
Aproximadamente 10 a 20 milhar de milhões de anos atrás deu-se uma enorme
explosão, o “Big Bang”, e este acontecimento deu origem ao nosso Universo. A razão
para este acontecimento é desconhecida. Toda a matéria e energia que existe hoje no
Universo estavam concentradas numa densidade extremamente elevada. Não se pode
dizer que toda a matéria e energia estavam esmagadas num local, mas sim que todo o
Universo ocupava um volume muito pequeno. A partir dessa explosão gigantesca, o
Universo iniciou um processo de expansão, o qual nunca parou até hoje.
No início, o Universo era extremamente quente e brilhante motivo pelo qual é
vulgarmente referido como bola de fogo. O Universo inicial estava totalmente ocupado
de radiação e de matéria. A radiação da bola de fogo varria todo o espectro – desde raios
gama, raios X, raios ultra-violeta, todo o espectro visível, raios infravermelhos até às
ondas de rádio. Os restos desta radiação inicial podem ainda ser detectados hoje em dia
pelos radiotelescópios, sendo motivo de estudo por parte da comunidade científica.
À medida que se foi dando a expansão do Universo a matéria arrefeceu visto que a
pressão diminui devido ao aumento de volume. O Universo passou a ser frio e escuro,
tal como hoje o conhecemos. O universo jovem para além de cheio de radiação era
constituído por hidrogénio e hélio, formados a partir das partículas elementares
existentes na bola de fogo inicial.
Com o passar do tempo, formaram-se pequenas descontinuidades que cresceram.
Formaram-se nuvens de gás e colónias de “coisas” imensas, brilhando continuamente e
rodando lentamente sobre si mesmas. As maiores estruturas que hoje reconhecemos no
Universo tinham-se formado – as galáxias.
Aproximadamente um milhar de milhões de anos depois do “Big Bang” a distribuição
de matéria no Universo era um pouco irregular, possivelmente porque o “Big Bang” não
foi perfeitamente uniforme. A matéria estava mais densamente compactada em alguns
locais do que noutros. A gravidade atraiu para esses locais quantidades significativas do
gás vizinho e de hidrogénio e hélio, os quais estavam destinadas a ser agregados
(clusters) de galáxias. Note-se que uma pequena descontinuidade é suficiente para, mais
tarde, produzir uma concentração substancial de matéria. À medida que se ia dando
um/a colapso/contracção devido à atracção gravítica, as galáxias primordiais
começaram a girar cada vez mais depressa, devido à conservação do momento angular.
Algumas achataram ao longo do eixo de rotação, sempre que a gravidade não fosse
equilibrada pela força centrífuga, tornando-se nas primeiras galáxias em espiral. Outras
protogaláxias com menor gravidade ou menos rotação inicial achataram muito pouco,
tornando-se nas primeiras galáxias elípticas. Dentro destas primeiras galáxias algumas
nuvens de poeira estavam também a sofrer um colapso gravitacional. As temperaturas
interiores dentro destas nuvens tornaram-se muito elevadas pelo que se iniciaram
relações termonucleares - as primeiras estrelas “acenderam-se”.
As estrelas jovens, quentes e massivas evoluíram rapidamente, consumindo hidrogénio,
o seu combustível, e terminaram as suas vidas em explosões muito brilhantes, as
supernovas, as quais produzem como cinza termonuclear hélio, carbono, oxigénio e
elementos mais pesados até ao ferro, a qual foi integrada na poeira interestelar. Esta
poeira, por sua vez, entrou mais tarde na formação das gerações seguintes de estrelas.
Os outros elementos mais pesados conhecidos não existiam inicialmente.
As estrelas têm um ciclo de vida, o qual depende essencialmente da sua massa inicial.
Uma estrela começa como protoestrela, fase em que se dá a contracção. Quando, por
acção da gravidade, as poeiras e gases são reunidas numa bola gigantesca muito densa
em que a temperatura é suficiente para fundir os átomos de hidrogénio em hélio – 4
átomos de hidrogénio são combinados para formar um núcleo de hélio e libertar raios
gama - a estrela acende-se. Nessa altura, devido a um conjunto de vários processos
físicos, a força gravítica é compensada pela pressão gerada pelas reacções nucleares, ou
seja a estrela está em equilíbrio hidrostático. A estrela entra então na chamada sequência
principal – a fase mais longa do seu ciclo de vida. Por exemplo, o nosso sol, é uma
estrela de sequência principal, ou anã amarela1. Quando o hidrogénio do núcleo da
estrela for totalmente consumido, esta entra na fase de subgigante e seguidamente
poderá dar origem a uma gigante vermelha ou supergigante vermelha, consoante a
estrela seja supermassiva ou não. A forma como uma estrela termina a sua vida depende
da sua massa podendo dar origem a uma anã branca, buraco negro ou estrela de
neutrões.
Dada a enorme quantidade de conhecimento sobre o domínio já reunido pelos cientistas
da área, o conhecimento a representar neste projecto tem de ser limitado. Neste projecto
pretende-se representar o conhecimento consensual respeitante ao ciclo de vida das
estrelas. Alguns dos conceitos importantes a representar serão: anãs -em particular as
amarelas, as brancas e as pretas-, as estrelas de neutrões -em que se incluem os pulsar-,
as gigantes, supergigantes, os buracos negros, galáxias, nuvens de partículas, o
acontecimento das supernovas. Será importante tentarem identificar um conjunto de
propriedades segundo os quais as estrelas se classificam tais como a sua luminosidade,
temperatura/cor (normalmente intervalo de temperaturas típicas ou temperaturas
aproximadas para uma classe), densidade, massa, etc.
Também é importante representar qual o fenómeno responsável pela transformação da
estrela durante o seu ciclo de vida. No entanto, está fora do âmbito deste trabalho fazer a
caracterização completa desses fenómenos. Por exemplo, pretende-se que seja
representada que a razão pela qual uma estrela na sequência principal (ou anã amarela)
se transforma em subgigante (o hidrogénio, que está a ser fundido no núcleo central
esgotou-se), mas não se pretende caracterizar as reacções nucleares em si que estão a ter
lugar no núcleo.
Estes conceitos podem corresponder a classes, instâncias, atributos/relações, etc. O
nosso sol deverá ser usado para mostrar como se poderia inserir conhecimento sobre
uma estrela particular na base de conhecimento.
No entanto, está fora do âmbito deste trabalho representar estrelas particulares e as
suas características.
1
Esta nomenclatura é diferente, mas tem o mesmo significado. Neste momento é uma nomenclatura
menos usada.
Processo de Construção da Ontologia
Esta ontologia deverá ser construída a partir do zero.
Cada grupo deverá efectuar a sua aquisição de conhecimento sobre o domínio,
encontrar um modelo conceptual apropriado para representar esse conhecimento e
formalizar o conhecimento na ferramenta indicada. Ao longo de todo o processo
deverão ser tomadas medidas de forma a assegurar a qualidade da ontologia.
Especificação
A ontologia a construir deve conter conhecimento suficiente de forma a introduzir
alguém que não seja da área aos conceitos fundamentais do domínio para que os passe a
compreender. Está fora do âmbito desta ontologia reunir conhecimento sobre as
experiências ou a história da astrofísica. Na secção sobre o domínio encontram-se
referidos alguns dos conceitos fundamentais que terão de estar representados na
ontologia.
Aquisição de Conhecimento
As fontes primordiais de referência a usar, dado serem fontes que resumem os conceitos
mais importantes do domínio a representar, são:
http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/
e
http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/advanced_science.html
Outros links úteis:
http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html
No relatório deverão ser descritas todas as fontes usadas.
Para além dos “links” fornecidos, outras fontes que poderão ser usadas são: (1) peritos e
(2) bibliografia vária disponível. No caso de serem consultados peritos deverá ser feito o
seu reconhecimento e descrito sumariamente o tipo de qualificações que têm na secção
que descreve a aquisição efectuada. Deverá ser referida a bibliografia usada: os livros,
revistas, etc. Caso sejam usadas outras fontes electrónicas, o seu endereço deverá ser
apresentado na secção que descreve a aquisição de conhecimento.
Pretende-se que todos os elementos de grupo leiam as fontes de conhecimento sobre o
domínio escolhidas e estejam juntos nas entrevistas que sejam efectuadas de forma a
ficarem com uma visão semelhante sobre o domínio.
Conceptualização
Uma vez feita a aquisição de conhecimento do domínio deverão ser identificados os
seus conceitos essenciais. Por exemplo, conceitos que deverão estar representados na
ontologia são: anãs, supergigantes, buracos negros, galáxias, nuvens de partículas, o
acontecimento das supernovas, massa, luminosidade, etc. (Ver secção sobre o domínio).
Estes conceitos serão agrupados em módulos. Dentro de cada módulo os conceitos
encontram-se organizados hierarquicamente.
No relatório, para além da descrição do modelo conceptual encontrado para o domínio
devem ser descritos todos os conceitos representados nomeadamente as definições
adoptadas e as fontes de conhecimento onde essas definições foram encontradas. Caso a
definição de um dado conceito corresponda a uma combinação de definições de várias
fontes, estas devem ser mencionadas.
Para chegar ao modelo conceptual aconselha-se a que os alunos sigam as seguintes
fases:
Primeiro os alunos devem começar por reunir informação sobre os conceitos
fundamentais que pensam serem necessários representar. Todos os conceitos têm
definições as quais, numa fase inicial, correspondem a definições em linguagem natural.
Por exemplo, “uma estrela é um corpo celeste que gera energia através de reacções de
fusão nuclear no seu núcleo etc.”. Com base na definição de um conceito identificam-se
conceitos que também terão de estar representados. Por exemplo, para representarmos
estrela temos de representar corpo celeste, energia, reacções de fusão, núcleo, etc. Nesta
fase, os alunos deverão ir impondo limites ao seu projecto. Por exemplo, poder-se-á
representar reacções de fusão, mas não se quer caracterizar completamente as reacções
nucleares que se dão nas estrelas. Também não se pretende que representem uma
ontologia de elementos químicos (existe uma disponível em: http://www-kslsvc.stanford.edu:5915/) ou de partículas constituintes da matéria.
Um dos produtos desta fase será um glossário com os conceitos do domínio que irão
tentar representar formalmente na fase da formalização. Um glossário consiste numa
sequência de pares “palavra” (que designa um determinado conceito) e sua “definição”.
Por exemplo:
estrela - corpo celeste que gera energia através de reacções de fusão nuclear no seu
núcleo etc.
Este glossário encontrado deverá aparecer no relatório do projecto.
Seguidamente, os conceitos identificados deverão ser organizados hierarquicamente e
em módulos.
A forma como ele vai ser encontrado depende de grupo para grupo, mas alguns dos
tipos de modelos conceptuais intermédios que foram referidos nas aulas teóricas podem
ser úteis: dos mais informais -como os mind maps, modelo de ilhas, - até chegarem aos
mais formais - como as representações tabulares intermédias típica dos sistemas de
enquadramentos, ou usando a representação base das DL’s (description logics) - etc.
Note-se que aqui já vai haver um conjunto de decisões de representação, tais como,
quais os conceitos a representar como classes, atributos, instâncias, etc. Por exemplo, é
natural que o nosso sol venha a ser representado como uma instância das estrelas na
sequência principal e que as estrelas sejam representadas como uma subclasse dos
corpos celestes.
O modelo conceptual final que o grupo encontrou deverá aparecer no relatório do
projecto. Caso seja necessário, poderá ser partido em várias figuras/partes. O modelo a
entregar corresponde ao modelo final que pretenderam formalizar na ferramenta.
Eventualmente poderão existir diferenças entre ele e o modelo final que foi
efectivamente representado na ferramenta, na fase seguinte de formalização.
Formalização
A ferramenta a usar para formalizar o modelo conceptual é a PRÓTÉGÉ, a qual está
disponível em http://protege.stanford.edu. Do ponto de vista do modelo formal utilizado
por esta ferramenta, ele pode ser classificado como um sistema de enquadramentos
(com algumas características de formalismos da família das description logics). Os
alunos deverão aceder ao referido site e instalar a ferramenta no seu ambiente de
trabalho. Está disponível na referida página (ver documentation) um tutorial sobre a
utilização da ferramenta para apoiar a construção de ontologias, um manual completo da
ferramenta e um guia sobre a construção de ontologias. Uma fonte valiosa de referência
é a FAQ que está disponível através da referida página.
Os alunos poderão consultar a mailing list, mas não devem enviar as suas perguntas
directamente para a mesma. Assim, elas devem ser colocadas no endereço de apoio da
cadeira ou na mailing list de apoio ao projecto que irá ser criada.
No relatório deverá ser descrito como se passou do modelo conceptual para o modelo
formal e deverão ser descritas as adaptações que tiveram de ser feitas às definições dos
conceitos encontradas na fase de conceptualização. Por exemplo, a ferramenta poderá
não permitir representar condições estruturais caso o modelo conceptual tenha sido
encontrado usando as DL’s. Caso não seja possível contornar esse problema de
nenhuma forma, o problema deverá ser referido no relatório.
Avaliação
Não só é importante assegurar que o conhecimento representado é o correcto do ponto
de vista do domínio e de forma a ir de encontro à especificação, como é importante
assegurar que o conhecimento é representado com o nível de detalhe adequado e da
forma mais correcta do ponto de vista da qualidade da representação.
Assim, os alunos deverão assegurar-se que os referidos aspectos foram tidos em conta.
A forma como foi assegurada a qualidade final da ontologia deverá ser descrita no
relatório. Por exemplo, como foi assegurado que todos os conceitos identificados na
especificação de requisitos&aquisição foram representados, como foi assegurada que as
definições representadas estão correctas, etc. Por exemplo, podem ter conferido uma
check-list para o primeiro caso e podem ter pedido a um perito do domínio para vos
assegurar que a definições eram as mais correctas no segundo caso.
Execução do Projecto
O projecto deve ser realizado em grupos de 2 alunos, não sendo aceites trabalhos
realizados por grupos com um número de elementos superior. Grupos de um aluno são
vivamente desencorajados.
Inscrição no projecto
Os grupos, uma vez constituídos, deverão preencher uma ficha de inscrição de grupo,
que estará disponível na página da cadeira. Esta ficha deverá ser entregue ao corpo
docente da cadeira, de preferência na aula prática que um dos elementos do grupo esteja
a frequentar. Após recepção das inscrições, serão atribuídos números aos grupos. Os
grupos podem ser constituídos por alunos de diferentes turmas.
Dúvidas
Irá ser criada uma mailing list para dar apoio adicional ao projecto. Pelo menos um dos
elementos do grupo deverá estar inscrito na mailing list a qual poderá ser acedida
através da página da cadeira. Antes de enviar alguma dúvida os alunos devem
assegurar-se que a mesma ainda não foi colocada.
Entrega do Projecto
O prazo de entrega do projecto é dia 7 de Julho. Após esta data não serão aceites mais
trabalhos. Devem ser entregues um relatório e o código do modelo conceptual tal como
ele foi formalizado e introduzido na ferramenta. O relatório deverá ser entregue na
portaria do Tagus durante seu horário normal de funcionamento. O código deverá ser
entregue electronicamente até às 24 horas do referido dia. Serão disponibilizadas
instruções para a entrega do código através da página da cadeira.
Irá ser disponibilizado um modelo de relatório. No entanto, neste enunciado
encontram-se já descritos alguns dos aspectos que deverão aparecer obrigatoriamente no
relatório.
Tal como foi referido na Secção “Processo de Construção da Ontologia” é importante
descrever o modelo conceptual que foi encontrado, as definições dos conceitos
representados que foram adoptadas, a forma como o modelo conceptual e esses
conceitos foram formalizados na ferramenta. Deverá igualmente ser feita uma análise
simples de usabilidade da ferramenta para a qual será fornecido um questionário.
Um dos aspectos interessantes a descrever no relatório são as dificuldades encontradas,
como é que foram ultrapassadas, crítica da formalização encontrada (ou seja, o que
deveria ter sido de uma forma diferente no vosso projecto se tivessem de fazer um novo
projecto).
Trabalhos iguais, ou muito semelhantes, serão classificados com 0 (zero) valores. O
corpo docente da cadeira será o único juiz do que se considera ou não copiar numa dada
prova.