ontologias aplicadas à web semântica - Ces-JF

Ontologias aplicadas à Web semântica, p. 295 - 315
ONTOLOGIAS APLICADAS À WEB SEMÂNTICA
Eurico Martins Ferreira Neto*
Carlos Eduardo Cruzeiro Scaldaferri*
Alessandreia Marta de Oliveira Julio**
Marco Antônio Pereira Araújo***
RESUMO
Os sites de busca através de palavras-chave ainda é um método bastante
utilizado. Entretanto, essa técnica possui desvantagens e a principal delas é
o sistema de pesquisa não saber o contexto do parâmetro de busca. Existe,
portanto, uma necessidade de aproximar as máquinas da realidade humana. As
ontologias podem auxiliar a relação entre os computadores e as pessoas, através
da representação do conhecimento. Essa é a preocupação da Web Semântica,
que visa fornecer estruturas e dar significado semântico ao conteúdo das páginas
Web. Nesse contexto, estão surgindo mecanismos de busca baseados em
ontologia, tendo como diferencial a qualidade na seleção das informações por
meio de análises inteligentes de conteúdo. Diante disso, este artigo tem como
propósito exemplificar a construção de uma ontologia, de forma a subsidiar
diferentes atividades, como buscas na Web e apresentar o ONTOWEB, que
utiliza ontologias para buscas, baseadas no significado dos termos utilizados nas
pesquisas, caracterizando a área de Web Semântica.
Palavras-chave: Ontologia. Web Semântica. Protégé. OntoWeb.
ABSTRACT
The keyword search system is a method which is still largely used. This technique,
however, has disadvantages. The main disadvantage is the fact that the search
engine does not know the context of the search parameter. Therefore, there is a
need of making the engines get closer to human reality. And ontology can help
improve this relation between computers and people, through the representation
of knowledge. This is the concern of Semantic Web, that intends to supply
structures and give semantic meaning to the content of web pages. In this
*
Graduação em Sistemas de Informação pelo CES/JF
Professora do curso de Bacharelado em Sistemas de Informação pelo CES/JF do CES/JF, Mestre em
Engenharia de Sistemas e Computação – COPPE/UFRJ
***
Professor e Coordenador do curso de Bacharelado em Sistemas de Informação do CES/JF, Doutor em
Engenharia de Sistemas e Computação – COPPE/UFRJ
**
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context, search engines based on ontology are being created. The advantage is
the quality of the selection of information through intelligent analysis of content.
Considering this trend, the main purpose of this article is to give an example of
the construction of an ontology, in order to allow different activities, such as web
searches and present the ONTOWEB, that uses ontologies for searches, based
on the meaning of the given information request, what caracterizes the area
of Semantic Web.
Keywords: Ontology. Semantic Web. Protégé. OntoWeb.
1 INTRODUÇÃO
Por não conhecerem a semântica das palavras-chave utilizadas em suas
buscas, os sites de busca geralmente se limitam a fazer uma comparação textual
das palavras com o conteúdo dos sites, mas o resultado muitas vezes não possui
o conteúdo desejado, embora apresente as palavras-chave da pesquisa.
As palavras podem ter significados diferentes, dependendo do contexto
em que estão inseridas, mas as máquinas de busca não conhecem o significado
desejado na pesquisa. Assim, o problema é como fazer com que as máquinas
entendam o sentido das palavras, para efetuar a distinção entre as áreas onde
um mesmo termo é utilizado. Dessa maneira, as respostas poderiam ser mais
precisas, de forma a mostrar especificamente o termo no contexto onde está
inserido, e disponibilizar apenas a informação que interessa ao usuário. Esta é a
preocupação da Web Semântica, por visar fornecer estruturas e dar significado
semântico ao conteúdo das páginas Web. Assim a elas serão capazes de
representar associações entre coisas as quais, em princípio, poderiam não estar
relacionadas (BREITMAN, 2005).
Uma das formas de tornar possível a utilização das pesquisas que levam
em conta a semântica é criar uma maneira de representar o sentido das palavras.
Cada palavra tem um ou mais significados, dependendo do contexto e para
estabelecer uma distinção entre estes temas, podem ser utilizadas ontologias
(OLIVEIRA, 2003).
Nesse contexto, estão surgindo alguns mecanismos de busca baseados em
ontologia, tendo como diferencial a qualidade na seleção das informações por
meio de análises inteligentes de conteúdo. Assim, uma ontologia é a descrição de
conceitos e dos relacionamentos entre eles, estruturados em uma linguagem que
permita, através dele, o entendimento posterior. Em outras palavras, ontologia
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pode ser utilizada para organizar os termos e seus significados de tal forma a
construir uma rede semântica (OLIVEIRA, 2003).
Diante disso, este artigo tem como propósito conceituar ontologia e
mostrar uma das ferramentas mais utilizadas atualmente para sua criação,
contextualizando sua utilização através da Web semântica. Além desta introdução,
o artigo ainda conta com mais 5 seções. A seção 2 mostra definições de ontologia
em algumas das áreas em que é utilizada. Na seção 3, são apresentadas as
principais linguagens de representação de ontologias. A seção 4 apresenta um
estudo de caso contendo a criação de um projeto de ontologia utilizando um
editor específico para este fim. A seção 5 aborda os buscadores baseados em
ontologias e, finalmente, a seção 6 apresenta as considerações finais.
2 ONTOLOGIA
Uma ontologia pode ser definida como um vocabulário específico
e relacionamentos usados para descrever certos aspectos de realidade, e um
conjunto de suposições relativas ao significado das palavras. Entre vários outros
esquemas e estruturas de classificação, incluindo, técnicas baseadas em palavras
chave e taxonomia, ontologia é vista como sendo um esquema que fornece
modelos de domínio precisos e mais completos (OUKSEL; SHETH, 1999).
O termo ontologia teve sua origem na filosofia e hoje apresenta diversas
definições nas diferentes áreas em que está sendo utilizado. Várias comunidades
científicas utilizam o termo ontologia, mas não se tem uma definição genérica
para o termo.
Na filosofia é uma disciplina e significa uma explicação sistemática da
existência: o termo ontologia foi adotado com o intuito de desvendar o significado
das coisas do mundo, procurando descrever a natureza das coisas. Aristóteles
definiu ontologia como a ciência da existência, diferente das ciências especiais,
por investigar uma categoria da existência e suas determinações. Em outras
palavras, é a ciência que estuda o ser enquanto ser. Considera que ontologia
diz respeito a todas as espécies de existência e aos atributos relacionados a
essa existência. Já há muito tempo, filósofos têm usado ontologias para tentar
descrever domínios naturais e a existência dos seres e coisas em si (GUARINO;
GIARRETA, 1995).
Na Inteligência Artificial (IA), ontologias têm um caráter um pouco
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distinto do apresentado pela filosofia, sendo usadas para descrever domínios já
consagrados, como Medicina, Engenharia e Direito, em que é possível saber o
significado projetado das coisas (FENSEL, 2001). Assim, com uma ontologia em
IA, busca-se é firmar um acordo sobre o vocabulário do domínio de interesse, a
ser partilhado por agentes que conversam sobre ele.
Em Banco de Dados e Engenharia de Software, ontologia é uma teoria sobre
um domínio que especifica um vocabulário de entidades, classes, propriedades e
funções; é um conjunto de relações que amarra esse vocabulário. Engloba todos
os conceitos definidos pela ontologia e é, pois, mais completa. Esses conceitos
são explicitamente definidos e representados de forma a ser compartilhados,
e possuem restrições expressas por axiomas que restringem o significado dos
termos (FIKES; FARQUHAR, 1999).
Para o contexto deste trabalho, foi utilizada a última definição cujos
aspectos da ontologia são considerados descrição parcial projetada, a fim de ser
compartilhada na comunidade que concorda com a sua definição, e para o fim
específico de desenvolvimento de software em um dado domínio.
3 LINGUAGENS DE REPRESENTAÇÃO DE ONTOLOGIAS
Algumas ferramentas trabalham com a construção de ontologias e, para
isso, utilizam linguagens de representação (OLIVEIRA, 2003). Várias linguagens já
foram criadas e dentre elas se destacam: Ontolingua (FARQUHAR; FIKES; RICE,
1996), KIF - Knowledge Interchange Format (GENESERETH; FIKES, 1992), OIL
- Ontology Inference Layer (FENSEL et al., 2000), DAML - DARP Agent Markup
Language (ANKOLEKAR et al., 2001), DAML+OIL (GIL; RATNAKAR, 2002) e
OWL - Web Ontology Language (OWL, 2008).
O objetivo principal da criação dessas linguagens de representação
é poder estabelecer um padrão que armazena a estrutura da ontologia, para
vários aplicativos terem acesso a ela e, assim, possam desvincular a ontologia da
ferramenta que a criou (OLIVEIRA, 2003).
Dentre a ferramentas, destaca-se o editor Protégé, que está em sua versão
3.2, sendo uma ferramenta gratuita muito utilizada para a edição de ontologias,
disponível em http://protege.stanford.edu/.
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4 CRIAÇÃO DE UM PROJETO DE ONTOLOGIA
A seguir é apresentada a criação de uma ontologia denominada Família,
utilizando o editor de ontologias Protégé, cuja a linguagem é OWL, que atualmente
é padrão na descrição de ontologias. A idéia é criar uma ontologia simples e
de fácil compreensão, contendo os termos relacionados à família no que diz
respeito ao grau de parentesco. Definida a ontologia, esta pode ser utilizada,
por exemplo, pelos sites de busca, com o intuito de melhorar os resultados das
buscas realizadas.
Ao iniciar o Protégé abre-se uma janela questionando o que se deseja
fazer: abrir ou criar um novo projeto (ILUSTRAÇÃO 1). Neste caso a opção a ser
escolhida é Create New Project.
ILUSTRAÇÃO 1- Criação de um Novo Projeto
Além disso, deve-se selecionar a opção de formato do projeto OWL/RDF
Files, por ser o padrão utilizado atualmente, e clicar no botão Next.
Para finalizar a criação do projeto, devem ser mantidas as opções default,
nos demais passos definidos pelo Protégé, a fim de entre outras coisas, escolher a
linguagem e o tipo de interface. A ferramenta permite que a qualquer momento
as escolhas sejam modificadas.
Para salvar o projeto deve-se clicar sobre o menu File/Save Project. Ao
salvar o projeto pela primeira vez, uma janela é aberta (ILUSTRAÇÃO 2), para
a escolha do local de armazenamento dos arquivos gerados pela ferramenta. O
primeiro campo, Project, indica o endereço e o nome do arquivo “.pprj”, onde
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são armazenadas as informações do projeto e o segundo, OWL file name or
URL, é referente ao arquivo “.owl”, onde é armazenada a ontologia no formato
OWL.
ILUSTRAÇÃO 2 - Passos para Salvar o Projeto
4.1 A INTERFACE DO PROTÉGÉ
A interface e os recursos do Protégé variam de acordo com o formato de
projeto escolhido. Como exemplo adotou-se o formato OWL Files e, por isso,
o estudo de caso apresenta somente as interfaces e os recursos do Protégé para
este formato (ILUSTRAÇÃO 3).
ILUSTRAÇÃO 3 - Janela principal
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A janela é composta de cinco abas que estão descritas a seguir:
OWLClasses: através desta aba é possível observar e editar as classes
·
da ontologia e sua hierarquia;
·
Properties: permite visualizar e editar todas as propriedades criadas
para a ontologia;
·
Forms: exibe todos os formulários criados automaticamente pelo
Protégé, de acordo com as classes e propriedades definidas;
·
Individuals: possibilita criar e editar as instâncias das classes;
·
Metadata: os recursos dessa aba não são atingidos por este artigo.
4.2 CRIAÇÃO DAS CLASSES
O Protégé possui uma classe interna, chamada owl:Thing a partir da qual
as demais classes são criadas. Para criar a primeira classe dessa ontologia, devese deixar ativa a aba OWLClasses, selecionar a classe owl:Thing, e clicar sobre o
botão
Create subclass. Toda classe criada deve ser subclasse de owl:Thing.
Com a classe criada, é possível substituir o nome gerado pelo nome que
desejar através da aba Name da janela Class Editor. Para seguir com o exemplo
de ontologia deste artigo, deve-se substituir o nome gerado para a classe, por
Pessoa, conforme a (ILUSTRAÇÃO 4).
ILUSTRAÇÃO 4 - Edição do Nome da Classe
Para criar outras classes, deve-se selecionar a classe a partir da qual se
deseja criar uma subclasse ou uma classe de mesmo nível e escolher o botão
equivalente. Para uma subclasse, clicar sobre o botão
Create subclass,
mostrado anteriormente, e para criar uma classe de mesmo nível, sobre o botão
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Create sibling class. Para excluir uma classe, deve-se primeiro selecioná-la e
depois clicar sobre o botão
Delete class.
Assim, a fim de construir a ontologia proposta neste artigo, devem-se criar
novas classes resultando na estrutura apresentada na (ILUSTRAÇÃO 5).
ILUSTRAÇÃO 5 - Estrutura Inicial da Ontologia Família
Uma classe pode ter mais de uma superclasse. Para isso acontecer é preciso
indicar quais seriam as demais superclasses dela. Como exemplo, deve-se fazer
com que a classe Filho se torne também subclasse da classe Filhos. Inicialmente,
deve-se selecionar a classe Filho e em seguida, selecionar a linha Necessary,
que está no campo Asserted Conditions (conforme explicado no item de criação
de condições para as classes). O próximo passo é clicar sobre o botão
Add
named class. Uma nova janela é aberta para escolha da outra superclasse, no
caso, a classe Filhos. Como resultado, a classe Filho agora tem como superclasse
tanto a classe Homem, quanto a classe Filhos (ILUSTRAÇÃO 6).
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ILUSTRAÇÃO 6 - Definição de mais uma Superclasse
para a Classe Filho
Seguindo novamente estes passos, a nova estrutura da ontologia de família
deve ser a apresentada na ILUSTRAÇÃO 7.
ILUSTRAÇÃO 7 - Nova Estrutura da Ontologia Família
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4.3 CRIAÇÃO DE PROPRIEDADES PARA UMA CLASSE
Para criar uma propriedade a uma classe, deve-se deixar ativa a aba
OWLClasses e selecionar a classe (neste exemplo, Pessoa) à qual deseja-se criar
Create datatype
a propriedade. O próximo passo é clicar sobre o botão
property. O Protégé abre uma nova janela para edição da propriedade, sendo
possível alterar, entre outras coisas, o nome, o tipo e o domínio. Seguindo o
exemplo, deve-se criar para a classe Pessoa, uma propriedade chamada Nome e
do tipo String (ILUSTRAÇÃO 8).
ILUSTRAÇÃO 8 - Propriedade de tipo de dados
O Protégé ainda pode criar um outro tipo de propriedade, as Object
properties, que possuem como opção o tipo classe ou instância de classe.
Para definir uma propriedade de objeto, deve-se clicar sobre o botão
Create object property. A ferramenta abre uma nova janela para edição
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da propriedade e, como exemplo, deve-se criar a propriedade Tem_Sexo e sua
abrangência (Range) deve conter somente a classe Sexo, o que indica que a
propriedade deve ser preenchida com itens de uma classe especificada através
do campo Range.
Para adicionar uma propriedade já existente a uma classe deve-se deixar
Add this class to the domain of
ativa a aba OWLClasses e clicar sobre o botão
properties. Uma janela se abre para escolha da propriedade desejada. Seguindo
os passos acima, deve-se adicionar a propriedade Nome à classe Sexo, conforme
mostra a ILUSTRAÇÃO 9.
ILUSTRAÇÃO 9 - Propriedade do Tipo Objeto
Seguindo o exemplo, devem ser criadas as propriedades definidas na
Tabela 1, cujo atributo Functional indica o sentido da relação.
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TABELA 1 – Regras para criar as propriedades
Classe
Filhos
Filhos
Pais
Propriedade
TemMãe
TemPai
Tipo
Instance
Instance
Range
Mãe
Pai
Functional
Checado
Checado
TemFilhos
Instance
Filhos
Não checado
4.4 CRIAÇÃO DE DISJUNÇÕES ENTRE CLASSES
O Protégé permite a declaração de disjunções entre classes. Para criar uma
disjunção, deve-se deixar a aba OWLClasses ativa e selecionar uma das classes,
por exemplo Homem para que ela seja disjunta da classe Mulher. Depois, deveAdd disjoint class para escolher a classe disjunta, no
se clicar sobre o botão
exemplo, a classe Mulher (ILUSTRAÇÃO 10).
ILUSTRAÇÃO 10 - Seleção da Classe Disjunta
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4.5 CRIAÇÃO DE INSTÂNCIAS DE UMA CLASSE
O Protégé permite ainda a criação de instâncias de classes que podem ser
utilizadas, por exemplo, para a criação de condições, conforme serão mostradas
mais adiante. Para criar uma instância, deve-se deixar ativa a aba Individuals
e selecionar a classe (neste exemplo, Sexo) para a qual se deseja criar uma
Create instance e
instância. Com a classe selecionada, clica-se sobre o botão
preenchem-se os campos referentes aos atributos da classe (ILUSTRAÇÃO 11).
ILUSTRAÇÃO 11 - Criação de uma Instância
O nome visível de cada instância é configurado para a propriedade Name
presente em todas as classes, mas pode ser alterado, a fim de facilitar a referência
às instâncias. Para isso, deve-se clicar sobre o botão
Menu e escolher o novo
campo de exibição (ILUSTRAÇÃO 12).
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ILUSTRAÇÃO 12 - Alteração do Campo de Exibição
Como exemplo, seguindo os passos acima, deve-se criar as instâncias
representadas na Tabela 2. Para excluir uma instância, é necessário primeiro
Delete instance.
selecioná-la e, depois, clicar sobre o botão
TABELA 2 - Definição de instâncias
Classe
Sexo
Sexo
Campo
Nome
Nome
Valor
Feminino
Masculino
A ILUSTRAÇÃO 13 mostra o resultado obtido a partir da criação das
instâncias da Tabela 2.
ILUSTRAÇÃO 13 - Instâncias da Classe Sexo
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4.6 CRIAÇÃO DE CONDIÇÕES PARA AS CLASSES
É possível definir condições para uma instância pertecer a uma classe.
Essas condições necessárias (Necessary), devem ser atendidas para que a instância
pertença a uma classe determinada. Existem, também, as condições necessárias
e suficientes (Necessary and Sufficient), indicando que se a instância atende a
todas as condições de uma classe específica, então esta instância pertence à
classe.
Essa condição deve ser criada, a fim de deixar ativa a aba OWLClasses e de
selecionar a classe para a qual se pretende criar a condição. Como exemplo, após
selecionar a classe Homem, deve-se clicar sobre a linha Necessary, encontrada
Create
no campo Asserted Conditions, e criar a condição clicando no botão
restriction (ILUSTRAÇÃO 14).
ILUSTRAÇÃO 14 - Primeiros passos para criar uma condição
Em seguida, deve-se indicar que a propriedade TemSexo deve ter valor
Masculino (ILUSTRAÇÃO 15). O mesmo deve ser feito para a classe Mulher com
o valor Feminino.
ILUSTRAÇÃO 15 - Escolha da Condição a ser Criada
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A condição criada aparece no campo Asserted Conditions referente a
cada uma das classes. A Ilustração 16 mostra o resultado para a classe Homem.
ILUSTRAÇÃO 16 - A Condição Criada para a Classe Homem
4.7 GERAÇÃO DE CÓDIGO
A ferramenta Protégé é capaz de gerar códigos fonte de ontologias seguindo
algumas linguagens. Neste projeto da ontologia Família, a ferramenta foi utilizada
seguindo o formato de projeto OWL e, dessa forma, foi gerado automaticamente
um arquivo com o código fonte da ontologia na linguagem OWL (Familia.owl). A
Ilustração 17 apresenta um fragmento do código gerado, onde são definidas as
classes Homem e Mulher como sendo subclasses de Pessoa bem como a relação
de disjunção entre Homem e Mulher.
O Protégé permite a exportação dos projetos para outros formatos, de
acordo com a linguagem escolhida. Possui ainda o recurso de gerar os arquivos
HTML a partir do projeto de ontologia. Para isso, deve-se clicar sobre o menu
File/Export to Format/HTML. O Protégé abre uma janela para escolha do diretório
de destino dos arquivos HTML e de quais são as classes raízes para a exportação.
As classes raízes são as classes a partir das quais o Protégé gera os arquivos HTML.
Ao escolher uma classe como raiz, são exportadas todas as suas subclasses.
Portanto, para se geriu os arquivos HTML de toda a ontologia, deve-se selecionar
a classe owl:Thing. Existe também a possibilidade de escolher se as instâncias
das classes serão exportadas ou não. Para isso, deve ser marcada a opção Show
Instances.
ILUSTRAÇÃO 17 - Fragmento de Código da Ontologia Família
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5 BUSCADORES BASEADOS EM ONTOLOGIAS
Ontologias atualmente vêm ganhando destaque por sua utilização na
Web (BREITMAN, 2005). A novidade agora são os Ontobuscadores, isto é,
buscadores baseados em ontologias, que objetivam melhorar o resultado das
buscas (ONTOWEB, 2008). A estratégia desses buscadores é usar ontologias
que formam uma rede pré-existente de conceitos inter-relacionados e de seus
significados, indicando ao sistema a semântica associada aos termos.
Um exemplo disso é o ONTOWEB®, focado no cenário de Governo
Eletrônico contextualizando as ontologias no processo de recuperação,
expandindo os conceitos utilizados na pesquisa e identificando seu contexto,
sendo possível localizar os documentos mais adequados à demanda solicitada
(ONTOWEB, 2004). A utilização de ontologias permite ao buscador ativar
uma sistemática completamente inovadora na localização de documentos, por
considerar o contexto do assunto que está sendo pesquisado, proporcionando
buscas mais precisas e detalhadas. A Ilustração 18 exibe uma pesquisa efetuada
no ONTOWEB com a palavra-chave “poluição”.
O resultado desta pesquisa exibe não apenas as informações relacionadas
à palavra-chave “poluição”. Como pode ser observado, são também recuperados
documentos que contenham outras palavras relacionadas semanticamente,
como por exemplo: “chuvas ácidas”, “danos ambientais” e “poluição dos rios”
(ILUSTRAÇÃO 19).
ILUSTRAÇÃO 18 - O site OntoWeb
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ILUSTRAÇÃO 19 - Resultado Parcial da Busca no ONTOWEB
Esta é a base de uma ontologia: armazenar os conceitos e as relações
entre os termos com o objetivo de representar o conhecimento. Os objetos do
mundo real contêm relações implícitas. Como é possível notar intuitivamente,
por exemplo, quando se fala em poluição, os seres humanos são capazes de
perceber a ela se relacionam termos como chuvas ácidas, danos ambientais,
poluição dos rios. Essas relações também devem ser representadas. De outra
forma não seria possível para uma máquina estabelecer uma similaridade entre
os termos.
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Existe uma necessidade em constante crescimento de aproximar as
máquinas da realidade humana. As ontologias disponibilizam a possibilidade de
auxiliar a relação entre os computadores e as pessoas, através da representação
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do conhecimento.
Este artigo apresenta, em fim, a construção de uma ontologia no sentido
de exemplificar seu processo de construção, de forma a subsidiar diferentes
atividades, como buscas na Web baseadas em ontologias. Nesse sentido, foi
apresentado o site ONTOWEB, que utiliza ontologias para buscas baseadas no
significado dos termos utilizados nas pesquisas, caracterizando a área de Web
Semântica.
Artigo recebido em: 08/09/2008
Aceito para publicação: 19/09/2008
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