Introdução ao JESS

Introdução ao JESS
Henrique Lopes Cardoso
(DEI/FEUP)
Outubro 2005
Setembro 2006
Setembro 2007
Setembro 2008
1
Os primórdios: Sistemas Periciais
Um ramo da IA
Simulação do raciocínio humano num
determinado domínio
SP baseados em Regras são os mais utilizados
simulam o raciocínio humano utilizando conhecimento
heurístico
dados do problema armazenados como factos
raciocínio a partir de regras do tipo SE… ENTÃO…
2
1
Sistemas baseados em Regras
Contêm regras para um certo domínio
conhecimento não necessariamente pericial
exemplos:
Vantagens:
definição de “regras de negócio” (business rules)
componentes de decisão (e.g. em agentes computacionais)
representação intuitiva do conhecimento
separação entre conhecimento e sua aplicação
alterações das regras não implicam recompilação
Paradigma da programação declarativa
definição de regras independentes
execução não sequencial
interpretador decide quando aplicar que regras
3
Sistemas baseados em Regras (2)
Encadeamento (aplicação) das regras:
encadeamento inverso (backward-chaining)
goal-driven: como provar um objectivo?
linguagens de programação lógica (e.g. Prolog)
encadeamento directo (forward-chaining)
data-driven: o que fazer quando surge um facto?
sistemas de produção (e.g. CLIPS, JESS)
4
2
Componentes de um Sistema baseado
em Regras
Memória de Trabalho
(FACTOS)
Base de Conhecimento
(REGRAS)
Motor de Inferência
Base de Conhecimento: conjunto de regras
P1, ..., Pm → Q1, ..., Qn
se as premissas P1 ... Pm são verdadeiras, então executar as acções Q1 ... Qn
premissas, condições, antecedente ou LHS (left-hand-side)
acções, conclusões, consequente ou RHS (right-hand-side)
Motor de Inferência: decide quando aplicar que regras; controla a
activação e selecção de regras
Memória de Trabalho: guarda dados e resultados intermédios que
compõem o estado actual do problema; é examinada e alterada pelas
regras, que são activadas por estes dados
5
Funcionamento do Motor de
Inferência
O motor de inferência funciona de uma forma cíclica,
decompondo-se em três fases:
1) fase de correspondência (match):
2) fase de resolução de conflitos:
agrupamento das regras cujas premissas (LHS) são satisfeitas pela
memória de trabalho: é feita a instanciação das regras com os
factos que tornam as suas premissas verdadeiras
obtém-se o conjunto de conflito ou agenda
escolha de qual a regra a executar, de acordo com uma estratégia
de resolução de conflitos (p. ex., a de maior prioridade)
3) fase de acção:
execução sequencial das acções (RHS) presentes na regra que foi
seleccionada
estas acções podem alterar a memória de trabalho, provocando a
activação de novas regras
6
3
JESS – Java Expert System Shell
A rule engine that very efficiently applies rules to data.
Developed at Sandia National Laboratories in late 1990s,
created by Dr. Ernest J. Friedman-Hill.
Inspired by the AI production rule language CLIPS.
Fully developed Java API for creating rule-based expert
systems.
How does Jess work?
Jess matches facts in the fact base to rules in the rule base.
The rules contain function calls that manipulate the fact base
and/or other Java code.
Jess uses the Rete algorithm to match patterns.
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Jess Architecture Diagram
WORKING
MEMORY
INFERENCE
ENGINE
PATTERN
MATCHER
RULE
BASE
EXECUTION
ENGINE
AGENDA
8
4
The Jess Language
Architecturally inspired by CLIPS
LISP-like syntax.
Basic data structure is the list.
Can be used to script Java API.
JAVA --> JESS
Can be used to access JavaBeans.
JESS --> JAVA
you can create any Java object and access its methods from within Jess!
Easy to learn and use.
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Noções básicas
Símbolos (átomos)
Números
Strings
delimitadas por ""
Listas
identificadores: letras, dígitos e $*=+-/<>_?#.
“case-sensitive”
exemplos: abc
um-valor
valor#1
_xpto
símbolos especiais:
nil
TRUE
FALSE
delimitadas por ( e )
contêm zero ou mais símbolos, números, strings ou outras listas
exemplos: (+ 3 2)
(a b c)
("Hello, World")
()
(deftemplate foo (slot bar))
o primeiro elemento da lista chama-se a cabeça da lista
Comentários
texto a seguir a ; e até ao fim da linha
Comentários como em C: /* … */
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5
Funções
As chamadas a funções (quer predefinidas quer
definidas pelo utilizador) são listas
notação prefixa: a cabeça da lista é o nome da função
exemplos:
Jess> (+ 2 3)
5
Jess> (+ (+ 2 3) (* 3 3))
14
Jess> (printout t "Answer is " 42 "!" crlf)
Answer is 42!
Jess> (batch examples/hello.clp)
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Variáveis
Identificadores que começam por ?
podem conter um símbolo, número ou string, ou ainda uma
lista
pode-lhes ser atribuído um valor através da função bind
Jess> (bind ?v "The value")
Jess> (bind ?grocery-list (list eggs bread milk))
Verificar o valor de uma variável:
Jess> (bind ?a 123)
Jess> ?a
123
As variáveis não são declaradas antes do seu primeiro uso
excepção: é possível criar variáveis globais, que não são
destruídas aquando de um reset – defglobal
12
6
Definição de funções: deffunction
(deffunction <func-name> [<doc-comment>] (<parameter>*)
<expr>*
[<return-specifier>]
)
Exemplo:
(deffunction max (?a ?b)
(if (> ?a ?b) then (return ?a)
else (return ?b)
)
)
Funções para controlo de fluxo: foreach, if, while, …
Invocação:
Jess> (printout t "Greater of 3 and 5 is " (max 3 5) "." crlf)
Greater of 3 and 5 is 5.
13
Factos Ordenados
Ordered facts
são simplesmente listas em Jess
a cabeça da lista funciona como uma espécie de
categoria (equivalente ao functor de uma relação em
Prolog)
exemplos:
(shopping-list eggs milk bread)
(person "Bob Smith" Male 35)
(father-of danielle ejfried)
asserção/retracção de factos: assert/retract
visualização dos factos existentes: facts
remoção de todos os factos: clear
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7
Factos Ordenados: exemplos
Jess> (reset)
TRUE
Jess> (assert (father-of danielle ejfried))
<Fact-1>
Jess> (facts)
f-0
(MAIN::initial-fact)
f-1
(MAIN::father-of danielle ejfried)
For a total of 2 facts in module MAIN.
Jess> (retract (fact-id 1))
TRUE
Jess> (facts)
f-0
(MAIN::initial-fact)
For a total of 1 facts in module MAIN.
o facto (initial-fact) é criado pelo comando reset
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Factos Não Ordenados: deftemplate
Unordered facts
permitem estruturar a informação
exemplos:
(person (name "Bob Smith") (age 34) (gender Male))
(automobile (make Ford) (model Explorer) (year 1999))
cada facto tem um template associado que define os seus slots
(deftemplate <template-name> [extends <template-name>]
[<doc-comment>]
[(declare ...)]
[(slot | multislot <slot-name>
[(type <typespec>)
[(default <value>)]
...
)]*
)
16
8
Factos Não Ordenados: exemplos
Jess> (deftemplate automobile
"A specific car."
(slot make)
(slot model)
(slot year (type INTEGER))
(slot color (default white)))
Jess> (assert (automobile (make Chrysler)
(model LeBaron)
(year 1997)))
<Fact-0>
Jess> (facts)
f-0
(MAIN::automobile (make Chrysler) (model LeBaron)
(year 1997) (color white))
For a total of 1 facts in module MAIN.
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Factos Não Ordenados: exemplos (2)
slot que pode conter múltiplos valores: multislot
Jess> (deftemplate box (slot location) (multislot contents))
TRUE
Jess> (bind ?id (assert (box (location kitchen) (contents
spatula sponge frying-pan))))
<Fact-1>
à variável ?id ficou associado o identificador do facto
alteração dos valores de um slot: modify
extensão de um deftemplate:
Jess> (deftemplate used-auto extends automobile
(slot mileage)
(slot blue-book-value)
(multislot owners))
TRUE
18
9
Deffacts
Permite definir factos agrupados que são criados aquando da invocação do
comando reset
exemplo:
Jess> (deffacts my-facts "The documentation string"
(foo bar)
(box (location garage) (contents scissors paper rock))
(used-auto (year 1992) (make Saturn) (model SL1)
(mileage 120000) (blue-book-value 3500)
(owners ejfried)))
TRUE
Jess> (reset)
TRUE
Jess> (facts)
f-0
(MAIN::initial-fact)
f-1
(MAIN::foo bar)
f-2
(MAIN::box (location garage) (contents scissors paper rock))
f-3
(MAIN::used-auto (make Saturn) (model SL1) (year 1992)
(color white) (mileage 120000)
(blue-book-value 3500) (owners ejfried))
For a total of 4 facts in module MAIN.
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Shadow Facts
São factos não ordenados que mapeiam objectos Java
Templates para shadow facts
desta forma, um objecto Java pode ser colocado na memória
de trabalho
(deftemplate <template-name>
(declare (from-class <class-name>)))
ou
(defclass <template-name> <class-name>)
O template criado fica com slots correspondentes às
propriedades JavaBeans da classe
public class ExampleBean {
private String name = "Bob";
public String getName() { return name; }
public void setName(String s) { name = s; }
20
}
10
Shadow Facts (2)
Criação de objecto Java
(bind <var> (new <class-name>))
Criação do shadow fact
(add <Java object>)
se ainda não existir, o template é criado automaticamente
ou
(definstance <template-name> <Java object>)
21
Shadow Facts: exemplo
Criação do template:
Jess> (defclass ExampleBean ExampleBean)
ExampleBean
Jess> (ppdeftemplate ExampleBean)
"(deftemplate MAIN::ExampleBean
\"$JAVA-OBJECT$ ExampleBean\"
(declare (from-class ExampleBean)))"
Criação de objecto Java na memória de trabalho (shadow fact):
Jess> (bind ?x (new ExampleBean))
(Java-Object::ExampleBean
Jess> (add ?x)
<Fact-0>
Jess> (facts)
f-0
(MAIN::ExampleBean
(class <Java-Object:java.lang.Class>)
(name "Bob")
(OBJECT <Java-Object:ExampleBean>))
For a total of 1 facts in module MAIN.
22
11
Utilização de objectos Java
Exemplo: criação e utilização de uma Hashtable
Jess> (bind ?ht (new java.util.Hashtable))
<Java-Object:java.util.Hashtable>
Jess> (call ?ht put "key1" "element1")
Jess> (call ?ht put "key2" "element2")
Jess> (call ?ht get "key1")
"element1"
Exemplo: manipulação de member variables
Jess> (bind ?pt (new java.awt.Point))
<Java-Object:java.awt.Point>
Jess> (set-member ?pt x 37)
Jess> (set-member ?pt y 42)
Jess> (get-member ?pt x)
37
23
Definição de regras: defrule
(defrule <rule-name> [<doc-comment>]
[<fact-pattern>]*
=>
[<function-call>]*
)
Exemplo:
Jess> (deftemplate person
(slot firstName) (slot lastName) (slot age))
Jess> (defrule welcome-toddlers
"Give a special greeting to young children"
(person {age < 3})
=>
(printout t "Hello, little one!" crlf) )
Jess> (assert (person (age 2)))
Jess> (run)
Hello, little one!
24
12
Utilização de padrões em regras
Expressões booleanas p/ avaliar conteúdo de slot – dentro de { }
<
<=
>
>=
==
!=
<>
&&
||
Variável para referência posterior ao valor do slot – dentro de ( )
Exemplo:
Jess> (defrule teenager
?p <- (person {age > 12 && age < 20} (firstName ?name))
=>
(printout t ?name " is " ?p.age " years old." crlf) )
Jess> (assert (person (age 15) (firstName Maria)))
Jess> (assert (person (age 18) (firstName Paul)))
Jess> (run)
Paul is 18 years old.
Maria is 15 years old.
25
Utilização de padrões em regras (2)
Testes aos slots
literais
variáveis (possivelmente não livres)
& (e)
| (ou)
~ (não)
: sucede se a função seguinte retornar TRUE
= igualdade entre valor do slot e retorno da função
expressões regulares rodeadas por /
(coord ?X&:(> ?X 10) ?)
(coord ?X
; facto não orden. (coord X Y)
=(+ ?X 1))
/
(person (firstName /A.*/))
mais exemplos:
(coord
(coord
(coord
(coord
(coord
?X ?X)
?X ?Y&~?X)
?X&~10 ?)
? 10|20)
$?both)
; multislot
26
13
Pattern bindings
Associar variáveis a factos no LHS: <-
Útil por exemplo quando se pretende remover o
facto que despoletou a regra:
(defrule example-5
?fact <- (a "retract me")
=>
(retract ?fact)
)
27
Outros elementos
and, or e not
exists
testa a existência de pelo menos um facto, mas dispara
apenas 1 vez
test
permitem alterar o comportamento por defeito do LHS
(em que todas as premissas têm que ser satisfeitas)
avaliação de expressões (em vez de verificação da
ocorrência de factos)
…
28
14
JESS e Java
Jess API
Classes
jess.Context
jess.Jesp
jess.JessException
jess.Rete
jess.Value
jess.ValueVector
…
Interfaces
jess.Userfunction
…
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JESS e Java (2)
class jess.Rete
motor de inferência: para construir um componente Jess
numa aplicação Java, cria-se um objecto desta classe
métodos:
correspondentes a funções Jess: run(), reset(), clear(),
assertFact(), retract(), …
execução de qualquer comando Jess: eval()
acrescentar funções em Java invocáveis do Jess:
addUserfunction()
…
interface jess.Userfunction
definição de funções Java invocáveis em Jess
métodos getName() e call()
30
15
JESS e Java (3)
import jess.*;
public class ExSquare {
public static void main(String[] str) {
try {
Rete r = new Rete();
r.eval(" (deffunction square (?n) " +
"
(return (* ?n ?n)) ) ");
Value v = r.eval("(square 3)");
System.out.println(v);
} catch (JessException ex) {
System.err.println(ex);
}
}
}
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JESS e Java – exemplo
Determinação de descontos e ofertas numa loja
abordagem:
criar um motor Jess com as regras a aplicar e com os
dados dos produtos em catálogo
quando chega uma encomenda:
acrescentar os dados da encomenda à memória de trabalho
correr o motor de inferência
obter da memória de trabalho factos adicionados pelas regras
APPLICATION / USER INTERFACE
RULE WORKING
BASE MEMORY
Items
Order
Pricing rules
Offers
32
16
JESS e Java – exemplo (2)
public class PricingEngine {
private Rete engine;
private WorkingMemoryMarker marker;
// Constructor
public PricingEngine(Database database) throws JessException {
// Create a Jess rule engine
engine = new Rete();
engine.reset();
// Load the pricing rules
engine.batch("pricing.clp");
// Load the catalog data into working memory
engine.addAll(database.getCatalogItems());
// Mark end of catalog data for later
marker = engine.mark();
}
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JESS e Java – exemplo (3)
// Method for handling a new order
public Iterator run(Order orderNumber) throws JessException {
// Remove any previous order data, leaving catalog data
engine.resetToMark(marker);
// Add the order and its contents to working memory
engine.add(order);
engine.add(order.getCustomer());
engine.addAll(order.getItems());
// Fire the rules that apply to this order
engine.run();
// Return the list of offers created by the rules
return engine.getObjects(new Filter.ByClass(Offer.class));
}
}
34
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JESS e Java – exemplo (4)
Exemplos de regras:
(defrule 10%-volume-discount
"Give 10% discount to everybody who spends more than €100."
(Order {total > 100})
=>
(add (new Offer "10% volume discount" (/ ?total 10))) )
(defrule 25%-multi-item-discount
"Give 25% discount on items customer buys 3 or more of."
(OrderItem {quantity >= 3} (price ?price))
=>
(add (new Offer "25% multi-item discount" (/ ?price 4))) )
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JESS e JADE – exemplo
Regras Jess para responder a mensagens ACL
utilizar um motor Jess num behaviour de um agente
AGENT
ACLMessage
AGENT
BEHAVIOUR
reply
ACLMessage
…
send Userfunction
WORKING
MEMORY
RULE
BASE
…
ACLMessages
Message handling rules
Other rules and functions
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JESS e JADE – exemplo (2)
public class BasicJessBehaviour extends CyclicBehaviour {
Rete jess;
// constructor
BasicJessBehaviour(Agent agent) throws JessException {
// create a Jess rule engine
jess = new Rete();
// create a fact with the agent's name: (i-am X)
jess.eval(" (deffacts Me
" +
"
(i-am " + myAgent.getName() + ") )");
// define Userfunction "send" to send ACLMessages
jess.addUserfunction(new JessSend(myAgent));
// load rules and functions into working memory
jess.batch("JadeAgent.clp");
jess.reset();
}
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JESS e JADE – exemplo (3)
// action method
public void action() {
// receive a message
MessageTemplate mt = ... // some template
ACLMessage msg = myAgent.receive(mt);
if (msg != null) {
try {
// convert ACLMessage into Jess fact and assert it
jess.assertString(ACL2JessString(msg));
// run Jess engine
jess.run();
} catch (JessException je) { ... }
} else
block();
}
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JESS e JADE – exemplo (4)
public class JessSend implements Userfunction {
Agent myAgent;
public JessSend(Agent a) { myAgent = a; }
public String getName() { return "send"; }
// JESS calls (send ?m) where ?m is an ACLMessage Jess fact
public Value call(ValueVector vv, Context ctx) throws
JessException {
// get the Fact
Fact f = vv.get(1).factValue(ctx);
// convert fact into ACLMessage
ACLMessage msg = JessFact2ACL(ctx, f);
// send the ACLMessage
myAgent.send(msg);
return Funcall.TRUE;
}
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}
JESS e JADE – exemplo (5)
; (limited) template of an ACLMessage
(deftemplate ACLMessage
(slot communicative-act)
(slot sender) (multislot receiver) (slot content) )
JadeAgent.clp
; rule for handling CFP
(defrule proposal
?m <- (ACLMessage (communicative-act CFP)
(sender ?s) (content ?c) (receiver ?r))
(i-am ?r)
=>
(bind ?p (gen-proposal ?c))
(assert (ACLMessage (communicative-act PROPOSE)
(sender ?r) (receiver ?s) (content ?p)) )
(retract ?m) )
; rule for sending a message
(defrule send-a-message
?m <- (ACLMessage (sender ?s))
(i-am ?s)
=>
(send ?m)
(retract ?m) )
40
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JESS e JADE – integração
JESS pode ser utilizado para implementar o módulo de
raciocínio de um agente Jade
num dos vários behaviours de um agente
Mais informação:
http://jade.tilab.com/doc/tutorials/jade-jess/jade_jess.html
41
21