Jess. Jens Haupert 02. November Teil 2. "Wenn die Fakten nicht zur Theorie passen, ändere die Fakten!" Albert Einstein

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1 Seminar WS06/07» A.I. Tools Jess Teil 2 "Wenn die Fakten nicht zur Theorie passen, ändere die Fakten!" Albert Einstein Jens Haupert 02. November 2006

2 Rückblick Inferenz-Einheit Regel Basis Patternmatcher (rule r1) (rule r2) (rule r3) Agenda r1 r2 Working Memory (fact f1) (fact f2) (fact f3) Ausführungs-Einheit r1 Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 2 von 38

3 Inhalt Jess & Java Java skripten / Jess als Java-Objekt Datentypenkonvertierung Unter der Oberfläche / Wie Jess arbeitet Regelverarbeitung RETE PC-Reperatur-Assistent Vom Flussdiagramm zur Regel Rückwärtsverkettung Erstellung der Regeln Demo: Assistent in Aktion Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 3 von 38

4 Jess & Java Überblick Von Jess aus Java-Elemente nutzen: Vollständiger Zugriff auf alle Java Funktionen und Konzepte Jess bildet Skriptsprache für Java Jess als Java-Interpreter nutzbar reset(); run(); Jess Java-Anwendungen mit Jess-Funktionalität: Vollständiger Zugriff auf alle Jess Funktionen Jess-Engine steht als eigene Klasse zur Verfügung Einbetten von Jess in alle Arten von Java-Anwendungen Java (call Thread sleep) Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 4 von 38

5 Jess & Java Codebeispiele Java mit Jess skripten Jess> (bind?prices (new java.util.hashmap)) <External-Address:java.util.HashMap> Jess> (call?prices put bread 0.99) Jess> (call?prices put peas 1.49) Jess> (call?prices put peas) Jess als Java-Objekt Import jess.*;... Rete engine = new Rete(); engine.executecommand("(assert fact (a 10) (b 20))"); engine.run(); Value val = engine.fetch("fact"); Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 5 von 38

6 Jess & Java Datentypenkonvertierung Jess type RU.EXTERNAL_ADDRESS nil TRUE, FALSE RU.INTEGER RU.LIST Possible Java types The wrapped object null String, boolean long, short, byte,... Java array Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 6 von 38

8 Unter der Oberfläche Jess Vorgehensweise nach Aufruf von (run): 1: Finde alle Regeln, die zu den Fakten des Working Memory (WM) passen 2: Falls keine passende Regel existiert => Abbruch 3: Erstelle Agenda aus allen passenden Kombinationen 4: Wähle ein Element aus der Agenda und führe es aus 5: GOTO 1 Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 8 von 38

9 Unter der Oberfläche "4: Wähle ein Element aus der Agenda und führe es aus" Konfliktauflösung "depth"-strategie: - Jede Regel hat einen "salience"-wert - Je später die Regel aktiviert wurde desto höher der Wert - Die Regel mit dem höchsten "salience"-wert feuert - (declare (salience +/- <Wert>)) verändert Wert manuell "breadth"-strategie: - Regeln feuern in der Reihenfolge ihrer Aktivierung Eigene Strategie festlegen: - Implementierung von "jess.strategy" erstellen - Via (set-strategy <classname>) in Jess laden Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 9 von 38

10 Unter der Oberfläche Primitiver Algorithmus: Liste aller Regeln vorhalten Prämissen aller Regeln mit WM vergleichen Worst-Case-Laufzeit: P = Anzahl der Vergleiche ("if's") F = Anzahl der Fakten im WM O(F P ) Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 10 von 38

11 Unter der Oberfläche Nachteile: Mehrzahl der Tests haben in jeder Iteration gleiches Ergebnis Viele Tests werden mehrfach pro Zyklus durchgeführt sehr ineffizient Informationen über regelbasierte Systeme: Anzahl der Regeln bleibt üblicherweise konstant Working Memory ändert sich pro Zyklus - Allerdings: Nur wenige Elemente werden geändert! Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 11 von 38

12 Unter der Oberfläche Idee: Bereits bekannte Testergebnisse wieder verwenden Erneuter Test nur bei sich tatsächlich geänderten Fakten Der RETE-Algorithmus: Vom lateinischen "rete" für "Netz" Entwickelt von Charles Forgy (Carnegie Mellon University, 1979) Sehr effiziente Regelverarbeitung Weit verbreitet, verwendet in - OPS5 und CLIPS - ART bzw. Jess Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 12 von 38

13 Unter der Oberfläche RETE-Algorithmus» Funktionsweise Netz von untereinander verbundene Knoten Knoten: Repräsentieren einen oder mehrere Tests einer Regel Haben einen oder zwei Eingänge Besitzen einen Ausgang, der beliebig verzweigt werden kann Einerknoten: - Bedingungen die nur ein Element des WM betreffen Zweierknoten: - Beziehungen zwischen den Einzelbedingungen Terminalknoten: - Schließt eine Regel ab Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 13 von 38

14 Unter der Oberfläche RETE-Algorithmus» Funktionsweise Fact: (x (slot a)) Fact: (y (slot b)) =x? =y? =x? =y? =z? Fact: (z (slot c)) Regel: ((x (a?v1)) (y (b?v1)) => ) LEFT.a == RIGHT.b? LEFT.a == RIGHT.b? Regel: ((x (a?v2)) (y (b?v2)) (z) => ) example-2 example-1 Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 14 von 38

15 Unter der Oberfläche RETE-Algorithmus» Optimierungen =x? =y? =x? =y? =z? LEFT.a == RIGHT.b? LEFT.a == RIGHT.b? example-2 example-1 Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 15 von 38

16 Unter der Oberfläche RETE-Algorithmus» Optimierungen =x? =y? =z? LEFT.a == RIGHT.b? LEFT.a == RIGHT.b? example-2 example-1 Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 16 von 38

17 Unter der Oberfläche RETE-Algorithmus» Optimierungen =x? =y? =z? LEFT.a == RIGHT.b? example-2 example-1 Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 17 von 38

18 Unter der Oberfläche RETE-Algorithmus» Rückmeldung Jess Ausgabe bei Regeleingabe: Beispiel: " t" "+1" neuer Einerknoten "+2" neuer Zweierknoten "+t" neuer Terminalknoten "=1" Einerknoten konnte übernommen werden "=2" Zweierknoten konnte übernommen werden Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 18 von 38

19 Unter der Oberfläche RETE-Algorithmus» Rückmeldung =x? =y? =x? =y? =z? =x? =y? =z? LEFT.a == RIGHT.b? LEFT.a == RIGHT.b? LEFT.a == RIGHT.b? example-2 example-2 example-1 example-1 example-2: t example-1: t example-2: =1=1=1=2+t Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 19 von 38

20 Unter der Oberfläche RETE-Algorithmus» Impelemtierung Jess-Befehl: (view) Einerknoten =x? =y? =z? R->L-Adapter Zweierknoten example-2 LEFT.a == RIGHT.b? example-1 Terminalknoten example-1: t example-2: =1=1=1=2+t Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 20 von 38

21 Unter der Oberfläche Geschwindigkeitsvergleich Jess CLIPS Sprache Java C Erscheinungs datum Autor Zweck 1995 E. Friedmann-Hill Sandia National Labs Verknüpfung von regelbasierten Systemen mit Java 1985 NASA-Team Johnson Space Center Ersatz für kommerzielle Werkzeuge Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 21 von 38

22 Unter der Oberfläche Geschwindigkeitsvergleich Bis zu 20 mal schneller als CLIPS Regel/Sekunde Fakten/Sekunde Sun Java VM auf Pentium III 800 MHz Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 22 von 38

24 PC-Reperatur-Assistent Übersicht Idee: Regelbasiertes Expertensystem zur Fehlerdiagnose Umsetzung: Erstellung von Flussdiagrammen zur Modellierung des Problems Übersetzung von Flussdiagrammen in Jess-Regeln Interaktive Benutzerführung Automatische Problemeingrenzung Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 24 von 38

25 PC-Reperatur-Assistent Eingrenzung des Problembereichs START Does Computer Boot? NO Any sound? NO Check: -plugged in -power supply (defrule not-plugged-in (answer (ident sound) (text no)) (answer (ident plugged-in) (text no)) => (recommend-action "plug in the computer") (halt) ) YES END YES Go to Sound flowchart (defrule power-supply-broken (answer (ident sound) (text no)) (answer (ident plugged-in) (text yes)) => (recommend-action "repair or replace power supply") (halt) ) Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 25 von 38

26 PC-Reperatur-Assistent Problemlösung durch Rückwärtsverkettung Vorwärtsverkettung: Bisher verwendet Algorithmus: - Suche eine Regel deren Prämisse zum WM passt Rückwärtsverkettung: Bestimmte Fakten werden als Ziel ("goal") definiert Algorithmus: - Suche eine Regel deren Konklusion das Ziel generiert Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 26 von 38

27 PC-Reperatur-Assistent Problemlösung durch Rückwärtsverkettung Rückwärtsverkettung in Jess: Keine echte Rückwärtsverkettung Interne Simulation über Vorwärtsverkettung (do-backward-chaining <fact>) Automatisches Einfügen von (need-<fact>) ins WM Voraussetzung ist eine Regel der Form: (defrule trigger123 (need-<fact>) => (assert <fact>) ) Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 27 von 38

28 PC-Reperatur-Assistent Problemlösung durch Rückwärtsverkettung (defrule power-supply-broken (answer (ident sound) (text no)... ) (need-answer (ident sound)) (defrule supply-answers (need-answer (ident?id)...)... => (assert (answer?id) (text?reply))... ) Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 28 von 38

29 PC-Reperatur-Assistent Problemlösung durch Rückwärtsverkettung (do-backward-chaining answer) (defrule supply-answers (need-answer (ident?id)) (not answer (ident?id)) => (bind?answer (ask-user?id)) (assert (answer (ident?id) (text?answer))) (return) ) Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 29 von 38

30 PC-Reperatur-Assistent Restliche Regeln» bisheriger Stand START Does Computer Boot? NO Any sound? NO Check: -plugged in -power supply YES YES END Go to Sound flowchart Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 30 von 38

31 PC-Reperatur-Assistent Restliche Regeln» "Sound flowchart" START Does Disk seek? NO Does Computer beep? YES How many beeps? < 3 Check: -loose RAM YES NO 3 UNKNOWN ERROR Check: -keyboard -mainboard Does booting begin? YES NO Check: -keyboard -RAM -mainboard -power supply END Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 31 von 38

32 PC-Reperatur-Assistent Restliche Regeln (defrule check-ram (answer (ident sound) (text yes)) (answer (ident seek) (text no)) (answer (ident does-beep) (text yes)) (answer (ident how-many-beeps) (text?t)) (test (< (integer?t) 3)) => (recommend-action "check for loose RAM") ) Any sound? YES Does Disk seek? NO Does Computer beep? YES How many beeps? < 3 Check: -loose RAM Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 32 von 38

33 PC-Reperatur-Assistent Fragen definieren (deffacts question-data (question (ident hardware) (type multi) (valid x86 Mac other) (text "What kind of hardware is it?")) (question (ident sound) (type multi) (valid yes no) (text "Does the computer make any sound?")) (question (ident plugged-in) (type multi) (valid yes no) (text "Is the computer plugged in?"))... (question (ident how-many-beeps) (type number) (valid) (text "How many times does it beep?")) ) Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 33 von 38

34 PC-Reperatur-Assistent DEMO Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 34 von 38

35 Zusammenfassung Verknüpfung Fließender Übergang von Jess zu Java erlaubt: - Jess-Systeme mit Java-Objekten (z.b. GUI) - Java-Anwendungen mit Jess-Produktionensystem Implementierung Einfacher Prämissenvergleich bietet nur unzureichende Performance RETE-Algorithmus erlaubt eine sehr effiziente Regelverarbeitung Anwendung Rückwärtsverkettung ermöglicht die automatisierte Ausführung von Aktionen bei Bedarf, z.b. in Form eines Interview Konzentration auf die notwendigen Regeln Bereits durch wenige Regeln lassen sich einfache Expertensysteme erstellen Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 35 von 38

36 Fazit Best of Both Worlds Regelbasierte Systeme: Aus Flussdiagrammen lassen sich leicht Regeln ableiten Kontrollfluss muss nicht vom Programmierer festgelegt werden Als Expertensystem weit verbreitet Jess: Gesamte Java-Welt in regelbasierten Systemen nutzbar und umgekehrt Sehr effizient durch optimierten RETE-Algorithmus Synthese von prozeduralem und deklarativem Programmieren Keine objektorientierten Konzepte Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 36 von 38

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38 Literaturangaben Jess in Action, Ernest Friedman-Hill, MANNING Rete: A Fast Algorithm for the Many Pattern / Many Object Pattern Match Problem, Charles L. Forgy (1982) JESS Homepage: Saabrücken, AI Tools» Jess Folie 38 von 38