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Introdução ao JESS

Henrique Lopes Cardoso(DEI/FEUP)Outubro 2005Setembro 2006Setembro 2007Setembro 2008

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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…

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Sistemas baseados em Regras� Contêm regras para um certo domínio

� conhecimento não necessariamente pericial� exemplos:

� definição de “regras de negócio” (business rules)� componentes de decisão (e.g. em agentes computacionais)

� Vantagens:� 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

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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)

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Componentes de um Sistema baseado em Regras

� Base de Conhecimento: conjunto de regrasP1, ..., 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

Motor de Inferência

Base de Conhecimento(REGRAS)

Memória de Trabalho(FACTOS)

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Funcionamento do Motor de Inferência� O motor de inferência funciona de uma forma cíclica, decompondo-se em três fases:

� 1) fase de correspondência (match):� 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

� 2) fase de resolução de conflitos:� 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

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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

RULE BASE

EXECUTION

ENGINE

INFERENCE

ENGINE

PATTERN

MATCHER

AGENDA

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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)

� identificadores: letras, dígitos e $*=+-/<>_?#.� “case-sensitive”� exemplos: abc um-valor valor#1 _xpto

� símbolos especiais: nil TRUE FALSE

� Números� Strings

� delimitadas por ""

� Listas� 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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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)

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Jess> (+ (+ 2 3) (* 3 3))

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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 bindJess> (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

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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.

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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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Factos Ordenados: exemplosJess> (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>)]

...

)]*

)

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Factos Não Ordenados: exemplosJess> (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) (contentsspatula 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

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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

� desta forma, um objecto Java pode ser colocado na memória de trabalho

� Templates para shadow facts(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; }

}

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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>)

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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.

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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 variablesJess> (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)

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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!

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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.

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Utilização de padrões em regras (2)� Testes aos slots

� literais� variáveis (possivelmente não livres)� & (e) | (ou) ~ (não)� : sucede se a função seguinte retornar TRUE

� (coord ?X&:(> ?X 10) ?) ; facto não orden. (coord X Y)

� = igualdade entre valor do slot e retorno da função� (coord ?X =(+ ?X 1))

� expressões regulares rodeadas por / /� (person (firstName /A.*/))

� mais exemplos:� (coord ?X ?X)

� (coord ?X ?Y&~?X)

� (coord ?X&~10 ?)

� (coord ? 10|20)

� (coord $?both) ; multislot

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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)

)

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Outros elementos� and, or e not

� permitem alterar o comportamento por defeito do LHS (em que todas as premissas têm que ser satisfeitas)

� exists� testa a existência de pelo menos um facto, mas dispara apenas 1 vez

� test� avaliação de expressões (em vez de verificação da ocorrência de factos)

� …

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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 Jessnuma 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()

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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

WO

RK

ING

ME

MO

RY

Items

APPLICATION / USER INTERFACE

RU

LE

BA

SE

Pricing rules

Order Offers

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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));

}

}

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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

WO

RK

ING

ME

MO

RY

…

RU

LE

BA

SE Message handling rules

…BEHAVIOUR

AGENT

Other rules and functions

send Userfunction

ACLMessages

ACLMessage

reply ACLMessage

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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) )

; 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) )

JadeAgent.clp

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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