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Uma Arquitetura Adequada à Resolução de Problemas de Configuração.

Alberto N. de Castro Jr.* Crediné Silva de Menezes

Universidade Federal do Espírito Santo Centro Tecnológico - Mestrado em Automação

Cx Postal 019011 - Vitória-ES - 29060-900. Email:albertoj@brufes ou credine@brufes

Resumo

Propomos um ambiente para representar e processar conhecimento, adequado à resolução dos problemas de configuração. A arquitetura proposta possui recursos como múltiplas bases de conhecimento e dois níveis para a representação do conhecimento, além de permitir ao usuário interagir com o sistema, modificando o processo de busca de soluções.

"Fundação Universidade do Amazonas

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1 Introdução

Ao contrário do que ocorreu com os problemas de interpretação, para os quais existe um grande número de ferramentas disponíveis principalmente nas tarefas de diagnóstico e controle, para os problemas de construçã.o há ainda poucas ferramentas, e mesmo assim, sempre restritas a certos domínios em particular.

Propomos aqui um ambiente destinado a representar e processar conhecimento que seja adequado à resolução dos problemas d~ configuração. Trata-se de um 'shell' onde o usuário descreve o domínio de um determinado problema, bem como as estratégias e preferências utilizadas na sua resolução, atuando diretamente sobre o processo de resolução.

Uma vez observadas as características dessa classe de problemas, foram definidos os requisitos de tal ambiente e agregados recursos diferenciadores, tais como a repre­sentação do conhecimento em dois níveis (declarativo e procedimental) e a utilização de múltiplas bases de conhecimento. É um sistema expansível, com o qual o usuário pode interagir.

2 Trabalhos Correlatos

Para mostrarmos o contexto onde se insere esse trabalho, faremos um breve apanhado dos trabalhos correlatos.

Como mencionado anteriormente, grande parte dos sistemas que utilizam recursos oriundos da Inteligência Artificial e são aplicados na prática, destinam-se à lidar com problemas de interpretação. Para a outra categoria de problemas (os de construção), somente poucas ferramentas foram criadas, sempre abrangendo um domínio específico, como é o caso dos sistemas RljXCON, MOLGEN e VT [3], dentre outros.

Combinando técnicas da resolução de problemas de satisfação de restrições com re­cursos como o backtracking, Lauriere [4] propôs o sistema ALICE, que procura atender a um largo espectro de problemas. ALICE tem um conjunto de primitivas na qual o usuário deve expressar o problema, e um conjunto de heurísticas gerais que podem ser utilizadas na sua resolução. Contudo, ALICE é uma caixa-preta que não possibilita ao usuário interagir com e modificar o processo dedutivo.

Hentenryck[13] apresentou uma linguagem de programação lógica destinada a ma­nusear restrições, CIJIP. O aspecto principal dessa proposta é a redefinição da lógica de primeira ordem, procurando incorporar técnicas de consistência.

A partir de CHIP, outra linguagem para tratar com restrições foi desenvolvida: Charme. Procurando inserir conceitos de objetos à linguagens desse tipo, surgiram linguagens como ConstraintLisp e Pecos[5,6].

A arquitetura aqui proposta se situa entre a faixa ocupada pelas linguagens genéricas (como ALICE ou CHIP) e as aplicações restritas a um domínio específico. Ao mesmo tempo que o usuário não precisa elaborar um novo programa a cada aplicação, ele pode utilizar esse shell num conjunto relativamente amplo de aplicações.

3 Classificação dos Problemas

Clancey[2] propôs uma análise em termos das operações genéricas sobre um sistema, distinguindo entre operações sintéticas que constroem um sistema e operações analíticas que interpretam um sistema. Esses conceitos bem genéricos foram especializados, re­sultando em uma análise hierárquica dos tipos de operação que um programa pode

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fazer. Jackson[3] apresenta a seguinte representação dessas hierarquias:

INTERPRETAÇÃO CONSTRUÇÃO

~ ~ Identificar_ PredizerControlar Especificar. Projetar Montar

A AI Monitorar Diagnosticar Configurar Planejar Modificar

Figura 3.1: Classificação dos Problemas

3.1 Classificação x Construção

o aspecto principal para distinguir entre problemas de classificação (ou interpretação) e de construção, é que no primeiro o conjunto-solução pode ser previamente enumerado. No segundo caso, pode-se dizer que as soluções são construídas ao invés de selecionadas. Teoricamente, também para o segundo caso se poderia enumerar o conjunto-solução, contudo, para a maioria dos problemas desse grupo, o tamanho desse conjunto seria de tal ordem que tornaria a tarefa impossível.

Construir uma solução para um problema, normalmente envolve ter algum modelo da estrutura e do comportamento de um objeto complexo que se está tentando cons­truir. Este modelo deve conter conhecimento concernente às restrições que o 'produto final' deve satisfazer.

Por exemplo, na geração de um plano para um robô atingir certo objetivo, existirão restrições físicas e temporais que ordenarão certas ações ou sequência de ações. Nesse problema co,mo na maioria das tarefas de planejamento, o espaço de sequências possíveis de ações é essencialmente infinito; então não existe meio para que todas as sequências possam ser previamente armazenadas para posterior seleção. A ordem na qual as coisas são feitas é também muito importante em tarefas de montagem e configuração. Na configuração, os elementos da solução são componentes, e soluções são combinação de componentes que formam um objeto complexo que satisfaça certas restrições.

3.2 Problemas de Configuração

Os problemas de configuração tem como componentes principais:

• Um conjunto de objetos quaisquer (recursos) que devem ser alocados segundo as restrições.

• Um conjunto de restrições que determinam como os recursos devem ser arruma· dos.

• O quadro, que é o 'invólucro' de uma solução, é onde os recursos serão arrumados.

Uma característica importante em problemas desse tipo é que teoricamente não há uma solução melhor que outra. Para ser uma solução, qualquer configuração obtida deve apenas atender às restrições especificadas, não há um custo ou função equivalente que caracterize um ótimo. 1 Em vista disso, muitas vezes necessita-se 'navegar' por um conjunto de soluções. Alguns exemplos de problemas desse tipo são:

1 É claro que há estratégias visando conseguir eficiência na busca de uma solução.

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1. Preenchimento de tabelas ou quadros, tais como:

• 'chaves' de campeonatos;

• ocupação das salas de um prédio, como salas de uma escola;

• horário escolar.

2. Mapa de atividade (ou de folga) de pessoal (trabalho em turnos).

3. Disposição dos objetos em um local (lay-out).

4. Carteira de Investimentos (distribuição de capital).

5. Distribuição das frentes de serviço.

4 Modelagem do Conhecimento

Necessitamos proceder o entendimento da atividade em questão para a consequente modelagem do conhecimento nela envolvido[lO,11,3]. A adequada representação desse conhecimento é um requisito de qualquer Sistema Baseado em Conhecimento (SBC). Um SBC pode ser definido como qualquer sistema que realiza uma tarefa pela mani­pulação de uma representação simbólica de conhecimento.

Tal modelagem e representação do conhecimento tem que considerar a finalidade para a qual ele será utilizado. Esse é um ponto que diferencia uma coleção qualquer de fatos, de um corpo do conhecimento.

Deve-se considerar alguns critérios para se determinar corno o conhecimento envol­vido na classe de problemas em questão deve ser agrupado, tais como:

• Segundo sua natureza - ou seja, a que 'parte' do problema o conhecimento se refere, à definição ou à resolução.

• Segundo a abrangência - determinando a que nível de generalidade tal conheci­mento pode ser considerado: em qualquer problema de uma classe, naqueles que apresentarem certas características ou só em algumas exceções.

• Segundo a utilidade no processo de resolução - determinando qual parte do co­nhecimento envolvido será utilizado para orientar a busca de soluções, bem como quando e onde esse conhecimento será utilizado.

• Segundo a utilidade nos processos complementares - visando utilização do conhe­cimento em processos como aquisição de conhecimento ou explicação do processo de resolução.

Como resultado da análise dos critérios acima, foram identificados 5 grupos básicos de conhecimento, cujas características básicas são:

• Dados (componentes)

Nesse grupo estão as informações básicas sobre urna determinada ocorrência do problema no mundo real ou seja, de urna 'instância' do problema. Estão nesse grupo os componentes básicos, que durante o processo de busca de soluções, de­vem ser alocados ou dispostos segundo os critérios descritos nos outros grupos. Também deve estar aqui a forma ou 'molde' onde os componentes serão dispostos.

• Restrições

Esse grupo de conhecimento é extremamente importante pois é ele quem deter­mina a redução no tamanho do conjunto de soluções de determinado problema. Uma restrição é um tipo de conhecimento que determina basicamente urna condição de validade em qualquer dos casos abaixo:

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1. Sobre componentes. Determinando se um componente proposto possui as características neces­sárias para ser candidato aos demais processos. Exemplo de restrições desse tipo:

- Os componentes devem ser de uma mesma categoria.

- Cada componente deve ter associado a ele um conjunto de características.

2. Sobre arranjos. Determinando se um número determinado. de componentes podem ser asso­ciados de modo a formar um grupo que chamamos de arranjo, que por sua vez serão os componentes de uma solução. Exemplo de restrições desse tipo:

Os componentes devem ser diferentes entre sí.

Não se pode utilizar mais de um componente com uma característica C1

associada.

Deve haver uma quantidade mínima m de componentes com certa ca­racterística C2 associada.

3. Sobre soluções. Análogo ao anterior, determina se um conjunto de arranjos podem ser as­sociados de modo a formar uma solução. Exemplos de restrições desse tipo são:

Os arranjos devem ser diferentes entre sí.

Uma operação sobre certa característica associada C3 dos componentes de um arranjo deve ser diferente da mesma operação noutro arranjo.

• Preferências Uma preferência é uma condição que como na restrição comum, estabelece a validade de uma configuração. Contudo, essa condição é considerada enquanto houver solução que a atenda. Caso não existam soluções sob tal condição, a condição é 'relaxada'.

• Estratégias Uma parte importante do conhecimento referente a determinada classe de pro­blemas diz respei to à sua resol ução, descrevendo si tuações favoráveis, funções avaliadoras (heurísticas) e demais informações e/ou processos que quando utili­zados, orientam a busca de uma solução. Tal conhecimento é conhecido como estratégico.

As estratégias podem ser hierarquizadas segundo sua adequação ao conjunto de problemas, podendo ser de uso particular ou geral.

A adequada modelagem do conhecimento, observando a função desse conheci­mento no processo de resolução é um exemplo de estratégia. Outra estratégia que pode ser utilizada, refere-se à formação de determinada configuração (seja um arranjo ou solução). A princípio, todas as restrições devem ser satisfeitas. Essa estratégia consiste em associarmos a cada restrição uma prioridade, segundo a qual as restrições 'mais fortes' seriam checadas primeiro, permitindo que uma configuração inadequada seja logo descartada. De modo análogo, se poderia prio­rizar as preferências, de modo que na hora dessas preferências serem relaxadas, isso seguisse uma sequência determinada pelo usuário.

• Esqueletos Um esqueleto é um esquema básico, uma configuração parcial, parte de um arranjo ou de uma solução que o usuário pode informar ao sistema, definindo como deseja tal configuração.

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Com isso, o usuaflO pode informar que deseja que certos componentes sejam dispostos juntos num mesmo arranjo, ou exatamente o contrário: que certos componentes não devem participar de um mesmo arranjo. Do mesmo modo quanto aos arranjos numa solução.

Certamente esses esqueletos devem também atender às restrições descritas, a menos que se deseje um tratamento de exceção.

Nesse grupo ainda, inserimos um outro tipo de conhecimento, imprescindível a todo o processo: A definição de um estado-solução. Ou seja, é onde se estabelecem os critérios segundo os quais um conjunto de arranjos forma uma solução.

Uma ferramenta construída com essas características de sintonia funciona como um laboratório para quem deseja resolver diversos problemas do tipo em questão.

5 Processamento

Nosso processo de resolução consiste numa procura no espaço de estados. Assim, resolver um problema consiste em 'navegar' no espaço de estados desse problema: Partimos de um estado inicial, passamos por estados intermediários até atingir um estado solução.

O processo termina segundo a interferência do usuário, que pode solicitar ou não que outra solução seja encontrada.

Um estado é composto dos seguintes elementos:

• arranjos já concluidos.

• componentes que ainda não foram utilizados na formação de arranjos.

• ponto de retorno (backtracking).

• informações adicionais ao processo.

O estado· inicial possui apenas componentes (podendo associar os esqueletos infor­mados pelo usuário). Um estado final (solução) é aquele onde todos os componentes foram arranjados adequa.damente, segundo os critérios definidos pelo usuário.

Cada estado possu i um número maior de arranjos que aquele imediatamente ante­rior, bem como um número menor de componentes restantes. Assim, cada novo estado está pelo menos em termos quantitativos (tamanho do conjunto-solução), mais próximo de uma solução que o anterior.

5.1 Mudança de estados

A geração de um novo estado a partir do atual, define um passo do processo, e pode ser dividido em duas etapas:

5.1.1 Formação do arranjo

Quando um arranjo é proposto e aprovado, dá origem ao novo estado. Inicialmente, uma composição de componentes candidatos a um arranjo é proposta.

Nessa hora, são utilizadas estratégias definidas pelo usuário para selecionar quais com­ponentes tem a princípio, maior chance de ao formar um arranjo, constituir um cami­nho promissor. Dentre essas estratégias, podemos citar a do menor comprometimento, que sugere que devem ser utilizados inicialmente aqueles componentes que deixam um maior leque de opções ou caminhos a seguir. É também nesse ponto onde considera-se os esqueletos (de arranjos) fornecidos pelo usuário.

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A combinação proposta (arranjo) deve ficar registrada, para no caso de um retorno, não gerar combinações repetidas.

Mas se não se consegue gerar nova arranjo, é hora de fazermos um retorno a algum estado anterior do processo (operação de backlracking). O estado considerado deve permitir a continuidade do processo, formando um arranjo diferente do anteriormente gerado. 2

Quando nenhum caminho puder ser tomado (ou retomado), deve-se procurar por uma preferência que possa ser relaxada, e. um novo caminho (com menos restrições) será iniciado. Caso contrário o usuário é informado que não há mais soluções possfveis e o processo termina.

5.1.2 Aprovação do arranjO

Nesse ponto devem ser verificadas o grupo de restrições e preferências que digam res­peito à combinação de arranjos. Caso o arranjo não seja aprovado, voltamos à etapa anterior.

Também aqui devem ser considerados os esqueletos de soluções fornecidos pelo usuário.

U ma vez aprovado um arranjo, a geração do novo estado consiste simplesmente de copiar do estado atual os arranjos existentes (inclusive o recém-criado) e registrar os componentes restantes, o ponto de ponto de backtracking (normalmente o estado anterior) e as informações adicionais.

5.2 Verificar se estado é solução

Caso o estado que foi gerado não atenda àquilo que o usuário definiu como solução, o processo retoma à etapa de formação de novo arranjo.

Quando o estado atual é de fato solução, é feita uma consulta ao usuário sobre a adequabilidade dessa solução às suas necessidades. Se a solução é de fato suficiente, o processo termina.

Mas quando o usuá.rio solicita que uma nova solução seja encontrada, duas alter­nativas se apresentam:

1. Simplesmente retornar ao último ponto de backtracking (ou àquele indicado por uma estratégia), retomando o processo e buscando uma nova solução. Como os estados gerados são sempre diferentes que os anteriores, uma nova solução é também sempre diferente das anteriores.

2. A soluçã.o encontrada é armazenada. O usuário é solicitado a informar novos esqueletos ou mesmo restrições e preferências que por ventura tenham sido reco­nhecidas naquele momento.

De acordo com a influência desses novos critérios no processo de solução em andamento, pode-se apenas dar continuidade ao processo de modo semelhante ao tratado no ítem anterior, passando a considerar um conjunto adicional de critérios ou, no caso dos critérios incluídos virem a alterar ou mesmo anular o processo em andamento, um novo processo será iniciado. Caso se deseje que as soluções obtidas até aquele momento não sejam novamente apresentadas, estas devem ser armazenadas e na definição de um estado-solução deve ser explicitado que qualquer solução deve ser diferente daquelas anteriormente armazenadas.

2Uma estratégia que se poderia utilizar aqui é o retorno ao n-ésimo estado anterior quando não se conseguir gerar um novo estado devido ao número reduzido de componentes. O usuário poderia informar qual o número mínimo de componentes a considerar.

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6 Requisitos

Seria adequado a um snc destinado à resolução dos problemas de configuração, possuir alguns recursos como os relacionados a seguir [3,12,1,7,14,8].

6.1 Regime de Controle

o regime de controle básico utilizado é o backtracking. Buscando melhorar o de­sempenho desse tipo de recurso, atuam as estratégias. Essas estratégias vão desde a modelagem adequada do conhecimento, passam por sugestões mais inteligentes para candidatos a arranjos, e até orientam a busca dos pontos de backtracking.

6.2 Multiplas Bases de Conhecimento

N a base de conhecimento de um SBC estão armazenados o conhecimento factual e o conhecimento semãntico de um domínio, conhecimento extra-domínio e composições das várias modalidades de conhecimento.

Além de cumprir a função de 'depósito' de conhecimento, a utilização de múltiplas bases de conhecimento permite externalizar uma modelagem do conhecimento segundo necessitamos, explicitando o agrupamento dos diversos tipos ou grupos de conheci­mento.

Além de armazenar o conhecimento segundo os grupos definidos, a existência de múltiplas bases facilita a implementação de estratégias, como a que diz respeito à separação ou hierarquização de restrições e estratégias segundo sua aplicabilidade a todos os problemas de uma classe (gerais) ou a determinadas situações (particulares).

Um recurso necessário é que tais bases possam ser utilizadas ora isoladamente, ora em conjunto, segundo definido pelo usuário ou requisitado pelo processo de resolução.

6.3 Multiplos Níveis

A possibilidade de permitir que o usuário descreva o domínio de um problema não só por meio do conhecimento primitivo e derivado, mas por processos (procedimentos) complexos, é um recurso importante ainda pouco utilizado em SBC's, particularmente como sugerido aqui [9].

Basicamente, propomos a utilização de dois níveis para representar e manusear o conhecimento:

• Nível declarativo. Destinado aos fragmentos de conhecimento passíveis de descrição formal, em par­ticular fatos e associação causal entre fatos .

• Nível procedimental. Destinado a descrever ações a serem executadas condicionalmente ou não, se­gundo ordem determinada pelo programador.

No nível declarativo são efetuadas deduções capazes de extrair conhecimentos ou conclusões não mencionados explicitamente, baseados em consultas feitas pelo usuário. O processo pelo qual essas conclusões são obtidas não sofrem interferência do usuário, embora seja desejável a capacidade de dar explicações aceitáveis sobre como uma con­clusão foi obtida.

Já na parte do conhecimento agrupado no nível procedimental, envolvendo o con­trole do processo de resolução de um problema específico ou de uma classe de proble­mas, deve haver uma linguagem própria que permita a composição de procedimentos

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visando a execução de ações. Esse elenco de procedimentos se somarão a um núcleo pré-programado compondo o 'programa' utilizado na resolução do problema.

Urna semãntica precisa, deve estabelecer a necessária integmção entre entre os dois níveis, de modo que no nível procedimental possa ser requerida uma dedução sobre o conhecimento representado no nível declarativo.

No nível procedimental poderão ser ativadas não só as composições de procedimen­tos lá armazenadas, mas também outros procedimentos externos ao ambiente, permi­tindo ligação com o 'mundo exterior'.

6.4 Diagrama da Arquitetura

A figura 6.2 apresenta os elementos principais do ambiente, dispondo-os segundo o nível que atuam.

Conhecimentof----~ procedural

Conhecimento Declarativo

Usuário

Controle do

processo

Máquina de

Inferência

f-----..IProcedimentos externos

t Nível rocedural

~ Nível declarativo ntermediários

.-----~---,

Figura 6.2: Esquema da Arquitetura

o controle do processo é o 'centro' do ambiente, e corno o nome informa, gerencia a comunicação com o usuário, solicita a atuação da máquina de inferência, dirige o processo de busca, gera os estados, utiliza o conhecimento armazenado sob forma de procedimentos e ativa processos externos, complementares ao ambiente.

A máquina de inferência que atua no nível declarativo, serve para provar proprieda­des acerca do conhecimento declarativo e dos estados. Sua atuação é sempre gerenciada pelo controle do processo.

Durante o procedimento de propor-e-testar, é a máquina de inferência é quem cumpre a etapa de teste, ou checagem, conferindo estados e restrições, preferências, etc.

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Certamente o conhecimento representado no esquema está distribuido por diferentes bases, cuja organização pode variar conforme implementação.

7 Considerações Finais

Foi apresentada a arquitetura de um sheU destinado à resolução de problemas de con­figuração, baseando-se nas características próprias a esse tipo de problema.

Atualmente está sendo efetivada a implementação dessa arquitetura, que deverá utilizar os recursos de um ambiente para processamento de conhecimento existente, baseado em lógica de primeira ordem. Simultaneamente, estão sendo registradas si­tuações do 'mundo real' que ilustrem a utilização do sistema em diferentes domínios.

Referências

[1] Chandrasekaran, B.; Design Problem Solving: A Task Analysis; AI Magazine, Winter 1990, p.59- 7l.

[2] Clancey, W.J.; Heuristic Classification; Artificial Intelligence, 27,1985, p.289-350.

[3] J ackson, Peter; Introduction to Exper't Systems; Addison-Wesley, 1990.

[4] Lauriere, J .L.; Problem Solving and Artificial Intelligence; Prentice RaU, 1990.

[5] Liu, B.; A Comparison of Charme, Pecos and ConstraintLisp; Technical Report, Information Technology Institute, 1991.

[6] Liu, B. e Ku, Y-W.j ConstraintLisp: An 0.0. Constraint Programming Language; ACM SIGPLAN, 11, Nov 92, p.17-26.

[7] Mackworth, A.K.; Constmint Satisfaction; Encyclopedia of AI, 1986.

[8] Menezes, Credinéj Ambientes Para Processamento de Conhecimento; PUCjRJ­DI, 'Tese de Doutorado, 1989.

[9] Menezes, Crediné e Carvalho, R.L.; Processamento de Conhecimento em Ambien-tes Multinivelados; Relatório de Pesquisa, LNCC, 1990.

[10] Polya, George; A Arte de Resolver Problemas; Ed. Interciência, 1981.

[11] Simon, H.A.; Science of the Artificialj The MIT press, 1969.

[12] Steels, L.; Components of Expertisej AI Magazine, Summer 1990, p.28-49.

[13] Van Hentenryck, P.; Constraint Satisfaction in Logic Programmingj The MIT Press, 1989.

[14] Vieira, Newton; Máquinas de Inferência para Processamento de Conhecimento; PUCjRJ-DI, Tese de Doutorado, 1987.

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