LAB: Regułowe systemy ekspertowe

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z regułową reprezentacją wiedzy i systemami ekspertowymi, które je wykorzystują.

• Przejrzeć instrukcję do CLIPSa (sekcje 1-5) – NIE będzie tego na kartkówce i kolokwium, ale chcemy mieć pojęcie o zasadzie działania CLIPSa, bo będziemy z niego korzystać na zajęciach (mile widziany skrót instrukcji na wiki)

• Sekcja 1 z podręcznika Droolsa
• Chapter 2: Rule-based expert systems z podręcznika Artificial Intelligence: A Guide to Intelligent Systems
• Wpis o systemach ekspertowych na blogu prof. Tadeusiewicza

W systemie ekspertowym można wyróżnić następujące elementy:

• baza wiedzy, czasami dzielona na: właściwą bazę wiedzy (czyli tą którą system dysponuje stale, od początku/uruchomienia) i bazę faktów, które system odkrywa, dostaje, wypracowuje,
• mechanizm wnioskujący, który przeprowadza właściwy proces wnioskowania, tj. odnajduje rozwiązanie/odpowiedź
• mechanizm wyjaśniający, dlaczego jest to odpowiedź poprawna/dopuszczalna,
• interfejs użytkownika, pozwalający na komunikację z systemem.

Rysunek 1: Struktura Systemu Ekspertowego.

1. Ściągnij plik family1.clp.zip
2. Po ściągnięciu pliku należy zawartą w nich wiedzę wczytać do bazy wiedzy a następnie uruchomić wnioskowanie przy pomocy komendy:

   clips -f family1.clp

3. Po poprawnym załadowaniu na ekranie powinna ukazać się lista zdefiniowanych faktów.
4. Tutaj także warto zwrócić uwagę czy nie wystąpiły jakieś błędy.

W CLIPS-ie mamy dostępne wnioskowanie w przód, a więc na podstawie istniejących faktów sprawdzane będą warunki reguł i te reguły, których warunki są spełnione zostaną uruchomione. Cykl ten powtarza się aż do momentu kiedy żadna reguła nie zostanie uruchomiona. Informacją wejściową dla algorytmu wnioskowania w przód jest zbiór faktów w bazie wiedzy.

• Na podstawie otrzymanego rezultatu uruchomienia wnioskowania odpowiedz na następujące pytania:
  • Jakie reguły są uruchamiane?
  • Jakie fakty aktywują te reguły?
  • Jak wyjaśnić otrzymany rezultat?
  • Ile faktów zostało dodanych do bazy wiedzy w trakcie wnioskowania?
  • Czy takiego wyniku można było się spodziewać?

Aby reguła opisująca dziecko mogła zostać uruchomiona należy zdefiniować regułę dodającą do bazy wiedzy fakt mówiący kto jest rodzicem kogo (zmiana bazy wiedzy spowoduje uruchomienie kolejnego cyklu wnioskowania):

(defrule rodzic
 (or (mama ?x ?y) (tata ?x ?y))
=>
 (assert (rodzic ?x ?y))
)

Uruchom wnioskowanie ponownie i odpowedz na pytania:

• Ile teraz jest faktów w bazie CLIPS-a?
• Jakie są aktywacje reguł w CLIPS-ie przed rozpoczęciem wnioskowania (rezultat wywołania funkcji (agenda))?
• Dlaczego wśród nich nie ma reguł definiujących dziecko?

Zadanie 1
Rozbuduj bazę reguł dodając do niej reguły definiujące relacje rodzinne takie jak

• syn, corka
• malzenstwo
  • Dwie osoby są małżeństwem jeżeli:
    • są różnej płci,
    • mają wspólne dziecko.
  • Definiując regułę przy pomocy powyższych warunków, algorytm wnioskowania wyszuka nam tylko małżeństwa posiadające dzieci. Małżeństwa, które nie posiadają dzieci są niemożliwe do znalezienia na podstawie dostępnej wiedzy.
• rodzenstwo
  • Dwie osoby są rodzeństwem jeżeli
    • mają wspólnego rodzica
    • są dwiema różnymi osobami
• dziadkowie, dziadek, babcia
• wnuk, wnuczka, wnuczek
• kuzynostwo
• ciocia, wujek
  • Jak przy pomocy reguł definiujących siostrę oraz rodzica zdefiniować pojęcie ciocia?
  • Jak przy pomocy reguł definiujących brata oraz rodzica zdefiniować pojęcie wujek?

Truth Maintenance System w systemach regułowych jest odpowiedzialny za utrzymanie spójności wiedzy w nich zawartych. Niespójność może być różna: niespójność logiczna wiedzy, niespójność materialna (w odniesieniu do interpretacji wiedzy w przyjętym świecie).

• Czym różnią się te rodzaje niespójności
• Które z nich mogą wystąpić w systemach produkcyjnych

1. Ściągnij plik family2.clp.zip
2. Otwórz i zapoznaj się z jego zawartością. Zwróć uwagę na:
   • Definicję faktów wiek określających wiek danej osoby.
   • Definicję modułów defmodule - jaką rolę odgrywają moduły
   • Dwie reguły zdefiniowane w pliku:
     • przyznaj-bilet::bilet-uczen która dla każdej niepełnoletniej osoby w dodaje fakt mówiący, że należy się jej bilet dziecięcy. Następnie reguła ta wyświetla kompletną listę faktów znajdujących się w bazie wiedzy.
     • zwieksz-wiek::zwieksz która zwiększa wiek dla danej osoby.
3. Uruchom ściągnięty plik. Aby łatwiej było przeglądać rezultaty wyświetlane podczas uruchomienia, można użyć następującej komendy

   clips -f family2.clp | less

   Zaobserwuj jak zwiększany jest wiek poszczególnych osób oraz zidentyfikuj moment kiedy dodawany jest fakt typu bilet. Jakiego typu i dla kogo ten bilet jest dodawany

Zadanie 1
Zdefiniuj regułę przyznaj-bilet::bilet-dorosly w analogiczny sposób jak zdefiniowana została reguła przyznaj-bilet::bilet-uczen. Uruchom otrzymany model i zaobserwuj jakie bilety istnieją w bazie wiedzy na końcu procesu wnioskowania.

• Jak wyjaśnić taki rezultat
• Czy baza wiedzy w takim wypadku jest spójna

Zadanie 2
Popraw otrzymany model poprzez zastosowanie mechanizmu Truth Maintenance System

• Jaka konstrukcje języka CLIPS umożliwia jego wykorzystanie
• Po poprawnym zastosowaniu mechanizmu na końcu wnioskowania powinien być dokładnie jeden fakt opisujący bilet dla każdej osoby.
• Wśród wyświetlanych wiadomości wskaż miejsca, gdzie usuwane są niepotrzebne bilety.

Celem systemu jest określenie wysokości składki ubezpieczenia na podstawie danych wejściowych. Danymi wejściowymi dla systemu są dane na temat kierowcy: wiek, okres posiadania prawo jazdy, liczba wypadków w ostatnim roku, dotychczasowa klasa ubezpie- czeniowa. Kolejnym elementem istotnym przy wyliczaniu składki ubezpieczenia są dane na temat pojazdu: pojemność silnika, wiek samochodu, liczba miejsc, badanie techniczne. Ostatnim elementem są zniżki oraz zwyżki za: liczbę rat, inne ubezpieczenia, ciągłość ubezpieczenia, liczbę samochodów ubezpieczonych. Wyliczenie składki ubezpieczenia przebiega w trzech etapach. Pierwszym etapem jest ustalenie stawki podstawowej na podstawie pojemności samochodu. Dane o wysoko- ści składki podstawowej są podane dla rejestracji w Szczecinie. Drugim etapem jest tzw. tabela bonus malus. Zawarte w niej są zniżki i zwyżki wynikające z bezszkodowego prze- biegu ubezpieczenia. Towarzystwa ubezpieczeniowe udzielają maksymalnie 60 % zniżki z tego tytułu. Za każdy bezszkodowy 12 miesięczny okres ubezpieczenia, klient przesuwa się o jedną klasę w dół tabeli. Trzecim etapem jest uwzględnienie pozostałych zniżek i zwyżek m.in. za wiek, dodatkowe ubezpieczenia itp.

Kompletna lista reguł: pl-oc.pdf

1. Ściągnij plik ploc-drools.drl.zip
2. W celu uruchomienia bazy wiedzy zapisanej w ściągniętym pliku, uruchamiamy narzędzie Eclipse i tworzymy nowy projekt:
   1. Tworzymy nowy projekt File ⇒ New ⇒ Project….
      1. Na liście odnajdujemy pozycję Drools i ją rozwijamy.
      2. Wybieramy Drools Project
      3. Klikamy Next >
      4. W kolejnym korku kreatora podajemy nazwę projektu np. DroolsTest.
      5. Klikamy Next >
      6. W kolejnym kroku pozostawiamy zaznaczone tylko dwie pierwsze opcje.
      7. Klikamy Next >
      8. W kroku Drools Runtime z listy Generate code compatible with: wybieramy Drools 5.1 or above.
      9. Klikamy Finish
   2. W worksspace pojawia się nam nowy projekt do którego dodajemy klasy pozwalające na uruchomienie projektu:
      1. Rozwijamy drzewo projektu DroolsTest ⇒ src ⇒ main ⇒ java ⇒ com ⇒ sample.
      2. Klikamy na plik *.java. W tym pliku:
         • Usuwamy definicję klasy Message
         • Usuwamy w funkcji main wszystkie linie, które korzystają z instancji tej klasy.
         • Zmieniamy nazwę pliku z regułami z Sample.drl na ploc-drools.drl.
         • Do głównej klasy dodajemy definicję typu enumerowanego:

           public enum PaymentType {
               	single, instalments
               }

      3. Rozwijamy drzewo projektu DroolsTest ⇒ src ⇒ main ⇒ rules.
      4. Usuwamy plik Sample.drl.
      5. W miejsce usuniętego pliku dodajemy wcześniej ściągnięty plik ploc-drools.drl:
         1. Klikamy prawym przyciskiem na pobrany plik i wybieramy Kopiuj.
         2. Klikamy prawym przyciskiem na katalog rules i menu kontekstowego wybieramy opcję Wklej.
   3. Wybieramy polecenie Run as ⇒ Java application.
   4. Jeżeli wszystko przebiegło pomyślnie to w konsoli środowiska Eclipse powinny pojawić się komunikaty generowane przez reguły.

Zadanie 1
Wśród uruchamianych reguł można zauważyć, że atrybut DriverClass klasy Driver jest zwiększany wielokrotnie:

• Czy jest to poprawne zachowanie Jeżeli nie, to dlaczego i jakie powinno być poprawne
• Jak sprawić aby tylko jedna z tych reguł została uruchomiona
  Wskazówka: poczytaj o możliwych atrybutach reguł i spróbuj znaleźć ten który pozwoli osiągnąć żądany efekt: atrybuty reguł

Zadanie 2
Model bazy wiedzy jest niekompletny i zawiera tylko część reguł z modułu base-charge-modifiers (agenda-group „base-charge-modifiers”). Na podstawie definicji innych reguł dopisz 4 ostatnie reguły podwyższające cenę ubezpieczenia zawarte w pliku pl-oc.pdf tzn.:

1. liczba miejsc pojazdu (6-9): +20%,
2. brak wałnego badania technicznego: +20%,
3. opłata na 2 raty: +10%,
4. brak zaświadczenia o przebiegu ubezpieczenia: +60%.

Zadanie 3
Dopisz regułę, która po przyznaniu wszystkich zniżek i zwyżek obliczy wartość końcową polisy ubezpieczenia.

• Zdefiniuj tą regułę jako element modułu calculation (agenda-group „calculation”).
• W definicji reguły można wykorzystać element accumulate.
• Reguła ta ma zapisywać wartość polisy w polu Value obiektu typu Result.
• Reguła powinna wyświetlać finalną wartość do zapłaty.
• Poprawna wartość, jaka powinna zostać obliczona to: 865.95.

Zadanie 4*
Spróbuj zdefiniować powyższą regułę bez użycia accumulate.