Kappa PC

1. Kappa PC Marco Meluccio

2. Introduzione • Il sistema di sviluppo Kappa-PC permette di scrivere applicazioni in un ambiente grafico di alto livello. • I componenti di base del sistema sono rappresentati da strutture chiamate oggetti: questi possono essere o classi o istanze. Le relazioni tra gli oggetti in un modello possono essere rappresentate dai collegamenti in una struttura chiamata gerarchia. • Usando gli strumenti della programmazione ad oggetti si possono definire metodi e caratteristiche di un oggetto. Usando le regole si può poi definire come questi oggetti si comportano. Marco Meluccio

3. Esempio di gerarchia Marco Meluccio

4. Programmazione orientata agli oggetti • Gli oggetti in Kappa PC sono definiti o come classi o come istanze: le prime rappresentano oggetti più generali, mentre le seconde oggetti più specifici. • Ogni oggetto possiede un certo numero di slot: ognuno di questi descrive una caratteristica dell’oggetto in esame. Per specificare la caratteristica, si assegna un valore allo slot. • Ogni azione che un oggetto può eseguire è rappresentata da un metodo. Il processo di attivazione di un metodo è chiamato sending a message. Quando un oggetto riceve un messaggio che corrisponde ad uno dei suoi metodi, quel metodo è attivato. Marco Meluccio

5. Programmazione orientata agli oggetti • L’oggetto esegue qualunque procedura sia specificata nel metodo attivato dal messaggio. • La programmazione orientata agli oggetti ha due caratteristiche che la rendono particolarmente adatta allo sviluppo di applicazioni: • gli oggetti ereditano allo stesso modo metodi e slot; • oggetti diversi possono rispondere allo stesso messaggio con metodi diversi: questo significa che le differenze procedurali sono nascoste. • Altri benefici della programmazione ad oggetti sono una rappresentazione normale, la modularità e la possibilità di riutilizzo (riusability). Marco Meluccio

6. Metodi • Per creare i metodi ci sono due vie possibili: • con l’interprete del linguaggio KAL utilizzare funzioni come MakeMethod e RenameMethod; • usare l’editor dei metodi (si clicca su edit tools, su classi o istanze, su edit, sulla classe a cui si vuole aggiungere il metodo, si sceglie new nel menù metodi) • Un metodo può essere una qualunque funzione KAL o una sequenza di funzioni. Ci sono tre argomenti di default: Self, TheParent, TheOwner. Il valore della variabile Self è l’oggetto che riceve il messaggio, TheParent la classe da cui è derivato l’oggetto, TheOwner la classe in cui è definito il metodo. Marco Meluccio

7. Class editor Marco Meluccio

8. Metodi • I metodi eseguono diversi tipi di azioni: • cambiano lo stato dell’applicazione, generalmente cambiando i valori degli slot in un oggetto; • mandano messaggi o allo stesso oggetto o ad altri oggetti; mandare messaggi permette agli oggetti di cooperare tra loro per produrre risultati globali: un modo di pensare ad un programma orientato agli oggetti è una collezione di semplici computer (esempio nel linguaggio KAL: SendMessage(MarysCar, INIT) attiva il metodo INIT); • attivano altre attrezzature del sistema Kappa PC, come il ragionamento basato sulle regole o come l’accesso a dati. Marco Meluccio

9. Ereditarietà • L’ereditarietà dei metodi è simile all’ereditarietà dei valori degli slot; come per questi ultimi infatti i metodi possono essere: • ereditati (se un oggetto contiene un metodo, tutti gli oggetti derivati, che non contengono un metodo con lo stesso nome, ereditano il metodo non cambiato); • resi locali (un metodo può essere ridefinito in una classe: tutti gli oggetti a livelli più bassi nella gerarchia erediteranno il nuovo metodo; per rendere locale un metodo bisogna scegliere dal menu Methods l’opzione MakeLocal nell’editor di classi o istanze e poi editare il metodo; l’asterisco indica un metodo ereditato). Marco Meluccio

10. Monitor • Monitor: metodi che sono legati agli slot e che sono attivati o dai cambiamenti nel valore dello slot o dalla richiesta di un valore non noto. Ci sono quattro tipi di monitor: • if needed (questo monitor è attivato se c’è bisogno di un valore di uno slot, ma non è conosciuto); • when accessed (è attivato quando si accede allo slot indipendentemente dal fatto che ci sia o no il valore dello slot); • before change (è attivato prima che il valore dello slot sia cambiato) • after change (è attivato dopo che lo slot è cambiato). Marco Meluccio

11. Gli slot • Gli slot servono per descrivere le caratteristiche di un oggetto. Come succede per i metodi, possono essere ereditati o resi locali introducendo nuovi valori. • Gli slot hanno una struttura interna composta di opzioni. Kappa PC fornisce un insieme di opzioni standard per controllare il tipo e il numero dei valori. Si può: • specificare il numero di valori; • controllare i tipi dei valori; • descrivere un insieme di valori permessi; • specificare altre istanze come valori. Marco Meluccio

12. Gli slot: ereditarietà • Una volta che un slot è reso locale e ne viene cambiato il valore, tutte le classi e le istanze che ereditano lo slot ottengono il nuovo valore: il risultato è una specie di shadowing effect. E’ possibile anche cambiare il valore di uno slot senza rendere quest’ultimo locale: in tal caso, il nuovo valore viene cambiato nello slot e in quelli al di sotto nella gerarchia, ma non cambia lo schema dell’ereditarietà (le opzioni dello slot continuano ad essere ereditate come prima). • Quando si crea la base di conoscenza, si deve trovare il giusto posto per gli slot: questi devono essere messi più in alto possibile nella gerarchia. Marco Meluccio

13. Gli slot: base di conoscenza • La struttura della conoscenza tende ad evolvere con l’aumento della conoscenza stessa: per esempio, se classi o istanze con degli slot in comune non hanno un genitore in comune, questo può essere un segnale che si potrebbe dare a loro un genitore comune. Espandendo la base di conoscenza, è possibile che sia necessario aggiungere delle classi da qualche parte all’interno della gerarchia: questo può provocare un movimento degli slot verso l’alto. • Per muovere degli oggetti all’interno della gerarchia, si possono utilizzare le funzioni MoveInstance e MoveHierarchy. Marco Meluccio

14. Gli slot: opzioni • Usare le opzioni degli slot permette di fornire informazioni più dettagliate sugli oggetti e quindi creare applicazioni più accurate. • Le opzioni descrivono gli slot nello stesso modo in cui gli slot descrivono le istanze. Una opzione è un contenitore, un posto per mettere ulteriore informazione sullo slot. • Il Kappa PC fornisce automaticamente un insieme di opzioni a ciascuno slot. Quest’ultimo può avere molte opzioni, ma non avere un valore: in questo caso Kappa PC gli assegna il valore NULL. Marco Meluccio

15. Gli slot: opzioni • I tipi di opzioni degli slot sono: • cardinalità; • valori permessi; • tipo di valore; • ereditarietà dello slot; • i monitor: if needed, when accessed, before change e after change; • linea di prompt. Marco Meluccio

16. Slot editor Marco Meluccio

17. Gli slot: monitor • I monitor sono metodi che sono attivati quando si accede alla coppia oggetto:slot. • if needed (questa opzione contiene il nome di un metodo nell’oggetto. Il metodo è automaticamente eseguito quando il valore dello slot è richiesto e non c’è un valore. Il metodo prende il nome dello slot come argomento opzionale e restituisce il valore da essere usato al posto di NULL nell’espressione di KAL che si riferisce allo slot); • when accessed (a differenza del monitor if needed viene chiamato anche quando il valore dello slot è conosciuto); • before change e after change (chiamati prima e dopo il cambiamento del valore nello slot). Marco Meluccio

18. Gli slot: tipi di valori • I tipi di valori possibili per uno slot sono i seguenti: • text (tipo di default): i limiti di valori per questo tipo si possono fissare nella campo allowable values; • number (intero o floating point): è possibile definire un massimo e un minimo; • boolean (True o False); • object (può essere il nome di una classe o di una istanza). • Con la linea di prompt è possibile specificare la domanda che si vuole porre all’utente. • La cardinalità può essere singola o multipla. Marco Meluccio

19. Il linguaggio KAL • Il KAL è un linguaggio simile nella sua sintassi al C e si comporta come il Lisp. E’ un linguaggio interpretato che può essere compilato nel C. • La sintassi del linguaggio KAL può essere divisa in sei tipi principali: • gli atomi (una singola parola o un gruppo di parole tra virgolette; ad esempio: MarysCar o “red white blue”); • gli slot pairs (nome di un oggetto, due punti, nome di uno slot; ad esempio: MarysCar:Color, Autos:NumberOfDoors oppure TomsCar:Owner:Age, dove TomsCar assume il valore Tom e Tom:Age 45, quindi si ottiene 45); Marco Meluccio

20. Il linguaggio KAL • gli operatori infissi (=, +=, -=; aritmetici: +, -, *, / , ^, di confronto: <, >, <=, >=, ==, !=, ~=; su stringhe: # unisce due stringhe, confronto #=, #<, #>; logici: And, Or, Xor; altri operatori: +, -, Not); • le espressioni speciali (While, For, ForAll, If, Let); • i blocchi di espressioni unite da parentesi; • le funzioni permettono di • creare e modificare gli elementi della conoscenza; • valutare espressioni logiche, matematiche e su stringhe; • controllare blocchi di espressioni; • manipolare liste, file, database e fogli elettronici; • controllare il processo di conoscenza; • controllare l’interfaccia grafica. • sintassi: NomeFunzione(argomento1, argomento2,…) Marco Meluccio

21. Ragionamento basato sulle regole • KappaPC fornisce un ambiente di sviluppo che permette di scegliere diversi modi per sviluppare un’applicazione: programmazione orientata agli oggetti, ragionamento basato su regole, programmazione classica. • Una regola è simile ad una frase condizionale in un programma convenzionale: if this, then that. • Un motivo per cui usare le regole è l’inference engine, uno speciale programma per trattare le regole. Inoltre le regole possono rappresentare un modo efficiente per codificare l’informazione. Marco Meluccio

22. Ragionamento basato sulle regole • Si possono evidenziare due tipi di ragionamento: • ragionamento in avanti (simulare dei processi: per esempio modellare gli effetti della condizione della batteria su un’operazione della macchina); • ragionamento all’indietro (diagnosticare dei problemi: per esempio scoprire perché una macchina non vuole partire). • Il primo procede dalle premesse alle conclusioni. Il secondo dalle conclusioni cerca di verificare se un certo fatto può essere stabilito ed è anche detto ragionamento guidato dall’obiettivo. Marco Meluccio

23. Esempio di ragionamento basato su regole • GoodElecSys • IF the SparkPlugCondition is Good • and the Timing is In Synch • and the Battery is Charged • THEN the ElectricalSystem is Good • BadElecSys • IF the SparkPlugCondition is Bad • Or the Timing is Out OfSynch • Or the Battery is Low • THEN the ElectricalSystem is Bad Marco Meluccio

24. Esempio di ragionamento basato su regole • Supponendo “SparkPlugCondition good” e “Timing In Synch”, cosa succede se il valore dello slot della batteria è posto a “charged”? In questo modo si asserisce un nuovo fatto: il motore d’inferenza scopre che una premessa della regola combacia con questo nuovo fatto. Continua poi a controllare se le altre due premesse sono verificate. • Nel ragionamento all’indietro invece non si comincia asserendo, ma ponendo una domanda: • Qual è lo stato del sistema elettrico? • Il ragionamento all’indietro procede dalle conclusioni alle premesse e quando il motore d’inferenza raggiunge un valore che non può essere accertato, questo verrà chiesto all’utente. In questo caso verrà chiesto il valore della batteria. Se questo sarà “low”, il ragionamento all’indietro porterà alla conclusione che il sistema elettrico è “bad”, se sarà “charged”, si otterrà che il sistema elettrico è “good”. Marco Meluccio

25. Scegliere il ragionamento basato su regole • E’ necessario: • scegliere tra il ragionamento in avanti e il ragionamento all’indietro: il primo è più appropriato quando si inseriscono nuovi fatti e si vogliono trovare le conclusioni (spesso vero in una simulazione: cambia il valore della batteria e si vogliono trovare le conseguenze), il secondo è più utilizzato per ragioni diagnostiche (ad esempio: La macchina ha la batteria guasta?). • determinare quando si devono utilizzare le regole: se un processo richiede poche condizioni ed è composto da serie di passi predeterminati, le regole sono inefficienti. Le regole sono utili se le condizioni possono essere spezzate in tante piccole regole e se il controllo fornito dal motore d’inferenza (ragionamento all’indietro e in avanti) è appropriato. Marco Meluccio

26. Ragionamento basato su regole: sintassi • Specificare premesse e conclusioni • Una premessa o una conclusione di una regola in KAL tipicamente contiene nomi degli oggetti, i loro slot e i loro valori. Un esempio è il seguente: • MarysCar:SparkPlugCondition #= Good • Questa espressione chiede se l’oggetto MarysCar contiene uno slot SparkPlugCondition con un valore Good. • L’operatore #= testa se due stringhe sono uguali (da non confondere con l’operatore = che assegna un valore o con == che confronta due numeri). Marco Meluccio

27. Ragionamento basato su regole: sintassi • Usare regole con variabili • Regole come quella fornita come esempio nella pagina precedente possono essere applicate solo ad una istanza in particolare. Per rendere più generale una regola si possono utilizzare delle variabili. • Variabili nelle regole sono chiamate patterns in Kappa PC. • Un esempio: • GoodElecSys [car|Autos] • If car:SparkPlugCondition #= Good And • car:Timing #= InSynch And • car:Battery #= Charged; • Then car:ElectricalSystem = Good; Marco Meluccio

28. Ragionamento basato su regole: sintassi • Nell’esempio precedente prendiamo in considerazione l’espressione tra parentesi [car|Autos]: la parola o l’atomo prima della barra verticale è la variabile da usare all’interno della regola, mentre la parola dopo la barra indica la classe le cui istanze saranno legate alla variabile. • Priorità delle regole • Fissare la priorità di una regola permette di determinare l’ordine di precedenza nel ragionamento quando sono applicate più di una regola. La priorità va da -32000 a +32000, mentre il valore di default è 0. Per cambiare la priorità si può usare o il Rule Editor o la funzione SetRulePriority. Marco Meluccio

29. Regole in Kappa PC • Ci sono alcune considerazioni importanti nello scrivere le regole: • quali regole si vogliono rilevanti, in quale momento e in quale tempo è segnato nella Rule List; • nella lista Agenda si trovano le coppie object:slot nell’ordine con cui sono processati dal motore d’inferenza in avanti; • si può creare un insieme più ristretto di regole per rendere più efficiente il ragionamento in avanti (Rule Set); • per bloccare il ragionamento in qualche punto si possono usare dei Break Point; Marco Meluccio

30. Regole in Kappa PC • se si usa un ragionamento in avanti, si possono scegliere quattro modi di ragionamento: • selective (default); • depth-first; • breadth-first; • best-first; • se due regole sono in conflitto, si deve decidere quale applicare fissando le priorità; • se si usa il ragionamento all’indietro, è necessario fissare gli obiettivi (goal). Marco Meluccio

31. Ragionamento in avanti • Il ragionamento in avanti comincia quando una coppia oggetto:slot è rimossa dall’Agenda. La corrente coppia è messa a confronto con ogni regola nell’insieme di regole fornite con la funzione ForwardChain. Una regola nell’insieme è considerata se almeno una delle sue premesse si riferisce alla coppia in esame. Per ciascuna regola vengono esaminate tutte le rimanenti regole. Una regola in cui tutte le regole sono verificate è detta applicabile, è tolta dalla Rule List e sono valutate le sue conseguenze. Marco Meluccio

32. Ragionamento in avanti • Se le conclusioni rispondono alla domanda posta in partenza (goal), il ragionamento si ferma. • Altrimenti le conclusioni trovate vengono poste nell’Agenda. • In questo modo si termina un ciclo di ragionamento in avanti. Se non è raggiunto il goal, viene presa la successiva coppia object:slot nell’Agenda e il ciclo ricomincia. • Se non è specificato alcun goal, il ragionamento termina quando non c’è più nulla da esaminare, ovvero quando l’Agenda è vuota. Marco Meluccio

33. Tre passi per il ragionamento in avanti • Sono necessari tre passi per il ragionamento in avanti: • cambiare il valore di uno slot • ObjName:SlotName = NewValue; • comunicare al motore d’inferenza che è stato cambiato un valore di uno slot con il comando Assert (si può omettere utilizzando l’opzione [NOASSERT]) • Assert(ObjName, SlotName); • iniziare il ragionamento in avanti • ForwardChain(GoalName, RuleSet); • Al posto di GoalName può essere passato il valore NULL. • Il goal è invece obbligatorio nel ragionamento all’indietro. Marco Meluccio

34. BadElecSys: IF car:SparkPlusCondition #= Bad Or car:Timing #= OutOfSynch Or car:Battery #= Low; THEN car:ElectricalSystem = Bad; GoodElecSys: IF car:SparkPlugCondition #= Ok And car:Timing #= InSynch And car:Battery #= Charged; THEN car:ElectricalSystem = Ok; BadEngineSys: IF car:IgnitionKey #= Off Or car:GasSystem #= Bad Or car:ElectricalSystem #= Bad; THEN car:Status = Stopped; GoodEngSys: IF car:IgnitionKey #= On And car:GasSystem #= Ok And car:ElectricalSystem #= Ok; THEN car:Status = Running; BrighLights: IF car:LightSwitch #= On And car:Battery #= Charged; THEN car:LightsAppearance = Bright; DimLights: IF car:LightSwitch #= On And car:Battery #= Low; THEN car:LightsAppearance = Dim; Strategie del ragionamento in avanti Marco Meluccio

35. BriskTurnover: IF car:IgnitionKey #= On And car:ElectricalSystem #= Low; THEN car:EngineTurnover = Brisk; SluggishTurnover: IF car:IgnitionKey #= On And car:ElectricalSystem #= Bad; THEN car:EngineTurnover = Sluggish; Strategie del ragionamento in avanti • All’inizio del processo i valori iniziali sono i seguenti: Battery NULL ElectricalSystem NULL EngineTurnover NULL IgnitionKey On LightsAppearance NULL LightSwitch On Status NULL Marco Meluccio

36. Strategia selective • E’ la strategia di default: è la più efficiente, perché segue un solo passo di ragionamento, ma non è una strategia esaustiva. Se si cambia strategia, si può tornare a questa con SetForwardChainMode(SELECTIVE). • Durante il ragionamento nuove regole sono aggiunte alla rule list secondo la loro priorità. Appena una regola è TRUE, le rimanenti regole sono cancellate. L’Agenda deve essere vuota prima che sia testata la successiva regola nella lista. Il processo è iniziato dalla seguente lista di comandi: • MyCar:Battery = Low; • Assert(MyCar, Battery); • ForwardChain(NULL, ruleset); • Si ottiene: • MyCar:ElectricalStatus = Bad; • MyCar:Status = Stopped; Marco Meluccio

37. Strategia selective Marco Meluccio

38. Strategia depth-first • E’ una ricerca esaustiva: scopre tutte le possibili implicazioni, ma è meno efficiente. Differisce dalla strategia selective nel fatto che non viene azzerata la rule list dopo ogni applicazione con successo di una regola. • Durante il processo di ragionamento nuove regole sono aggiunte all’inizio della rule list. Se ci sono più item nell’Agenda e nella rule list, la priorità è data al successivo item nell’Agenda. Si inizia con i seguenti comandi: • SetForwardChainMode(DEPTHFIRST); • MyCar:Battery = Low; • Assert(MyCar, Battery); • ForwardChain(NULL, ruleset); • Si ottiene: • MyCar:ElectricalStatus = Bad; MyCar:Status = Stopped; • MyCar:EngineTurnover = Sluggish; MyCar:LighsAppearance = Dim; Marco Meluccio

39. Strategia depth-first Marco Meluccio

40. Strategia depth-first Marco Meluccio

41. Strategia breadth-first • Come la strategia depth-first, è una strategia esaustiva che scopre tutte le possibili implicazioni. Anche questa è meno efficiente della strategia selective. Durante il processo di ragionamento le nuove regole vengono aggiunte in fondo alla rule list. Se ci sono più item nell’Agenda e nella rule list, la priorità è data alla successiva regola nella rule list. Si inizia con i seguenti comandi: • SetForwardChainMode(BREADTHFIRST); • MyCar:Battery = Low; • Assert(MyCar, Battery); • ForwardChain(NULL, ruleset); • Si ottiene: • MyCar:ElectricalSystem = Bad; MyCar:LighsAppearance = Dim; • MyCar:Status = Stopped; MyCar:EngineTurnover = Sluggish; Marco Meluccio

42. Strategia breadth-first Marco Meluccio

43. Strategia breadth-first Marco Meluccio

44. Strategia best-first • Questa strategia è simile a quella depth-first, è esaustiva e scopre tutte le implicazioni possibili. Le nuove regole vengono aggiunte alla lista, ma l’ordine è dato dalla priorità. Se ci sono più item nell’Agenda e nella rule list, la priorità è data al successivo item nell’Agenda. Per esempio possiamo assumere le seguenti priorità: BadElecSys 8, BadEngineSys 7, BrightLights 6, BriskTurnover 5, DimLights 4, GoodElecSys 3, GoodEngSys 2, SluggishTurnover 1. Il processo è iniziato dai comandi: • SetForwardChainMode(BESTFIRST); • MyCar:Battery = Low; • Assert(MyCar, Battery); • ForwardChain(NULL, ruleset); • Si ottiene: • MyCar:ElectricalSystem = Bad; MyCar:Status = Stopped; • MyCar:LighsAppearance = Dim; MyCar:EngineTurnover = Sluggish; Marco Meluccio

45. Strategia best-first Marco Meluccio

46. Strategia best-first Marco Meluccio

47. Ragionamento all’indietro • Nel ragionamento all’indietro o ragionamento guidato dall’obiettivo, il motore d’inferenza tenta di verificare un fatto cercando regole che provano il fatto stesso e poi cercando di verificare le loro premesse. Le premesse a loro volta diventano nuovi fatti da verificare con altre regole e così via. Ci sono tre fasi di questo tipo di ragionamento: • espansione: • il motore d’inferenza cerca di verificare le premesse delle regole o le coppie object:slot al fine di cercare di soddisfare l’obiettivo; • collapsing: • il motore d’inferenza cerca di verificare se il goal è stato soddisfatto; • richiesta: • quando il motore d’inferenza non riesce a trovare il valore di uno slot, lo richiede all’utente. Può essere utilizzata questa strategia per chiedere all’utente informazioni in particolari momenti. Questa fase è opzionale e si può eliminare con l’opzione [NOASK]. Marco Meluccio

48. Ragionamento all’indietro • Si può attivare il processo all’indietro da una delle tre finestre del sistema Kappa PC: • l’interprete KAL (usando la funzione BackwardChain); • la finestra Rule Trace (usando l’opzione BackwardChain nel menu Control); • l’Inference Browser (usando l’opzione Step Mode dal menu Options). • Il ragionamento all’indietro può essere attivato anche da espressioni KAL in un metodo, in una funzione, in una regola… • Ci sono tre elementi importanti da tenere in considerazione: • la variabile opzionale [NOASK]; • il goal sempre richiesto; • l’opzionale insieme di regole (rule set). Marco Meluccio

49. Strumenti di sviluppo Marco Meluccio

50. Kappa PC’s main window • La finestra principale del sistema Kappa PC serve come interfaccia per gestire lo sviluppo di una applicazione. Questa finestra permette di: • salvare e recuperare file e applicazioni; • gestire tutte le finestre dell’ambiente di sviluppo Kappa PC. • La barra menu principale contiene quattro menu: • file; • edit; • windows; • options. Marco Meluccio