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Aula 3Raciocínio Baseado em Casos

Monday, March 21, 2011

Definição

O raciocínio baseado em casos (RBC) é uma técnica que pretende resolver novos problemas adaptando soluções anteriormente utilizadas na resolução de problemas similares.

RBC baseia-se no uso da Analogia


RBC versus RBM


Motivação – O saber da experiência

• Classificação: “Os problemas de ouvido deste paciente são casos típicos de otite média”

• Soluções compiladas: “Os sintomas de coração do paciente X podem ser explicados da mesma maneira que aquele paciente Y”

• Avaliar medidas: A minha casa é como aquela que foi vendida mais em baixo nesta rua por 120.000€ mas esta tem uma vista melhor”

• Concepção (design): para projectar este hospital, vou-me basear naquele que já fiz com um número de camas parecido, embora tenha de adaptá-lo pois este é de esquina

• Avaliando opções: se nós atacássemos as instalações dos mísseis cubanos/russos, seria como no caso de Pearl Harbor


Vantagens

• Fac i l i t a o p rocesso de aqu i s i ção de conhecimento (ao não exigir modelos)

• Amostragem antecipada do tipo de problemas

• Permite a reutilização do conhecimento armazenado em bases de dados e outras fontes

• O conhecimento é encapsulado na solução aplicada

• Permite aprendizagem automática de novos casos


Desvantagens

• Dificuldade em obter casos disponíveis e confiáveis

• Não cobrem todo o domínio

• Recuperação por similaridade tem desempenho medíocre em aplicações reais

• Não existem bons algoritmos de adaptação

• Espaço de armazenamento do conhecimento muito maior do que modelos


Algumas críticas ao Raciocínio Baseado em Modelos

• Fase de desenvolvimento pode ser longa

• Aprendizagem complexa

• Não é robusto

• Tratamento de incerteza complicado

• Manutenção e refinamento são delicados

• Baixo desempenho


Funcionamento: ciclo dos 4 Rs


Ciclo de funcionamento

• Recuperação: quando se apresenta ao sistema um novo problema é feita a recuperação na base de casos do caso mais parecido com o problema em questão, identificando as características mais significantes comuns aos dois casos.

• Reutilização: a partir do caso recuperado é feita a reutilização da solução a ele associada. Geralmente a solução do caso recuperado é transferida para o novo problema directamente como a sua solução.

• Revisão: é feita quando a solução não pode ser aplicada directamente ao novo problema. O sistema avalia as diferenças entre os problemas (o novo e o recuperado), quais as partes do caso recuperado que são semelhantes ao novo caso e podem ser transferidas. A solução do caso recuperado da base é adaptada para obter a solução do novo caso.

• Retenção: é o processo de armazenar o novo caso e sua respectiva solução para futuras recuperações. O sistema irá decidir qual a informação a armazenar e de que forma.


Aquisição de Casos

• Processo mais complexo no desenvolvimento de uma aplicação. Algumas situações:

• Os dados não existem numa fonte externa

A técnica de RBC pode ficar impossibilitada. A construção de casos é tão ou mais complexa que a de modelos

• Estão semi-disponíveis numa fonte externa Situação mais comum, os dados podem ser complementados por

um especialista

• Os dados existem mas contêm erros

Situação comum, os dados podem ser verificados e validados por um especialista

• Os dados estão registrados de forma correcta e disponíveis Situação rara, só é necessário eliminar dados repetidos ou não

relevantes


Representação de Casos

• A estrutura de representação utilizada deve permitir que o utilizador da aplicação consiga facilmente entender/manipular os dados correctamente

• A gestão da aplicação deve ser eficiente (indexação...)• Somente os atributos que influenciam na solução

devem ser representados• Aspectos da estrutura de um caso:

• Problema • Solução• Avaliação da solução

• A organização pode ser sequencial ou estruturada• No caso de ser estruturada, a hierarquia pode considerar

semelhanças de atributos ou classificação de casos


Indexação

• Índices apontam para atributos mais discriminantes e/ou significativos

• Apontam similaridades úteis entre os casos, construindo “atalhos” para os casos candidatos

(Mesma ocupação? Mesmo salário?)

• O objetivo é evitar ter de percorrer toda a base na busca do caso mais similar

• Devem prever a utilização da informação em diferentes problemas

• A indexação pode ser manual ou automática

(Automáticos: Métodos de indução, análise de sensibilidade, cálculo de semelhanças, arvores de decisão)


Recuperação

• Selecção dos casos mais parecidos com a situação actual

• Os algoritmos baseiam-se nos índices e na organização de memória para realizar a pesquisa dos casos

• A selecção do melhor caso é realizada através de uma medida da similaridade

• Podem ser utilizados algoritmos de buscas exaustivas e outros baseados em heurísticas


Similaridade

wi - peso da característica iaxi e ayi - valores da característica i nos casos C e Ssimi - função primitiva para a característica i

• Observações• similaridade global [0-1] • mais fácil introduzir conhecimento do domínio: pesos• os pesos podem ser definidos manualmente ou por

métodos automáticos


Exemplo

• Pesos• ano = 2, modelo = 3, marca = 2, cor = 1, preco =1

• Funções primitivas• ano: (diferença ≤ 2) => 1; (2 < dif ≤ 4) => 0,5; (dif > 4) => 0

• modelo: igual => 1; diferente => 0• marca: igual => 1; diferente => 0• cor: igual => 1; parecida => 0,5; diferente => 0

• preço: (dif ≤ 250) => 1; (250 < dif < 1000) => 0,5); (dif > 1000) => 0

Carro 1 Carro 1 Carro 1

Ano 1997 1996 1995

Marca Polo Golf Tempra

Modelo VW VW Fiat

Cor Azul Vermelho Azul

Preço 1000 1500 1300


Similaridade

• De tipos numéricos• Considera uma distribuição uniforme (linear) para os valores

dos atributos• Distribuições mais complexas devem usar funções que avaliam

a distribuição

• Similaridade de tipos simbólicos• São definidas enumerações

Branco Amarelo Vermelho Castanho Preto

Branco 1 0.8 0.4 0.15 0

Amarelo 1 0.5 0.2 0

Vermelho 1 0.7 0.6

Castanho 1 0.85

Preto 1


Adaptação

• Procura diferenças salientes entre as duas descrições e aplica regras para compensá-las

• As regras de adaptação podem ser automáticas ou manuais

• Geralmente, a adaptação é realizada pelo utilizador do sistema, pois a adaptação automática, se for realizada de forma errada, pode comprometer todo o sistema

• Adaptação automática através de Substituição ou Transformação

• Reinstanciação• Ajuste de Parâmetros• Substituição baseada em casos


Solução / Aprendizagem

• Ocorre quando um caso é solucionado com sucesso

• O caso é armazenado no banco de casos, para que possa ser usado na solução de novos problemas

• Podem também ser armazenados casos de insucesso

• Quan to ma io r fo r o número de casos armazenados, melhor o índice de similaridade é gerado


Alguns Problemas

• Aquisição & descrição dos casos • nem sempre é trivial encontrar conhecimento do domínio!

• O controle da medida de similaridade é fraco pois o matching é parcial • A acumulação de semelhanças “irrelevantes” faz com que

certos casos sejam escolhidos em detrimento dos outros

• como ter certeza que as propriedades A e B serão determinantes na recuperação de um caso que contém 20 atributos?

• A explicação • pode ser prejudicada quando a recuperação é baseada numa

medida de similaridade numérica


Aplicação

• Grande diversidade de classes de problemas• diagnóstico, planeamento, escalonamento, selecção, design,

interpretação, ensino,....

• Ferramentas (shells)• ReMind, CAsePOint,CASUEL, ReCall, CBR-Express, ART*,...

• Exemplos Machine Tool Fault Diagnosis; Computer Network Diagnosis;

Credit Analysis; Geological Deposit Prediction; Battle Planning; Bank Telex Classification; Natural Language Understanding ; Network Management; Legal Reasoning; Claims Settlement; Medical Diagnosis; Weather Prediction; Fraud Detection; Industrial Planning and Scheduling; Residential Domain; Aircraft Maintenance Domain; Helpdesk Systems for PC Network Diagnostics


Sistema PROLOG CASE

• PROLOG CASE (escrito por Bruno Gonçalves) URL - http://iscte.pt/~luis/aulas/tsi/PrologCASE.zip

• Apontamentos e Manual do PROLOG CASE (Luís Botelho - ISCTE - Instituto Superior de Ciências do Trabalho e da EmpresaURL - http://iscte.pt/~luis/aulas/tsi/ApontamentosCBR.zip


http://iscte.pt/~luis/aulas/tsi/PrologCASE.ziphttp://iscte.pt/~luis/aulas/tsi/PrologCASE.ziphttp://iscte.pt/~luis/aulas/tsi/ApontamentosCBR.ziphttp://iscte.pt/~luis/aulas/tsi/ApontamentosCBR.zip

CBR – Exemplo Simples

Exemplo de Conhecimento geral

IF Heroi(H) AND Vilao(V) AND Pos(H, Pos) AND Pos(V, Pos)

THEN Disparar(H, V)

Neste jogo, isto é uma regra aplicável a qualquer herói e a qualquer vilão, sejam eles quais forem, que se encontrem em qualquer posição do mundo do jogo.

Raciocínio por analogia: enquanto que a lógica e as regras representam conhecimento geral, o raciocínio por analogia baseado em casos, representa casos particulares.


CBR – Exemplo Simples(Conhecimento de casos)

Caso 1

ProblemaHeroi(James)

Vilao(Jaws).Pos(James, (2,5)).

Pos(Jaws, (2, 5)).

SoluçãoDisparar(James, Jaws).

Caso 2Problema

Heroi(Batman)Vilao(Pinguin).

Pos(Batman, (10,4)).

Pos(Pinguin, (10, 4)).

Solução

Disparar(Batman, Pinguin).

Caso 3Problema

Heroi(James)Vilao(Jaws).Pos(James, (2,10)).Pos(Jaws, (2, 5)).

SoluçãoPassoBaixo(James).

ProblemaHeroi(SpiderMan)Vilao(Octopus).Pos(SpiderMan, (3,10)).Pos(Octopus, (3, 5)).

Solução: ???


Qual é a solução deste problema? Isto é, que acção deverá realizar o SpiderMan?P: Qual é o caso da base de conhecimentos mais parecido com o problema actual?R: Caso 3P: Qual é a analogia entre os dois casos (o novo e o caso 3):R:

i.e., { James/SpiderMan, Jaws/Octupus, 2/3 }


Novo Problema Caso 3

SpiderMan James

Octopus Jaws

3 2



P: Qual é a solução do caso novo?R: PassoBaixo(SpiderMan), a qual resulta da aplicação da analogia estabelecida à solução do caso 3.

Notas:★ Pode formar‑se um novo caso constituído pelo novo problema

e a solução derivada por analogia. ★ Se este novo caso for suficientemente diferente dos casos já

armazenados deve ser guardado na base de casos, aumentando assim o conhecimento do sistema.

★ É natural que haja problemas futuros que sejam mais semelhantes ao novo caso do que os outros casos já existentes.

★ Se o novo caso não for suficientemente diferente dos casos existentes não vale a pena armazená-lo pois a rapidez do sistema diminui com o aumento de casos armazenados.

Compromisso


Utilização do PROLOG CASE

★ Para utilizar o Prolog Case, é necessário carregar os seus ficheiros no interpretador de Prolog.

★ De seguida realizam-se as seguintes tarefas:1. Criar e armazenar uma base de casos;2. Parametrizar o sistema;3. Utilizar o raciocinador Prolog Case para obter soluções para

problemas.

★ Os casos de uma base de casos são representados através do predicado case/2. ★ Primeiro argumento - descrição de um problema. ★ Segundo argumento - solução para esse problema.


Utilização do PROLOG CASE• O Prolog Case tem de ser configurado através de um conjunto de

parâmetros a serem definidos pelo programador:• comparison_threshold: Limiar de semelhança a partir do qual o sistema

considera que um dado caso pode fornecer a solução para o novo problema;

• storage_threshold: Limiar de semelhança até ao qual o sistema decide guardar o novo caso que resulta da junção do novo problema com a solução sugerida pelo sistema;

• problem_matching_method: Método a ser usado pelo Prolog Case para comparar o novo problema com o problema armazenado num caso.

• Também é necessário especificar (nos predicados top_comparable/5 e comparable_args/8):• quais os termos que são comparáveis;• qual é o método usado na comparação dos seus argumentos;• qual o valor a usar para multiplicar o resultado da comparação dos

argumentos de modo a obter o resultado da comparação entre os termos.


Utilização do PROLOG CASE(Base de Casos)

• Os casos, no Prolog Case, são guardados em ficheiro e carregados no interpretador de Prolog. Cada caso é armazenado num facto que recorre ao predicado case/2.

• Em vez de representar cada caso num facto case/2, usando a base de conhecimento interna do Prolog, o programador é livre de definir o predicado case/2 de outra forma qualquer, • Por exemplo, pode definir case/2 como um predicado de acesso a uma

base de dados relacional que armazenaria os casos de forma permanente.

• Neste caso, a consulta dos casos seria por acesso à base de dados, não sendo necessário ter em memória todos os casos.


Utilização do PROLOG CASE(Exemplo de Base de Casos)

case([ artigo_desejado(‘Learning through observation’),

autor(‘Learning through observation’, jaçanã),

paginaWeb(jaçanã, ‘http://iscte.pt/~jacana/’)

],

[ abrir_pagina(‘http://iscte.pt/~jacana/’) ]

).

case([ artigo_desejado(‘Agent based simulation’),

autor(‘Agent based Simulation’, bruno),

telefone(bruno, 960860360) ],

[ telefonar(960860360) ]

).

case([ artigo_desejado(‘Brainstorm assistance tool’),

autor(‘Brainstorm assistance tool’, antonio),

paginaWeb(antonio, ‘http://www.we-b-mind.org/~tony/’),

telefone(antonio, 931111333) ],

[ abrir_pagina(‘http://www.we-b-mind.org/~tony/’) ]

).


http://www.we-b-mind.org/~tony/http://www.we-b-mind.org/~tony/

Utilização do PROLOG CASE(Parameterização do Sistema)

% Parâmetros

comparison_threshold(0.5).

storage_threshold(0.7).

problem_matching_method(permutations).

% Termos comparáveis

/* top_comparable(ComparableId, FunctorSpec1, FunctorSpec2, ArgsComparisonMethod, Similarity) */

% Functores dos termos comparáveis dos problemas

top_comparable(1, artigo_desejado/1, artigo_desejado/1, match, 1).

top_comparable(2, autor/2, autor/2, match, 1).

top_comparable(3, paginaWeb/2, paginaWeb/2, match, 1).

top_comparable(4, telefone/2, telefone/2, match, 1).

/*top_comparable(2, autor/2, autor/2, match, 1) estabelece o contexto de comparação 2, e significa que, em qualquer contexto, dois termos de aridade 2 formados a partir do functor autor são comparáveis, que as respectivas colecções de argumentos devem ser comparadas através do método match de comparação e que a semelhança entre os dois functores é 1 */


Utilização do PROLOG CASE(métodos de comparação)

• match - compara-se a lista de termos que representa o novo problema com a lista de termos que representa o problema de um caso armazenado. O termo de ordem i do novo problema só pode ser comparado com o termo de ordem i do problema armazenado.

• Subsequences – comparar as duas sequências S1 : [t1.1, t1.2, t1.3] e S2 : [t2.1, t2.2]

Analogia 1 Analogia 2 Analogia 3• T1.1 corresponde

a T2.1

• T1.2 corresponde a T2.2

• Em S2, falta o elemento correspondente a T1.3








Utilização do PROLOG CASE(métodos de comparação)

• permutations – comparar as duas sequências S1 : [t1.1, t1.2, t1.3] e S2 : [t2.1, t2.2]Analogia 1 Analogia 2 Analogia 3









• Em S2, falta o elemento correspondente a T1.3.

Analogia 4 Analogia 5 Analogia 6• T1.2 corresponde a

T2.1











/* comparable_args(ComparableId, ContextId, Term1Index, Term2Index, Arg1, Arg2, ComparisonMethod, Similarity) */

% Artigo

comparable_args(5, 1, 1, 1, Artigo1, Artigo2, no_comparison, 1):-

artigo(Artigo1), artigo(Artigo2), Artigo1 \= Artigo2.

comparable_args(6, 2, 1, 1, Artigo1, Artigo2, no_comparison, 1):-

artigo(Artigo1), artigo(Artigo2), Artigo1 \= Artigo2.

% Autor

comparable_args(7, 2, 2, 2, Autor1, Autor2, no_comparison, 1):-

pessoa(Autor1), pessoa(Autor2), Autor1 \= Autor2.





% URL

comparable_args(10, 3, 2, 2, Url1, Url2, no_comparison, 1):-

url(Url1), url(Url2), Url1 \= Url2. artigo(Artigo):- atom(Artigo).

pessoa(Autor):- atom(Autor).

url(Url):- atom(Url).


A cláusulacomparable_args(7, 2, 2, 2, Autor1, Autor2, no_comparison, 1):-


significa que, • no contexto de comparação nº 2 (estabelecido por uma cláusula

top_comparable/5 ou comparable_args/8) (neste exemplo, é o contexto de comparação de dois termos autor/2),

• o segundo argumento (2) de um termo pode ser comparado com o segundo argumento (2) do outro termo desde que esses argumentos sejam pessoas (pessoa(Autor1) e pessoa(Autor2)) e sejam diferentes um do outro. Se forem iguais, o sistema usa o método de comparação por omissão.

• neste contexto e nestas circunstâncias, a semelhança entre os valores dos segundos argumentos dos dois termos é 1.

• o método de comparação no_comparison indica que os argumentos não têm argumentos ou, se os tiverem, a semelhança não depende deles.



Utilização do PROLOG CASE(um pequeno programa…)

:- ensure_loaded(cbr).

:- ensure_loaded(kb_of_cases).

:- ensure_loaded(parameters).

solve(CaseNb) :-

problem(CaseNb, Problem), cbr(Problem, Action, Simil),

write('Problema :'), nl, write(Problem), nl, write('Accao : '), write(Action), write(' - Semelhanca : '), write(Simil), nl.

problem(1, [artigo_desejado('The use of plans'),

autor('The use of plans', martha),

paginaWeb(martha, 'http://www.eecs.umich.edu/~~pollackm/')]).

problem(2, [artigo_desejado('The Role of Emotions'),

autor('The Role of Emotions', paolo),

paginaWeb(paolo, 'http://www.ofai.at/~~paolo.petta/'),

telefone(paolo, 777999555)]).

problem(3, [artigo_desejado('A caça aos gambusinos'),

autor('A caça aos gambusinos', pedro),

telefone(pedro, 395564456)]).


Utilização do PROLOG CASE(interacção na consola)

| ?- solve(1).

Problema :

[artigo_desejado(The use of plans),autor(The use of plans,martha),paginaWeb(martha,http://www.eecs.umich.edu/~pollackm/)]

Accao : [abrir_pagina(http://www.eecs.umich.edu/~pollackm/)] - Semelhanca : 1

yes

| ?- solve(2).

Problema :

[artigo_desejado(The Role of Emotions),autor(The Role of Emotions,paolo),paginaWeb(paolo,http://www.ofai.at/~paolo.petta/),telefone(paolo,777999555)]

Accao : [abrir_pagina(http://www.ofai.at/~paolo.petta/)] - Semelhanca : 0.875

yes

| ?- solve(3).

Problema :

[artigo_desejado(A caça aos gambusinos),autor(A caça aos gambusinos,pedro),telefone(pedro,395564456)]

Accao : [telefonar(395564456)] - Semelhanca : 0.833333333333333

yes

| ?-


Mais um Exercício para o PROLOG CASE

Caso 1Caso 1 Caso 2Caso 2 Caso 3Caso 3

SituaçãoSituação SituaçãoSituação SituaçãoSituação

Evento 1 O João empurrou a Ana

Evento 1 A Maria atropelou o Ricardo

Evento 1 O António atropelou o Zé

Evento 2 O João roubou a carteira da Ana

Evento 2 A Maria saiu do carro

Evento 2 O António arranca no carro

Evento 2 O João roubou a carteira da Ana

Evento 3 A Maria meteu o Ricardo no carro


Evento 3 O João fugiu Evento 3 A Maria meteu o Ricardo no carro


Evento 3 O João fugiu

Evento 4 A Maria entrou no carro


Evento 3 O João fugiu

Evento 5 A Maria arranca no carro


ClassificaçãoClassificação ClassificaçãoClassificação ClassificaçãoClassificação

Assalto e fuga: João, Ana, Carteira da AnaAssalto e fuga: João, Ana, Carteira da Ana

Atropelamento e ajuda: Maria, RicardoAtropelamento e ajuda: Maria, Ricardo

Atropelamento e fuga: António, ZéAtropelamento e fuga: António, Zé


Fim

?


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