UN APPROCCIO PROLOG ALLA FISICA NAIVE: L'ESEMPIO DEI PROCESSI QUALIT ATIVI. Sommario

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1 Forbus,K.D., "Quaitative Reasoning about Space and Motion", in Menta Modes, ed. Stevens,A. LEA Pubishers, Hisdae, N.J. (1983 ). 6. Giunchigia,F. & Weyhrauch,R.W., "A Muti-Context Mono;ònic Axiomatization ofnessentia Non-Monotonicity", in Maes,P. & Nardi,D:. "Meta-eve Architectures and Refection", Nonh-Hoand, Amsterdam (1987). 7. Greeno,J.G., "Conceptua Entities", in Menta Modes, ed. Stevens,A. LEA Pubishers, Hisdae, N.J. (1983). 8. Hayes,P.J., "The Naive Physics.Matiifesto", in Expert Systems in the Micro Eetronic Age, ed. Michie,D., Efunburgh Universi!) Press, Edinburgh, Engand (1979). 9. Minsky, M., "Why Peope Think Computers Can't", in The AI Magazine, Fa Norman,D.A., "Some Observations on Menta Modes" in Menta Modes, ed. Stevens,A. LEA Pubishers, Hisdae, N.J. (1983 ). 11. Paomba,L., "Modei Quaitativi Per a Vautazione de'mferrabiita' di Oggetti", Tesi di Laurea, Di p. Scienze dea Informazione, Miano ( 1987). 12. Piaget,J., "Psicoogia ed Epistemoogia", ed. Loescher, Torino (1974). 13. Weyhrauch,R., "Proe gomena to a Theory of Mechanized Forma Reasoning", in Artificia Inteigence vo. 13, n., 2 (1980). UN APPROCCIO PROLOG ALLA FISICA NAIVE: L'ESEMPIO DEI PROCESSI QUALIT ATIVI Sommario S. Bandini, M. Bruschi, M. G. Fiippini, A. Moesin.i Dipartimento di Scienze de111nformazione Università degi Studi di Miano Via Moretto da Brescia, Miano te (02) In questo avoro viene presentata una interpretazione Proog de inguaggio proposto nea Teoria Quaitativa dei Processi (QPT) di K.D. Forbus, ne'ambito dea Fisica Quaitativa. Otre ae caratteristiche principaicdeinguaggio dea QPT ed ai corrispettivi costrutti Proog, vengono messi in risato acuni aspetti originai di carattere integrativo a tae inguaggio (usando tecniche di metainterpretazione) che permettono una adeguata impementazione di un sistema Proog per a reaizzazione de paradigma computazionae dea teoria quaitativa sceta.. INTRODUZIONE Ottenere modei computazionai de ragionamento di senso comune e quaitativo su sistemi fisici costituisce uno dei cardini di un nuovo settore de'inteigenza Artificiae, conosciuto con i termine Naive Physics (NP) [7] [8], che, speciamente in questi utimi anni, sta suscitando sempre maggiore interesse negi operatori de settore. Con Fisica Quaitativa, viene inotre denotata quea specifica parte dea NP dedicata aa definizione e a'impiego di modei quaitativi egati a senso comune per descrivere situazioni in cui sono coinvote 'interpretazione e 'interazione con una reatà fisica opportunamente rappresentata [1]. In questo paradigma, ha avuto un ruoo fondamentae i avoro di K.D.Forbus [5]: 'approccio introdotto da questo autore è accentrato sua nozione di processo, inteso intuitivamente come quacosa che causa un cambiamento su oggetti ne tempo.

2 435 Viene proposta nei suoi avori una teoria Quaitativa dei Processi (QPT) che definisce una nozione primitiva di processo fisico, utiizzabie per a modeazione di teorie dea dinamica [6]. Scopo principae di questo avoro è a presentazione di un~ interpretazione Proog de inguaggio proposto nea QPT con 'intento di fornire a pos~ibiità di descrivere situazioni / fisiche. Vengono cioè messi in risato e pecuiarità di Proog, gi aspetti ogici dea QPT e una nuova interpretazione, favorita da Proog stesso, dei costrutti di carattere prettamente inferenziae dea teoria. L'attenzione dedicata a'utiiiz~ d~i meccanismi inferenziai di Proog e 'adozione di tecniche di metainterpretazione f?,~ [ ] hanno permesso una reaizzazione pressochè integrae de inguaggio dea QPT. Ne paragrafo seguente vengono presentate e caratteristiche principai de inguaggio in cui a QPT viene espressa. Seguono una presentazione dee motivazioni che hanno indotto aa sceta di Proog per a reaizzazione di un sistema che _ in termini di inguaggio ogico _ presenti e stesse caratteristiche dea QPT, una anaisi dee scete impementative e dei risutati ottenuti. 2. TEORIA QUALITATIVA DEI PROCESSI 2.1 Richiami La Quaitative Process Theory (QPT) [6] si propone come strumento formae per a rappresentazione di conoscenze e di ragionamenti di senso comune sua dinamica di situazioni fisiche. Per dinamica quaitativa si intende una teoria quaitativa concernente i tipi di fenomeni che possono verificarsi in una situazione fisica. La QPT utiizza un inguaggio formae di rappresentazione per e~rimere proprietà e reazioni tra gi oggetti di un dominio di interesse, in particoare rispetto a una dinamica. Per stabiire proprietà degi oggetti quai esistenza, attività o infuenze, viene definito un insieme di regoe che costituiscono a parte più prettamente inferenziae dea QPT. 2.2 Gi oggetti base Usando a QPT, diversi tipi di informazione devono essere specificati neo sviuppo di rappresentazioni, ovvero modei, di domini. I costrutti sintattici funzionai a tae scopo verranno introdotti di seguito. entità La modaità di rappresentazione di oggetti fisici è data da'astrazione che chiameremo individuo o entità. Ogni individuo in una situazione è sempre istanza di un particoare tipo; a dichiarativa defentity <type> <parts_ist> <body> indica che un'istanza di oggetto O di tipo <t yp e> _ denotata daa predicazione <type> (0) _ha associata una ista di sot i quai ne costituiscono i parametri, e 'esistenza fisica di O impica a verità dee istanze di statement e regoe contenute in <body>. Segue un esempio di definizione di entità conten~nte acune tipiche frasi ne inguaggio dea QPT, Per i cui significato si rimanda ad una trattazione competa dea teoria [5]. * ~inguaggio QPT: dichiarazione entità */ (defentity piece_of_stuff ((amount_of quantity} (voume quantity}, (pressure quantity}, (heat quantity}, (temperature quantity}, (t_boi quantity), (ocation pace)) (Qprop+ (temperature?s~f) (heat?sef)} (Taxonomy (Liquid?sef) (Gas?sef) ) quantità L'astrazione usata per denotare tai parametri utiizza a nozione di Quantity Space [4] (discretizzazione dea natura continua dei parametri). La dichiarativa defquantity_type <type> indica che a'identificatore di funzione type appicato ad un oggetto devono essere associati due vaori numerici, Amount e Derivative.. predicati e reazioni Identificatori di predicati e reazioni fanno capo a due distinte categorie sintattiche e~resse mediante e dichiarative: defpredicate <type> <body> defreation <type> <body> Statement e regoe in <body> vengono utiizzati come descritto in defentity quaora siano verificate istanze di predicati o reazioni.

3 costanti e fatti Una costante ogica, come "water", viene introdotta daa scrittura: (defineconstant water). La dichiarativa deffact intende dichiarare veri fatti generai reativi ad un certo dominio, cc::ne ad esempio (deffact Substance water).. descrizioni condizionai (DC) Per descrizioni condizionai si intendenondividua View (modeazione di individui i cui stato esistenziae può varia.'"e ne tempo)' e Processi {descrizione time_dependem degi eventi che accadono ne tempo provocando cambiamenti). Una DC è introdotta daa dichiarativa defview o defprocess a cui sintassi è iustrata da seguente esempio: * inguaggio QPT: dichiarazione proceaao */ (defprocess Liquid_fow (?src?dst?path) Individuas ((?src (Contained Liquid?src)) (?dst (Contained-Liquid?dst)) (?path (Fuid_path?path) (Fuid connected (ocation?src) (ocation?dst)?path)) Preconditions ((Aigned?path)) QuantityConditions ((Greater_Than (A(pressure?src)) (A(pressure?dst))) Reations ((Loca fow rate (Quantity fow rate)) (Qprop+ fo;_rate (- (pressure?src) (pressure?dst))) Infuences ((I+ (amount_of?dst) (A fow_rate)) (I- (amount_of?src) (A fow_rate)))) I campo Infuences riassume gi effetti diretti di un processo e non è quindi presente tra i campi di defview.. scenario E' costituito da inèividui coinvoti, reazioni tra di essi e condizioni iniziai espresse usuamente come disuguagianze tra quantità. La specificazione è denotata daa scrittura: defscenario <name> <specifications>,dove <specifications> è una ista di campi che introducono individui, costanti, fatti ed una descrizione dea situazione iniziae. 2.3 Le inferenze base Per essere utie, una rappresentazione deve supportare deduzioni. Le deduzioni di base che coinvogono i costrutti dea QPT sono eencate di seguito.. eaborazione Consiste nea generazione di tutti i possibii individui ed istanze a partire da una coezione iniziae di oggetti. Tae generazione si rivea particoarmente utie nee fasi di envisioning [3} eventuamente reaizzabii sfruttando 'apparato teorico dea QPT. Dato un insieme di individui ed un vocaboario di Descrizioni Condizionai, a specificazione Individuas degi eementi de vocaboario è utiizzata per trovare coezioni di individui che possono partecipare ai vari tipi di DC, determinando istanze di view e processi che possono potenziamente occorrere.. determinazione attività Rinvenire quai processi o istanze di view siano attive in una particoare situazione richiede di vautare a verità dea congiunzione di condizioni nee specificazioni Precondìtions e QuantityConditions ad essi reative. Pertanto si dice che ogni istanza di Descrizione Condizionae, risutante da'eaborazione, può trovarsi esattamente in uno degi stati attivo o inattivo in dipendenza da tae vaore di verità. La coezione dee istanze di processo attive in una situazione è detta Process Structure e rappresenta ciò che accade agi individui in quea situazione. Anaoga definizione per View Structure. Segue una descrizione non formaizzata de'agoritmo per a reaizzazione di tae inferenza: Procedure DetActivity. Sia Lista_DC 'insi~~ dee istanze ottenute da'eaborazione. 2. Per ogni istanza di DC in Lista_DC 2.1 Si provino Preccnditions e QuantityConditions, 2.2 Se ne asserisca o stato di attività.. determinazione cambiamenti Si espica in una risouzione dee infuenze (descrizione degi effetti diretti dei processi) a fine di determinare cambiamenti in vaore e segno dee derivate di parametri di oggetti.

4 439 Risovere una quantità infuenzata direttamente richiede a somma quaitativa dee infuenze positive o negative su di essa, mentre per una quantità infuenzata indirettamente occorre raggruppare gi statement di proporzionaità quaitativa che a riguardano.. anaisi dei imiti Rappresenta a determinazione dee possibii modifiche ae Strutture di Processi e View in una situazione, quando non siano più verificate e condizioni di attivazione di acune istanze di Descrizioni Condizionai che di essa. fanno parte. 3. UN APPROCCIO PROLOG ALLA QPT ' "' Chiameremo questa struttura _ per sua natura referenziae _ Base Dea Conoscenza descrittiva o statica. Date queste premesse, è possibie ottenere 'architettura schematicamente rappresentata in Fig.. interprete inguaggio QPT Legenda: La sezione seguente intende, in riferimento aa specifica appicazione, porre in riievo e ragioni che hanno indotto a scegiere i inguaggio ogico Proog e presentare e scete impementative proponendo un'anaisi critica de inguaggio. 3.1 Perchè Proog Fig. 1. programmi che a utiizzano La QPT si avvae di un inguaggio dichiarativo di tipo ogico a cui sintassi può essere facimente tradotta in causoe Proog. La costruzione di modei computazionai per a QPT richiede 'ausiio di un meccanismo inferenziae: a sceta di Proog permette di evitare 'impementazione di un meccanismo inferenziae per a specifica appicazione in quanto 'interprete Proog è per sua natura tae. L'istanziazione di uno degi oggetti base descritti _ ovvero 'istituzione di un egame dinamico tra i nome attuae de'oggetto nea specifica situazione fisica e a descrizione parametrica dea casse di appartenenza deo stesso_ è ottenuta in modo naturae attraversc unificazione. 3.2 Scete impementative Da punto di vista dea NP a QPT è un custer, una coezione di conoscenze e di procedure (regoe) di inferenza. Un interprete per essa può essere visto come un moduo e, da punto di vista impementativo, come Abstract Data Type [12]: e inferenze base rappresentano e procedure con cui eventuai modui_ciente accedono aa struttura dati che costituisce a descrizione di un dominio Base Dea Conoscenza Statica Contiene istanze dee dichiarative esposte nea sezione 2.2. Quanto segue costituisce i corrispettivo Proog di acuni esempi introdotti. * BDC Statica: fatti * def(dornain) :: fuid with (facts: ( 'Substance' (water)). * BDC Statica: dichiarazione entità */ def(entity).. 'Piece_of_Stuff' (P) with (parte: ( 'Quantity' (amount_of), 'Quantity' (voume), 'Quantity' (pressure), 'Quantity' (heat), 'Quantity' (temperature), 'Quantity' (t_boi), 'Pace' (ocation)) and statements: (temperature(p) q_pprop heat(p), 'Taxonomy' ( ( 'Liquid' (P, 'Gas' (P ) ).

5 440 * BDC Statica: dichiarazione processo * def(process) :: 'Liquid_Fow' (Src,Dst,Path) with (individuas: ('Contained_Liquid' (Src), 'Contained_Liquid' (Dst), Fuid_path (Path), ; 'Fuid_connected' (ocation(src),ocation(dst),path)) and preconditions: ('Aigned' (Path)) and q_conditions: (a(pressure(src)) gt a(pressure(dst))) and reations: (oca(fow_rate, 'Quantity' (fow_rate)), fow_rate q_dprop (pressure(src) - pressure(dst))) and infuences: ('I+' (amount_of(dst),a(fow_rate)), I-' (amount_of~ Sri::), a (fow_rate)) ) Si osservi che i campi dee descrizioni sono espressi come combinazioni di frasi (cfr entità) ciascuna dee quai fa capo ad una categoria sintattica. L'insieme di queste utime costituisce una grammatica per tai frasi. Struttura e recupero de'informazione si ispirano a modeo dee property ist {strutture frame_ike, cfr gestore di frame) Interprete per i inguaggio dea QPT Le scete impementative, accanto a'adozione di Proog come strumento per a traduzione de inguaggio dea QPT, hanno comportato a deineazione di un'architettura per 'appicazione schematizzata in Fig.2. Base Dea Conoscenza Dinamica La stesura di un programma Proog deve partire daa strutturazione ogica dea Base Dea Conoscenza rispetto a probema in anaisi. Un modeo computazionae per a QPT richiede di individuare un'uteriore casse ei conoscenza che diremo istantanea o dinamica. Li Base Dea Conoscenza Dinamica risponde aa necessità di mantenere in una struttura dati 'insieme dee frasi vere in un ceno istante, e come tae i suo contenuto _rappresentazione dea situazione corrente_ dipende da tempo. L'informazione non ha una struttura a frame (ma è espressa con normai temrini Proog) e penru1to i suo recupero è affidato a Proog. La presenza de'interprete per a QPT rende a Base Dea Conoscenza Dinamica competamente invisibie c'utente anche da punto di vista dea modaità d'accesso. Inferenze e modifiche su di essa sono fornite come metaiveo. metaiveo di eaborazione dèue informazioni Fornisce e operazioni fondamentai che occorre eseguire sugi atomi (cfr. parser) costituenti e informazioni preevate daa Base Dea Conoscenza Statica. Tai operazioni sono distinte in: remember,forget _primitive di aggiornamento dea Base Dea Conoscenza Dinamica: mantengono i egami ogici, specificati daa conoscenza descrittiva, tra e informazioni presenti in essa. Si osservi ad esempio a seguente dichiarazione di predicato: 441 def(predicate) ::'Substance' (S) with (rues: (('Substance' (S), 'Container' (C)) > 'Can_contain_Substance' (S,C)))). 80C statica ~ J t : metaiveo eab. : Informazioni '...! 80C dinamica Interprete ' ' Fig. 2. La verità di 'Substance'(water) compona 'asserzione, ad opera di remember, de<'. regoa QPT che compare nea def.nizione e a conseguente eaborazione dee eventuai infonnazioni ad essa associate. * BDC Dinamica : modifica * remember S & S2 of Obj :- remember S of Obj, remember S2 of Obj. remember Sot of Obj :- Sot of Any::Obj is Vaue, kb_remember that Vaue. forget S & S2 of Obj :- forget S of Obj, forget S2 of Obj. forget Sot of Obj :- Sot of Any::Obj is Vaue, kb_forget that Vaue.

6 442 prove _costituisce i metaiveo di deduzione. L'impementazione Proog de'interprete per a QPT propone 'uso di un differente metodo inferenziae su un pacchetto di costrutti inguistici fissato. Per effettuare e inferenze si è fornito un insieme di regoe atte a costruire su meccanismo inferenziae di Proog i paradigma inferenziae dea QPT, non essendo possibie esaurire_ mediante unificazione e risouzione sua base di conos~enza compessiva _a verifica di ogni frase scritta ne inguaggio dea QPT. Ad esempio, provare a verità di un predicato richiede _ ne caso non sia asserito in Base Dea Conoscenza Dinamica _a verific~: di un'eventuae regoa QPT che o impichi, oppure degi statement contenuti ne campo q~nditions _ se presente _ dea definizione. * Paradigma inferenziae QPT: verifica di un p~edicato * kb_prcve a Obj of_type predicate :- Obj of type predicate is in kb; kb_satisfy Obj of_type p;edicate; Obj of_type predicate has_true conditions. * aoc Dinamica: esecuzione * prove 51 & 52 of Obj' :- prove 51 of Obj, prove S2 of Obj. prove 5ot of Obj :- 5ot of Any::Obj i5 Part, kb_prove that Part.. she Riceve comandi provenienti da un generico utente (anche da eventuai modui_ciente). Essi possono essere di due tipi: - caricamento descriziori in Base Dea Conoscenza Statica; - effettuazione inferenze base (insieme di richieste a metaiveo di eaborazione dee informazioni, codificate in una ibreria di inferenze). * ibreria inferenza: dete~azione attività */ det_activity - instances is_worth CD_ist, /* CD_ist è 'insieme dee istanze ottenute da'eaborazione */ for_each(rnember(cd_instance,cd_ist),activate(cd_instance)). activate(cd_instance) :- prove preconditions & q_conditions of CD_instance., ks_remember that CD_instance. gestore di frame Interfaccia a Base Dea Conoscenza Statica ed i moduo metaiveo di eaborazione dee informazioni che da essa richiede di preevare informazioni. n recupero dea conoscenza di interesse a...,'viene specificando struttura frame_ike e reativo campo da referenziare, come evidenziato daa seguente query: * gestore di frame: query */?- q_conditions of def(catsynt) ::'Liquid_Fow' (c,d,p) i5 Quantity_Conditions. CatSynt process Quantity_Conditions a(pressure(c)) gt a(pressure(d)) /* gestore di frame: recupero informazione da property ist * Attr of Obj i5 Vaue :- Obj with Descr, Attr:Vaue is_in Descr. Att.r,:Vaue is_in (Attr:Vaue and Others).. Attr :Vaue is_in (A:V and Others) - Attr:Vaue is_in Others. Attr:Vaue is_in Attr:Vaue. Attr:nu is_in Any. parser L'informazione ottenuta da gestore di frame viene scomposta da parser nee frasi costituenti o atomi.. Di ogni frase viene riconosciuta a categoria sintattica, rispetto aa quae i programmi de metaiveo di eaborazione dee informazioni sono parametrici. * parser: scomposizione ed anaisi sintattica * Eaborate that nu. Eaborate that (A'; 'B) :- Eaborate that A ; Eaborate that B. Eaborate that (A','B) :-Eaborate that A, Eaborate that B. Eaborate that Obj :- synt_type_of Obj i5 Type, Eaborate a Obj of_type Type. 4. CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI Aa uce dee considerazioni di natura impementativa, si osserva come una faciitazione fornita da Proog sia costituita daa possibiità di orientare 'interprete verso una specifica appicazione mediante sempici regoe costruite ad hoc: ciò ovvia 'inconveniente di una riformuazione totae o riscrittùta ex novo di un mecéanismo inferenziae dedicato. Infatti nea nostra esperienza, Proog, unitamente aa sovrastruttura eaborata, ha costituito un sistema fessibie e di proficuo utiizzo. Ad esempio, a struttura dea Base dea Conoscenza Statica è stata concepita in modo moduare grazie a strutture frame_ike facimente organizzabii e gestibii in questo sistema. Inotre a natura dee causoe Proog si è riveata adeguata aa traduzione di inguaggi formai vicini a quei ogici, di cui a QPT fornisce un esempio. 443

7 444 Da punto di vista impementativo, gi impieghi possibii de sistema reaizzato potrebbero essere modeazione di domini fisici specifici (ad esempio impianti industriai), simuazione, envisioning, interpretazione di misure, predizioni e diagnosi, pannin,g, earning. In questo avoro è stato posto soprattutto 'accento sugi aspe~ impementativi. Per uteriori dettagi di carattere appicativo si veda [10]. E' peratro in fase di sperimentazione _ a iveo esempificativo_ una appicazione rivota aa simuazione di impianti industriai con t~cniche di programmazione ogica appicate a modei ' quaitativi dea specifica reatà in esame. Immediato sviuppo di quanto detto sarà un tentativo di check dei contenuti dea Fisica Quaitativa. A questo proposito, da punto di vista dea vaidazione di Modei Computazionai per a Fisica Quaitativa espressi in Proog, particoare attenzione verrà rivota in senso comparativo ad atre esperienze anaoghe: ci riferiamo in particoare ad esempi come queo di I.Bratko [2] (che riguarda a modeazione quaitativa de sistema eettrico de cuore) totamente impementati in Pro o g. S. RINGRAZIAMENTI Vogiamo qui ringraziare i Prof. G.Degi Antoni per i suggerimenti indispensabii per a definizione di questo approccio e per a supervisione de avoro. Un riconoscimento particoare va anche a Prof. M.Maiocchi e a Prof. A.Betramini per gi spunti appicativi fomiti. Ad Antonio Disarò un grazie per i suo supporto nea fase impementativa. 6. BIBLIOGRAFIA [] Bandini,S., Naive Physìcs e suoi Mode!j Computazionai, NIKE-TR , Istituto M. Negri, Miano, 1987 [2] Bratko,I.,Mozetic,.J\4.LavracAutomatic Syntesis and Compression of Caniìoogica! Knowedge. in P.Hayes, D.Michie, Y.Richards (eds.), "Machine Inteigence 11 ", Oxford University Press, Oxford, 1986 [3] De Keer, J., J.S.Brown, The Origin. Form and Logic of Oua!itative Physica Laws, Proc. 8th IJCAI. Karsruhe, 1983 [4] De Keer, J., J.S.Brown, Oua!itative Reasoning Based on Confuences. Artificia bteigence Joumai, n.24, 1984 [5] Forbus, K.D., Quaitntjve Process Theor;y, Artificiai Inteigence Joumai, n.24, 1984 [6] Forbus, K.D., Ihe Roe of Quaìtatjve Dynamics in Najve Physics, in J.R.Hobbs,R.C. Moore (eds.) Formai Theories of the Commonsense Word, Abex Pu. Co., Norwood, NJ, 1985 [7] Hayes, P J., The Naive Physjcs Manifesto, in D.Mìchie (ed.) "Expert Systerns in the Microeiectronic Age", Edinburgh University Press, Edinburgh, 1979 (81 Hayes, PJ., The Second Naivs: Physics Manifesto. in J.R. Hobbs, R.C. Moore (eds.) Formai Theories of thè Commonsense Word, Abex Pu.Co.,Norwood,NJ,985 (91 McCord,M.,J.F.Sowa,W.G.Wison, A.Waker (ed.), Knowedze Systems and?ro!og, Addison_ Wesey Pub!ishing Company, nc., 1987 [10] Moesini,A.,Un modeo comput.azjonae per una rappresentazione dj impianti industriai e de reativo controo, Dipartimento di Scienze de'informazione Miano, Tesi di Laurea A.A (11] Stering, L., E.Shapiro, The Art of Proog: Advanced Programming Technigues, The M.I.T. Press, ~bridge,1l\, 1986 (12) Wirth, N., Agorìthms + Data Structures = Programs, Prentice-Ha!,Inc. Eng!ewood Ciffs,New Jersey,