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CENTRO UNIVERSITÁRIO DA FEI
Julio André Sgarbi
DOMÓTICA INTELIGENTE: AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
BASEADA EM COMPORTAMENTO
São Bernardo do Campo
2007
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Julio André Sgarbi
DOMÓTICA INTELIGENTE: AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
BASEADA EM COMPORTAMENTO
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Centro Universitário da FEI como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do título
de Mestre em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Flavio Tonidandel
São Bernardo do Campo
2007
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Sgarbi, Julio André
Domótica Inteligente: Automação Residencial Baseada em
Comportamento / Julio André Sgarbi – São Bernardo do Campo,
2007.
107 f.: il.
Dissertação de Mestrado – Centro Universitário da FEI.
Orientador: Prof. Dr. Flavio Tonidandel.
1. Automação Residencial – Aprendizado. 2. Domótica
Inteligente. 3. Inteligência artificial. I.Tonidandel, Flavio, orient.
II.Título.
CDU 681.3.06
A Deus, meus pais, minha amada esposa
e meu amado filho.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos os que me deram apoio e ensinaram a ter perseverança durante este
período de trabalho desta dissertação.
Agradeço a Deus por ter iluminado meu caminho me dando saúde, perseverança e a
certeza de que é possível realizar nossos sonhos.
Aos meus pais que sempre me ajudaram nas dificuldades da vida.
A minha esposa Paula Valéria que me incentivou, nos momentos difíceis, não me
deixando desistir nunca. Agradeço pela maior alegria da minha vida, ocorrida durante a
elaboração deste trabalho, o nosso filho Rafael.
Aos amigos do mestrado, sem exceção, que sempre foram unidos nos momentos
difíceis das aulas e nos momentos de alegria e descontração.
Aos professores da FEI, que sempre foram amigos e me proporcionaram excelentes
momentos de aprendizado.
Ao meu orientador professor Dr. Flavio Tonidandel, por ter aceitado me orientar neste
trabalho, com paciência, disposição, sempre me conduzindo pelo caminho da reflexão.
Agradeço pelas valiosas contribuições para o meu desenvolvimento intelectual e pessoal.
Aos professores Dr. Márcio Rillo e Dr. José Reinaldo Silva, que participaram da
minha banca de qualificação, pelas valiosas contribuições para o desenvolvimento desta
dissertação.
A todos aqueles que direta ou indiretamente colaboraram para que o desenvolvimento
deste trabalho fosse possível.
Algo só é impossível até que alguém duvide e
acabe provando o contrário.
Albert Einstein
RESUMO
A automação residencial evoluiu muito nos últimos anos, entretanto pouco destaque é dado à
automação residencial baseada no comportamento dos habitantes. O sistema proposto ABC+
(Automação Baseada em Comportamento) foi desenvolvido para observar e aprender regras
em uma casa de acordo com o comportamento de seu habitante, utilizando o conceito de
aprendizado com regras de indução.
O principal problema abordado neste trabalho foi desenvolver um sistema simples e amigável
que abrangesse as várias particularidades envolvidas na automação inteligente de uma
residência, tais como as seqüências causais de eventos, que geram regras indesejáveis; a
inserção de novas regras para os habitantes, sem causar desconforto aos mesmos; os
diferentes perfis de habitantes e ambientes, entre outros.
As experiências foram feitas através de dois simuladores desenvolvidos para se comprovar
primeiramente o correto funcionamento do sistema proposto e posteriormente observar o
comportamento do sistema e suas variáveis quando submetidos à ação de um agente
(habitante).
Palavras-chave: Inteligência Artificial, Automação Residencial, Domótica Inteligente,
Aprendizado.
ABSTRACT
The residential automation evolved in the last years, however little importance is given to
residential automation based in the behavior of the inhabitants. The system ABC+
(Automation based on behavior) was developed to observe and to learn rules in a house
according to the behavior of its inhabitant, using the concept of learning with induction rules.
The main problem approached in this work was to develop a simple and friendly system that
enclosed the some particularities involved in intelligent automation of a residence, such as the
causal sequences of events, which generate undesirable rules; the insertion of new rules for
the inhabitants, without causing discomfort to the inhabitants; the different profiles of
inhabitants and environments, among others.
The experiences had been made through two simulators, developed to prove the correct
functioning of the system and to observe the behavior of the system and its variables when
submitted to the action of an agent (inhabitant).
Keywords: Artificial Intelligence, Residential Automation, Intelligent Domotics, Learning.
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO........................................................................................................................................ 18
1.1
O
BJETIVO
................................................................................................................................... 18
1.2
M
OTIVAÇÃO
................................................................................................................................ 19
1.3
O
RGANIZAÇÃO DO
T
RABALHO
...................................................................................................... 19
2
APRENDIZADO DE MÁQUINA........................................................................................................... 20
2.1
S
ISTEMAS DE
A
PRENDIZADO
A
UTOMÁTICO
................................................................................... 20
2.1.1
Inteligência Artificial........................................................................................................... 20
2.1.2
Aprendizado......................................................................................................................... 20
2.1.3
Aprendizado Automático..................................................................................................... 21
2.1.4
Paradigmas de Aprendizado Automático............................................................................. 22
2.1.5
Modos de Aprendizado Automático.................................................................................... 24
2.1.6
Formas de Aprendizado....................................................................................................... 24
2.1.7
Linguagens de Descrição (ou Representação) ..................................................................... 25
2.1.8
Estratégias de Aprendizado Automático.............................................................................. 26
2.1.9
Métodos de Aprendizado Indutivo ...................................................................................... 27
2.2
A
LGORITMO
C4.5........................................................................................................................ 28
2.2.1
Indução de Árvores de Decisão ........................................................................................... 28
2.2.2
Construção de Árvores de Decisão...................................................................................... 29
2.2.3
Detalhamento do Algoritmo C4.5........................................................................................ 33
3
DOMÓTICA............................................................................................................................................. 43
3.1
S
ISTEMAS
D
OMÓTICOS
................................................................................................................ 43
3.1.1
Atuadores e Sensores........................................................................................................... 44
3.1.2
Controlador.......................................................................................................................... 46
3.1.3
Redes Domóticas ................................................................................................................. 46
3.2
D
OMÓTICA
I
NTELIGENTE
............................................................................................................. 47
3.3
S
ISTEMA
ABC ............................................................................................................................. 48
4
SISTEMA ABC+ PROPOSTO ............................................................................................................... 51
4.1
A
J
ANELA DE
O
BSERVAÇÃO
.......................................................................................................... 52
4.2
A
S
R
EGRAS
E
MBRIONÁRIAS
.......................................................................................................... 54
4.3
O
D
ESENVOLVIMENTO E
M
ANUTENÇÃO DAS
R
EGRAS
.................................................................... 55
4.4
I
NCONSISTÊNCIA NAS
R
EGRAS
...................................................................................................... 62
5
SIMULAÇÃO DO SISTEMA ABC+ ..................................................................................................... 63
5.1
S
IMULAÇÃO DA
L
ÓGICA DO
S
ISTEMA
............................................................................................ 63
5.2
S
IMULADOR PARA
A
VALIAÇÃO DAS
V
ARIÁVEIS DO
S
ISTEMA
........................................................... 65
5.2.1
Parâmetros para Avaliação .................................................................................................. 68
5.3
A
GENTE PARA
S
IMULAÇÃO
........................................................................................................... 68
5.3.1
Agentes ................................................................................................................................ 68
5.3.2
Modelo de usuário ............................................................................................................... 69
5.3.3
Agentes Utilizados em Simulações...................................................................................... 70
5.3.4
Agente para simulação no sistema ABC+ ........................................................................... 71
5.3.5
Banco de Dados para Simulação ......................................................................................... 71
5.4
R
ESULTADOS
O
BTIDOS
................................................................................................................ 76
5.4.1
Análises Quantitativas ......................................................................................................... 76
5.4.2
Avaliação da Variável NuEv ............................................................................................... 77
5.4.3
Avaliação da Variável OK_Emb ......................................................................................... 79
5.4.4
Avaliação da Variável NOK_Emb ...................................................................................... 80
5.4.5
Avaliação da Variável EXC_At........................................................................................... 81
5.4.6
Avaliação da Variável ATIV_At ......................................................................................... 82
5.4.7
Avaliação da Variável OK_Emb_exc.................................................................................. 83
5.4.8
Análise Qualitativa .............................................................................................................. 85
6
CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS......................................................................................... 91
6.1
C
ONSIDERAÇÕES
F
INAIS
.............................................................................................................. 91
6.2
T
RABALHOS
F
UTUROS
................................................................................................................. 93
6.2.1
Utilização da Tecnologia RFID ........................................................................................... 93
6.2.2
Realização de Testes em uma Residência Real ................................................................... 94
6.2.3
Variação no Número de Sensores e Atuadores.................................................................... 94
6.2.4
Simulação e Soluções para Loop ......................................................................................... 95
6.2.5
Minimização de Overfitting................................................................................................. 95
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................................................... 96
APÊNDICE 1 ..................................................................................................................................................... 100
APÊNDICE 2 ..................................................................................................................................................... 101
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Árvore de decisão para diagnóstico em paciente (REZENDE, 2002). ............... 29
Figura 2.2 – Algoritmo C4.5 (QUINLAN, 1993).................................................................. 33
Figura 2.3 – Árvore obtida no exemplo (SERVENTE, 2002). .............................................. 38
Figura 2.4 – Construção de uma árvore de decisão utilizando C4.5 (SERVENTE, 2002)...... 39
Figura 2.5 – Regras geradas no exemplo (SERVENTE, 2002). ............................................ 39
Figura 2.6 – Regra 1 do exemplo (SERVENTE, 2002)......................................................... 40
Figura 2.7 – Regra 2 do exemplo (SERVENTE, 2002)......................................................... 41
Figura 2.8 – Regra 3 do exemplo (SERVENTE, 2002)......................................................... 41
Figura 2.9 – Regra 4 do exemplo (SERVENTE, 2002)......................................................... 41
Figura 2.10 – Conjunto final de regras do exemplo (SERVENTE, 2002).............................. 42
Figura 3.1 – Arquitetura do Sistema ABC, adaptada de (TONIDANDEL; TAKIUCHI;
MELO, 2004)............................................................................................................... 50
Figura 4.1 – Arquitetura do Sistema ABC+.......................................................................... 52
Figura 4.2 – Janela de Observação no Sistema ABC+. ......................................................... 53
Figura 4.3 – Fluxograma da lógica da Janela de Observação. ............................................... 54
Figura 4.4 – Fluxograma da lógica de validação da Regra Embrionária................................ 55
Figura 4.5 – Fluxograma da lógica de validação da Regra Embrionária................................ 55
Figura 4.6 – Fluxograma do Funcionamento do Sistema ABC+. .......................................... 60
Figura 4.7 – Algoritmo Evento de Sensor............................................................................. 61
Figura 4.8 – Algoritmo Evento de Atuador........................................................................... 61
Figura 5.1 – Simulador para teste da lógica do sistema ABC+.............................................. 64
Figura 5.2 – Tela do simulador para configuração das variáveis do sistema ABC+............... 65
Figura 5.3 – Simulador para teste das variáveis do sistema ABC+ (Eventos e Regras). ........ 66
Figura 5.4 – Simulador para teste das variáveis do sistema ABC+ (Descartados). ................ 67
Figura 5.5 – Representação de um agente (RUSSELL; NORVIG, 2004).............................. 69
Figura 5.6 – Representação do agente no sistema ABC+. ..................................................... 71
Figura 5.7 – Gráfico da variação de NuEv............................................................................ 77
Figura 5.8 – Gráfico da variação de NuEv, com BD somente com regras desejadas.............. 78
Figura 5.9 – Gráfico da variação de OK_Emb. ..................................................................... 79
Figura 5.10 – Gráfico da variação de NOK_Emb. ................................................................ 80
Figura 5.11 – Gráfico da variação de EXC_At. .................................................................... 82
Figura 5.12 – Gráfico da variação de ATIV_At.................................................................... 83
Figura 5.13 – Gráfico da variação de OK_Emb_exc............................................................. 84
Figura 5.14 – Gráfico de Criação de Regras em função da quantidade de eventos no C4.5. .. 88
Figura 5.15 – Tela do simulador com resultados satisfatórios. .............................................. 89
Figura A1.1 – Rede de Petri do sistema ABC+................................................................... 100
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Dados do exemplo Joga Tênis (SERVENTE, 2002). ........................................ 36
Tabela 2.2 – Distribuição de Dados para o atributo Estado (SERVENTE, 2002). ................. 36
Tabela 2.3 – Subconjunto com valor Nublado do atributo Estado (SERVENTE, 2002). ....... 38
Tabela 2.4 – Distribuição de Dados para o atributo Estado com valor Umidade (SERVENTE,
2002)............................................................................................................................ 38
Tabela 2.5 – Estimativas de erro para a Regra 1 (SERVENTE, 2002). ................................. 40
Tabela 2.6 – Estimativas de erro para a Regra 2 (SERVENTE, 2002). ................................. 40
Tabela 2.7 – Estimativas de erro para a Regra 2, retirada condição Estado (SERVENTE,
2002)............................................................................................................................ 41
Tabela 2.8 – Estimativas de erro para a Regra 3 (SERVENTE, 2002). ................................. 41
Tabela 2.9 – Estimativas de erro para a Regra 4 (SERVENTE, 2002). ................................. 41
Tabela 2.10 – Casos coberto e não coberto por classe (SERVENTE, 2002).......................... 42
Tabela 4.1 – Eventos por Atuador (A1, A2, ......An)............................................................. 56
Tabela 4.2 – Regras Ativas por Atuador (A1, A2, ......An).................................................... 56
Tabela 4.3 – Regras Embrionárias por Atuador (A1, A2, ......An)......................................... 57
Tabela 4.4 – Exemplo de evento armazenado no BDEventos. ............................................. 57
Tabela 4.5 – Exemplo de Regra Embrionária no BDEmbrio................................................. 58
Tabela 4.6 – Exemplos de Regras Ativas no BDAtivas. ....................................................... 59
Tabela 5.1 – Exemplos de combinação no Banco de Dados.................................................. 72
Tabela 5.2 – Exemplo de Combinação que atende duas regras. ............................................ 73
Tabela 5.3 – Combinações das regras e suas freqüências...................................................... 74
Tabela 5.4 – Exemplo de embaralhamento (eventos desordenados)...................................... 75
Tabela 5.5 – Exemplo de embaralhamento (eventos ordenados). .......................................... 75
Tabela 5.6 – Exemplo de Traçado. ....................................................................................... 86
Tabela A2.1 – Resultados das simulações da variável NuEv............................................... 101
Tabela A2.2 – Resultados das simulações da variável NuEv, com BD somente com regras
desejadas.................................................................................................................... 102
Tabela A2.3 – Resultados das simulações da variável OK_Emb......................................... 103
Tabela A2.4 – Resultados das simulações da variável NOK_Emb...................................... 104
Tabela A2.5 – Resultados das simulações da variável EXC_At. ......................................... 105
Tabela A2.6 – Resultados das simulações da variável ATIV_At......................................... 106
Tabela A2.7 – Resultados das simulações da variável OK_Emb_exc.................................. 107
LISTA DE SÍMBOLOS
∆t – Intervalo de tempo.
Σ – Somatória.
LISTA ABREVIATURAS
ABC – Automação Baseada em Comportamento.
AC - Número de Regras Ativas criadas.
AE - Número de Regras Ativas eliminadas (rebaixadas).
AI - Artificial Intelligent.
ATIV – Campo do BDAtivas utilizado para pontuar positivamente uma regra.
ATIV_At - Valor do campo ATIV do BDAtivas para regra ir para o BDEmbrio, devido a
desuso.
BD – Bando de Dados.
BDAtivas – Banco de Dados de Regras Ativas.
BDEmbrio – Banco de Dados de Regras Embrionárias.
BDEventos – Banco de Dados de Eventos por Atuador.
CO2 – Dióxido de Carbono.
EC - Número de Regras Embrionárias criadas.
EE - Número de Regras Embrionárias eliminadas.
EXC - Campo do BDAtivas utilizado para pontuar negativamente uma regra.
EXC_At - Valor do campo EXC do BDAtivas para excluir a regra.
GPS - Global Positioning System.
IA – Inteligência Artificial.
LDC - Linguagem de Descrição de Conhecimento de Fundo (domínio).
LDE - Linguagem de Descrição de Exemplos.
LDH - Linguagem de Descrição de Hipóteses (Conceitos).
MIT - Massachusetts Institute of Technology.
NOK - Campo do BDEmbrio utilizado para excluir uma regra.
NOK_Emb - Valor do campo NOK do BDEmbrio para regra ser excluída.
NuEv - Número de eventos no BDEventos para acionar o C4.5.
OK - Campo do BDEmbrio utilizado para validar uma regra.
OK_Emb - Valor do campo OK do BDEmbrio para regra virar Regra Ativa.
OK_Emb_exc - Valor do campo OK do BDEmbrio para a regra ser excluída por desuso.
PIR – Passive Infra Red.
RBC - Raciocínio Baseado em Casos.
RFID – Radio Frequency Identification.
TDIDT - Top-Down Induction Trees.
18
1 INTRODUÇÃO
Existe uma série de trabalhos que abordam o tema automação residencial. Os avanços
tecnológicos e a busca por conforto e segurança vêm fazendo com que a cada dia as
residências tenham mais e melhores sistemas automatizadores.
Algumas vezes estes sistemas são implementados com técnicas de inteligência
artificial, entretanto a maioria deles possui apenas mecanismos automáticos (BOLZANI,
2004a).
A principal ênfase destes sistemas está no gerenciamento de recursos, segurança,
conforto e atualmente em entretenimento (MURATORI, 2005).
Muitos dos trabalhos publicados alegam que seus sistemas são inteligentes. Alguns
deles detectam eventos como a presença dos habitantes e suas ações, ou possuem sensores que
conseguem capturar mudanças nas condições do ambiente; a estes eventos são aplicadas
reações que estão previamente configuradas (BOLZANI, 2004a). O conceito de inteligência
deve ir além de automatizar ou simplesmente aplicar regras pré-estabelecidas; os sistemas
inteligentes devem interagir com os habitantes da casa e aprender com seus comportamentos.
Automação residencial deve evoluir para o conceito de Domótica Inteligente, no qual
se entende que os dados obtidos pelos sensores da casa devem ser analisados de modo a
adaptar as regras de automação do ambiente ao comportamento dos habitantes
(TONIDANDEL; TAKIUCHI; MELO, 2004).
Os seres humanos estão em constante mudança; o que é uma regra ou rotina hoje,
amanhã pode não ser. Os hábitos, horários e atividades mudam com o passar do tempo. Os
sistemas têm de aprender e se adaptar a isto.
Neste trabalho será apresentado um sistema de automação residencial inteligente
(Sistema ABC+, Automação Baseada em Comportamento) que cria regras para ação de
atuadores em função do aprendizado com o comportamento dos habitantes de uma casa,
dando ênfase à obtenção, tratamento e manutenção das regras.
1.1 Objetivo
O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema de automação
residencial baseado no comportamento do habitante, com ênfase no funcionamento do sistema
e na análise das variáveis do sistema quando este é submetido à ação de um agente
(habitante).
19
1.2 Motivação
A motivação pela escolha do tema ocorre ao se observar a dificuldade que algumas
pessoas tem para programar ou configurar certos aparelhos e sistemas. Se para estas pessoas
programar um simples vídeo cassete é quase impossível, imagine um sistema de automação
residencial. Assim, torna-se necessário a criação de um sistema de automação residencial que
aprenda o comportamento do habitante e que seja simples. Em termos práticos o sistema deve
permitir que pessoas com menor familiarização aos sistemas domóticos possam utilizá-los,
devido à diminuição na programação dos mesmos.
Um sistema pode guardar eventos e imediatamente transformar estes eventos em
regras, entretanto a quantidade de regras aumentará a cada evento que surgir, ademais, soma-
se a isto a quantidade de memória e processamento necessários para o sistema funcionar, o
mesmo torna-se impraticável. Por este motivo, torna-se necessário utilizar alguma técnica que
permita reduzir a quantidade de regras, ou melhor, avaliar os eventos e reuní-los em poucas
regras. A técnica utilizada para isto neste trabalho será a da indução de árvores de decisão.
O uso de um simulador visa conhecer o funcionamento do sistema proposto,
permitindo corrigir possíveis falhas e entender em detalhe o comportamento dos parâmetros
do mesmo.
1.3 Organização do Trabalho
Este trabalho está composto da seguinte forma:
• O capítulo 2 trata o tema Aprendizado de Máquina, dando ênfase aos sistemas
de aprendizado automático e ao algoritmo C4.5.
• No capítulo 3 é feita a descrição de domótica e do sistema ABC.
• O capítulo 4 detalha o sistema ABC+ proposto.
• No capítulo 5 são descritas as simulações realizadas no trabalho, os resultados
obtidos e suas devidas análises.
• O capítulo 6 encerra o trabalho com a conclusão e possíveis trabalhos futuros.
20
2 APRENDIZADO DE MÁQUINA
Este capítulo apresenta os principais tópicos de Aprendizado de Máquina, nos quais
está fundamentado o trabalho, é nele que está desenvolvida a revisão da literatura sobre o
tema, mostrando os conceitos, métodos e outros trabalhos utilizados como base para este
trabalho.
2.1 Sistemas de Aprendizado Automático
Os Sistemas de Aprendizado Automático são um tema amplo, abordado dentro da área
de Inteligência Artificial.
2.1.1 Inteligência Artificial
A expressão “Artificial Intelligent”, também conhecida como AI (IA em português),
foi estabelecida em 1956 por McCarthy, e posteriormente abordada por pesquisadores como
Minsky, Simon, Newell e outros.
Existem muitas definições de Inteligência Artificial, não se encontra uma definição
única e padrão; pode-se dizer que Inteligência Artificial é uma área de pesquisa da Ciência da
Computação voltada ao estudo de métodos ou dispositivos computacionais que tenham ou
simulem a capacidade humana de resolução de problemas, de pensar ou ser inteligente.
2.1.2 Aprendizado
O aprendizado também é um conceito difícil de ser definido. Aprendizado é a
capacidade de se adaptar, de modificar e melhorar seu comportamento e suas respostas, o que
é uma das propriedades mais importantes dos seres ditos inteligentes (OSÓRIO, 1999).
A capacidade de aprender está ligada diretamente a alguns itens: adaptação e mudança
de comportamento de maneira a evoluir; correção dos erros cometidos no passado, de modo a
não repeti-los no futuro; melhoria do desempenho do sistema como um todo; interação com o
meio, pois é através deste contato com o mundo que nos cerca que se podem trocar
experiências e assim adquirir novos conhecimentos; representação do conhecimento adquirido
- guardar uma massa muito grande de conhecimentos requer uma forma de representar estes
conhecimentos que permita ao sistema explorá-los de maneira conveniente (OSÓRIO, 1999).
21
O aprendizado é o motivo que levou à superioridade da inteligência humana
(SANCHES; GEROMINI, 2001), é a essência da inteligência. Em face disto deve-se
aumentar a capacidade de aprendizado das máquinas caso se queira que elas tenham
comportamento inteligente.
O Homem nasce apto para iniciar seu aprendizado, ampliando seu conhecimento
através de reordenações sucessivas, entretanto as máquinas não possuem programa inicial
para aprender, precisam de um para fazê-lo.
2.1.3 Aprendizado Automático
O aprendizado automático (Machine Learning) ou de máquina é uma área de IA que
busca métodos computacionais ligados a aquisição de novo conhecimento e formas de
organizar o conhecimento já existente.
Segundo Simon (1983):
“Aprendizado denota mudanças no sistema, que são adaptáveis no sentido
de que elas possibilitam que o sistema faça a mesma tarefa ou tarefas sobre uma
mesma população, de uma maneira mais eficiente a cada vez.”
Esta definição abrange de um lado o refinamento de habilidades, no qual se entende
que a prática sucessiva de tarefas pode tornar melhor a execução das mesmas, e do outro lado
está a aquisição de conhecimento, o qual é adquirido geralmente através da experiência.
Os sistemas de aprendizado automático devem ter a habilidade de não somente
acumular conhecimento, mas também de absorvê-lo ou generalizá-lo.
Visto de uma maneira prática, o aprendizado automático pode ser entendido como um
conjunto de métodos, técnicas e ferramentas próprias para a aquisição automatizada de
conhecimento a partir de conjuntos de dados (MITCHELL, 1997).
Enfim, o aprendizado automático é o campo dedicado ao desenvolvimento de métodos
computacionais para os processos de aprendizagem e a aplicação dos sistemas informáticos de
aprendizagem a problemas práticos (MICHALSKY; BRATKO; KUBAT, 1998).
Segundo Mitchell (1997), o aprendizado automático enfrenta o desafio de construir
sistemas computacionais que automaticamente melhorem com a experiência, sendo essencial
para isto definir o problema de aprendizado de maneira certa. Ele apresenta a seguinte
definição, onde constam três partes fundamentais:
22
“Pode-se afirmar que um programa computacional é capaz de aprender a
partir da experiência E com respeito a um grupo de tarefas T e segundo a medida
de desempenho P, se seu desempenho nas tarefas T, medido segundo P, melhora
com a experiência E.” (MITCHELL, 1997).
É desejável que os sistemas respondam melhor aos seus objetivos com o aprendizado,
entretanto isto não está garantido. O aprendizado possibilita levar a melhora.
A seguir serão apresentadas as características que possibilitam classificar os sistemas
de Aprendizado Automático quanto ao paradigma, modo, forma de aprendizado e linguagens
de descrição.
2.1.4 Paradigmas de Aprendizado Automático
Existem vários paradigmas de Aprendizado Automático (BATISTA, 2003): baseado
em exemplos, estatísticos, conexionista, genético (ou evolutivo) e simbólico.
Os sistemas baseados em exemplos ou lazy caracterizam-se por classificar um
exemplo lembrando de outro similar cuja classe é conhecida e assumem que este novo
exemplo terá a mesma classe, assim classificam-se casos nunca vistos através de casos
similares conhecidos (AHA; KIBLER; ALBERT, 1991).
Suas características principais são: Identificar e reter casos protótipos que juntos
resumam toda a informação importante; a similaridade entre os casos pode ser medida, se os
atributos forem contínuos, calculando a distância entre dois casos como a raiz quadrada da
soma dos quadrados da diferença dos atributos; Um novo caso é relacionado com o mais
próximo dos casos armazenados ou levando-se em consideração os diferentes graus de
similaridade entre cada caso. As técnicas mais conhecidas desse paradigma são,
provavelmente, Nearest Neighbours e Raciocínio Baseado em Casos (RBC), como exemplo
deste último pode-se citar o sistema FAR-OFF (TONIDANDEL, 2003).
Já os sistemas estatísticos consistem em utilizar modelos estatísticos para encontrar
uma boa aproximação do conceito induzido. Muitos destes modelos são paramétricos e
assumem alguma forma de modelo, encontrando valores apropriados para os parâmetros do
modelo a partir de dados.
23
Como exemplo, um classificador linear assume que classes podem ser expressas como
combinação linear dos valores dos atributos e então se procura uma combinação linear
particular que fornece a melhor aproximação sobre o conjunto de dados a serem classificados.
Outros exemplos são o algoritmo CART (Classification and Regression Tree)
(BREIMAN; FREDMAN; OLSHEN, 1984), o qual é um sistema desenvolvido por
estatísticos para montar árvores de decisão, e o QUEST (Quick, Unbiased, Efficient,
Statistical Tree) (LOH e SHIH, 1997), um algoritmo estatístico que seleciona variáveis sem
vício e constrói árvores binárias precisas de maneira rápida e eficaz.
As redes neurais são exemplos de sistemas conexionistas. Elas são construções
matemáticas simplificadas inspiradas no modelo biológico do sistema nervoso. Sua
representação envolve unidades altamente interconectadas, no qual o nome conexionismo é
utilizado para descrever a área de estudo.
McCulloch e Pitts (1943) foram os pioneiros a iniciar pesquisas com redes neurais.
McCulloch foi um psiquiatra que pesquisou por 20 anos uma forma de representar um evento
no sistema nervoso; Pitts era um jovem pesquisador que se juntou a McCulloch em 1942.
Cerca de quinze anos após a publicação de McCulloch e Pitts, Rosenblatt (1958) apresentou o
perceptron. Após isto, Minsky e Papert em seu livro Perceptrons (MINSKY; PAPERT, 1969)
demonstraram a existência de limites nos perceptrons de uma camada, fato que diminuiu o
interesse nos estudos sobre redes neurais. Hopfield (1982) apresentou uma nova forma de
compreender os cálculos realizados em redes recorrentes com conexões sinápticas simétricas,
utilizando para isto a idéia de uma função de energia, fazendo assim retornar o
desenvolvimento do estudo das redes neurais.
Os fatos mais recentes em redes neurais são o desenvolvimento do algoritmo
backpropagation que supera os problemas dos Perceptrons, em 1986 por Rumelhart, Hinton e
Williams e a descrição do procedimento para projeto de redes utilizando funções de base
radial, em 1988 por Broomhead e Lowe.
Além dos paradigmas citados acima, tem-se ainda o paradigma genético que é
derivado do modelo biológico de aprendizado (HOLLAND, 1986). Um classificador genético
consiste de uma população de elementos de classificação que competem para fazer a predição.
Os elementos que tem o desempenho fraco são retirados e os mais fortes permanecem
gerando variações deles próprios.
Os algoritmos genéticos são técnicas utilizadas para solucionar problemas de
aprendizado de máquina (DE JONG, 1988), através de tentativa e erro com alguma retro
alimentação do erro onde aprendem soluções melhores para os problemas.
24
Por fim, os sistemas de aprendizado simbólico constroem representações simbólicas
de um conceito para aprender, através de análise de exemplos e contra-exemplos desse
conceito. As representações simbólicas geralmente estão na forma de expressão lógica,
árvores de decisão, regras (ou rede semântica), sendo estas duas últimas as mais estudadas
atualmente.
Sistemas como o ID3 (QUINLAN, 1986) e C4.5 (QUINLAN, 1993), que é o
algoritmo utilizado neste trabalho, são utilizados para indução de árvores de decisão e
contribuíram bastante na pesquisa em Inteligência Artificial. O desenvolvimento original do
programa para a indução de árvores de decisão é atribuído a Morgan e Messeger (1973).
2.1.5 Modos de Aprendizado Automático
Para alguns sistemas de aprendizado é necessário predizer se certa ação irá fornecer
certa saída (RUSSELL; NORVIG, 2004). Assim é possível classificar os sistemas de
aprendizado automático de três modos (OSÓRIO, 1999):
a) Aprendizado Supervisionado: no qual a partir de um conjunto de observações ou
exemplos com rótulos, isto é, a classe de cada exemplo é conhecida, tem-se o objetivo de
encontrar uma hipótese que consiga classificar novas observações entre as classes existentes.
b) Aprendizado Não-supervisionado ou clustering: no qual a partir de um conjunto de
observações ou exemplos sem rótulos, o objetivo é estabelecer a existência de clusters ou
similaridades nesses dados.
c) Aprendizado Semi-Supervisionado: Surgido recentemente, é o aprendizado onde
poucos exemplos rotulados são utilizados ao invés de uma quantidade expressiva como a
necessária no aprendizado supervisionado. Ele representa a junção dos aprendizados
supervisionado e não-supervisionado, permitindo reduzir a necessidade de dados rotulados
quando somente um pequeno conjunto de exemplos rotulados está disponível. Também é
conhecido como aprendizado por reforço, onde se dispõe apenas de uma avaliação qualitativa
do comportamento do sistema, no entanto sem poder medir quantitativamente o erro (desvio
do comportamento em relação à referência desejada).
2.1.6 Formas de Aprendizado
Os algoritmos de aprendizado podem ser classificados de duas formas segundo a
maneira em que os exemplos são apresentados (SANCHES; GEROMINI, 2001):
25
a) Não incremental: necessita que todos os exemplos, ao mesmo tempo, estejam
disponíveis para que seja induzido um conceito. Estes algoritmos são vantajosos para
problemas de aprendizados nos quais todos os exemplos estão disponíveis e não ocorrerão
mudanças. Também é conhecido como batch. Um exemplo de sistema que originalmente
utilizam esta forma de aprendizado são as árvores de indução de regras (ID3 e C4.5).
b) Incremental: revê a definição do conceito corrente, caso necessário, em resposta a
cada novo exemplo de treinamento observado. Cada exemplo observado é considerado um a
um pelo sistema. Desta maneira o sistema segue modificando o conceito à medida que novos
exemplos são inseridos. Um exemplo de sistema incremental são as redes Neurais do tipo
incremental, as quais se modificam com novos exemplos.
Uma vantagem do algoritmo incremental é atualizar rapidamente o conhecimento a
cada novo exemplo, uma vez que pode ser mais eficiente rever uma hipótese existente do que
gerar uma nova hipótese a cada novo exemplo observado.
2.1.7 Linguagens de Descrição (ou Representação)
Todo sistema de aprendizado necessita ter uma linguagem para poder descrever ou
representar exemplos, ou objetos (ou possíveis eventos), uma linguagem para descrever
hipóteses, ou conceitos e uma para descrever conhecimento de fundo (ou teoria do domínio)
(REZENDE, 2002).
a) Linguagem de descrição de Exemplos (Objetos) - LDE:
Descrições Estruturais: Retrata um objeto como sendo uma estrutura complexa de
vários componentes além das relações entre eles. Como exemplo, a descrição estrutural de um
arco pode ser: Um arco consiste de três componentes – dois postes e uma cobertura, tal que
cada um deles é um bloco; os dois postes suportam a cobertura; os postes estão na vertical,
são paralelos, não se tocam e a cobertura está na horizontal (REZENDE, 2002).
Descrições de Atributos: Nesta descrição um objeto é descrito através de suas
características globais como um vetor de valores de atributos. Um atributo pode ser de
qualquer tipo, numérico ou não numérico. Uma descrição de atributos de um arco pode ser:
Seu tamanho é seis centímetros, sua altura é três centímetros e sua cor é verde (REZENDE,
2002).
b) Linguagem de descrição de Hipóteses (Conceitos) - LDH:
Formalmente, para descrever conceitos em aprendizado automático utiliza-se:
• As Árvores de decisão,
26
• As Regras se-então,
• As Redes semânticas,
• A Lógica de predicados.
c) Linguagem de descrição de Conhecimento de Fundo (domínio) – LDC:
É utilizada para descrever algum conhecimento prévio e relevante do domínio do
problema. O conhecimento de fundo abrange conceitos absorvidos anteriormente, hipóteses e
métodos para avaliá-las, restrições do domínio, metas, entre outros. As linguagens para
descrição de conhecimento de fundo são parecidas com as utilizadas para descrição de
hipóteses (REZENDE, 2002).
No trabalho a ser desenvolvido não serão utilizadas as linguagens aqui descritas.
2.1.8 Estratégias de Aprendizado Automático
Existem várias estratégias (SANCHES; GEROMINI, 2001) de Aprendizado
Automático, as quais se podem citar em ordem de complexidade de inferência apresentada
pelo aprendiz: aprendizado por hábito, por instrução, por dedução, por analogia e por indução,
sendo esta última a utilizada no sistema proposto neste trabalho.
2.1.8.1 Aprendizado por Indução ou Indutivo
O aprendizado por indução é a estratégia de aprendizado que os seres humanos
utilizam ao fazerem generalizações a partir de alguns fatos ou ao obter padrões em grupos de
informações que parecem caóticas (SANCHES; GEROMINI, 2001).
A indução se caracteriza pelo raciocínio que parte do específico para o geral.
Nesta estratégia o aprendiz obtém um conceito ao fazer inferências indutivas sobre os
fatos apresentados. Entretanto, as hipóteses geradas pela inferência indutiva podem ou não
manter a verdade.
A inferência indutiva é um importante meio para se criar novos conhecimentos e
prever eventos futuros. A indução permite obter conclusões genéricas sobre um conjunto
particular de exemplos. Mas é preciso ter cuidado com as generalizações geradas, uma vez
que o conhecimento gerado pode ser de pouco ou nenhum valor.
As hipóteses geradas pela inferência indutiva podem ou não preservar a verdade, ou
seja, as hipóteses podem levar a conclusões cujos conteúdos excedam aos das premissas. Por
isto os argumentos indutivos são indispensáveis para fundamentação de uma significativa
parte dos nossos conhecimentos. Entretanto, este mesmo fato levanta questões complicadas,
27
que dificultam a análise dos resultados obtidos com o auxílio de métodos indutivos
(BATISTA, 2003).
O número de informações colhidas antes de se obter uma regra é um ponto importante.
Pode-se observar isto com o exemplo do homem que chega a uma determinada empresa e
encontra um faxineiro na entrada principal, depois vai ao banheiro e encontra outro faxineiro
fazendo limpeza, a conclusão dele, com somente estas duas amostras, é de que na empresa só
existem faxineiros. Neste caso a indução foi realizada com um número insuficiente de
exemplos.
Atributos corretos também é um fator importante. Um exemplo é o caso fictício de
uma criança brincando com uma aranha (SANCHES; GEROMINI, 2001). A aranha está
parada e ela dá um grito, assim a aranha foge. Então ela arranca duas pernas da aranha e dá
outro grito, fazendo a aranha fugir novamente. Ela arranca novamente duas pernas e grita
novamente, a aranha foge. Até que ao retirar os dois últimos pares de pernas da aranha e
gritar, a aranha não se move. A criança conclui que a aranha sem pernas não escuta, portanto
utiliza as pernas para ouvir. Isto é o mesmo que se escolher os atributos A1 e A2 para
relacionar com certas classes C1 e C2, entretanto estas classes independem dos atributos
escolhidos; as classes C1 e C2 tem relação com os atributos A3 e A4, que não aparecem entre
os atributos escolhidos para análise. Neste caso a indução será feita sobre dados irrelevantes.
2.1.9 Métodos de Aprendizado Indutivo
Dois métodos muito conhecidos de aprendizado indutivo a partir de exemplos são os
aprendizados AQ e Dividir para Conquistar.
2.1.9.1 Aprendizado AQ
O aprendizado AQ utiliza o método de progressivamente cobrir os dados de
treinamento enquanto as regras de decisão são geradas. Seu funcionamento se baseia na busca
de um conjunto de regras (conjunções de pares atributo-valor ou predicados arbitrários) que
cubram todos os exemplos positivos e nenhum exemplo negativo. O método AQ generaliza,
passo a passo, as descrições dos exemplos positivos selecionados (MICHALSKY; BRATKO;
KUBAT, 1998).
28
2.1.9.2 Aprendizado Dividir para Conquistar
O método Dividir para Conquistar divide o conjunto de exemplos em subconjuntos,
nos quais se pode trabalhar com facilidade, em seguida recursivamente a mesma estratégia é
aplicada a cada subconjunto. Dentro de este tipo de aprendizado, encontramos a família
TDIDT (Top-Down Induction Trees), na qual está o algoritmo de aprendizado a ser utilizado
neste trabalho.
2.2 Algoritmo C4.5
O algoritmo C4.5 (QUINLAN, 1993) é um sistema de aprendizado que constrói
árvores de decisão a partir de um conjunto de exemplos. Ele é o algoritmo utilizado neste
trabalho para gerar regras. O C4.5 faz parte da família TDIDT, a qual pertence aos métodos
indutivos de aprendizado automático que aprendem a partir de exemplos pré-classificados.
Com base no que foi descrito nas seções anterior o C4.5 está classificado como um
sistema de aprendizado indutivo, supervisionado e não incremental.
2.2.1 Indução de Árvores de Decisão
Em (UTGOFF, 1989) é feita uma definição formal de árvores de decisão, como sendo
uma estrutura de dados composta por n (n>1) nós. Estes nós podem ser:
• Um nó folha, ou nó resposta, que contém um nome de classe, ou
• Um nó raiz, ou nó de decisão, que contém um atributo de teste, sendo que para
cada um dos possíveis valores deste atributo existe um ramo para uma outra
árvore de decisão.
Na figura 2.1 extraída de (REZENDE, 2002) é apresentado um exemplo de árvore de
decisão para o diagnóstico de um paciente. Cada elipse representa um teste em um atributo
para um dado conjunto de dados de pacientes, os retângulos representam uma classe, no caso
do exemplo, um diagnóstico. Para fazer o diagnóstico em um paciente é necessário iniciar na
raiz e seguir cada teste até alcançar uma folha.
29
Figura 2.1 – Árvore de decisão para diagnóstico em paciente (REZENDE, 2002).
A árvore pode ser representada por regras. As regras têm seu início na raiz e terminam
em uma das folhas da árvore. Na árvore da figura 2.1, pode-se identificar a primeira regra
como sendo: SE paciente se sente bem = sim ENTÃO classe = saudável.
2.2.2 Construção de Árvores de Decisão
A construção de uma árvore de decisão é feita pelo método de HUNT, MARIN e
STONE (1966). A partir de um conjunto de treinamento T, sejam as classes denotadas por
{C
1
,C
2
, . . . ,C
k
}, os seguintes passos devem ser seguidos (SERVENTE, 2002):
1. T contém um ou mais casos, todos pertencentes a uma única classe C
j
. Nesse caso, a
árvore de decisão para T é uma folha identificando a classe C
j
;
2. T não contém nenhum caso. Neste caso, a árvore é uma folha, mas a classe
associada deve ser determinada pela de informação que não pertence a T. Por exemplo, a
classe mais freqüente para o nó pai desse nó pode ser utilizada;
3. T contêm casos pertencentes a várias classes. Nesse caso, a idéia é refinar T em
subconjuntos de casos que tendam, ou aparentam tender a uma coleção de casos pertencentes
a uma única classe. Escolhe-se um teste baseado em um único atributo que tem um ou mais
resultados mutuamente excludentes {O
1
,O
2
, . . . ,O
n
}. T se divide nos subconjuntos T
1
, T
2
, ...,
T
n
, onde T
i
contém todos os casos de T que tem o resultado O
i
para a partição escolhida. A
árvore de decisão para T consiste em um nó de decisão identificado pela partição, com um
ramo para cada um dos resultados possíveis.
30
Este mecanismo de construção é aplicado recursivamente para cada subconjunto de
casos de treinamento, de maneira que o iésimo ramo forme a árvore de decisão construída
pelo subconjunto T
i
, de dados de treinamento.
2.2.2.1 Cálculo do Ganho de Informação
Quando o conjunto T contém exemplos pertencentes a distintas classes, realiza-se um
cálculo sobre os distintos atributos e uma partição segundo o melhor atributo. Através da
teoria da informação encontra-se o melhor atributo. A teoria sustenta que a informação se
maximiza com a minimização da entropia. A entropia é uma medida de incerteza de um
conjunto, ou a medida da impureza de uma coleção arbitrária de exemplos. A entropia assume
o valor máximo (1) quando existem tantos elementos positivos como negativos, e o valor
mínimo (0) quando todos os elementos são da mesma classe.
Entropia(S
i
) é igual ao número esperado de bits necessários para codificar a classe
(“+” ou “-”) de um elemento de S escolhido aleatoriamente com distribuição uniforme.
Da Teoria da Informação, um código de comprimento ótimo atribui −log
2
p bits a uma
mensagem que tenha probabilidade p. Logo, o número esperado de bits para codificar “+” ou
“-” de elementos selecionados aleatoriamente de S é a probabilidade p
+
multiplicado por −log
2
p
+
mais a probabilidade p
-
multiplicado por −log
2
p
-
.
As equações apresentadas nesta seção estão desenvolvidas conforme (QUINLAN,
1993).
Em um subconjunto S
i
com exemplos positivos e negativos, o cálculo da entropia
H(S
i
) é dado por:
2 22 2
(2.1)
Onde P
i
+
é a probabilidade de um exemplo de S
i
, tomado ao acaso, seja positivo. S
i
contém n
i
+
exemplos positivos e n
i
-
exemplos negativos. Esta probabilidade é calculada por:
(2.2)
Analogamente a
P
i
+
calcula-se
P
i
-
, porém trocando a quantidade de exemplos positivos
pela de exemplos negativos e vice-versa.
Se houverem mais de duas classes (+ e -), ou seja, n classes, a entropia é dada por:
H(S
i
)= -p
i
1
log p
i
1
– p
i
2
log p
i
2
– p
i
3
log p
i
3
........- p
i
n
log p
i
n
2 2 2 2
H(S
i
)= -p
i
1
log p
i
1
– p
i
2
log p
i
2
– p
i
3
log p
i
3
........- p
i
n
log p
i
n
2 2 2 2
(2.3)
31
Generalizando a expressão
H(S
i
)
para qualquer tipo de exemplos tem-se a expressão
geral da entropia:
22
(2.4)
Quando um atributo
at
divide o conjunto
S
em subconjuntos
S
i
,
i
= 1,2,.......,
n
, a
entropia total dos subconjuntos é a somatória das multiplicações da probabilidade (
P(S
i
)
) de
que um exemplo pertença a
S
i
pela entropia (
H(S
i
)
) do subconjunto
S
i
:
(2.5)
O ganho da informação pode ser calculado como a diminuição em entropia:
(2.6)
Sendo
H(S)
o valor da entropia antes de realizar a subdivisão e
H(S,at)
o valor da
entropia do sistema de subconjunto gerados pela partição segundo
at
.
2.2.2.2
Divisão dos dados
O método Dividir para conquistar divide os dados do nó através de uma partição
realizada sobre o melhor atributo. O processo de construção da árvore não deve somente
encontrar qualquer partição que gere subconjuntos com uma única classe cada; o necessário é
encontrar uma árvore que revele uma estrutura do domínio, portanto tendo poder preditivo. A
partição deve ter a menor quantidade de classes possíveis. No caso ideal, escolher a cada
passo a partição que gere a árvore menor.
2.2.2.2.1
Critério do Ganho
Imagine que existe uma partição possível com
n
resultados que dividem o conjunto de
treinamento
T
nos subconjuntos
T
1
, T
2
,. . ., T
n
. Se a partição for realizada sem avaliar as
divisões posteriores dos subconjuntos
T
i
,
a única informação disponível para avaliar a partição
é a distribuição de classes em
T
e seus subconjuntos.
Considerando um valor similar, com
T
dividido em
n
resultados da partição
X.
A
entropia pode se calculada como a soma ponderada dos subconjuntos (QUINLAN, 1995):
32
(2.7)
O ganho da informação a partir de
T
de acordo com a partição
X
é:
(2.8)
O critério de ganho seleciona a partição que maximiza o ganho de informação. Nele se
calcula o ganho que resultaria de dividir o conjunto de dados de acordo com cada atributo
possível antes de dividir os dados em cada nó. A partição escolhida é aquela que resulta no
maior ganho.
2.2.2.2.2
Critério da Proporção do Ganho
Realizando uma partição sobre um atributo que seja o nó primário de um conjunto de
dados, se obtém um único subconjunto para cada caso, para cada subconjunto teremos
I(T,X)=0
, assim o ganho de informação será máximo. Este tipo de partição não é útil.
Este fato que acontece no critério de ganho é corrigido através de uma normalização,
na qual se ajusta o ganho aparente. Tomando-se o conteúdo de informação de uma mensagem
correspondente aos resultados das divisões. Por analogia à definição de
I(S)
temos
(QUINLAN, 1995):
(2.9)
Isto representa a informação potencial gerada ao dividir
T
em
n
subconjuntos,
enquanto que o ganho da informação mede a informação relevante a uma classificação que
nasce da mesma partição (QUINLAN, 1995).
(2.10)
A expressão
Proporção_de_ganho(X)
calcula a proporção útil de informação gerada
na divisão. Se a divisão é normal a informação da divisão será pequena e esta proporção se
tornará instável. O critério de proporção de ganho elege uma divisão que maximiza a
expressão.
33
2.2.3
Detalhamento do Algoritmo C4.5
O pseudo-código do algoritmo C4.5 para construir árvores de decisão a partir de um
conjunto de exemplos é apresentado na figura 2.2.
Função C4.5
(R: conjunto de atributos não classificadores,
C: atributo classificador,
S: conjunto de treinamento) devolve uma árvore de decisão;
Início
Se S está vazio,
devolver um único nó com Valor Falha;
Se todos os registros de S têm o mesmo valor para o atributo classificador,
devolver um único nó com tal valor;
Se R está vazio, então
devolver um único nó com o valor mais freqüente do atributo
classificador nos registros de S [Nota: existirão erros, isto é,
registros que não estarão bem classificados neste caso];
Se R não está vazio, então
D←atributo com maior Proporção de Ganho(D,S) entre os atributos de R;
Sejam {dj | j=1,2, .., m} os valores do atributo D;
Sejam {Sj | j=1,2, .., m} os subconjuntos de S correspondentes aos
valores de dj respectivamente;
devolver uma árvore com a raiz nomeada como D e com os arcos nomeados
d1, d2, .., dm que vão respectivamente às árvores
C4.5(R-{D}, C, S1), C4.5(R-{D}, C, S2), .., C4.5(R-{D}, C, Sm);
Fim
Figura 2.2 – Algoritmo C4.5 (QUINLAN, 1993).
A seguir são descritas as características, a poda em árvores de decisão, a construção de
uma árvore de decisão e a geração de regras de decisão, tendo como foco o algoritmo C4.5.
2.2.3.1
Características
O C4.5 tem como função criar uma descrição de um conjunto de dados através de uma
árvore de decisão. A partir de dados sem contradição entre eles, a árvore gerada descreverá o
conjunto de dados de entrada com perfeição (QUINLAN, 1993). Dados:
•
Um conjunto de dados;
•
Um conjunto de descritores (atributos) de cada dado;
•
Um classificador (classe)/conjunto de classificadores para cada objeto.
Deseja-se obter uma árvore onde os nós podem ser:
1. Nós intermediários: onde se encontram os descritores escolhidos segundo os
critérios de entropia e ganho ou proporção de ganho, que determinam qual ramo é o que deve
tomar-se.
2. Folhas: estes nós determinam o valor do classificador.
34
Não devem existir dois objetos pertencentes a diferentes classes com valores idênticos
para cada um de seus atributos, se isto acontecer, os atributos são inadequados para o processo
de classificação.
Diferentes provas são feitas para dividir os dados em cada nó. As provas possíveis são:
1.
Prova padrão para os atributos discretos, com um resultado e um ramo para
cada valor possível do atributo.
2.
Uma prova mais complexa, baseada em um atributo discreto, onde os valores
possíveis são designados a um número variável de grupos com um resultado
possível para cada grupo, em lugar de cada valor do atributo.
3.
Se um atributo
A
tem valores numéricos contínuos, se realiza uma prova
binária com resultados
A ≤ Z e
A > Z
, para o qual se deve determinar o valor
limite
Z
.
Estas provas são avaliadas da mesma maneira, observando o resultado da proporção de
ganho ou alternativamente o ganho, resultante da divisão que produzem.
O método utilizado (QUINLAN, 1993) para provas sobre atributos contínuos é
simples, primeiro os exemplos de treinamento
T
são ordenados segundo os valores do atributo
A
contínuo que está sendo considerado. Existe um número finito destes valores. Sendo {v
1
,
v
2
,. . ., v
m
} os valores possíveis do atributo
A.
Qualquer valor limite entre
v
i
e
v
i+1
terá o mesmo
efeito ao dividir os exemplos entre aqueles cujo valor para
A
pertence ao subconjunto {v
1
, v
2
,.
. .,v
i
} e aqueles cujo valor pertence a {v
i+1
, v
i+2
,. . ., v
m
}. Assim, existem
m
– 1 divisões
possíveis segundo o valor de
A
e todas são examinadas. Depois de ordenados, as provas para
todos os valores podem ser realizadas de uma única vez.
Para atributos desconhecidos o C4.5 assume que todos os resultados de provas
desconhecidos distribuem-se probabilisticamente segundo a freqüência relativa dos valores
conhecidos. Um caso com um valor desconhecido se divide em fragmentos cujos pesos são
proporcionais às freqüências relativas, dando por resultado que um caso pode seguir múltiplos
caminhos na árvore. Isto se aplica tanto quando os casos de treinamento dividem-se durante a
construção da árvore como quando a árvore é utilizada para classificar casos.
2.2.3.2
Poda das Árvores de Decisão
O método recursivo de divisão dos dados para construção das árvores de decisão,
dividirá o conjunto de treinamento até que um subconjunto tenha somente uma classe, ou até
35
que a prova não ofereça melhora. Em função disto normalmente a árvore resultante fica muito
mais complexa que a necessária para descrever o conjunto de exemplos (QUINLAN, 1995).
É necessário podar a árvore, porém não é simplesmente apagando a árvore em favor de
um ramo que se simplifica a mesma, mas sim eliminando as partes da árvore que não
contribuem para a correta classificação de novos casos, produzindo assim uma árvore menos
complexa e mais compreensível.
Duas maneiras de modificar o método de divisão recursivo para produzir árvores mais
simples são decidir não dividir mais o conjunto de treinamento ou remover
retrospectivamente alguma parte da estrutura construída pela divisão recursiva.
O C4.5 realiza a remoção de partes da árvore depois da mesma estar produzida. O
crescimento e posterior poda das árvores são mais lentos, mas mais confiáveis. Podar a árvore
totalmente produzida pode ser computacionalmente ineficiente, no sentido que não é usual
encontrar exemplos de domínios onde uma árvore extremamente grande (com milhares de
nós, por exemplo) é pós-podada em poucas centenas de nós. A alternativa de parada no
procedimento de crescimento da árvore, tão logo a divisão seja considerada não confiável,
também apresenta um ponto negativo no seu algoritmo, corre-se o risco de selecionar uma
árvore sub-ótima ao interromper o crescimento da árvore (BREIMAN, 1984).
A poda é feita com base na proporção de erros (QUINLAN, 1993), onde se começa
pelas folhas e se examina cada sub-árvore, se uma troca de uma sub-árvore por uma folha ou
ramo leva a uma menor proporção de erros, então se deve podar a árvore, recordando que as
proporções de erros já calculadas para todas as sub-árvores serão afetadas. Como a proporção
de erros predita de uma árvore diminui se as proporções de erros preditas de seus ramos
diminuem, então é gerada uma árvore com proporção de erro mínima.
Para estimar a proporção de erros, quando uma folha cobre
N
casos de treinamento,
sendo
E
deles de forma errônea, o estimador da proporção de erros de substituição para esta
folha é
N/E
. Podemos entender isto como
E
eventos em
N
provas.
Sendo
N
a quantidade de casos de treinamento cobertos por uma folha e
E
a
quantidade de erros preditos se um conjunto de
N
novos casos forem classificados pela árvore.
A soma dos erros preditos nas folhas, dividido pelo número de casos de treinamento é um
estimador imediato do erro de uma árvore podada sobre novos casos.
36
2.2.3.3
Construção de uma Árvore de Decisão utilizando o C4.5
A seguir será apresentado um exemplo de construção de árvore de decisão, extraído de
(SERVENTE, 2002).
A partir dos seguintes dados:
Tabela 2.1 – Dados do exemplo Joga Tênis (SERVENTE, 2002).
Estado Umidade Vento Joga Tênis
? Alta Leve Não
Ensolarado Alta Forte Não
Nublado Alta Leve Sim
Chuva Alta Leve Sim
Chuva Normal Leve Sim
Chuva Normal Forte Não
Nublado Normal Forte Sim
Ensolarado Alta Leve Não
Ensolarado Normal Leve Sim
Chuva Normal Leve Sim
Ensolarado Normal Forte Sim
Nublado Alta Forte Sim
Nublado Normal Leve Sim
Chuva Alta Forte Sim
Neste exemplo a distribuição de dados para o atributo Estado é:
Tabela 2.2 – Distribuição de Dados para o atributo Estado (SERVENTE, 2002).
Desconhecido Ensolarado
Nublado Chuva
Não 1 2 0 1
Sim 0 2 4 4
Total 1 4 4 5
Inicialmente é feito o cálculo da entropia do conjunto, para isto os atributos
desconhecidos não são considerados. Portanto, no exemplo existe um total de 13 casos, dos
quais 3 são positivos. Tem-se,
37
Calcula-se em seguida a entropia que os conjuntos resultantes da divisão de dados
segundo este atributo teriam.
O próximo cálculo é o ganho resultante da divisão do subconjunto segundo o atributo
Estado:
Ao calcular a informação da divisão é necessário ter em conta uma categoria extra
para o valor desconhecido para o atributo. A informação da divisão calcula-se como:
Enfim, calcula-se a proporção de ganho.
Utiliza-se o mesmo cálculo do ganho e da proporção de ganho para o atributo
Umidade, obtendo-se os valores:
Ganho = 0.0746702 bits Proporção de ganho = 0.0746702 bits
Para o atributo Vento obtêm-se os seguintes valores:
Ganho = 0.00597769 bits Proporção de ganho = 0.0060687 bits
Tanto pelos valores do ganho como proporção de ganho é conveniente dividir o
conjunto segundo o atributo Estado. Ao dividir os 14 casos para continuar com a construção
da árvore, os 13 casos para os que o valor de Estado é conhecido, não apresentam problemas e
são repartidos segundo o valor do Estado. O caso que não se conhece o valor do Estado é
repartido entre os conjuntos que contém Ensolarado, Nublado e Chuva com os pesos 4/13,
4/13 e 5/13 respectivamente.
Tendo como exemplo a divisão dos dados para o valor Nublado do atributo Estado,
teremos o seguinte subconjunto:
38
Tabela 2.3 – Subconjunto com valor Nublado do atributo Estado (SERVENTE, 2002).
Estado Umidade Vento Joga Tênis Peso
? Alta Leve Não 4/13
Nublado Alta Leve Sim 1
Nublado Normal Forte Sim 1
Nublado Alta Forte Sim 1
Nublado Normal Leve Sim 1
A distribuição de dados para o atributo Umidade é:
Tabela 2.4 – Distribuição de Dados para o atributo Estado com valor Umidade (SERVENTE, 2002).
Desconhecido Alta Normal
Não 0 0.3 0
Sim 0 2 2
Total 0 2.3 2
Para o atributo Umidade, obtêm-se os valores:
Ganho = 0.068 bits Proporção de ganho = 0.068 bits
Para o atributo Vento obtêm-se os seguintes valores:
Ganho = 0.068 bits Proporção de ganho = 0.068 bits
Neste caso vemos que a divisão do conjunto de dados não oferece nenhuma melhora,
portanto, colapsamos a árvore para a folha Sim, que é a que maior peso tem. A quantidade de
casos N cobertos pela folha é 4.3 e a quantidade de casos cobertos incorretamente E associado
a folha é 0.3.
Na figura 2.4 é apresentado um esquema dos passos para a construção da árvore de
decisão deste exemplo. A seguir tem-se a árvore obtida:
Estado = Nublado: Sim (4.3/0.3)
Estado = Chuva: Sim (5.4/1.4)
Estado = Ensolarado:
Umidade = Alta: Não (2.3)
Umidade = Normal: Sim (2.0)
Figura 2.3 – Árvore obtida no exemplo (SERVENTE, 2002).
39
Figura 2.4 – Construção de uma árvore de decisão utilizando C4.5 (SERVENTE, 2002).
2.2.3.4
Geração de Regras de Decisão utilizando o C4.5
No exemplo em análise o C4.5 utiliza a árvore gerada sem simplificação e constrói
uma regra de decisão para cada folha da árvore. As regras geradas neste caso são:
Regra 1
SE Estado = Ensolarado
E Umidade = Alta
ENTÃO JogoTênis = Não
Regra 2
SE Estado = Ensolarado
E Umidade = Normal
ENTÃO JogoTênis = Sim
Regra 3
SE Estado = Nublado
ENTÃO JogoTênis = Sim
Regra 4
SE Estado = Chuva
ENTÃO JogoTênis = Sim
Figura 2.5 – Regras geradas no exemplo (SERVENTE, 2002).
40
Em seguida o C4.5 tenta generalizar as regras, para isto ele elimina as condições que
geram uma maior estimativa pessimista de erro.
Para estimar a probabilidade de erro, buscam-se limites de confiança CF. O limite
superior desta probabilidade pode ser obtido a partir dos limites de confiança para a
distribuição binomial e é escrito como U
CF
(E, N) (E erros entre N exemplos classificados). Os
limites superior e inferior são simétricos na distribuição binomial, portanto a probabilidade de
que a média real de erros exceda U
CF
(E, N) é CF/2. A estimativa de erro pessimista de
classificação de N exemplos é
N x U
CF
(E,N)
(QUINLAN, 1993).
A estimativa de erro será calculada para as regras geradas e para as regras resultantes
da eliminação de cada uma de suas condições.
Na primeira regra temos:
Tabela 2.5 – Estimativas de erro para a Regra 1 (SERVENTE, 2002).
Erros Quant. de casos cobertos Estimativa pessimista do erro Condição ausente
0 2 50% <regra atual>
4 7 75.5% Estado=Ensolarado
2 4 77.1% Umidade=Alta
A retirada de qualquer condição possui uma estimativa pessimista de erro superior a
da regra atual, portanto não é interessante eliminar nenhuma condição, assim a regra atual é
mantida.
Regra 1
SE Estado = Ensolarado
E Umidade = Alta
ENTÃO JogoTênis = Não [50%]
Figura 2.6 – Regra 1 do exemplo (SERVENTE, 2002).
Todas as outras regras devem ser avaliadas. Para a segunda regra tem-se:
Tabela 2.6 – Estimativas de erro para a Regra 2 (SERVENTE, 2002).
Erros Quant. de casos cobertos Estimativa pessimista do erro Condição ausente
0 2 50% <regra atual>
1 7 33.8% Estado=Ensolarado
2 4 77.1% Umidade=Normal
Neste caso, a retirada da condição Estado apresenta uma menor estimativa pessimista
de erro, assim a condição deve ser retirada e o cálculo refeito:
41
Tabela 2.7 – Estimativas de erro para a Regra 2, retirada condição Estado (SERVENTE, 2002).
Erros Quant. de casos cobertos Estimativa pessimista do erro Condição ausente
1 7 33.8% <regra atual>
4 14 41.3% Umidade=Normal
Regra 2
SE Estado = Ensolarado
E Umidade = Normal
ENTÃO JogoTênis = Sim [66.2%]
Figura 2.7 – Regra 2 do exemplo (SERVENTE, 2002).
Para a terceira regra temos:
Tabela 2.8 – Estimativas de erro para a Regra 3 (SERVENTE, 2002).
Erros Quant. de casos cobertos Estimativa pessimista do erro Condição ausente
0 4 29.3% <regra atual>
4 14 41.3% Estado=Nublado
Regra 3
SE Estado = Nublado
ENTÃO JogoTênis = Sim [70.7%]
Figura 2.8 – Regra 3 do exemplo (SERVENTE, 2002).
Para a quarta regra temos:
Tabela 2.9 – Estimativas de erro para a Regra 4 (SERVENTE, 2002).
Erros Quant. de casos cobertos Estimativa pessimista do erro Condição ausente
1 5 45.4% <regra atual>
4 14 41.3% Estado=Chuva
Regra 4
SE Estado = Chuva
ENTÃO JogoTênis = Sim [54.6%]
Figura 2.9 – Regra 4 do exemplo (SERVENTE, 2002).
Depois que as regras são generalizadas, as mesmas são agrupadas por classe e
determinam-se os subconjuntos de regras que geram uma codificação mínima para a classe. O
C4.5 calcula para cada subconjunto de regras a quantidade de bits necessários para codificar
as regras e determinar quais regras são convenientes utilizar para representar cada classe.
No exemplo, a regra 1 para a classe Não e a regra 3 para a classe Sim são as
escolhidas.
O último passo é escolher a classe padrão. Para isto calcula-se a quantidade de casos
de cada classe não cobertos pelas regras escolhidas:
42
Tabela 2.10 – Casos coberto e não coberto por classe (SERVENTE, 2002).
Casos Não Cobertos Classe
4 2 Não
10 6 Sim
O maior número de casos não cobertos está na classe Sim, portanto sendo está a classe
padrão. O conjunto final de regras é:
Regra 1
SE Estado = Ensolarado
E Umidade = Alta
ENTÃO JogoTênis = Não [50.0%]
Regra 3
SE Estado = Nublado
ENTÃO JogoTênis = Sim [70.7%]
Regra 5
Classe padrão = Sim
Figura 2.10 – Conjunto final de regras do exemplo (SERVENTE, 2002).
O exemplo apresentado finaliza o estudo do algoritmo C4.5 e assim o capitulo sobre
Aprendizado de Máquina, o capitulo posterior abordará o tema Domótica e um sistema de
Domótica Inteligente, o Sistema ABC.
43
3 DOMÓTICA
A palavra Domótica é a junção da palavra latina Domus (casa) e do termo Robótica
(ANGEL, 1993). O significado está relacionado à instalação de tecnologia em residências,
principalmente através de dispositivos eletrônicos e eletroeletrônicos, com o objetivo de
melhorar a qualidade de vida, aumentar a segurança e viabilizar o uso racional dos recursos
para seus habitantes. Existem outras denominações para a Domótica, entre elas estão
“Edifício Inteligente”, “Casa Inteligente”, “Ambiente Inteligente”, entre outros.
Domótica é um novo domínio de aplicação tecnológica, tendo como objetivo básico
melhorar a qualidade de vida, reduzindo o trabalho doméstico, aumentando o bem estar e a
segurança de seus habitantes e visando também uma utilização racional e planejada dos
diversos recursos (ANGEL, 1993).
3.1 Sistemas Domóticos
Para gerenciar de maneira eficiente os diversos dispositivos e atuadores de uma
residência, muitos dados devem ser computados e várias tarefas complexas são executadas.
Uma residência inteligente contém um sistema para gerenciar todo tráfego de
informação, bem como um sistema de controle dos equipamentos, permitindo um maior
conforto com menor gasto de energia (BOLZANI, 2004b).
O sistema que integra todos os dispositivos para automatizar e controlar uma
residência é o sistema domótico. Tal sistema é composto por vários elementos, entre eles os
atuadores, sensores, controlador, rede de dados ou rede domótica e interface com o usuário.
Os primeiros sistemas domóticos eram pouco flexíveis, caros, não seguiam
padronizações, basicamente utilizavam sensores (dispositivos que transformam parâmetros
físicos como temperatura, umidade, entre outros, em sinais elétricos apropriados para que os
sistemas domóticos possam analisá-los) e atuadores (são dispositivos eletro-mecânicos que
têm suas características alteradas conforme os impulsos elétricos recebidos) ligados a um
controlador (BRETERNITZ, 2001).
Desenvolver os diversos controles de uma residência em um só sistema é uma tarefa
difícil. Por este motivo, a gestão da residência é dividida em vários subsistemas responsáveis
cada um por operações bem específicas, os quais são gerenciados por um controlador central.
Os vários subsistemas de um sistema domótico atuam cada qual especificamente em
um campo de controle. Os principais campos são (BOLZANI, 2004a):
44
•
Energia Elétrica – monitora a energia da residência e atua com alternativas na
falta da mesma.
•
Ar-condicionado – controla a temperatura e ventilação da residência.
•
Iluminação – controla as lâmpadas, atuando também na diminuição de
consumo de energia.
•
Segurança e alarme – monitora a intrusão da residência.
•
Combate a incêndio – monitora a presença de fumaça e fogo.
•
Multimídia – controla funções de vídeo e áudio.
•
Água e dejetos – monitora o abastecimento de água, os dejetos e lixo.
•
Interface do usuário – atua na interação com o usuário, permite entrada e saída
de informações.
•
Controle de Acessos – controla entradas (portas e portões).
Atualmente os sistemas são informatizados e computadorizados.
3.1.1
Atuadores e Sensores
Atuadores e sensores são importantes dispositivos de um sistema domótico, eles
podem ser interligados diretamente ao controlador ou serem conectados por meio de alguma
interface a uma rede de dados para que possam ser utilizados pelo sistema domótico. Suas
características são importantes, uma vez que deles dependem diretamente as capacidades de
uma residência inteligente.
Existe uma variedade muito grande de atuadores e sensores que possibilitam a
execução de ações e o monitoramento de inúmeras grandezas físicas e eventos.
A seguir é listada uma série de atuadores e sensores, utilizados em sistemas
domóticos, bem como suas funções (BOLZANI, 2004a):
•
Motores de passo e motores miniatura: variam a posição angular.
•
Solenóides, hidráulicos e pneumáticos: variam a posição linear.
•
Mini-bombas de circulação: escoamento de líquidos.
•
Células Peltier: arrefecimento ou aquecimento de superfícies.
•
Folhas aquecedoras: aquecimento de superfícies.
•
Sensor de Temperatura: fornecem a medida instantânea da temperatura.
•
Termovelocimétricos: detectam a velocidade de variação da temperatura no
tempo.
45
•
Sensor de Umidade relativa: sensores do tipo capacitivo que fornecem a
medida instantânea da umidade relativa sob a forma de sinais analógicos ou
barramento de dados proprietário.
•
Sensor de Qualidade de ar: medem o nível de CO
2
existente num ambiente.
•
Detector magnético de abertura: utilizados normalmente nas portas e janelas a
serem controladas.
•
Sensor de Intensidade de iluminação: tem como elemento principal o
LDR
(
Light Dependent Resistor
) cuja resistência é função da intensidade de
iluminação que nele incide.
•
Sensor de Pressão e força: os sensores de força são compostos por um
dispositivo principal que tem sua resistência elétrica alterada conforme a força
aplicada na membrana.
•
Tacométricos: são sensores de velocidade angular.
•
Detector de Fumaça: fornecem uma informação digital (sim ou não) da
presença de fumaça em um ambiente.
•
Detector de Gás: fornecem informação digital da presença de gás (butano ou
propano).
•
Detector de Movimento: existem vários tipos, como por exemplo, os
infravermelhos ativos que emitem feixes infravermelhos entre dois pontos
lineares (um transmissor e um receptor) e ao serem interrompidos acionam o
alarme, e o PIR (Infra Vermelho Passivo) que detecta o movimento de fontes
de calor tais como o corpo humano.
•
Detectores Sísmicos ou de vibração: trata-se de dispositivos piezo-elétricos,
normalmente cerâmicos, que geram tensão em seus terminais quando sujeitos à
aceleração segundo um dado eixo.
•
Detectores de chama: estes sensores são baseados em um dispositivo opto
eletrônico sensível a uma determinada radiação eletromagnética, infravermelha
ou ultravioleta.
•
Detectores de nível: são compostos por bóias que acionam interruptores ou
relés quando um determinado nível de líquido é atingido.
•
Sensor acústico: utilizados para detectar a quebra de vidros de janelas ou
portas.
46
•
Botões de pânico: são detectores de toque, com fio ou sem fio, cujo objetivo
principal é de alertar sobre a existência de algum evento anormal num
ambiente.
•
Sensores diversos: qualidade da água, oxigênio dissolvido, condutividade de
líquidos e sólidos, salinidade, sensores de componentes químicos, de
posicionamento (GPS -
Global Positioning System
), entre outros.
Existem outros atuadores e sensores, os quais são utilizados para fins específicos e não
serão apresentados neste documento. Além destes, outros elementos são importantes nos
sistemas domóticos e serão detalhados nas próximas seções.
3.1.2
Controlador
O Controlador é o elemento central que gerencia o sistema domótico. Nele reside toda
a inteligência do sistema. Normalmente todos os outros elementos do sistema se conectam ao
controlador, enviando e recebendo informações.
No controlador chegam as informações dos sensores, as quais são processadas para
gerar alguma ação nos atuadores, ou ainda para apresentar alguma informação ao usuário, ou
acionar algum elemento como uma sirene ou indicação luminosa.
O controlador pode ter as interfaces de usuário, as quais são necessárias para
apresentar e receber informação (via teclado, monitor, entre outros.).
3.1.3
Redes Domóticas
A rede domótica é o barramento (ou cabeamento) que permite realizar a comunicação
entre os diferentes dispositivos existentes no sistema domótico. As redes se baseiam em
aplicações, onde uma rede separada e independente é utilizada para cada função, portanto
podem existir redes destinadas à segurança, à detecção de incêndios, ao controle de acessos, à
climatização, à informática, entre outros. As redes domóticas são polivalentes, ou seja,
permitem realizar diferentes funções a fim de simplificar a complexidade da instalação da
rede. A mesma rede domótica assegura, por exemplo: as funções de segurança, conforto e
gestão de recursos, entre outros. A rede pode estar constituída de um ou vários padrões de
comunicação de acordo com as funções que esse sistema domótico realiza.
47
3.2 Domótica Inteligente
Pode-se citar como características fundamentais num sistema inteligente: ter memória;
ter noção temporal; fácil interação com os habitantes; capacidade de integrar todos os
sistemas do ambiente; atuar em várias condições; facilidade de reprogramação e capacidade
de auto-correção. Um sistema de domótica inteligente é a priori um sistema domótico com as
características de um sistema inteligente.
O tema domótica inteligente é recente, por este motivo o seu conceito se confunde
com o conceito de automação inteligente, ou melhor, processos de automação, os quais
utilizam algumas técnicas de inteligência artificial para automaticamente tomar alguma
decisão. Existem trabalhos que focam este tema centrado no conceito de automação
inteligente.
Defini-se o conceito de Domótica Inteligente como a domótica onde se adapta as
regras de automação do ambiente ao comportamento dos habitantes (TONIDANDEL;
TAKIUCHI; MELO, 2004).
Um trabalho que foca a automação inteligente é (BOLZANI, 2004a), no qual é
apresentado um simulador que controla dispositivos residenciais inteligentes; sendo
considerados como inteligentes os dispositivos que tem autonomia para desenvolver uma
tarefa básica e trocar informações com outros dispositivos. Neste trabalho o foco está no
controle de atuadores segundo eventos detectados por sensores ou pela presença e ação de
usuários, sendo aplicadas ações previamente configuradas aos eventos que acontecem.
Em (SIERRA et al, 2005) é feito o uso de técnicas de indução de conhecimento para
inferir o conhecimento de especialistas em automatização de edifícios e assim gerar regras de
automatização. As regras são posteriormente utilizadas em um sistema simulador para criar
um edifício energeticamente eficiente.
O primeiro artigo relevante relacionado realmente ao tema Domótica Inteligente é
The
Intelligent Room Project
(BROOKS, 1997), do MIT
Artificial Intelligence Lab
, o qual
descreve uma sala inteligente fazendo uso de robótica, reconhecimento de voz e visão
computacional que auxilia os habitantes na realização de certas tarefas. O projeto tem foco
principal na interface entre o homem e a máquina.
Outro artigo importante é
Ada: Constructing a Synthetic Organism
(ENG et al, 2002),
onde é apresentado um sistema que trata o ambiente como um organismo artificial, sendo
possível modificar dinamicamente este ambiente através de diálogos com os habitantes para
torná-lo mais funcional.
48
Um trabalho interessante é o
Adaptive Building Automation
(RUTISHAUSER;
SCHÄFER, 2002a), posteriormente complementado em
Adaptive Building Intelligence
(RUTISHAUSER; SCHÄFER, 2002b), os quais apresentam um modelo de sistema domótico
inteligente baseado em lógica Fuzzy e multi-agentes. Os trabalhos focam um sistema
adaptativo ao ambiente e ao comportamento dos habitantes. A ênfase é o desenvolvimento de
regras Fuzzy que podem ser dinamicamente alteradas de acordo com as mudanças no
ambiente, através de uma política de punição e recompensa. O sistema foi testado em
ambiente real e obteve sucesso. Apesar de ser um grande avanço no tema, observa-se que o
sistema interage com os ambientes e habitantes de uma maneira geral, ou seja, não avalia
eventos específicos. Não existe no sistema proposto uma etapa que valide as modificações
feitas antes de repassá-las ao ambiente; também não foi apresentada uma lógica que detecte
seqüências causais de eventos no tempo e a possibilidade de criar novas regras.
A Domótica inteligente não é simplesmente prover a uma residência um sistema
dotado de controle central que possa aperfeiçoar certas funções inerentes à operação e
administração da mesma.
Pode-se imaginar que uma residência inteligente é algo como uma residência
interativa, dinâmica, ou seja, os sistemas de Domótica inteligente devem ter as características
de um sistema inteligente e devem interagir com os habitantes da residência, aprendendo
dinamicamente com seus comportamentos. Este aprendizado é permanente, pois os habitantes
estão sempre mudando.
A inversão de responsabilidade no gerenciamento de uma residência deve ser o foco
da inteligência da mesma. Os habitantes não devem se adaptar ao funcionamento pré-
programado da residência, tendo de mudar seus métodos e gostos, mas sim a residência é
quem deve se adaptar ao comportamento dos habitantes.
Importante notar que ao atuar segundo o comportamento dos habitantes, o sistema
também permitirá a diminuição da intervenção do usuário na programação do mesmo,
permitindo que usuários com menor familiarização ao tema possam utilizar o sistema.
3.3 Sistema ABC
Um sistema anteriormente apresentado (TONIDANDEL; TAKIUCHI; MELO, 2004)
que atua segundo o comportamento dos habitantes é o sistema ABC (Automação Baseada em
Comportamento).
49
O processo normal de criação de regras é aquele onde o habitante é quem cria as
regras, inserindo-as em um sistema. O sistema ABC foi testado e demonstrou através de
simulações que é possível reverter o processo normal de criação de regras.
O sistema concentra-se no algoritmo de aprendizado ID3 (QUINLAN, 1986), o qual é
responsável pelo processo de adaptação do sistema de automação.
A arquitetura do sistema ABC (fig. 3.1) define a existência de sensores (detectores de
presença, medidores de temperatura, medidores de luminosidade, entre outros.), atuadores
(interruptores de luz, ar-condicionado, entre outros.), bancos de dados e demais elementos
necessários para criação e controle das regras. Os sensores1 agem diretamente com os
atuadores e podem sofrer interferência humana em seu estado, os sensores2 agem sem a
interferência humana. O controlador monitora constantemente os sensores de cada ambiente,
verificando se existe alguma regra de automação armazenada no seu Banco de Dados ou nas
Regras de Segurança que se aplique ao estado dos sensores.
Para cada atuador da casa existe um banco de aquisição de dados de comportamento, o
qual armazena informações sobre mudanças ocorridas no atuador; este Banco de Dados é
alimentado com os eventos que ocorrem no atuador e os respectivos dados dos sensores
vinculados ao atuador. Como exemplo, pode-se ter o atuador “Ar-condicionado” e os sensores
“Temperatura”, “Luminosidade”, “Horário” e “Presença”. Quando o estado do Ar-
condicionado muda, por ação do habitante, os dados do próprio atuador e mais os dados dos
sensores são armazenados em uma posição de memória do Banco de Dados de Aquisição de
Comportamento (Ar-condicionado=Ligado; Temperatura=Alta; Luminosidade=Alta;
Horário=Noite; Presença=Sim).
Em dado momento, com certo número de eventos armazenados, o Banco de Dados é
inserido no algoritmo de aprendizado, o qual generaliza os dados e cria regras. As regras são
armazenadas no Banco de Dados de Regras Ativas. Existe também outro Banco de Dados
onde estão as Regras de Segurança. No exemplo citado, uma regra aprendida poderia ser: SE
Temperatura=Alta E Horário=Noite E Luminosidade=Alta E Presença=Sim ENTÃO Ar-
condicionado=Ligado. Assim, quando os sensores indicarem Temperatura=Alta,
Horário=Noite, Luminosidade=Alta e Presença=Sim o ar-condicionado será automaticamente
ligado pelo Sistema ABC. Ou seja, a partir do momento em que novos eventos acontecem, de
acordo com as ações do habitante, é feita uma varredura no Banco de Dados de Regras Ativas
para avaliar se alguma regra deve ser aplicada e realizar uma ação no atuador.
A manutenção das regras é simples, quando uma regra fica um determinado tempo
sem ser utilizada, ela é removida. A base de dados armazena a data da última utilização da
50
regra e caso a regra não seja acionada por um dado período de tempo, a mesma é eliminada.
Também é possível remover regras manualmente pelo habitante, caso alguma regra criada não
agrade o mesmo (TONIDANDEL; TAKIUCHI; MELO, 2004).
Dada a simplicidade das regras a serem criadas e a maneira como podem ser expressas
as informações dos elementos utilizados no sistema, a lógica proposicional é suficiente para
ser utilizada na criação das regras, não sendo necessário atuar com uma lógica mais
complexa, como, por exemplo, a lógica de primeira ordem.
Atuador Sensores
1
Sensores
2
Ação
Banco de Dados
De Aquisição
ID3
Banco de Dados
De Regras Ativas
Regras de
Segurança
Manutenção
De Regras
Controlador
Dados
Controle
Dados e Controle
Atuador Sensores
1
Sensores
2
Ação
Banco de Dados
De Aquisição
ID3
Banco de Dados
De Regras Ativas
Regras de
Segurança
Manutenção
De Regras
Controlador
Dados
Controle
Dados e Controle
Figura 3.1 – Arquitetura do Sistema ABC, adaptada de (TONIDANDEL; TAKIUCHI; MELO, 2004).
Apesar de muito interessante, o sistema possui deficiências. Ele não detecta
seqüências causais de eventos no tempo, se um evento de atuador acontece depois de pouco
ou muito tempo de um evento de sensor isto não é considerado. Neste sistema, com o uso do
ID3, é possível trabalhar somente com variáveis lógicas, não é possível trabalhar com valores
contínuos. Outra deficiência é o fato de regras criadas pelo ID3 se tornarem diretamente
Regras Ativas, isto pode desagradar o habitante da casa.
51
4 SISTEMA ABC+ PROPOSTO
O sistema ABC, em sua versão inicial, marcou a implementação de regras em
automação residencial através da observação do comportamento de um habitante em uma
casa, entretanto é possível observar que ele possui limitações que podem ser aprimoradas.
Com o intuito de corrigir o sistema ABC e diminuir suas limitações, propõem-se o
sistema ABC+, o qual possui arquitetura (fig.4.1) parecida com o sistema inicial, porém seu
funcionamento apresentado no fluxograma (fig. 4.6) mais adiante é bastante diferente.
As principais diferenças são a janela de observação de eventos, as Regras
Embrionárias, o uso do C4.5 (QUINLAN, 1993) e o novo processo de desenvolvimento e
manutenção das regras. Estas diferenças serão detalhadas a partir da seção 4.1.
O algoritmo C4.5 foi utilizado em função de ser um algoritmo bastante conhecido e
muito utilizado na área de árvores de indução de regras. Ele permite trabalhar com valores
contínuos para os atributos e também com valores de atributos desconhecidos. Outros
algoritmos poderiam ter sido escolhidos, porém não é foco do trabalho eleger o melhor
algoritmo para a criação de regras, mas sim utilizar um que seja conceituado para a sua
função.
A arquitetura do sistema ABC+ (fig. 4.1) define um habitante interagindo com
sensores e atuador. Existem ainda na arquitetura, três bancos de dados (Eventos, Regras
Ativas, onde estão também as de segurança da residência, e Regras Embrionárias), a janela de
observação, o C4.5, a lógica de manutenção de regras e o controle central, o qual possui a
lógica central do sistema. Para cada atuador da casa deve existir uma estrutura paralela de
bancos de dados, ou seja, cada atuador possui três bancos de dados. Os demais elementos da
arquitetura podem ser compartilhados.
Quando algum sensor ou o atuador muda de estado, seja pela ação do habitante ou pela
natureza, um evento é gerado. Se o evento for do atuador, a lógica da janela de observação irá
filtrar o evento e o mesmo poderá ser ou não armazenado no Banco de Dados de eventos. Em
dado momento, com um número pré-configurado de eventos armazenados, o Banco de Dados
de eventos é inserido no algoritmo de aprendizado, o qual generaliza os dados e cria regras.
As regras são armazenadas no Banco de Dados de Regras Embrionárias e após uma etapa de
validação as mesmas podem ascender ao Banco de Dados de Regras Ativas, o qual possui
também as Regras de Segurança da residência; estas últimas somente são modificadas se
manipuladas diretamente no sistema. A lógica de manutenção de regras atua para estabelecer
quais regras ficam em quais bancos, isto será detalhado mais a diante.
52
Quando acontecem novos eventos nos sensores é feita uma varredura no Banco de
Dados de Regras Ativas para avaliar se alguma regra deve ser aplicada e realizar uma ação no
atuador.
Um dormitório de uma casa onde existem um sensor de entrada no ambiente, um
sensor de saída do ambiente e um atuador para ligar e desligar uma lâmpada servirá de
exemplo para detalhar as implementações feitas no sistema ABC+.
Atuador Sensores
Habitante
Banco de Dados
De Eventos
C4.5
Banco de Dados
De Regras Ativas
Regras de
Segurança
Manutenção
De Regras
Controle
Central
Banco de Dados
De Regras Embrionárias
Janela de
Observação
Dados
Controle
Dados e Controle
Atuador Sensores
Habitante
Banco de Dados
De Eventos
C4.5
Banco de Dados
De Regras Ativas
Regras de
Segurança
Manutenção
De Regras
Controle
Central
Banco de Dados
De Regras Embrionárias
Janela de
Observação
Dados
Controle
Dados e Controle
Figura 4.1 – Arquitetura do Sistema ABC+.
4.1 A Janela de Observação
Nas condições em que o habitante entra no dormitório e imediatamente acende a
lâmpada ou quando sai do dormitório e imediatamente desliga a lâmpada, pode-se facilmente
assimilar regras, que seriam: SE habitante entra ENTÃO acenda lâmpada; SE habitante sai
ENTÃO apague lâmpada.
Note que, se o habitante entra no dormitório e após uma hora ele acende a lâmpada, os
sensores detectarão os mesmos dados da situação em que ele imediatamente acende a lâmpada
após entrar no dormitório. Isto leva a criação de uma regra errada.
Para eliminar esta limitação a janela de observação é utilizada. A janela de observação
consiste em se armazenar e comparar cada evento anterior e posterior ao evento em análise,
inclusive com horários (fig. 4.2). Os eventos em análise são eventos de atuador, ou seja,
eventos em que o atuador muda de estado, no exemplo a lâmpada. Eventos de sensores não
são utilizados para gerar regras, mas sim para ativarem uma regra, se a mesma existir. Na
53
janela de observação os eventos anterior e posterior podem ser eventos de sensores, pois
servirão de comparação e não para criação de regra.
A janela de observação trata cada evento de atuador isoladamente, juntamente com
seus eventos de sensor anterior e posterior. O objetivo é identificar uma causa (evento no
sensor) e um efeito (evento no atuador). Se não existe uma causa e um efeito próximos no
tempo, não faz sentido armazenar tal efeito para que o mesmo gere futura regra. Uma
casualidade não deve gerar uma regra, somente eventos repetitivos (padrões ou rotinas)
devem gerar regras. Um evento de atuador não tem vínculo com o próximo evento de atuador.
Figura 4.2 – Janela de Observação no Sistema ABC+.
Com um exemplo é possível entender a lógica da janela de observação (fig. 4.3).
Quando o habitante entra no ambiente ele dispara um evento de sensor (S1), que é
armazenado temporariamente com seu devido horário. Após algum tempo ele acende a
lâmpada. Este evento de atuador (A) é armazenado e comparado com o evento anterior (S1),
se o anterior aconteceu dentro de um determinado intervalo de tempo (
∆
t
1
) menor do que o
valor da janela de observação então significa que o evento do atuador está vinculado ao
evento anterior (
∆
t
1
< janela de observação Anterior), neste caso o evento do atuador é
armazenado para gerar uma futura regra.
Quando existe vínculo com o evento anterior não se realiza a comparação com o
evento posterior (S2) e o sistema volta à situação de início. Porém, se foi constatado que não
existe vínculo entre evento do atuador e o evento anterior, é necessário verificar o evento
posterior. O horário do evento atuador é armazenado e aguarda-se a ocorrência de um novo
evento. Quando o evento (S2) acontece se compara a diferença de horários entre ele e o
evento atuador (
∆
t
2
). Se o evento posterior aconteceu dentro do determinado intervalo de
54
tempo referente à janela de observação, então significa que o evento do atuador está vinculado
ao evento posterior (
∆
t
2
< janela de observação Posterior), caso contrário não existe vínculo.
No caso de estarem vinculados armazenam-se os dados do evento de sensor posterior
para gerar futura regra, pois é este evento que reflete as reais condições para o atuador ter sido
mudado.
Figura 4.3 – Fluxograma da lógica da Janela de Observação.
O limitante da janela de observação são os períodos de tempo anterior e posterior. Se a
causa (evento de sensor) e efeito (evento de atuador) não estiverem dentro destes limites, o
evento é considerado uma casualidade e descartado.
4.2 As Regras Embrionárias
No sistema ABC, sempre que o ID3 cria uma regra, ela é imediatamente colocada
como Regra Ativa. Sendo assim, não existe uma etapa de validação da regra. A primeira vez
que o habitante gerar as condições dos sensores iguais às condições da regra, a mesma será
executada e alguma ação no atuador será feita. Se o habitante contraria a regra nada acontece,
e se ele quiser acabar com a regra terá de removê-la manualmente.
Ao criar uma regra, deve existir uma etapa de validação da mesma, ou seja, ter certeza
que a regra é aceita pelo habitante. No sistema ABC+, toda vez que novas regras são criadas,
elas são armazenadas inicialmente no banco de Regras Embrionárias.
As Regras Embrionárias são regras que estão em validação. Quando o habitante gerar
condições dos sensores iguais às condições de uma Regra Embrionária, o que acontece é que
55
a regra ganha pontos positivos. Somente quando a regra atinge certa pontuação superior é que
ela passa para o banco de Regras Ativas.
Por outro lado, se o habitante contrariar a regra, ela ganha pontos negativos e ao
atingir uma pontuação inferior a mesma é eliminada do banco de Regras Embrionárias
(fig.4.4). Na figura 4.4, “outras ações” indicam partes do fluxograma que não estão detalhadas
na mesma, ou seja, “outras ações” representam um bloco macro com lógicas que realizam
outras ações presentes no sistema proposto.
Figura 4.4 – Fluxograma da lógica de validação da Regra Embrionária.
4.3 O Desenvolvimento e Manutenção das Regras
A maneira como se mantêm as regras em uma casa influencia a interação do sistema
com o habitante. A inserção e remoção de regras têm de ser o mais sutil possível, caso
contrário trará desconforto ao usuário e podem incorrer em desestabilização das regras.
No sistema ABC+ existe dois tipos de regras, as Ativas e as Embrionárias. A figura
4.5 apresenta as relações entre as regras. No decorrer deste capítulo as relações serão
detalhadas.
Regra Ativa
Regra Embrionária
Banco de Eventos
C4.5
Pontuação
Positiva
Pontuação
Negativa
Pontuação
Negativa
Regra
Excluída
Regras de Automação Ativas
Regras em validação
Dados para gerar futuras regras
Regra Ativa
Regra Embrionária
Banco de Eventos
C4.5
Pontuação
Positiva
Pontuação
Negativa
Pontuação
Negativa
Regra
Excluída
Regras de Automação Ativas
Regras em validação
Dados para gerar futuras regras
Figura 4.5 – Fluxograma da lógica de validação da Regra Embrionária.
56
Para o desenvolvimento e manutenção de regras no sistema ABC+ são utilizados três
bancos de dados para cada atuador da casa (tab. 4.1, tab.4.2 e tab. 4.3).
A tabela de Eventos por Atuador (A1, A2, ......An) tem os seguintes campos:
Tabela Eventos = {N° Evento, Sensor1(S1), Sensor2(S2), ....., SensorN(Sn), Atuador
An}.
A tabela de Regras Ativas por Atuador (A1, A2, ......An) tem os seguintes campos:
Tabela Regras Ativas = {N° Evento, Sensor1(S1), Sensor2(S2), ....., SensorN(Sn),
Atuador An, ATIV, EXC}.
A tabela de Regras Embrionárias por Atuador (A1, A2, ......An) tem os seguintes
campos:
Tabela Regras Embrionárias = {N° Evento, Sensor1(S1), Sensor2(S2), .....,
SensorN(Sn), Atuador An, OK, NOK}.
Tabela 4.1 – Eventos por Atuador (A1, A2, ......An).
Evento Sensor 1 (S1) Sensor 2 (S2) .............. Sensor N (Sn) Atuador An
1 Valor A Valor A
..............
Valor A Valor A
2 Valor C Valor B
..............
Valor A Valor B
3 Valor B Valor A
..............
Valor B Valor A
4 Valor N Valor N
..............
Valor N Valor N
.... .... .... .... .... ....
Tabela 4.2 – Regras Ativas por Atuador (A1, A2, ......An).
Regra Sensor 1 (S1)
Sensor 2 (S2)
...... Sensor N (Sn) Atuador An ATIV EXC
1 Valor A Valor A
......
Valor A Valor A 6 0
2 Valor C Valor B
......
Valor A Valor B 4 0
3 Valor B Valor A
......
Valor B Valor A 3 2
4 Valor N Valor N
......
Valor N Valor N 1 1
.... .... .... .... .... .... .... ....
57
Tabela 4.3 – Regras Embrionárias por Atuador (A1, A2, ......An).
Regra Sensor 1 (S1)
Sensor 2 (S2)
....... Sensor N (Sn) Atuador An OK NOK
1 Valor A Valor A
......
Valor A Valor A 2 1
2 Valor C Valor B
......
Valor A Valor B 5 2
3 Valor B Valor A
......
Valor B Valor A 1 0
4 Valor N Valor N
......
Valor N Valor N 6 0
.... .... .... .... .... .... .... ....
Serão utilizadas as seguintes definições:
•
BDEventos – Banco de Dados de Eventos por Atuador.
•
BDAtivas – Banco de Dados de Regras Ativas.
•
ATIV – Campo do BDAtivas utilizado para pontuar positivamente uma regra.
•
EXC - Campo do BDAtivas utilizado para pontuar negativamente uma regra.
•
BDEmbrio – Banco de Dados de Regras Embrionárias.
•
OK - Campo do BDEmbrio utilizado para validar uma regra.
•
NOK - Campo do BDEmbrio utilizado para excluir uma regra.
Os novos eventos que surgem nos atuadores da casa, e passam pelo crivo da janela de
observação, são armazenados no Banco de Dados de Eventos por Atuador (tab. 4.1).
Na tabela 4.1 cada linha representa um evento de atuador armazenado. A informação
que consta na linha é o valor do atributo atuador e os valores dos atributos dos sensores para
um determinado evento. Um exemplo de evento e atributos pode ser: atributo atuador igual a
“Lâmpada” e seus valores “Acesa” e “Apagada”, atributo sensor 1 igual a “Temperatura” e
seus valores “Alta”, “Normal” e “Baixa”, atributo sensor 2 igual a “Luminosidade” e seus
valores “Alta”, “Normal” e “Baixa”, atributo sensor 3 igual a “Umidade” e seus valores
“Alta”, “Média” e “Baixa” e atributo sensor 4 igual a “Porta” e seus valores “Entrada” e
“Saída”. Um evento pode ser:
Tabela 4.4 – Exemplo de evento armazenado no BDEventos.
Evento Temperatura Luminosidade Umidade Porta Lâmpada
1 Alta Alta Média Entrada Acesa
Quando o Banco de Dados de eventos de atuador atinge um número pré-determinado
de eventos ocorre a sua inserção no algoritmo C4.5 para a geração de novas regras.
58
Estas novas regras são inicialmente comparadas com as Regras Ativas e Regras
Embrionárias, para que as regras repetidas sejam eliminadas.
As novas regras geradas, que não forem repetidas, vão para o banco de Regras
Embrionárias (tab. 4.3). No Banco de Regras Embrionárias existem para cada regra, além dos
campos de sensores e atuador, os campos OK e NOK, os quais servem para o controle da
validação da regra. Quando uma Regra Embrionária é gerada ela possui os campos OK e
NOK iguais a zero. Seguindo o descrito anteriormente, uma possível regra no BDEmbrio é:
Tabela 4.5 – Exemplo de Regra Embrionária no BDEmbrio.
Regra Temperatura Luminosidade
Umidade
Porta Lâmpada OK NOK
1 Baixa Média Alta Saída Apagada 2 1
Sempre que ocorre um novo evento de atuador este é comparado primeiro com as
Regras Ativas, para verificar se alguma Regra Ativa está sendo contrariada ou não, depois
este evento é comparado com as Regras Embrionárias. Caso exista Regra Embrionária
relacionada ao evento é necessário dar pontos à mesma. Se o evento confirmou a regra, ao
valor do campo OK é somado mais um, caso o evento contrarie a regra o valor do campo
NOK recebe mais um. Quando o campo OK atinge certo valor, a Regra Embrionária é
transformada em Regra Ativa. Quando o campo NOK atinge certo valor, a Regra Embrionária
é removida do banco de regras.
Os campos OK e NOK trabalham como porcentagens de acertos e erros. Por exemplo,
se o valor no campo OK para a regra ser validada é oito e o valor no campo NOK para a regra
ser excluída é dois, significa que quando temos 80% ou mais de acertos a regra é validada ou
quando temos 20% ou mais de erros a regra é excluída.
O Banco de Regras Ativas (tab. 4.2) também possui uma lógica de manutenção. É
neste banco que estão as Regras de Segurança (são regras para a segurança da casa, como por
exemplo, se existe fogo então cortar energia e gás), as quais não sofrem modificações, e as
regras a serem executadas na casa. Sempre que algum evento de sensores acontece o banco de
Regras Ativas é consultado, se existir alguma regra relacionada ao evento a mesma é aplicada,
assim uma ação é feita no atuador. Neste caso soma-se ao valor do campo ATIV o valor um.
O banco de Regras Ativas possui uma quantidade limitada de regras. As regras estão
ordenadas de acordo com o valor do campo ATIV. Quando uma nova regra é inserida no
BDAtivas e este está com sua capacidade máxima, então é necessário retirar a regra com
menor pontuação ATIV e colocar esta regra de volta ao banco de Regras Embrionárias.
59
Tabela 4.6 – Exemplos de Regras Ativas no BDAtivas.
Regra Temperatura Luminosidade
Umidade
Porta Lâmpada ATIV EXC
1 Baixa Alta Alta Saída Apagada 5 1
2 Média Média Baixa Entrada Acesa 3 0
Um evento de atuador também recebe atenção por parte do BDAtivas. Caso o evento
atuador seja contrário a alguma regra existente no BDAtivas, soma-se ao valor do campo
EXC desta regra em questão o valor um. Se o campo EXC ultrapassar um valor pré-
determinado, esta regra é excluída do BDAtivas.
No momento de criação de novas regras (atuação do C4.5) também é checado se
alguma regra do BDAtivas ou do BDEmbrio ficou velha. Para isto subtrai-se o valor um do
campo ATIV de todas as Regras Ativas. As Regras Ativas que neste momento tiverem seu
campo ATIV abaixo de certo valor serão rebaixadas ao BDEmbrio. As Regras Embrionárias
que neste momento tiverem seu campo OK abaixo de certo valor serão excluídas.
Importante ressaltar que o sistema aprende o que é repetitivo. Eventos não repetitivos
não irão validar as Regras Embrionárias para as mesmas se tornarem Regras Ativas.
O Sistema ABC+ trabalha com somente um habitante na residência. Não existem
vínculos entre atuadores e entre atuadores e sensores. As saídas dos atuadores devem ter seus
valores representados de maneira discreta. Estas limitações apontadas devem ser tratadas em
trabalhos futuros.
Para que o sistema possa ser estendido para aplicações reais e mais complexas será
ainda necessário identificar como lidar com os possíveis
loops
nas regras criadas.
Um
loop
pode fazer com que uma regra ao ser ativada leve à ativação direta de uma
outra regra ou ativação indireta de regra por mudança de algum sensor.
Na manutenção de regras foram citadas algumas vezes que os campos OK, NOK,
ATIV, EXC e a quantidade de eventos no C4.5 ao atingirem um valor pré-determinado fazem
com que regras sejam criadas, promovidas ou eliminadas. Estes valores pré-determinados, na
verdade podem ser configurados através de variáveis.
60
ATIV_At
OK_Emb_exc
OK_Emb
EXC_At
NOK_Emb
NuEv
Existe
RE?
S
É igual
Ou contrária?
S
(igual)
OK=OK+1,
Se OK=Z
regra vira RA
N
Coloca evento
No BE
N
(contrária)
NOK=NOK+1,
Se NOK>Q regra
excluída do BRE
Existe
RA?
S
N
É igual
Ou contrária?
S
(igual)
N
(contrária)
EXC=EXC+1,
Se EXC>K regra
Excluída do BRA
BE tem
Y eventos?
N
S
1.Regras antigas do BRE com OK<T são excluídas
2.Coloca regras novas no BRE
3.P/ todas RA fazer ATIV=ATIV-1
4.Se RA tem ATIV<J, coloca-a no BRE
C4.5, gera
novas regras
a partir de BE
Novas regras
Estão em BRA
Ou BRE?
S
N
Novas regras
repetidas
são ignoradas
Início
Novo
Evento
Atuador (EA)
Existe
ES anterior recente
(R seg.)?
S
N
Existe
ES posterior recente
(R seg.)?
N
S
Utilizar dados
Do evento
Posterior recente
Fim
Início
1.Ação X
2.ATIV = ATIV+1, máx=T
3.Ordenar BRA por ATIV
Aguarda
Novo
Evento
Novo
Evento
Sensores (ES)
Existe
RA?
S
N
Aguarda
Novo
Evento
Fim
BE=Banco de Eventos
RA=Regra Ativa
BRA=Banco de Dados de Regras
Ativas
ATIV=Campo do BRA utilizado para
pontuar positivamente uma regra.
EXC=Campo do BRA utilizado para
pontuar negativamente uma regra.
RE=Regra Embrionária
BRE=Banco de Dados de Regras
Embrionárias
OK - Campo do BRE utilizado para
validar uma regra.
NOK - Campo do BRE utilizado para
excluir uma regra.
ATIV_At
OK_Emb_exc
OK_Emb
EXC_At
NOK_Emb
NuEv
Existe
RE?
S
É igual
Ou contrária?
S
(igual)
OK=OK+1,
Se OK=Z
regra vira RA
N
Coloca evento
No BE
N
(contrária)
NOK=NOK+1,
Se NOK>Q regra
excluída do BRE
Existe
RE?
S
É igual
Ou contrária?
S
(igual)
OK=OK+1,
Se OK=Z
regra vira RA
N
Coloca evento
No BE
N
(contrária)
NOK=NOK+1,
Se NOK>Q regra
excluída do BRE
Existe
RA?
S
N
É igual
Ou contrária?
S
(igual)
N
(contrária)
EXC=EXC+1,
Se EXC>K regra
Excluída do BRA
Existe
RA?
S
N
É igual
Ou contrária?
S
(igual)
N
(contrária)
EXC=EXC+1,
Se EXC>K regra
Excluída do BRA
BE tem
Y eventos?
N
S
1.Regras antigas do BRE com OK<T são excluídas
2.Coloca regras novas no BRE
3.P/ todas RA fazer ATIV=ATIV-1
4.Se RA tem ATIV<J, coloca-a no BRE
C4.5, gera
novas regras
a partir de BE
Novas regras
Estão em BRA
Ou BRE?
S
N
Novas regras
repetidas
são ignoradas
BE tem
Y eventos?
N
S
1.Regras antigas do BRE com OK<T são excluídas
2.Coloca regras novas no BRE
3.P/ todas RA fazer ATIV=ATIV-1
4.Se RA tem ATIV<J, coloca-a no BRE
C4.5, gera
novas regras
a partir de BE
Novas regras
Estão em BRA
Ou BRE?
S
N
Novas regras
repetidas
são ignoradas
Início
Novo
Evento
Atuador (EA)
Existe
ES anterior recente
(R seg.)?
S
N
Existe
ES posterior recente
(R seg.)?
N
S
Utilizar dados
Do evento
Posterior recente
Início
Novo
Evento
Atuador (EA)
Existe
ES anterior recente
(R seg.)?
S
N
Existe
ES posterior recente
(R seg.)?
N
S
Utilizar dados
Do evento
Posterior recente
Início
Novo
Evento
Atuador (EA)
Existe
ES anterior recente
(R seg.)?
S
N
Existe
ES posterior recente
(R seg.)?
N
S
Utilizar dados
Do evento
Posterior recente
Novo
Evento
Atuador (EA)
Existe
ES anterior recente
(R seg.)?
S
N
Existe
ES posterior recente
(R seg.)?
N
S
Utilizar dados
Do evento
Posterior recente
Fim
Início
1.Ação X
2.ATIV = ATIV+1, máx=T
3.Ordenar BRA por ATIV
Aguarda
Novo
Evento
Novo
Evento
Sensores (ES)
Existe
RA?
S
N
Aguarda
Novo
Evento
Fim
BE=Banco de Eventos
RA=Regra Ativa
BRA=Banco de Dados de Regras
Ativas
ATIV=Campo do BRA utilizado para
pontuar positivamente uma regra.
EXC=Campo do BRA utilizado para
pontuar negativamente uma regra.
RE=Regra Embrionária
BRE=Banco de Dados de Regras
Embrionárias
OK - Campo do BRE utilizado para
validar uma regra.
NOK - Campo do BRE utilizado para
excluir uma regra.
Figura 4.6 – Fluxograma do Funcionamento do Sistema ABC+.
Torna-se necessário definir os nomes destas variáveis do sistema, as quais serão objeto
de avaliação neste trabalho:
•
NuEv = Número de eventos no BDEventos para acionar o C4.5;
•
OK_Emb = Valor do campo OK do BDEmbrio para regra virar Regra Ativa;
•
NOK_Emb = Valor do campo NOK do BDEmbrio para regra ser excluída;
•
EXC_At = Valor do campo EXC do BDAtivas para excluir a regra;
61
•
ATIV_At = Valor do campo ATIV do BDAtivas para regra ir para o
BDEmbrio, devido a desuso;
•
OK_Emb_exc = Valor do campo OK do BDEmbrio para a regra ser excluída
por desuso.
O fluxograma do funcionamento do sistema ABC+ (fig. 4.6) reflete as informações
descritas nesta seção.
Evento de Sensor
(BDAtivas: conjunto de Regras Ativas de um atuador,
ATIV: Campo do BDAtivas utilizado para pontuar positivamente uma regra);
Início
Se existe Regra Ativa relacionada ao evento,
Aplicar a regra, fazer campo ATIV da regra igual a ATIV+1,
ordenar BDAtivas por valor de ATIV;
Fim
Figura 4.7 – Algoritmo Evento de Sensor.
Evento de Atuador
(BDEventos: conjunto de Eventos por Atuador,
BDAtivas: conjunto de Regras Ativas de um atuador,
BDEmbrio: conjunto de Regras Embrionárias de um atuador,
ATIV: Campo do BDAtivas utilizado para pontuar positivamente uma regra,
EXC: Campo do BDAtivas utilizado para pontuar negativamente uma regra,
OK: Campo do BDEmbrio utilizado para validar uma regra,
NOK: Campo do BDEmbrio utilizado para excluir uma regra,
NuEv: Número de eventos no BDEventos para acionar o C4.5,
OK_Emb: Valor do campo OK do BDEmbrio para regra virar Regra Ativa,
NOK_Emb: Valor do campo NOK do BDEmbrio para regra ser excluída,
EXC_At: Valor do campo EXC do BDAtivas para excluir a regra,
ATIV_At: Valor do campo ATIV do BDAtivas para regra ir para o BDEmbrio, devido a desuso,
OK_Emb_exc: Valor do campo OK do BDEmbrio para a regra ser excluída por desuso);
Início
Se existe Regra Ativa igual ao evento,
Vá para o Fim;
Se existe Regra Ativa contrária ao evento,
Fazer campo EXC da regra igual a EXC+1;
SE EXC maior que EXC_At,
Rebaixar Regra Ativa a Regra Embrionária;
Se existe Regra Embrionária igual ao evento,
Fazer campo OK da regra igual a OK+1;
SE OK igual a OK_Emb,
Promover a regra a Regra Ativa;
Se existe Regra Embrionária contrária ao evento,
Fazer campo NOK da regra igual a NOK+1;
SE NOK maior que NOK_Emb,
Excluir a Regra Embrionária;
Senão
Colocar o evento no BDEventos;
Se BDEventos igual a NuEv,
Acionar C4.5 para gerar novas regras;
Se novas regras já estão no BDAtivas ou BDEmbrio,
Ignorar as regras repetidas;
Se alguma Regra Embrionária tem campo OK menor que OK_Emb_exc,
Excluir Regra Embrionária;
Colocar regras novas no BDEmbrio;
Fazer campo ATIV das Regras Ativas igual a ATIV-1;
SE alguma Regra Ativa tem campo ATIV menor do que ATIV_At,
Rebaixar Regra Ativa a Regra Embrionária;
Fim
Figura 4.8 – Algoritmo Evento de Atuador.
62
O desenvolvimento e manutenção das regras podem ser representados também através
de seus algoritmos. São apresentados nas figuras 4.7 e 4.8 os algoritmos para quando ocorre
um Evento de Sensor e um Evento de Atuador.
Outra maneira de representar o funcionamento do sistema ABC+ é a Rede de Petri
presente no Apêndice 1.
O algoritmo da figura 4.7 não engloba a janela de observação de eventos, a qual já foi
detalhada no item 4.1.
4.4 Inconsistência nas Regras
Um ponto importante que deve ser abordado é a inconsistências nas regras criadas. No
sistema ABC+ não existe inconsistência nas regras.
A inconsistência implica em ter regras que são contrárias entre si ou ter combinações
de sensores que ativam mais do que uma regra.
Quando um evento de atuador é armazenado no Banco de Eventos do Atuador ele
futuramente irá gerar uma Regra Embrionária. Esta Regra Embrionária será pontuada
positivamente até se transformar em uma Regra Ativa. A cada vez que uma combinação de
sensor (evento de sensor) atender a esta Regra Ativa, a mesma é executada.
Se o habitante passa a ter um comportamento contrário à Regra Ativa, fazendo com
que o atuador tenha um valor diferente do valor de atuador da regra, o que acontece é que a
regra receberá pontos no campo EXC desta Regra Ativa, até o momento que a regra é
rebaixada a Regra Embrionária. Caso o habitante ainda continue repetindo o evento no
atuador, a Regra Embrionária receberá pontos no campo NOK, até que a mesma é excluída.
O habitante mantém a nova rotina, gerando novos eventos no atuador. Estes eventos
agora não contrariam a regra, pois a regra já foi excluída. Os eventos são então armazenados
no Banco de Eventos do Atuador para gerarem nova Regra Embrionária e posterior Regra
Ativa.
Pode-se observar que não existirão inconsistências, pois sempre ocorrerá primeiro a
exclusão de regras existentes antes da criação de novas regras que as possam contrariar.
A análise de inconsistências nas regras finalizam este capítulo sobre o Sistema ABC+,
no próximo capítulo serão apresentadas as simulações realizadas no trabalho.
63
5 SIMULAÇÃO DO SISTEMA ABC+
Para realização dos testes deste trabalho foram criados dois simuladores envolvendo o
sistema proposto. Um simulador foi desenvolvido para avaliar a lógica do sistema e o outro
simulador foi feito como objetivo de manipulação das variáveis do sistema, para analisar em
detalhe os comportamentos destas variáveis.
5.1 Simulação da Lógica do Sistema
Um simulador foi desenvolvido para confirmar o funcionamento da lógica do sistema
ABC+. O ambiente simulado possui um cômodo (dormitório) com um atuador (lâmpada), os
seguintes sensores e seus respectivos valores possíveis:
•
Temperatura: Alta, Normal, Baixa;
•
Luminosidade: Alta, Normal, Baixa;
•
Umidade: Alta, Média, Baixa ;
•
Porta: Entrada, Saída;
O Atuador possui os valores possíveis Acesa e Apagada.
Para a implementação do simulador foi utilizado o software Delphi. O algoritmo C4.5
utilizado é o original (QUINLAN, 1993), porém codificado para o sistema operacional
Windows.
Os sensores podem ter seu estado alterado através de botões, conforme a figura 5.1. As
simulações foram feitas manipulando estes botões e assim gerando eventos.
No trabalho desenvolvido, os simuladores são ferramentas para verificação do que foi
proposto, não será dada ênfase ao desenvolvimento dos mesmos e sim ao sistema proposto,
portanto não será feito detalhamento do código fonte dos simuladores.
Um exemplo de evento é apertar o valor Normal, do sensor Temperatura. Isto gera um
evento de sensor que fica armazenado temporariamente, inclusive com horário, e pode ser
visualizado no quadro um do simulador. Este evento pode: levar à execução de uma das
Regras Ativas, as quais podem ser observadas no quadro quatro do simulador ou atuar na
validação ou rejeição de uma das Regras Embrionárias, as quais podem ser vistas no quadro
três do simulador ou servir de referência na janela de observação.
Outro exemplo é apertar o valor Apagada do atuador Lâmpada. Isto gera um evento de
atuador, o qual passa pela lógica da janela de observação e se for validado é armazenado no
64
Banco de Dados de eventos do atuador. No quadro dois do simulador é possível ver os
eventos de atuador armazenados.
O sistema teve o funcionamento esperado, conforme descrito no capitulo 4, criando
regras novas e aplicando as mesmas em eventos posteriores.
A lógica da janela de observação funcionou perfeitamente, ou seja, os eventos
indesejados foram filtrados, permitindo que somente os eventos de atuador que possuem
vínculos com um evento de sensor anterior ou posterior fossem para o Banco de Eventos.
Quando o BDEventos atingiu a quantidade de eventos configurada, os dados foram
inseridos no algoritmo C4.5 e Regras Embrionárias foram criadas. As Regras Embrionárias
atuaram como uma etapa de validação de regras, somente promovendo regras à Regras Ativas
após as confirmações das mesmas. As Regras Embrionárias que foram contrariadas acabaram
sendo eliminadas do BDEmbrio.
As Regras Ativas também funcionaram como especificado, foram mantidas as regras
desejadas e eliminadas as regras que foram contrariadas ou que ficaram em desuso.
Figura 5.1 – Simulador para teste da lógica do sistema ABC+.
65
5.2 Simulador para Avaliação das Variáveis do Sistema
Com a implementação do primeiro simulador surgiu a necessidade de avaliar melhor o
funcionamento do sistema, para isto foi necessário avaliar como se comportam as variáveis do
sistema ABC+ quando submetido ao comportamento de um agente (habitante).
O primeiro ponto a ser desenvolvido antes da elaboração do novo simulador foi a
identificação dos parâmetros de erro e desempenho que melhor permitem avaliar o sistema.
Em outras palavras, foi necessário definir quais informações deveriam ser extraídas do
sistema, as quais permitem comparar o funcionamento do sistema quando os valores das
variáveis são manipulados.
Variáveis do sistema ABC+ que necessitavam ser avaliadas são:
•
NuEv = Número de eventos no BDEventos para acionar o C4.5 [Y];
•
OK_Emb = Valor do campo OK do BDEmbrio para regra virar Regra Ativa
[Z];
•
NOK_Emb = Valor do campo NOK do BDEmbrio para regra ser excluída [Q];
•
EXC_At = Valor do campo EXC do BDAtivas para excluir a regra [K];
•
ATIV_At = Valor do campo ATIV do BDAtivas para regra ir para o
BDEmbrio, devido a desuso [J];
•
OK_Emb_exc = Valor do campo OK do BDEmbrio para a regra ser excluída
por desuso [W].
As variáveis listadas podem ter seus valores configurados no simulador (figura 5.2).
Figura 5.2 – Tela do simulador para configuração das variáveis do sistema ABC+.
66
O segundo simulador foi baseado no primeiro simulador desenvolvido, entretanto com
as seguintes modificações:
Existem um Atuador e 6 sensores (Sensor1, Sensor2, Sensor3, Sensor4, Sensor5 e
Sensor6). Para o atuador existem os estados A, B e C, para os sensores 1, 2, 3 e 4 existem os
estados A, B e C, para o sensor 5 existem os estados A, B, C e D e para o sensor 6 existem os
estados A, B, C, D e E.
Para as simulações foi criado um Banco de Dados de eventos para refletir as atividades
de um usuário durante um período de tempo; estes eventos são inseridos no sistema, em
seguida observa-se o comportamento das regras que são produzidas.
Figura 5.3 – Simulador para teste das variáveis do sistema ABC+ (Eventos e Regras).
Na simulação, o simulador busca o primeiro evento no Banco de Dados externo e
executa sua programação, a seguir busca o segundo evento e executa sua programação; isto é
feito sucessivamente até que o último evento seja buscado. Para as simulações não houve
limitação do número de Regras Ativas a serem armazenadas no BDAtivas, tal limitação
imporia mais uma variável no sistema, a qual influenciaria nas outras. A limitação do número
máximo de regras do BDAtivas está diretamente relacionada com a percepção do habitante
67
sobre as regras, portanto deverá ser avaliada em testes com residências e habitantes reais, o
que ficará para trabalhos futuros.
Como se pode observar nas figuras 5.3 e 5.4, o simulador permite visualizar quais
eventos foram inseridos no BDEventos, quais Regras Embrionárias foram criadas e quais
foram descartadas, quais Regras Ativas foram criadas e quais foram descartadas.
Ao final de cada simulação o simulador devolve um quadro (
pop-up
) com os valores
dos parâmetros de desempenho. Outra informação que o simulador fornece são quais regras e
em qual momento da simulação as mesmas foram criadas e eliminadas, permitindo uma
análise qualitativa. O relatório produzido pelo simulador que permite a análise qualitativa será
doravante chamado de traçado.
Figura 5.4 – Simulador para teste das variáveis do sistema ABC+ (Descartados).
A janela de observação não foi ativada nesta simulação e será avaliada em estudos e
análises futuras. A avaliação de eventos descartados pela janela de observação deve ser feita
com Banco de Dados representando a rotina real de uma residência. As simulações com o
banco de eventos não determinísticos não reflete as condições em que a janela de observação
deve atuar. Importante notar que, tendo o Banco de Dados com a rotina real, é possível avaliar
68
qual a média dos valores de tempo a serem utilizados na janela de observação, ou seja, é o
banco que definirá os valores de tempo para a janela de observação.
5.2.1
Parâmetros para Avaliação
O sistema atua criando e eliminado regras, tanto Regras Embrionárias quanto Regras
Ativas. Quando é feita a manipulação dos valores das variáveis as quantidades de regras varia,
ou seja, são criadas e eliminadas mais ou menos regras de acordo com a configuração das
variáveis. Com base nisto, definiu-se que os parâmetros utilizados para a avaliação, os quais
foram desenvolvidos no simulador, são:
•
EC = Número de Regras Embrionárias criadas;
•
AC = Número de Regras Ativas criadas;
•
EE = Número de Regras Embrionárias eliminadas;
•
AE = Número de Regras Ativas eliminadas (rebaixadas).
Com estes parâmetros é possível fazer uma análise quantitativa dos resultados de
acordo com as variações que forem feitas.
Outra informação que o simulador fornece são quais regras e em qual momento da
simulação as mesmas foram criadas e eliminadas, permitindo uma análise qualitativa.
5.3 Agente para Simulação
Para as simulações a serem feitas com o sistema ABC+, existe a necessidade de criar
um agente para simulação. Este agente deve gerar eventos como um habitante em uma
residência, os quais fazem o sistema ABC+ atuar armazenando eventos, criando regras,
acionando regras, eliminando regras e realizando outras ações possíveis. A seguir é feita uma
descrição sobre agentes e como deve ser um modelo de usuário; estas descrições servem para
orientar a construção do agente para simulação.
5.3.1
Agentes
A definição de agentes vem sendo amplamente discutida, inclusive em diversas áreas
como Inteligência Artificial, Sistemas de Informação, Computação Gráfica, entre outras,
entretanto não se encontra um consenso sobre a mesma.
Uma definição bastante abrangente é dada por Russell e Norvig (2004):
69
“Um agente é tudo o que pode ser considerado capaz de perceber seu
ambiente por meio de sensores e de agir sobre este ambiente por intermédio de
atuadores.”
A figura 5.5 apresenta a representação de um agente.
Agente
Ambiente
Sensores
Atuadores
?
Percepções
Ações
Agente
Ambiente
Sensores
Atuadores
?
Percepções
Ações
Figura 5.5 – Representação de um agente (RUSSELL; NORVIG, 2004).
Em sua definição, Wooldridge e Rao (1999) dizem que:
“Um agente é um sistema de computação que é capaz de agir
independentemente (autônomo) de um usuário...”.
Aprimora-se está definição destacando que o agente segue um propósito ou objetivo,
fazendo com que suas ações modifiquem o ambiente conforme suas necessidades
(CAVALHIERI, 2006).
O agente interage com outro agente ou com um humano por meio de uma linguagem
de comunicação, exibe um comportamento através de objetivos, escolhe de maneira dinâmica
que ações executar e em qual ordem (SANTOS, 2004).
5.3.2
Modelo de usuário
Um modelo de usuário conforme Santos (2004) é:
“...uma representação explícita das características, preferências e
necessidades de um usuário”.
70
Em outra definição segundo Kobsa (1995), o modelo de usuário é:
“...uma coleção de informações e suposições sobre usuários individuais
ou sobre grupos de usuários, necessárias para que o sistema adapte diversos
aspectos de suas funcionalidades e interface”.
Para modelar o usuário é imprescindível definir as informações necessárias para a
elaboração do modelo. As tarefas realizadas pelo sistema, os objetivos do usuário em relação
ao sistema e as características do sistema que serão afetadas pelo usuário devem ser
consideradas na identificação dos propósitos da utilização do modelo.
5.3.3
Agentes Utilizados em Simulações
Vários trabalhos utilizam agentes para simular usuários ou ambientes. No trabalho de
Bolzani (2004a) os eventos gerados pelos usuários estão previstos na forma de agentes que
caminham por uma residência inteligente e interagem com ela. Além dos agentes usuários,
existem agentes que simulam eventos de temperatura externa, umidade, meses do ano,
dia/hora/minuto/segundo e eventos direto do integrador. Não existe uma definição clara de
como os agentes foram criados, entretanto é informado que a variação dos agentes é feita
através de controles deslizantes, ao gosto de quem está simulando o sistema. Para os eventos
direto do integrador, o integrador gera os eventos a qualquer momento de maneira aleatória.
O trabalho de Domingues (2002) explica que uma das maneiras mais utilizadas para
criação de dados para teste é a geração aleatória, na qual pontos do domínio dos dados são
selecionados aleatoriamente. Não existe a garantia da melhor seleção, entretanto por sua
facilidade de automatização e capacidade de gerar grandes conjuntos de dados de teste
facilmente ela é defendida. A técnica também elimina a influência do testador na geração dos
dados para teste.
Outro trabalho interessante que trabalha com a criação de agentes e ambientes usados
em simulações é o trabalho de Moniz (1993). No trabalho a geração de eventos aleatórios é
feita de acordo com um valor (gerado aleatoriamente) usado para selecionar uma ação de um
banco de dados de ações.
Os trabalhos citados servirão de referência para a criação do agente de teste a ser
utilizado neste trabalho.
71
5.3.4
Agente para simulação no sistema ABC+
O agente a ser utilizado nas simulações no sistema ABC+ possui o comportamento
representado na figura 5.6.
Agente
Percepção
Hábito
Ação
Ambiente
Ambiente
Agente
Percepção
Hábito
Ação
Ambiente
Ambiente
Agente
Percepção
Hábito
Ação
Ambiente
Ambiente
Figura 5.6 – Representação do agente no sistema ABC+.
Este agente para as simulações no sistema ABC+ deveria ter seus eventos definidos
por um especialista, levando em consideração fatores tais como costumes, gostos, região e
cultura, entre outros, do habitante que está simulando. Entretanto nas simulações a serem
feitas serão abstraídos tais fatores, inclusive serão abstraídos os tipos de sensores e atuadores
a serem utilizados. Isto se deve ao fato de que o que se deseja testar é o funcionamento do
sistema ABC+, sendo irrelevante nesta etapa de simulação que o agente (habitante) e a
residência tenham seus modelos exatamente iguais aos reais, o que seria extremamente difícil
de se replicar.
O agente para simulação tem como objetivo unicamente gerar eventos. Os eventos
gerados serão capazes de satisfazer as necessidades e restrições para os testes do
funcionamento do sistema proposto. O agente gera eventos através da troca de estados dos
sensores e atuadores de uma residência. Aos sensores são aplicadas restrições, as quais o
agente deve respeitar. Devem ser seguidas também as preferências do habitante, as quais o
agente irá representar através de regras entre os atuadores e sensores. As regras do agente são
padrões repetitivos de comportamento. Ademais das restrições e preferências, o agente deve
gerar eventos aleatórios para simular eventos esporádicos que normalmente acontecem em
uma residência.
5.3.5
Banco de Dados para Simulação
Os eventos para simulação estão armazenados em um Banco de dados (BD) externo ao
simulador. Estes eventos simulam a ação de um agente, cuja finalidade é simular um habitante
real de uma casa e assim permitir estudar as variáveis do sistema. Este BD representa um mês
de eventos.
72
O agente gerador de eventos, Banco de Dados, foi desenvolvido respeitando o descrito
nos itens 5.3.3 e 5.3.4 deste trabalho. Serão consideradas as características, preferências e
necessidades do ambiente e usuário (SANTOS, 2004). Ademais, será utilizada maneira de
criação aleatória dos dados (DOMINGUES, 2002) (MONIZ, 1993).
Para o Banco de Dados foram considerados:
•
Seis Sensores (de Sensor1 a Sensor6) sendo Sensor1 com estados A e B,
Sensor2 com estados A e B, Sensor3 com estados A e B, Sensor4 com estados
A e B, Sensor5 com estados A, B e C e Sensor6 com estados A, B, C e D.
•
Um atuador (Atuador) com os estados A, B e C.
Os sensores são o ambiente ao qual o agente para simulação tem percepção, ou seja,
ele observa o estado dos sensores. O atuador é o ambiente ao qual o agente para simulação
realiza a ação, ou seja, ele atua definindo o estado do atuador; isto pode ser observado na
figura 5.6.
Para criação do BD foram feitas combinações com os estados dos sensores e atuador.
Com os sensores considerados (Sensor1 a Sensor6) e seus devidos estados é possível ter 192
combinações (2x2x2x2x3x4). Exemplos de combinações podem ser observados na tabela 5.1.
Tabela 5.1 – Exemplos de combinação no Banco de Dados.
Atuador Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 Sensor5 Sensor6
A A B A B C D
B B A B A A C
C A A A B B A
Posteriormente foram consideradas, como uma premissa, condições que não podem
acontecer entre os sensores. Isto foi feito para diminuir a quantidade de combinações a serem
trabalhadas no Banco de Dados. Um exemplo prático de combinações que não podem
acontecer pode ser a existência de um sensor de temperatura e outro de umidade, neste caso
pode-se considerar, somente como premissa, que nunca existirá a condição de temperatura
alta e umidade alta ao mesmo tempo. Para o banco de dados as premissas são:
•
(Sensor2=A E Sensor5=C) OU
•
(Sensor3=B E Sensor6=D) OU
•
(Sensor1=B E Sensor4=A).
Com estas condições, existem 105 combinações possíveis de acontecer e 87 que não
podem acontecer.
73
Em seguida foram considerados 5 padrões do agente para simulação, padrões estes
refletidos em regras de automação que devem estar contidas no BD:
•
R1: SENSOR1=A E SENSOR2=B E SENSOR6=D ENTÃO ATUADOR=A;
•
R2: SENSOR2=B E SENSOR3=A E SENSOR5=B ENTÃO ATUADOR=B;
•
R3: SENSOR3=A E SENSOR4=B E SENSOR6=B ENTÃO ATUADOR=C;
•
R4: SENSOR1=B E SENSOR3=B E SENSOR5=B ENTÃO ATUADOR=A;
•
R5: SENSOR2=A E SENSOR3=B E SENSOR5=B E SENSOR6=A ENTÃO
ATUADOR=B.
As regras são os hábitos do agente para simulação, os quais para cada posição dos
sensores (percepção) ele indica uma posição (ação) de atuador (fig. 5.6).
A partir das regras foram encontradas 32 combinações de sensores que as geram. Das
105 combinações possíveis, retirando-se estas 32 combinações citadas anteriormente restam
73 combinações, para as quais não existem padrões de comportamento, portanto não existe
estado de Atuador determinado para estas combinações. Para as cinco regras estipuladas, não
há no BD nenhuma combinação que as contrarie.
Na realidade, em 5 das 32 combinações, o Atuador poderia ter assumido dois valores,
isto acontece porque a combinação dos sensores satisfaz a mais do que uma única regra
desejada (R1 a R5). A Tabela 5.2 apresenta uma destas combinações. Na primeira linha a
regra um está sendo atendida e na segunda linha a regra dois está sendo atendida, para uma
mesma combinação nos sensores. Neste caso definiu-se que a regra um é a que seria atendida
no Banco de Dados. Isto implica que para a regra dois uma de suas combinações não irá
aparecer e o algoritmo C4.5 terá de generalizar a regra sem esta combinação. Note que
quando a regra dois for criada, toda vez que esta combinação aparecer no Banco de Dados, a
regra será contrariada, pois o valor do Atuador será A e não B. Com isto deverão ser
observados dois pontos: A regra dois, ou as outras que também estão na mesma condição,
aparecerá tal como foi escrita ou estará mais especializada em função de uma de suas
combinações não existir? As contradições que a regra dois irá sofrer durante as simulações
farão com que a mesma desapareça ou permaneça no BDEmbrio ou BDAtivas?
Tabela 5.2 – Exemplo de Combinação que atende duas regras.
Atuador Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 Sensor5 Sensor6
A
A B A A B D
B
A B A A B D
74
Para cada uma das 32 combinações foi considerado que existe certa freqüência mensal
de repetição. O uso de uma freqüência de repetição serve para representar quantas vezes no
mês uma determinada combinação irá acontecer, isto se refletirá no Banco de Dados em
várias posições de memória (linhas), contendo a mesma informação em todas elas.
As combinações têm freqüência mensal (repetições) de valores igual a 180 (para 6
combinações), 90 (para 6 combinações), 30 (para 8 combinações), 15 (para 6 combinações) e
3 (para 6 combinações), conforme a tabela 5.3. Estas repetições geram um total de 1.968
(180x6+90x6+30x8+15x6+3x6) eventos (posições de memória do BD).
As outras 73 combinações possíveis foram copiadas 15 vezes, gerando mais 1.095
(73x15) eventos. Para estes eventos o valor do estado do Atuador foi produzido
aleatoriamente, com isto têm-se as 73 combinações sem valor de atuador padronizado. Estes
eventos são eventos esporádicos (serão assim chamados) e não é desejável que eles produzam
regras, por este motivo é que seus valores foram produzidos aleatoriamente. Ao final existem
3.063 eventos no BD.
Tabela 5.3 – Combinações das regras e suas freqüências.
Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 Sensor5 Sensor6 Atuador1
Freqüência
Mensal
Regra
A B A A A D A 180
A B A A B D A 180
A B A A C D A 90
A B A B A D A 90
A B A B C D A 30
B A B B B A A 30
B A B B B B A 30
B A B B B C A 15
B B B B B A A 15
B B B B B B A 3
B
B
B
B
B
C
A
3
A A B A B A B 180
A
A
B
B
B
A
B
180
A B A A B A B 90
A B A A B B B 90
A B A A B C B 30
A B A B B A B 30
A B A B B C B 30
A B A B B D B 15
B B A B B A B 15
B B A B B C B 3
B
B
A
B
B
D
B
3
A A A B A B C 180
A A A B B B C 180
A B A B A B C 90
A B A B B B C 90
A B A B C B C 30
B A A B A B C 30
B A A B B B C 15
B B A B A B C 15
B B A B B B C 3
B
B
A
B
C
B
C
3
1
4
5
2
3
75
Tabela 5.4 – Exemplo de embaralhamento (eventos desordenados).
Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 Sensor5 Sensor6 Atuador1 Aleatório
A B A A A D A 76
A B A A B D A 27
A B A A C D A 31
A B A B A D A 23
A B A B C D A 7
B A B B B A A 90
B A B B B B A 65
B A B B B C A 8
B B B B B A A 20
B B B B B B A 46
B B B B B C A 47
A A B A B A B 100
A A B B B A B 90
A B A A B A B 82
A B A A B B B 92
A B A A B C B 43
A
B
A
B
B
A
B
81
Por último foram gerados números aleatórios entre 1 e 100 para cada um dos 3.063
eventos, como no exemplo da tabela 5.4. Os eventos foram ordenados pelos seus números
aleatórios e assim ficaram embaralhados (tabela 5.5). O objetivo do embaralhamento é não ter
um BD viciado, ou seja, ter os eventos distribuídos de maneira não determinística.
Tabela 5.5 – Exemplo de embaralhamento (eventos ordenados).
Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 Sensor5 Sensor6 Atuador1 Aleatório
A B A B C D A 7
B A B B B C A 8
B B B B B A A 20
A B A B A D A 23
A B A A B D A 27
A B A A C D A 31
A B A A B C B 43
B B B B B B A 46
B B B B B C A 47
B A B B B B A 65
A B A A A D A 76
A B A B B A B 81
A B A A B A B 82
B A B B B A A 90
A A B B B A B 90
A B A A B B B 92
A
A
B
A
B
A
B
100
Obtém-se um Banco de Dados com 3.063 eventos embaralhados, simulando a ação de
um agente, a qual é não determinística. Existem 192 combinações de sensores, das quais 87
estão eliminadas, 32 combinações estão vinculadas a 5 padrões e 73 combinações de sensores
não geram padrões específicos.
76
Foram gerados outros dois bancos de dados com os mesmos eventos, porém
embaralhados diferentemente. Isto permite que as simulações sejam feitas com três bancos de
dados, sendo considerado como resultado sempre a média das três simulações.
5.4 Resultados Obtidos
Foram feitas variações dos valores de cada variável em análise na realização das
simulações. Em cada variação foram feitas três simulações, uma para cada BD de eventos, e
foram obtidos os dados dos parâmetros. Em algumas simulações também foram colhidos
dados mais detalhados, para se observar quais regras e quando as mesmas foram produzidas.
Foram realizadas análises quantitativas, baseadas nos valores dos parâmetros encontrados e
análise qualitativa, para a qual foram utilizados os traçados das simulações.
5.4.1
Análises Quantitativas
A partir dos dados dos parâmetros obtidos nas simulações foram criados os gráficos
das figuras 5.7 a 5.13. Cada gráfico representa uma variável do sistema em análise. O eixo Y
dos gráficos sempre representa a quantidade de regras e o eixo X de cada gráfico a variável
que está sendo estudada.
Foram feitas várias simulações com variações significativas dos valores das variáveis;
muitas destas simulações apresentaram resultados que não permitem chegar a qualquer
conclusão, entretanto quando foi encontrada a gama certa de variação, os resultados obtidos
foram bastante satisfatórios e contribuíram muito para as conclusões.
A primeira observação importante é que os eventos esporádicos, que estão inseridos
no BD, acabaram gerando e contrariando novas regras, como resultado o número de regras
excluídas, tanto no BDEmbrio (EE) quanto no BDAtivas (AE), foi aumentado. Um aspecto
importante é que os eventos esporádicos são benéficos ao sistema, isto porque tornam o
trabalho do C4.5 mais consistente para o sistema. Na inexistência dos eventos esporádicos o
C4.5 cria regras muito genéricas, como será possível verificar no item 5.4.2.
Como segunda observação, não foram geradas somente as 5 regras desejadas, mas sim
muitas outras. As regras geradas, sem contar as regras indesejáveis provenientes dos eventos
esporádicos, foram sempre regras relacionadas com as 5 regras desejadas, entretanto não são
sempre exatamente as desejadas, mas sim regras especializadas ou generalizadas demais em
relação as originais. Com o surgimento de regras especializadas ou generalizadas, os eventos
77
do BD subseqüentes a tais regras acabaram gerando várias exclusões das mesmas, fato que
também contribuiu muito para o aumento de regras excluídas (EE e AE).
5.4.2
Avaliação da Variável NuEv
O gráfico da figura 5.7 mostra o comportamento do sistema quando é feita a variação
de NuEv, quantidade de eventos inseridos no C4.5.
As simulações foram feitas variando o valor de NuEv desde 20 até 500, mantendo os
seguintes valores das outras variáveis:
•
OK_Emb = 20;
•
NOK_Emb = 7;
•
EXC_At = 20;
•
ATIV_At = 2;
•
OK_Emb_exc = 2.
Número de eventos no C4.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
20 40 60 80 100 150 200 300 500
Eventos no C4.5 (NuEv)
Quantidade de Regras
EC
EE
AC
AE
Figura 5.7 – Gráfico da variação de NuEv.
Observa-se pelo gráfico que todos os parâmetros de quantidades de regras decrescem
com o aumento do número de eventos. Este resultado era o esperado para esta variável, isto
acontece devido ao fato de que quanto menos eventos se coloca no C4.5, mais regras que não
deveriam ser criadas (generalizadas, especializadas e esporádicas ou indesejáveis) surgem.
Quando regras são criadas erroneamente, os eventos subseqüentes às mesmas no BD acabam
excluindo-as; com isto novos eventos vão para o BDEventos e acionam novamente o C4.5
para criar novas regras, repetindo-se novamente o ciclo até o fim do eventos. Quando se
aumenta o número de eventos no C4.5, as regras geradas tendem a ser mais parecidas com as
78
regras desejadas, ocorrendo menos exclusões e menos criações de novas regras. De fato,
algumas das 5 regras definidas começam a aparecer com NuEv em 20. Todas as 5 regras
definidas aparecem, simultaneamente, com o valor de 300 para NuEv, sendo portanto este o
melhor valor da variável para a configuração das simulações.
O gráfico da figura 5.8 foi feito com outros três Bancos de Dados onde os eventos
esporádicos foram suprimidos, ou seja, foram colocados apenas eventos que geram as 5 regras
desejadas. O que se observou foi a severa diminuição em todos os parâmetros de análise, isto
em função de não existir eventos que ficassem contrariando as regras que foram geradas. Um
fato observado foi que as regras ficaram extremamente generalizadas, sendo que em nenhum
momento, com nenhum valor de NuEv, foram encontradas exatamente as regras desejadas.
Isto demonstra que o C4.5 necessita de exemplos variados para gerar regras o mais específico
possível.
Num caso real a presença de eventos esporádicos, os quais não representam a rotina
mais específica do habitante, será de grande valor para que as regras corretas surjam no
sistema. Apesar das regras geradas com este novo Banco de Dados serem genéricas, o sistema
cumpriu o seu objetivo, visto que regras foram criadas e passaram a atuar acionando o
atuador, o problema é que os eventos ficaram confinados em uma gama pequena de
combinações, perante todas as possíveis, neste caso se começassem a surgir outras
combinações de eventos as regras criadas poderiam passar a ser contrariadas. Enfim, é
importante que se tenha uma boa variedade de exemplos para que o algoritmo C4.5 possa
criar regras especificas, condizentes com os atributos (sensores) que são manipulados na
rotina do habitante da casa.
Número de eventos no C4.5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20 40 60 80 100 150 200 300
Eventos no C4.5 (NuEv)
Quantidade de Regras
EC
EE
AC
AE
Figura 5.8 – Gráfico da variação de NuEv, com BD somente com regras desejadas.
79
5.4.3
Avaliação da Variável OK_Emb
A figura 5.9 apresenta o gráfico da variação de OK_Emb, valor máximo da variável
OK. Esta variável define quantas vezes a Regra Embrionária necessita ser confirmada antes
de a mesma ser promovida à Regra Ativa.
As simulações foram feitas variando o valor de OK_Emb desde 5 até 30, mantendo os
seguintes valores das outras variáveis:
•
NuEv = 200;
•
NOK_Emb = 7;
•
EXC_At = 20;
•
ATIV_At = 2;
•
OK_Emb_exc = 2.
Observa-se que quanto maior for o valor desta variável menos Regras Embrionárias
são promovidas e conseqüentemente menos Regras Ativas serão criadas, isto ocorre porque a
Regra Embrionária tem de receber uma pontuação maior para ser promovida, o que torna mais
difícil sua promoção. Como as Regras Embrionárias não são promovidas, elas acabam sendo
eliminadas, daí o aumento desta eliminação no gráfico. Estas eliminações acabam diminuindo
o número de regras indesejáveis no sistema.
O comportamento desta variável é o que se esperava, pois o objetivo da variável é
facilitar ou dificultar a promoção da Regra Embrionária a Regra Ativa.
Valor Máximo OK - Embrionária
0
10
20
30
40
50
60
70
5 10 15 20 25 30
Valores de OK (OK_Emb)
Quantidade de Regras
EC
EE
AC
AE
Figura 5.9 – Gráfico da variação de OK_Emb.
80
O cruzamento da linha EE com as linhas AC e AE no gráfico representa algo
importante, é a partir deste ponto (OK_Emb maior ou igual a 10) que existem mais Regras
Embrionárias excluídas do que Regras Ativas criadas, ou seja, as Regras Embrionárias
indesejadas são excluídas antes de virarem Regras Ativas, o que é desejável. Com OK_Emb
igual a 20 já é possível verificar uma melhor estabilização nos parâmetros, sendo portanto este
um bom valor encontrado para a variável.
5.4.4
Avaliação da Variável NOK_Emb
A variação de NOK_Emb, valor máximo da variável NOK, o qual define quantas
vezes a Regra Embrionária pode ser contrariada antes de a mesma ser eliminada, é
apresentada no gráfico da figura 5.10.
As simulações foram feitas variando o valor de NOK_Emb desde 5 até 30, mantendo
os seguintes valores das outras variáveis:
•
NuEv = 200;
•
OK_Emb = 20;
•
EXC_At = 20;
•
ATIV_At = 2;
•
OK_Emb_exc = 2.
Valor Máximo NOK - Embrionária
0
10
20
30
40
50
60
5 10 15 20 25 30
Valores de NOK (NOK_Emb)
Quantidade de Regras
EC
EE
AC
AE
Figura 5.10 – Gráfico da variação de NOK_Emb.
81
Pelo gráfico observa-se que quanto maior o valor de NOK_Emb menos Regras
Embrionárias são eliminadas e conseqüentemente mais Regras Ativas são criadas, ou seja, é
dificultada a eliminação da Regra Embrionária e facilitada a promoção da mesma para Regra
Ativa. Nas simulações feitas, a partir do valor de NOK_Emb igual a 20, se observa uma
estabilidade nos dados, ou seja, já não existe a facilitação citada, pois não basta dificultar a
eliminação da Regra Embrionária para a mesma ser promovida a Ativa, torna-se necessário
também que está regra ganhe pontos positivos para poder acender a Regra Ativa (variável
OK_Emb). Como o objetivo de NOK_Emb é facilitar ou dificultar a eliminação das Regras
Embrionárias, a variável teve o comportamento esperado.
O cruzamento da linha EE com as linhas AC e AE no gráfico representa novamente
algo importante, é a partir deste ponto (NOK_Emb maior do que 10) que existem menos
Regras Embrionárias excluídas do que Regras Ativas criadas, ou seja, as Regras Ativas
surgem antes das Regras Embrionárias terem sido excluídas, o que é indesejável. Com
OK_Emb menor do que 10 existem menos Regras Ativas criadas do que Regras Embrionárias
excluídas, sendo portanto este o valor a ser utilizado nesta variável.
5.4.5
Avaliação da Variável EXC_At
No gráfico da figura 5.11 ocorre a variação no valor de EXC_At, valor máximo da
variável EXC, o qual define quantas vezes a Regra Ativa pode ser contrariada antes da mesma
ser rebaixada a Regra Embrionária.
As simulações foram feitas variando o valor de EXC_At desde 5 até 40, mantendo os
seguintes valores das outras variáveis:
•
NuEv = 200;
•
OK_Emb = 20;
•
NOK_Emb = 7;
•
ATIV_At = 2;
•
OK_Emb_exc = 2.
Observa-se que todos os parâmetros de quantidades de regras decrescem com o
aumento do valor de EXC e a partir do valor da variável igual a 25 decrescem mais
suavemente. A diminuição do número de Regras Embrionárias ocorre devido a que quanto
maior o valor de EXC é mais difícil a Regra Ativa ser excluída e, por conseqüência, se não é
excluída, não é novamente criada como Regra Embrionária. O fato de regras não serem
excluídas também faz com que os eventos subseqüentes do Banco de Dados sejam utilizados
82
para pontuar as regras e não são armazenados no BDEventos para gerar novas regras, em
outras palavras, um determinado evento irá gerar mais um ponto na campo EXC de uma
Regra Ativa, caso esta regra já tivesse sido eliminada o evento em questão seria armazenado
no BDEventos e acabaria gerando nova Regra Embrionária. Um ponto importante é que
regras desejadas não são eliminadas, mesmo com valores maiores de EXC_At; isto pode ser
observado a partir do valor de EXC_At igual a 20, onde a quantidade de Regras Ativas se
mantém praticamente constante.
Valor Máximo EXC - Ativa
0
10
20
30
40
50
60
70
5 10 15 20 25 30 35 40
Valores de EXC (EXC_At)
Quantidade de Regras
EC
EE
AC
AE
Figura 5.11 – Gráfico da variação de EXC_At.
5.4.6
Avaliação da Variável ATIV_At
No gráfico da figura 5.12 ocorre a variação no valor de ATIV_At, valor mínimo da
variável ATIV, cujo valor determina o mínimo de vezes que uma Regra Ativa tem de ser
acionada entre cada atuação do C4.5 para não ser rebaixada à Regra Embrionária por desuso.
As simulações foram feitas variando o valor de ATIV_At desde 1 até 300, mantendo
os seguintes valores das outras variáveis:
•
NuEv = 200;
•
OK_Emb = 5;
•
NOK_Emb = 50;
•
EXC_At = 500;
•
OK_Emb_exc = 1.
83
Pelo gráfico observa-se que quanto maior o valor de ATIV_At mais Regras Ativas são
eliminadas, ou seja, é dificultada a permanência da Regra Ativa. Observou-se também que
com o aumento de ATIV_At surge um número maior de Regras Embrionárias e Regras Ativas
criadas; isto acontece porque quando as Regras Ativas são rebaixadas aumenta o número de
Regras Embrionárias criadas, por outro lado algumas destas regras são novamente
promovidas a Regras Ativas e assim aumentando o número de Regras Ativas criadas.
Valor Minímo ATIV - Ativa
0
5
10
15
20
25
30
1 100 200 300
Valores de ATIV (ATIV_At)
Quantidade de Regras
EC
EE
AC
AE
Figura 5.12 – Gráfico da variação de ATIV_At.
Os valores de ATIV são altos, isto acontece devido à maneira que o Banco de Dados
de testes foi criado, onde um evento deste Banco de Dados não tem relação com o evento
posterior. Neste caso um novo evento atua como se fossem até seis mudanças de sensores na
residência, o que causa a repetição por seis no valor de ATIV quando existir atuação neste
campo, ou seja, quando uma Regra Ativa existir e receber um ponto positivo, na verdade
recebe até seis pontos. A variável ATIV_At é realmente uma variável de controle de desuso
das Regras Ativas, sendo utilizada na prática somente para garantir que a Regra Ativa que
caiu em desuso seja um dia rebaixada a Regra Embrionária. A variação da variável não
apresentou grande variação no sistema.
5.4.7
Avaliação da Variável OK_Emb_exc
No gráfico da figura 5.13 ocorre a variação no valor de OK_Emb_exc, valor mínimo
da variável OK, cujo valor determina o mínimo de vezes que uma Regra Embrionária tem de
ser acionada entre cada atuação do C4.5 para não ser eliminada por desuso.
84
As simulações foram feitas variando o valor de OK_Emb_exc desde 1 até 17,
mantendo os seguintes valores das outras variáveis:
•
NuEv = 100;
•
OK_Emb = 20;
•
NOK_Emb = 20;
•
EXC_At = 20;
•
ATIV_At = 2.
Pelo gráfico observa-se que quanto maior o valor de OK_Emb_exc mais Regras
Embrionárias são eliminadas, ou seja, é dificultada a permanência da Regra Embrionária.
Observou-se também que com o aumento de OK_Emb_exc surge um número maior de
Regras Embrionárias criadas; isto acontece porque quando as Regras Embrionárias são
eliminadas, os eventos subseqüentes às mesmas no BD acabam sendo armazenados no
BDEventos, acionando novamente o C4.5 e criando novas Regras Embrionárias, repetindo-se
novamente este ciclo até o fim do eventos.
Valor Minímo OK - Embrionária
0
10
20
30
40
50
60
1 5 9 13 17
Valores de OK (OK_Emb_exc)
Quantidade de Regras
EC
EE
AC
AE
Figura 5.13 – Gráfico da variação de OK_Emb_exc.
O cruzamento da linha EE com a linha AC no gráfico representa que tanto as Regras
Embrionárias excluídas quanto as Regras Ativas criadas crescem com o crescimento no
número de Regras Embrionárias criadas, entretanto em dado momento mais Regras
Embrionárias são excluídas do que Regras Ativas são criadas, isto demonstra que para a
configuração utilizada é mais fácil excluir uma Regra Embrionária do que promovê-la a Regra
Ativa, sendo algo desejável no sistema. A variável OK_Emb_exc é realmente uma variável de
controle de desuso das Regras Embrionárias, sendo utilizada na prática somente para garantir
85
que a Regra Embrionária que caiu em desuso seja um dia excluída do sistema. A variação da
variável não apresentou grande variação no sistema
As variáveis observadas na análise quantitativa apresentaram o comportamento
esperado, conforme descrito no capitulo 4, não houveram resultados que contrariassem o que
foi proposto, nem que demonstrassem que o sistema apresenta falhas no seu funcionamento.
Vale ressaltar que a análise está baseada na configuração desenvolvida (seis sensores, um
atuador e o Banco de Dados de teste), sendo importante em trabalhos futuros avaliar novas
configurações.
Como última consideração, a não limitação do número máximo de regras do BDAtivas
não influenciou no processamento ou na capacidade de memória utilizados pelos simuladores.
As quantidades de Regras Ativas existentes simultaneamente nos testes, sem limitação, não
ultrapassou em nenhum momento o número de doze regras.
As tabelas com todos os valores das variáveis e resultados das simulações, os quais
permitiram a confecção dos gráficos desta seção, são apresentadas no Apêndice 2.
5.4.8
Análise Qualitativa
A análise qualitativa está baseada na avaliação dos traçados (relatório detalhado da
simulação). Com o traçado é possível observar cada evento do Banco de Dados sendo inserido
no simulador e a respectiva ação do simulador. Sendo assim, pode-se verificar quando cada
Regra Embrionária ou Regra Ativa é criada e quando é eliminada (ou rebaixada).
A tabela 5.6 apresenta um exemplo de parte de um traçado. O traçado deste exemplo
foi retirado de uma simulação onde NuEv é igual a 20, ou seja, são necessários 20 eventos
para acionar o algoritmo C4.5. Nele é possível observar na primeira coluna os eventos em
seqüência que foram sendo gerados; sendo que a informação de cada linha (posição de
memória) contém os dados dos sensores de 1 a 6 separados por virgula e mais o dado do
atuador, o qual possui o símbolo
underline
“_” no final.
Na segunda coluna estão as Regras Embrionárias; no exemplo, após 20 eventos são
criadas 6 Regras Embrionárias, para as quais os campos OK e NOK iniciam-se com valor
zero. A cada novo evento é feita ou a pontuação de OK e NOK para as regras que estiverem
vinculadas com o evento, ou a inserção do evento na coluna EVENTOS, no caso do evento
não possuir nenhuma regra vinculada e ele. Quando uma Regra Embrionária se transforma em
Regra Ativa, a mesma é colocada na terceira coluna. A regra aparece com os valores de ATIV
e EXC inicialmente iguais a zero. No exemplo, após as Regras Embrionárias apresentadas,
86
foram colocadas duas linhas com informação “......” para expressar que vários eventos foram
realizados até o surgimento de uma Regra Ativa.
Tabela 5.6 – Exemplo de Traçado.
EVENTOS REGRAS EMBRIONÁRIAS REGRAS ATIVAS
A, B, A, A, B, D, A_
A, B, A, A, B, D, A_
A, B, A, A, C, D, A_
A, B, A, B, A, D, A_
A, B, A, B, A, D, A_
B, B, B, B, B, A, A_
A, A, B, A, B, A, B_
A, A, B, B, B, A, B_
A, B, A, A, B, A, B_
A, B, A, A, B, B, B_
A, B, A, B, B, D, B_
A, A, A, B, A, B, C_
A, A, A, B, A, B, C_
A, A, A, B, A, B, C_
A, A, A, B, B, B, C_
A, A, A, B, B, B, C_
A, A, B, A, A, A, C_
B, B, B, B, A, C, A_
B, B, A, B, C, A, C_
A, A, B, A, A, B, A_
Sensor_2=A, Sensor_3=A, C_, ok 0, nok 0
Sensor_6=D, A_, ok 0, nok 0
Sensor_5=B, B_, ok 0, nok 0
Sensor_5=B, B_, ok 0, nok 0
Sensor_6=D, A_, ok 0, nok 0
Sensor_2=A, Sensor_3=A, C_, ok 0, nok 0
.....
.....
Sensor_6=D, A_, ativ 0, exc 0
Foram colhidos traçados de todas as simulações feitas para a análise da variável NuEV
(item 5.4.2), a menos do valor 500. Portanto foram obtidos traçados com valores de NuEv
iguais a 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200 e 300 para cada um dos três bancos de dados de teste.
A partir dos traçados foi feita a análise das 5 regras desejadas, as quais estão presentes
no Banco de Dados de teste. As 5 regras e suas respectivas quantidades de repetições no
Banco de Dados de teste são:
•
R1: SENSOR1=A E SENSOR2=B E SENSOR6=D ENTÃO ATUADOR=A;
570 repetições.
•
R2: SENSOR2=B E SENSOR3=A E SENSOR5=B ENTÃO ATUADOR=B;
306 repetições.
•
R3: SENSOR3=A E SENSOR4=B E SENSOR6=B ENTÃO ATUADOR=C;
636 repetições.
•
R4: SENSOR1=B E SENSOR3=B E SENSOR5=B ENTÃO ATUADOR=A;
•
96 repetições.
•
R5: SENSOR2=A E SENSOR3=B E SENSOR5=B E SENSOR6=A ENTÃO
ATUADOR=B; 180 repetições.
87
Foi avaliado se as regras realmente foram criadas e em que momento da simulação as
mesmas são criadas, tanto como Regras Embrionárias quanto como Regras Ativas. O
momento em que as regras surge está expresso em porcentagem. O Banco de Dados possui
3.063 eventos, que representam 100% do Banco de Dados. Uma porcentagem de 10% do
Banco de Dados significa algo em torno de 306 eventos inseridos no simulador.
Pelo gráfico da figura 5.14 é possível observar que com NuEv igual a 20, surge nas
simulações somente uma das regras desejadas, a regra 3. A regra 3 é a que mais repetições
possui no Banco de Dados (636). A regra surge como Regra Embrionária quase no final da
simulação (80%) e logo é promovida a Regra Ativa. Nos traçados de NuEv igual a 20, a
maioria das regras criadas possui apenas um ou dois atributos e são regras generalizadas em
relação as 5 regras desejadas, existem ainda regras oriundas dos eventos esporádicos.
Importante ressaltar que a regra 3 é uma regra com três atributos. Estas generalizações
ocorrem porque o algoritmo C4.5 tem poucos exemplos para criar as regras, o que
consequentemente faz com que as mesmas sejam regras mais simplificadas (generalizadas).
Com o valor de NuEv igual a 40, surge novamente a regra 3, como Regra Embrionária
e logo em seguida como Regra Ativa, entretanto ela aparece logo no início da simulação.
Outra regra que surge no final da simulação é a regra 4, porém somente como Regra
Embrionária. Para os traçados de NuEv igual a 40 valem os mesmos comentários de NuEv
igual a 20, ou seja, as regras criadas possuem apenas um ou dois atributos e são regras
generalizadas em relação as 5 regras desejadas, existem ainda regras oriundas dos eventos
esporádicos
Para o valor de NuEv igual a 60 ocorre o mesmo que nos traçados anteriores,
entretanto a regra criada é a regra 2.
As regras começam a surgir mais rapidamente a partir de NuEv igual a 80, onde
surgem duas regras desejadas, as regras 2 e 3. Ambas regras surgem logo no início das
simulações e em seguida a sua criação como Regras Embrionárias passam a Regras Ativas.
Nestes traçados já é possível observar mais regras com dois e três atributos.
Os traçados de NuEv igual a 100 demonstram a existência de três regras desejadas
(regra 2, 3 e 4). A maioria das regras possuem três atributos, ainda não é possível observar
regras com quatro atributos, que é o caso da regra 5.
88
Criação de Regras
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
20 40 60 80 100 150 200 300
Qde Eventos no C4.5
R1-Embr
R1-Ativ
R2-Embr
R2-Ativ
R3-Embr
R3-Ativ
R4-Embr
R4-Ativ
R5-Embr
R5-Ativ
P
o
r
c
e
n
t
.
B
D
Figura 5.14 – Gráfico de Criação de Regras em função da quantidade de eventos no C4.5.
Com os valores de NuEv iguais a 150 e 200, surge a regra 1, além das outras três
regras que já haviam surgido anteriormente. As Regras Embrionárias surgem logo no início
das simulações e é possível observar regras com quatro atributos, porém a regra 5, que é a
única desejada com quatro atributos, ainda não foi criada.
Efetivamente com 300 eventos sendo inseridos no algoritmo C4.5 (NuEv igual a 300),
todas as 5 regras estão presentes. As regras surgem com cerca de 10% do Banco de Dados
inserido no simulador, ou seja, como 10% são 306 eventos e o número de eventos no
algoritmo C4.5 é 300, portanto logo na primeira execução do C4.5 todas as regras desejadas
estão presentes, sendo promovidas a Regras Ativas na seqüência das simulações.
Pela análise quantitativa, onde podem ser observados os melhores valores de cada uma
das variáveis nos itens 5.4.2 até 5.4.7, e pela análise qualitativa realizada, ambas baseadas na
configuração desenvolvida (seis sensores, um atuador e o Banco de Dados de teste), os
valores das variáveis que apresentaram o melhor resultado foram os seguintes:
•
NuEv = 300;
•
OK_Emb = 20;
•
NOK_Emb = 7;
•
EXC_At = 20;
•
ATIV_At = 2;
•
OK_Emb_exc = 2.
89
SENSOR1=A E SENSOR2=B E SENSOR6=D ENTÃO ATUADOR=A; - 570
SENSOR2=B E SENSOR3=A E SENSOR5=B ENTÃO ATUADOR=B; - 306
SENSOR3=A E SENSOR4=B E SENSOR6=B ENTÃO ATUADOR=C; - 636
SENSOR1=B E SENSOR3=B E SENSOR5=B ENTÃO ATUADOR=A; - 96
SENSOR2=A E SENSOR3=B E SENSOR5=B E SENSOR6=A ENTÃO ATUADOR=B. - 180
SENSOR1=A E SENSOR2=B E SENSOR6=D ENTÃO ATUADOR=A; - 570
SENSOR2=B E SENSOR3=A E SENSOR5=B ENTÃO ATUADOR=B; - 306
SENSOR3=A E SENSOR4=B E SENSOR6=B ENTÃO ATUADOR=C; - 636
SENSOR1=B E SENSOR3=B E SENSOR5=B ENTÃO ATUADOR=A; - 96
SENSOR2=A E SENSOR3=B E SENSOR5=B E SENSOR6=A ENTÃO ATUADOR=B. - 180
Figura 5.15 – Tela do simulador com resultados satisfatórios.
A figura 5.15 apresenta a tela do simulador, com os valores das variáveis descritos
anteriormente, onde se pode observar no campo de Regras Ativas (elipse em vermelho) a
presenças das 5 regras desejadas.
Com as análises realizadas é possível responder a duas questões feitas no decorrer do
item 5.3.5 deste trabalho: A regra dois, ou as outras que também estão na mesma condição,
aparecerá tal como foi escrita ou estará mais especializada em função de uma de suas
combinações não existir? As contradições que a regra dois irá sofrer durante as simulações
farão com que a mesma desapareça ou permaneça no BDEmbrio ou BDAtivas?
As respostas para estas questões são: A regra dois, e outras na mesma condição dela,
por vezes apareceu mais especializada e as contradições fizeram com que a mesma
desaparecesse do BDEmbrio ou BDAtivas, entretanto quando as variáveis do sistemas foram
configuradas de certa maneira, a regra foi criada corretamente e mesmo sendo contrariada
não foi eliminada dos bancos de regras.
90
A análise qualitativa permitiu observar que o sistema proposto pode ter suas variáveis
configuradas de tal maneira a produzir regras que refletem a rotina desenvolvida pelo agente
(habitante da casa).
Foi observado também através dos traçados que são criadas regras sobre
especializadas, fato conhecido como
overfitting.
Um exemplo disto é a criação de regras com
quatro atributos, quando a regra desejada deveria ter três atributos. Isto pode ser observado
quando o conjunto de eventos inseridos no algoritmo C4.5 não possui todos os exemplos
necessários para criar uma regra generalizada, neste caso a regra produzida possui atributos a
mais para poder cobrir somente os exemplos do conjunto utilizado em sua geração.
A criação de regras sobre especializadas não causa problemas no sistema, entretanto a
cobertura da regra é menor do que a regra desejada. No sistema atual, para que a regra sobre
especializada amplie sua cobertura, é necessário que uma nova regra seja criada, para
complementar a regra existente.
Torna-se importante estudar uma maneira de diminuir a quantidade de sobre
especialização das regras, isto será realizados em trabalhos futuros.
91
6 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
6.1 Considerações Finais
O tema automação residencial tem sido bastante estudado, as possibilidades ainda não
exploradas permitirão o desenvolvimento de muitos trabalhos em diversas áreas, tais como
Engenharia, Ciência da Computação, Sociologia, entre outras.
O trabalho desenvolvido propôs um sistema cujo objetivo é observar e aprender regras
em uma casa de acordo com o comportamento de seus habitantes, utilizando o conceito de
aprendizado com regras de indução.
O sistema proposto partiu da idéia de se armazenar os eventos ocorridos nos atuadores
de uma residência, transformá-los em regras e passar a executar estas regras quando as
condições dos eventos se repetissem; fazendo uso de técnicas de aprendizado. Somado ao
aprendizado foi feito uso de um algoritmo que permitisse não ter de armazenar todas as
regras, mas sim generalizar as regras e assim economizar processamento e memória, tal
algoritmo é o C4.5, que constrói árvores de decisão.
O sistema proposto tinha como desafios iniciais resolver o problema das regras que
eram imediatamente ativadas, causando desconforto ao habitante, e o problema da não
detecção de seqüências causais de eventos no tempo, a qual causa armazenamento indevido
de eventos. Os problemas foram resolvidos através da criação das Regras Embrionárias e da
janela de observação de eventos.
Com base nas soluções identificadas, foi criado um simulador que refletia um
dormitório de uma residência.
A lógica do sistema possui algumas variáveis que afetam diretamente o funcionamento
do sistema, por tal motivo foi necessário avaliar o comportamento destas variáveis. Para isto
foi construído um segundo simulador que permitiu analisar as variáveis.
Os experimentos realizados nos simuladores demonstraram o seguinte, durante este
trabalho:
•
No primeiro simulador tem-se a indicação de que o sistema funciona, tal como
foi proposto, dando destaque para as Regras Embrionárias e a janela de
observação de eventos, que funcionaram como foram idealizadas, ou seja, as
Regras Embrionárias atuam como uma etapa de validação das regras e a janela
92
de observação de eventos não permite que seqüências causais de eventos sejam
armazenadas para gerarem futuras regras.
•
No segundo simulador tem-se a indicação de que é possível manipular as
variáveis do sistema até encontrar a melhor configuração das mesmas, de tal
forma que o sistema se adaptou ao perfil do usuário e ao ambiente que está
sendo automatizado.
Um dos itens avaliados foi a janela de observação, que teve seu correto funcionamento
comprovado, entretanto não foram realizados testes para se verificar quais os melhores
valores para a janela de observação anterior e para a janela de observação posterior. A
avaliação de eventos descartados pela janela de observação deve ser feita com uma residência
real e não com um simulador. As simulações com o Banco de Dados de eventos criado não
permitiriam avaliar as condições em que a janela de observação deve atuar. Tendo um Banco
de Dados colhido de uma residência real não é necessário realizar simulações com o sistema
ABC+, basta aplicar a lógica da janela de observação sobre o Banco de Dados e identificar
quantos eventos são admitidos e quantos são descartados, perante os valores que são
configurados na janela de observação. Na verdade, uma vez tendo colhidos os dados de uma
residência é possível calcular quais os valores devem ser utilizados na janela de observação,
sem para isto realizar testes.
Como principais pontos positivos identificados na realização deste trabalho destacam-
se:
•
Tem-se um indicativo de que é possível ter um sistema de Domótica
Inteligente que aprende regras em uma residência. Este sistema torna a
automação residencial mais acessível a usuários com pouca familiaridade em
programar e configurar sistemas, evitando que os mesmos tenham de
programar as regras que desejam ter em sua residência.
•
Tem-se um indicativo de que é possível configurar o sistema de Domótica
Inteligente para se ajustar ao perfil do habitante. As variáveis do sistema
permitem criar e eliminar regras com diferentes velocidades e quantidades, ou
seja, mais ou menos rapidamente as regras são criadas e/ou eliminadas e mais
ou menos regras são criadas e/ou eliminadas.
•
Tem-se um indicativo de que é possível disponibilizar novas regras ao
habitante de uma residência, sem causar oscilação no banco de regras. As
Regras Embrionárias e o desenvolvimento e manutenção das regras permitem
93
que mesmo no momento em que o habitante está se adaptando a novas regras,
as mesmas não sejam descartadas.
•
Tem-se um indicativo de que é possível filtrar eventos que não refletem a
rotina de um habitante. Eventos que gerariam regras incorretas, pois utilizariam
dados de sensores que estão desatualizados, são eliminados.
Não foram realizadas análises com variações de perfis de Banco de Dados de eventos
(diferentes agentes) e com variações no número de sensores, atuadores e valores possíveis dos
sensores e atuadores. Para que o sistema possa ser estendido para aplicações reais é necessário
que sejam feitas novas análises envolvendo tais variações.
Como principais pontos negativos encontrados, durante a realização este trabalho,
destacam-se:
•
O sistema trabalha atualmente com somente um habitante na residência. Não é
feita a diferenciação dos habitantes, se existirem vários habitantes, as regras
serão as mesmas para todos.
•
Não foi criado um Banco de Dados de eventos que fosse colhido de uma
residência real. O Banco de Dados utilizado é hipotético.
•
Não foram feitos vínculos entre sensores e atuadores, portanto não foi
percebido
loop
entre as regras. A presença de
loop
entre as Regras Ativas pode
ser um grande problema.
•
Foram encontradas regras com sobre especialização (
overfitting
).
Os pontos negativos podem ser trabalhados de maneira a serem minimizados ou
corrigidos.
6.2 Trabalhos Futuros
Para resolver ou aperfeiçoar algumas dos pontos negativos e assim obter uma melhora
nos resultados do trabalho realizado, propõe-se alguns trabalhos futuros, descritos a seguir.
6.2.1
Utilização da Tecnologia RFID
Utilização da tecnologia RFID para distinção de habitantes na residência. Alguns
sensores podem identificar o usuário através de etiquetas RFID e assim criar bancos de regras
específicos para cada habitante.
94
Como dito anteriormente, o sistema descrito trabalha com um habitante na casa, ou
melhor, considera que todos os habitantes se utilizam as mesmas regras. Isto não reflete a
realidade em uma casa, pois as pessoas têm diferentes hábitos.
Outra limitação está na situação em que um habitante da casa se aproxima da TV da
sala e a liga. Como aprender esta ação?
Para estes casos uma possível solução é o uso da tecnologia RFID (
Radio Frequency
Identification
).
Os sistemas RFID são sistemas automáticos de identificação que, usando sinais de
rádio freqüência, propiciam a identificação e localização automática de etiquetas eletrônicas
portadoras de dados dos itens aos quais as mesmas estão relacionadas.
Um habitante que estiver com seu pijama e este contiver uma etiqueta RFID, poderá se
aproximar da TV e ao ligá-la todas estas informações serão armazenadas para gerar futuras
regras.
Do mesmo modo as roupas e pertences dos habitantes, contendo etiquetas RFID,
poderão servir de identificador de cada habitante. O grande desafio é identificar os habitantes
sem cadastramento de suas etiquetas RFID, ou seja, o sistema tem de ser bastante inteligente
para associar os itens a cada habitante.
6.2.2
Realização de Testes em uma Residência Real
Um trabalho importante a ser desenvolvido é a colocação de sensores e atuadores em
uma residência real. Sendo possível obter dados reais da rotina de usuários. Com um teste
prático será possível encontrar as configurações corretas das variáveis do sistema a serem
utilizadas em um sistema que possa ser comercializado, ademais será possível também
identificar se realmente o sistema está adequado para uso comercial.
6.2.3
Variação no Número de Sensores e Atuadores
Trabalhar com variação no número de sensores e atuadores, bem como com a
quantidade de estados destes sensores e atuadores é outro ponto interessante a ser estudado.
Com isto será possível detalhar os vínculos existentes nas variáveis do sistema com as
variações apontadas. A variação sugerida visa avaliar se existe mudança no comportamento
das variáveis, por exemplo, a variável NuEv pode apresentar um gráfico diferente quando
95
submetida a 6 sensores e a 10 sensores, ou ainda quando os sensores tem 2 estados ou 5
estados.
6.2.4
Simulação e Soluções para
Loop
Simulação de
loop
entre as regras e soluções para eliminação destes
loops
. Se algum
sensor tiver seus estados vinculados aos estados de um atuador, ou de outro sensor, estamos
diante de dependências que podem criar um
loop
ou realimentação, que nada mais é do que a
execução de uma regra levar a execução de uma segunda regra e outras execuções de regras,
até que a primeira regra do
loop
volte a ser acionada, o que não teria mais fim. O
loop
pode
levar ao travamento do sistema e causar ainda problemas nos dispositivos da residência.
Identificar quando eles aparecem e como eliminá-los, torna-se um trabalho importante.
6.2.5
Minimização de Overfitting
Identificação e execução de soluções que permitam eliminar ou diminuir a super
especialização (overfitting) das regras. Tal trabalho permitirá fazer com que o sistema crie as
regras desejadas mais rapidamente e com maior precisão.
96
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AHA, D.W; KIBLER, D.; ALBERT, M.
Instanced-based learning algorithms
. Machine
Learning 6, 37-66. 1991.
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100
APÊNDICE 1
REDE DE PETRI DO SISTEMA ABC+
A seguir é apresentada a Rede de Petri do funcionamento do sistema:
t1
t2
p1
t3
t4
p2
t6
t7
p4
p3
t5
t10
t11
p6
t8
t9
p5
p9
t15
t12
t13
p7
p8
t14
t16
t17
p10
t22
t23
p14
t18
t19
p11
p12
p13
t20
t21
t24
t25
p15
p17
p16
t26
t27
.
t1t1
t2
p1
t3t3
t4t4
p2p2
t6
t7
p4
t6
t7
p4
t6t6
t7
p4p4
p3p3
t5t5
t10t10
t11t11
p6p6
t8t8
t9t9
p5p5
p9p9
t15t15
t12
t13
p7
t12
t13
p7
t12t12
t13
p7p7
p8p8
t14t14
t16t16
t17t17
p10p10
t22t22
t23t23
p14
t18
t19
p11
t18
t19
p11
p12p12
p13p13
t20t20
t21t21
t24
t25
p15
t24
t25
p15
p17p17
p16p16
t26t26
t27t27
.
POSIÇÕES
P1 – Estado inicial de espera
P2 –Busca por RA existente
P3 – Realização da ação X, fazer ATIV=ATIV+1,
com ATIV máximo=T e ordenação do BRA por
ATIV
P4 –Busca por ES anterior recente (R segundos)
P5 –Busca por RA existente
P6 –Busca por ES posterior recente (R segundos)
P7 – Avaliação se a regra é igual ou contrária
P8 – Fazendo EXC=EXC+1, se EXC>EXC_At a
regra é excluída do BRA
P9 – Armazenamento dos dados do ES posterior
P10 –Busca por RE existente
P11 –Avaliação se a regra é igual ou contrária
P12 –Fazendo OK+OK+1, se OK=OK_Emb regra
vira RA
P13 - Fazendo NOK=NOK+1, se
NOK>NOK_Emb regra é excluída do BRE
P14 –Colocação do evento no BE
P15 –C4.5 gera novas regras a partir de BE
P16 –As regras repetidas são ignoradas
P17 - Regras antigas do BRE com
OK<OK_Emb_exc são excluídas; coloca regras
novas no BRE; para toda RA fazer ATIV=ATIV-1;
se RA tem ATIV<ATIV_At coloca-a no BRE
TRANSIÇÕES
T1 – Novo evento de sensor
T2 – Novo evento de atuador
T3 – Existência de RA
T4 – Não existência de RA
T5 – Finalização da ação em P3
T6 – Existência de ES anterior
T7 – Não existência de ES anterior
T8 – Existência de RA
T9 – Não existência de RA
T10 - Existência de ES posterior
T11 – Não existência de ES posterior
T12 – A regra é igual
T13 – A regra é contrária
T14 – Finalização da ação em P8
T15 – Finalização da ação em P9
T16 - Existência de RE
T17 – Não existência de RE
T18 - A regra é igual
T19 – A regra é contrária
T20 - Finalização da ação em P12
T21 – Finalização da ação em P13
T22 – BE não têm NuEv eventos
T23 – BE têm NuEv eventos
T24 – Alguma(s) nova(s) regra(s) está(ão) em
BRA ou BRE
T25 – Nenhuma nova regra está em BRA ou BRE
T26 - Finalização da ação em P16
T27 – Finalização da ação em P17
LEGENDA
EA=Evento Atuador
ES=Evento Sensor
BE=Banco de Eventos
RA=Regra Ativa
BRA=Banco de Regras Ativas
RE=Regra Embrionária
BRE=Banco de Regras Embrionárias
POSIÇÕES
P1 – Estado inicial de espera
P2 –Busca por RA existente
P3 – Realização da ação X, fazer ATIV=ATIV+1,
com ATIV máximo=T e ordenação do BRA por
ATIV
P4 –Busca por ES anterior recente (R segundos)
P5 –Busca por RA existente
P6 –Busca por ES posterior recente (R segundos)
P7 – Avaliação se a regra é igual ou contrária
P8 – Fazendo EXC=EXC+1, se EXC>EXC_At a
regra é excluída do BRA
P9 – Armazenamento dos dados do ES posterior
P10 –Busca por RE existente
P11 –Avaliação se a regra é igual ou contrária
P12 –Fazendo OK+OK+1, se OK=OK_Emb regra
vira RA
P13 - Fazendo NOK=NOK+1, se
NOK>NOK_Emb regra é excluída do BRE
P14 –Colocação do evento no BE
P15 –C4.5 gera novas regras a partir de BE
P16 –As regras repetidas são ignoradas
P17 - Regras antigas do BRE com
OK<OK_Emb_exc são excluídas; coloca regras
novas no BRE; para toda RA fazer ATIV=ATIV-1;
se RA tem ATIV<ATIV_At coloca-a no BRE
TRANSIÇÕES
T1 – Novo evento de sensor
T2 – Novo evento de atuador
T3 – Existência de RA
T4 – Não existência de RA
T5 – Finalização da ação em P3
T6 – Existência de ES anterior
T7 – Não existência de ES anterior
T8 – Existência de RA
T9 – Não existência de RA
T10 - Existência de ES posterior
T11 – Não existência de ES posterior
T12 – A regra é igual
T13 – A regra é contrária
T14 – Finalização da ação em P8
T15 – Finalização da ação em P9
T16 - Existência de RE
T17 – Não existência de RE
T18 - A regra é igual
T19 – A regra é contrária
T20 - Finalização da ação em P12
T21 – Finalização da ação em P13
T22 – BE não têm NuEv eventos
T23 – BE têm NuEv eventos
T24 – Alguma(s) nova(s) regra(s) está(ão) em
BRA ou BRE
T25 – Nenhuma nova regra está em BRA ou BRE
T26 - Finalização da ação em P16
T27 – Finalização da ação em P17
LEGENDA
EA=Evento Atuador
ES=Evento Sensor
BE=Banco de Eventos
RA=Regra Ativa
BRA=Banco de Regras Ativas
RE=Regra Embrionária
BRE=Banco de Regras Embrionárias
Figura A1.1 – Rede de Petri do sistema ABC+.
101
APÊNDICE 2
TABELAS DAS SIMULAÇÕES REALIZADAS
As tabelas a seguir foram resultados das simulações feitas e serviram para gerar os
gráficos apresentados nas análises quantitativas.
Foram utilizadas as seguintes definições:
EC-1, EC-2 e EC-3: Número de Regras Embrionárias criadas utilizando o bando de
dados de teste 1, 2 e 3, respectivamente.
EE-1, EE-2 e EE-3: Número de Regras Embrionárias excluídas utilizando o bando de
dados de teste 1, 2 e 3, respectivamente.
AC-1, AC-2 e AC-3: Número de Regras Ativas criadas utilizando o bando de dados de
teste 1, 2 e 3, respectivamente.
AE-1, AE-2 e AE-3: Número de Regras Ativas excluídas (rebaixadas) utilizando o
bando de dados de teste 1, 2 e 3, respectivamente.
Simulações com a Variável NuEv
As simulações foram feitas variando o valor de NuEv desde 20 até 500, mantendo os
seguintes valores das outras variáveis:
•
OK_Emb = 20;
•
NOK_Emb = 7;
•
EXC_At = 20;
•
ATIV_At = 2;
•
OK_Emb_exc = 2.
Tabela A2.1 – Resultados das simulações da variável NuEv.
NuEv
EC-1
EC-2
EC-3
EC
EE-1
EE-2
EE-3
EE
AC-1
AC-2
AC-3
AC
AE-1
AE-2
AE-3
AE
20 95 91 96 94 67 71 74 71 25 16 19 20 23 13 17 18
40 69 72 84 75 48 49 51 49 18 19 25 21 16 16 21 18
60 56 65 74 65 33 49 42 41 22 12 23 19 18 9 20 16
80 67 71 58 65 37 40 36 38 20 12 19 17 17 8 16 14
100 62 49 53 55 43 34 34 37 10 10 15 12 6 6 12 8
150 55 44 44 48 37 29 21 29 11 13 15 13 5 8 9 7
200 48 45 52 48 29 30 25 28 11 13 12 12 7 9 9 8
300 37 30 30 32 19 21 16 19 10 7 11 9 4 1 5 3
500 26 36 32 31 6 15 21 14 7 6 9 7 0 0 1 0
102
As simulações feitas com os outros três Bancos de Dados onde os eventos esporádicos
foram suprimidos possuem exatamente as mesmas variações e valores das variáveis e os
resultados foram:
Tabela A2.2 – Resultados das simulações da variável NuEv, com BD somente com regras desejadas.
NuEv
EC-1
EC-2
EC-3
EC
EE-1
EE-2
EE-3
EE
AC-1
AC-2
AC-3
AC
AE-1
AE-2
AE-3
AE
20 16 22 13 17 6 6 4 5 9 14 9 11 6 11 6 8
40 9 14 17 13 1 1 3 2 8 10 9 9 3 7 8 6
60 7 11 11 10 1 0 2 1 6 10 7 8 1 6 6 4
80 12 10 9 10 0 0 0 0 10 8 7 8 6 4 3 4
100 12 6 8 9 0 1 0 0 10 5 7 7 6 0 2 3
150 7 7 10 8 1 0 0 0 6 6 7 6 0 0 2 1
200 8 7 8 8 0 0 0 0 7 6 7 7 0 0 0 0
300
8
7
7
7
0
0
0
0
7
6
6
6
0
0
0
0
103
Simulações com a Variável OK_Emb
As simulações foram feitas variando o valor de OK_Emb desde 5 até 30, mantendo os
seguintes valores das outras variáveis:
•
NuEv = 200;
•
NOK_Emb = 7;
•
EXC_At = 20;
•
ATIV_At = 2;
•
OK_Emb_exc = 2.
Tabela A2.3 – Resultados das simulações da variável OK_Emb.
OK_Emb
EC-1
EC-2
EC-3
EC
EE-1
EE-2
EE-3
EE
AC-1
AC-2
AC-3
AC
AE-1
AE-2
AE-3
AE
5 65 56 67 63 15 18 19 17 44 37 46 42 39 30 41 37
10 44 53 52 50 23 27 19 23 13 19 30 21 6 15 25 15
15 46 44 58 49 28 28 27 28 14 13 25 17 9 10 22 14
20 48 45 52 48 29 30 25 28 11 13 12 12 7 9 9 8
25 38 48 50 45 26 31 25 27 7 16 12 12 2 11 8 7
30 39 45 51 45 27 31 35 31 7 12 12 10 2 8 8 6
104
Simulações com a Variável NOK_Emb
As simulações foram feitas variando o valor de NOK_Emb desde 5 até 30, mantendo
os seguintes valores das outras variáveis:
•
NuEv = 200;
•
OK_Emb = 20;
•
EXC_At = 20;
•
ATIV_At = 2;
•
OK_Emb_exc = 2.
Tabela A2.4 – Resultados das simulações da variável NOK_Emb.
NOK_Emb
EC-1
EC-2
EC-3
EC
EE-1
EE-2
EE-3
EE
AC-1
AC-2
AC-3
AC
AE-1
AE-2
AE-3
AE
5 41 47 61 50 26 33 40 33 9 12 10 10 4 7 6 6
10 49 44 44 46 21 22 22 22 13 10 19 14 8 6 15 10
15 35 34 40 36 13 16 17 15 18 15 19 17 12 10 14 12
20 39 32 35 35 10 13 9 11 19 15 21 18 15 10 17 14
25 40 37 34 37 11 11 7 10 16 18 20 18 13 13 15 14
30 37 37 30 35 8 9 7 8 19 17 18 18 14 14 13 14
105
Simulações com a Variável EXC_At
As simulações foram feitas variando o valor de EXC_At desde 5 até 40, mantendo os
seguintes valores das outras variáveis:
•
NuEv = 200;
•
OK_Emb = 20;
•
NOK_Emb = 7;
•
ATIV_At = 2;
•
OK_Emb_exc = 2.
Tabela A2.5 – Resultados das simulações da variável EXC_At.
EXC_At
EC-1
EC-2
EC-3
EC
EE-1
EE-2
EE-3
EE
AC-1
AC-2
AC-3
AC
AE-1
AE-2
AE-3
AE
5 58 53 66 59 31 29 25 28 20 18 25 21 18 16 23 19
10 44 50 65 53 29 32 27 29 11 16 22 16 9 12 20 14
15 45 49 48 47 30 30 26 29 9 16 14 13 4 13 11 9
20 48 45 52 48 29 30 25 28 11 13 12 12 7 9 9 8
25 41 45 44 43 29 28 24 27 6 12 11 10 1 9 8 6
30 40 45 48 44 30 28 23 27 6 12 13 10 1 9 9 6
35 40 42 40 41 30 27 25 27 6 11 12 10 1 6 7 5
40 40 38 40 39 29 26 24 26 5 11 12 9 1 5 7 4
106
Simulações com a Variável ATIV_At
As simulações foram feitas variando o valor de ATIV_At desde 1 até 300, mantendo
os seguintes valores das outras variáveis:
•
NuEv = 200;
•
OK_Emb = 5;
•
NOK_Emb = 50;
•
EXC_At = 500;
•
OK_Emb_exc = 1.
Tabela A2.6 – Resultados das simulações da variável ATIV_At.
ATIV_At
EC-1
EC-2
EC-3
EC
EE-1
EE-2
EE-3
EE
AC-1
AC-2
AC-3
AC
AE-1
AE-2
AE-3
AE
1 27 22 14 21 1 1 0 1 22 15 12 16 8 1 1 3
100 28 22 14 21 1 1 0 1 22 15 12 16 9 1 1 4
200 29 23 14 22 1 1 0 1 24 15 12 17 10 3 1 5
300 35 27 14 25 1 1 0 1 24 19 12 18 16 6 1 8
107
Simulações com a Variável OK_Emb_exc
As simulações foram feitas variando o valor de OK_Emb_exc desde 1 até 17,
mantendo os seguintes valores das outras variáveis:
•
NuEv = 100;
•
OK_Emb = 20;
•
NOK_Emb = 20;
•
EXC_At = 20;
•
ATIV_At = 2.
Tabela A2.7 – Resultados das simulações da variável OK_Emb_exc.
OK_Emb_exc
EC-1
EC-2
EC-3
EC
EE-1
EE-2
EE-3
EE
AC-1
AC-2
AC-3
AC
AE-1
AE-2
AE-3
AE
1 41 39 43 41 15 17 12 15 12 14 25 17 5 10 22 12
5 38 44 43 42 17 22 12 17 12 17 25 18 5 13 22 13
9 52 45 43 47 22 20 12 18 17 17 25 20 13 13 22 16
13 55 49 43 49 33 25 12 23 16 18 25 20 11 14 22 16
17 55 55 47 52 40 24 13 26 11 25 27 21 9 22 25 19
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