Sistema basado en reglas - sistemas inteligentes

Universidad de Murcia
Facultad de informática.
SISTEMAS INTELIGENTES

CURSO 3 º, GRUPO 1 , SUBGRUPO 1, Año académico 2013-2014.
Nombre: Alcántara Alcántara Luis Ernesto.
Fecha de entrega: 8/12/2013.

1. Caso de Estudio.
2. Análisis del problema.
3. Explicación breve de la técnica que se aplicará.
4. Diseño y funcionamiento del procedimiento.
5. Explicación del diseño de base de conocimiento.
6. Manual de Usuario con casos de reales resueltos.
6.0 Manual de Usuario.
6.1 Casos reales resueltos.

7. Bibliografía.

1.0. Caso de estudio.

La empresa de transportes TTT está dedicada al transporte por tierra de personas y mercancías.
Dicha empresa ha adquirido una red ferroviaria y una flota de trenes y desea modernizar los
sistemas de control del tráfico ferroviario en los tramos en los que los trenes pueden circular en las
dos direcciones.
Por ello, nos ha contratado para construir un sistema inteligente que controle de forma automática y
coordinada los semáforos de las vías y así evitar las posibles colisiones entre los trenes.
2.0. Análisis del problema.
Debemos realizar el sistema de control de tráfico de la estructura que se muestra en la
figura de abajo (5 vías y 14 señales de tráfico).

Como se puede apreciar en la figura 1, tenemos la siguientes lista de objetos con sus
posibles valores:
S1... S5 → { libre , ocupada } → representan la vía.
L1... L6 → { verde , rojo }

→ representan a una señal de tráfico.

U1... U8 → { verde, rojo }

→ representan a una señal de tráfico.

Tenemos que indicar a los diferentes trenes mediante la señalización de los semáforos si
pueden salir a un destino determinado, y si este es el caso por cual vía deben circular, por
ejemplo, si la señal U1 está en verde entonces puede permitirse que un tren que este en
la vía S1 salga, para que esto sea posible y no colisione con el tren que viene de la vía
S2, la señal L1 tendría que estar en rojo.
El sistema ha de responder lo mas rápido posible y de forma correcta para cada situación
determinada, para conseguir esto, se han de probar las distintas partes del sistema de
control, verificando así el correcto funcionamiento de dicho sistema.

3.0. Explicación breve de la técnica que se aplicará.
Para resolver este problema utilizaremos un sistema basado en reglas (SBR), para
entender que es este sistema y como trabaja, tenemos que entender sus componentes
básicos , estos son: la base de hechos (BH), la base de conocimiento (BC) y el
mecanismo de inferencias(MI).
(BC) → Contiene todas las reglas que codifican el conocimiento, abajo se puede observar
un ejemplo de una parte parcial de una base de conocimiento:
…...etc
R20: Si U5=rojo y L5=rojo entonces L1=rojo
R21: Si U2=rojo y L2=rojo entonces U6=rojo
….etc
Una regla esta formada por:
Una premisa o antecedente: Expresión lógica que va entre las palabras si y entonces.
Una conclusión o consecuente: Expresión lógica tras la palabra entonces.

(BH) → Contiene los hechos establecidos como verdaderos, tanto los datos de entrada
“introducidos por el usuario o procedentes de sistemas externos”, como las conclusiones
“introducidas durante la ejecución del procedimiento”, abajo se puede observar un
ejemplo de una base de hechos al principio de iniciar el procedimiento.
S2=ocupado
S3=ocupado
S5=ocupado
U7=verde
(MI) → Selecciona las regla/s que se pueden aplicar y la/s ejecuta con el objetivo de
obtener una conclusión.

Figura 2: Componentes básicos de un (SBR).

Entendiendo ya cada uno de los componentes de un (SBR) podemos ver sus distintas
definiciónes:
1º Un (SBR) es aquel sistema que trabaja mediante la aplicación de reglas, comparación de
resultados y aplicación de nuevas reglas.
2º Sistemas diseñados para actuar como un experto humano en un dominio o area de
conocimiento en particular.

Figura 3: (SBR 1)

Figura 4: (SBR 2)

Hay dos posibles formas de razonamiento:
Encadenamiento hacia delante:
Consiste en buscar un conjunto de metas que se verifican a partir de un conjunto de hechos.
En este tipo de razonamiento la exploración de las reglas corresponde a un razonamiento desde
los hechos hacia los objetivos.
Encadenamiento hacia atrás:
Determinar si se verifica un cierta meta con los hechos disponibles.
En este tipo de razonamiento la exploración de las reglas corresponde a un razonamiento desde
los objetivos hacia los hechos.
4.0 Diseño y funcionamiento del procedimiento
Para resolver este problema utilizaremos el razonamiento de encadenamiento hacia delante, se
muestra a continuación el algoritmo que utiliza el software, aunque cabe indicar que no es
exactamente igual al utilizado ya que solo se quiere ilustrar el funcionamiento del “núcleo” de
nuestro programa.
Pseudocódigo:

Función Endenamiento-Hacia-Delante()
Bhechos = hechos Iniciales; ConjuntoConflicto = equiparar();
Mientras no vacio(ConjuntoConflicto) hacer
R = Resolver(ConjuntoConflicto);
aplicar (Bhechos, R);
ConjuntoConflicto = equiparar();
Fin_ Mientras;
SI isContenida(Meta, Bhechos) devolver “meta encontrada”;
Si_no devolver “fracaso”;
Fin_Funcion;
El funcionamiento del algoritmo sigue los siguientes pasos (suponemos meta= (S1=libre)):
1 º Obtenemos los hechos iniciales, después buscamos con la llamada a la función equiparar(),
un conjunto de reglas cuyas condiciones o acciones sean compatibles con los datos almacenados
en la (BH), este conjunto se denomina conjunto ConjuntoConflicto.
P.ej: si tenemos las siguientes reglas en la base de conocimiento:

y tenemos los siguientes hechos iniciales en la base de hechos:

S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U5=rojo
L5=rojo
tendremos las siguientes reglas en el ConjuntoConflicto:

2º Se comprueba si en el ConjuntoConflicto esta vacío, es decir, si no se obtuvo en el paso
anterior alguna regla, si fuese así terminaríamos el procedimiento y comprobaríamos si la la meta
esta contenida ya en la (BH), como este no es el caso seguimos.
3º En este paso la función Resolver(ConjuntoConflicto), nos devuelve la regla que esta
contenida en el conjunto conflicto y que se elegió porque tienes mas prioridad.
En nuestro problema se indica que las reglas que contengan 'Sx' “si la meta= (Sx=”libre o
ocupada”) tienen mas prioridad mientras las demás tienen la misma, si hay empate se elige por
orden de aparición, es decir la que tenga el índice más pequeño, por lo cual nos quedamos con la
regla: R1: Si U5=rojo y L5=rojo entonces L1=rojo
4º En el cuarto y último paso ejecutaríamos la regla añadiendo, su consecuente a la base de
hechos solo si este no esta contenido en ella “ la base de hechos es un conjunto, no puede haber
elementos repetidos”, a partir de aquí repetimos el proceso y volvemos al paso 1.
La base de hechos quedaría de la siguiente forma después de terminar el procedimiento:

S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U5=rojo
L5=rojo
L1=rojo
U6=rojo
Si el procedimiento terminara dejando como resultado la base de hechos anterior, al no estar la
meta (S1=libre) en la base de hechos el procedimiento devolvería “fracaso” en caso contrario
devolvería éxito.
Se ha intentado modular el programa lo mejor posible utilizando el concepto de programación
orientada a objetos, de forma de que cada regla esta organizada en una clase y dentro de estas
clase, tenemos los objetos y atributos que forman la regla, que son principalmente los
antecedentes y consecuentes.

Esto se puede apreciar claramente en el siguiente diagrama.

Figura 4: Diagrama de clase del programa.

El hecho de que la base de conocimientos no cambie implica que solo sea necesario comparar
una vez los hechos con los antecedentes, también cuando se aplica una regla esta ya no es
necesaria por lo que se puede “ignorar”, aumentando el rendimiento del programa, para lograr
esto cada objeto de tipo regla y cada antecedente tiene un atributo de tipo booleano llamado
marca, que se pone a true para la regla cuando se aplica y para el antecedente cuando coincide
con un hecho.
5.0 Explicación del diseño de la BC.
En nuestro problema tenemos la siguiente base de conocimiento.

R1: Si U1=verde entonces L1=rojo
R3: Si L1=verde entonces U1=rojo
R5: Si S1=ocupada entonces U2=rojo
R6: Si S2=ocupada entonces L2=rojo

R11: Si U2=verde entonces S1=libre
R12: Si L2=verde entonces S2=libre
R16: Si L5=verde entonces S5=libre
R27: Si U1=verde entonces (U3=verde o L3=verde)
R29: Si L1=verde entonces (U3=verde o L3=verde)
R37: Si U3=verde entonces U4=rojo
R38: Si L3=verde entonces L4=rojo


La base de conocimiento esta formada, por exactamente 56 reglas, cogeremos algunas de estas
(las que teníamos que rellenar ) para explicar como funcionan y mostraremos mas abajo la
imagen de la figura 1 de nuevo para que se entienda mejor.

R3: Si L1=verde entonces U1=rojo → Evitamos que hallas choques de tres en la salida S1 y S2.
R8: Si S3=ocupada entonces U4=rojo → Si hay un tren en S3 no puede permitirse que otro tren
que este en la vía donde esta la señal U4 pase.
R9: Si S4=ocupada entonces U5=rojo → Si en la salida S4 hay un tren, entonces la señal U5
debe de estar en rojo para no permitir que un tren que este en la vía donde esta dicha señal se
dirija hacia la salida S4 produciéndose una colisión.
R10: Si S5=ocupada entonces L5=rojo → Análogo al caso anterior (R9), solo que en este caso
se trataría de la salida S5.
R14: Si U4=verde entonces S3=libre → Si U4=verde entonces S3 debe de estar libre, por lo
que el tren podrá hacía S3.
R15: Si U5=verde entonces S4=libre → Si la señal U5 esta en verde, el tren podrá pasar, por
que esto implica S4 esta libre y no se puede producir colisión alguna.
R16: Si L5=verde entonces S5=libre → Si L5 esta en verde entonces el tren podrá pasar hacía
S5 por que S5 estará libre, es decir no estará ocupada por ningún tren.
R26: Si U5=rojo y L5=rojo entonces U8=rojo → Si la señal U5 y L5 están en rojo significa que la
señal que está en una posición anterior a esta dos señales también debe estar en rojo ya que se
entiende que la vía donde esta U5 y L5 esta ocupada por otro tren que viene de frente.
R29: Si L1=verde entonces (U3=verde o L3=verde) → Pasa lo contrario que en en la R26, si el
semáforo L1 esta a verde, es porque me podré ir a alguna vía, concretamente por la vía donde
esta la señal U3 o la señal L3, por lo tanto alguno de los dos semáforos debe de estar en verde.
R30: Si L1=verde entonces (U5=verde o L5=verde) → SI L1 esta en verde entonces algunas
de las señales U5 o L5 han de estar en verde para permitir que el tren puede pasar por alguna de
las vías donde están dichas señales.
R39: Si U4=verde entonces U3=rojo → Si U4 esta en verde entonces el tren que viene por U3
no puede pasar porque si no habría un choque por lo que U3 debe de estar en rojo.
R40: Si L4=verde entonces L3=rojo → Es lo contrario a lo que pasa con la anterior regla.

R54: Si U7=verde entonces L1=rojo → Si la señal U7 esta verde significa que se le da salida a
un tren que viene por S3, cuya vía es compartida por S2, por lo que no debe permitirse la salida
del tren que esta en S2 entonces L1 se pone a rojo.
R56: Si U8=verde entonces L6=rojo → Pasa lo mismo que con la R54 pero es otra situación
distinta.
6.0 Manual de Usuario con casos de reales resueltos.

6.1 Manual de Usuario.
Para el correcto funcionamiento del programa es imprescindible que se proporcione dos
ficheros de entrada en formato .txt, el primero de ellos será la base de conocimiento(BC),
el segundo de ellos sera la base de hechos (BH).
Dentro de la base de conocimiento las reglas tendrán que tener la forma de alguno de los
tipos que se describen a continuación.
Tipo 1: Rx: Si literal1 entonces literalC
Tipo 2: Rx: Si literal1 y literal2... y literalN entonces literalC
Tipo 3: Rx: Si literal1 entonces (literalC1 o literalC2)
Tipo 4: Rx: Si literal1 y literal2... y literalN entonces (literalC1 o literalC2)

Donde el R indica que es una regla y x el número de la regla, p.ej R1: indica que se trata
de la regla número uno.
Mientras que en la base de hechos, los hechos se podrán tal y como se indica en la tabla
de abajo.
S1=ocupada
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U1=verde

Es completamente imprescindible que los ficheros de entrada NO CONTENGAN ESPACIOS EN
BLANCOS AL FINAL DE CADA LÍNEA NI AL FINAL DEL FICHERO.
Al ejecutar el programa aparecerá una terminal parecida a la siguiente.

Introducimos los datos que nos pide que son, la base de conocimiento (BC), la base de
hechos (BH) y la meta o el objetivo a alcanzar:

Inmediatamente introducimos los datos, el programa empieza a funcionar, primeramente
obtenemos la base de hehos inicial , luego las reglas que se han ido aplicando y después
de esto el contenido final de la (BH) y si se a alcanzado la meta o no, el proceso en detalle
se guarda en un fichero llamado log_datos.txt.

6.2 Caso reales resueltos

Resolveremos manualmente gran parte del primer caso, para compararlo con la salida que nos da
el programa verificando asi el correcto funcionamiento de este, después explicaremos el resultado
obtenido para todos los casos.
Caso 1:
Tenemos los hechos S1=ocupada, S2=ocupada, S3=ocupada, S5=ocupada, U1=verde y la
meta es que S4=libre.
Si lo hacemos a mano tenemos el siguiente conjunto conflicto:

Entre las reglas regla candidatas tendremos que coger la que mayor prioridad tenga en este caso
es la R[5] ya que contiene una Sx y ese tipo de reglas tienen preferencia respecto a las otras.
Por lo tanto tendríamos que tener en la (BH):
S1=ocupada
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U1=verde
U2=rojo

Reglas candidatas
Regla escogida por su prioridad.
Aplicamos la regla y tenemos que tener en la base de hechos (BH) lo siguiente:
S1=ocupada
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U1=verde
U2=rojo
L2=rojo
Al añadir el hecho L2=rojo se activan más reglas R[21], R[23] y por último la R[25].
Por lo tanto las reglas candidatas son:

Regla escogida:
(BH) resultante:
S1=ocupada
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U1=verde
U2=rojo
L2=rojo
U3=rojo
Reglas candidatas:
Regla escogida porque tiene mas prioridad que R1:
Contenido de la (BH):
S1=ocupada
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U1=verde
U2=rojo
L2=rojo
U3=rojo
U4=rojo
Reglas candidatas:

Regla escogida por su prioridad:
Contenido (BH):
S1=ocupada
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U1=verde
U2=rojo
L2=rojo
U3=rojo
U4=rojo
L5=rojo
Reglas candidatas:
Regla escogida “R1 tiene más prioridad por tener el índice mas pequeño”:
(BH):
S1=ocupada
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U1=verde
U2=rojo
L2=rojo
U3=rojo
U4=rojo
L5=rojo
L1=rojo
Reglas candidatas:

Regla escogida:
(BH):
..etc
U6=rojo

Reglas candidatas:
Regla escogida:
(BH):
...etc
L6=rojo
Reglas candidatas:
Regla escogida:
(BH):
..etc
U7=rojo
Reglas candidatas:

Regla escogida:

Para aplicar este tipo de regla hemos de tener en cuenta lo siguiente:
Si “literalC1” ó “literalC2” está en la BH entonces no hacer nada;
en caso contrario
Si ⌐(literalC1) está en BH entonces añadir “literalC2” a la BH;
en caso contrario
añadir “literalC1” a la BH;
FIN_SI;
FIN_SI;

Como no se cumple la condición 1ª, debemos comprobar si ⌐(U3=verde) está en la base de
hechos:
(BH):
S1=ocupada
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U1=verde
U2=rojo
L2=rojo
U3=rojo
U4=rojo
L5=rojo
L1=rojo
U6=rojo
L6=rojo
U7=rojo
efectivamente es así, por lo que añadimos L3=verde a la base de hechos.
(BH):
S1=ocupada
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U1=verde
U2=rojo
L2=rojo
U3=rojo
U4=rojo
L5=rojo
L1=rojo
U6=rojo
L6=rojo
U7=rojo
L3=verde

Al añadirse L3=verde se activan dos nuevas reglas “R[46] y R[38]”
Por lo tanto tenemos las reglas candidatas:
Regla escogida:
Siguiendo el algoritmo anterior descrito tenemos en la (BH) lo siguiente:
...etc
U5=verde
Al aplicarse la R[28] se activan las reglas “R[15] y R[44]” por lo que tenemos las reglas candidatas:

Regla escogida:
(BH):
...etc
S4=libre
Reglas candidatas:

Siguiendo el procedimiento y comparando los resultados obtenidos manualmente con el archivo
log_datos.txt que ha generado el programa, hemos comprobado que para cualquier tipo de regla,
el programa funciona correctamente, por lo que no hace falta comprobar las reglas que faltan por
aplicarse, al final obtenemos en la (BH):
S1=ocupada
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U1=verde
U2=rojo
L2=rojo
U3=rojo
U4=rojo
L5=rojo
L1=rojo
U6=rojo
L6=rojo
U7=rojo
L3=verde
U5=verde
S4=libre
L4=rojo
Meta S4=libre ¡ encontrada !.
Para explicar el porque de este y los demas resultados de los diferentes casos volveremos a
mostrar la imagen del sistema de control ferroviario.

Tenemos los hechos S1=ocupada, S2=ocupada, S3=ocupada, S5=ocupada, U1=verde y la
meta es que S4=libre.
. Como partimos de S1 si queremos llegar a S4 tenemos que tener el semaforo U1 a verde.
si este esta en verde estoy implica que no viene ningun tren por la vía donde estan las señales
U2 y L2.
. No podemos pasar por la vía donde esta S3, por que esta ocupada por otro tren así que U3
debe de estar en rojo y L3 esta en verde.
. El semáforo U4 esta en rojo por lo que hemos dicho antes U3 esta ocupada por otro tren.
. El semáforo L4 esta en rojo para que el tren que venga de allí no choque nuestro tren (el que se
le da salida “S1 en este caso”).

. El semáforo L5 esta en rojo porque la S5 esta ocupada por otro tren.
. El semáforo U6 esta en rojo por que si se diese el caso de que otro tren que venga de S4 no
colisione con nuestro tren .
. El semáforo L1 esta en rojo para que no colisione con nuestro tren ya que si se le diese el pase
ocuparíamos la misma vía.
. El semáforo U7 esta en rojo para que no colisione con nosotros por el mismo motivo que en el
caso anterior.
. El semáforo U5 esta en verde por que la S4 está libre.

Caso 2:
Tenemos los hechos S2=ocupada, S3=ocupada ,S5=ocupada, U7=verde y la meta o objetivo
es S1=libre.
Y el obtenemos el siguiente resultado:
Contenido de la BH final:
S2=ocupada
S3=ocupada
S5=ocupada
U7=verde
L2=rojo
U3=rojo
U4=rojo
L5=rojo
U2=verde
S1=libre
U1=rojo
L1=rojo
META S1=libre ¡ encontrada !.
. Si queremos ir a S1, U7 ha de estar en verde .
. L2 debe de estar en rojo porque S2 esta ocupada por otro tren.
. U3 está en rojo para evitar que colisione con nuestro tren (el que está en S3).
. U4 está en rojo por que S3 está ocupada por nuestro tren.
. L5 está en rojo por que S5 está ocupada.
. U2 está en verde porque S1 está libre.
. Por lo tanto sabemos que S1=libre.
. U1 esta en rojo para evitar que otro tren que esta en S1 choque con nosotros.
. L1 esta en rojo porque cualquier tren que venga de S2 comparte vía con nuestro tren y si se le
diese paso chocaría nosotros.

Caso 3:
Sabemos que S2=ocupada , S5=ocupada , L6=verde y la meta o objetivo es S1=libre.
y obtenemos como resultado:
S2=ocupada
S5=ocupada
L6=verde
L2=rojo
L5=rojo
U6=rojo
U2=verde
S1=libre
U4=verde
S3=libre
U3=rojo
L4=rojo
U8=rojo

META S1=libre ¡ encontrada !.
. Para ir a S1 primeramente tenemos que tener el semáforo L6 a verde.
. El semáforo L2 esta a rojo por que en S2 hay un tren.
. El semáforo L5 esta a rojo porque S5 esta ocupada por nuestro tren.
. El semáforo U6 esta a rojo por que S4 comparte la via que nuestro tren cruzará para llegar a su
destino.
. El semáforo U2 esta a verde porque S1 está libre.
. El semáforo U4 esta a verde porque no hay ningun tren en S3.
. El semáforo U3 esta a rojo porque nosotros cruzaremos por esa via y ningun tren puede venir de
frente.
. El semáforo L4 esta a rojo para que podamos ir por la via S3 que sabemos que esta libre.
. El semáforo U8 esta a rojo porque vamos a pasar por la via donde esta dicho semaforo y no
queremos que venga un tren de frente y choque con nosotros.

7.0 Bibliografía
La referencía [1] se refiere a una página web en la cuál se encuentra toda la documentación de las
funciones disponibles para c++. La referencía [2] se refiere a un tema de la univercidad de oviedo.
La referencía [3] se refiere a un artículo de una biblioteca online.
REFERENCIAS

[1]

http://www.cplusplus.com/reference/
Se busco información sobre como trabajan las algunas funciones que utiliza el programa.

[2]

http://www.aic.uniovi.es/ssii/SSII-T6-SistemasBasadosReglas.pdf
Se obtuvo la imagen del (SBR 2) y definicion nº 2 .

[3]

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_basado_en_reglas
Se obtuvo la definicion nº 1 del (SBR).

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