Korlátkielégítési problémák

1. Korlátkielégítési problémák Autonóm és hibatűrő információs rendszerek Kocsis Imre ikocsis@mit.bme.hu 2013.09.30.

2. Minimum set cover • legyen: • minimalizáljuk: • és legyen igaz szintén: minden Kényszerek

3. Diagnosztika • OK/hibás • Single fault assumption? Kényszerek

4. Diagnosztika, mint korlátkielégítés • ConstraintSatisfactionProblems • A diagnosztika egyik klasszikus mérnöki eszköze • Probléma-definíció és hatékony (keresés-alapú) megoldás szétcsatolása • Kész, hatékony kereskedelmi és nyílt/ingyenes eszközök

5. CSP • A CSP(X) séma: • X adattartományésazonértelmezett • korlátok (relációk) X-en • PéldákX-re • X = Q vagy R • lineárisegyenlőségek/egyenlőtlenségek • következtetés:Gausseliminációésszimplexmódszer • X = FD • korlátok = aritmetikaiéskombinatorikusrelációk • következtetés: MI CSP–módszerek • X = B • korlátok = ítéletkalkulusbelirelációk • Következetés: SAT-solving (a BME Nagyhatékonyságú Logikai Programozás kurzusának jegyzete alapján)

6. CSP(FD) • Formálisan: • CSP = < X,D,C > • X változók halmaza • D értékek doménje • C korlátok halmaza • Korlát: <t, R>, ahol t változó n-es és R egy |t| szignatúrájú reláció • Változók egy lekötése: v: X  D • Egy lekötés kielégít egy <(x1, …, xn), R> korlátot, ha(v(x1), …, v(xn)) R • Egy megoldás egy olyan lekötés, mely minden korlátot kielégít • FD: D végeshalmaz

7. 8-queens • Cél: 8 királynő, egyik se támadja valamely másikat • Változók: királynő pozíciója a sorokban vagy oszlopokban • Domainek: 1…8 • Korlátok? • xi != xj • xi – xj!= i-j • xj – xi!= i-j

8. Kényszertípusok • Unáris kényszerek • Megfigyelés: • Bináris kényszerek • … • Globális kényszerek: „kényszerekkonjunkciójából képezett kényszerek” • Struktúra; hatékony filterek

9. Egy példa • Forráskód

10. Choco 3: Int korlátok • Eclipse

11. CSP(FD): kényszerek ábrázolása • Explicit reláció • Algebrai kifejezések • Propozicionális formulák • Kényszer-gráf • Bináris esetben egyszerű gráf („trükkök” nélkül) • A reláció-algebra operációi egyszerűen adódnak!

12. CSP megoldás • visszalépésesiteratívkeresés (backtracking) • „trashing” veszélye! • Vezérlés? • korlát-terjesztés (constraint propagation) • „tightening” • kényszerhez kötött szűrésen keresztül (filtering) • minél jobb, annál költségesebb • lokáliskeresés (local search) • a gyakorlatbanezekegyüttműködése • Általánosságban: NP-teljesprobléma

13. CSP megoldás - visszalépéses iteratív keresés • Változó kiválasztása • Döntési pont: változó lehetséges értékei • Mélységi keresés • Lekötés, konzisztenciaellenőrzés • Fail: backtracking • Több változat • Változó-sorrendezés • Keresési stratégiák

14. Visszalépéses keresés - példa • Webreq = WebPing OR WebS • WebPing = R OR WebHW • 1 >= R + WebHW • Webreq = 1

15. Visszalépéses keresés - példa

16. Hogyan tegyük ezt hatékonyabbá? • Keresés előtt • Konzisztencia-algoritmusok (N.B. Nem csak előtte) • Alkalmas (fix) változósorrendezés • Keresés közben • „Előrenéző” megoldások • Értékrendezés („legkevésbé megszorító” érték választása) • Változórendezés (a „legjobban megszorító” változó választása) • „Hátranéző” megoldások • ...

17. CSP-megoldás - konzisztencia • Változók/korlátok egy csoportja valamilyen konzisztenciájának fenntartása • Cél: keresési tér szűkítése • Csomópont (node): unáris korlát teljesül az érintett változó doménjén • X < 23 • Él (arc): egy változó élkonzisztens egy másikkal, ha minden megengedett értékéhez létezik a másiknak megengedett értéke

18. Konzisztencia • i-konzisztencia: i-1 változó konzisztens egy i-edikkel, ha az i-1 minden konzisztens lekötése az i-edikben konzisztensen kiterjeszthető • i-ben exponenciálisan bonyolult • Erős i-konzisztencia: minden j <= i-re j-konzisztencia • Terjesztés: (informálisan) a konzisztencia kikényszerítésének szükségessége változóról változóra „terjed” • Lehet „előre”... • ... vagy minden keresési lépés előtt

19. c sémája (vált. sorozat) Probléma-domén n-es

20. Korlát-logikaiprogramozás (kitekintés) • LP: Prolog rezolúció + visszalépés • általánosmodell • CSP: korlát-tár • újkorlátfelvétele: predikátumhívás • "osztott" változók • közösvisszalépés • Prolog meghiúsulás: a tár is visszalép • tárinkonzisztensséválása: visszalépés a legutolsó Prolog choicepoint-ig • tár-konzisztencia: automatikus • keresés: speciálispredikátumok (pl. „labeling”)

21. CLP(FD) Prolog-ban (kitekintés) • Domének: egészszámokvégeshalmazai • beépítettkorlátok • Aritmetikai, domén/tagsági, propozicionális, kombinatorikai • felhasználóikiterjesztések • indexikálisok • globáliskorlátok • monotonkövetkeztetés • belsőmegvalósítás

22. Rövid példa: diagnosztika TMR modell felett • Rövid GNU Prologdemo • + az eredeti példánk CLP(FD)-ben

23. CSP alkalmazása - példák • Önálló • Pl. IBM ILOG CP • Imperatív nyelvbe ágyazva • Java: Choco, Koalog, Jacop, … • C++: Mistral, Minion, GeCode… • Googleor-tools • Deklaratív nyelvbe ágyazva • Sicstus és GNU Prolog, ... • …

24. JSR331: ConstraintProgramming API

25. „Global ConstraintCatalog” • http://www.emn.fr/z-info/sdemasse/gccat/ • Példa: atleast_nvalue

26. MiniZinc

27. Hivatkozások • [1] Rossi, F., Beek, P. Van, & Walsh, T. (Eds.). (2006). Handbook of Constraint Programming (Vol. 2). Elsevier. • [2] A Choco CSP solverhonalpja: http://www.emn.fr/z-info/choco-solver/ • [3] A MiniZinc és FlatZinc leírónyelvek honlapja: http://www.minizinc.org/