Depósito Legal ppi 201502ZU4668
Vol. 26, No 1, 2
Enero - Junio 2018
An International Refereed Scientic Journal
of the Facultad Experimental de Ciencias
at the Universidad del Zulia
Esta publicación cientíca en
formato digital es continuidad
de la revista impresa
Depósito Legal: pp 199302ZU47
ISSN: 1315-2076
Scientic Journal from the Experimental Faculty of Sciences,
at the Universidad del Zulia Volume 26 Especial N° 1, 2, Enero - Junio 2018
CIENCIA 26 (1,2), 15 - 22, 2018
Maracaibo, Venezuela
SITUALIZ: Software para la simulación de planes situacionales
Noelia Cegarra Ospino, Gerardo Pirela Morillo*
cegarranoelia@gmail.com, gepirela@fec.luz.edu.ve
Laboratorio de Lenguajes y Modelos Computacionales. Facultad Experimental de Ciencias.
La Universidad del Zulia
Recibido: 22-12-2017 Aceptado: 27-01-2018
Resumen
La planicación automática estudia la construcción de planes como secuencias de acciones, dado
un conjunto de precondiciones y efectos, para llegar a satisfacer una meta. La lógica situacional ofrece un
lenguaje formal para modelar y razonar sobre situaciones: objetos, acciones con precondiciones y efectos,
y las condiciones para que las metas sean satisfechas. Asimismo, el cálculo situacional dene mecanismos
computacionales para la construcción de planes, aplicando razonamiento automático sobre los axiomas de la
lógica situacional. Se desarrolló una herramienta de software que permite, a través de una interfaz gráca, denir
los elementos de lógica situacional para casos generales; se implementó un planicador situacional basado en
búsqueda en anchura para garantizar hallar planes con la menor cantidad de acciones posibles; se integró un
visualizador para el grafo y el plan situacional explorado hasta el momento de satisfacer la meta. Siguiendo una
metodología de ciclo de vida de software, se utilizó Prolog para la representación e implementación de lógica y
cálculo situacional, Java para la interfaz gráca, TuProlog para la conexión entre la interfaz y el planicador, y
GraphViz para la visualización de los grafos y planes situacionales.
Palabras clave: Planicación automática, lógica situacional, grafo de situaciones, Prolog, GraphViz.
SITUALIZ: Situational planning simulation software
Abstract
Automatic planning studies building plans as action sequences to satisfy goals given a set of constraints
such as preconditions and other conditions depending on specic modeling strategies. Situational logic provides
a formal framework to dene situations: their elements, actions, and constraints (preconditions and effects),
as well as the conditions to call all goals satised. Situational calculus provides computational approaches to
build situational plans reasoning over the axioms of situational logic. The resulting software provides a graphic
interface to dene situations’ elements, both the initial and goal situations, and the permitted actions with their
preconditions and effects; the core situational planner was implemented based on the breadth-rst search
algorithm to guarantee nding fewest-action (shortest-length) plans. The software also displays graphical
rendering of the situational plans which the algorithm explores up to the point where the goal situation is found,
as well as the fewest-action plan found. Following a software life-cycle methodology, the authors used Prolog
for representing and implementing situational logic and calculus, Java for the graphical interface, TuProlog for
the connection between the interface and the situational planner, and GraphViz for rendering the situational
graph and the resulting plan.
Keywords: Automatic Planning, Situational Logic, Situational Graph, Prolog, GraphViz
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Introducción
De los casi 70 años de historia de la inteligencia
articial, en las últimas dos décadas ha alcanzado un
auge muy importante que la han vuelto ubicua en casi
todos los aspectos de la vida cotidiana y a la cabeza
en los principales avances cientícos y tecnológicos.
Dentro de ésta, la planicación automática se encarga
de la construcción de principios computacionales
para la representación de objetos y acciones
permitidas (con sus precondiciones y efectos) en el
entorno y la subsecuente construcción de planes en
la forma de secuencias de acciones para llegar de
una condición inicial a la satisfacción de metas (1).
El estudio de técnicas de programación
lógica, razonamiento automático y especialmente
planicación automática es fundamental dentro del
estudio más amplio de la inteligencia articial.
Planicación automática sigue siendo un
tema importante en el currículo de inteligencia
articial. Herramientas de software que faciliten
la edición, simulación y visualización de elementos
de planicación automática serían de gran ayuda,
tanto en el contexto académico como en el contexto
exploratorio general de tales conceptos. Sin duda
serían positivamente conducentes al proceso de
enseñanza-aprendizaje.
Existen varias herramientas de apoyo a la
enseñanza de temas importantes de inteligencia
articial y modelos computacionales. Por
ejemplo, la suite Fenix-Logios-Asix consiste en
tres herramientas desarrolladas para apoyar la
enseñanza de conceptos fundamentales de teoría
de la computación: Fénix permite la construcción,
manipulación y simulación de autómatas nitos
determinísticos y no determinísticos (2). Asix
integra la manipulación y simulación de máquinas
de Turing estándares y de acceso aleatorio (3). Logios
incorpora la edición, simulación y visualización de
modelos de parsing universal basados en gramáticas
libres de contexto: proceso de cómputo del autómata
de pila equivalente a la gramática y algoritmo YCK
de la forma normal de Chomsky equivalente de la
gramática dada (4).
Con el mismo espíritu de crear una herramienta
para facilitar el proceso de enseñanza-aprendizaje
de algunos conceptos básicos de planicación
automática, se creó el software acá presentado. Se
tomó de Logios la arquitectura general de conectar
una interfaz gráca de usuario con un motor de
razonamiento automático sobre el que se implementó
el planicador, así como la visualización del espacio
de planes explorados a través de la conexión con un
generador de grafos.
Planicación automática
Es una rama de la inteligencia articial para la
producción de planes como secuencias de acciones
para alcanzar una meta (1). Para efectuar un plan
es necesaria la creación de un leguaje que dena los
estados iniciales, las acciones a tomar, el resultado
de la toma de dichas acciones y la meta a alcanzar,
y esto es realizado por parte de un planicador que
trabaja con algoritmos que generan dichos planes.
Un planicador descompone el mundo en
condiciones lógicas y representa los estados iniciales
como una secuencia de literales positivos conectados
y estos deben ser simples y sin dependencias
funcionales; las acciones son especicadas en
términos de las precondiciones que deben cumplirse
antes de ser ejecutadas y de las consecuencias que se
siguen cuando se ejecutan; la meta es representada
como una secuencia de literales positivos y simples,
un estado proposicional s satisface un objetivo g si
s contiene todos sus elementos en g. El esquema
general de acción consiste en tres partes:
• El nombre de la acción y la lista de
parámetros.
• La precondición: unión de literales positivos
sin dependencia funcional, estableciendo lo
que debe ser verdad en un estado antes que
una acción sea ejecutada.
• El efecto: unión de literales positivos
sin dependencia funcional que describe
cómo cambia el estado cuando la acción es
ejecutada.
Russell y Norvig (1) indican que la planicación
automática en el campo de la inteligencia articial
surgió de la investigación en búsqueda en espacio
de estados, demostración automática de teoremas,
entre otras áreas. Uno de los primeros planicadores
basados en lógica de primer orden fue el STRIPS
(de la Universidad de Stanfod). De éste empezaron
a evolucionar versiones cada vez más sosticadas,
con aplicaciones principalmente en el área de
robótica industrial. En la década de los 2000 se
logró estandarizar un lenguaje de descripción de
acciones y un lenguaje descripción de dominio. Se
crearon competencias y se tipicaron los problemas
de planicación automática y basada en grafos
de espacios de búsqueda como NP-Duros. Las
herramientas de planicación se volvieron cada vez
más especícas a los dominios de aplicación.
Planicación situacional
La idea detrás de la planicación situacional es
que los estados pueden ser denidos en términos
de las acciones necesarias para llegar a ellos (5).
Cada relación que pueda cambiar con el tiempo se
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maneja dando una situación adicional al predicado
correspondiente.
Según describen Russell y Norvig (1), en
la planicación situacional solo se consideran
ambientes completamente observables y acciones
determinísticas. De tal manera que una situación
se describe completamente en el lenguaje formal
de lógica de primer orden, como la conjunción de
hechos observables sobre los elementos del entorno
y sus interrelaciones. Asimismo, se denen las
acciones legales en cualquier situación, especicando
sus precondiciones y efectos. Las precondiciones
se denen como una lista de hechos que deben
cumplirse en cualquier situación para poder tomar
la acción descrita. Los efectos se describen como
una lista de hechos que serán ciertos en la siguiente
situación si se ejecutara la acción descrita.
Siguiendo este esquema, a partir de una situación
dada S
i
se pueden calcular las situaciones siguientes
posibles con los efectos de las acciones válidas desde
S
i
, según los hechos que son ciertos en Si; cada
una de dichas acciones potencialmente generaría
exactamente una situación nueva S
j
, dependiendo de
los efectos de la acción tomada. Este tipo de cálculo
se denomina cálculo situacional. De esta forma, se
genera dinámicamente un grafo de situaciones, en
el que los nodos son situaciones y cada arco es una
acción legal para el nodo situación hacia el nodo
situación resultante.
Deniendo una situación inicial y una situación
meta, un planicador situacional es cualquier
algoritmo que utilice cálculo situacional para
generar dinámicamente el espacio de soluciones
parciales (grafo situacional), hasta llegar a la
situación meta o cumplir un criterio de divergencia
que permita detectar si no existen planes posibles.
De existir al menos un plan posible, la salida del
planicador es un camino en el grafo de situaciones,
desde la situación inicial hasta la situación meta; el
plan se representaría como la secuencia de acciones
indicadas por los arcos del camino.
Metodología
Para el desarrollo de esta investigación se utilizó
la metodología del ciclo de vida para el desarrollo
de sistemas (6). Esta metodología especica que
un sistema sigue una estructura bien organizada
y claramente planteada a lo largo de cuatro fases
fundamentales: investigación preliminar, diseño,
desarrollo de la herramienta y pruebas del producto
nal.
Durante la fase de investigación preliminar
se revisaron herramientas para el apoyo al
proceso de enseñanza de temas especícos del
área de modelos computacionales e inteligencia
articial. La herramienta descrita por (4) resultó
particularmente pertinente para el presente trabajo
por cuanto combina interfaz gráca para denición
de elementos, generación de código en lógica de
primer orden y construcción de resultados en
forma de grafos de espacio de búsqueda y caminos
sobre dicho grafo. Se requirió, entonces, conectar
un motor de razonamiento automático para el
planicador, una herramienta gráca para la
visualización de los grafos y los planes situacionales,
y una interfaz gráca para la edición e integración
con el planicador y el visualizador. La herramienta
resultante se bautizó “Situaliz”.
Arquitectura de Situaliz
El planicador situacional se implementó en
SWI-Prolog, utilizando un algoritmo de recorrido
en anchura (7) para garantizar que, de existir un
plan, el planicador halle uno de menor longitud
(menor cantidad de acciones posibles entre la
situación inicial y la meta). Para la integración de
este módulo se migró el código del planicador a
TuProlog: una versión de Prolog ligero aplicaciones
e infraestructura distribuidas (8); también se creó
un lenguaje de alto nivel para la especicación de los
elementos de lógica situacional. Se usó el entorno de
desarrollo IntelliJ IDEA, en conjunto con JavaFX
Scene Builder, creando una interfaz amigable que
ofrece al usuario la oportunidad de una interacción
abierta con la herramienta. Se creó un módulo de
visualización de grafos de situaciones con la ayuda
de la herramienta Graphviz en su versión 2.38. Esta
arquitectura a alto nivel se aprecia en la gura 1.
Figura 1. Arquitectura de Situaliz
La interfaz gráca de la herramienta se desarrolló
en el lenguaje de programación Java. Este módulo
permite que el usuario edite los elementos de un
plan situacional, especicando los elementos de
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entorno, características del entorno, estado inicial,
meta, acciones, precondiciones y efectos. Luego
estos datos son convertidos al código Prolog que
es ejecutado usando la herramienta TuProlog,
produciendo el plan situacional en este módulo que
posteriormente es enviado al visualizador de planes.
En el módulo de visualización de planes se crea un
archivo .dot a partir del plan situacional generado
para así establecer comunicación con GraphViz y
poder crear la imagen del grafo de situaciones que es
mostrado al usuario por medio de la interfaz gráca.
Situaliz fue diseñado con una interfaz
minimalista que proporciona al usuario una
interacción clara, haciendo sencillo el ingreso de los
objetos necesarios para el planicador situacional:
elementos y características del entorno, situaciones
inicial y meta, acciones: precondiciones y efectos.
Esta interfaz fue creada en Java, mediante el EDI
IntelliJ IDEA y JavaFX Scene Builder; para el diseño
de este módulo también se utilizó el leguaje FXML
que es un lenguaje basado en XML, que provee la
estructura para construir una interfaz de usuario
separada de la lógica del código de la aplicación
(9). La gura 2 muestra el menú principal de la
herramienta.
Figura 2. Ventana principal de Situaliz
Una vez que el usuario por medio de la
interfaz haya denido los elementos básicos de
un planicador situacional, se puede simular el
planicador a través de la conexión con la librería
TuProlog: las deniciones ingresadas por la interfaz
gráca se convierten en código Prolog con la sintaxis
y el formato que espera el planicador situacional, el
resultado de cuya ejecución contiene la información
del grafo situacional y el camino que representa
el plan hallado. Esta información es convertida a
lenguaje .dot para que GraphViz lo interprete como
grafo y se pueda visualizar en la ventana respectiva.
La visualización del grafo de situaciones que se
genera con los datos que el planicador devuelve se
muestra como una imagen generada con GraphViz,
a partir del archivo .dot generado en la sección de
simulación. Este grafo tiene coloreado de azul los
nodos que representan las situaciones resultantes
de la secuencia de acciones que llevan a la meta; las
aristas están etiquetadas con la acción que conecta
las dos situaciones. Esta ventana permite realizar
zoom al grafo mostrado.
Resultados y discusión
Para mostrar un caso de uso desarrollado con
Situaliz, se introduce el “Mundo de Bloques”: sobre
una mesa se disponen un número nitos de bloques,
en una conguración inicial (algunos bloques sobre
la mesa, otros bloques sobre algún otro bloque) y se
desea realizar una secuencia de movimientos para
llevar los bloques a una conguración meta. La
gura 3 muestra un ejemplo de tal escenario.
Figura 3. Mundo de Bloques – bloques
etiquetados con las letras a,b,c sobre una
mesa. La conguración de la izquierda es
la situación inicial; la conguración de la
derecha es la situación meta. Se desea llegar
de una a la otra con movimientos sucesivos
de bloques.
En este “Mondo de Bloques”, los elementos del
mundo serían la mesa y los bloques, identicados
con alguna etiqueta distintiva; la descripción de
las situaciones sería la conjunción de relaciones
sobre(X,Y) que representaría que el objeto X
(algún bloque) está encima del objeto Y (algún otro
bloque o la mesa) y despejado(X) para indicar que
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el objeto X (bloque o mesa) no está despejado (no
tiene ningún otro bloque encima); la única acción
permitida sería mover(X,Y) que representaría
el movimiento del objeto X (algún bloque) hacia
otro objeto Y (otro bloque o la mesa). Los planes
serían, entonces, una secuencia de movimientos que
permitan transformar la conguración descrita por
la situación inicial en la conguración denida en la
situación meta.
La gura 4 muestra la interfaz gráca donde se
deniría los bloques y la mesa, así como la denición
de las relaciones para describir las situaciones. En el
caso de uso, se denen tres bloques (a, b, c), la mesa
(m) y las relaciones sobre y despejado. La notación
sobre/2 indica que es una relación binaria: admite
dos argumentos (el objeto indicado por el primer
argumento está encima del objeto representado por
el segundo argumento); mientras que despejado/1
indica una relación unaria: admite solo un
argumento (el objeto indicado por el argumento no
tiene ningún otro objeto encima).
Figura 4. Denición de los elementos del
mundo y las relaciones para denir las
situaciones.
En la gura 5 se puede observar el uso de la
interfaz gráca para la denición de las situaciones
inicial y nal. En la situación inicial, los tres bloques
están despejados sobre la mesa; la situación meta,
los tres bloques están apilados sobre la mesa: a
sobre b, b sobre c, c sobre la mesa (el hecho de que el
bloque a está despejado resulta redundante en este
caso).
Figura 5. Denición de las situaciones
inicial y meta.
Para denir la acción mover(X,Y) se deben
denir primero las precondiciones que deben
cumplirse en una situación para que se pueda
ejecutar el movimiento del objeto X hacia el objeto
Y: el objeto a mover, X, debe ser un bloque (no
puede ser la mesa) y estar despejado; además, el
objeto que recibirá el movimiento, Y, debe estar
despejado. Luego se denen los efectos: en la
situación resultante, X quedará sobre Y; Y ya no
estará despejado (a menos que Y sea la mesa, la
cual siempre tendrá espacio para recibir bloques),
el objeto sobre el cual estaba X quedará despejad, X
seguirá despejado y todos los demás bloques que no
estuvieron involucrados en la acción permanecerán
sin cambio. Estas deniciones, a través de la interfaz
gráca de Situaliz, se observan en las guras 6 y 7.
Figura 6. Denición de las acciones:
precondiciones.
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Figura 7. Denición de las acciones:
efectos.
Una vez denidos todos los elementos de lógica
situacional, el botón de “Listo” activa la generación
del código Prolog, tal como se muestra en la tabla 1.
Este código es integrado con el resto del planicador
situacional basado en búsqueda de anchura y se
ejecuta el planicador. En el proceso de salida, el
grafo situacional es generado dinámicamente y, paso
a paso, la salida es transformada en formato .dot, tal
como se muestra en la tabla 2. El grafo resultante, en
formato .dot, es pasado por GraphViz para generar
una imagen que es visualizada en la ventana nal del
simulador, tal como se muestra en la gura 8.
Tabla 1. Código Prolog generado
% Elementos del mundo
bloque(a).
bloque(b).
bloque(c).
mesa(m).
% Situación inicial
cierto(sobre(a,m),sit0).
cierto(sobre(b,m),sit0).
cierto(sobre(c,m),sit0).
% Situación meta:
Meta=y(y(sobre(a,b),
sobre(b,c)),
sobre(c,m)).
% Acciones: Precondiciones
puedo(mover(B1,B2),Sit):-
bloque(B1), bloque(B2), B1\==B2,
despejado(B1), despejado(B2)
\+cierto(sobre(B1,B2),Sit).
puedo(mover(B1,B2),Sit):-
bloque(B1), mesa(B2),
\+cierto(sobre(B1,B2),Sit).
% Acciones: Efectos
cierto(
sobre(B1,V_4),
result(mover(V_1,V_2),Sit)):-
bloque(B1), V_1\==B1,
cierto(sobre(B1,V_4),Sit).
% Se generan otros efectos
Tabla 2. Segmento de archivo .dot generado
Salida del planicador Formato .dot equivalente
sit0 result(mover(a,b),sit0)
sit0 result(mover(b,a),sit0)
sit0 result(mover(b,m),sit0)
“Sit0” -> “Sit1” [label=”mover(a,b)”];
“Sit0” -> “Sit2” [label=”mover(b,a)”];
“Sit0” -> “Sit3” [label=”mover(b,m)”];
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Figura 8. Grafo situacional con el plan
resultante resaltado en azul sus nodos.
En caso de que no exista plan posible para llegar
a la situación meta a partir de la situación inicial
denidas, se muestra un error como el descrito en la
gura 9. El software se diseñó con buenas prácticas
de desarrollo de software, así que se captura y se
reporta cualquier otro error que ocurra durante la
edición o la simulación del planicador situacional.
Figura 9. Respuesta cuando el
planicador diverge y no halla plan válido.
Conclusiones
Situaliz se presenta como una herramienta de
software para apoyo al proceso de enseñanza de
cálculo y planicación situacional, en el contexto
del área de planicación automática en el campo
de la inteligencia articial. Esta herramienta para el
modelaje y simulación de resolución de problemas
en estas técnicas de planicación situacional, a
través de una interfaz gráca intuitiva que permite
la edición de los elementos de lógica situacional:
objetos del mundo, acciones, precondiciones y
efectos; luego simula la construcción de planes
situacionales y genera la visualización del grafo de
situaciones.
Durante el desarrollo de la herramienta se creó
un lenguaje de alto nivel que facilita al usuario
especicar de manera detallada los elementos de
lógica situacional, por medio de una interfaz gráca
amigable. Luego de esta interacción se da paso a
los procesos necesarios para realizar las consultas
al planicador, para lo cual fue indispensable la
comunicación entre los lenguajes Java y Prolog, lo
que permitió que la herramienta tomara ventaja de
dicha unión para su buen funcionamiento.
El planicador situacional se implementó en
Prolog, basado en el algoritmo de búsqueda en
anchura sobre el grafo de situaciones que se va
generando dinámicamente. La búsqueda en anchura
garantiza que el planicador se ejecute con una
complejidad computacional temporal lineal sobre
el tamaño del grafo (cantidad de nodos situaciones
más cantidad de arcos acciones), además de
garantizar que el planicador no explore ciclos de
forma redundante y que el plan resultante siempre
contenga la menor cantidad de acciones posibles.
Se construyó un módulo para la visualización
del grafo de situaciones, que permite al usuario
observar las acciones tomadas por el planicador y
la secuencia que conduce a la solución. El resultado
del planicador en Prolog es traducido a formato
.dot que GraphViz convierte en imagen para ser
visualizada en la ventana nal del simulador.
Las pruebas funcionales a la herramienta
permitieron detectar y corregir errores a lo largo del
desarrollo de la misma. Se probaron varios casos
de uso. En este manuscrito se describió el caso del
mundo de bloque; también se probó otros casos
de uso, que permitieron explorar las limitaciones
tanto de la herramienta como de la planicación
situacional. Por ejemplo, una limitante conocida
del cálculo situacional es la necesidad de modelar
explícitamente como efectos las características que
no cambian de una situación a la siguiente, para
poder calcularse nuevamente como parte de la
construcción de la situación resultante.
Finalmente, se plantean las siguientes vías de
trabajo futuro:
• Optimizar la interactividad de la herramienta,
de manera que el usuario observe paso a
paso las acciones tomadas por parte del
planicador.
• Explorar los límites de lógica situacional
con la que está programada el planicador,
pudiéndose detectar los mismos a través de
la interfaz.
• Limitar las iteraciones realizadas por parte
del planicador mediante la detección
de alguna entrada que conlleve a un siclo
innito.
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Scientic Journal from the Experimental Faculty of Sciences,
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• Darle continuidad a la investigación en
esta materia para fortalecer las líneas de
investigación de modelos computacionales y
la simulación de agentes inteligentes.
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Esta revista fue editada en formato digital y publicada
en junio de 2018, por el Fondo Editorial Serbiluz,
Universidad del Zulia. Maracaibo-Venezuela
Vol.26 Nº1, 2
