Banco de Dados de Restri

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Banco de Dados de Restrições, Multimídia e GIS

• Jairo Coutinho (jco)
• CIn-UFPE

2
Programação por restrições definição e origens

• Paradigma criado para problemas de busca difícil
• incorpora técnicas de matemática, inteligência
  artificial e pesquisa operacional
• permite rápido desenvolvimento de programas,
  economia de manutenção e eficiência
• pioneiro Sketchpad system (1963, Sutherland),
  linguagem por restrições para interações gráficas
• modelagem declarativa e garantia de satisfação
  eficiente
• Algoritmo Lógica Controle
• Restrições para programação multidirecional
• Programação em Lógica por restrição

3
Programação por restrições definição e origens

• Problemas de satisfação de restrições (CSP)
• investigados em busca e IA desde muito tempo
• jogos (ex, n-rainhas) e problemas benchmark (ex,
  coloração de mapa)
• resolução de tais problemas recentemente
  incorporadas a linguagens de programação
• Buscas inteligentes e flexíveis
• permitir que o usuário final possa controlar a
  busca
• combinando técnicas genéricas de busca cega
• com heurísticas para problemas específicos

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Programação por restrições exemplo, coloração
de mapa
Simulação passo a passo... A green B green
(falha c/ A) Bred Cgreen (falha c/ A) C
red Dgreen E green (falha c/ A) E red (falha
c/ B) E blue Fgreen (falha c/ D) Fred (falha
c/ C) F blue (falha c/ E) F backtracking E
backtracking Dred Egreen (falha c/ A) E red
(falha c/ B) E blue Fgreen
variáveis A,B,C,D,E,F domínio
DaDb...Dfgreen,red,blue restrições A ? B
A ? C A ? E B ? E B ? F C ? E C ? F D ? F
E ? F
B
A
C
E
D
F
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Programação por restrições aplicações práticas

• alocação de recursos, agendamento
• planejamento financeiro, manutenção, localização,
  gerenciamento de investimento.
• projeto e implementação de interface gráfica (ex,
  Object Technology International).
• escalonamento baseado em restrições, com
  aplicação na indústria pesada (ex, NASA, forças
  armadas)
• projeto e integração de circuitos digitais, e
  controle tempo real.
• banco de dados e comércio eletrônico

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Programação por restrições paradigmas,
linguagens e sistemas

• Paradigmas
• Imperativo x Restrições
• Funcional
• Lógico
• OO
• 3 paradigmas básicos imperativo, funcional,
  lógico
• OO e Restrições são meta-paradigmas que podem ser
  implementados como camada acima de cada dos
  básicos
• Constraint Logic Programming (CLP)
• CLP(R), Prolog III, ECLiPSe, LIFE
• Constraint Functional Programming
• Oz
• Constraint Imperative Programming
• 2LP(C), CHIP(C)

7
Programação por restrições domínios e operadores

• Domínios Finitos (FD)
• Domínios ?, ?, strings, f(a, ...,b) com a,... b
  constantes simbólicas
• Operadores , -, . /, lt, gt, lt, gt etc..
• Conjuntos
• Domínios ?(?), ?(?), ..., ?(f(a, ...,b) / a,
  ..., b ? ?, ?
• Operadores inter, union, set-diff, etc
• Intervalos
• Domínios Implementa variáveis que variam
  sobre Inteiros e Reais. Baseados resolvedores
  aritméticos.
• Reais (RIA - Real Number Interval Arithmetic)
• Capaz de resolver problemas sobre os reais.
• Funções Reais já implementados

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Programação em lógica com restrições (CLP)

• clausulas de Horn proposicionais
• C ? P1 ? ... ? PN
• em lógica de predicados, necessidade de tratar
  das variáveis
• p(a) ? q(b,Z), r(Z)
• ? p(X)
• Unificação dois termos podem ser unificados se
  há valores na consulta que façam os termos
  iguais.
• P(X) ? X a, Y b, q(Y,Z), r(Z)

• Idéia da CLP
• estender equações entre termos da PL
• com inequações e outras restrições
• ex, P(X) ? X gt 1, Y b, q(Y,Z), r(Z)

9
Programação em lógica com restrições

• CLP admite somente clausulas de Horn
• Programas CLP podem ser explicitamente escritos,
  exceto que no lugar de equações existem
  restrições mais gerais
• CLP(X) com sua semântica define domínio de
  restrições
• Resolvedor é necessário para garantir a
  corretude e completude para o algoritmo CLP(X)

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Exemplo de CLP dieta em ECLIPSE

• Programa
• dieta(A,M,D) - Igt0, Jgt0, Kgt0, IJK ? 10,
  entrada(A,I), principal(M,J), sobremesa(D,K).
• principal(M,I) - carne(M,I).
• principal(M,I) - peixe(M,I).
• entrada(rabanete,1).
• entrada(massa,6).
• carne(filé,5)
• carne(porco,7)
• peixe(solha,2)
• peixe(atum,4)
• sobremesa(fruta,2)
• sobremesa(sorvete,6)

• Resolução
• _at_dieta(X,Y,Z)
• XA, YM, ZD , IJK ? 10 ,Igt0, Jgt0, Kgt0 _at_
  entrada(A,I), principal(M,J), sobremesa(D,K)
• Xrabanete, YM, ZD , 1JK ? 10 , Jgt0, Kgt0 _at_
  principal(M,J), sobremesa(D,K)
• Xrabanete, YM, ZD , 1JK ? 10 , Jgt0, Kgt0 _at_
  carne(M,J), sobremesa(D,K)
• Xrabanete, Yfilé, ZD, 15K ? 10 Kgt0 _at_
  sobremesa(D,K)
• Xrabanete, Yfilé, Zfruta_at_

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BD de restrições motivação e agenda

• Banco de dados
• Persistência
• Otimização de acesso a memória segundaria
• Acesso concorrente
• Recuperação
• Linguagem de manipulação
• Visões e dados derivados
• Restrições de integridades
• Manipulação dinâmica de esquema
• Utilitários administrativos

• Programação por restrição
• Alta declaratividade com equações e inequações
  entre variáveis lógicas
• Dedução em lógica da 1a ordem
• Completude computacional
• Resolução de restrições eficiente em domínios
  predefinidos
• Codificação direta e bem fundamentada das
  restrições de integridade
• Fornece modelos de dados relacional e dedutivo
  como casos particulares

BD de restições
12
Tupla generalizada visão dos BD relacionais no
paradigma de programação por restrições

• Idéia de BD de restrições ver uma tupla como
  conjunto de restrições sobre um dado domínio de
  restrições
• Tupla generalizada tupla anotada com restrições
  entre valores dos seus elementos pj(X1, ... ,
  Xk) C
• Ex, tupla pessoa simples
• Em relacional (Bruce,Willis,GroupLeader,01/
  05/90)
• Como restrições (FN,LN,Pos,Date) FNBruce ?
  LNWillis ?
• 
  PosGroupLeader ? Date01/05/90
• Generalizada com inequação (FN,LN,Pos,Date)
  FNBruce ?
• LNWillis ? PosGroupLeader ?
• 01/01/95 ? Date ? Date ? 01/05/90
• Numero finito de tuplas generalizadas podem
  representar infinidade de tuplas relacionais

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Agentes, armazém e resolvedores de restrições

• Armazém
• aplica informação parcial sobre uma variável,
  expressa como uma restrição da mesma
• um modelo que trate das restrições primitivas de
  um domínio
• aproximação da uma solução intermediária da
  consulta corrente
• Resolvedor (computação global centralizada)
• verifica automaticamente a consistência de cada
  nova primitiva passada com as existentes no
  armazém
• Agentes (computação local distribuída)
• daemons tratando de um conjunto dado variáveis
• disparados por alteração da faixa de uma dessas
  no armazém
• propagada efeito dessa alteração nas suas outras
  variáveis
• manda novas faixas para a armazém e suspende-se
• o estado corrente da computação distribuído entre
  armazém e agentes

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Exemplo de resolução de restrições por meio de
agentes, armazém e resolvedores

• Quatro agentes trabalhando no problema
• 3 ? X, X ? 1, X ? Y, Y? X
• A1 aplica 3 ? X, A2 aplica X ? 1, A3 aplica X ?
  Y, A4 aplica Y? X

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Arquiteturas de BD de restrições

• Acoplamento fraco
• idéia armazenar restrições persistentemente num
  BD relacional
• reaproveita serviços de BD como indexação e
  otimização de acesso a memória secundária e de
  gerenciamento de transações
• desenvolvimento rápido
• overhead de conversão de restrição para relação
• ineficiência e perda de significado
• Acoplamento forte
• idéia tornar restrições persistentes
• sem perda de significado, nem overhead de
  conversão
• reimplementação no novo paradigma de todos os
  serviços de BD
• desenvolvimento custoso
• conceitualmente bem fundamentada
• ? escalabilidade, extensibilidade, etc.

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BD de restrições sistemas implementados

• ECLIPSE/MegaLog
• ECLiPSe linguagem de programação em lógica por
  restrições implementando CLP(R), CLP(FD),
  CLP(Intervalos), CLP(Conjuntos), CLP(Estruturais)
• Megalog pode armazenar variáveis de restrição e
  suporta indexação multidimensional
• Falta uma linguagem de consulta de restrições
  integrada, indexação e otimização
• DISCO
• implementadas intervalos ordenados de inteiros e
  conjuntos ordenados
• linguagem de consulta baseada na lógica e
  não-procedimental
• usuários pode representar entradas na base usando
  restrições
• incorpora vários métodos de otimização

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BD de restrições sistemas implementados

• C3
• modelo de dados e linguagem de consulta LiriC
• baseada no paradigma de OO
• incorpora restrições para a descrição de
  informações espaço-temporal em BD de restrições
• trata cada objeto de restrição separadamente
• expressividade e eficiência

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BD de restrições limitações do estado da arte

• Técnicas de otimização ainda não madura para
  grande massas de dados
• Abordagem de restrições puras ainda não fornecem
  todas os serviços de BD (segurança, transações
  etc.)
• Pouca integração com sintaxe e formalismos de
  massa
• Paradigma de programação por restrições pouco
  divulgado e ensinado
• Falta de um padrão
• Porém
• conceitualmente muito elegante, expressivo,
  versátil e otimizável e então promissor
• já usada para BD temporais, espaciais, multimídia
  e distribuídas heterogêneas

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BD multimídia definição e questões

• Novos tipos de dados
• imagens, gráficos, texto, áudio, discurso, vídeo,
  mídia gerada
• Dificuldades de tratar desses separadamente
• não suportados como built-in por linguagens de
  programação de propósito gerais ou por linguagens
  de consulta de BD
• produção, manipulação e apresentação requer
  dispositivos e ferramentas especiais
• tamanho (de MB a TB no mínimo)
• estrutura e semântica interna complexa
• novas linguagens de consultas expressivas
• consultas aproximativas (reconhecimento de
  padrão)
• dependência do tempo (ex, áudio)
• Inter-relacionamento entre
• informações representadas por diferentes mídias
  (ex, legenda de uma imagem, imagem de texto
  escaneado)
• sincronização de dados em várias mídias temporais
  (ex, animações, vídeo)

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BD multimídia definição e questões

• Armazenamento de informações
• referências externas
• campos longos
• uso de funções externas
• sistemas extensíveis e orientados a objetos
• Modelagem dos dados multimídia
• diferentes técnicas de compressão (áudio e vídeo)
• Recuperação de informação
• trechos específicos, composição de novas mídias
• metaconhecimento
• Arquitetura
• protocolo de transporte

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BD espaciais e GIS definição e questões

• Armazenamento compacto de grande massas de dados
  espaciais (representações baseadas em pontos não
  viáveis para muitas aplicações)
• Raciocínio geométrico sofisticado e eficiente
• ex, interseção, opacidade, navegação, alocação de
  espaço., etc.
• Ontologia espacial
• Indexação multidimensional dos objetos
  geométricos
• Linguagem de consulta especializada

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BD espaciais e GIS abordagens

• Abordagens principais
• BDOO retângulos, polígonos e objetos espaciais
  mais complexos são naturalmente representados
• BD de restrições
• representação conjunto de pontos e polígonos de
  modo natural.
• permite a avaliação de predicados consulta
  espacial como interseção e distância.
• Otimização de técnicas de indexação
  multidimencional

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BD espaço temporal definição e questões

• Ausência de uma padrão
• proliferação de diferentes
• modelos lógicos e físicos de dados
• linguagens de consulta
• variedade das necessidades das aplicações
  dificulta padronização
• necessidade de interoperabilidade
• BD de restrições
• muitos modelos espaciais, temporais e espaço
  temporais são casos particulares do modelo
  abstrato das tuplas generalizadas
• Linguagens de restrições excelente candidata como
  língua franca para interoperabilidade entre
  diferentes bancos espaciais, temporais e
  espaço-temporal

24
Integração de dados e interoperabilidade em BD
distribuídos

• BD de restrições generaliza
• BD relacionais
• BD dedutivas
• BD espaciais
• BD temporais
• Fornece serviços e capacidade de modelagem
  ortogonal às fornecidas pelos BDOO
• BDOO de restrições excelente candidato para
  tornar-se padrão universal de interoperabilidade
  entre aplicações avançadas
• Porém, não sub-estima SQL2999 ! )

25
Exemplo interoperabilidade via restriçõesBD
Temporal

• Relação dos pesquisadores
• Representando como tupla generalizada
• reseacher(name,comp,t) - nameAnderson, comp
  ATT,
• 1980?t, t ?1993
• reseacher(name,comp,t) - nameBrown, comp
  IBM,
• 1985?t, t ?1996
• reseacher(name,comp,t) - nameClark, comp
  ATT,
• 1990?t, t ?1991

26
Exemplo interoperabilidade via restriçõesBD
Espacial
Representação em tupla generalizada
object(p1,x,y) - x10, y4 object(l1,x,y) -
5?x, x?9, y -x15 object(l1,x,y) - x9, 3?y,
y?6 object(t1,x,y) - 2?x, x?6, 3?y, y?7, y ?
-x9 object(r1,x,y) - 1?x, x?11.5, 2?y?11
object(p2,x,y) - x?3, y?5, y?x-1, y?x5, y ?
-x13
r1
l1
p2
11 10 9 8 7 6 5 4 3
2 1
p1
t1
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12
27
Exemplo interoperabilidade via restriçõesBD
Espaço-Temporal
Representação em tupla generalizada
object(p1,x,y) - x10, y4,
1980?t, t?1996 object(l1,x,y) - 5?x, x?9, y
-x15, 1995?t, t?1996
object(l1,x,y) - x9, 3?y, y?6,
1995?t, t?1996 object(t1,x,y) - 2?x, x?6, 3?y,
y?7, y ? -x9, 1975?t, t?1990
object(r1,x,y) - 1?x, x?11.5, 2?y?11,
1994?t, t?1996 object(p2,x,y) - x?3, y?5,
y?x-1, y?x5, y ? -x13,
1991?t, t?1996
1994-1996
r1
1995-1996 l1
p2 1991-1996
11 10 9 8 7 6 5 4 3
2 1
t1 1975-1990
p1 1980-1986
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12
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BD de restrições conclusão

• Estende BD relacionais e dedutivas
• Permite implementar elegantemente BD espaciais,
  temporais, multimídia e interoperabilidade em BD
  distribuídas heterogêneas
• Resolve impedance-mismatch (já que programação
  por restrições é computacionalmente completa)
• Reaproveita de técnicas de IA (busca heurística),
  pesquisa operacional e matemática para conseguir
  eficiência
• Vasto leque de aplicações práticas e industriais
• Apenas na fase inicial em termos de
• Implementação de SGBD
• Divulgação e ensino do formalismo
• Padronização