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"""
MLE System - Intégration complète du Morpho-Logic Engine

Orchestre les modules :
- memory (SparseAddressTable)
- routing (HammingRouter)
- binding (CircularBinder)
- energy (EnergyLandscape)
- inference (InferenceEngine)

Ajoute :
- Pile sémantique pour traitement hiérarchique
- Méta-apprentissage sur la structure même du système
- Métriques et monitoring
- Stabilisation globale
"""

import numpy as np
from typing import List, Dict, Tuple, Optional, Callable, Any
import logging
import time
import json

from .memory import SparseAddressTable, VECTOR_SIZE
from .routing import HammingRouter
from .binding import CircularBinder
from .energy import EnergyLandscape
from .inference import InferenceEngine, InferenceResult

logger = logging.getLogger(__name__)


class SemanticStack:
    """
    Pile sémantique pour traitement hiérarchique.
    
    Permet de représenter des structures imbriquées :
    - Niveau 0 : tokens/bruts
    - Niveau 1 : chunks/groupes
    - Niveau 2 : phrases/propositions
    - Niveau 3+: concepts abstraits
    """
    
    def __init__(self, max_depth: int = 4):
        self.max_depth = max_depth
        self.levels: List[List[int]] = [[] for _ in range(max_depth)]
        self.level_bindings: Dict[int, Dict[Tuple[int, int], np.ndarray]] = {}
        
    def push(self, vector_id: int, level: int = 0):
        """Ajoute un vecteur à un niveau."""
        if 0 <= level < self.max_depth:
            self.levels[level].append(vector_id)
    
    def pop(self, level: int = 0) -> Optional[int]:
        """Retire le dernier vecteur d'un niveau."""
        if 0 <= level < self.max_depth and self.levels[level]:
            return self.levels[level].pop()
        return None
    
    def bind_level(self, level: int, binder: CircularBinder, memory: SparseAddressTable):
        """
        Combine les vecteurs d'un niveau en un vecteur composite,
        puis le pousse au niveau supérieur.
        """
        if level >= self.max_depth - 1:
            return None
        
        ids = self.levels[level]
        if len(ids) < 2:
            return None
        
        # Récupère les vecteurs
        vectors = []
        for vid in ids:
            for idx, meta in memory.metadata.items():
                if meta.id == vid and memory.active_mask[idx]:
                    vectors.append(memory.vectors[idx])
                    break
        
        if len(vectors) < 2:
            return None
        
        # Binding de tous les vecteurs du niveau
        composite = binder.bind_multiple(vectors)
        
        # Stocke le composite
        self.level_bindings[level] = {}
        for i, vid in enumerate(ids):
            for j, vid2 in enumerate(ids[i+1:], i+1):
                self.level_bindings[level][(vid, vid2)] = composite
        
        # Crée un nouveau vecteur pour le composite et le pousse au niveau supérieur
        new_id = memory.create_vector(context=composite, abstraction_level=level+1)
        self.levels[level] = []
        self.push(new_id, level=level+1)
        
        return new_id
    
    def get_level_state(self, level: int, memory: SparseAddressTable) -> np.ndarray:
        """Retourne l'état composite d'un niveau."""
        if level >= self.max_depth:
            return np.zeros(VECTOR_SIZE, dtype=np.uint8)
        
        ids = self.levels[level]
        if not ids:
            return np.zeros(VECTOR_SIZE, dtype=np.uint8)
        
        vectors = []
        for vid in ids:
            for idx, meta in memory.metadata.items():
                if meta.id == vid and memory.active_mask[idx]:
                    vectors.append(memory.vectors[idx])
                    break
        
        if not vectors:
            return np.zeros(VECTOR_SIZE, dtype=np.uint8)
        
        # Moyenne binaire
        mean_vec = np.mean(vectors, axis=0)
        return (mean_vec > 0.5).astype(np.uint8)
    
    def clear(self):
        """Vide toute la pile."""
        self.levels = [[] for _ in range(self.max_depth)]
        self.level_bindings = {}


class MLEMetrics:
    """Collecte et agrège les métriques de performance du système."""
    
    def __init__(self):
        self.inference_times: List[float] = []
        self.energy_trajectories: List[List[float]] = []
        self.memory_sizes: List[int] = []
        self.associations_counts: List[int] = []
        self.creation_rates: List[float] = []
        self.convergence_rates: List[float] = []
        
        # Métriques de cohérence sémantique
        self.semantic_coherence_scores: List[float] = []
        self.clustering_coefficients: List[float] = []
        
        # Suivi des améliorations
        self.baseline_energy: Optional[float] = None
        self.energy_improvement: List[float] = []
    
    def record_inference(self, result: InferenceResult, memory: SparseAddressTable,
                         energy: EnergyLandscape):
        self.inference_times.append(result.execution_time_ms)
        self.energy_trajectories.append(result.energy_trajectory)
        self.memory_sizes.append(memory.size)
        self.associations_counts.append(len(energy.associations))
        
        if result.energy_trajectory:
            final_energy = result.energy_trajectory[-1]
            if self.baseline_energy is None:
                self.baseline_energy = final_energy
            else:
                improvement = (self.baseline_energy - final_energy) / max(abs(self.baseline_energy), 1.0)
                self.energy_improvement.append(improvement)
        
        self.convergence_rates.append(1.0 if result.converged else 0.0)
    
    def compute_coherence(self, memory: SparseAddressTable) -> float:
        """
        Calcule un score de cohérence sémantique :
        les vecteurs proches en distance de Hamming doivent avoir des usages similaires.
        """
        if memory.size < 10:
            return 0.0
        
        active = memory.active_vectors
        ids = [meta.id for idx, meta in memory.metadata.items() if memory.active_mask[idx]]
        
        if len(active) < 10:
            return 0.0
        
        # Échantillonne
        n_sample = min(50, len(active))
        sample_idx = np.random.choice(len(active), size=n_sample, replace=False)
        
        coherence_scores = []
        for i in sample_idx:
            dists = np.sum(active != active[i], axis=1)
            nearest = np.argsort(dists)[1:6]  # 5 plus proches
            
            # Compare les niveaux d'abstraction
            my_level = memory.metadata[i].abstraction_level if i in memory.metadata else 0
            neighbor_levels = [
                memory.metadata[ids[j]].abstraction_level
                for j in nearest
            ]
            
            # Cohérence = variance faible des niveaux dans le voisinage
            level_variance = np.var(neighbor_levels + [my_level])
            coherence_scores.append(1.0 / (1.0 + level_variance))
        
        return float(np.mean(coherence_scores)) if coherence_scores else 0.0
    
    def get_summary(self) -> Dict:
        if not self.inference_times:
            return {}
        
        recent_energies = [
            traj[-1] for traj in self.energy_trajectories[-50:]
            if traj
        ]
        
        return {
            'avg_inference_time_ms': float(np.mean(self.inference_times[-100:])),
            'avg_final_energy': float(np.mean(recent_energies)) if recent_energies else 0.0,
            'memory_size': self.memory_sizes[-1] if self.memory_sizes else 0,
            'n_associations': self.associations_counts[-1] if self.associations_counts else 0,
            'convergence_rate': float(np.mean(self.convergence_rates[-100:])),
            'energy_improvement_trend': float(np.mean(self.energy_improvement[-50:])) if self.energy_improvement else 0.0,
            'semantic_coherence': float(np.mean(self.semantic_coherence_scores[-50:])) if self.semantic_coherence_scores else 0.0,
        }


class MLESystem:
    """
    Système MLE complet intégrant tous les modules avec apprentissage organique.
    
    Usage:
        mle = MLESystem()
        result = mle.process(input_vector)
        metrics = mle.get_metrics()
    """
    
    def __init__(
        self,
        memory_capacity: int = 10000,
        k_neighbors: int = 10,
        temperature: float = 0.5,
        online_learning: bool = True,
        enable_stack: bool = True,
        enable_metrics: bool = True,
    ):
        self.k_neighbors = k_neighbors
        self.enable_stack = enable_stack
        self.enable_metrics = enable_metrics
        
        # Modules
        self.memory = SparseAddressTable(
            initial_capacity=memory_capacity,
            max_capacity=memory_capacity * 5,
        )
        self.router = HammingRouter(
            use_index=True,
            learn_routes=True,
        )
        self.binder = CircularBinder()
        self.energy = EnergyLandscape()
        self.inference = InferenceEngine(
            temperature=temperature,
            online_learning=online_learning,
        )
        
        # Stack sémantique
        self.stack = SemanticStack() if enable_stack else None
        
        # Métriques
        self.metrics = MLEMetrics() if enable_metrics else None
        
        # Historique d'expérience
        self.experience_buffer: List[Dict] = []
        self.experience_buffer_size = 1000
        
        # Initialisation : crée quelques vecteurs de base
        self._initialize_base_vectors()
        
        logger.info(f"MLE System initialized with capacity {memory_capacity}")
    
    def _initialize_base_vectors(self, n_base: int = 10):
        """Crée des vecteurs de base pour démarrer le système."""
        for i in range(n_base):
            vec = self.memory._create_sparse_vector()
            vid = self.memory.create_vector()
            # Trouve l'index
            for idx, meta in self.memory.metadata.items():
                if meta.id == vid:
                    self.router.add_vector(idx, vec)
                    break
    
    def process(
        self,
        input_vector: np.ndarray,
        stack_level: int = 0,
        external_callback: Optional[Callable] = None,
    ) -> InferenceResult:
        """
        Traite un vecteur d'entrée par inférence + apprentissage.
        
        Args:
            input_vector: (4096,) uint8
            stack_level: niveau de la pile sémantique
            external_callback: callback par itération
        
        Returns:
            InferenceResult
        """
        # Maintenance de la mémoire
        self.memory.tick()
        
        # Requête ou création du vecteur d'entrée
        input_id, input_idx, created = self.memory.query_or_create(input_vector)
        
        if created and input_idx >= 0:
            # Nouveau vecteur : ajoute au routeur
            self.router.add_vector(input_idx, input_vector)
        
        # Ajoute à la pile sémantique
        if self.stack:
            self.stack.push(input_id, level=stack_level)
        
        # Inférence
        result = self.inference.infer(
            initial_state=input_vector,
            memory_table=self.memory,
            router=self.router,
            energy_landscape=self.energy,
            binder=self.binder,
            k_neighbors=self.k_neighbors,
            external_callback=external_callback,
        )
        
        # Stocke l'expérience
        experience = {
            'input_id': input_id,
            'created': created,
            'final_state': result.final_state.copy() if result.final_state is not None else None,
            'energy_trajectory': result.energy_trajectory.copy(),
            'converged': result.converged,
            'learning_events': result.learning_events.copy(),
        }
        self.experience_buffer.append(experience)
        if len(self.experience_buffer) > self.experience_buffer_size:
            self.experience_buffer.pop(0)
        
        # Métriques
        if self.metrics:
            self.metrics.record_inference(result, self.memory, self.energy)
            # Coherence périodique
            if self.inference.total_inferences % 50 == 0:
                coherence = self.metrics.compute_coherence(self.memory)
                self.metrics.semantic_coherence_scores.append(coherence)
        
        # Met à jour le routeur pour le vecteur final
        if result.final_state is not None:
            # Requête ou création de l'état final
            final_id, final_idx, final_created = self.memory.query_or_create(result.final_state)
            if final_created and final_idx >= 0:
                self.router.add_vector(final_idx, result.final_state)
            
            # Renforce la route input -> final
            if not created and not final_created:
                pair = tuple(sorted((input_id, final_id)))
                current = self.energy.associations.get(pair, 0.0)
                self.energy.associations[pair] = min(1.0, current + 0.05)
        
        return result
    
    def process_sequence(
        self,
        vectors: List[np.ndarray],
        bind_levels: bool = False,
    ) -> List[InferenceResult]:
        """
        Traite une séquence de vecteurs.
        
        Args:
            vectors: liste de (4096,) uint8
            bind_levels: si True, bind les niveaux de la pile périodiquement
        
        Returns:
            Liste de InferenceResult
        """
        results = []
        for i, vec in enumerate(vectors):
            result = self.process(vec, stack_level=0)
            results.append(result)
            
            # Bind périodique des niveaux
            if bind_levels and self.stack and i > 0 and i % 3 == 0:
                self.stack.bind_level(0, self.binder, self.memory)
        
        return results
    
    def query(
        self,
        query_vector: np.ndarray,
        k: int = 5,
    ) -> List[Tuple[int, float, int]]:
        """
        Requête simple (sans inférence) pour retrouver les voisins.
        
        Returns:
            [(vector_id, distance, index)]
        """
        return self.memory.find_nearest(query_vector, k=k)
    
    def bind_vectors(self, ids: List[int]) -> Optional[np.ndarray]:
        """
        Binding explicite de vecteurs par ID.
        
        Returns:
            Vecteur composé ou None
        """
        vectors = []
        for vid in ids:
            for idx, meta in self.memory.metadata.items():
                if meta.id == vid and self.memory.active_mask[idx]:
                    vectors.append(self.memory.vectors[idx])
                    break
        
        if len(vectors) < 2:
            return None
        
        return self.binder.bind_multiple(vectors)
    
    def get_vector(self, vector_id: int) -> Optional[np.ndarray]:
        """Retourne un vecteur par son ID."""
        for idx, meta in self.memory.metadata.items():
            if meta.id == vector_id and self.memory.active_mask[idx]:
                return self.memory.vectors[idx].copy()
        return None
    
    def get_semantic_clusters(self, n_clusters: int = 5) -> Dict[int, List[int]]:
        """
        Retourne des clusters sémantiques basés sur la distance de Hamming.
        """
        if self.memory.size < n_clusters * 2:
            return {}
        
        active = self.memory.active_vectors
        ids = [meta.id for idx, meta in self.memory.metadata.items() if self.memory.active_mask[idx]]
        
        # Clustering simple par distance
        # 1. Choix des graines aléatoires
        seeds = np.random.choice(len(active), size=min(n_clusters, len(active)), replace=False)
        clusters: Dict[int, List[int]] = {ids[s]: [] for s in seeds}
        
        # 2. Assignation par plus proche graine
        for i, vec in enumerate(active):
            dists = [np.sum(vec != active[s]) for s in seeds]
            nearest_seed = seeds[np.argmin(dists)]
            clusters[ids[nearest_seed]].append(ids[i])
        
        return clusters
    
    def get_metrics_summary(self) -> Dict:
        """Résumé des métriques."""
        summary = {}
        
        if self.metrics:
            summary['performance'] = self.metrics.get_summary()
        
        summary['memory'] = self.memory.get_stats()
        summary['routing'] = self.router.get_stats()
        summary['energy'] = self.energy.get_stats()
        summary['inference'] = self.inference.get_stats()
        
        return summary
    
    def print_summary(self):
        """Affiche un résumé lisible."""
        summary = self.get_metrics_summary()
        print("\n" + "="*60)
        print("MLE SYSTEM SUMMARY")
        print("="*60)
        
        for section, data in summary.items():
            print(f"\n--- {section.upper()} ---")
            if isinstance(data, dict):
                for key, value in data.items():
                    if isinstance(value, float):
                        print(f"  {key}: {value:.4f}")
                    else:
                        print(f"  {key}: {value}")
            else:
                print(f"  {data}")
        
        print("\n" + "="*60)
    
    def save_state(self, filepath: str):
        """Sauvegarde l'état du système."""
        state = {
            'memory_stats': self.memory.get_stats(),
            'energy_stats': self.energy.get_stats(),
            'inference_stats': self.inference.get_stats(),
            'router_stats': self.router.get_stats(),
        }
        with open(filepath, 'w') as f:
            json.dump(state, f, indent=2)
    
    def reset_metrics(self):
        """Réinitialise les métriques."""
        if self.metrics:
            self.metrics = MLEMetrics()
        self.inference.total_inferences = 0
        self.inference.total_iterations = 0
        self.inference.total_converged = 0