Tema 2: Introducción a los sistemas basados en el conocimiento

Transcripción

1 Introducción a la Ingeniería del Conocimiento Curso Tema 2: Introducción a los sistemas basados en el conocimiento José A. Alonso Jiménez Miguel A. Gutiérrez Naranjo Dpto. de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial Universidad de Sevilla IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.1

2 Inteligencia Artificial Visión Robótica Habla Sistemas artificiales neuronales Lenguaje natural Comprensión... Sistemas expertos El primer paso para resolver cualquier problema es definir el área o dominio del problema Generalemte las prestaciones para la solución de un problema vienen condicionadas con frecuencia por la existencia de amplias cantidades de conocimiento sobre la tarea en cuestión y no por grandes colecciones de métodos independientes del dominio. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.2

3 Tipos de problemas: Estructura Estructurados: Son aquellos en los que se conocen todas y cada una de las componentes de una solución, es decir, los datos que representan los estados del problema, los operadores y los procedimientos. Son totalmente resolubles por computador y sin necesidad de ayuda humana. Semiestructurados: Aquellos que en alguno(s) de sus subproblema(s) no se conoce alguna de las componentes de la solución. Por ejemplo, los sistemas tradicionales de ayuda a la toma de decisiones. No estructurados: Son aquellos en los que todas o alguna de las componentes de la solución son vagas o desconocidas: es decir, cuando la meta no está totalmente establecida, por lo que determinar la meta forma parte del problema. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.3

4 Tipos de problemas: Contexto Independientes del contexto: Ajedrez Espectrografía... Sensibles al contexto: Lenguaje natural Explicaciones cualificadas... Los problemas que aborda la Ingeniería del Conocimiento son los problemas semiestructurados o no estructurados y, o, dependientes del contexto. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.4

5 Sistemas basados en el conocimiento Sistemas basados en el conocimiento: Programas que resuelven problemas usando un determinado dominio de conocimiento Terminología: Sistema basado en el conocimiento Sistema experto Sistema experto basado en el conocimiento Sistemas basados en el conocimiento vs sistemas expertos: SBC: conocimiento no necesariamente experto. SE: conocimiento experto + interacción. SE SBC. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.5

6 Ingeniería del Conocimiento La Ingeniería del Conocimiento es el proceso de diseñar y hacer operativos los Sistemas Basados en el Conocimiento. La Ingeniería del Conocimiento se define como el subcampo de la Inteligencia Artificial concerniente a la adquisición, representación y aplicación de conocimientos, o como la disciplina de la Ingeniería por la cual es conocimiento se integra dentro de un sistema de computador para resolver problemas complejos que normalmente requieren un alto nivel de experiencia humana. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.6

7 Sistemas Expertos. En el caso de los Sistemas Expertos es el proceso de mejorar, hasta un nivel de experto humano, las prestaciones de sistemas de programación que poseen un amplio cuerpo de conocimiento sobre un área de aplicación específica. Un sistema experto es un programa que usa conocimiento y procedimientos de razonamiento para resolver problemas lo suficientemente difíciles como para necesitar de un experto para su solución (Feigenbaum, 1982) Se usan cuando el problema: No se requiere sentido común Se requiere razonamiento simbólico No se resuelve con métodos tradicionales Necesita de conocimiento experto El coste compensa su uso IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.7

8 Estructura de los SBC Sistema basados en el conocimiento = Conocimiento + Razonamiento Estructura básica de los SBC conocimiento Usuario razonamiento IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.8

9 Ventajas I Mayor disponibilidad: La experiencia está disponible para cualquier hardware de cómputo adecuado Coste reducido Permanencia: La experiencia es permanente, a diferencia de lo que ocurre con los expertos humanos Experiencia múltiple: El conocimiento de varios especialistas puede estar disponible para trabajar simultánea y continuamente en un problema. El nivel de experiencia combinada de muchos sistemas expertos puede exceder el de un solo especialista humano. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.9

10 Ventajas II Respuestas no subjetivas El sistema experto ofrece respuestas sólidas, completas y sin emociones en todo momento. Explicación del razonamiento El sistema experto puede explicar clara y detalladamente el razonamiento que conduce a una conclusión Respuesta rápida: Algunas situaciones de emergencia pueden exigir respuestas más rápidas que las de un humano. Tutoría inteligente Base de datos inteligente IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.10

11 Problemas Problemas fundamentales en la construcción de los SS.BC.: La adquisición del conocimiento y cómo representar el conocimiento humano a una representación abstracta efectiva. La representación del conocimiento en términos de una estructura de datos que una máquina pueda procesar. La generación de inferencias o cómo hacer uso de esas estructuras abstractas para generar información útil an el contexto de un caso específico. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.11

12 Tareas Evaluar u reconocer aplicaciones potenciales, diagnosticando las que son triviales o imposibles antes de invertir esfuerzos. Extraer el conocimientos privado de los expertos y el público de donde exista. Dedicar suficiente análisis antes de empezar a implementar. Diseñar, construir y verificar una(s) base(s) de conocimiento, seleccionando representaciones idóneas. Diseñar modelos de resolución de problemas. Usar heurísticas para reducir el espacio de búsqueda. Elegir la herramienta adecuada para llevar a buen puerto las tareas anteriores. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.12

13 Aplicaciones de SE Tipos de aplicaciones con sistemas de producción: Configuración Diagnóstico Enseñanza Interpretación Planificación Predicción Control Campos de aplicación Medicina: MYCIN, INTERNIST, CADUCEUS, CASNET Geología: PROSPECTOR, Dipmeter Advisor Informática: XCON Matemáticas: MACSYMA Educación: GUIDON, DEBUGGY IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.13

14 Lenguajes de SBC Lenguajes de SBC LISP, PROLOG EMYCIN OPS5, ART, CLIPS KEE PROLOG: Programación Lógica Razonamiento hacia atrás CLIPS CLIPS = C Language Integrated Production Systems Es un lenguaje basado en reglas de producción Desarrollado en la NASA desde 1984 Escrito en C La sintaxis es parecida a la de Lisp Relacionado con OPS5 y ART Objetivos: portabilidad, bajo coste y facilidad de integración IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.14

15 Representación del conocimiento Requisitos de los formalismos de representación del conocimiento: potencia expresiva facilidad de interpretación eficiencia deductiva posibilidad de explicación y justificación Principales formalismos de representación lógica reglas de producción redes semánticas marcos Cada formalismo de representación usa un método de inferencia específico: Resolución, SLD-resolución Razonamiento hacia a delante y hacia atrás Herencia IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.15

16 Sistemas basados en reglas. Introducción de los sistemas de producción A. Newell y H.A. Simon Human problem solving (Prentice Hall, 1972) Correspondencia entre sistemas de producción y memoria humana Memoria de trabajo y memoria temporal Base de conocimiento y memoria permanente S.E. basados en sistemas de producción DENDRAL: S.E. para determinar estructuras moleculares (Buchanan, U. Stanford, 1964) MYCIN: S.E. para diagnosticar meningitis e infecciones sanguíeas (Shortliffe, U. Stanford, 1972) PROSPECTOR: S.E. para estudio de exploraciones geológicas (Duda, Stanford Research Institute, 1978) R1 (XCON): SE para configurar equipos VAX (Mc- Dermott, CMU y DEC, 1978) IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.16

17 Sistemas basados en reglas (II). Ejemplos: SI el problema no me sale Y es la hora de consulta ENTONCES consultar al profesor SI la luz del semáforo es verde Y no hay peatones cruzando ENTONCES continúa la marcha SI el programa Lisp no carga ENTONCES comprobar paréntesis Inferencias: Razonamiento hacia adelante (de abajo a arriba) Razonamiento hacia atrás (de arriba a abajo) IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.17

18 Redes semánticas. Ejemplo: Prof. F.I.E. es-parte-de Prof. Estadística es-parte-de Prof. Informática es-parte-de Prof. Tercero es-un JLRR es-un depto. CCIA Inferencia: Herencia IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.18

19 Lógica: Ejemplos: x(p erro(x) Animal(x)) x(animal(x) P erro(x)) x y(padre(y, x)) x y(padre(x, y)) ɛ n 0 n n 0 ( x n x n0 < ɛ) Inferencia: Deducción natural. Cálculo de secuentes. Regla de resolución. Reescritura. Razonamiento automático. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.19

20 Ejemplo en Prolog r1 # si Coche tiene cilindrada X entonces Coche tiene velocidad X. r1 # si Coche tiene motor inyeccion y Coche es mono-volumen entonces Coche tiene velocidad media.... r9 # si Coche tiene frenos abs y Coche tiene airbag entonces Coche tiene seguridad alta. f1 hecho opel_astra tiene 1600 c_cubicos. f2 hecho opel_astra tiene airbag. f3 hecho opel_astra no_tiene frenos abs. f4 hecho fiat_punto tiene 1400 c_cubicos. f5 hecho fiat_punto no_tiene airbag. f6 hecho fiat_punto no_tiene frenos abs. f7 hecho renault_space es mono_volumen. f8 hecho renault_space tiene motor diesel. f9 hecho renault_space tiene frenos abs. f10 hecho renault_space tiene airbag. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.20

21 Ejemplo en Prolog?- se_deduce(opel_astra es gama X). Es cierto opel_astra tiene 2000 c_cubicos? Posibles respuestas: [si, no, porque] (seguidas de un punto): Es cierto opel_astra tiene 1600 c_cubicos? Posibles respuestas: [si, no, porque] (seguidas de un punto): === Porque: La regla r7 dice que probando: opel_astra tiene 1600 c_cubicos se tiene: opel_astra tiene cilindrada media Repito: Es cierto opel_astra tiene 1600 c_cubicos? Posibles respuestas: [si, no, porque] (seguidas de un punto): ****** Se ha encontrado respuesta afirmativa: Opciones: ) Ver la prueba completa y continuar ) Navegar dentro de la prueba ) Continuar. Posibles respuestas: [1, 2, 3] (seguidas de un punto): 1. IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.21

22 Ejemplo en Prolog ****** Prueba encontrada: por usted, sabemos que opel_astra tiene 1600 c_cubicos, luego, segun r7 se concluye que opel_astra tiene cilindrad luego, segun r2 se concluye que opel_astra tiene velocidad m y por f3, sabemos que opel_astra no_tiene frenos abs, y por f2, sabemos que opel_astra tiene airbag, luego, segun r10 se concluye que opel_astra tiene seguridad luego, segun r1 se concluye que opel_astra es gama media, X = media ; Es cierto opel_astra tiene 1400 c_cubicos? Posibles respuestas: [si, no, porque] (seguidas de un punto): No IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.22

23 Bibliografía Bratko, I. Prolog Programming for Artificial Intelligence (2nd ed.) (Addison Wesley, 1990) Cap. 14: Expert system and Knowledge Representation Giarrantano,J. y Riley, G. Expert Systems: Principles and Programming (2nd ed.) (PWS, 1994) Cap. 1: Introduction to expert systems Rich, E. and Knight, K. Inteligencia Artificial (segunda edición) (McGraw-Hill, 1994) Capítulos 4, 5, 6 y 20 Maté Hernández, J.L. y Pazos Sierra, J. Ingeniería del Conocimiento. Diseño y construcción de sistemas expertos (Ed. SEPA) Cap.1: Ïngeniería del Conocimiento IIC CcIa Introducción a los sistemas basados en el conocimiento 2.23