SISTEMAS EXPERTOSSISTEMAS EXPERTOS

PROF. ING. JAIME ALFONSO PROF. ING. JAIME ALFONSO REYES CORTESREYES CORTES

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

INTELIGENCIA:INTELIGENCIA: LA CAPACIDAD DEL SER LA CAPACIDAD DEL SER HUMANO PARA RAZONAR, APRENDER Y HUMANO PARA RAZONAR, APRENDER Y ENTENDER.ENTENDER.

ES LA INTERACCIÓN CONSTANTEMENTE ES LA INTERACCIÓN CONSTANTEMENTE ACTIVA ENTRE LA HABILIDAD HEREDADA Y LA ACTIVA ENTRE LA HABILIDAD HEREDADA Y LA EXPERIENCIA DEL ENTORNO, QUE DA COMO EXPERIENCIA DEL ENTORNO, QUE DA COMO RESULTADO QUE EL INDIVIDUO SEA CAPAZ DE RESULTADO QUE EL INDIVIDUO SEA CAPAZ DE ADQUIRIR, RECORDAR Y USAR ADQUIRIR, RECORDAR Y USAR CONOCIMIENTOS, DE ENTENDER CONCEPTOS CONOCIMIENTOS, DE ENTENDER CONCEPTOS CONCRETOS Y (CON EL TIEMPO) CONCRETOS Y (CON EL TIEMPO) ABSTRACTOS, DE ESTABLECER RELACIONES ABSTRACTOS, DE ESTABLECER RELACIONES ENTRE OBJETOS, SUCESOS E IDEAS; Y ENTRE OBJETOS, SUCESOS E IDEAS; Y APLICAR Y UTILIZAR TODO LO ANTERIOR CON APLICAR Y UTILIZAR TODO LO ANTERIOR CON EL PROPÓSITO DE RESOLVER LOS EL PROPÓSITO DE RESOLVER LOS PROBLEMAS DE CADA DÍAPROBLEMAS DE CADA DÍA

TEMARIOTEMARIO OBJETIVOOBJETIVO BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA EVALUACIÓNEVALUACIÓN PÁGINA WEBPÁGINA WEB CONTACTOCONTACTO

INTELIGENCIA ARTIFICIAL: INTELIGENCIA ARTIFICIAL: RAMA DE LAS CIENCIAS DE RAMA DE LAS CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN QUE SE LA COMPUTACIÓN QUE SE DEDICA AL DISEÑO DE DEDICA AL DISEÑO DE SISTEMAS QUE LLEVAN A SISTEMAS QUE LLEVAN A CABO TAREAS QUE CUANDO CABO TAREAS QUE CUANDO SE HACEN DE MANERA SE HACEN DE MANERA NATURAL SE DICE IMPLICAN NATURAL SE DICE IMPLICAN INTELIGENCIAINTELIGENCIA

Definición de SEDefinición de SE Sistema expertoSistema experto: Es un sistema de : Es un sistema de

cómputo que emula la habilidad de tomar cómputo que emula la habilidad de tomar decisiones de un especialista humano en decisiones de un especialista humano en un dominio especializadoun dominio especializado

Un SE está orientado a actuar como un Un SE está orientado a actuar como un especialista humano quien puede ser especialista humano quien puede ser consultado acerca de una serie de consultado acerca de una serie de problemas que caen dentro del rango de problemas que caen dentro del rango de su experiencia (dominio del conocimiento)su experiencia (dominio del conocimiento)

Dominio delconocimiento

Dominio del problema

Dominio del problema: Dominio del problema: área en la que se área en la que se desempeña el expertodesempeña el experto

Domino del Domino del conocimiento: Todo el conocimiento: Todo el conocimiento que ha conocimiento que ha adquirido el expertoadquirido el experto

Definición de SE (cont.)Definición de SE (cont.)

Se trata de un solucionador de Se trata de un solucionador de problemas de manera general.problemas de manera general.

A diferencia de los sistemas A diferencia de los sistemas convencionales que utilizan convencionales que utilizan programación procedural programación procedural (imperativa), los SE usan (imperativa), los SE usan programación declarativaprogramación declarativa

Diferencias entre sistemas Diferencias entre sistemas convencionales y SEconvencionales y SEParadigmas de programaciónParadigmas de programación La La Programación DeclarativaProgramación Declarativa, o bien un , o bien un

Paradigma declarativoParadigma declarativo, es un paradigma , es un paradigma de programación que está basado en el de programación que está basado en el desarrollo de programas especificando o desarrollo de programas especificando o "declarando" un conjunto de condiciones, "declarando" un conjunto de condiciones, proposiciones, afirmaciones, restricciones, proposiciones, afirmaciones, restricciones, ecuaciones o transformaciones que ecuaciones o transformaciones que describen el problema y detallan su describen el problema y detallan su solución. La solución es obtenida mediante solución. La solución es obtenida mediante mecanismos internos de control, sin mecanismos internos de control, sin especificar exactamente cómo encontrarla. especificar exactamente cómo encontrarla. No existen asignaciones destructivas, y las No existen asignaciones destructivas, y las variables son utilizadas con Transparencia variables son utilizadas con Transparencia referencialreferencial

Diferencias entre sistemas Diferencias entre sistemas convencionales y SEconvencionales y SEParadigmas de programaciónParadigmas de programación En la En la programación imperativaprogramación imperativa se se

describe paso a paso un conjunto de describe paso a paso un conjunto de instrucciones que deben ejecutarse para instrucciones que deben ejecutarse para variar el estado del programa y hallar la variar el estado del programa y hallar la solución, es decir, un algoritmo en el que solución, es decir, un algoritmo en el que se se describen los pasos necesarios para describen los pasos necesarios para solucionar el problemasolucionar el problema..

En la En la programación declarativaprogramación declarativa las las sentencias que se utilizan lo que hacen es sentencias que se utilizan lo que hacen es describir el problemadescribir el problema que se quiere que se quiere solucionar, pero no las instrucciones solucionar, pero no las instrucciones necesarias para solucionarlo. Esto último necesarias para solucionarlo. Esto último se realizará mediante mecanismos se realizará mediante mecanismos internos de inferencia de información a internos de inferencia de información a partir de la descripción realizadapartir de la descripción realizada

Diferencias entre sistemas Diferencias entre sistemas convencionales y SEconvencionales y SE En el SE se separa el conocimiento del En el SE se separa el conocimiento del

módulo de controlmódulo de control Inferencias + Reglas = SEInferencias + Reglas = SE

Formas de razonamientoFormas de razonamiento Deducción: causa + regla = efectoDeducción: causa + regla = efecto Inducción: causa + efecto = reglaInducción: causa + efecto = regla Abducción: efectos + reglas = causas Abducción: efectos + reglas = causas

Razonamiento hacia atrás desde una Razonamiento hacia atrás desde una conclusión verdadera hacia las premisas conclusión verdadera hacia las premisas que la habrían causado. Obtener una que la habrían causado. Obtener una causa dado un efectocausa dado un efecto

CaracterísticasCaracterísticas

Permiten trabajar con datos Permiten trabajar con datos imprecisos e incompletosimprecisos e incompletos

Su desempeño se degrada con Su desempeño se degrada con suavidad hasta llegar a la ignoranciasuavidad hasta llegar a la ignorancia

Su conocimiento no es causal Su conocimiento no es causal (superficial) No comprende (superficial) No comprende realmente los efectos y las causas realmente los efectos y las causas de un sistema. No se sabe cuales de un sistema. No se sabe cuales son los efectos de tomar una son los efectos de tomar una decisión, sólo se sabe la secuencia decisión, sólo se sabe la secuencia de inferencias. de inferencias.

Es más sencillo construir SE con Es más sencillo construir SE con conocimiento superficial en forma conocimiento superficial en forma heurísiticaheurísitica

CaracterísticasCaracterísticas Su conocimiento es limitado (dominio del Su conocimiento es limitado (dominio del

problema)problema) Existe un gran cuello de botella al adquirir Existe un gran cuello de botella al adquirir

conocimientoconocimiento Alto desempeño Alto desempeño Responder al mismo nivel o mayor del Responder al mismo nivel o mayor del

especialista humanoespecialista humano Tiempo de respuesta adecuado. Actuar Tiempo de respuesta adecuado. Actuar

en tiempo razonable comparable al del en tiempo razonable comparable al del especialista para tomar una decisiónespecialista para tomar una decisión

Confiabilidad La respuesta que Confiabilidad La respuesta que proporcione el sistema debe ser proporcione el sistema debe ser confiable, no propenso a caídasconfiable, no propenso a caídas

Comprensible Que el SE explique los Comprensible Que el SE explique los pasos del razonamiento que siguió de pasos del razonamiento que siguió de manera entendible, tal como lo haría el manera entendible, tal como lo haría el especialistaespecialista

CaracterísticasCaracterísticas Ingeniería del Ingeniería del

conocimientoconocimiento Es el proceso de Es el proceso de

construir un SEconstruir un SE Consiste en la Consiste en la

adquisición del adquisición del conocimiento a partir conocimiento a partir de un especialista de un especialista humano o de otra humano o de otra fuente y su fuente y su codificación en el SEcodificación en el SE

Áreas de aplicaciónÁreas de aplicación Configuración Ensamblar correctamente los Configuración Ensamblar correctamente los

componentes apropiados de un sistema (mainframes)componentes apropiados de un sistema (mainframes) Diagnóstico (médico) Inferir problemas subyacentes Diagnóstico (médico) Inferir problemas subyacentes

con base a evidencia observadacon base a evidencia observada Instrucción (capacitación) Enseñanza inteligente para Instrucción (capacitación) Enseñanza inteligente para

que estudiante pregunte por qué, cómo, ¿qué pasaría que estudiante pregunte por qué, cómo, ¿qué pasaría si…?si…?

Interpretación (de datos) Explicar los datos Interpretación (de datos) Explicar los datos observadosobservados

Monitoreo de sistemas (Supervisión) Comparar los Monitoreo de sistemas (Supervisión) Comparar los datos observados con los esperados para juzgar datos observados con los esperados para juzgar desempeñodesempeño

Planificación Idear acciones para obtener el resultado Planificación Idear acciones para obtener el resultado deseadodeseado

Pronósticos (fenómenos estadísticos) Predecir el Pronósticos (fenómenos estadísticos) Predecir el resultado de una situación dadaresultado de una situación dada

Tratamiento Proporcionar la forma de solucionar un Tratamiento Proporcionar la forma de solucionar un problemaproblema

Control Regular un proceso. Tal vez requiera de los Control Regular un proceso. Tal vez requiera de los anterioresanteriores

Arquitectura de un SEArquitectura de un SE

Arquitectura de un SEArquitectura de un SE Interfaz de usuario: el mecanismo que permite la Interfaz de usuario: el mecanismo que permite la

comunicación entre el usuario el SEcomunicación entre el usuario el SE Motor o máquina de inferencias Se encarga de evaluar y Motor o máquina de inferencias Se encarga de evaluar y

disparar (aplicar) las reglas. Hace inferencias al decidir disparar (aplicar) las reglas. Hace inferencias al decidir cuáles reglas satisfacen los hechos u objetos, da prioridad a cuáles reglas satisfacen los hechos u objetos, da prioridad a las reglas satisfechas y ejecuta la regla con la prioridad más las reglas satisfechas y ejecuta la regla con la prioridad más altaalta

Agenda (pila) Se acomodan y se evalúan las reglas de Agenda (pila) Se acomodan y se evalúan las reglas de acuerdo a su importancia. Una lista con prioridades acuerdo a su importancia. Una lista con prioridades asignadas a las reglas creadas por el motor de inferencias, asignadas a las reglas creadas por el motor de inferencias, cuyos patrones satisfacen los hechos u objetos de la cuyos patrones satisfacen los hechos u objetos de la memoria activamemoria activa

Memoria de trabajo (memoria activa o a corto plazo - Memoria de trabajo (memoria activa o a corto plazo - hechos): base de datos global de los hechos usados por las hechos): base de datos global de los hechos usados por las reglasreglas

Base de conocimientos o memoria a largo plazo - Se Base de conocimientos o memoria a largo plazo - Se expresan informacidon acerca del problema a resolver. Se expresan informacidon acerca del problema a resolver. Se almacenan los conocimientos adquiridos a manera de reglas almacenan los conocimientos adquiridos a manera de reglas de la formade la forma

SI___ ENTONCES___SI___ ENTONCES___ Sistema de explicación. Mantiene el orden en que se Sistema de explicación. Mantiene el orden en que se

hicieron las inferencias y si el usuario lo solicita las muestra. hicieron las inferencias y si el usuario lo solicita las muestra. justifica el razonamiento que se llevó a cabojustifica el razonamiento que se llevó a cabo

Sistema de adquisición de conocimientos Permite agregar Sistema de adquisición de conocimientos Permite agregar nuevo conocimiento, ya sea en base a que se lo indique el nuevo conocimiento, ya sea en base a que se lo indique el ing, de conocimiento o a un nuevo problema que plantee el ing, de conocimiento o a un nuevo problema que plantee el usuariousuario

Dominios apropiados para los Dominios apropiados para los SE (Cuando usar SE)SE (Cuando usar SE) Cuando el problema no puede resolverse de manera Cuando el problema no puede resolverse de manera

algorítmica eficiente y sólo el razonamiento puede algorítmica eficiente y sólo el razonamiento puede ofrecer esperanzas de una solución adecuada ofrecer esperanzas de una solución adecuada (problemas de estructura nociva) (problemas de estructura nociva)

No se debe obligar a que se siga una estructura No se debe obligar a que se siga una estructura rígida de control al resolverlorígida de control al resolverlo

Cuando esté bien delimitado el dominio y las Cuando esté bien delimitado el dominio y las aptitudes que se deben de tener para no extenderse aptitudes que se deben de tener para no extenderse demasiadodemasiado

Cuando exista la necesidad y la disposición para Cuando exista la necesidad y la disposición para hacerlohacerlo

Cuando haya al menos 1 especialista dispuesto a Cuando haya al menos 1 especialista dispuesto a cooperar en su elaboración y no siempre se deben cooperar en su elaboración y no siempre se deben de incluir a todos para evitar conflictosde incluir a todos para evitar conflictos

Que exista comprensión entre experto e ingeniero. A Que exista comprensión entre experto e ingeniero. A veces es difícil entender y familiarizarse con veces es difícil entender y familiarizarse con terminologíaterminología

Cuando conocimiento del especialista sea heurístico Cuando conocimiento del especialista sea heurístico e incierto e incierto

Tipos de Sistemas Expertos Los problemas con los que pueden tratar los

sistemas expertos pueden clasificarse en dos tipos: problemas esencialmente deterministas y problemas esencialmente estocásticos. Por ejemplo, un cajero automático o un SE para control de tráfico vial pueden contener algunos elementos de incertidumbre, son esencialmente problemas deterministas.

Por otra parte, en el campo médico las relaciones entre síntomas y enfermedades se conocen sólo con un cierto grado de certeza (la presencia de un conjunto de síntomas no siempre implica la presencia de una enfermedad). Estos tipos de problemas pueden también incluir algunos elementos deterministas, pero se trata fundamentalmente de problemas estocásticos.

Según la naturaleza de problemas para los que están diseñados, los sistemas expertos pueden clasificarse en dos tipos principales : deterministas y estocásticos.

Tipos de Sistemas Expertos (cont)

Los problemas de tipo determinista pueden ser formulados usando un conjunto de reglas que relacionen varios objetos bien definidos. Los sistemas expertos que tratan problemas deterministas son conocidos como sistemas basados en reglas, porque sacan sus conclusiones basándose en un conjunto de reglas utilizando un mecanismo de razonamiento lógico.

En situaciones inciertas, es necesario introducir algunos medios para tratar la incertidumbre. Por ejemplo, algunos sistemas expertos usan la misma estructura de los sistemas basados en reglas, pero introducen una medida asociada a la incertidumbre de las reglas y a la de sus premisas. En este caso se pueden utilizar algunas fórmulas de propagación para calcular la incertidumbre asociada a las conclusiones. (FC, Bayesian Update, Bayesian networks, Fuzzy systems)

Agenda-Driven SearchAgenda-Driven Search

Agenda-driven search is an Agenda-driven search is an improvement on the best-first improvement on the best-first search.search.

In best-first search, only a queue In best-first search, only a queue is used to record the states being is used to record the states being evaluated or the path traversed. evaluated or the path traversed.

But in agenda-driven search the But in agenda-driven search the queue is replaced by an agenda, queue is replaced by an agenda, which has a list of tasks that a which has a list of tasks that a system could perform. system could perform.

Agenda-Driven SearchAgenda-Driven Search Each task in the agenda is associated with two Each task in the agenda is associated with two

items: justification for the task (the reason why items: justification for the task (the reason why a task is proposed) and a rating representing a task is proposed) and a rating representing the usefulness of the task. the usefulness of the task.

The tasks are generally stored in the agenda in The tasks are generally stored in the agenda in the order of their ratings. the order of their ratings.

The search process can create new tasks or The search process can create new tasks or modify the rating of existing tasks. In such modify the rating of existing tasks. In such cases, as and when new tasks are created or cases, as and when new tasks are created or ratings are modified, they are inserted at ratings are modified, they are inserted at proper places in the agenda. proper places in the agenda.

As AI programs become large and more As AI programs become large and more complex having a number of knowledge complex having a number of knowledge sources and requiring different reasoning sources and requiring different reasoning strategies for different knowledge sources, strategies for different knowledge sources, techniques such as agenda-driven search techniques such as agenda-driven search become very useful and handy.become very useful and handy.

Estrategias de inferenciaEstrategias de inferencia

Estrategias de inferenciaEstrategias de inferencia

Encaminamiento (de reglas) hacia Encaminamiento (de reglas) hacia adelanteadelante Obtiene nuevos hechos a partir de la Obtiene nuevos hechos a partir de la

evaluación de reglas.evaluación de reglas. Comienza insertando unos hechos Comienza insertando unos hechos

iniciales en la BH.iniciales en la BH. Se exploran las reglas de la BC y se Se exploran las reglas de la BC y se

añaden nuevos hechos a la BH.añaden nuevos hechos a la BH. Termina cuando no se cumple Termina cuando no se cumple

ninguna regla.ninguna regla. El objetivo es El objetivo es deducir todo el deducir todo el

conocimiento posible.conocimiento posible.

Estrategias de inferenciaEstrategias de inferencia Esta estrategia puede utilizarse Esta estrategia puede utilizarse

cuando las premisas de ciertas cuando las premisas de ciertas reglas coinciden con las reglas coinciden con las conclusiones de otras. Cuando se conclusiones de otras. Cuando se encadenan las reglas, los hechos encadenan las reglas, los hechos pueden utilizarse para dar lugar a pueden utilizarse para dar lugar a nuevos hechos. Esto se repite nuevos hechos. Esto se repite sucesivamente hasta que no pueden sucesivamente hasta que no pueden obtenerse más conclusiones. obtenerse más conclusiones.

El tiempo que consume este proceso El tiempo que consume este proceso hasta su terminación depende, por hasta su terminación depende, por una parte, de los hechos conocidos, una parte, de los hechos conocidos, y, por otra, de las reglas que se y, por otra, de las reglas que se activan.activan.

Estrategias de inferenciaEstrategias de inferencia

Estrategias de inferenciaEstrategias de inferencia Encaminamiento (de reglas) Encaminamiento (de reglas)

hacia atráshacia atrás Deducir el conocimiento necesario Deducir el conocimiento necesario

para demostrar un hecho.para demostrar un hecho. Comienza fijando un hecho o Comienza fijando un hecho o

meta a demostrar.meta a demostrar. Se busca la regla que contiene Se busca la regla que contiene

dicho hecho como consecuente y dicho hecho como consecuente y sese

demuestran los hechos del demuestran los hechos del antecedente de la regla.antecedente de la regla.

El objetivo es El objetivo es demostrar una demostrar una meta.meta.

Algoritmo ReteAlgoritmo Rete Desarrollado en 1979 por Charles L. Desarrollado en 1979 por Charles L.

Forgy (CMU)Forgy (CMU) Es un rápido igualador de patrones que Es un rápido igualador de patrones que

obtiene su velocidad de almacenamiento obtiene su velocidad de almacenamiento de información sobre las reglas de una de información sobre las reglas de una red.red.

En lugar de tener que igualar los hechos En lugar de tener que igualar los hechos con todas las reglas en cualquier ciclo-con todas las reglas en cualquier ciclo-acto reconocimiento, el algoritmo Rete acto reconocimiento, el algoritmo Rete sólo busca los cambios en las sólo busca los cambios en las correspondencias de cada ciclo.correspondencias de cada ciclo.

Esto acelera en gran medida la Esto acelera en gran medida la correspondencia de los hechos con los correspondencia de los hechos con los antecedentes porque los datos estáticos antecedentes porque los datos estáticos que no cambiaron de un ciclo a otro que no cambiaron de un ciclo a otro pueden pasarse por altopueden pasarse por alto