Sistemas Basados en Conocimiento - ccc.inaoep.mxemorales/Cursos/InteligenciaArtificial/... · Sistemas Basados en Conocimiento Eduardo Morales, Enrique Sucar ... En sistemas expertos

SistemasBasados en

Conocimiento

EduardoMorales,

Enrique Sucar

Introduccion

Tipos deSistemasExpertos

Arquitectura

Representa-cion deConocimiento

Ingenierıa deConocimiento

Ontologıas

Ejemplo:Ontologıapara Video-Vigilancia

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Eduardo Morales, Enrique Sucar

Eduardo Morales, Enrique Sucar (INAOE) Sistemas Basados en Conocimiento 1 / 47

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Introduccion


Arquitectura



Ontologıas


Contenido

1 Introduccion

2 Tipos de Sistemas Expertos

3 Arquitectura

4 Representacion de Conocimiento

5 Ingenierıa de Conocimiento

6 Ontologıas

7 Ejemplo: Ontologıa para Video-Vigilancia


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Introduccion

Definicion

Un sistema experto o sistema basado en conocimiento sepuede definir como:

• “...sistema que resuelve problemas utilizando unarepresentacion simbolica del conocimientohumano”[Jackson 86].


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Introduccion

Separacion Conocimiento / Inferencia

Tienen una separacion entre:

• Conocimiento especıfico del problema: Base deConocimiento

• Metodologıa para solucionar el problema: Maquina deInferencia


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Introduccion

Caracterısticas importantes

• Representacion explıcita del conocimiento• Capacidad de razonamiento independiente de la

aplicacion especıfica• Capacidad de explicar sus conclusiones y el proceso de

razonamiento• Alto rendimiento en un dominio especıfico• Uso de heurısticas vs. modelos matematicos• Uso de inferencia simbolica vs. algoritmos numericos


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Introduccion

Importancia del Conocimiento

• Basan su rendimiento en la cantidad y calidad delconocimiento de un dominio o campo de aplicacion yno tanto en las tecnicas de solucion de problemas.

• “El poder esta en el conocimiento”.


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Introduccion

Diferencia con otras tecnicas:

• En ingenierıa, teorıa de control, ..., se intenta resolver elproblema mediante su modelado (modelo delproblema).

• En sistemas expertos se ataca el problemaconstruyendo un modelo del experto o resolvedor deproblemas (modelo del experto).


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Enfoque tradicional


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Enfoque de SBC


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Tipos de Sistemas Expertos

Clasificacion

Sistemas de analisis / interpretacion• Identificacion• Monitoreo• Diagnostico• Prediccion• Control


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Clasificacion

Sistemas de sıntesis / construccion• Especificacion• Diseno• Configuracion• Planeacion• Ensamble• Modificacion


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Clasificacion

• Identificacion→ Prediccion→ Control• Especificacion→ Diseno→ Ensamble


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Componentes

• Base de Conocimiento (KB): almacena el conocimientodel problema

• Maquina de Inferencia: utiliza el conocimiento y losdatos del problema para llegar a resultados y/oconclusiones

• Memoria de Trabajo: almacena los datos iniciales yresultados intermedios de un problema

• Interfaz de usuario: permite la interaccion del usuariocon el sistema (datos y resultados)

• Interfaz de adquisicion: facilita la captura delconocimiento con los expertos (o el aprendizaje)


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Arquitectura

Ejemplo

• Un sistema experto “mecanico”de autos incluye elconocimiento experto de los mecanicos paradiagnosticar y reparar autos.

• El sistema requiere de alguna forma de representar elconocimiento de los expertos

• Una forma comun son “reglas de produccion”(aunqueexisten otras formas de representar conocimiento)


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Ejemplo


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Ventajas

Resolver problemas para los que no existe un modelomatematico adecuado o su solucion es muy compleja, comoen:• Medicina• Exploracion minera / petrolera• Diagnostico de sistemas complejos• Educacion• Finanzas


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Ventajas

Preservar el conocimiento de expertos y hacerlo accesible amas personas (administracion de conocimiento o knowledgemanagement).

Capacidad de explicar al usuario el proceso derazonamiento.


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Representacion de Conocimiento


• Representacion: “... un conjunto de convencionessintacticas y semanticas que hacen posible el describircosas”[Winston 74].

• Representacion de conocimiento = escribir en unlenguaje descripciones del mundo:

• Sintaxis: sımbolos y conjunto de reglas paracombinarlos.

• Semantica: significado de las expresiones construidas.


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Ingredientes basicos

• un lenguaje de representacion,• capacidad de inferencias,• explicacion de comportamiento,• capacidad para construir sistemas inteligentes,• poder representar “sentido comun”.


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Criterios

• Capacidad Logica: Que sea capaz de expresar elconocimiento que deseamos expresar.

• Poderıo Heurıstico: Capacidad para resolverproblemas.

• Conveniencia de la Notacion: Simplicidad paraaccesar el conocimiento y facilidad de entendimiento


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Criterios

La representacion determina la facilidad con la quepodemos resolver ciertos problemas y utilizar elconocimiento [Marr 82]. Ejemplo:• Representacon de numeros romanos vs arabigos


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Tipos de representaciones

• Logicas (logica proposicional, logica de predicados,extensiones)

• Procedurales (reglas de produccion)• Estructurales (redes semanticas, frames)• Probabilısticas (redes bayesianas)• Representaciones temporales, cualitativas, analogicas


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Aspectos difıciles de representar

• Definiciones vs. hechos• Universales vs. valores por omision (defaults)• Razonamiento no–monotonico• Incertidumbre• Sustancias (leche vs. litro de leche)• Causalidad y tiempo• Creencias, deseos, intenciones


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Consideraciones

• Hacer explıcito lo que se considere importante• Exhibir las restricciones inherentes al problema• Completo y preciso• Entendible• Facil de usar• Computacionalmente factible


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Espacio de Representaciones


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Ingenierıa de Conocimiento

Ing. de Conocimiento

• Proceso de construir una base de conocimientos• El elemento esencial es el lenguaje de representacion• Este debe ser expresivo, conciso, no ambiguo y efectivo


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Consumidores

Una base de conocimiento tiene dos principales tipos deconsumidores:• Humanos (usuarios, desarrolladores, expertos)• Procesos de inferencia (sistema basado en

conocimiento)


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Representacion de conceptos

• Es importante al nombrar los conceptos en el dominio,que estos sean adecuados tanto para su uso en elproceso de inferencia como para su interpretacion porlos humanos.

• En particular se deben expresar de forma que seanreusables: lo que expresemos en una sitaucion debepoder usarse en otras.

• Por ejemplo: vehiculo − terrestre − sedan(Beetle) – noes una buena forma de expresar un concepto ...


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Representacion de conceptos

Una mejor forma de expresar lo mismo, usando logica depredicados, es la siguiente:• sedan(Beetle)• ∀(X )sedan(X )→ terrestre(X )

• ∀(X )terrestre(X )→ vehiculo(X )


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Vocabulario

• Al desarrollar un sistema basado en conocimiento esimportante el decidir que se debe incluir en la KB: queobjetos, hechos, ... se tienen que tener y cuales ignorar

• En terminos de logica, decidir el vocabulario depredicados, funciones y constantes

• Es decir; definir los conceptos relevantes, y como serelacionan estos conceptos

• El resultado de esto es una Ontologıa – puede serconveniente definir esta conceptualizacion en formamas amplia que lo requerido en un aplicacion particular,lo cual permite reutilizarla para diferentes aplicaciones


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Ontologıas

Ontologıa

• Conceptos seleccionados para describir un dominio• Vocabulario de predicados, funciones y constantes• Seleccionar alternativas - como nombrar los conceptos,

cuando usar funciones, variables o constantes, etc.• Decidir como organizar dichos conceptos (relaciones,

jerarquıas)

Puede haber desde ontologıas muy especıficas para unproblema, ontologıas mas amplias para un dominio, hastaontologıas genericas


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Ontologıas

Elementos de una Ontologıa

• Categorıas – incluyen objetos con propiedadescomunes arregladas en taxonomıas jerarquicas.

• Se puede inferir la categorıa de un objeto con base asus propiedades, y hacer predicciones de otraspropiedades del objeto.

• Se pueden obtener propiedades de un objeto de sussuper-clases a traves de herencia.

• Las categorıas permiten organizar y simplificar laadqusicion del conocimiento.


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Ontologıas


• Medidas – relaciona objetos a cantidades de tiposparticulares (v.g., masa, edad, precios, etc.)

• Las medidas cuantitativas son en general facil derepresentar

• Otras medidas no tienen una escala de valores unica(problemas, sabor, belleza, etc.)


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• Objetos compuestos – objetos complejos que sedescriben por su estructura constitutiva (partes)

• Se pueden tener jerarquıas de tipo partes-de (parts-of)• Se pueden tener objetos compuestos sin estructura.


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• Tiempo, Espacio y Cambio – para permitir acciones yeventos con diferentes duraciones y que puedan ocurrirsimultaneamente

• La nocion general es que el universo es continuo tantoen tiempo como en espacio

• Eventos y Procesos – eventos individuales ocurren enun tiempo y lugar particular. Los procesos son eventoscontinuos y homogeneos por naturaleza


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• Objetos Fısicos – al extender las cosas en tiempo yespacio, los objetos fısicos tienen mucho en comun conlos eventos. A veces les llaman “fluentes”(fluents)

• Substancias – temporales y espaciales (v.g.,mantequilla). Existen propiedades intrınsecas que sonde la substancia del objeto mas que del objeto mismo(color, temperatura en que se derrite, etc.), ypropiedades extrınsecas (peso, forma, etc.)

• Objetos Mentales y Creencias – se tiene que razonaracerca de creencias del mundo


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Ontologıas

Ontologıa General


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Ejemplo: Ontologıa para Video-Vigilancia

Ejemplo de Ontologıa• Dentro del proyecto “VIVA”(VIdeo Vigilancia

Automatica) se desarrollo una ontologıa general parasistemas de video vigilancia

• La idea es incluir todos los conceptos, objetos, eventos,etc. que son importantes en este dominio

• Tambien se espera usar para realizar cierto tipo deinferencias en base a la ontologıa (otra ventaja de estasrepresentaciones)


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Ontologıa VIVA

Se divide en 3 clases principales:• Contexto – contiene todos los elementos sobre el

contexto de donde se esta capturando video.• Sistema – define todos los elementos de HW y SW del

sistema• Contenido – incluye todos los elementos visuales que

se obtienen de los videos


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Contexto


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Sistema


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Contenido


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Relaciones Contenido


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Herramientas

• Existen diversas herramientas para crear, mantener yusar ontologıas

• Un ejemplo es OWL - Ontology Web Language – esbasicamente un lenguaje para publicar y compartirontologıas en el WWW

• Algunas de estas herramientas incluyen metodos deinferencia que pueden generar nueva informacion apartir de la existente usando por ejemplo herencia


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Tarea

• Definir una ontologıa para algun dominio / problemaparticular que conozcas o tengas acceso a un experto.

• De preferencia un problema complejo al que valdrıa lapena aplicar SBC.

• Incluir los principales conceptos en el dominio y lasrelaciones entre estos conceptos considerandodiferentes puntos de vista (es un (subclase), parte-de,etc.)

• Identificar para que tipo(s) de SBC se podrıa utilizar laontologıa (diagnostico, prediccion, ensamble, ...)


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Referencias

• Russel y Norvig - Cap. 6, 8• Jackson - Cap. 1• VIVA Project: Ontology for Video Surveillance, Final

Report, INAOE, Junio 2017.


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