Sistemas Basados en Conocimiento o Sistemas Expertos

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Sistemas Basados en Conocimiento oSistemas
Expertos

• Inteligencia Artificial
• Profesor Gonzalo Villarreal Farah

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Contenidos

• Definición
• Evolución
• Características de los SE
• SE v/s Sistemas Convencionales
• Ventajas de un SE sobre un experto humano
• Ventajas del experto humano sobre el SE
• Arquitectura de un SE
• Condiciones para el desarrollo de un SE
• Justificación para el desarrollo de un SE
• Cuando un SE es la herramienta adecuada?
• Tipos de sistemas expertos

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Definición

• D1 Los Sistemas Expertos son sistemas, que emulan
  el comportamiento de un experto humano para
  resolver un problema, en un área de conocimiento
  específica.
• D2 Sistema que resuelve problemas utilizando una
  representación simbólica del conocimiento humano.
• D3 Es un sistema computarizado capaz de resolver
  problemas en el dominio en el cual posee
  conocimiento específico.

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Evolución

• 1956 Se maneja la idea de que es posible
  descubrir métodos generales de resolución de
  problemas por expertos y se pueden implementar en
  un computador (Marvin Minsky, Jhon Mac Carthy).
• 1965 Se trabaja la idea que en lugar de
  generalidad, propone preocuparse de capturar el
  conocimiento humano y los procedimientos
  utilizados para resolver una tarea específica.
  (Edward Feigenbaum).
• 1987 Como conclusión de las posturas anteriores,
  al existir requerimientos comunes, se pueden
  programar sistemas expertos vacíos.

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Características de los SE

• Representan y utilizan conocimiento especializado
  de un determinado dominio
• Capacidad de razonar
• Muestra el mismo comportamiento del experto
• Representa el conocimiento simbólicamente
• Manipula símbolos
• Maneja problemas de dominio difícil
• Alto rendimiento en un dominio específico
• Examina su propio razonamiento y explica

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...Características de los SE

• Existe una separación entre el conocimiento y la
  forma de utilizarlo
• Utiliza la naturaleza heurística del conocimiento
  antes que el algorítmico

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SE v/s Sistemas Convencionales

• Representación y uso de conocimiento
• Heurístico
• Proceso Inferencial
• Examina su propio razonamiento
• Explica su operación
• Difícil de predecir la cantidad de esfuerzo total
  requerido para producir un SE

• Representa y usa datos
• Algorítmico
• Proceso repetitivo
• No examina
• No explica
• Naturaleza y cantidad de conocimiento requerido
  puede ser bien estimado

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Ventajas del SE sobre el experto humano

• Experto humano
• Perecible
• Difícil de documentar
• Difícil de transferir
• Impredecible
• Más caro

• Experto Artificial
• Permanente
• Fácil de transferir
• Fácil de documentar
• Consistente
• Menos caro
• Resuelve problemas para los que no existe un
  modelo matemático adecuado o solución compleja
• Preserva el conocimiento del experto y hacerlo
  accesible a más personas

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Ventajas del experto humano sobre el SE

• Experto humano
• Creativo
• Adaptable
• Experiencia sensorial
• Conocimiento de sentido común

• Experto Artificial
• No creativo
• Requiere mantención
• Entrada simbólica
• Conocimiento técnico
• Se basa en un conocimiento heurístico (impreciso,
  mal definido, amplio)
• Hay pérdidas en la transferencia del Experto
  humano al sistema

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Arquitectura de un SE
Base de conocimiento
Shell
Motor de Inferencia
Base de Hechos
Interfaz Usuario
Subsistema de adquisición del conocimiento
Subsistema de explicaciones
Ingeniero del conocimiento y experto Humano
Usuario
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Motor de Inferencia

• Puede simular la estrategia de solución de un
  experto
• Unidad lógica con la que se extraen conclusiones
  de la base de conocimientos
• Una conclusión se produce mediante aplicación de
  las reglas sobre los hechos presentes
• Decide que se debe aplicar, que se debe hacer,
  resuelve conflictos nuevos, hace uso de la base
  de conocimiento.

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...Motor de Inferencia

• Las funciones del mecanismo de inferencia son
• Determinación de las acciones que tendrán lugar,
  el orden en que lo harán y cómo lo harán entre
  las diferentes partes del Sistema Experto.
• Determinar cómo y cuándo se procesarán las
  reglas, y dado el caso también la elección de qué
  reglas deberán procesarse.
• Control del diálogo con el usuario.
• En este ambiente es fundamental el tipo de
  búsqueda implementado

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...Motor de Inferencia

• Está caracterizado por
• El lenguaje en que ha sido escrito.
• La velocidad de trabajo Inferencias/segundo.
• Las estrategias de búsqueda de soluciones
• No Ordenada aleatoria, heurística.
• OrdenadaEncadenamiento hacia adelante
  (deductivo), encadenamiento hacia atrás
  (inductivo).
• La forma en que elige el conocimiento.
• La posibilidad de incorporar metaconocimiento.
• El tipo de lógica que emplea en el razonamiento
  Booleana, difusa, etc.
• El método que utiliza para la evaluación del
  conocimiento incompleto o incierto
  (Determinístico, Probabilístico, Aproximado,
  Difuso).

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Base de Conocimiento

• Representa parte del universo donde se inserta el
  sistema
• Contiene todos los hechos, las reglas y los
  procedimientos del dominio de aplicación que son
  importantes para la solución del problema.
• Se espera que la representación sea
• Sencilla Independiente Fácil de modificar
  Transparente (justificación de soluciones y
  explicación de los procesos) Relacional Potente
  (poder expresivo y eficiencia de cálculo)
• Importante es su capacidad, expresada sobre la
  base del número de reglas que posee
• Demostración interesante 50 reglas.
• Prototipo funcional 250 reglas.
• SE operacional medio 500 - 1000 reglas.
• SE operacional especial 4000 reglas.
• Una base de conocimientos debe ser coherente,
  rápida, modular, fácil de desarrollar y mantener.

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Intefaz con el Usuario

• Requisitos o Características de la interface
• 1. El aprendizaje del manejo debe ser rápido.
• El usuario no debe dedicar mucho tiempo al
  manejo del sistema , debe ser intuitivo , fácil
  en su manejo. No se debe olvidar que el SE simula
  al comportamiento de un experto. Debe sernos
  cómodo y relativamente sencillo en cuanto al
  manejo.
• 2. Debe evitarse en lo posible la entrada de
  datos errónea.
• 3. Los resultados deben presentarse en una forma
  clara para el usuario.
• 4. Las preguntas y explicaciones deben ser
  comprensibles.

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Subsistema de Adquisición

• Un buen componente de adquisición ayudará
  considerablemente la labor del Ingeniero del
  Conocimiento. Este puede concentrarse
  principalmente en la estructuración del
  conocimiento sin tener que dedicar tanto tiempo
  en la actividad de programación.
• Requisitos o características
• 1. El conocimiento, es decir, las reglas, los
  hechos, las relaciones entre los hechos, etc.,
  debe poder introducirse de la forma más sencilla
  posible.
• 2. Posibilidades de representación clara de todas
  las informaciones contenidas en una base de
  conocimientos.
• 3. Comprobación automática de la sintaxis.
• 4. Posibilidad constante de acceso al lenguaje de
  programación.

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Subsistema de Explicaciones

• Las soluciones descubiertas por los expertos
  deben poder ser repetibles tanto por el ingeniero
  del conocimiento en la fase de comprobación así
  como por el usuario. La exactitud de los
  resultados sólo podrá ser controlada,
  naturalmente, por los expertos.
• Siempre es deseable que durante el trabajo de
  desarrollo del sistema se conozca el grado de
  progreso en el procesamiento del problema.
• Difícil lograr un buen componente explicativo
• Muchos representan el progreso de la consulta al
  sistema de forma gráfica.
• Justifican su función rastreando hacia atrás el
  camino de la solución.
• Es difícil representar en un texto inteligible
  las relaciones encontradas.

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Base de Hechos

• La base de hechos es el conjunto de información
  invariable de una a otra resolución. Los hechos
  se diferencian de los datos en el sentido que los
  hechos forman parte del SBC, mientras que los
  datos, al poder variar de una solución a otra,
  conviene agruparlos en archivos externos al SBC.
• Algunos autores no consideran a la base de hechos
  en forma independiente. Los conocimientos y los
  hechos pueden aparecer conjuntamente en una sola
  base, la de conocimientos.

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Shell

• Un Shell (de forma resumida) es un Sistema
  Experto que contiene una base de conocimientos
  vacía
• No existe ningún Shell para todas las
  aplicaciones
• Permite una manera racional y rápida para el
  desarrollar SE
• Separa la base de conocimiento de las
  procedimientos que usan el conocimiento.
• La base de reglas y hechos deben cumplir cierto
  formalismo, para ser entendidos por la shell.
• Los resultados son aceptables en el mismo dominio
  de aplicación.
• Disminuye el trabajo de programación.

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Condiciones para el desarrollo de un SE.

• Un SE es posible de desarrollar si se cumple
  cada una de las siguientes condiciones
• Tarea no requiere demasiado del sentido común
• Tarea requiere solamente habilidad cognitiva
• Existe un experto
• Experto esta de acuerdo
• Experto debe ser capaz de explicar
• Tarea no es demasiado fácil
• Tarea esta bien definida

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Justificación para el desarrollo de un SE.

• Se justifica un SE, en algunas de las
  siguientes situaciones
• Descubrimientos rentables.
• Hay perdida de experto.
• Faltan expertos.
• Expertos presentes en varios lugares.
• Trabajo en ambiente hostil.

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Cuando un SE es la herramienta apropiada?

• Un SE es la herramienta adecuada si se cumple
  cada una de las siguientes condiciones
• Tarea requiere manipulación de símbolos.
• Tarea requiere solución heurística.
• Tarea no es demasiado fácil.
• Tarea tiene valor práctico.
• Tarea es de tamaño manejable.

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Algunos ejemplos de SE

• MYCIN Desarrollado por Feigenbaum, Universidad
  de Stanford.
• Diagnostico de bacteria y meningitis
• 3500 reglas.
• XCON Desarrollado por Univ. de Carnegie Mellon y
  DEC (Digital Equipament Corporation)
• Configuración de computadores.
• 6000 reglas
• Hasta 1988 90.000 sistemas vax configurados.

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Tipos de sistemas expertos

• Sistemas de Interpretación.
• Sistemas de predicción.
• Sistemas de diagnóstico.
• Sistemas de diseño.
• Sistemas de planificación

• Sistemas de monitores.
• Sistemas de depuración.
• Sistemas de reparación.
• Sistemas de instrucción.
• Sistemas de control.

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Sistemas de Interpretación

• Infieren descripciones de situaciones a partir
  de observaciones provenientes de sensores
  ejemplos
• Análisis de imágenes.
• Interpretación de señales
• de audio, de radar, radio etc.
• Comprensión de voz.
• Análisis de tipos de grietas.

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Sistemas de predicción

• Infieren las consecuencias probables a partir de
  un conjunto de situaciones dadas. Predicción
• Demográfica.
• Tráfico.
• Daños a cosechas por algún tipo de
  insecto, peste, etc.
• Conflictos armados basados en informes de
  inteligencia.
• Demanda de algún insumo (petróleo, cobre),
  dada una situación (geopolítica, económica,
  desarrollo).

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Sistemas de diagnósticos

• Infieren mal funcionamiento de sistemas a
  partir de observaciones. Relaciona
  irregularidades del comportamiento observado con
  causas posibles.
• Enfermedades a partir
• de un conjunto de síntomas.
• Componentes defectuosos
• de un sistema.
• Fallas de equipos
• en procesos productivos.

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Sistemas de diseño

• Desarrollan configuraciones de objetos basados
  en restricciones o exigencias del problema.
  Después de construidas, verifican que cumplan las
  especificaciones.
• Diseño de circuitos integrados.
• Diseño de edificios.
• Creación de moléculas
• orgánicas complejas.
• Configuración de equipos
• computacionales.

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Sistemas de planificación

• Son sistemas destinados a diseñar planes de
  acción.
• Programación de rutas.
• Programación de robots.
• Programación de
• comunicaciones.
• Programación de
• experimentos.
• Creación de planes de vuelo.

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Sistemas de monitoreo

• Comparan el comportamiento de un sistema
  (observaciones) con comportamiento esperado. A
  partir de las diferencias sugieren acciones
  correctivas.
• Monitorear lecturas de instrumentos para detectar
• condiciones de fallas de
• equipos industriales.
• Detectar condiciones
• favorables a accidentes.
• Monitoreo de tráfico aéreo.

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Sistemas de depuración

• Sistemas destinados a encontrar los remedios
  adecuados para el mal funcionamiento.
• Selección del tipo de mantención necesaria para
  corregir fallas en cables telefónicos.
• Elegir el procedimiento de mantención para
  reparar equipamiento (locomotoras, buses,
  maquinaria industrial,etc.)
• Selección de tratamientos de enfermedades vía
  quimioterapia.
• Depuración de programas computacionales.

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Sistemas de reparación

• Sistemas destinados a desarrollar y ejecutar
  planes para administrar un remedio para algún
  problema ya diagnosticado.
• Reparación de automóviles.
• Reparación de equipos electrónicos.
• Calibración de instrumentos.

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Sistemas de instrucción

• Sistemas desarrollados para instruir en el
  aprendizaje independiente.
• Capacitación de personas sobre la operación de
  equipamiento.
• Desarrollo de manuales inteligentes.
• Manuales de diagnósticos de fallas.
• Instrucción sobre algún contenido específico.

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Sistemas de control

• Son sistemas destinados a gobernar mediante
  un control el comportamiento general de un
  sistema. Interpretan repetitivamente la situación
  actual, predecir el futuro, diagnosticar las
  causas de los problemas, formular un plan de
  remedio y monitorear su ejecución con tal de
  asegurar el éxito del control. Interactúan con
  modelos determinísticos provenientes de la teoría
  de control.
• Control de procesos productivos.
• Control de operaciones.