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Desarrollo de SBC. cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41 - PDF
Desarrollo de SBC. cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
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María Mercedes Valverde Sevilla
1 Desarrollo de SBC Ingeniería de los SBC Desarrollo de SBC El punto más importante del desarrollo de SBC es la extracción del conocimiento Requiere la interacción entre el Ingeniero del Conocimiento y el experto Las metodologías de ingeniería de software han de encajar este proceso entre sus fases Las metodologías de ingeniería del software han de adaptarse a las características específicas de los SBC cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
2 IS: Modelo en cascada Desarrollo de SBC Ingeniería de los SBC Analisis Especificacion Diseño Implementacion Prueba Mantenimiento cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
3 IS: Modelo en espiral Desarrollo de SBC Ingeniería de los SBC Evaluacion Identificacion Formulacion Analisis cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
4 Desarrollo de SBC Ingeniería de los SBC Diferencias de los SBC Sistemas software convencionales = Algoritmos conocidos y de uso común SBC = Conocimiento incompleto, impreciso, heurístico Sistemas software convencionales = Posible estimar la naturaleza y cantidad del conocimiento SBC = Difícil estimar la naturaleza y cantidad del conocimiento cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
5 Desarrollo de SBC Ingeniería de los SBC Diferencias de los SBC Es complicado obtener un diseño adecuado en las fases iniciales Decisiones iniciales erróneas pueden provocar el replanteamiento radical del diseño durante el desarrollo El ingeniero del conocimiento debe realizar un proceso de adquisición del conocimiento = Entrevistas con los expertos El IC debe aprender los elementos básicos del dominio Encontrar un formalismo representación que pueda entender el experto Los expertos prefieren casos al razonamiento a partir de definiciones generales A los expertos les es difícil explicitar su conocimiento en detalle (paradoja del experto) cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
6 Desarrollo de SBC Ingeniería de los SBC Diferencias de los SBC Solución: Diseño incremental y prototipado rápido Objetivo: Desarrollar un prototipo funcional que recoja las funcionalidades básicas del sistema El análisis y la especificación deben tener en cuenta el sistema completo El diseño e implementación se limita al prototipo inicial Este prototipo se completa incrementalmente Ventaja: Disponemos de un sistema funcional durante todo el proceso cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
7 Desarrollo de SBC Ciclo de vida de un SBC Ingeniería de los SBC Analisis Especificacion Ajustes Diseño Preliminar Prototipo inicial Evaluacion Diseño Final Implementacion Validacion Verificacion Mantenimiento cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
8 Desarrollo de SBC Ingeniería de los SBC Ciclo de vida de un SBC (I) 1. Análisis del problema: Recopilar información sobre el proyecto y determinar su viabilidad. 2. Especificación de requerimientos: Fijar los objetivos y métodos para conseguirlos. 3. Diseño preliminar: Decisiones a alto nivel sobre el diseño (formalismo de representación del conocimiento, herramientas, fuentes de conocimiento) 4. Prototipo Inicial y evaluación: Construir un prototipo con cobertura limitada, evaluar las decisiones de diseño a partir del prototipo 5. Diseño final: Validar las decisiones y proponer el diseño del sistema de manera que permita un desarrollo incremental. cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
9 Desarrollo de SBC Ingeniería de los SBC Ciclo de vida de un SBC (II) 6. Implementación: Completar la adquisición del conocimiento, ampliar incrementalmente el prototipo inicial. 7. Validación y verificación: Comprobar que el sistema cumple las especificaciones. 8. Ajustes de diseño: Realimentar el proceso (los cambios en el diseño deberían se mínimos) 9. Mantenimiento: Mantener el sistema. cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
10 Desarrollo de SBC Metodologías especializadas Ingeniería de los SBC CommonKADS Ciclo de vida en espiral y modelado mediante herramientas parecidas a UML Se construyen seis modelos: Organización, tareas, agentes, comunicación, conocimiento y diseño. MIKE Ciclo de vida en espiral: Adquisición del conocimiento (modelo de adquisición y modelo de estructura), diseño, implementación, evaluación. cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
11 Desarrollo de SBC Una metodología simplificada Una metodología simplificada Para aplicaciones pequeñas se puede aplicar una metodología en cascada que integra todo el proceso de desarrollo 1 Identificación del problema 2 Conceptualización 3 Formalización 4 Implementación 5 Validación y Prueba cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
12 Desarrollo de SBC Una metodología simplificada Identificación Debemos determinar si el problema es adecuado Hay una solución algorítmica? Disponemos de fuentes de conocimiento? El tamaño/objetivo/complejidad del problema es adecuado? Buscar y evaluar las fuentes de conocimiento Determinar el conocimiento necesario para el sistema Establecer los objetivos del sistema ( Que respuesta esperamos?) cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
13 Desarrollo de SBC Una metodología simplificada Conceptualización Esta fase nos debería dar la perspectiva del problema desde el punto de vista del experto Deberemos: Detallar los elementos del dominio = Descripción informal de la ontología Descomponer el problema en subproblemas mediante refinamientos sucesivos, descubriendo los bloques de razonamiento Detallar el flujo de razonamiento y las entradas y salidas de cada subproblema Detallar y distinguir entre evidencias, hipótesis y acciones y descubrir sus relaciones Toda esta información la obtendremos a partir de la interacción con el experto (entrevistas) y las fuentes de conocimiento El resultado será un modelo semiformal del dominio y de los problemas y métodos de resolución cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
14 Desarrollo de SBC Una metodología simplificada Formalización Esta fase transformará la perspectiva del experto en la perspectiva del ingeniero del conocimiento Decidir el formalismo de representación del conocimiento adecuado Identificar el espacio de búsqueda Analizar la tipología de los problemas y bloques de razonamiento y decidir los métodos de resolución de problemas adecuados Analizar la necesidad de tratamiento de incertidumbre y/o información incompleta cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
15 Desarrollo de SBC Una metodología simplificada Implementación Construir una ontología del dominio Encajar los problemas identificados en las metodologías de resolución de problemas escogidas Construir los diferentes módulos que correspondan a cada problema siguiendo el conocimiento obtenido Si utilizamos una aproximación basada en prototipado rápido construiremos el prototipo inicial y lo iremos aumentando incrementalmente cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
16 Desarrollo de SBC Una metodología simplificada Validación y Prueba Escoger casos representativos y resolverlos mediante el sistema Los casos deberían incluir tanto casos usados para la construcción del sistema como casos nuevos Si seguimos una estrategia de construcción incremental esta fase se irá repitiendo a medida que se desarrolle el prototipo La validación de SBC es más compleja que la de los sistemas de software habituales cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
17 Tipos de problemas en SBC Clasificación de problemas La identificación de tipologías de problemas en SBC facilita su desarrollo Cada tipo permite determinar: Un conjunto de tareas usuales Un conjunto de metodologías de resolución específicas Métodos de representación del conocimiento e inferencia adecuados Clasificaremos los problemas a resolver en un SBC a partir de dos tareas genéricas: Tareas de análisis: Interpretación de un sistema Tareas de síntesis: Construcción de un sistema cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
18 Síntesis - Análisis Resolución de problemas en SBC Clasificación de problemas Ambas tareas se pueden especializar Tareas de análisis Identificación, nos dice que tipo de sistema tenemos Monitorización, detecta discrepancias de comportamiento Diagnóstico, explica las discrepancias Predicción, nos dice que salida podemos esperar Control, determina que entradas nos permiten obtener cierta salida Tareas de síntesis Especificación, busca las restricciones que se deben satisfacer Diseño, genera una configuración de elemenos según unas restricciones Ensamblaje, construye un sistema juntando elementos cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
19 Métodos de resolución de problemas Métodos de resolución de problemas Cada tipo de problema genérico tiene unas características especiales Existen métodos de resolución adecuados para cada tipo Nos centraremos en dos métodos: Clasificación Heurística (Heuristic Classification) Resolución Constructiva (Constructive Problem Solving) cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
20 Clasificación Heurística Clasificación Heurística Es adecuado para tareas de análisis El objetivo es escoger una solución de entre un conjunto limitado Asociamos los datos de entrada con las soluciones (simple o mediante razonamiento) Tres fases: 1 Abstracción de datos (Definicional, cualitativa, generalización,...) 2 Asociación heurística 3 Refinamiento cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
21 Clasificación Heurística Clasificación Heurística Problema Abstracto Asociación heurística Solución Abstracta Problema Concreto Abstracción de datos Solución Concreta Refinamiento/ Adaptación cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
22 Clasificación Heurística Clasificación Heurística: Adquisición del conocimiento La adquisición del conocimiento que permite resolver un problema mediante clasificación heurística se puede hacer de forma sistemática. Podremos distinguir tres conjuntos de conceptos: Las hipótesis: Soluciones posibles a nuestro problema Los síntomas: Características que describen las hipótesis Las causas originales: Información del problema que lleva a los síntomas Entre cada conjunto de conceptos deberemos extraer el conjunto de deducciones que llevan del uno al otro De las causas originales a los síntomas tendremos las reglas de abstracción De los síntomas a las hipótesis tendremos las reglas de asociación heurística cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
23 Clasificación Heurística Clasificación Heurística: Adquisición del conocimiento Para cada grupo de reglas deberemos: Obtener qué conceptos del primer conjunto (antecedentes) están asociados con los del segundo (consecuentes) Escoger como antecedentes de las reglas los conceptos que sean diferenciadores de cada consecuente (separabilidad) Si es necesario se deberían añadir conceptos intermedios que lleven de los antecedentes a los consecuentes y crear las cadenas de deducción necesarias Observar la confianza de las asociaciones entre antecedentes y consecuentes (incertidumbre) Si las hipótesis son soluciones abstractas = Determinar las reglas de refinamiento cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
24 Clasificación Heurística Clasificación Heurística: Ejemplo (1) Supongamos que queremos construir un SBC para la concesión de créditos bancarios El conjunto de respuestas que puede dar el sistema son limitadas (se concede/no se concede) El objetivo es determinar, dadas la características del cliente, si concederemos el crédito y en que condiciones, o si no lo concederemos. Es un problema de análisis que podemos resolver mediante clasificación heurística. cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
25 Clasificación Heurística Clasificación Heurística: Ejemplo (2) Supongamos que una solicitud contiene la siguiente información: Si tiene avales bancarios. Si tiene familiares que puedan responder por él. Si tiene cuentas corrientes, casas, coches, fincas, etc. y su valoración. Si tiene antecedentes de morosidad. Si ha firmado cheques sin fondos. Si tiene créditos anteriores concedidos. Tipo de empresa que quiere crear. Cantidad de dinero que solicita. cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
26 Clasificación Heurística Clasificación Heurística: Ejemplo (3) Determinamos un conjunto de características que definen las soluciones Apoyo financiero (Muy bueno, bueno, normal, regular, malo, muy malo) Bienes Fiabilidad de devolución Compromiso con el cliente Viabilidad de la empresa cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
27 Clasificación Heurística Clasificación Heurística: Ejemplo (4) Decidimos un conjunto de soluciones abstractas Denegación Aceptación Aceptación con rebaja Aceptación con interés preferente cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
28 Clasificación Heurística Clasificación Heurística: Ejemplo (5) Determinamos unas reglas que nos abstraen los datos del problema si avales > un millón euros o tío rico entonces apoyo financiero=bueno si avales < euros entonces apoyo financiero= malo si suma bienes < un millón entonces bienes=malo si suma bienes > dos millones entonces bienes=bueno si cheques sin fondos o moroso entonces fiabilidad=muy mala si hamburguesería o heladería entonces viabilidad=normal si grandes almacenes o proveedor de internet entonces viabilidad=muy buena si concedido crédito > un millón o hermano del director entonces compromiso=bueno... cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
29 Clasificación Heurística Clasificación Heurística: Ejemplo (6) Determinamos unas reglas que asocian las características con las soluciones si apoyo financiero=regular y bienes=malo entonces denegar si fiabilidad={mala,muy mala} entonces denegar si apoyo financiero=normal y bienes=normal y viabilidad=buena entonces aceptar con rebaja si apoyo financiero=bueno y bienes=normal y compromiso=normal y viabilidad=buena entonces aceptar si apoyo financiero=bueno y bienes=bueno y compromiso=muy bueno y viabilidad=muy buena entonces aceptar con interés preferente... cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
30 Clasificación Heurística Clasificación Heurística: Ejemplo (7) Determinamos unas reglas que refinan las soluciones que lo necesitan si aceptación con rebaja y petición > euros y bienes = euros entonces rebaja a euros si aceptación con interés preferente y petición > un millón y bienes > un millón entonces rebaja de un 1 % de interés si aceptación con interés preferente y hermano del director entonces rebaja de un 2 % de interés... cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
31 Clasificación Heurística Clasificación Heurística: Ejemplo (8) Bienes=Muy bueno Apoyo Financiero=Muy bueno Fiablidad=Buena Compromiso=Bueno Viabilidad=buena Asociación Aceptación con interés preferente Abstracción Refinamiento Bienes (casa, 300k) Bienes(yate, 100k) Bienes(fondos,1M) Credito_anterior(300k) Empresa(Logística) Petición(1M) Avales(1M) Aceptación con interés preferente + Rebaja del interés en 1 punto cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
32 Resolución Constructiva Resolución constructiva Orientada a problemas en los que no existe un número acotado de soluciones La resolución implica construir la solución a partir de un conjunto de elementos (acciones, componentes, fallos,...) Se aplica en problemas de síntesis Los métodos de búsqueda son aplicables, pero con un coste impracticable cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
33 Resolución constructiva Resolución Constructiva La construcción de la solución necesita conocimiento sobre: El modelo de la estructura de la solución El modelo del comportamiento de los elementos de la solución Los operadores que permiten construir la solución El conjunto de restricciones entre los elementos y la solución La forma de evaluar las decisiones sobre la construcción de la solución y sobre la solución total o parcial Las restricciones pueden ser: Sobre la configuración de los componentes (físicas, temporales,...) Respecto a las entradas/salidas/precondiciones/postcondiciones de los operadores de construcción Interacciones entre los tipos de restricciones anteriores cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
34 Resolución Constructiva Métodos de resolución constructiva Proponer y aplicar (propose and apply): Partimos desde una solución vacía. Seleccionamos el operador de entre los posibles que nos permita extender la solución actual hasta llegar a obtener la solución completa Mínimo compromiso (Least commitment): Partimos desde una solución inicial completa. Seleccionamos el operador que nos permite extender la solución actual que menos restricciones nos imponga a las decisiones futuras cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
35 Resolución Constructiva Proponer y aplicar Buscamos en el espacio de soluciones parciales Partimos de una solución inicial vacía o una solución incompleta Cada paso va completando la solución Siempre elegimos el mejor operador Nos mantenemos en el espacio de soluciones cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
36 Proponer y aplicar Resolución de problemas en SBC Resolución Constructiva Necesitamos conocimiento exhaustivo sobre: Operadores de resolución del problema Restricciones y relaciones entre los componentes de la solución Evaluación del efecto de los operadores en la solución Evaluación de la bondad de la solución Podemos plantear la resolución de diferentes maneras Construcción secuencial (necesita mucho conocimiento para ser eficiente) Descomposición jerárquica de tareas (mas eficiente, pero requiere obtener operadores de descomposición) cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
37 Resolución Constructiva Proponer y aplicar: Proceso de resolución 1 Inicializar el objetivo: Se crea el elemento que define la solución actual 2 Proponer un operador: Se seleccionan operaciones plausibles sobre la solución actual 3 Podar operadores: Se eliminan operadores de acuerdo con criterios globales. 4 Evaluar operadores: Se comparan los efectos de los operadores sobre la solución y se evalúa su resultado. 5 Seleccionar un operador: Se escoge el operador mejor evaluado. Si no hay operadores adecuados se reconsideran pasos anteriores 6 Aplicar el operador: Se aplica el operador al estado actual. 7 Evaluar el objetivo: Se para si se ha llegado al objetivo final o se reinicia el proceso. cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
38 Resolución Constructiva Mínimo Compromiso Exploramos en el espacio de soluciones completas Partimos de una solución inicial completa (también puede ser no solución) Vamos modificando la solución mejorándola o corrigiéndola La elección del operador a aplicar la define la estrategia de mínimo compromiso: mínima modificación que imponga menos restricciones futuras. Permitimos pasar entre el espacio de soluciones y no soluciones cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
39 Resolución Constructiva Mínimo Compromiso: Proceso de resolución 1 Partir de una solución inicial no óptima, si es posible, que satisfaga las restricciones. 2 Hacer una modificación sobre la solución usando la heurística de mínimo compromiso (acción que menos restricciones imponga sobre la solución) 3 Si la modificación viola alguna de las restricciones deshacer alguno de los pasos anteriores haciendo las mínimas modificaciones (Puede no ser el último paso) cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
40 Resolución Constructiva Resolución Constructiva: Ejemplo (1) Queremos planificar la mejor trayectoria de un robot en una habitación La habitación tiene un conjunto de obstáculos que queremos evitar Disponemos de un conjunto de operadores: Movernos hacia adelante o hacia atrás a cierta velocidad cierta distancia Girar cierto número de grados R cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
41 Resolución Constructiva Resolución Constructiva: Ejemplo (2) Restricciones globales: llegar a la puerta de salida, trayectoria mínima en recorrido y tiempo Restricciones de elección de operadores: No chocar con obstáculos o la pared, mantener la distancia para poder maniobrar Evaluación de los operadores: Mover: Mejor cuanto más lejos y más deprisa nos lleve al objetivo Girar: Mejor cuanto mas lejos deje los obstáculos de nuestra trayectoria cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/ / 41
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