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Ignacio Aranda Araya
1 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 1 TEMA 2 (cont cont.) Parte 3 SISTEMAS DE REPRESENTACIÓN ESTRUCTURADOS Y SISTEMAS BASADOS EN EL CONOCIMIENTO Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 2 Sistemas de Representación Estructurados 1.- Introducción 2.- Redes Semánticas Herencia en Redes Semánticas Excepciones en la Herencia 3.- Redes Semánticas Extidas Ejemplos Redes Semánticas 4.- Frames Jerarquía o taxonomía de frames Definición de frame Equivalencia frames / redes semánticas Herencia simple Extensión de la Definición de Frame Herencia múltiple Ejemplo Frames 5.- SBC SBC. Funcionalidad. Estructura. Sistemas Expertos Representación del Conocimiento: Base de Conocimiento Inferencia y Control: Motor de Inferencia.
2 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Introducción Representación del conocimiento mediante grafos (conceptos, relaciones). Facilitan la representación del conocimiento humano Redes semánticas Frames 2. Redes semánticas Redes Semánticas (R. Quillian, 1968) representación en procesamiento de lenguaje natural formalismo muy limitado para dominios más complejos limitado para tratar con formas de inferencia sofisticada precursor de las frames Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Redes semánticas Una red semántica se representa como un grafo dirigido etiquetado (en algunos casos se exige que dicho grafo sea aciclico), constituido por: nodos: representan conceptos (un objeto individual o una clase de objetos) arcos: representan relaciones binarias entre los conceptos. Ejemplo: parte-de sistema cardiovascular parte-de "El corazón es parte del sistema cardiovascular" "Las s son parte del sistema cardiovascular" "Las s grandes son s" "La aorta es una " grande corazón relación de inclusión de conjuntos (subclase) relación instancia (miembro) aorta
3 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 5 Redes semánticas- (2) Ejemplo: "Las s pequeñas son s" "La branquial izquierda es una grande" sistema cardiovascular parte-de grande pequeña parte-de corazón ambigüedad de la relación es-un para distinguir entre las relaciones subclase e instancia (miembro). relación subclase () relación instancia () aorta branquial izquierda Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Herencia en Redes Semánticas La Herencia es el mecanismo de razonamiento utilizado en redes semánticas Herencia: un concepto (nodo) hereda las propiedades de los conceptos "más altos en la jerarquía" a través de las relaciones e. Ejemplo: Un vaso sanguíneo es parte del sistema cardiovascular Las s son vasos sanguíneos "Las s contienen sangre rica en oxigeno" "Las s tienen pared muscular" "La pulmonar izquierda es una grande" A partir de la red semántica podemos deducir: muscular pared grande sistema cardiovascular aorta parte-de vasos sanguineos sangre branquial izquierda rica oxigeno pequeña parte-de pulmonar izquierda corazón Las s grandes son ricas en oxigeno / Las s grandes tienen pared muscular / "La aorta contiene sangre rica en oxigeno" / "La aorta tiene pared muscular"
4 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Excepciones en la Herencia a) No heredar propiedades que producen inconsistencias. "La pulmonar izquierda contiene sangre pobre en oxigeno" La pulmonar izquierda tiene pared muscular y es rica en oxigeno La propiedad las s transportan sangre rica en oxigeno no debe ser heredada (excepción) por la pulmonar izquierda. Una posible solución es: - almacenar la propiedad como información explícita en cada concepto en el que se cumple la propiedad, eliminando la propiedad general. b) No heredar propiedades que consideramos relevantes para una clase, pero no para sus especializaciones. Existen 100 s 100 muscular existen pared aorta parte-de vasos sanguineos grande sistema cardiovascular sangre branquial izquierda rica oxigeno pequeña parte-de pulmonar izquierda sangre pobre oxigeno corazón Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Excepciones en la Herencia a) No heredar propiedades que producen inconsistencias. "La pulmonar izquierda contiene sangre pobre en oxigeno" La pulmonar izquierda tiene pared muscular y es rica en oxigeno La propiedad las s transportan sangre rica en oxigeno no debe ser heredada (excepción) por la pulmonar izquierda. Una posible solución es: - almacenar la propiedad como información explícita en cada concepto en el que se cumple la propiedad, eliminando la propiedad general. b) No heredar propiedades que consideramos relevantes para una clase, pero no para sus especializaciones. Existen 100 s 100 muscular existen pared aorta parte-de vasos sanguineos grande sistema cardiovascular sangre branquial izquierda rica oxigeno pequeña parte-de pulmonar izquierda sangre pobre oxigeno corazón
5 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Redes Semánticas Extidas Las Redes Semánticas Extidas (A. Deliyanni y R. A. Kowalski): formalismo de representación alternativo a la forma clausal de la lógica con la restricción de solo poder utilizar símbolos de predicado binarios. Debido a la equivalencia sintáctica entre redes semánticas extidas y la forma clausal de la lógica, las reglas de inferencia definidas para la forma clausal de la lógica pueden ser aplicadas para manipular arcos y nodos de una red semántica extida. Un predicado binario puede ser traducido en una red en la que: pared los nodos representan términos el arco representa la relación (predicado) pared (, muscular) La restricción a símbolos de predicado binarios no es crítica, ya que cualquier átomo que contenga un símbolo de predicado n-ario puede ser reemplazado por una conjunción de átomos que contengan solo símbolos de predicado binarios. Si n > 2 se requieren n +1 nuevos predicados. Si n = 1, solo se requiere un nuevo predicado. muscular Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 10 Redes Semánticas Extidas - (2) Ejemplo: PresiónSangre(x, y, z) = la presión sanguínea de x varia entre y mmhg y z mmhg El predicado PresiónSangre (, 40, 80) puede ser reemplazado por la conjunción de predicados binarios: (presión1, presiónsangre) sujeto(presión1, ) Límiteinferior(presión1, 40) Límitesuperior(presión1, 80) Red semántica equivalente: presiónsangre presión1 Sujeto Límiteinferior 40 Límitesuperior 80
6 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 11 Redes Semánticas Extidas - (3) Ejemplo: Traducción predicado unario a binario Supongamos el siguiente predicado unario: Arteria(x) = x es una y las cláusulas Arteria(aorta) y Arteria(-grande) Estas cláusulas pueden ser reemplazadas por las cláusulas (aorta, ) (-grande, ) grande aorta Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 12 Ejemplos Redes Semánticas Las personas son mamíferos Una persona tiene nariz Pepe es una persona Pepe estudia Documentación
7 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 13 Ejemplos Redes Semánticas (1) Juan le dio un libro a María: Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 14 Ejemplos Redes Semánticas (2) EJERCICIO: Representar mediante redes semánticas la siguiente información: Una persona tiene dos brazos y dos piernas. Las personas pueden ser hombres y mujeres. Un jugador de baloncesto es un hombre. Michael Jordan es un jugador de baloncesto y juega de escolta. Shaquille O Neil es un jugador de baloncesto y juega de pivot. La media de puntos de un escolta es 20. La media de puntos de Michael Jordan es 20. La media de puntos de un pivot es 20. El peso de un jugador de baloncesto es 120 kilos Michael Jordan pertenece al equipo de los Bulls. Shaquille O Neil pertenece al equipo de los Lakers.
8 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Frames Frames (Minsky, 1975) se basan en el concepto de considerar la resolución de problemas humana como el proceso de rellenar huecos de descripciones parcialmente realizadas (O. Selz) la idea subyacente en un sistema basado en frames es que el conocimiento concerniente a individuos o clases de individuos, incluyo las relaciones entre los mismos, es almacenada en una entidad compleja de representación llamada frame (unidad,objeto,concepto) un conjunto de frames que representa el conocimiento de un dominio de interés es organizada jerárquicamente en lo que es llamado una taxonomía (asociada a un método de razonamiento automático llamado herencia). Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Frames El conocimiento relevante de un concepto (objeto individual o clase de objetos) es representado mediante entidad compleja de representación llamada frame, constituida por un conjunto de propiedades (atributos) Las frame proporcionan un formalismo para agrupar explícitamente todo el conocimiento concerniente a las propiedades de objetos individuales o clases de objetos. tipos de frames: frames clase, o frames genéricas, que representan conocimiento de clases de objetos. frames instancia, representan conocimiento de objetos individuales. FRAME VASOS-SANGUÍNEOS forma contenido pared diámetro situación?
9 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Frames El conocimiento relevante de un concepto (objeto individual o clase de objetos) es representado mediante entidad compleja de representación llamada frame, constituida por un conjunto de propiedades (atributos) Las frame proporcionan un formalismo para agrupar explícitamente todo el conocimiento concerniente a las propiedades de objetos individuales o clases de objetos. tipos de frames: frames clase, o frames genéricas, que representan conocimiento de clases de objetos. frames instancia, representan conocimiento de objetos individuales. FRAME VASOS-SANGUÍNEOS forma contenido pared diámetro situación? Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Jerarquía o taxonomía de frames El conocimiento de un dominio de interés es organizado jerárquicamente en una jerarquía o taxonomía de frames. La taxonomía es representada mediante un grafo dirigido aciclico (generalmente un árbol) en el que solo se dan las relaciones: donde cada nodo denota una frame. vasos sanguineos raíz del árbol: descripción más general del dominio. hojas del árbol: descripciones de conceptos más específicos. especializaciones (instancias, subclases, subframe) desciente de una frame en la taxonomía. no se pueden definir especializaciones de las frames instancia (excepción metaclases). generalizaciones (superclases, superframe) antecesores de una frame en la taxonomía. aorta grande branquial izquierda pequeña pulmonar izquierda venas Las propiedades de las frame más generales son heredadas por sus especializaciones (herencia).
10 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Definición de frame. FRAME clase instancia identificador es identificador atributo valor tipo atributo valor tipo atributo valor tipo cada frame de una taxonomía tiene un nombre único. una frame solo puede tener una superclase (herencia simple). la información (propiedades) específica al concepto representado por una frame es representada mediante atributos o slots los atributos ofrecen un medio de representar las propiedades de objetos individuales o clases de objetos. instancia branquial izquierda es diametro 0.4 atributo valor tipo situación brazo sangre rica en oxigeno Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 20 <frame> ::= <clase>::= <instancia>::= <espec-super>::= <atributos-clase>::= Sintaxis FRAMES <clase> <instancia> clase <nombre-clase> es <espec-super>; <atributos-clase> instancia <nombre-instancia> es <espec-super>; <atributos-instancia> <nombre-clase> nil <declaración> {; <declaración}* <vacío> <atributos-instancia>::= <par-atributo-valor> {; <par-atributo-valor>}* <vacío> <declaración>::= <par-atributo-tipo> <par-atributo-valor> <par-atributo-tipo>::= <nombre-atributo> : <tipo> <par-atributo-valor>::= <nombre-atributo> = <valor> <tipo>::= entero real string <conjunto> <nombre-clase> <valor>::= <constante> <nombre-instancia> <vacío>::= el símbolo nil denota que una frame es la raíz de la taxonomía. <conjunto> denotará un conjunto enumerado de constantes elementales y/o nombres de instancias Se asume que un par atributo/tipo o atributo/valor, ocurre una única vez en una taxonomía (posteriormente se elimina esta suposición).
11 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 21 Ejemplos instancia -branquial-izquierda es ; diámetro = 0.4; situación = brazo; sangre = rica-oxigeno instancia brazo es miembro; posición = superior clase es vasos-sanguíneos; situación: {brazo, cabeza, pierna, tronco} clase miembro es nil; posición:{superior, inferior} la información especificada en las partes atributo de las frames instancia sigue las siguientes reglas: todos los atributos que ocurren en las instancias de una frame clase deben haber sido declarados en dicha frame clase o en una de sus generalizaciones. los valores asignados a los atributos de la instancia deben ser del tipo de datos definido en alguna de sus generalizaciones. Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 22 Ejemplos en la declaración de una frame clase también se puede asignar valor a un atributo (están permitidos los pares atributo valor) clase es vasos-sanguíneos; situación : {brazo, cabeza, pierna, tronco}; sangre = rica-oxigeno instancia -branquial-izquierda es ; diámetro = 0.4; situación = brazo se considera adecuado especificar el valor rica-oxigeno del atributo sangre en la especificación de la clase, con lo que no es necesario especificarlo en sus subclases o instancias, ya que está propiedad será heredada por todos los descientes de la clase
12 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp EQUIVALENCIA FRAMES / REDES SEMÁNTICAS clases, instancias y valores atributos conceptos (nodos) atributos relaciones (arcos) clase es vasos-sanguineos; pared = muscular clase vasos-sanguineos es nil; forma = tubular; contiene = sangre clase vena es vasos-sanguineos; pared = fibrosa contiene vasos-sanguineos forma vena sangre tubular pared pared clase aorta es ; diametro = 2.5 muscular fibrosa aorta diametro 2,5 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp HERENCIA SIMPLE Herencia simple (frames con una única superclase, taxonomías de tipo árbol). Herencia múltiple (frame con más de una superclase, taxonomías de tipo grafo). Tipos de información sobre atributos en una taxonomía de frames: - información sobre tipo de atributo - información sobre valor de atributo Los enlaces y definen una ordenación parcial de frames clase en la taxonomía, que puede ser utilizado para razonar sobre los valores de los atributos de la misma forma que en las redes semánticas (las especializaciones 'heredan' los valores de los atributos de las generalizaciones). El enlace puede ser considerado como una relación que restringe los contenidos semánticos en la taxonomía de frames (los valores de un atributo de una subclase están restringidos por el tipo del atributo especificado en la superclase). Herencia Atributos heredables no heredables Valores (excepciones) Tipo Valores (excepciones)
13 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp HERENCIA SIMPLE DE ATRIBUTOS / VALORES La herencia simple consiste en que una frame hereda todos los atributos de sus superclases, así como los valores de estos atributos. Consideremos lo siguiente desde un punto de vista de la lógica de predicados de primer orden: {(aorta), x((x) pared(x)=muscular)} aplicando el Modus Ponens obtenemos: pared(aorta) = muscular de forma similar derivaríamos: vasos-sanguíneos(aorta) Esta información es heredada por la aorta desde un información general de las s. Este tipo de razonamiento es modelado en un método de inferencia para frames llamado herencia simple. Informalmente podemos definir el procedimiento de herencia simple de la siguiente forma: Recorrer la taxonomía desde una frame especifica hasta la raíz de la misma y coleccionar sucesivamente los atributos de las frames encontradas y sus valores asociados Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp EXCEPCIONES EN LA HERENCIA SIMPLE unicidad atributos en taxonomía disminuye expresividad. asumiremos atributos mono-valor. un atributo puede ocurrir en más de una frame. clase es vasos-sanguíneos; sangre = rica-oxigeno instancia -pulmonar-izquierda es ; sangre = pobre-oxigeno; x((x) sangre(x) = rica-oxigeno) sangre(-pulmonar-izquierda) = pobre-oxigeno x((x) vasos-sanguíneos(x)) (-pulmonar-izquierda) sangre(-pulmonar-izquierda) = rica-oxigeno axiomas de igualdad inconsistencia Solución: concepto de excepción (propiedad general que no se cumple para algún(os) objeto(s) del dominio). Si en la especificación de una subclase o instancia, se especifica un valor de un atributo que ha sido especificado también en una generalización de la misma,se mantiene dicho valor y no se hereda el valor especificado en las generalizaciones (los descientes de esta nueva frame heredaran el nuevo valor especificado como excepción)
14 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Extensión de la Definición de Frame FRAME clase instancia identificador es identificador atributo valor valor-defecto tipo valor facetas cardinalidad tipo atributo herencia demonio El formalismo de frames descrito no permite: saber si el valor del atributo de una instancia ha sido heredado o ha sido especificado explícitamente. calcular los valores de un atributo a partir de los valores de otros atributos. Muchos lenguajes de frames proporcionan constructores especiales del lenguaje llamados facetas, que permiten manejar las funcionalidades anteriores. Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 28 Extensión de la Definición de Frame - (2) Una faceta es considerada como una propiedad asociada a un atributo. faceta valor, es la más común y referencia el valor real del atributo. faceta valor por defecto, denota el valor inicial del atributo en caso de que no se especifique lo contrario. faceta tipo valor, especifica el tipo de datos del valor del atributo. faceta cardinalidad, especifica si se trata de un atributo uni o multi-valuado. faceta máxima cardinalidad, solo es valida para atributos multi-valuados y especifica el máximo número de valores asociados al atributo. facetas demonio, permiten la integración de conocimiento declarativo y procedural. Un demonio o valor activo es un procedimiento que es invocado en un momento determinado durante la manipulación del atributo donde ha sido especificado (si-necesario, si-añadido, si-eliminado). faceta tipo atributo, especifica si se trata de un atributo heredable o no heredable. faceta herencia, especifica el tipo de herencia del atributo.
15 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 29 Sintaxis Frames ( extensión del lenguajes de frames) <espec-super>::= <nombre-clase> nil <atributos>::= <atributo-faceta-par> {; <atributo-faceta-par>}* <vacío> <atributo-faceta-par>::= <nombre-atributo>=(<espec-faceta> {, <-espec-faceta>}*) <espec-faceta>:= <faceta> demonio <tipo-demonio> <llamada-demonio> <faceta>::= valor <valor> defecto <valor> tipo-valor : <tipo> max-card entero card <tipo-card herencia <tipo-herencia> tipo-atributo <tipo-atributo> <tipo-demonio>::= si-necesario si-añadido si-eliminado <tipo>::= entero real string <conjunto> <nombre-clase> <rango> <valor>::= <constante> <nombre-instancia> <vacío>::= <tipo-atributo> ::= heredable no_heredable <tipo-herencia>::= Z N <tipo-card> ::= multi uni <conjunto> ::= { <valor> {, <valor>}* } <rango> ::= [<constante>.. <constante>] Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 30 Ejemplo clase es vasos-sanguíneos; pared = (valor muscular); sangre =(defecto rica-oxigeno, tipo-valor:{rica-oxigeno, pobre-oxigeno}); presión-sanguínea = (defecto 20); flujo-sanguíneo =(defecto 4); resistencia =(demonio si-necesario R(presión-sanguínea,flujo-sanguíneo))
16 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 31 Tipos de Herencia de Valores Depio de como es recorrida la taxonomía para determinar los valores del atributo considerado. N-herencia Z-herencia Raíz Taxonomía Raíz Taxonomía Superframe Superframe Frame Faceta Valor Demonio si-necesario Faceta por defecto Frame Faceta Valor Demonio si-necesario Faceta por defecto Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 32 Herencia de Tipo de Atributos relación supertipo relación subtipo una especialización hereda el tipo de valor de su generalización a no ser que se especifique lo contrario. excepciones: en la especificación de una frame se puede restringir el tipo de valor de un atributo a un subtipo del tipo de valores de su generalización clase vasos-sanguíneos es nil; sangre =(tipo-valor{rica-oxigeno, pobre-oxigeno}); pared = (tipo-valor {muscular, fibrosa, mixta}) clase es vasos-sanguíneos; pared = (tipo-valor {muscular, mixta}); espesor-pared = (tipo-valor real) tipo de valor heterogéneo <tipo> ::= entero real string <conjunto> <nombre-clase> <tipo> {U <tipo>}*
17 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp Herencia Múltiple Vehículo Terrestre Vehículo Anfibio Vehículo Tierra/Mar taxonomía representada por un grafo dirigido aciclico. <clase>::= clase <nombre-clase> es <espec-super>{,<espec-super>}*; <atributos> una especificación hereda los atributos de todas sus generalizaciones (su conjunto de atributos será la unión de los conjuntos de atributos de sus superclases). excepciones: debidas a inconsistencias entre generalizaciones y especializaciones se resuelven mediante herencia simple. debidas a inconsistencias entre superclases de una misma especialización, se necesitan métodos para decidir que valores de facetas heredar de entre los de las superclases. explicitas Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 34 Ejemplo a) Representar mediante un método basado en frames, detallando: Clases, subclases e instancias. Slots o atributos de las frames. Distinguir miembros y propios. Clase de valores de los atributos. Valores de los atributos, para aquellos que sean conocidos. Categoría Rango de presión media (mmhg) Arterias grandes Arterias pequeñas Arteriolas Venas <10 Arteriolas <10
18 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 35 Ejemplo - (2) vasos sanguineos capilares venas arteriola grande pequeña venas grandes venas pequeñas aorta branquial pulmonar vena branquial Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 36 Ejemplo - (3) clase vasos-sanguíneos es nil; pared = (tipo-valor {muscular, fibroso}, tipo-atributo heredable); oxigeno = (tipo-valor {rico, pobre}, tipo-atributo heredable); presión-media = (tipo-valor real, tipo-atributo heredable, demonio si-necesario media(presión-máxima, presión-mínima)); presión-mínima = (tipo-valor real, tipo-atributo heredable); presión-máxima = (tipo-valor real, tipo-atributo heredable) clase s es vasos-sanguíneos; pared = (valor muscular);
19 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 37 Ejemplo - (4) clase capilares es vasos-sanguíneos; presión-media = (tipo-valor [0..10]) clase s-grandes es s; presión-media = (tipo-valor [ ]) clase s-pequeñas es s; oxigeno = (valor rico); presión-media = (tipo-valor [80..90]) Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 38 Ejemplo - (5) clase arteriolas es s; oxigeno = (valor rico); presión-media = (tipo-valor [40..80]) clase venas es vasos-sanguíneos; pared = (valor fibroso); oxigeno = (valor pobre); presión-media = (tipo-valor [0..10])
20 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 39 Ejemplo - (EXAMEN Septiembre 99) Representa mediante una estructura de Frames la siguiente información acerca de la organización de un Congreso: -En dicho Congreso se debe poder almacenar información acerca de las presentaciones que se van a realizar que serán bien artículos aceptados, conferencias invitadas o posters. De cada una de estas presentaciones se desea conocer su título, numero de referencia, autor/es, su lista de descriptores y si está confirmada su presentación en el Congreso. -Se desea también almacenar información de los diferentes autores con datos como nombre, apellidos, universidad o centro donde trabajan y numero de artículos presentados. -Por otro lado se debe mantener una lista de las personas inscritas, indicando su nombre, cantidad abonada, numero de tarjeta de crédito y si es estudiante o no. En el caso de ser estudiante se deberá guardar información acerca de la universidad donde está estudiando. -Se quiere disponer de una estructura que refleje las sesiones del Congreso por días. El Congreso dura 3 dias (Miércoles, Jueves y Viernes) y hay 3 sesiones diarias (MAÑANA1, MAÑANA2 y TARDE1) donde en cada sesión puede haber o bien 3 artículos o 1 conferencia invitada o un número indeterminado de posters (no puede haber mezclas de presentaciones diferentes) Cada uno de los descriptores del Congreso debe asociarse a una descripción del mismo que explique el significado del descriptor. Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp SBC SBC: FUNCIONALIDAD. ESTRUCTURA.SISTEMAS EXPERTOS. Un Sistema Basado en el Conocimiento (SBC) es un sistema informático capaz de soportar la representación explícita de conocimiento de algún dominio de competencia específico y explotarlo a través de mecanismos de razonamiento (técnicas de resolución de problemas) apropiados con el fin de proporcionar resoluciones de problemas de alto nivel. Conocimiento del Dominio problema solución Base de Conocimiento Mecanismo de Razonamiento Memoria de Trabajo SBC
21 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 41 Modo de operación de un SBC básico INSERTAR en la memoria de trabajo una representación del problema a resolver BUSCAR en la base de conocimiento conocimiento potencialmente relevante para la solución del problema actual SE HA ENCONTRADO ALGÚN CONOCIMIENTO ÚTIL NO SI SELECCIONAR del conjunto de conocimiento recuperado de la base de conocimiento el conocimiento a utilizar ahora APLICAR el conocimiento seleccionado y, posiblemente, transformar el contenido actual de la memoria de trabajo NO PROBLEMA RESUELTO? SI FALLO ËXITO Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 42 Qué es un Sistema Experto? Un S.E. es un sistema informático que incorpora una componente basada en el conocimiento, que se obtiene a partir de la habilidad de un experto humano, de forma que el sistema puede dar consejos o tomar decisiones inteligentes, y es capaza de justificar/explicar las mismas Un S.E. razona utilizando: Conocimiento experto para resolver problemas complejos de un dominio Conocimiento que el sistema posee del problema concreto. Cómo razona?: buscando en un espacio de alternativas y con un nivel de competencia similar a los de un ser humano experto en dicho dominio. Además debe ser capaz, bajo demanda, de justificar su propia línea de razonamiento de forma inteligible para el usuario. Definición: Funcional / Estructural Experto Humano Solución Problema Conocimiento, Juicio, Experiencia Sistema Experto Solución
22 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 43 Características Funcionales Resolución de problemas difíciles. Razonamiento heurístico, no algorítmico. Interacción eficaz/cómoda usuario: gráficos. Manipulación de símbolos. Posibilidad de trabajar con datos inciertos e imprecisos. Contemplar simultáneamente soluciones alternativas. Explicación y justificación de: Preguntas Aprizaje. Conclusiones. Línea de razonamiento. Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 44 Arquitectura Básica de un SE PROBLEMA Solución Datos Datos EXPERTO Conocimiento Dominio B.C. B.T. Conocimiento Resolución Problemas M.I. SISTEMA EXPERTO Organización del conocimiento separada: Dominio de aplicación (BC):Reutilizable, Permanente Problema (BT): Retractable, Dinámica. Resolución de problemas (MI) Interacción con el usuario, aprizaje, etc.
23 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 45 Sistemas Expertos Sistema de Inteligencia Artificial Sistemas Basados en el Conocimiento (KBS) Sistemas Expertos Sistemas de IA: exhiben conducta inteligente, simulando capacidades de la inteligencia humana. SBC: Procesan conocimiento, separando el conocimiento sobre el dominio (información, datos) de como manejarlo (resolución de problemas). SE: incorporan conocimiento experto, que tiene unas características que lo diferencian del conocimiento general. Un S.E. es un SBC (lo inverso necesariamente no es cierto). Ventajas: Tener el conocimiento sobre el dominio separado del resto, es útil para diseñar mecanismos para manipular conocimiento de forma eficiente. Permite especificar el conocimiento sobre el dominio, apartando los problemas referentes a los otros conocimientos (proceso). Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 46 Arquitectura de un Sistema Experto Base de Conocimiento Relaciones y Hechos en el Dominio Base de Trabajo Hechos del Problema Subsistema de Explicación Motor de Inferencia (Razonamiento con incertidumbre) I / O USUARIO Interfaz Usuario Subsistema Adquisición Conocimiento Interfaz Desarrollo EXPERTO Ingeniero del Conocimiento
24 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 47 Base de Conocimiento MÓDULOS BÁSICOS DE UN SE Conocimiento del experto sobre el dominio de aplicación: Hechos del dominio / Relaciones de conocimiento Reutilizable y Permanente Base de hechos (Trabajo): Retractable / Dinámica. Representa: Datos del problema / Conclusiones intermedias Integrada de forma diferenciada en la BC No integrada en BC: Bases de Datos. Motor de Inferencia: Propiedades inferenciales de la representación. Mecanismo de control del espacio de soluciones. Sistema de encadenamiento inferencial. Representación: Depiente del continente BC / Indepiente del contenido BC Reutilizable: Un MI es un programa reutilizable sobre una estructura de BC. Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 48 Técnicas / Problemáticas Básicas en los SE Representación del Conocimiento: Conocimiento Factual (Hechos). Conocimiento Normativo (Reglas): Conocimiento Procedural. Inferencia y Control. Control Inferencial. Encadenamiento Inferencial. Razonamiento: Inferencias Múltiples y Simultáneas. Razonamiento Simbólico. Solución Heurística / Aproximada. Posiblemente Inconsistente. Posiblemente Incompleto. Metaconocimiento.
25 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 49 Técnicas / Problemáticas Básicas en los SE - (2) Justificación / Explicación Adquisición del Conocimiento Interfaz con el usuario. Otras Problemáticas: Aprizaje. Incertidumbre, Imprecisión. Volumen del conocimiento. Incompletitud. Razonamiento hipotético, no-monótono, aproximado, temporal, etc. Dinámica del problema. Integración en el entorno: acceso a BD, on-line, etc. Restricciones: Tiempo real, etc. Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 50 Evolución de los S.E. Pre-Inicio : GPS (Newell ) Invención (1965/1970): Dral. Prototipos (1970/1977): Internist, Mycin, Prospector Experimentación (1977/1981) Sistemas Esenciales (Skeletal). Entornos Simples. Comercialización/Entornos (1981/...) Empresas Comerciales. Entornos: Art, Kee Aplicaciones reales. Nuevas restricciones / problemáticas. Segunda Evolución (1988/...) S.E. Segunda Generación. Otros modos de razonamiento. Arquitec. Avanz.: Blackboard, Cooperativos, etc. Requerimientos: Percepción, Tiempo Real,...
26 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 51 Sistema Experto vs Experto Humano SISTEMA EXPERTO Permanente Trasladable/Ubicuidad Fácil Desarrollar/Copiar Coherente Barato Duro Disponibilidad (tiempo, lugar) No Inspirado Fijo Mecánico Miras Estrechas Entradas Simbólicas HUMANO Mortal Difícil De Trasladar Costoso De Aprer Impredecible Caro Frágil Restrictivo VENTAJAS DESVENTAJAS Creativo Sentido Común Adaptativo Miras Amplias Sensorial Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp BASE DE CONOCIMIENTO Representación del conocimiento sobre el Dominio y sobre el Problema de Aplicación Problemas de la Representación: Adecuación Expresiva: Qué podemos representar Adecuación Computacional: Facilidad y eficiencia en el procesamiento de la información. Representación del Conocimiento: Conocimiento Declarativo (Hechos): Variables numéricas /alfanuméricas. Tuplas Objeto/Atributo/Valor. Patrones. Redes Semánticas Frames fbf del calculo de predicados. Conocimiento Normativo: Reglas de producción (Conocimiento Heurístico) IF condición THEN conclusión DO acción Tablas de decisión. Redes de decisión. Conocimiento Procedural: Métodos (procedimientos, funciones) Valores activos (demonios)
27 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 53 Base de Conocimiento - (2) Otras Problemáticas: Incertidumbre: Factores de posibilidad Probabilidades de Bayes Lógica Difusa Imprecisión: Lógica Difusa Incompletitud: Lógicas no-monotonas. Temporalidad: Lógicas temporales. Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 54 Bases de Conocimiento - (3) "Las reglas que uno obtiene estudiando los problemas son inconsistentes, incompletas e imprecisas. Los programas heurísticos se desarrollan mediante un proceso de prueba y error en el que se añade una regla cada vez que se encuentra un caso no cubierto por las antiguas. Este enfoque suele conducir a programas con comportamiento poco conocido y difícil de predecir... Me fío menos de tales programas que de los clásicos no estructurados... La IA guarda con la Inteligencia la misma relación que las flores artificiales con las flores... No creo que podamos aprer mucho sobre la una estudiando la otra." David L. Parnas. "Software of strategic defense Systems. American Scientist,73 (sept-oct, 1985) pp Comentarios: Inconsistencia: Detectable? Incompletitud/Imprecisión: Inherente a ciertas aplicaciones Heurística: Solución algorítmica irrealizable. F/FA=I/IA : Crítica a la psicología cognitiva. No considera: separación conocimiento/control, dominio de problemas, control del razonamiento, etc.
28 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp MOTOR DE INFERENCIA El Motor de Inferencia (MI) utiliza el conocimiento de la BC para construir (buscar) la línea de razonamiento que conduce a la solución del problema. BASE DE CONOCIMIENTO BASE DE REGLAS BASE DE HECHOS R1 C1--->A1 H1 R2 C2--->A2 H2.... ENCADENAMIENTO PATTERN-MATCHING AÑADIR/ INFERENCIAL ELIMINAR HECHOS SELECCION REGLAS APLICABLES CONTROL RESOLUCION DE CONFLICTOS REGLA A APLICAR EJECUCION MOTOR DE INFERENCIA PASOS Método Inferencial (Sistema Basado en Reglas): Con Retract (y Modif.) Semántica Procedural Específica Conceptos del MI: Encadenamiento Inferencial ( Qué obtener?) Encadenamiento hacia adelante / hacia atrás /mixto. Control Inferencial ( Cómo obtenerlo?): Anchura / Profundidad / Control Procedural del Razonamiento (Estrategias) Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 56 Control Inferencial Resolución de conflictos en el espacio de búsqueda Complejidad de premisas Peso de las reglas Combinación: peso, complejidad Mayor frecuencia Última utilizada Metarreglas (Cómo utilizar el conocimiento): Priorización de reglas Exclusión de reglas Cambio encadenamiento
29 Tema 2: Representación Estructurada del Conocimiento pp. 57 Encadenamiento Inferencial Hacia adelante Encadenamiento Hacia Atrás Guiado por los Datos Sistemas Generativos Respuestas (todas) Consistentes con la B.C. Guiado por los Objetivos Sistemas Clasificativos. Obtiene Respuestas a Preguntas Permiten Preguntas al Usuario. Proceso Similar al Humano. Eficacia. Aplicaciones: No Delimitación Respuesta. Todas las Respuestas Posibles Configuración, Control, Predicción, Simulación, Monitorización Aplicaciones: Sistemas con Respuesta Definida Consultivos, Clasificativos, De Interpretación, Diagnóstico, Planificación

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