IT 272 Kunstig intelligens (AI) 2000 Fagansvarlig: Professor Agnar Aamodt Institutt for datateknikk og informasjonsvitenskap, Seksjon Lade, Rom 459, Email agnar@idi.ntnu.no Kunstig intelligens (MNFIT-272) - høst 2000. Leksjon 1 Emner: Generell introduksjon til faget - hva er kunstig intelligens? - hvorfor kunstig intelligens? - historikk, fagets utvikling Fagets utvikling og basis - ulike tilnærminger til AI-feltet - rasjonalle agenter
KUNSTIG INTELLIGENS AI - Artificial Intelligence Foresltåtte definisjoner Den delen av informatikk-feltet som dreier seg om automatisering av intelligent adferd. Det som kunstig intelligens forskerne driver med. "Det som datamaskiner ikke kan". Vitenskapelig vinkling: Studiet av intelligente systemer relatert til datamaskinelle prosesser. Teknologsk vinkling: Utvikle smartere datasystemer INFORMATIKK STUDIE AV INTELLIGENTE SYSTEMER RELATERT TIL KOMPUTASJONELLE PROSESSER HUÃGHOIHOWÃDY REALISERE DATASYSTEMER SOM KAN SIES Å OPPVISE INTELLIGENT ADFERD - DVS. SMARTERE SYSTEMER KDU YLWHQVNDSHOLJ SHUVSHNWLY HUÃNREOHWÃYLDÃHPSLULVNÃYLWHQVNDSHOLJÃPHWRGH.8167,*Ã,17(//,*(16Ã$, KDUÃ WHNQRORJLVN SHUVSHNWLY MATEMATIKK E\JJHUÃÃEODÃSn KDUÃPHWRGHU har metoder FILOSOFI KOGNITIV PSYKOLOGI BIOLOGI.8116.$36%$6(57( ÃÃ 0(72'(5 SUBSYMBOLSKE METODER ADFERDSORIENTERTE METODER
HISTORISKE RØTTER Aristoteles Studiet av ting som endrer seg - materie vs. form Logikk - instrument for å forstå tenking, abstraksjon, syllogismer, deduksjon Copernikus, Galileo Nytt verdensbilde - ting er annerledes enn de ser ut Empirisk metode vs. sansing, matematisk analyse, epistemologi Descartes Introspeksjon, reduksjon av sansing - cogito ergo sum Dualisme og mind-body problemet Hume Mind-body problemet - kognisjon er komputasjon Leibniz Tidlig formalisering av logikk og komputasjon Euler Grafteori - tilstandsrom analyse HISTORISKE RØTTER (forts.) Babbage Difference engine - avansert regnemaskin Analytical engine - den første datamaskin, snakker om mønstre av intellektuell aktivitet på et abstraksjonsnivå Bool Formalisering av logikk - AND OR NOT systemet Frege System for Artistoteles' logikk - 1.ordens predikatlogikk, en syntax, en semantikk, og en inferensmetode Tarski Referense teori - kobling mellom symboler og virkelige ting Alan Turing "Computing machinery and intelligence" (1950) - går det an å lage en maskiner som tenker?
Turing-testen Turing testen - basert på: "the imitation game" utspørrer - Rent empirisk test av intelligent adferd hos datamaskiner - Kriteria går på funksjonalitet og ytelse, ikke indre struktur - men er dette hva intelligens (tenking) er? - og når er testen bestått? Integrerte systemer, AI + andre, kombinerte AI metoder, Maskinlæring, kunnskapsmodellering, case-baserte metoder, Nevrale nett, genetiske algoritmer, adferdsbaserte metoder Utviklingsverktøy, kommersielle systemer innen databrabsjen, olje, finans, kjemisk industri, etc. 2. gen. ekspertsystemer (dyp kunnsk., strategisk resonnering 2000 1990 1980 Kunnskapsbasert fokus, ekspertsystemer DENDRAL, MYCIN, PROSPECTOR $,879,./,1*675(.. Europa, Logikk-orientering, Prolog 1970 Resonnering, generell problemløsning, GPS program 1960 USA, Dartmout-conference, start-aktiviteter, LISP 1950
KUNNSKAPSBASERTE METODER er karakterisert ved at kunnskap representeres eksplisitt - modelleres - i form av navngitte begreper og relasjoner mellom disse begrep-navnene kalles V\PEROHU, da de symboliserer - står for - begreper i den virkelige verden (objekter, hendelser, prosesser,...) symbol-strukturene som derved bygges opp, prosesseres av tolknings- og slutningsmetoder (inferensmetoder) slik at ny informasjon kan utledes, konklusjoner kan trekkes, og ny kunnskap kan læres representasjonen av kunnskapen er adskilt fra metodene som prosesser den og er kjernemetodene innen NXQQVNDSVWHNQRORJLÃ for å utvikle NXQQVNDSVEDVHUWHÃV\VWHPHU. KUNNSKAPSBASERTE METODER Representasjon av det som for oss mennesker fortoner seg som kunnskap, i form av symbolstrukturer og inferensmetoder i et datasystem, og på en måte som gjør systemet istand til å tolke symbolene og utifra dette trekke meningsfylte slutninger, gjør at symbolstrukturene kan betraktes som kunnskap for systemet. Dette danner basis for det kunnskapsbaserte paradigmet innen AI, og for rekken av kunnskapsbaserte systemer som er utviklet og i daglig bruk. (Hvorvidt DOO kunnskap kan representeres som symbol-strukturer, og hvorvidt intelligent adferd i sin videste forstand kan forklares - og realisers i en maskin - i form av symbolstrukturer og symbolprosessering, er et åpent spørsmål.)
Kunnskap - Informasjon - Data Kunnskap Læring Utdyping Informasjon Tolking Tolkede symbolstrukturer - brukes til å tolke data og utdype informasjon - er en del av, er inni, en beslutningsprosess Tolkede symboler og symbol strukturer - gis inn til en beslutningsprosess - kommer ut av en beslutningsprosess Data Observerte, ikke-tolkede symboler - tegn, mønstre KUNNSKAPSBASERTE METODER - UTVIKLINGSTRENDER Heuristiske regler 5HJHOEDVHUWHÃV\VWHPHU (f.eks.: MYCIN)
KUNNSKAPSBASERTE METODER - UTVIKLINGSTRENDER Kontroll-kunnskap Heuristiske regler (NVSOLVLWWÃNRQWUROONXQQVNDSÃ (f.eks. NEOMYCIN) Ã - kunnskap om typer regler for typer tilstander KUNNSKAPSBASERTE METODER - UTVIKLINGSTRENDER Kontroll-kunnskap Heuristiske regler Dyp kunnskap Dypere modeller, lærebok-kunnskap - flere relasjoner, semantiske nett (f. eks: CASNET)
KUNNSKAPSBASERTE METODER - UTVIKLINGSTRENDER Kontroll-kunnskap Heuristiske regler Spesifikke case Dyp kunnskap )UDÃJHQHUHOOÃNXQQVNDSÃWLOÃVLWXDVMRQVVSHVLILNNHÃFDVH (f.eks. CYRUS, PROTOS) - case-basert resonnering KUNNSKAPSBASERTE METODER - UTVIKLINGSTRENDER Kontroll-kunnskap Heuristiske regler Spesifikke case Dyp kunnskap,qwhjuhuwhãv\vwhphuã (f.eks. SOAR, CREEK, META-AQUA) - totalarkitekturer for intelligent problemløsning
0$6.,1/ 5,1* aktivt AI- felt hele tiden, ny giv i det siste flere kommersielle produkter og systemer i drift 0HWRGHW\SHU : similaritetsbasert vs. forklaringbasert l æring læring av generell vs. spesifikk kunnskap læring av begreper vs. læring for problemløsning symbol-læring vs. subsymbolsk læring NOEN ANVENDELSESOMRÅDER Spill - velegnet for tilstandsrom analyse - well-strukturert problem med stort søkerom - noen spill krever ekspert-kunnskap - aktivt område tidligere, nesten borte nå Matematiske bevis - velegnet for logikk-resonnering - matematikere bruker erfarings-kunnskap - relatert til programverifikasjon, VLSI-testing,... Ekspertsystemer (kunnskapsbaserte rådgivingssytemer) - vekt på eksplisitte modeller av domenekunnskap - regelbasert paradigme ga kraftig og rask vekst - endring til kombinerte resonneringsmetoder - fra lukkede til åpne, interaktive systemer - mot grundigere kunnskapsmodeller og læring ved erfaring
NOEN ANVENDELSESOMRÅDER (forts.) Naturlig språk forståelse - mye arbeid nedlagt, spesielt innen syntax-analyse - problemer med semantisk analyse, generelt sett - vellykkede systemer innen avgrensede områder Robotikk - relatert til planlegging, og til kunstig syn - fysisk interaksjon med omgivelsene et stort AI-problem Andre - bildeforståelse, opplæringssystemer, systemutvikling, nettverksbaserte agenter... UTVIKLINGSVERKTØY System skall (Eks.: Ekspertsystem-skall) Høy-nivå modellerings- og konstruksjonsspråk, bibliotekspakke-systemer (Inference Tools) Programutviklings-omgivelser, objekt-orienterte språk (CLOS, Smalltalk, C++, Java) Symbolbehandlende språk (Lisp, Prolog) Generelle programmeringsspråk (Fortran, Pascal, C)
En kritikk av kunnskapsbaserte metoder Mennesker representerer VLQ kunnskap i maskinen, den kan defor ikke bli PDVNLQHQV. Nyttig kritikk, men satt på spissen. Berører kunnskapsrepresentasjons-problemet generelt. -.RQVHNYHQVHUÃIRUÃLQWHUDNWLYHÃUnGJLYLQJVV\VWHPHU : Utviklingsmetoder der mindre vekt legges på datamaskinen som problemløser, mer på samspillet mellom maskin og bruker. En utfordring er at systemet må ha eller bygge opp kunnskap om interaksjons-omgivelsen. -.RQVHNYHQVHUÃIRUÃO ULQJ : Større grad av erfaringsbasert læring, der systemene lærer gradvis ved å delta i løsningen av reelle problemer i det miljø de virker. For (morgen)dagens ekspertsystemer : Fra 'tradisjonelle' problemløsende systemer til DNWLYHÃDGDSWLYHÃEHVOXWQLQJVVW WWHV\VWHPHU SUBSYMBOLSKE METODER NEVRALE NETT Distribuert representasjon i et nettverk av noder koblet sammen via lenker (konneksjonisme). Ingen eksplisitt, direkte representasjon av begreper og sammenhenger. GENETISKE ALGORITMER Representasjon i form av bit-strenger som maniplueres vha. genetiske operatorer. Bit-strengene kan representere begreper, men ikke nødvendigvis.
NEVRALE NETT Et nettverk av noder delvis koblet i sammen via lenker. Lenkene som går inn til en node kan medføre at noden aktiveres, som igjen medfører at lenken ut fra noden gis en verdi. En node i nettet: u Y Y Y Y i1 Aktiveringsverdien for en node (u) bestemmes av en aktiveringsfunksjon der styrken på inn-lenkene (i) samt av vektingen av dem (v) er input-parametre. Nevrale nett trenes opp ved at inndata gis inn, utdata registreres og resultatet tilbakeføres til nettet. i2 i3 i4 Egnede anvendelser: - Problemer der det er vanskelig å identifisere og beskrive kunnskap på eksplisitt form. - F.eks.: tolking av bilder, tolking og syntese av tale. Adferdsbaserte metoder Fra kognitive til biologiske - og etologiske - modeller av intelligent adferd. Intelligent adferd forårsakes ikke av modeller som er representert i maskinen, den oppstår i vekselvirkning med omgivelsene. Basis for det nye fagfeltet 'Artificial Life'.
Definisjoner av AI - runde to 4 perspektiver på AI-systemer Systemer som tenker som mennesker (kognitiv-psykologisk vinkling) Systemer som oppfører seg som mennesker (menneskelig adferdsbasert vinkling) Systemer som tenker rasjonelt (logikk-basert vinkling) Systemer som oppfører seg rasjonelt (rasjonell agent-basert vinkling) STATUS, KUNSTIG INTELLIGENS - Oppsummert AI forskningen er en pådriver innen informatikk-feltet, bl.a. ved å angripe problemer som andre metoder ikke håndterer. Ekspertsystemer er blitt en kommersiell suksess, og regelbaserte systemer er på vei inn i 'tradisjonell' databehandling. Systemer som lærer av erfaring blir neste viktige 'gjennombrudd'. Case-baserte metoder ser lovende ut. Alternativer til det kunnskapsbaserte paradigmet blomstrer opp: Nevrale nett, genetiske algoritmer. Forskjellige typer anvendelser av intelligente datamaskinsystemer krever forskjellige typer 'intelligens' (dvs. fundamentalt forskjellige metoder): Metodesettet for å bygge nyttige og brukervennlige datasystemer utvides og forbedres stadig. AI-feltet er en viktig bidragsyter til dette.