Metody Sztucznej Inteligencji
Prof. Dr hab. Wojciech Moczulski
Politechnika ÅšlÄ…ska
Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn
Rok akad. 2005/06
AiR i MiBM, sem. 4
MSI-2005/06 s.1
Informacje o przedmiocie
" Strona KPKM:
http://kpkm.polsl.pl
Dla studentów/Platforma edukacyjna KPKM
Nazwa kursu:
Metody Sztucznej Inteligencji  wykład
Hasło/klucz: ????
" Kontakt: Wojciech Moczulski
[e-mail]
" Konsultacje (s. 406 Wydz. MT):
 Wtorek 13:30 - 15:00
 Czwartek 11:45 - 13:15
" Kolokwium zaliczeniowe: 01.06.2006
MSI-2005/06 s.2
Część I
Historia Sztucznej Inteligencji
i pojęcia podstawowe
MSI-2005/06 s.3
Sztuczna inteligencja
(AI=Artificial Intelligence)
Dziedzina wiedzy, która postawiła sobie za cel
i przedmiot badań maszyny, które potrafiłyby
rozwiązywać zadania, przy zachowaniu których
człowiek korzysta ze swojej inteligencji
(Marvin Minsky)
A.M. Turing
Computing Machinery and Intelligence
Mind 49, 1950, s.433-460
MSI-2005/06 s.4
Dziedziny i zastosowania AI
" Percepcja " Sztuczne sieci
neuronowe
" rozumowanie logiczne
" teoria gier
" rozpoznawanie
obrazów " tłumaczenie tekstów
" rozumienie mowy " automatyczne
dowodzenie twierdzeń
" uczenie maszynowe
" malowanie obrazów
" odkrywanie nowej
wiedzy " pisanie poezji
MSI-2005/06 s.5
Inne definicje AI
Ekscytująca próba uczynienia Badanie zdolności umysłowych z
komputerów myślącymi maszynami z zastosowaniem modeli obliczeniowych
pamięcią, w pełnym i dosłownym sensie (Charniak & Mc Dermott, 1985)
tego pojęcia (Haugeland, 1985)
Automatyzacja działań, które łączymy z Badanie algorytmów, które umożliwiają
ludzkim myśleniem, jak: podejmowanie spostrzeganie, rozumowanie i działanie
decyzji, myślenie, uczenie się, ... (Winston, 1992)
(Bellman, 1978)
Sztuka tworzenia maszyn, które Dziedzina badań, poszukująca wyjaśnie-
wykonują działania wymagające nia i sposobu emulowania zachowań
inteligencji wtedy, gdy są wykonywane inteligentnych za pomocą pojęć
przez człowieka (Kurzweil, 1990) dotyczących procesów obliczeniowych
(Schalkoff, 1990)
Badanie, jak można umożliwić Dziedzina informatyki dotycząca
komputerom wykonywanie zadań, w automatyzacji inteligentnego
których jak dotychczas ludzie są lepsi zachowania (Luger & Stubblefield,
(Rich & Knigth, 1991) 1993)
MSI-2005/06 s.6
4 kierunki rozwoju AI
Systemy Systemy
" Wiersze:
myślące w myślące
 górny - procesy myślenia
sposób racjonalnie
 dolny - sposób działania
podobny do
ludzi
" Kolumny:
Systemy Systemy
 lewa - odnosi siÄ™ do
działające działające
właściwości człowieka
podobnie racjonalnie
 prawa - określenia z
jak ludzie
zastosowaniem terminu
 racjonalny
MSI-2005/06 s.7
Maszyna Turinga (1937)
Maszyna Turinga nie jest obiektem fizycznym.
Jest to abstrakcyjny schemat działania według
zadanego algorytmu. Jego istotÄ™ oddaje angielskie
określenie discrete-state machine, co odpowiada
polskiemu terminowi maszyna stanów
dyskretnych.
Maszyna Turinga była odpowiedzią na problem
liczb nieobliczalnych.
MSI-2005/06 s.8
Test Turinga (1950)
Test Turinga jest wzorowany na grze  retro w
naśladownictwo (imitation game).
W grze uczestniczyły cztery osoby: A (kobieta), B
(mężczyzna), C (goniec) i D (sędzia). Zadaniem
sędziego było odgadnąć kto jest kim na podstawie
zadawanych pytań.
Turing zastąpił A maszyną. Celem testu jest
odgadnięcie tego czy sędzia rozmawia z maszyną
czy człowiekiem.
MSI-2005/06 s.9
Test Turinga (1950)
Test Turinga podaje:
operacyjnÄ… definicjÄ™ inteligencji
Test określa:
Zachowanie inteligentne maszyny na poziomie
człowieka we wszystkich zadaniach poznawczych,
wystarczajÄ…cych do porozumiewania siÄ™ z
człowiekiem, w taki sposób jak robi to człowiek.
MSI-2005/06 s.10
Warunki, aby komputer przeszedł
test Turinga
" przetwarzanie języka naturalnego
(komunikacja z rozmówcą)
" reprezentacja wiedzy
" automatyczne wnioskowanie z wykorzystaniem
zgromadzonych informacji:
 do zadawania pytań
 do wyciągania wniosków (konkluzji)
" uczenie się, adaptacja do nowych okoliczności
MSI-2005/06 s.11
Naśladowanie myślenia człowieka (1)
" przedmiot  modelowania poznawczego
" konieczna znajomość sposobu działania
ludzkiego mózgu:
 przez introspekcjÄ™
 przez eksperymenty psychologiczne
" Gdyby istniała precyzyjna teoria ludzkiego
umysłu, byłoby możliwe opracowanie
programu działającego zgodnie z tą teorią
MSI-2005/06 s.12
Naśladowanie myślenia człowieka (2)
" Ujęcie z zastosowaniem praw rozumowania
" Pierwowzór: sylogizm Arystotelesa
(wzorzec struktur argumentowania, które
dajÄ… zawsze poprawnÄ… konkluzjÄ™, pod
warunkiem zastosowania poprawnych
przesłanek)
" Przykład: Sokrates jest człowiekiem;
wszyscy ludzie są śmiertelni; dlatego
Sokrates jest śmiertelny.
MSI-2005/06 s.13
Dwa główne ujęcia AI
" Ujęcie logicystyczne
bazujÄ…ce na logice formalnej
(będzie przedmiotem większej części
wykładów)
" Ujęcie z zastosowaniem agentów
(krótki opis zawarto w dalszej części
wykładu)
MSI-2005/06 s.14
Ujęcie logicystyczne
" Zbudowanie programu logicznego,
działającego jak system inteligentny
" Problemy:
 nie jest łatwe ujęcie nieformalnej wiedzy w
wyrażenia rachunku zdań i rach. Predykatów
 rozwiązanie praktycznych problemów może
wymagać niedostępnych mocy obliczeniowych
" Reprezentacja wiedzy i systemy rozumowania
ściśle określone i łatwo zrozumiałe
MSI-2005/06 s.15
Ujęcie z zastosowaniem agentów
" Działać racjonalnie = osiągnąć cel, gdy są
dane przekonania
" Agent: jednostka, która spostrzega i działa
" Zalety:
 ujęcie bardziej ogólne niż stosowanie  praw
myślenia
 bardziej podatne na rozwój naukowy
" Ograniczona racjonalność
MSI-2005/06 s.16
Sztuczna inteligencja
Sztuczna inteligencja jest naukÄ… kognitywnÄ….
Jest połączeniem wiedzy i metod z zakresu:
- filozofii,
- matematyki,
- psychologii,
- lingwistyki,
- informatyki.
MSI-2005/06 s.17
Podstawy AI (1)
Filozofia (428 pne. - obecnie)
 Platon - pytanie o algorytm rozróżniania pojęć
 Arystoteles - system sylogizmów
 Leibnitz (materializm) 1646-1716 - mechaniczny
układ do przeprowadzania operacji mentalnych
 Hume (empirycyzm) - zasada indukcji
 Russel (1872-1970) - logiczny pozytywizm: cała
wiedza może być przedstawiona za pomocą teorii
logicznych, połączonych ze zdaniami
obserwacyjnymi (obserwacje dokonane za pomocÄ…
MSI-2005/06 s.18
czujników)
Podstawy AI (2)
Matematyka (ok. 800 - obecnie)
 al-Khowarazmi: wprowadził algorytm
 Boole (1847): formalny język rozumowania
logicznego
 Frege (1879): logika 1. Rzędu
 Tarski (1902-1983): teoria referencji (jak obiekty
logiczne odnoszą się do obiektów świata)
 Gödel (1931): twierdzenie o niezupeÅ‚noÅ›ci (w
każdym języku umożliwiającym opis własności
liczb naturalnych istnieją zdania prawdziwe, które
MSI-2005/06 s.19
sÄ… nierozstrzygalne)
Podstawy AI (3)
Psychologia (1879 - obecnie)
" behawioryzm (istotne sÄ… obiektywne zwiÄ…zki:
bodziec-odpowiedz
; wiedza, przekonania,
cele i rozumowanie sÄ… nienaukowe)
" psychologia poznania (cognitive psychology):
Craik (1943) - podstawy agentów bazujących
na wiedzy
MSI-2005/06 s.20
Podstawy AI (4)
" Informatyka (1940 - obecnie) - rozwój
środowisk sprzętowych i programowych
koniecznych do badań w zakresie AI
" Lingwistyka (1957 - obecnie) - rozwój
wspólnie z AI:
 lingwistyka obliczeniowa
 przetwarzanie języka naturalnego
MSI-2005/06 s.21
Historia (1933-1942)
która zapoczątkowała AI
 Konrad Zuse (1933)  maszyna wykorzystująca potencjał
elektryczny  komputer zerowej generacji
 John Atanasoft i Clifford Berry (1937-1942)  komputer
ABC; zasada działania oparta na arytmetyce binarnej
 Howard M. Aiken (1939-1944)  maszyna Mark I z
przekaz
ników elektromagnetycznych.
 John Mauchly i Presper Eckert (1940)  ENIAC
(Electronic Numerical Integrator and Computer)
 George Stibitz (1940)  The Complex Number Calculator;
cztery podstawowe działania w systemie dwójkowym,
MSI-2005/06 s.22
 IBM (1942)  Selective Electronic Calculator
Historia AI (1943-1956)
PoczÄ…tki AI
 Mc Culloch & Pitts (1943) - model sztucznego
neuronu
 Turing (1950)  test Turinga
 Shannon, Turing (ok. 1950) - programy do gry
w szachy
 Minsky (1951) - pierwszy komputer neuronowy
(3000 lamp + autopilot z B-24; 40 neuronów!!!)
 Newell & Simon - LT=Logic Theorist (program
komputerowy zdolny do myślenia
nienumerycznego)
MSI-2005/06 s.23
Historia AI (1952-1969)
dynamiczny rozwój
 Newell & Simon - GPS (General Problem
Solver) - pierwszy program myślący  po
ludzku
 McCarthy (1958) - LISP (LISt Processing)
 Minsky (ok. 1963) - mikroświaty (np. świat
klocków)
 Rosenblatt (1962) - perceptron (sieć neuronów,
która się uczy)
MSI-2005/06 s.24
Entuzjazm (1957)
" H. Simon:
It is not my aim to surprise or shock you - but the
simplest way I can summarize is to say that there
are now in the world machines that think, that
learn and that create. Moreover, their ability to
do these things is going to increase rapidly until -
in a visible future - the range of problems they
can handle will be coextensive with the range to
which human mind has been applied.
MSI-2005/06 s.25
Historia AI (1966-1974)
Dawka realizmu
" Programy początkowo nie zawierały wiedzy
i działały stosując jedynie pewne
manipulacje na tekstach (ELIZA)
" Wiele problemów okazało się zbyt trudnych
lub NP-zupełnych
" Stwierdzono fundamentalne ograniczenia
zwiÄ…zane z podstawowymi strukturami AI
(np. neuronów)
MSI-2005/06 s.26
Historia AI (1969-1979)
Nowe koncepcje
" WÄ…skie dziedziny problemowe
" Systemy doradcze
 MYCIN: diagnostyka chorób krwi i płynu
mózgowo-rdzeniowego (450 reguł, uwzględnienie
niepewności i sprzecznych opinii ekspertów)
 PROSPECTOR: wspomaganie prac wiertniczych
 inne skuteczne wdrożenia
" Minsky (1975): reprezentacja wiedzy -  ramy
MSI-2005/06 s.27
Historia AI (1980-1988)
AI staje się przemysłem
" Komercyjny system doradczy R1
(Mc Dermott, 1982)
" V generacja komputerów (Japonia, 1981)
" Sprzedaż 2 mld $ w 1988
MSI-2005/06 s.28
Historia AI (1986-obecnie)
" Powrót sieci " Inżynieria wiedzy
neuronowych
" Uczenie maszynowe
" Algorytmy genetyczne i odkrycia w bazach
i programy danych
ewolucyjne
" ...
" Systemy szkieletowe
" Sieci przekonań
MSI-2005/06 s.29
Część II
Ujęcie AI
z zastosowaniem agentów
MSI-2005/06 s.30
Inteligentny agent
" Agent postrzega swoje otoczenie poprzez
sensory
" Agent oddziałuje na otoczenie poprzez efektory
MSI-2005/06 s.31
Inteligentny agent - przykłady
" Człowiek:
 sensory: oczy, uszy, nos, ...
 Efektory: ręce, nogi, usta, ...
" Robot:
 sensory: kamera TV, czujniki IR, sonar, ...
 Efektory: chwytaki, głośnik, wyświetlacz, ...
" Agent programowy:
 sensory i efektory: ciągi bitów
MSI-2005/06 s.32
Przykład idealnego racjonalnego
agenta: SQRT w kalkulatorze
MSI-2005/06 s.33
Struktura inteligentnego agenta
AGENT = ARCHITEKTURA + PROGRAM
Środowisko, w którym Funkcja,
można realizować realizująca
program: odwzorowanie
od percepcji do
" komputer 1-układowy
akcji
" kamera
" mikrofon
" ...
" Oprogramowanie
umożliwiające
realizacjÄ™ programu
agenta (np. BIOS)
MSI-2005/06 s.34
Przykłady
Typ agenta Percepcje Akcje Cele Åšrodowisko
System Symptomy, Pytania, Zdrowy Pacjent,
diagnostyki wyniki, testy, terapie pacjent, szpital
medycznej odpowiedzi minimalne
pacjenta koszty
System Punkty (pixe- Drukuj Poprawna Obrazy z
analizy le) o zmien- kategoryzacjÄ™ kategoryzacja orbitujÄ…cego
obrazów nej intensyw- sceny satelity
satelitarnych ności, kolor
Interaktywny Wpisywane Drukuj Maksymali- Zbiór
nauczyciel słowa ćwiczenia, zuj ocenę studentów
angielskiego sugestie, studenta z
poprawki testu
MSI-2005/06 s.35
Agent  typ I
(działający na zasadzie odruchów)
Sensory
AGENT
Jaki jest świat w
tej chwili ?
Jakie działania
Warunki - reguły działania
trzeba wykonać?
Efektory
MSI-2005/06 s.36
Åšrodowisko
Agent  typ II
(działający na zasadzie odruchów ze stanem wewnętrznym)
Sensory
Stan
Jaki jest świat w
Jak zmienia sie świat?
tej chwili ?
Co powoduje moje działanie ?
Jakie działania
Warunki - reguły działania
trzeba wykonać?
Efektory
AGENT
MSI-2005/06 s.37
Åšrodowisko
Agent  III
(ukierunkowany na cel)
Sensory
Stan
Jaki jest świat w tej
Jak zmienia sie świat?
chwili ?
Co się stanie jeżeli
Co powoduje moje działanie ?
wykonam działanie A ?
Jakie działania trzeba
Cel
wykonać?
Efektory
AGENT
MSI-2005/06 s.38
Åšrodowisko
Agent  typ 4
(ukierunkowany na użyteczność)
Sensory
Stan
Jaki jest świat w tej
Jak zmienia sie świat?
chwili ?
Co się stanie jeżeli
Co powoduje moje działanie ?
wykonam działanie A ?
Jak szczęśliwy będę
Użyteczność
w tym nowym stanie ?
Jakie działania trzeba
wykonać?
Efektory
AGENT
MSI-2005/06 s.39
Åšrodowisko
Podsumowanie
" Agent
" Agent inteligentny
" Cztery typy agentów
MSI-2005/06 s.40