MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca...

62
Metody komputerowe w inżynierii komunikacyjnej Sztuczna inteligencja * doc. dr inż. Tadeusz Zieliński r. ak. 2016/17 • główną podstawą opracowania były: - wykłady dr W. Tracza, SGGW, - http://www.ai.c-labtech.net/sn Generalnie ludzie są równi, ale jedni bardziej, drudzy mniej....

Transcript of MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca...

Page 1: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Metody komputerowe

w inżynierii komunikacyjnej

Sztuczna inteligencja*

doc. dr inż. Tadeusz Zieliński

r. ak. 2016/17• główną podstawą opracowania były:

- wykłady dr W. Tracza, SGGW,

- http://www.ai.c-labtech.net/sn

Generalnie ludzie są równi,

ale jedni bardziej,

drudzy mniej....

Page 2: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Układ wykładu

wprowadzenie

sieci neuronowe

systemy eksperckie

Page 3: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Wprowadzenie

definicje

podstawy

dziedziny

Page 4: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Wprowadzenie

Definicje

inteligencja:

cecha umysłu warunkująca sprawność czynności

poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie

problemów

ogólna zdolność adaptacji do nowych warunków

i wykonywania nowych zadań

dostrzeganie zależności, relacji

sztuczna inteligencja – dział nauki zajmujący

się regułami rządzącymi inteligentnymi

zachowaniami człowieka (np. postrzeganiem,

uczeniem się) i tworzeniem modeli

formalnych tych zachowań

Page 5: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Wprowadzenie

Podstawy

wyróżniki:

człowiek – kreatywność

komputer – szybkość wykonywania algorytmów

czy można „coś” nazwać sztuczną inteligencją

test Turinga – możliwość rozróżnienia, czy na

zadawane pytania odpowiada człowiek, czy maszyna

komputer tworzący muzykę Mozarta

Page 6: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Wprowadzenie

Dziedzinysieci neuronowe

systemy eksperckie

logika rozmyta – uogólnienie

logiki zero – jedynkowej,

ciągłość pomiędzy fałszem

a prawdą

algorytmy ewolucyjne – przeszukiwanie przestrzeni

rozwiązań problemu w celu wyszukania rozwiązań

najlepszych; sposób działania przypomina zjawisko

ewolucji – lepszy szybciej się rozwija

robotyka

Page 7: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

wprowadzenie

modele neuronów

struktura sieci

proces badawczy

uczenie sieci

oprogramowanie

zastosowanie

historia

literatura

Page 8: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Wprowadzeniezwane też sztuczne sieci neuronowe (SSN)

zasada działania – symulacja pracy uproszczonego

modelu systemu nerwowego, neuronów

– komórek nerwowych mózgu

definicja – system składający się z:

elementów przetwarzających informacje (neuronów)

powiązań (zależności miedzy nimi)

cechy charakterystyczne

podział

Page 9: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Wprowadzenie – cechy charakterystyczne

zalety

wady

bardzo istotną cechą jest metoda uczenia sieci

miary jakości sieci:

liczba neuronów

liczba połączeń

szybkość działania

Page 10: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Wprowadzenie

Wprowadzenie – zaletymożliwość rozwiązania problemu z pominięciem etapu budowy

algorytmu (jednak trzeba zdefiniować strukturę sieci)

równoległe wykonywanie obliczeń szybkości obliczeń

„inteligencja”:

możliwość uczenia się – modyfikacja parametrów neuronów tak, by

zwiększyć efektywność sieci w rozwiązywaniu zadań danego typu

możliwość przetwarzania informacji niekompletnych, rozmytych,

chaotycznych, sprzecznych

możliwość generalizacji, interpolacji

działa zawsze jako całość poprawne działanie nawet po

uszkodzeniu części sieci

całą swoja wiedzę może zyskiwać wyłącznie w trakcie nauki i nie

musi mieć z góry zadanej, precyzyjnie określonej zasady,

dopasowanej do stawianych jej zadań

Page 11: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Wprowadzenie

Wprowadzenie – wadybrak możliwości śledzenia przebiegu rozwiązania

(sieć neutronowa = czarna skrzynka)

brak precyzji (wyniki przybliżone)

sieć musi mieć wystarczający stopień złożoności,

żeby w jej strukturze można było w toku uczenia

wytworzyć potrzebne połączenia i zależności

niemożliwość stosowania rozumowania

wieloetapowego

Page 12: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Wprowadzenie – podziałwedług technologii:

fizyczne (układy scalone)

matematyczne (programy komputerowe)

Page 13: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Modele neuronów

pojedynczy neuron

funkcja aktywacji

Page 14: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Modele neuronów – pojedynczy neuron

do wejść doprowadzane są sygnały xj dochodzące z neuronów

poprzedniej warstwy

każdy sygnał xj mnożony przez wagę wij (określa udział w tworzeniu

sygnały wyjściowego yi)

N

si = wij xjj=1

Si – zsumowane iloczyny sygnałów i wag = argument funkcji aktywacji

neuronu F(si) wartość na wyjściu

Page 15: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Modele neuronów – funkcja aktywacji

skok jednostkowy

– funkcja progowa,

wyjście: (tak-nie)

liniowa

nieliniowa (duże zdolności uczenia się)

Page 16: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Struktura siecistruktura sieci – sposób połączenia neuronów

i ich współdziałania

typy struktury sieci:

kryterium kierunku przepływu sygnału:

jednokierunkowe

rekurencyjne

kryterium liczby warstw neuronów:

jednowarstwowe

wielowarstwowe

złożone

podsumowanie

Page 17: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Struktura – sieci rekurencyjne

występuje sprężenie

zwrotne między warstwą

wejściowa a wyjściową

mogą być:

jednowarstwowe

wielowarstwowe

proces dynamiczny

(zmienność w czasie)

nieliniowyźródło: W. Tracz – Sztuczne sieci neuronowe

Page 18: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Struktura – sieci jednowarstwowe

neurony są ułożone

w jednej warstwie

zasilanej z węzłów

wejściowych

Page 19: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Struktura – sieci jednowarstwowe

Możliwościmożliwości – rozwiązywanie zadań liniowo separowanych

przykład:

2 wejścia (para liczb)

1 wyjście:

wartość 1 = tak =

wartość -1 = nie =

rozwiązywalne nierozwiązywalne

źródło: http://nrn.prv.pl

Page 20: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Struktura – sieci wielowarstwowe

występuje 1÷3 ukrytych

warstw neuronów

– pośredniczących

między wejściem

a wyjściem

sygnał z wejścia nie

dociera bezpośrednio do

wszystkich neuronów

daje zdolność

generalizacji

Page 21: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Struktura – sieci wielowarstwowe

Możliwościprzykład:

wartość 1 = tak =

sieć 2-warstwowa nieliniowa – spójny, wypukły układ wyjść

liczba linii ograniczających obszar zależy od liczby neuronów w sieci

sieć 3-warstwowa nieliniowa – dowolny układ powierzchni

wyjść

źródło: http://nrn.prv.pl

Page 22: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Struktura – podsumowaniezawsze występuje warstwa wejściowa i wyjściowa

liczba neuronów w tych warstwach jest określona

przez model rozwiązywanego problemu

liczba neuronów w warstwach ukrytych wpływa na

poziom możliwości rozwiązania problemu (jakość):

za mała – niezdolność sieci do zgromadzenia

dostatecznej wiedzy o problemie

za duża – zbyt dokładne zapamiętywanie danych

treningowych problemy z uogólnieniami,

rozwiązywaniem problemów niewyuczonych

dobiera się eksperymentalnie

Page 23: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Proces badawczy

zdefiniowanie analizowanego problemu

zdefiniowanie modelu (czynniki, opisujące je

dane, zmienne wejściowe i wyjściowe)

budowa sieci

uczenie sieci – faza treningowa

testowanie sieci – weryfikacja jej możliwości

wykorzystanie sieci – reagowanie na bodźce

wejściowe

Page 24: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Proces badawczy – budowa sieci

wybór struktury

liczba warstw

liczba neuronów w każdej warstwie

postacie funkcji przejścia

Page 25: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Uczenie sieciuczenie sieci – wymuszenie na niej określonej

reakcji na zadane sygnały wejściowe

(dostosowanie wag)

metody uczenia:

z nauczycielem – pod nadzorem

z krytykiem – odmiana metody z nauczycielem

bez nauczyciela (samoorganizujące się)

problemy

Page 26: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Uczenie sieci – z nauczycielem

dane wejściowe i wyjściowe są znane

zasada uczenia się – dobór wag, aby sygnał wyjściowy Y

był najbliższy zadanej wartości d (błąd wpływa na zmianę

wagi); optymalizacja szukanie min. f. celu

uczenie testowanie

źródło: W. Tracz – Sztuczne sieci neuronowe

Page 27: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Uczenie sieci – z krytykiem

(ze wzmocnieniem)odmiana metody z nauczycielem

nie ma informacji o konkretnych wartościach pożądanych

na wyjściu

jest informacja czy podjęta przez sieć akcja idzie w dobrym

kierunku (jest baza wiedzy)

jeśli zmiana wartości wag daje na wyjściu:

poprawę wartości system „chwalony” (następuje wzmocnienie

tendencji do takiego zachowania systemu)

pogorszenie wartości system „karcony” (osłabienie tendencji)

bardziej uniwersalne

trudniejsze

Page 28: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Uczenie sieci – bez nauczyciela

zasada uczenia – wzmacnianie sygnału:

pierwszy sygnał – losowy,

następnie dążenie do ich wzmocnienia:silna odpowiedź pozytywna – reagują wzmocnieniem sygnału

pozytywnego

słaba odpowiedź – reagują tłumieniem sygnału

silna odpowiedź negatywna – reagują wzmocnieniem sygnału

negatywnego

Page 29: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Uczenie sieci – problemy

podział zbioru danych:

uczący – do przyjęcia odpowiednich wag

testowy – weryfikacja prawidłowości pracy sieci

wielkość zbioru uczącego:

zbiór danych powinien obejmować wartości rozrzucone po całym

obszarze problemu

liczba przypadków uczących powinna być kilka razy większa niż

liczba połączeń w sieci

początkowe wartości wag – zwykle nadawane losowo

czas uczenia sieci – zależy od trudności problemu

Page 30: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Oprogramowanienajczęściej – symulatory sieci neuronowych

przykłady:Neuronix (AITECH)

http://aitech.pl/content/view/51/39/lang,ISO-8859-2/

Statistica Neural Network (StatSoft Polska)

http://www.statsoft.pl/stat_nn.html

SPSS Neural Connection (SPSS inc.)

http://www.spss.pl/spss/spss16.html#NN

Page 31: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie

kiedy warto?

przykłady zastosowania:

technika

inne

Page 32: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – kiedy warto?ogólnie:

nie ma algorytmu lub czas rozwiązania za jego pomocą jest zbyt długi

dane są nie tylko w postaci numerycznej ale i symbolicznej

wiedza jest niepewna

typy problemów:

przewidywanie zachowania na podstawie stanu wyjściowego

rozpoznawanie cech i klasyfikacja (kojarzenie) – rozpoznawanie

obiektów o charakterze losowym, zniekształconych, odtwarzanie

obrazów z fragmentów (znaki, obrazy, mowa, fale elekromagnetyczne),

filtrowanie sygnałów

sterowanie, działania dostosowujące się do sytuacji (sterowanie

robotami, systemy eksperckie)

zagadnienia optymalizacyjne (problem komiwojażera)

Page 33: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – technikaprognozowanie

teoria sterowania

robotyka, automatyka, sterowanie, podejmowanie decyzji

kierowanie pojazdami bezzałogowymi

optymalizacja

rozpoznawanie ruchu

diagnostyka elementów

systemy eksperckie

ruch lotniczy – prześwietlanie bagaży

drogi szynowe:

prognozowanie trwałości nawierzchni

wprowadzenie ograniczenia V pociągów w okresie wysokich temperatur

diagnostyka kolejowa, konieczność szlifowania szyn

Page 34: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – inne

ekonomia:

prognozowanie (giełda, ceny, rozwój firm,

branż, regionów)

wykrywanie powiązań (przyczyny niepowodzeń)

optymalizacja

pozostałe:

rozpoznawanie znaków

rozpoznawanie twarzy

wykrywanie nowotworów

wykrywanie fałszerstw bankowych

Page 35: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie znaków*

prosty przykład – 4 znaki

rozpoznawanie liter

więcej: http://www.ai.c-labtech.net/sn

> Rozpoznawanie 26 liter

*źródło: http://www.ai.c-labtech.net/sn

Page 36: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie znaków

założenia:

rozpoznawanie 4 znaków: X, 0, +,-

znaki zapisane w matrycy 3*3 X =

układ znaków

ciąg uczący

dobór parametrów sieci

korzystanie z sieci

źródło: http://www.ai.c-labtech.net/sn > Rozpoznawanie znaków

Page 37: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie znaków

Układ znaków

źródło: http://www.ai.c-labtech.net/sn > Rozpoznawanie znaków

układ

znaku

liniowe rozwinięcie,

wektor wejściowy

Page 38: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie znaków

Ciąg uczący (z nauczycielem)

źródło: http://www.ai.c-labtech.net/sn > Rozpoznawanie znaków

wektor wejściowy znak wektor wyjściowy

(numer znaku)

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

Page 39: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie znaków

Dobór parametrów sieciliczba wejść:

matryca 3*3 rozwinięcie w wektor – 9 pozycji

9 wejść

liczba wyjść:

rozpoznawanie 4 znaków wektor wyjściowy – 4 pozycje

4 wyjścia

liczba warstw ukrytych i zawartych w nich neuronów:

metoda prób i błędów (są wzory sugerujące wartość początkową)

kryteria: poprawność odczytu i szybkość uczenia się

wynik: jedna warstwa ukryta z 5 neuronami

ostateczna organizacja sieci: 9 – 5 – 4

Page 40: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie znaków

Korzystanie z siecirozpoznawanie również symboli zniekształconych

źródło: http://www.ai.c-labtech.net/sn > Rozpoznawanie znaków

zniekształcony

znak

wektor wejściowy rozpoznany

znak

Page 41: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie liter

założenia:

rozpoznawanie 26 liter

znaki zapisane w matrycy 7*5 A =

dobór parametrów sieci

korzystanie z sieci

źródło: http://www.ai.c-labtech.net/sn > Rozpoznawanie znaków

Page 42: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie liter

Dobór parametrów sieciliczba wejść:

matryca 7*5 rozwinięcie w wektor – 35 pozycji

35 wejść

liczba wyjść:

rozpoznawanie 26 liter wektor wyjściowy – 26 pozycji

26 wyjść

liczba i parametry neuronów w warstwie ukrytej

ostateczna organizacja sieci: 35 – 10 – 26

Page 43: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie liter

analiza błędów dla zmiennej liczby neuronów: 4÷9

źródło: http://www.ai.c-labtech.net/sn

Page 44: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie liter

modyfikacja parametrów zmiany wag

źródło: http://www.ai.c-labtech.net/sn

Page 45: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie liter

modyfikacja parametrów funkcji aktywacji

źródło: http://www.ai.c-labtech.net/sn

Page 46: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Zastosowanie – rozpoznawanie liter

rozpoznawanie symboli zniekształconych

źródło: http://www.ai.c-labtech.net/sn

Page 47: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Historiarozwój głównie w USA

1943 – matematyczny opis komórki nerwowej, przetwarzania danych

1949 – odkrycie, że informacja może być przechowywana w strukturze połączeń

miedzy neuronami metoda uczenia sieci

lata 50-te – budowa pierwszych sieci neuronowych

1957 – percepton – działająca sieć neuropodobna (układ elektromechaniczno-

elektroniczny); cel – rozpoznawanie znaków

1960 – sieć elektrochemiczna; pierwszy neurokomputer, pierwsze praktyczne

wykorzystanie sieci (dziś wykorzystywana w sonarach, radarach,

telekomunikacji)

1970 – matematyczne wykazanie, że sieci jednowarstwowe maja bardzo

ograniczone zastosowanie zahamowane rozwoju

lata 70-te - sieć do rozpoznawania mowy oraz sterowania ramieniem robota

lata 80-te – pierwsze sieci ze sprzężeniem zwrotnym, odtwarzanie obrazów

z fragmentów, zadania optymalizacyjne

1985 – wykazanie bardzo dużych możliwości sieci nieliniowych

wielowarstwowych; przepisy na uczenie sieci wielowarstwowych

Page 48: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Sieci neuronowe

Literaturahttp://www.ai.c-labtech.net/sn – przykłady rozpoznawania

znaków i krzywych trygonometrycznych

http://nrn.prv.pl/ – ogólny, przystępny wykład; liczne przykłady

http://wl.sggw.waw.pl/units/geomatyka/SI :

W. Tracz, Sztuczne sieci neuronowe, SGGW

W. Tracz, Systemy ekspertowe, SGGW

http://alipe.webpark.pl/ – multimedialna prezentacja

J. Górska, E. Bronisławska, Sieci neuronowe, 2006, referat

niepublikowany

http://pl.wikipedia.org/wiki/Sztuczna_inteligencja

http://www.kik.pcz.czest.pl/nn/podstawy.php

Page 49: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckiewprowadzenie

budowa systemu

źródła wiedzy

pozyskiwanie wiedzy

zapis wiedzy

sposoby wnioskowania

narzędzia do tworzenia systemów

ocena

zastosowanie

podsumowanie

literatura

Page 50: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Wprowadzenieinaczej: ekspertowe lub system z bazą wiedzy

definicja – program komputerowy wspomagający

korzystanie z wiedzy i ułatwiający podejmowanie decyzji;

wspomaga bądź zastępuje ludzkich ekspertów w danej

dziedzinie – dostarcza diagnoz, rad, zaleceń (symulacja

rozumowania człowieka w określonym obszarze wiedzy)

cechy systemu eksperckiego:

jawna reprezentacja wiedzy i oddzielenie wiedzy eksperckiej od

procedur sterowania

zdolność do wyjaśnień, w szczególności sposobu rozwiązania

danego problemu

rozwiązuje problemy nie korzystając z jawnie zapisanego algorytmu,

lecz z wykorzystaniem różnych metod wnioskowania

Page 51: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Budowa systemu eksperckiego

źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/System_ekspercki#Szkielety_system.C3.B3w_ekspertowych

Page 52: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Budowa systemu eksperckiegoinżynier wiedzy :

stawia ekspertowi problemy, przekazuje dane

zbiera od eksperta wiedzę, rozwiązania zapisuje w sposób sformalizowany

baza wiedzy - wiedza ekspertów z danej dziedziny zapisana w sposób sformalizowany

szkielet systemu:

interfejs użytkownika - umożliwia zadawanie pytań, udzielanie informacji systemowi

oraz odbieranie od systemu odpowiedzi i wyjaśnień

edytor bazy wiedzy - pozwala na modyfikację wiedzy zawartej w systemie, umożliwia

jego rozbudowę

mechanizmu wnioskowania - główny składnik systemu eksperckiego wykonujący cały

proces rozumowania w trakcie rozwiązywania problemu postawionego przez

użytkownika

mechanizm wyjaśniający - objaśnia, dlaczego system udzielił takiej, a nie innej

odpowiedzi, albo dlaczego system zadał użytkownikowi dodatkowe pytanie

baza danych zmiennych - pamięć robocza przechowującą pewne fakty wprowadzone

w trakcie dialogu z użytkownikiem; umożliwia odtworzenie sposobu wnioskowania

systemu i przedstawienie go użytkownikowi za pomocą mechanizmu wyjaśniającego

Page 53: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Źródła wiedzy

ekspert – najczęściej

literatura

systemy doradcze

Page 54: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Pozyskiwanie wiedzypozyskuje inżynier wiedzy od eksperta:

stawia pytania, problemy

uzyskiwane odpowiedzi zapisuje w sposób sformalizowany

wprowadza je do bazy wiedzy

metody pozyskiwania wiedzy:

bezpośrednie zapisanie wiedzy – „uczenie na pamięć”

na podstawie instrukcji

na podstawie analogii

na podstawie obserwacji – bez nauczyciela

na podstawie przykładów – generalizowanie zapisu na

podstawie zbioru przykładów (metoda indukcji)

Page 55: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Zapis wiedzyreprezentacja proceduralna – zapisanie zbioru

procedur opisująca wiedzę

reprezentacja deklaratywna – zapisanie zbioru

faktów, stwierdzeń, reguł specyficznych dla danej

dziedziny

Page 56: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Sposoby wnioskowaniaw przód (progresywne):

dane, fakty wiedza cel

stosuje się, gdy niewiele danych do sprawdzenia

a wiele konkluzji

w tył (regresywne):

cel wiedza dane, fakty

stosuje się, gdy wiele danych do sprawdzenia

a względnie niewiele konkluzji

częściej stosowana

mieszane

wykorzystanie heurystyki, aproksymacji, statystyki

Page 57: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Narzędzia do tworzeniajęzyki algorytmiczne (np. Pascal, C, C++)

oprogramowanie specjalistyczne:języki sztucznej inteligencji (Lisp, Prolog)

języki systemów eksperckich (np. CLISP, Flops,

OPS5)

szkieletowe systemy ekspertowe (np. PC Shell,

ExSys, DecisionPro, G2)

Page 58: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Ocena – porównanie z ekspertyzą naturalną

ekspertyza naturalna ekspertyza sztuczna

wady: zalety:

• utrata wartości z upływem czasu

• problemy z:

• przeniesieniem

• dokumentacją

• nieprzewidywalność

• koszty

• stała

• łatwość:

• przeniesienie

• dokumentacji

• zgodna z bazą wiedzy

• dostępna

zalety: wady:

• twórcza

• adaptacyjna

• język naturalny

• szeroki zakres

• wiedza zdrowego rozsądku

• nieinspirująca

• konieczność wprowadzenia wiedzy

• wejścia symboliczne

• wąski zakres

• wiedza przetwarzana mechanicznie

za Tracz W., na podstawie Mulawka J. – Systemy ekspertowe, WNT, 1996

Page 59: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Ocena - ograniczeniakruchość – z uwagi na wąski zakres wiedzy – brak możliwości

powrotu do wiedzy ogólnej, gdy jest taka potrzeba, np. gdy

brakuje informacji lub gdy informacja jest nieodpowiednia

pobieranie wiedzy – mimo rozwijania nowych narzędzi, ciągle

stanowi poważną przeszkodę przy wdrażaniu systemów

eksperckich do nowych obszarów

brak samooceny – rzadko kiedy posiadają wyszukaną wiedzę

na temat własnych działań i stąd brak oceny własnych

ograniczeń

kontrola działania – trudne sprawdzenie skuteczności (trudno

mierzyć i porównywać poziom wiedzy – można tylko

porównywać z wiedzą ludzi)

Page 60: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Zastosowanielata 60-te – identyfikacja struktur molekularnych związków chemicznych

lata 70-te – identyfikacja chorób krwi

technika:

wspomaganie prac geologicznych (poszukiwanie złóż)

planowanie procesu produkcji w rafinerii

systemy utrzymania nawierzchni (USA)

usprawnianie metod stosowanych do wyznaczanie priorytetów

i programowania wydatków na drogownictwo (USA)

konserwacja mostów (USA)

dignostyka sieci kolejowej

wojsko:

diagnostyka uszkodzeń w systemie obrony powietrznej

inne:

kształtowanie składu portfela giełdowego

przydzielanie kredytu

podejmowanie decyzji administracyjnych

Page 61: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Podsumowanie

ciągle rzadko stosowane

przesłanki stosowania:brak kompletnej wiedzy zapisanej w sposób algorytmiczny

przewaga wiedzy heurystycznej nad algorytmiczną

duża złożoność problemów

wąska i mało zmienna dziedzina

przewaga wiedzy symbolicznej nad numeryczną

potrzeba szybkiego podejmowania decyzji przy braku

pełnych danych

Page 62: MKwIK wykład 17 - Sztuczna inteligencja w14.pdf · inteligencja: cecha umysłu warunkująca sprawność czynności poznawczych, takich jak myślenie, rozwiązywanie problemów ogólna

Systemy eksperckie

Literaturahttp://wl.sggw.waw.pl/units/geomatyka/SI :

W. Tracz, Systemy ekspertowe, SGGW

M. Kryński, Systemy eksperckie, 2006, referat niepublikowany

http://pl.wikipedia.org/wiki/Sztuczna_inteligencja

Michalik K.: Systemy ekspertowe. Aitech, Katowice

http://aitech.pl/content/blogcategory/46/142/lang,ISO-8859-2

Mulawka J., Systemy ekspertowe, WNT, Warszawa, 1996

Zieliński J. – Inteligentne systemy w zarządzaniu. Teoria

i praktyka, WNT, Warszawa 2000