Sunday, November 20, 2011

Inteligencia artificial y sistemas expertos


La inteligencia artificial, término que acuñó John McCarthy me parece, se basa en la idea de hacer sistemas inteligentes, tan capaces como los que puede lograr el cerebro humano. Sin embargo, se halló, después de los primeros años frustrantes, que la inteligencia humano no sólo era complicada, sino mucho más complicada de lo que habíamos pensado. Por ello, hubo una división natural de tareas: visión por computadora; sistemas expertos; reconocimiento de patrones; entre otros.



Uno de los temas que por algunos años estuvieron en boga, pero que probablemente han caído en el desuso es el de los sistemas expertos, el cual se basa en escribir software que fuese tan bueno como un experto humano en un tema particular. En ese sentido por ejemplo, un programa de ajedrez como los actuales, que le ganan al 99.99% de los jugadores humanos,  es un sistema experto muy exitoso, pero las técnicas de programación para jugar tan bien están lejos de la teoría tradicional de los sistemas expertos. En este caso las cosas son así. Un sistema experto se basa en tres subtemas:

  • Interfaz con el usuario
  • Base de conocimientos (reglas de producción)
  • Motor de inferencias

En ese sentido, cuando se va a trabajar con un sistema experto hay que reconocer cómo se diseñará cada parte. En el caso de la interfaz del usuario, aunque hay muchas alternativas, la más común es responder "sí" o "no" a las preguntas que hace el sistema. esto -desde luego- no es tan poderoso como aquellos sistemas que además de responder a preguntas con "sí" o "no", también puedes darle un valor de confiabilidad a la respuesta. Por ejemplo,

Pregunta: "¿Te duele la cabeza"
Respuesta: "sí"
Pregunta: Del 1 al 10, ¿cuánto te duele? (donde 10 es el dolor más fuerte)

este tipo de sistemas usan probabilidad para decidir el margen de confiabilidad de las respuestas que entrega el sistema experto, basado en las confiabilidades que se dieron en las diferentes respuestas por parte del usuario. Para ello se usa el teorema de Bayes Sin embargo, para poner las cosas de la manera más simple, muchos sistemas expertos solamente permiten responder "sí" o "no".

Pues bien, una vez hecho esto, tenemos que describir la base de conocimientos, la cual es la que nos dará información sobre el tema que nos ocupa. Por ejemplo, en el programa muestra que te mando, la base de conocimientos es la información sobre los diferentes perros que existen. Así, un snauzer será un perro pequeño, con cola y orejas cortas, de buen talante, etc. En esta base se definen algunos perros y sus características. La idea del sistema experto es que el programa vaya pidiéndole información al usuario para que éste pueda concluir de qué perro se trata. Las bases de conocimiento están puestas en general como predicados "causa - efecto". Así, una regla en general podría ser: "si te duele la cabeza es que tienes gripe". La causa: el tener gripe; el efecto: el dolor de cabeza.

El motor de inferencias es quien pregunta al usuario basándose en esas cláusulas causa - efecto. Los sistemas expertos usan tres posibles motores de inferencia:

  • encadenamiento hacia atrás (backward chaining)
  • encadenamiento hacia adelante (forward chaining)
  • sistema de borrador (blackboard system)

El primer caso funciona así: Imagina que vas con el médico porque te sientes mal. Él te ve y te empieza a preguntar cosas sobre tus malestares. Sin embargo, antes de empezar las preguntas, las dirige asumiendo que tienes gripe, por ejemplo. Entonces te preguntará síntomas asociados de la gripe. Si le das más de una respuesta que no es presumiblemente de la gripe, se formulará mentalmente otra hipótesis y de nuevo empezará el interrogatorio.

El segundo caso es el encadenamiento hacia adelante. Siguiendo el ejemplo anterior, vas al médico y éste comienza a preguntarte qué te duele, pero no asume que tiene gripe o cualquier otra enfermedad. Lo que hace es acumular datos (respuestas) y entonces busca en su base de conocimientos qué es lo que más se parece a lo que puedes tener.

El sistema de borrador ya es obsoleto. Imagina un salón de clases lleno de expertos humanos en alguna materia. Entonces se plantea un problema y cada experto tiene un pedazo del borrador en la pared para poner su solución. Después de que todos hayan puesto su posible solución, un supervisor lee todas las respuestas y arma la respuesta final. Así funcionaba HearSay, un sistema de reconocimiento de voz de los años ochentas, actualmente en desuso.

Cabe señalar que los sistemas expertos deben estar construídos para no repetir hasta el hartazgo la misma pregunta. Por ejemplo, imagina que un sistema de encadenamiento hacia atrás te pregunta si te duele la cabeza y le contestas que no. Si es así, probablemente la primera hipótesis, la de tener gripe, no funcione. Entonces el sistema crea a través de la siguiente regla la nueva hipótesis. Si en esta nueva regla hay que preguntar de nuevo si te duele la cabeza, sería poco inteligente y serio de un sistema que te volviese a preguntar lo mismo. Así, el sistema experto (como el que te mando), guarda las respuestas del usuario y checa antes si ya respondiste a la pregunta para no volverla a preguntar.

Otra cuestión, que no está considerada en el sistema experto es la de explicar su funcionamiento. Es decir, ¿por qué el sistema experto llegó a las conclusiones y diagnósticos a los que llegó? Hay muchas maneras de hacer esto pero una de ellas es simplemente avisarle al programador, vía mensajes a la pantalla, en qué regla está trabajando. Otrso sistemas expertos pueden trazar la ruta de desarrollo. Por ejemplo, pueden decirte: "primero usé la regla 4, la cual me remitió a la regla 92 y por las respuestas del usuario tuve que probar las reglas 153 y 25", etc. Pero esto es mucho más sofisticado y difícil de programar.



/*      Program: Dog Expert        */
/* Purpose: To show the working of */
/* an expert system. It is a pro-  */
/* duction rule-based system.      */
/*                                 */
/* Remarks: This is a dog classi-  */
/* cation expert system. It uses a */
/* set of production rules for the */
/* purpose of inferring.           */

domains

database

   xpositive(symbol,symbol)
   xnegative(symbol,symbol)


predicates

   do_expert_job
   do_consulting
   ask(symbol,symbol)
   dog_is(symbol)
   it_is(symbol)
   positive(symbol,symbol)
   negative(symbol,symbol)
   remember(symbol,symbol,symbol)
   clear_facts

goal

   do_expert_job.


clauses

/*  User Interface System (UIS) */

do_expert_job :-
     makewindow(1,7,7,"An Expert System",1,16,22,58),
     nl, write(" ************************************"),
     nl, write("    Welcome to a Dog Expert System"),
     nl, write("                                 "),
     nl, write(" This is a dog identification system"),
     nl, write(" Please, respond by typing in 'yes'"),
     nl, write(" or 'no'.            Thank you.    "),
     nl,nl,
     do_consulting,
     write("Press space bar..."), nl,
     readchar(_),
     clearwindow,
     exit.

do_consulting :-
     dog_is(X), !,
     nl, write(" Your dog may be a(n) ",X,"."),
     clear_facts.

do_consulting :-
     nl, write("Sorry, unable to determine the dog."),nl,
     clear_facts.

ask(X,Y) :-
     write("   Question :- ",X," it, ",Y," ? "),
     readln(Reply),
     remember(X,Y,Reply).


/* Inference Engine (INE) */

positive(X,Y) :-
     xpositive(X,Y),!.

positive(X,Y) :-
     not(negative(X,Y)),!,
     ask(X,Y).

negative(X,Y) :-
     xnegative(X,Y),!.

remember(X,Y,yes) :-
     asserta(xpositive(X,Y)).

remember(X,Y,no) :-
     asserta(xnegative(X,Y)),
     fail.

clear_facts :-
     retract(xpositive(_,_)),
     fail.

clear_facts :-
     retract(xnegative(_,_)),
     fail.


/* Production Rules */


dog_is("English Bulldog") :-
     it_is("short-haired dog"),
     positive(has,"height under 22 inches"),
     positive(has,"low-set tail"),
     positive(has,"good natured personality"),!.

dog_is("Beagle") :-
     it_is("short-haired dog"),
     positive(has,"height under 22 inches"),
     positive(has,"long ears"),
     positive(has,"good natured personality"),!.

dog_is("Great Dane") :-
     it_is("short-haired dog"),
     positive(has,"low-set tail"),
     positive(has,"longer ears"),
     positive(has,"good natured personality"),
     positive(has,"weight over 100 lb"),!.

dog_is("American Foxhound") :-
     it_is("short-haired dog"),
     positive(has,"height under 30 inches"),
     positive(has,"longer ears"),
     positive(has,"good natured personality"),!.
    
dog_is("Cocker Spaniel") :-
     it_is("long-haired dog"),
     positive(has,"height under 22 inches"),
     positive(has,"low-set tail"),
     positive(has,"longer ears"),
     positive(has,"good natured personality"),!.

dog_is("Irish Setter") :-
     it_is("long-haired dog"),
     positive(has,"height under 30 inches"),
     positive(has,"low-set tail"),
     positive(has,"good natured personality"),!.

dog_is("Collie") :-
     it_is("long-haired dog"),
     positive(has,"height under 30 inches"),
     positive(has,"low-set tail"),
     positive(has,"good natured personality"),!.

dog_is("St. Bernard") :-
     it_is("long-haired dog"),
     positive(has,"low-set tail"),
     positive(has,"good natured personality"),
     positive(has,"weight over 100 lb"),!.
    
it_is("short-haired dog") :-
     positive(has,"short-haired"),!.
    
it_is("long-haired dog") :-         
     positive(has,"long-haired"),!.

Este sistema experto está escrito para turbo prolog, que funciona bajo MsDOS y está sacado del libro -si mal no recuerdo- Exploring Artificial Intelligence With Turbo PROLOG por Keith Weiskamp, el cual no sé dónde está. No lo halló más.

1 comment:

Francisco said...

Me recordó un juguete que venden por acá en los Toys-R-Us. Te pide que pienses en una cosa y a continuación el juguete intentará adivinar en que cosa estás pensando. Para ello te va formulando una serie de preguntas a las que tienes que contestar, SI, NO o NO SE. No recuerdo exactamente cuales son las opciones de respuesta, pero esa es la idea. Estuve jugando con él en la tienda un rato y obtuvo un muy buen porcentaje de aciertos.