¿Cuáles son los componentes de un sistema experto?

Los sistemas expertos se convirtieron en la aplicación más importante dentro de la inteligencia artificial

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La inteligencia artificial luego de muchos años de dedicarse a investigaciones puramente teóricas enfocadas en el desarrollo de programas que fueran capaces de mostrar una inteligencia similar a la humana, tales como  jugar ajedrez, demostrar teoremas matemáticos o que entendieran el lenguaje natural entre otras muchas líneas de investigación en las que no se lograron los resultados esperados, lo cual trajo un sentimiento de fracaso que llevó a los investigadores a ocuparse de campos más específicos y a concentrarse en áreas de aplicación que reportaran utilidades de ahí los sistemas expertos, cuya función ha sido desarrollar trabajos similares a los que desarrollaría un especialista en su área.

Podemos decir que un sistema experto consiste en una base de conocimientos, una base de hechos y un motor (o máquina) de inferencias. Por otra parte estos sistemas no se miden por la cantidad de instrucciones o programas sino por la cantidad de reglas que hay contenida en su base de conocimientos.

La Base de Conocimientos (BC), es el conjunto de reglas que permiten representar los conocimientos del dominio de experto, donde cada regla aisladamente tiene significado propio. Normalmente los conocimientos son de tipo declarativo por lo cual la BC casi siempre es una descripción de los conocimientos del experto y requiere de algún mecanismo que obtenga las inferencias adecuadas para resolver el problema, sea capaz de seleccionar las reglas y que las vaya ejecutando: el motor de inferencias.

El Motor de Inferencias (MI) es un programa de control cuya función es seleccionar las reglas posibles a satisfacer el problema, para ello se vale de ciertas estrategias de control sistemáticas o de estrategias heurísticas. La estrategia de control sistemática es un programa de control hecho de forma algorítmica que aplica una heurística de propósito general cuya función es una exploración exhaustiva y metódica de la base de conocimientos.

La Base de Hechos (BH), también conocida como memoria de trabajo o base de datos global, es la que contiene los datos de partida y los criterios de parada, la misma se va actualizando durante la ejecución del sistema.

Además de los componentes anteriores los sistemas expertos necesitan interactuar con el usuario y con el experto.

Interface con el usuario, es la que facilita el diálogo con el usuario, permite hacerle preguntas al sistema e incluso obtener conocimientos análogos a los del experto. Las explicaciones pueden ser obtenidas de la base de hechos donde se almacenan los pasos para llegar a la solución.

Interface con el experto, permite al experto consultar los conocimientos almacenados en la base de conocimientos y da la posibilidad de incluirle nuevos conocimientos. Su objetivo es que el experto pueda introducir directamente sus conocimientos en la máquina sin necesidad de ver al ingeniero que desarrolló el sistema.

Algunas de las aplicaciones más importantes se remontan al sistema Mycin, el cual dio lugar a la mayoría de las aplicaciones en medicina y fue pionero en el tratamiento de la incertidumbre, que sirvió de patrón a los motores de inferencia de propósitos general (Shell). Otro de los destacados fue Dendral cuya aplicación fue usada en la química, la prospección geológica entre otras muchas aplicaciones.

Los sistemas expertos que posteriormente fueron bautizados como sistemas basados en conocimientos y actualmente, bajo la influencia de IBM, se les llama sistemas cognitivos, siendo Watson su mayor representante, están teniendo un nuevo renacimiento y todo indica una nueva era para inteligencia artificial en general y en particular para los sistemas expertos.

Conceptos básicos sobre sistemas expertos

En el artículo ¿Qué es un Sistema Experto? Vimos que consta de una Base de Conocimientos (BC), una Base de Hechos (BH) y un Motor (o Máquina) de Inferencias (MI). Y que estos sistemas no se miden por la cantidad de instrucciones o programas sino por la cantidad de reglas que hay contenida en su Base de Conocimientos.

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Veamos cómo se representan las reglas

Representacion a través de reglas:

Si H1 y/o H2 y/o H3… entonces H4 y/o H5…

Ejemplos:
Si H1 y H2 entonces H3 y H4.
Si H3 o H4 entonces H5 y H6 o H7.
Si H2 y H7 o H6 entonces H9.

Vimos que en prolog las reglas del tipo:
Si H1 y H2 y H3,… entonces Hc (Si se cumplen todos los hechos entonces se cumple la conclusión).

Se representan como:
Hc si H1 y H2 y H3… (Para que se cumpla la conclusion tienen que cumplirse los siguientes hechos).

Y la sintaxis es la siguiente:
Hc :- H1, H2, H3, …

Donde los hechos son predicados que deben cumplirse.

R1: Si X>3 y Y=5 entonces Z =3 y A<5.

En caso que X no sea mayor que 3 la regla falla y se buscara otra regla. En esta caso debe cumplirse ambas condiciones (para la X y la Y)..
Si la regla se cumple se ejecuta la acción para Z y A.

R2: Si X2 entonces Z = 7

Aquí si la primera condición falla (X<5) se pasa la segunda condición. Basta con que se cumpla una de las dos condiciones.

Los hechos son afirmaciones que se refieren a los conceptos (clases y objetos) y a las relaciones (atributos) entre ellos.

Ejemplos de representación de los hechos en diferentes aplicaciones de la IA.

MYCIN

el organismo     es un       bacteroride

<sujeto>       <relación>   <concepto>

la coloración      del organismo     es gram+

<atributo>           <sujeto>            <valor>

DENDRAL

resonancia espectral con numero atómico igual a numero

<sujeto>                                <atributo>                       <valor>

M1 (shell)

Mejor color = tinto
<expresión> = <valor>

PROLOG

Gusta (maria, tenis)
<relación> (<concepto>, <concepto>)

EXSYS (shell)

<calificador (terminado en verbo)>  <valor>

El costo de la computadora es el factor de mayor importancia

Ejemplos de reglas:

Regla 1: Si tiene espina dorsal
Y tiene cola horizontal
Y tiene un agujero para respirar
Y tiene sangre caliente.
Y los pequeños son alimentandos con leche materna
Y los hijos nacen directamente vivos
Entonces es un cetáceo.

Regla 2: Si es un cetáceo
Y mide mas de 25 pies
Entonces es una ballena

Regla 3: Si es un cetáceo
Y mide aproximadamente 6 pies
Y tiene la aleta tope vertical
Y tiene una nariz roma-pequeña
Y vive cerca de las costas
Entonces es una marsopa

Regla 4: Si es un cetáceo
Y mide aproximadamente 6 pies
Y tiene la aleta tope vertical
Y tiene una nariz en forma de pico
Y vive en el mar
Entonces es un delfín

Regla 5: Si tiene espina dorsal
Y tiene una aleta vertical
Y respira a través de branquias
Entonces es un pez.

Regla 6: Si es un pez
Y tiene la aleta tope triangular
Y tiene la boca debajo de la cabeza
Entonces es un tiburón

Observen que definieron las reglas para los cetáceos y a partir de esta se definió al delfín, la ballena, etc. Igual sucedió para los peces.

¿Cómo buscan los sistemas expertos?

Sabemos dado un estado inicial, se van generando estados a través de la aplicación de un conjunto de reglas, las cuales al aplicarse originan un nuevo estado, así sucesivamente hasta alcanzar el estado final.

Habrá en consecuencia un estado inicial y un estado final que serán definidos como:

1. Una base de hechos en la cual aparecerá un hecho que satisface ciertas características.
2. Una base de hechos en la cual habrán desaparecido todos los hechos a establecer.
3. Una base de hechos tal que ninguna regla puede aportar una nueva modificación.

Los puntos 1 y 3 son comúnmente adoptados por los motores de encadenamiento hacia delante, mientras el 2 es adoptado por motores con encadenamiento hacia atrás.

Ejemplo de búsqueda primero en profundidad

Tomemos el ejemplo de las tinas, donde se parte de dos tinas (recipientes para contener agua) y se quiere lograr que la de 4 galones tenga 2 galones. Las tinas no tienes marcas que indiquen la cantidad de galones.

Vamos a definir algunas reglas de forma general:
Restricciones
1) “Si una tina se lleno hasta el tope, no llenar la otra”.
2) “Si una tina se acaba de llenar hasta el tope, no se puede botar”.
Orden de las reglas:
1ro. Aplicar reglas para el criterio de solución.
2do. Aplicar reglas para llenar las tinas.
3ro. Aplicar reglas para vaciar de una para otra.
4to. Aplicar reglas para botar el contenido de una de ella.
Criterio de solución
R1: Si (la tina de 4) (tiene) (dos galones) entonces SOLUCION.
R2: Si (la tina de 3) (tiene) (dos galones) y (la tina de 4) (esta vacia) entonces (vaciar el contenido) (para) (la tina de 4)
R3: Si (la tina de 3) (tiene) (dos galones) y (la tina de 4) (no) (esta vacia) entonces (botar el contenido de) (la tina de 4)

Veamos cómo se va efectuando la búsqueda paso a paso

Estado inicial: (0,0) ambas tinas vacías
Estado 1: (0,0) -> (0,4) Se llena una de las tinas (la de 4 galones).
Estado 2: (0,4) -> (3,1,) Se vacía el contenido de la de 4 en la de 3 galones.
Estado 3: (3,1) -> (0,1) Se bota el contenido de la tina de 3 galones
Estado 4: (0,1) -> (1,0) Se vacía el contenido de la de 4 en la de 3 galones.
Estado 5: (1,0) -> (1,4) Se llena la tina de 4 galones.
Estado 6: (1,4) -> (3,2) Se vacía la tina de 4 en la de 3 galones
Estado final (3,2) Se alcanza la solución al quedar 2 galones en la tina de 4

Pueden ver ese ejemplo en ejecute un sistema sistema experto en HTML

¿Que es un sistema experto?

Durante años la actividad de la Inteligencia Artificial estuvo dedicada a las investigaciones teóricas y al desarrollo de experimentos a través de programas que demostraran “actitudes inteligentes”, con estos programas se pretend’ia que la máquina jugara ajedrez, demostrara teoremas matemáticos, etc.

No fue hasta los años 70 que surgió un nuevo paradigma en la Inteligencia Artificial “los Sistemas Expertos”, cuya función es desarrollar trabajos similares a los que desarrollar’ia un especialista en un área determinada, la idea no es sustituir a los expertos, sino que estos sistemas sirvan de apoyo a los especialistas en un “dominio” de aplicación específico.

Estos sistemas expertos son en lo esencial sistemas de computación basados en conocimientos cuyos componentes representan un enfoque cualitativo de la programación. Muchas personas pueden creer que un Sistema Experto (SE) es un sistema compuesto por subsistemas y a su vez estos por otros subsistemas hasta llegar a los programas, y que los SE se miden por la cantidad de programas que contienen. Sin embargo la cantidad no es lo que prima en los SE, si no la cualidad del mismo, esta cualidad está dada por la separación de las reglas que describen el problema (Base de Conocimientos), del programa de control que es quien selecciona las reglas adecuadas (Motor de inferencias).

Podemos decir que un Sistema Experto es una Base de Conocimientos (BC), una Base de Hechos (BH) y un Motor (o Máquina) de Inferencias (MI). Por otra parte estos sistemas no se miden por la cantidad de instrucciones o programas sino por la cantidad de reglas que hay contenida en su Base de Conocimientos.

Para desarrollar los sistemas expertos primero es necesario abordar un área de interés, dentro de esta área se seleccionan a los expertos, que son los especialistas capaces de resolver los problemas en dicha área. Por ejemplo el área de interés de las empresas de proyectos, son precisamente los proyectos y un especialista podría ser un arquitecto, un ingeniero civil, etc. Ahora bien, casi siempre estos especialistas, son expertos en un dominio específico y es sobre este dominio, donde poseen su mayor experiencia (Dominio de Experticidad), por ejemplo un Ing. civil especializado en cimientos.

Una vez seleccionado al experto o a los expertos y estos estén de acuerdo en dar sus conocimientos, comienza a jugar su papel el “Ingeniero de Conocimientos”, que es el encargado de extraerle los conocimientos al experto y darle una representación adecuada, ya sea en forma de reglas u otro tipo de representación, conformando as’i la base de conocimientos del sistema experto.

Formas de representación de los conocimientos:
Reglas de producción
Redes semánticas
Marcos (Frames).

La forma de representación más usada es por reglas de producción, también llamadas reglas de inferencias. Casi todos los sistemas expertos están basados en este tipo de representación, ahora nos ocuparemos de los sistemas basados en reglas.

Las reglas de producción son del tipo:
SI Premisa ENTONCES Conclusion (SI A ENTONCES B).

Donde tanto las premisas como la conclusión, no son más que una cadena de hechos conectados por “Y” o por “O”, de forma general sería:

SI Hecho1 Y/O Hecho2 Y/O… HechoN ENTONCES Hecho1 Y/O … HechoN

Los hechos son afirmaciones que sirven para representar conceptos, datos, objetos, etc. Y el conjunto de hechos que describen el problema es la base de hechos.

Ejemplo de hechos:
Juan es un estudiante
Juan tiene 8 años
el perro es blanco
a María le gusta el cine
Pedro prefiere la película
la edad de Luis es de 25 años
Pedro tiene un salario de 200 pesos

Una regla es una combinación de hechos que permite representar conocimientos y sacar inferencias de los mismos.

Ejemplo de reglas:

R1: SI Juan es esgudiante Y Juan tiene 8 años Entonces Juan estudia en la primaria .

R2: SI el perro es blanco Y el perro se llama Dinky ENTONCES el perro es de Juan.

R3: SI a Maria le gusta la pelicula Y Juan prefiere la pelota ENTONCES hacen falta e televisiores

Observe como partiendo de hechos conocidos que describen algún conocimiento se pueden inferir nuevos hechos (nuevos conocimientos), por otra parte la regla #2 (R2), no tiene porque ser totalmente cierta, existe la posibilidad de que el perro sea de Juan, quizás se puede afirmar, si fuéramos a cuantificar esa posibilidad, que el perro pertenece a Juan con una certeza de un 80%, y por último la regla #3 (R3) es dependiente del contexto, ya que aquí se supone que ambos viven juntos y que los programas de TV coinciden.

La Base de Conocimientos (BC).
Son el conjunto de reglas que permiten representar los conocimientos del dominio de experto donde cada regla aisladamente tiene significado propio. Normalmente los conocimientos son de tipo declarativo por lo cual la BC casi siempre es una descripción de los conocimientos del experto, por lo tanto requiere de algún mecanismo que obtenga las inferencias adecuadas para resolver el problema, alguien que seleccione las reglas y las vaya ejecutando, ese alguien es el motor de inferencias.

El Motor de Inferencias (MI) es un programa de control cuya función es seleccionar las reglas posibles a satisfacer el problema, para ello se vale de ciertas estrategias de control sistemáticas o de estrategias heurísticas.

Estrategias de control sistemático:
Encadenamiento hacia adelante o hacia atrás.
Búsqueda en profundidad o a lo ancho.
Régimen de control irrevocable o por tentativa.

Estas estrategias son de forma sistemática las cuales deben llevar a la solución del problema. Podemos decir que el control sistemático es un programa de control hecho de forma “algorítmica” que aplican una heurística de propósito general cuya función es una exploración exhaustiva y metódica de la base de conocimientos.

Estos mecanismos de control son muy generales y a veces resultan ineficientes ya que siguen una secuencia de búsqueda demasiado rígida, para resolver esto se idearon las estrategias de control heurísticas.

Las estrategias de control heurísticas son programas de control que utilizan una heurística más específica y su función es una selección más restringida orientada por las necesidades del problema. Estas estrategias actúan sobre el control sistemático y en ciertos casos toma el control y dirige la búsqueda hacia ciertos criterios rompiendo así el control sistemático, una vez logrado su objetivo le devuelve el control nuevamente al sistemático.

Estrategias de control heurísticas:
Orden de las reglas.
Mayor credibilidad en las reglas.
Menor número de cláusulas no instanciadas.
Mayor número de conclusiones en las reglas.

Podemos decir que un sistema experto, es un sistema informático que utiliza técnicas apropiadas para la representación de conocimientos y la manipulación de este, de forma tal que exhiba el comportamiento de un avezado especialista en un determinado dominio del saber.

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