background image

1

w1/1

Metody sztucznej inteligencji

Politechnika Śląska

Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn

Rok akademicki 2003/04

Materiały na prawach rękopisu

Wyłącznie do użytku studentów Wydziału 

MT Politechniki Śląskiej

Wprowadzenie

w1/2

Informacje o przedmiocie

• Strona KPKM: 

http://kpkm.polsl.pl

Informacje dydaktyczne/Semestr IV/

Metody Sztucznej Inteligencji/Strona przedmiotu 

(AiR)

User: 

msiair

Hasło: 

????

• Kontakt: Wojciech Moczulski

wm@polsl.pl

• Konsultacje (s. 406 Wydz. MT):

– Poniedziałek

10:00 - 12:00

– Wtorek

15:00 - 16:00

• Kolokwium zaliczeniowe:

01.06.2004

w1/3

Sztuczna inteligencja 

(AI=Artificial Intelligence)

• Dotyczy prób rozumienia istot inteligentnych
• formalnie powstała w 1956, wcześniejsze 

badania od 1951

• dziedzina nauki o charakterze teoretycznym i 

eksperymentalnym

• ze względu na próby zastosowań we 

wszystkich dziedzinach działalności człowieka 
ma prawdziwie uniwersalny charakter

w1/4

Poddziedziny AI

• Percepcja
• rozumowanie logiczne
• rozpoznawanie 

obrazów

• rozumienie mowy
• uczenie maszynowe
• odkrywanie nowej 

wiedzy

• Sztuczne sieci 

neuronowe

• teoria gier
• tłumaczenie tekstów
• automatyczne 

dowodzenie twierdzeń

• malowanie obrazów
• pisanie poezji

w1/5

Czym jest AI?

Ekscytująca próba uczynienia
komputerów myślącymi maszynami z
pamięcią, w pełnym i dosłownym sensie
tego pojęcia (Haugeland, 1985)

Badanie zdolności umysłowych z
zastosowaniem modeli obliczeniowych
(Charniak & Mc Dermott, 1985)

Automatyzacja działań, które łączymy z
ludzkim myśleniem, jak: podejmowanie
decyzji, myślenie, uczenie się, ...
(Bellman, 1978)

Badanie algorytmów, które umożliwiają
spostrzeganie, rozumowanie i działanie
(Winston, 1992)

Sztuka tworzenia maszyn, które
wykonują działania wymagające
inteligencji wtedy, gdy są wykonywane
przez człowieka (Kurzweil, 1990)

Dziedzina badań, poszukująca wyjaśnie-
nia i sposobu emulowania zachowań
inteligentnych za pomocą pojęć
dotyczących procesów obliczeniowych
(Schalkoff, 1990)

Badanie, jak można umożliwić
komputerom wykonywanie zadań, w
których jak dotychczas ludzie są lepsi
(Rich & Knigth, 1991)

Dziedzina informatyki dotycząca
automatyzacji inteligentnego
zachowania (Luger & Stubblefield,
1993)

w1/6

Definicje AI - 4 kategorie

• Wiersze:

– górny - procesy myślenia
– dolny - sposób działania

• Kolumny:

– lewa - odnosi się do 

właściwości człowieka

– prawa - określenia z 

zastosowaniem terminu 
„racjonalny” 

Systemy
myślące w
sposób
podobny do
ludzi

Systemy
myślące
racjonalnie

Systemy
działające
podobnie
jak ludzie

Systemy
działające
racjonalnie

background image

2

w1/7

Test Turinga (1950)

• Operacyjna definicja inteligencji
• Zachowanie inteligentne to zdolność do 

osiągania umiejętności na poziomie 
człowieka we wszystkich zadaniach 
poznawczych, wystarczających do 
wykpienia człowieka zadającego pytania.

• Komputer jest „odpytywany” przez 

człowieka; OK, jeśli człowiek nie zgadł, że 
odpytuje komputer.

w1/8

Warunki, aby komputer przeszedł 

test Turinga

• przetwarzanie języka naturalnego (komunikacja 

z rozmówcą)

• reprezentowanie wiedzy
• automatyczne rozumowanie z wykorzystaniem 

zgromadzonych informacji:

– do zadawania pytań
– do wyciągania wniosków (konkluzji)

• uczenie się, adaptacja do nowych okoliczności

w1/9

Myśleć podobnie jak człowiek

• przedmiot „modelowania poznawczego”
• konieczna znajomość sposobu działania 

ludzkiego mózgu:

– przez introspekcję
– przez eksperymenty psychologiczne

• Gdyby istniała precyzyjna teoria ludzkiego 

umysłu, byłoby możliwe opracowanie 
programu działającego zgodnie z tą teorią

w1/10

Myśleć racjonalnie

• Ujęcie z zastosowaniem praw rozumowania
• Pierwowzór: sylogizm Arystotelesa 

(wzorzec struktur argumentowania, które 
dają zawsze poprawną konkluzję, pod 
warunkiem zastosowania poprawnych 
przesłanek)

• Przykład: Sokrates jest człowiekiem; 

wszyscy ludzie są śmiertelni; dlatego 
Sokrates jest śmiertelny

w1/11

Myśleć racjonalnie:

• Ujęcie logicystyczne (bazujące na logice 

formalnej)

• Ujęcie z zastosowaniem racjonalnych 

agentów

w1/12

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

background image

3

w1/13

Ujęcie z zastosowaniem 

racjonalnych 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

w1/14

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 pomocą 
czujników)

w1/15

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 niezupełności (w 

każdym języku umożliwiającym opis własności 
liczb naturalnych istnieją zdania prawdziwe, które 
są nierozstrzygalne)

w1/16

Problemy

• Trudne  (intractable): czas wymagany do 

rozwiązania przykładowego problemu danej 
klasy rośnie co najmniej wykładniczo w 
stosunku do wymiaru tego problemu

• NP-zupełne (NP-complete): typowe np. dla 

kanonicznego przeszukiwania lub procesów 
rozumowania
; problem klasy NP-zupełnej 
daje się zredukować do problemu trudnego

w1/17

Podstawy AI (3)

Psychologia (1879 - obecnie)

• behawioryzm (istotne są obiektywne związki: 

bodziec-odpowiedź; wiedza, przekonania, 
cele i rozumowanie są nienaukowe)

• psychologia poznania (cognitive psychology): 

Craik (1943) - podstawy agentów bazujących 
na wiedzy

w1/18

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

background image

4

w1/19

Historia AI (1943-1956)

Początki AI

– Mc Culloch & Pitts (1943) - model sztucznego 

neuronu

– 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)

w1/20

Historia AI (1952-1969) 

Wczesny entuzjazm, wielkie 

oczekiwania

– 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)

w1/21

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.

w1/22

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 

związane z podstawowymi strukturami AI 
(np. neuronów)

w1/23

Historia AI (1969-1979)

Nowe, skuteczne koncepcje

• Wąskie 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”

w1/24

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

background image

5

w1/25

Historia AI (1986-obecnie)

• Powrót sieci 

neuronowych

• Algorytmy genetyczne 

i programy 
ewolucyjne

• Systemy szkieletowe
• Sieci przekonań

• Inżynieria wiedzy
• Uczenie maszynowe 

i odkrycia w bazach 
danych

• ...

w1/26

Podsumowanie

• Filozofia: myśl jest pod pewnym względem jak 

maszyna, która działa na wiedzy zakodowanej 
w określonym języku,

• Matematyka: dostarczyła narzędzi do opisu 

procesu myślenia,

• Psychologia: teoria, że ludzie i zwierzęta mogą 

być postrzegani jako maszyny przetwarzające 
informacje,

• Technologia komputerowa: pozwala na 

implementację algorytmów,

w1/27

Inteligentny Agent

w1/28

Inteligentny agent

• Agent postrzega swoje otoczenie poprzez 

sensory

• Agent oddziałuje na otoczenie poprzez efektory

w1/29

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

w1/30

Przykład idealnego racjonalnego 

agenta: SQRT w kalkulatorze

background image

6

w1/31

Struktura inteligentnego agenta

AGENT

ARCHITEKTURA

PROGRAM

Środowisko, w którym 
można realizować 
program:
• komputer 1-układowy
• kamera
• mikrofon
• ...
• Oprogramowanie  

umożliwiające 

realizację programu 

agenta (np. BIOS)

Funkcja, 
realizująca 
odwzorowanie 
od percepcji do 
akcji

w1/32

Przykłady

Typ agenta

Percepcje

Akcje

Cele

Środowisko

System
diagnostyki
medycznej

Symptomy,
wyniki,
odpowiedzi
pacjenta

Pytania,
testy, terapie

Zdrowy
pacjent,
minimalne
koszty

Pacjent,
szpital

System
analizy
obrazów
satelitarnych

Punkty (pixe-
le) o zmien-
nej intensyw-
ności, kolor

Drukuj
kategoryzację
sceny

Poprawna
kategoryzacja

Obrazy z
orbitującego
satelity

Interaktywny
nauczyciel
angielskiego

Wpisywane
słowa

Drukuj
ćwiczenia,
sugestie,
poprawki

Maksymali-
zuj ocenę
studenta z
testu

Zbiór
studentów

w1/33

Przykład agenta - taksówkarz

Typ agenta

Percepcje

Akcje

Cele

Środowisko

Taksówkarz

Kamery, 
prędkościomierz, 
GPS, mikrofon

Kierowanie, 
przyspieszanie
hamowanie, 
rozmowa z 
pasażerem

Bezpieczeń-
stwo
szybkość,
komfortowa
jazda,
przestrzeganie
kodeksu, 
maksymalne
zyski

Droga, 
korki, 
piesi

w1/34

Ś

rodowisko

AGENT

Sensory

Efektory

Jaki jest świat w

tej chwili ?

Jakie działania

trzeba wykonać?

Warunki - reguły działania

Agent działający na zasadzie odruchów

w1/35

Ś

rodowisko

AGENT

Sensory

Efektory

Jaki jest świat w

tej chwili ?

Jakie działania

trzeba wykonać?

Warunki - reguły działania

Jak zmienia sie świat?

Stan

Co powoduje moje działanie ?

Agent działający na zasadzie odruchów 

ze stanem wewnętrznym

w1/36

Ś

rodowisko

AGENT

Sensory

Efektory

Jaki jest świat w tej

chwili ?

Jakie działania trzeba

wykonać?

Cel

Jak zmienia sie świat?

Stan

Co powoduje moje działanie ?

Co się stanie jeżeli

wykonam działanie A ?

Agent ukierunkowany na cel

background image

7

w1/37

Ś

rodowisko

AGENT

Sensory

Efektory

Jaki jest świat w tej

chwili ?

Jakie działania trzeba

wykonać?

Jak zmienia sie świat?

Stan

Co powoduje moje działanie ?

Co się stanie jeżeli

wykonam działanie A ?

Jak szczęśliwy będę

w tym nowym stanie ?

Użyteczność

Agent ukierunkowany na użyteczność

w1/38

Podsumowanie

• Agent
• Agent inteligentny
• Cztery typy agentów