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Desarrollo de SBC Ingeniería de los SBC

Desarrollo de SBC

El punto más importante del desarrollo de SBC es la extracción delconocimientoRequiere la interacción entre el Ingeniero del Conocimiento y elexpertoLas metodologías de ingeniería de software han de encajar esteproceso entre sus fasesLas metodologías de ingeniería del software han de adaptarse a lascaracterísticas específicas de los SBC

cbea (LSI - FIB) Sistemas Basados en el Conocimiento IA - Curso 2008/2009 1 / 41


IS: Modelo en cascada

Analisis

Especificacion

Diseño

Implementacion

Prueba

Mantenimiento



IS: Modelo en espiral

Formulacion

Evaluacion Id

entifica

cion

Analisis



Diferencias de los SBC

Sistemas software convencionales =⇒ Algoritmos conocidos y de usocomúnSBC =⇒ Conocimiento incompleto, impreciso, heurísticoSistemas software convencionales =⇒ Posible estimar la naturaleza ycantidad del conocimientoSBC =⇒ Difícil estimar la naturaleza y cantidad del conocimiento




Es complicado obtener un diseño adecuado en las fases inicialesDecisiones iniciales erróneas pueden provocar el replanteamientoradical del diseño durante el desarrolloEl ingeniero del conocimiento debe realizar un proceso deadquisición del conocimiento =⇒ Entrevistas con los expertos

El IC debe aprender los elementos básicos del dominioEncontrar un formalismo representación que pueda entender el expertoLos expertos prefieren casos al razonamiento a partir de definicionesgeneralesA los expertos les es difícil explicitar su conocimiento en detalle(paradoja del experto)




Solución: Diseño incremental y prototipado rápidoObjetivo: Desarrollar un prototipo funcional que recoja lasfuncionalidades básicas del sistemaEl análisis y la especificación deben tener en cuenta el sistemacompletoEl diseño e implementación se limita al prototipo inicialEste prototipo se completa incrementalmenteVentaja: Disponemos de un sistema funcional durante todo el proceso



Ciclo de vida de un SBC

Evaluacion

AnalisisEspecificacion

DiseñoPreliminar Prototipo

inicial

DiseñoFinal

VerificacionValidacion

Ajustes

Implementacion

Mantenimiento



Ciclo de vida de un SBC (I)

1. Análisis del problema: Recopilar información sobre el proyecto ydeterminar su viabilidad.

2. Especificación de requerimientos: Fijar los objetivos y métodospara conseguirlos.

3. Diseño preliminar: Decisiones a alto nivel sobre el diseño(formalismo de representación del conocimiento, herramientas,fuentes de conocimiento)

4. Prototipo Inicial y evaluación: Construir un prototipo con coberturalimitada, evaluar las decisiones de diseño a partir del prototipo

5. Diseño final: Validar las decisiones y proponer el diseño del sistemade manera que permita un desarrollo incremental.



Ciclo de vida de un SBC (II)

6. Implementación: Completar la adquisición del conocimiento, ampliarincrementalmente el prototipo inicial.

7. Validación y verificación: Comprobar que el sistema cumple lasespecificaciones.

8. Ajustes de diseño: Realimentar el proceso (los cambios en el diseñodeberían se mínimos)

9. Mantenimiento: Mantener el sistema.



Metodologías especializadas

CommonKADSCiclo de vida en espiral y modelado mediante herramientas parecidas aUMLSe construyen seis modelos: Organización, tareas, agentes,comunicación, conocimiento y diseño.

MIKECiclo de vida en espiral: Adquisición del conocimiento (modelo deadquisición y modelo de estructura), diseño, implementación,evaluación.


Desarrollo de SBC Una metodología simplificada

Una metodología simplificada

Para aplicaciones pequeñas se puede aplicar una metodología encascada que integra todo el proceso de desarrollo

1 Identificación del problema2 Conceptualización3 Formalización4 Implementación5 Validación y Prueba



Identificación

Debemos determinar si el problema es adecuado¿Hay una solución algorítmica?¿Disponemos de fuentes de conocimiento?¿El tamaño/objetivo/complejidad del problema es adecuado?

Buscar y evaluar las fuentes de conocimientoDeterminar el conocimiento necesario para el sistemaEstablecer los objetivos del sistema (¿Que respuesta esperamos?)



Conceptualización

Esta fase nos debería dar la perspectiva del problema desde el punto devista del experto

Deberemos:Detallar los elementos del dominio =⇒ Descripción informal de laontologíaDescomponer el problema en subproblemas mediante refinamientossucesivos, descubriendo los bloques de razonamientoDetallar el flujo de razonamiento y las entradas y salidas de cadasubproblemaDetallar y distinguir entre evidencias, hipótesis y acciones y descubrirsus relaciones

Toda esta información la obtendremos a partir de la interacción con elexperto (entrevistas) y las fuentes de conocimientoEl resultado será un modelo semiformal del dominio y de losproblemas y métodos de resolución



Formalización

Esta fase transformará la perspectiva del experto en la perspectiva delingeniero del conocimiento

Decidir el formalismo de representación del conocimiento adecuadoIdentificar el espacio de búsquedaAnalizar la tipología de los problemas y bloques de razonamiento ydecidir los métodos de resolución de problemas adecuadosAnalizar la necesidad de tratamiento de incertidumbre y/oinformación incompleta



Implementación

Construir una ontología del dominioEncajar los problemas identificados en las metodologías de resoluciónde problemas escogidasConstruir los diferentes módulos que correspondan a cada problemasiguiendo el conocimiento obtenidoSi utilizamos una aproximación basada en prototipado rápidoconstruiremos el prototipo inicial y lo iremos aumentandoincrementalmente



Validación y Prueba

Escoger casos representativos y resolverlos mediante el sistemaLos casos deberían incluir tanto casos usados para la construcción delsistema como casos nuevosSi seguimos una estrategia de construcción incremental esta fase seirá repitiendo a medida que se desarrolle el prototipoLa validación de SBC es más compleja que la de los sistemas desoftware habituales


Resolución de problemas en SBC Clasificación de problemas

Tipos de problemas en SBC

La identificación de tipologías de problemas en SBC facilita sudesarrolloCada tipo permite determinar:

Un conjunto de tareas usualesUn conjunto de metodologías de resolución específicasMétodos de representación del conocimiento e inferencia adecuados

Clasificaremos los problemas a resolver en un SBC a partir de dostareas genéricas:

Tareas de análisis: Interpretación de un sistemaTareas de síntesis: Construcción de un sistema


Resolución de problemas en SBC Clasificación de problemas

Síntesis - Análisis

Ambas tareas se pueden especializarTareas de análisis

Identificación, nos dice que tipo de sistema tenemosMonitorización, detecta discrepancias de comportamientoDiagnóstico, explica las discrepancias

Predicción, nos dice que salida podemos esperarControl, determina que entradas nos permiten obtener cierta salida

Tareas de síntesisEspecificación, busca las restricciones que se deben satisfacerDiseño, genera una configuración de elemenos según unas restriccionesEnsamblaje, construye un sistema juntando elementos


Resolución de problemas en SBC Métodos de resolución de problemas

Métodos de resolución de problemas

Cada tipo de problema genérico tiene unas características especialesExisten métodos de resolución adecuados para cada tipoNos centraremos en dos métodos:

Clasificación Heurística (Heuristic Classification)Resolución Constructiva (Constructive Problem Solving)


Resolución de problemas en SBC Clasificación Heurística

Clasificación Heurística

Es adecuado para tareas de análisisEl objetivo es escoger una solución de entre un conjunto limitadoAsociamos los datos de entrada con las soluciones (simple o medianterazonamiento)Tres fases:

1 Abstracción de datos (Definicional, cualitativa, generalización, ...)2 Asociación heurística3 Refinamiento



Clasificación Heurística

ProblemaConcreto

ProblemaAbstracto Abstracta

Solución

ConcretaSolución

Abstracción dedatos

Refinamiento/Adaptación

Asociación heurística



Clasificación Heurística: Adquisición del conocimiento

La adquisición del conocimiento que permite resolver un problemamediante clasificación heurística se puede hacer de forma sistemática.Podremos distinguir tres conjuntos de conceptos:

Las hipótesis: Soluciones posibles a nuestro problemaLos síntomas: Características que describen las hipótesisLas causas originales: Información del problema que lleva a lossíntomas

Entre cada conjunto de conceptos deberemos extraer el conjunto dededucciones que llevan del uno al otroDe las causas originales a los síntomas tendremos las reglas deabstracciónDe los síntomas a las hipótesis tendremos las reglas de asociaciónheurística



Clasificación Heurística: Adquisición del conocimiento

Para cada grupo de reglas deberemos:Obtener qué conceptos del primer conjunto (antecedentes) estánasociados con los del segundo (consecuentes)Escoger como antecedentes de las reglas los conceptos que seandiferenciadores de cada consecuente (separabilidad)Si es necesario se deberían añadir conceptos intermedios que lleven delos antecedentes a los consecuentes y crear las cadenas de deducciónnecesariasObservar la confianza de las asociaciones entre antecedentes yconsecuentes (incertidumbre)

Si las hipótesis son soluciones abstractas =⇒ Determinar las reglas derefinamiento



Clasificación Heurística: Ejemplo (1)

Supongamos que queremos construir un SBC para la concesión decréditos bancariosEl conjunto de respuestas que puede dar el sistema son limitadas (seconcede/no se concede)El objetivo es determinar, dadas la características del cliente, siconcederemos el crédito y en que condiciones, o si no loconcederemos.Es un problema de análisis que podemos resolver medianteclasificación heurística.




Supongamos que una solicitud contiene la siguiente información:

Si tiene avales bancarios.Si tiene familiares que puedan responder por él.Si tiene cuentas corrientes, casas, coches, fincas, etc. y su valoración.Si tiene antecedentes de morosidad.Si ha firmado cheques sin fondos.Si tiene créditos anteriores concedidos.Tipo de empresa que quiere crear.Cantidad de dinero que solicita.




Determinamos un conjunto de características que definen las solucionesApoyo financiero (Muy bueno, bueno, normal, regular, malo, muymalo)BienesFiabilidad de devoluciónCompromiso con el clienteViabilidad de la empresa




Decidimos un conjunto de soluciones abstractas

DenegaciónAceptaciónAceptación con rebajaAceptación con interés preferente




Determinamos unas reglas que nos abstraen los datos del problema

si avales > un millón euros o tío rico entonces apoyofinanciero=buenosi avales < 100000 euros entonces apoyo financiero= malosi suma bienes < un millón entonces bienes=malosi suma bienes > dos millones entonces bienes=buenosi cheques sin fondos o moroso entonces fiabilidad=muy malasi hamburguesería o heladería entonces viabilidad=normalsi grandes almacenes o proveedor de internet entoncesviabilidad=muy buenasi concedido crédito > un millón o hermano del director entoncescompromiso=bueno...




Determinamos unas reglas que asocian las características con lassoluciones

si apoyo financiero=regular y bienes=malo entonces denegarsi fiabilidad={mala,muy mala} entonces denegarsi apoyo financiero=normal y bienes=normal y viabilidad=buenaentonces aceptar con rebajasi apoyo financiero=bueno y bienes=normal y compromiso=normal yviabilidad=buena entonces aceptarsi apoyo financiero=bueno y bienes=bueno y compromiso=muy buenoy viabilidad=muy buena entonces aceptar con interés preferente...




Determinamos unas reglas que refinan las soluciones que lo necesitan

si aceptación con rebaja y petición > 500000 euros y bienes =500000 euros entonces rebaja a 500000 eurossi aceptación con interés preferente y petición > un millón y bienes >un millón entonces rebaja de un 1% de interéssi aceptación con interés preferente y hermano del director entoncesrebaja de un 2% de interés...




Apoyo Financiero=Muy buenoFiablidad=Buena

Bienes=Muy bueno

Compromiso=BuenoViabilidad=buena

preferente

Aceptación coninterés

preferenteinterés

+ Rebaja del interés en 1 punto

Aceptación conBienes (casa, 300k)Bienes(yate, 100k)Bienes(fondos,1M)Credito_anterior(300k)

Avales(1M)

Empresa(Logística)Petición(1M)

Abstracción

Asociación

Refinamiento


Resolución de problemas en SBC Resolución Constructiva

Resolución constructiva

Orientada a problemas en los que no existe un número acotado desolucionesLa resolución implica construir la solución a partir de un conjunto deelementos (acciones, componentes, fallos, ...)Se aplica en problemas de síntesisLos métodos de búsqueda son aplicables, pero con un costeimpracticable



Resolución constructiva

La construcción de la solución necesita conocimiento sobre:El modelo de la estructura de la soluciónEl modelo del comportamiento de los elementos de la soluciónLos operadores que permiten construir la soluciónEl conjunto de restricciones entre los elementos y la soluciónLa forma de evaluar las decisiones sobre la construcción de la solucióny sobre la solución total o parcial

Las restricciones pueden ser:Sobre la configuración de los componentes (físicas, temporales, ...)Respecto a las entradas/salidas/precondiciones/postcondiciones de losoperadores de construcciónInteracciones entre los tipos de restricciones anteriores



Métodos de resolución constructiva

Proponer y aplicar (propose and apply): Partimos desde unasolución vacía. Seleccionamos el operador de entre los posibles quenos permita extender la solución actual hasta llegar a obtener lasolución completaMínimo compromiso (Least commitment): Partimos desde unasolución inicial completa. Seleccionamos el operador que nos permiteextender la solución actual que menos restricciones nos imponga a lasdecisiones futuras



Proponer y aplicar

Buscamos en el espacio de soluciones parcialesPartimos de una solución inicial vacía o una solución incompletaCada paso va completando la soluciónSiempre elegimos el mejor operadorNos mantenemos en el espacio de soluciones



Proponer y aplicar

Necesitamos conocimiento exhaustivo sobre:Operadores de resolución del problemaRestricciones y relaciones entre los componentes de la soluciónEvaluación del efecto de los operadores en la soluciónEvaluación de la bondad de la solución

Podemos plantear la resolución de diferentes manerasConstrucción secuencial (necesita mucho conocimiento para sereficiente)Descomposición jerárquica de tareas (mas eficiente, pero requiereobtener operadores de descomposición)



Proponer y aplicar: Proceso de resolución

1 Inicializar el objetivo: Se crea el elemento que define la solución actual2 Proponer un operador: Se seleccionan operaciones plausibles sobre la

solución actual3 Podar operadores: Se eliminan operadores de acuerdo con criterios

globales.4 Evaluar operadores: Se comparan los efectos de los operadores sobre

la solución y se evalúa su resultado.5 Seleccionar un operador: Se escoge el operador mejor evaluado. Si no

hay operadores adecuados se reconsideran pasos anteriores6 Aplicar el operador: Se aplica el operador al estado actual.7 Evaluar el objetivo: Se para si se ha llegado al objetivo final o se

reinicia el proceso.



Mínimo Compromiso

Exploramos en el espacio de soluciones completasPartimos de una solución inicial completa (también puede ser nosolución)Vamos modificando la solución mejorándola o corrigiéndolaLa elección del operador a aplicar la define la estrategia de mínimocompromiso: mínima modificación que imponga menos restriccionesfuturas.Permitimos pasar entre el espacio de soluciones y no soluciones



Mínimo Compromiso: Proceso de resolución

1 Partir de una solución inicial no óptima, si es posible, que satisfagalas restricciones.

2 Hacer una modificación sobre la solución usando la heurística demínimo compromiso (acción que menos restricciones imponga sobre lasolución)

3 Si la modificación viola alguna de las restricciones deshacer alguno delos pasos anteriores haciendo las mínimas modificaciones (Puede noser el último paso)



Resolución Constructiva: Ejemplo (1)

Queremos planificar la mejor trayectoria de un robot en unahabitaciónLa habitación tiene un conjunto de obstáculos que queremos evitarDisponemos de un conjunto de operadores:

Movernos hacia adelante o hacia atrás a cierta velocidad ciertadistanciaGirar cierto número de grados

R



Resolución Constructiva: Ejemplo (2)

Restricciones globales: llegar a la puerta de salida, trayectoria mínimaen recorrido y tiempoRestricciones de elección de operadores: No chocar con obstáculos ola pared, mantener la distancia para poder maniobrarEvaluación de los operadores:

Mover: Mejor cuanto más lejos y más deprisa nos lleve al objetivoGirar: Mejor cuanto mas lejos deje los obstáculos de nuestra trayectoria


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