inteligencia artificial aplicada a controle e automação

Inteligência Artificial Aplicada aSistemas de Controle e Automação

DAS 6607Guilherme Bittencourt

Departamento de Automação e Sistemas

Universidade Federal de Santa Catarina

88040-900 - Florianópolis - SC - Brazil

Internet: www.das.ufsc.br/∼gb E-mail: [email protected]

Inteligência Artificial Aplicada a Sistemas de Controle e AutomaçãoDAS 6607 – p.1/39

Sumário

Epistemologia

Fundamentos

In the Quest of the Missing Link


Epistemologia

O conhecimento é um atributo da mente.O conhecimento se refere à realidade.⇒ Qual a natureza da mente e da realidade?

A alma materialParticipation Mystique

Homero, Shakespeare: “sombra”, “fantasma”, “vapor”, “sopro”.Heráclito: processos, “fogo”.

A alma abstrataPitágoras: alma como um número.Platão: formas, idéias. Ética: a mente como “piloto” do corpo.Aristóteles: enteléquias. Inspiração biológica.


Epistemologia

O essencialismoConjectura × Percepção intuitiva da essência.Descartes:

intuições e percepções representam seguros critérios de verdade.

extensão é a essência da materialidade.

a mente é inextensa e sua essência é pensante.


Epistemologia

Inconsistência da teoria de Descartes: corpos extensos – os espíritosanimais – receberem impulso de um inextenso – a alma.Soluções:

Ocasionalistas: paralelismo mediado por Deus (intervensão direta).

Baruch Spinoza: Deus é a única substância, o pensamento e aextensão são apenas dois dos infinitos atributos de Deus.

Gottfried Wilhelm von Leibniz: Deus, ao criar o mundo,pré-estabeleceu a harmonia (Mônadas).

David Hume (monismo neutro): paralelismo epistemológico, não existecorpo ou mente, o que existe é um ordenamento físico e um ordenamento

mental das mesmas coisas neutras, chamadas “dados”.


Epistemologia

Fim do essencialismo:

Isaac Newton: teoria baseada na atração gravitacional, e não emimpulso ou repulsão.

James Clerck Maxwell: As ondas eletromagnéticas não têm extensão.

Albert Einstein: o tempo e o espaço não correspondem à intuição.

Mecânica Quântica: princípio da incerteza de Heisenberg, a matériasó pode ser concebida em termos de ondas de probabilidade.


Epistemologia

Karl Popper (1902-1994):Assumir tacitamente a existência de estados físicos e estados mentais esua interação e tentar ampliar o entendimento a respeito de como épossível a interação entre entidades tão distintas.

mundos 1: o mundo físico, o universo das entidades físicas.

mundo 2: o mundo dos estados mentais, estados de consciência einconsciência.

mundo 3: o mundo do conteúdo do pensamento e dos produtos damente humana.


Epistemologia

Karl Popper (1902-1994):Problema corpo-mente, dois subproblemas:

A interação entre o mundo externo (via sentidos) e os estadosmentais.

A interação entre estados mentais e os elementos do mundo 3.

Utilizar o conhecimento sobre a interação entre o mundo 2 e mundo 3para entender melhor a interação entre mundo 1 e mundo 2.


Epistemologia

Autopoiesis:O ser humano existe em dois domínios que não se intersectam: odomínio da corporalidade e o domínio de nossas interações e relaçõesenquanto seres humanos (Humberto Maturana).

organização: define o sistema enquanto unidade composta,determinando a classe de sistemas à qual o sistema pertence, suaspropriedades e o domínio no qual ele pode interagir.

estrutura: determina o espaço no qual o sistema existe como unidadecomposta, e que pode ser perturbado através de interações de seuscomponentes, mas não determina suas propriedades enquantounidade.

Sistema determinado estruturalmente: pode mudar de estado, caso mude asua estrutura mantendo a organização, ou desintegrar-se, quando amudaça de estrutura leva a uma mudança de organização.


Epistemologia

Autopoiesis:

A linguagem se deve à existência de um domínio consensual, criandoatravés do acoplamento estrutural de diversos organismos, cada umfazendo papel de meio ambiente para o outro. Este acoplamentoestrutural é formado por coordenações de coordenações de ações eé construído através das interações do organismo com o meio e comoutros organismos.

A idéia de realidade objetiva não não faz sentido, pois toda descrição ésujeito-dependente e só tem significado quando é realizada em umdomínio consensual.


Epistemologia

C.S. Peirce semiótica:

Um signo S representa um objeto O para outro signo, o interpretanteI.

A relação triádica r(S, O, I) não é redutível: o signo peirceano é vago

e geral em extensão e compreensão lógicas.

Semiosis: atualização da série I, I1, I2, . . . , In, onde, I: hábito ou lei

mental, que pode determinar um interpretante I1, etc.

O resultado da semiosis é a diminuição da vagueza e o aumento dageneralidade dos signos envolvidos, uma ação (as vezes) ou mudança

de hábitos (sempre).

A teoria de Peirce tem profundas raízes matemáticas e pode ser vistacomo uma teoria geral da evolução dos sistemas cognitivos.


Epistemologia

Ludwig Wittgenstein Tractatus Logico-Philosophicus:

(...) The whole sense of the book might be summed up thefollowing words: what can be said at all can be said clearly, andwhat we cannot talk about we must pass over in silence. Thusthe aim of the book is to draw a limit to thought, or rather – not tothought, but to the expression of thoughts: for in order to be ableto draw a limit to thought, we should have to find both sides ofthe limit thinkable (i.e. we should have to be able to think whatcannot be thought). It will therefore only be in language that thelimit can be drawn, and what lies on the other side of the limitwill simply be nonsense. (...)


Epistemologia

Ludwig Wittgenstein Tractatus Logico-Philosophicus (1922):

1 The world is everything that is the case.

1.1 The world is the totality of facts, not of things.

1.2 The world divides into facts.

2 What is the case, the fact, is the existence of atomic facts.

3 The logical picture of the facts is the thought.

3.4 The proposition determines a place in logical space: theexistence of this logical place is guaranteed by the existence ofthe constituent parts alone, by the existence of the significantproposition.

3.41 The propositional sign and the logical co-ordinates: that is thelogical place.


Epistemologia


4 The thought is the significant proposition.

4.022 The proposition shows its sense. The proposition shows how things stand, if itis true. And it says, that they do so stand.

4.1 A proposition presents the existence and non-existence of atomic facts.

4.2 The sense of a proposition is its agreement and disagreement with thepossibilities of the existence and non-existence of the atomic facts.

4.461 The proposition shows what it says, the tautology and the contradiction thatthey say nothing.The tautology has no truth-conditions, for it is unconditionally true; and thecontradiction is on no condition true. Tautology and contradiction are withoutsense.(Like the point from which two arrows go out in opposite directions.)(I know, e.g. nothing about the weather, when I know that it rains or does not rain.)


Epistemologia


5 Propositions are truth-functions of elementary propositions. (Anelementary proposition is a truth-function of itself.)

6 The general form of truth-function is: [p, ξ, N(ξ)]. This is the generalform of proposition.

7 Whereof one cannot speak, thereof one must be silent.


Epistemologia

António Damásio (1944-): sem emoção não há razão...

O Erro de Descartes - Emoção, Razão e Cérebro Humano (1996).

O Mistério da Consciência (2000).

Em Busca de Espinosa: Prazer e Dor na Ciência dos Sentimentos(2004).


Fundamentos

Suposições que orientam e dividem as opiniões sobre como a inteligênciapode ser capturada por um mecanismo artificial:

a simulação da inteligência requer conhecimento declarativo e algumtipo de mecanismo de raciocínio;

a inteligência pode ser estudada independentemente dos detalhesde percepção e controle motor;

a evolução dos estados de conhecimento de um agente pode serdescrita em forma de linguagem (lógica ou natural);

a inteligência pode ser estudada independentemente dos processosde aprendizagem, desenvolvimento psicológico e mudança evolutiva;

existe uma arquitetura única na qual qualquer tipo de inteligênciapode ser simulada.

Programas de pesquisa em IA: combinações das suposições acima ou desuas negações. Inteligência Artificial Aplicada a Sistemas de Controle e AutomaçãoDAS 6607 – p.17/39

Conhecimento e conceitualização

Teorias em nível de conhecimento: especificação do conhecimentonecessário a uma capacidade cognitiva (e.g., solução de problemas, usode linguagem, tomada de decisões, percepção e alguns elementosde controle motor).

Exemplo: o projeto CYC (www.cyc.com):

Cycorp was founded in 1994 to research, develop, andcommercialize Artificial Intelligence. Cycorp’s vision is tocreate the world’s first true artificial intelligence, having bothcommon sense and the ability to reason with it.

At the present time, the Cyc KB contains nearly two hundredthousand terms and several dozen hand-entered assertionsabout/involving each term. New assertions are continually added tothe KB by human knowledge enterers.



A capacidade cognitiva pode ser dividida em duas partes:

uma base de conhecimento declarativa e

um motor de inferência, i.e., um mecanismo capaz de, a partir dadescrição de uma situação e da base de conhecimento, gerar novosconhecimentos declarativos que serão, por sua vez, armazenadosna base de conhecimento e, eventualmente, utilizados comoinstruções para ação.



Conceitualização: escolher uma estrutura matemática – formada porobjetos, funções e relações – que descreva o estado das coisas nomundo.

conceito: componente modular do conhecimento codificado emestruturas declarativas na memória do computador.

entendimento de um conceito: de que maneira um conceito reflete asituação no mundo real? Como este conceito se relaciona comoutros conceitos? Como isto influencia o comportamento do agenteque possui o conceito?

Mas, um programa reflexivo deve representar suas própriasrepresentações, o que cria problemas de recursividade e auto-referênciasimilares aos problemas encontrados no Paradoxo de Russel e noTeorema de Gödel.



Jerry A. Fodor: Mentalese, the language of thought.

"... assume that psychological laws are typically implemented bycomputational processes. There must be an implementingmechanism for any law of a non-basic science, and the putativeintentional generalisations of psychology are not exceptions...Computational processes are ones defined over syntacticallystructured objects; viewed in extension, computations aremappings from symbol to symbol; viewed in intension, they aremappings of symbols under syntactic description to symbolsunder syntactic description..."

Since sciences all have laws governing their phenomenon, psychologyand the workings of the brain are not an exception.


Cognitivo ou reativo

Todo homem é mortalSócrates é homemLogo, Sócrates é mortal


Percepção e controle motor

Rodney Brooks (moboticistas): sistemas inteligentes sem representação,construídos incrementalmente de maneira que a cada passoobtenham-se sistemas completos, com capacidades crescentes emtermos de inteligência, quando julgados através de seu comportamentono mundo real.



Rodney Brooks (moboticistas): suposições que levam a uma interpretaçãoerrônea da natureza das atividades cognitivas:

a interface entre o sistema perceptivo e o mecanismo central dacognição pode ser descrita através de uma linguagem lógica;

a atividade cognitiva é caracterizada pela atualização regular,através da percepção ou de inferência, de uma representaçãointerna do estado do mundo;

as seqüências de ações que permitem a um agente inteligenterealizar tarefas são previamente planejadas através do exame daspossibilidades e da escolha da melhor alternativa.



Problema: a complexidade do mundo não permite que este tipo demecanismo cognitivo seja executado em tempo real.Argumentos filosóficos contra a possibilidade de um mecanismo cognitivototalmente abstrato:

teorias axiomáticas que não levam em conta uma teoria dapercepção e controle motor são excessivamente incompletas paraservir de base para um modelo da cognição e

conhecimento axiomático não é suficiente para capturar todoconhecimento que um agente pode ter sobre o mundo.



Um planejador abstrato, incapaz de perceber o mundo ou agir sobreele, mas informado sobre as propriedades do domínio, é capaz defazer previsões e propor explicações?

A única maneira de dar sentido à linguagem de um tal planejadorseria adotar uma interpretação em teoria dos modelos do possívelsignificado dos termos que compõem a linguagem. Mas a teoria demodelos é uma teoria que trata da validade e das conseqüências lógicas enada tem a dizer sobre intencionalidade e significado.

Asas do Desejo de Win WendersInteligência Artificial Aplicada a Sistemas de Controle e AutomaçãoDAS 6607 – p.26/39

Linguagem e cognição

Enfoque lógico: raciocinar é passar de um estado cognitivo a outro. Estesestados são caracterizados por funções e relações, cujo significado foiespecificado pelo projetista do sistema, e a passagem de um estado aoutro é uma inferências válida na linguagem lógica.Problemas:

a caracterização de um conceito através da linguagem natural podetornar-se tão complexa a ponto de não ser mais racionalmentecompreensível.

os conceitos primários utilizados na caracterização não sãocompartilhados pelo usuário e pelo sistema.

formas de processamento não seqüenciais (processamento paralelo,processamento distribuído, redes neurias) não têm uma descriçãosemântica em termos da teoria de modelos.


Aprendizado e cognição

Enfoque lógico: a aprendizagem é uma função que recebe umaconceitualização e retorna uma outra mais “madura” e pode ser estudadaseparadamente da competência do sistema.Restrições:

em uma rede neuronal não é possível descrever em uma linguagemlógica o estado de conhecimento do sistema e a aprendizageminseparável da competência.

as trajetórias de conhecimento, mesmo em sistemas simbólicos, sãoimprevisíveis. Uma reorganização da base de conhecimento podeter um efeito não linear sobre a competência do sistema.

sistemas com capacidade interna de automodificação requeremmecanismos para integrar novo conhecimento ao antigo (indexação do

conhecimento).


Arquiteturas

Não existe consenso na comunidade de IA sobre a questão de qualarquitetura é a mais indicada para a simulação da inteligência, ou se estaarquitetura é única ou não.

Projeto SOAR: toda cognição pode ser simulada em um único tipode arquitetura e a interação e composição de um pequeno conjuntode mecanismos é capaz de servir de base para a implementação dequalquer tipo de atividade cognitiva.

Minsky A sociedade da mente: a inteligência é o produto de inúmerosmecanismos computacionais especializados (agentes)

Brooks: arquiteturas em diversos níveis onde cada nível é capaz deagir sobre os níveis inferiores eliminando ou redirecionando entradase saídas.

A questão da arquitetura ideal é aquela que menos pode ser esclarecidapor argumentos filosóficos ou não experimentais.


Missing Link

A Connectionist-Symbolic Model for Cognition. In: International Symposiumon Methodologies for Intelligent Systems (ISMIS’93), Trondheim,Norway, June 15-18, 1993.

In the Quest of the Missing Link, International Joint Conference on ArtificialIntelligence (IJCAI’97), Nagoya, Japan, August 23-29, 1997.

An Embodied Model for Higher-Level Cognition, 29th annual meeting of theCognitive Science Society (CogSci2007), August 1-4, GaylordOpryland Hotel Resort, Nashville, Tennessee, USA, 2007.


Missing Link

Cognition is an emergent property of a cyclic dynamic self-organizingprocess.

Cognitive models should be epistemologically compatible with theTheory of Evolution.

Learning and cognitive activity are closely related.


Missing Link

Three levels:

Reactive level: insects

Instinctive level: cats and dogs

Cognitive level: humans


Missing Link

Cognitive models in AI:

logical models “sense-model-plan-act”

knowledge representation, inference engines, planning (SAT),reasoning about action

compositionality, modularity, explicit semantic

reactive models “behavior-based artificial creatures situated in theworld”

subsumption architecture, connexionism, fuzzy control,evolutionary computation, reinforcement learning

self-organization, embodiment, learning


Missing Link

Perception Action

N System

Genetically determinedby the environment


Missing Link

Genetically determinedby the emotions

Memory

Fitness function (emotions)

by the environmentGenetically determined

N System


Missing Link

Culturally determined

Cognition

EmotionsMemory

Thought


Conclusão

Referências[Bau04] Eric B. Baum. What is thought? A Bradford Book The MIT Press, 2004. p. 478.

[Bro91] Rodney A. Brooks. Intelligence without representation. Artificial Intelligence(Special Volume Foundations of Artificial Intelligence), 47(1-3):139–159, January 1991.

[Dav05] Darryl N. Davis, editor. Visions of Mind Architectures for Cognition and Affect.IDEA Group INC., 2005. ISBN:159140483-5.

[Mat97] H. Maturana. A Ontologia da Realidade. Editora da UFMG, 1997.

[McC77] J. McCarthy. Epistemological problems of artificial intelligence. In Proceedings ofIJCAI 5, pages 1038–1044, 1977.

[McD78] J. McDermott. Tarskian semantics, or no notation without denotation. CognitiveScience, 2(3):277–282, July-September 1978.


Conclusão

Referências[Min86] M.L. Minsky. The Society of Mind. Simon and Schuster, New York, 1986.

[MV80] Humberto R. Maturana and Francisco J. Varela. Autopoiesis and cognition: Therealization of the living. In Robert S. Cohen and Marx W. Wartofsky, editors, BostonStudies in the Philosophy of Science, volume 42. Dordecht (Holland): D. ReidelPublishing Co., 1980.

[New80] A. Newell. Physical symbol systems. Cognitive Science, 4:135–183, 1980.

[New82] A. Newell. The knowledge level. Artificial Intelligence, 18:87– 127, 1982.

[Pei74] C.S. Peirce. The Collected Papers of C.S. Peirce. Harvard University Press,Cambridge, Mass., 1974.

[Sch02] Matthias Scheutz, editor. Computationalism New Directions. A Bradford Book TheMIT Press, 2002.


Conclusão

Referências[Smi82] Brian Cantwell Smith. Reflection and Semantics in a Procedural Language. PhD

thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA, 1982.

[Smi96] Brian Cantwell Smith. On the Origin of Objects. A Bradford Book The MIT Press,1996. p. 420.

[Var79] Francisco J. Varela. Principles of Biological Autonomy. New York: Elsevier (NorthHolland), 1979.

[Var89] Francisco J. Varela. Autonomie et Connaissance: Essai sur le Vivant. Editions duSeuil, Paris, 1989.

[VTR91] F.J. Varela, E. Thompson, and E. Rosch. The Embodied Mind: Cognitive Scienceand Human Experience. MIT Press, Cambridge, MA, 1991.

[Wit33] Ludwig Wittgenstein. Tractatus Logico-Philosophicus. Routledge & K. Paul,London, 1933. Originally published in 1922.


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