Neurocomputação Baseada em Conhecimento Prof. Júlio Cesar Nievola PPGIA PUCPR

Prof. Júlio Cesar Nievola Neurocomputação Ênfase no uso e representação de conhecimento específico do problema dentro do paradigma de neurocomputação “Conhecimento é poder” aplica-se A modelagem explícita do conhecimento representado por um sistema neurcomputacional continua sendo um tema de pesquisa PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Prof. Júlio Cesar Nievola Neurocomputação Neurocomputação baseada em conhecimento diz respeito a métodos que trabalham com a representação e processamento explícito de conhecimento onde um sistema de neurocomputação está envolvido Inspirado historicamente na IA simbólica e nas redes neurais artificiais PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Prof. Júlio Cesar Nievola Arquitetura Abordagem Híbrida Módulos neural e simbólicos são distintos componentes, partilhando ou transferindo conhecimento Abordagem Unificada Conhecimento modelado usando conexões locais/distribuídas entre neurônios Abordagem Translacional Meio termo entre as abordagens PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Prof. Júlio Cesar Nievola Sistema Especialista Tem como objetivo a representação e uso de grandes quantidades de conhecimento, assegurando a sua integridade, consistência e exploração efetiva Realiza uma tarefa de tomada de decisão complexa dentro de um domínio de problema bem específico PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Arquitetura Modular de Sistemas Especialistas Base de Conhecimentos Base de Fatos Máquina (ou Motor) de Inferência Mecanismo de Explanação Interface com o Usuário PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Propriedades Funcionais dos Sistemas Especialistas O usuário descreve o problema de maneira interativa Deve inferir uma solução mesmo com informação incompleta ou imprecisa Deve fornecer ao usuário alguma explicação de suas conclusões para justificar suas inferências (normalmente chamadas COMO? e POR QUÊ?) PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Sistemas Baseados em Regras x Sistemas Neurais Tamanho da Tarefa Aquisição e Edição do Conhecimento Matching Parcial Informação Incompleta Capacidade de Explanação PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Algoritmo VL1ANN para Representação de Regras Codificar variáveis de entrada como valores reais (numéricos) FOR cada regra DO FOR cada átomo da regra DO Codificar o átomo como nova unidade relacional na camada 1 conectada à entrada na camada 0 Conectar todas as unidades relacionais da regra a uma nova unidade AND na camada 2 Conectar todas as unidades AND representando regras com a mesma conclusão a uma nova unidade OR na camada 3 FOR cada variável de saída Attr que não esteja ortogonalmente codificada DO Mapear todas as unidades OR de Attr na camada 3 à uma única nova unidade de saída na camada 4 PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Estratégias de Integração Sistemas Híbridos Dividir-e-conquistar RNA embutida Implementação neural de conhecimento explícito Incorporação de regras em RNAs Extração de regras de RNAs Finalização de regras fuzzy em RNAs PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Estratégias de Integração Sistemas Neurais Especialistas Tentativa de diminuir as desvantagens da representação implícita do conhecimento, introduzindo heurísticas RNA “enriquecida” com outras funcionalidades para ter as características de sistemas especialistas Exemplos: MACIE, EXPSYS PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

MACIE (“Matrix-Controlled Inference Engine”) Pés inchados Ouvidos vermelhos Perda de cabelos Vertigem Alergia a Placibin Areta sensitiva Superciliose Namastose Biramibio Posiboost PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Arquitetura SCANDAL DATA PROBLEM PRIOR KNOWLEDGE Task specification Training & test sets Meta: NN knowledge Base: Domain knowledge Metalevel Base Level Supervisor Data Pre- Processor Hint-B. Config. Search-B. Training RN-to-NN Compiler … Knowledge Extractors Data Cleaners AritifData Generators Simulator N 3 2 1 Configured and trained networks Symbolic-Connectionist Architecture for Neural Network Design and Learning PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Seqüência de Passos nas Arquiteturas Translacionais Obter conhecimento simbólico, ou seja, em forma estruturada do problema Traduzir o conhecimento em uma RNA Treinar a RNA para revisar e/ou refinar o conhecimento embutido na mesma Extrair conhecimento simbólico da RNA Refinar o conhecimento simbólico PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Características dos Métodos Translacionais Tipo de representação do conhecimento prévio e final Forma de regras => RNA em avanço Autômatos => RNA recorrente Grafos direcionados => neurônios recursivos Árvores de decisão => representam o conhecimento prévio e/ou final extraído PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Características dos Métodos Translacionais Restrições baseadas na arquitetura Arquitetura para mapear representação estruturada desejada Número de camadas => nível requerido para mapear regras à topologia da RNA Tipos de função de ativação => sigmóide ou baseada em fatores de certeza Pesos: {-1,0,1} ou [-1,1] Entradas: {0,1} ou {-1,1} PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Características dos Métodos Translacionais Método de treinamento Restrições nos parâmetros durante treinamento: pesos fixos / faixa de valores Modificações na topologia: adicionar ou apagar unidades Modificação da função objetivo normal: termos de regularização que criam penalidade para obter pesos no conjunto desejado {-1,0,1} PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Características dos Métodos Translacionais Os métodos de extração do conhecimento pode ser baseados em requisitos de treinamento especializado e uma arquitetura de RNA restrita, ou dirigidos a uma RNA genérica, sem restrições com relação ao tipo de treinamento a ser efetuado sobre o conhecimento simbólico embutido PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Prof. Júlio Cesar Nievola Extração de Regras É a tarefa de converter modelos de redes neurais treinadas em representações mais facilmente compreensíveis Surgiu em função de Data Mining boom Interesse em métodos como boosting, bagging e error-correcting output codes PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Técnicas de Extração de Conhecimento de RNAs Decomposicional Extração a nível de associações escondidas e de saída (dando origem às redes conexionistas baseadas em regras, RBCN) Pedagógica RNA vista como “caixa preta” e a extração ocorre sobre arquiteturas sem restrições Eclética PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Características dos Métodos de Extração de Regras Compreensibilidade Quanto são humanamente compreensíveis Fidelidade Quanto modela a RNA da qual foi extraída Precisão Previsão precisa sobre exemplos não vistos Escalabilidade Grandes espaços de entrada, unidades e conexões Generalidade Treinamento especial e/ou restrições PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Extração de Regras Baseadas em Busca PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Prof. Júlio Cesar Nievola Algoritmo SUBSET Extrai regras dos neurônios das camadas intermediárias e de saída Busca subconjuntos de pesos para cada neurônio cuja soma supera o limiar Grande número de possibilidade => processamento excessivo Regras com grande número de antecedentes PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Prof. Júlio Cesar Nievola Algoritmo SUBSET FOR cada neurônio da camada escondida e intermediária DO Formar Sp subconjuntos, combinando somente pesos positivos cujo somatório supera o limiar FOR cada elemento P dos subconjuntos Sp DO Formar Sn subconjuntos de N elementos, considerando as combinações mínimas de pesos negativos, tal que a soma absoluta destes pesos seja maior que a soma de P menos o valor do limiar Formar a regra: IF P AND NOT N THEN neurônio PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Rede e regras extraídas usando o Algoritmo SUBSET PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola

Algoritmo TREPAN (“TREes Parroting Networks”) Independe da topologia da rede Fornece uma árvore de decisão Usa o método best-first A classe de cada exemplo é definida por um oráculo (a própria RNA) Usa exemplos complementares para garantir mínimo de exemplos PPGIA - PUCPR Prof. Júlio Cesar Nievola