Resolução de Problemas

Transcrição

1 Resolução de Problemas Como um agente pode encontrar uma sequência de ações que alcança seus objetivos quando nenhuma ação isolada é capaz de fazê-lo. 1

2 Resolução de Problemas Agente reativo simples: baseia suas ações em um mapeamento direto de estados em ações ?

3 Resolução de Problemas Agente baseado em objetivos: considera ações futuras e o quanto seus resultados são desejáveis. Agente baseado em objetivo chamado agente de resolução de problemas. 3

4 Resolução de Problemas Os agentes inteligentes devem maximizar sua medida de desempenho. Se o agente adotar um objetivo que deseja satisfazer, pode facilitar a maximização. É importante a definição do objetivo. 4

5 Formulação do objetivo Observável Discreto Determinístico Estático Episódico

6 Resolução de Problemas Um objetivo é um estado do conjunto de estados do mundo onde esta definido o problema Quais estados e que tipo de ações devem-se considerar para atingir o estado objetivo? A formulação de problemas é o processo de decidir que ações e estados devem ser considerados, dado um objetivo. 6

7 Resolução de Problemas O processo de procurar a sequência de ações que alcançam o objetivo é chamado de busca. Algoritmo de busca: Entrada: um problema, Saída a solução sob a forma de uma sequência de ações. Logo de encontrada a solução, as ações recomendadas podem ser executadas. Tem-se então um simples projeto de formular, buscar, executar 7

8 Resolução de Problemas Observações: Enquanto o agente está executando a sequência de solução ignora sua percepção ao escolher uma ação. Os teóricos de controle chamam isso de um sistema de malha aberta, pois ignorar a percepção quebra o laço entre o agente e o ambiente. 8

9 Definindo o problema Um problema pode ser definido por quatro componentes: 1. O estado inicialem que o agente começa: Em (Arad) 2. Uma descrição das açõespossíveis que estão disponíveis para o agente. Formulação mais comum é a função sucessor. Dado um estado, função SUCESSOR () retorna pares <ação, >: <Em (Arad), Ir (Zerind)>, Em (Arad), Ir (Sibiu),... 9

10 Definindo o problema 3.O teste de objetivo, que determina se um dado estado é um estado final (objetivo): Em (Bucharest) 4. Função de custo de caminho, atribui um custo numérico a cada caminho: distâncias de uma cidade a outra 10

11 Espaços de estado O estado inicial e a função sucessor definem o espaço de estados do problema Espaços de estado é o conjunto de todos os estados acessíveis a partir do estado inicial. O espaço de estados forma uma rede dirigida ou um grafo em que os nós são estados e os arcos entre os nós são ações. Um caminhono espaço de estados é uma sequência de estados conectados por uma sequência de ações. 11

12 Solucionando oproblema Formulação do problema e do objetivo: quais são os estadose as açõesa considerar? qual é (e como representar) o objetivo? Busca (solução do problema): processo que gera/analisa seqüênciasde ações para alcançar um objetivo solução = caminho entre estado inicial e estado final. Execução: Executar (passo a passo) a solução completa encontrada 12

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14 Problemas de IA Prova automática de teoremas. O quebra-cabeças 3x3 O jogo da velha O Caixeiro Viajante As Torres de Hanói Missionários e Canibais 14

15 Características dos problemas de IA São solucionáveis por seres humanos e, neste caso, sua solução esta associada à inteligência. Formam classes de complexidade variável existindo desde instâncias triviais até complexas. São problemas de conhecimento total, isto é, tudo que é necessário saber para solucioná-los é conhecido, o que facilita sua formalização. Suas soluções tem a forma de uma sequencia de situações legais e as maneiras de passar de uma situação para outra são em número finito e conhecidas. 15

16 Problema: jarros Dados uma bica d`agua, um jarro de capacidade 3 litros e um jarro de capacidade 4 litros (ambos vazios). Como obter 2 litros no jarro de 4?

17 Solução: jarros

18 Método de solução de Problemas: Busca de Soluções Desenvolver programas, não com os passos de solução de um problema, mas que produzam estes passos; Construir um espaço de estados para encontrar uma sequência de ações cuja aplicação resolve um problema; Recebe um problema e retorna uma solução Um problema de busca pode ser formalizado através de espaço de estados.

19 Exemplos de Problemas Miniproblemas Utilizado para ilustrar ou exercitar diversos métodos de resolução de problemas. Pode ter uma descrição concisa e exata pode ser utilizado com facilidade por diferentes sistemas de busca, com a finalidade de comparar o desempenho de algoritmos. Problemas do mundo real Tendem a não apresentar uma única descrição consensual, mas é possível fornecer uma ideia geral de suas formulações. 19

20 Exemplos de Problemas Exemplos: Miniproblemas Mundo do Aspirador de Pó Problema do Quebra-cabeça de 8 Peças Missionários e Canibais Problema das 8 Rainhas Exemplos: Problemas do mundo real Problema de Roteamento Problema de Viagens Aéreas Problema de Tour Problema do Caixeiro Viajante Problema de Navegação de Robôs Problema da Seqüência Automática de Montagem Problema de Pesquisas na Internet 20

21 Miniproblemas Exemplo 1: Mundo do aspirador de pó com apenas 2 locais. 21

22 Miniproblemas Problema do Mundo do Aspirador de Pó - Formulação Estados O agente está em uma entre duas posições, cada uma das quais pode conter sujeira ou não. Há 2 x 2 2 = 8 estados do mundo possíveis. Estado inicial Qualquer estado pode ser designado como estado inicial. Função Sucessor Gera os estados válidos que resultam da tentativa de executar as três ações (Esquerda, Direita e Aspirar). 22

23 Miniproblemas Espaço de estados para o mundo do aspirador de pó. Os arcos denotam ações: E = Esquerda, D = Direita, A = Aspirar 23

24 Miniproblemas Problema do Mundo do Aspirador de Pó - Formulação Teste de objetivo Verifica se todos os quadrados estão limpos. Custo de caminho Cada passo custa 1, e assim o custo do caminho é o número de passos do caminho. Esse miniproblema tem posições discretas, sujeira discreta, limpeza confiável e nunca é desorganizado depois de limpo. Ambiente com nposições: n x 2 n estados 24

25 Miniproblemas Exemplo 2: Uma instância típica do quebra-cabeça de 8 peças 25

26 Miniproblemas Problema do Quebra-cabeça de 8 Peças - Formulação Estados Uma descrição de estado especifica a posição de cada uma das oito peças e do espaço vazio em um dos nove quadrados. Estado inicial Qualquer estado pode ser designado como estado inicial. Função Sucessor Gera os estados válidos que resultam da tentativa de executar as três ações (o espaço vazio se desloca para a Esquerda, Direita, Acima ou Abaixo). 26

27 Miniproblemas Problema do Quebra-cabeça de 8 peças - Formulação Teste de objetivo Verifica se o estado corresponde à configuração de objetivo mostrada na figura (São possíveis outras configurações de objetivos) Custo de caminho Cada passo custa 1, e assim o custo do caminho é o número de passos do caminho. 27

28 Miniproblemas Problema do Quebra-cabeça de 8 Peças - Formulação Abstrações incluídas As ações são reduzidas a seus estados iniciais e finais, ignorando-se as posições intermediárias por onde o bloco está deslizando. Foram abstraídas ações como sacudir o tabuleiro quando as peças ficam presas ou extrair as peças com uma faca e colocá-las de volta no tabuleiro. 28

29 Miniproblemas Problema do Quebra-cabeça de 8 Peças - Formulação Pertence à família de quebra-cabeças de blocos deslizantes usados com freqüência como problemas de teste para novos algoritmos de busca em IA. Número de estados acessíveis Quebra-cabeça de 8 peças: 9!/2 = Quebra-cabeça de 15 peças (tabuleiro de 4 x 4): aproximadamente 1,3 trilhão (instâncias aleatórias podem ser resolvidas de forma ótima em alguns ms pelos melhores algoritmos de busca). 29

30 Espaço de estados para o Quebra-cabeça de 8 Peças. 30

31 Miniproblemas Como resolveria o problema dos Missionários e Canibais?

32 Problemas do mundo real Problema de Roteamento (pathfinding): Roteamento em redes de computadores Planejamento de operações militares Sistemas de planejamento de viagens (tour) Planejamento de rotas de aviões Caixeiro viajante Jogos de computadores (rotas dos personagens) Problema de Alocação (scheduling): Salas de aula Máquinas industriais (job shop) Problema de Navegação de robôs Problema da Seqüência Automática de Montagem 32

33 Problemas do mundo real Problema de Rotas de aviões Formulação Estados Cada um é representado por uma posição (p.ex.: um aeroporto) e pela hora atual. Estado inicial É especificado pelo problema. Função Sucessor Retorna os estados resultantes de tomar qualquer voo programado que parte depois da hora atual somada ao tempo de trânsito no aeroporto, desde o aeroporto atual até outro. Teste de objetivo Estamos no destino após algum tempo especificado? 33

34 Problemas do mundo real Problema de Rotas de aviões Formulação Custo de caminho Depende do custo monetário, do tempo de espera, do tempo de vôo, dos procedimentos alfandegários, da hora do dia,... Um sistema realmente bom deve incluir planos de contingência. Exemplo: reservas substitutas em voos alternativos. 34

35 Problemas do mundo real Problemas de Tour Formulação Estreitamente relacionados aos problemas de roteamento Diferença: cada estado deve incluir não apenas a posição atual, mas também o conjunto de cidades que o agente visitou. 35

36 Problemas do mundo real Problema do Caixeiro-Viajante (PCV) Formulação É um problema de tourem que cada cidade deve ser visitada exatamente uma vez. Objetivo: encontrar o percurso mais curto. Outras aplicações: planejamento do movimento de máquinas automáticas para perfuração de placas de circuitos e de máquinas industriais em fábricas. 36

37 Problemas do mundo real Problema da Navegação de Robôs Formulação Generalização do problema de roteamento. Característica: um robô pode se mover em um espaço contínuo com (em princípio) um conjunto infinito de ações e estados possíveis. Robô com movimento circular sobre uma superfície plana: espaço bidimensional. Robô com braços e pernas ou rodas espaço de busca com várias dimensões. 37

38 Problemas do mundo real Problema da Seqüência Automática de Montagem Formulação Objetivo: encontrar uma ordem na qual devem ser montadas as peças de algum objeto. Outro problema de montagem: projeto de proteínas Objetivo: encontrar uma seqüênciade aminoácidos que serão incorporados em uma proteína tridimensional com as propriedades adequadas para curar alguma doença. 38

39 Problemas do mundo real Problema de Pesquisas na Internet Formulação Objetivo: procurar respostas para perguntas, informações inter-relacionadas ou oportunidades de compras 39