Mini curso Inteligência Computacional Aplicada

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1 Mini curso Inteligência Computacional Aplicada 08/10/2013 Prof. Dr. Hertz Wilton de Castro Lins

2 Tópicos Inteligência Computacional Redes neurais Computação evolucionária Lógica fuzzy Inteligência de Enxames Aplicações SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 2

3 ICA A Inteligência Computacional (IC) tem como objetivo desenvolver, avaliar e aplicar técnicas na criação de sistemas inteligentes. Estes sistemas imitam aspectos dos seres vivos, tais como: Aprendizado; Percepção; Raciocínio; Evolução Adaptação. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 3

4 Técnicas e aplicações Técnicas Redes Neurais, Algoritmos Genéticos, Lógica Clássica, Lógica Fuzzy, Sistemas Especialistas e inteligência de enxames. Aplicações Sistemas de apoio à decisão, classificação, planejamento, modelagem, reconhecimento de padrões, otimização, previsão, controle e automação industrial, mineração de dados, síntese de sistemas e descoberta de conhecimento. Diversos Setores Energia, industrial, econômico, financeiro, militar, saúde, comercial, síntese de circuitos, jogos, meio ambiente e otimização. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 4

5 Técnicas e aspecto natural Bioinspirados Técnica de IC Redes Neurais Artificiais Computação Evolucionária Enxames Lógica Fuzzy Sistemas Especialistas Aspecto Natural Neurônios biológicos Evolução biológica Inteligência de enxames Processamento linguístico Processo de Inferência. Técnicas de IC e seus aspectos inspirados na natureza. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 5

6 Breve histórico Antes dos anos 50 Aristoteles Peter abelard Leibniz e Newton George Boole Charles Babage Anos 60 aos 90 Florescimento Aprendizado de máquina Sistemas multiagente, Vida artificial, Visão por computador Anos 50 Alan Turing: Primeiros programas de xadrez. Termo inteligência computacional Linguagem de programação LISP SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 6

7 IA - Atualmente Games Aplicações industriais Nanorobôs Exploração espacial Inteligência coletiva Compreensão da linguagem natural Automóveis. Aplicações militares Robótica SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 7

8 Linguagens, ambientes... Pesquisa em IA LISP (List programming) Processamento de dados simbólicos através de listas. PROLOG (Programming in Logic) Base de fatos e regras C++ Java Matlab IDE s SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 8

9 Redes Neurais Artificiais Modelos computacionais inspirados na estrutura e comportamento do cérebro. São utilizadas de forma efetiva no aprendizado de padrões a partir de dados não-lineares, incompletos, com ruídos e até compostos de exemplos contraditórios. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 9

10 Redes Neurais Artificiais Características principais: Adaptação por experiência. Capacidade de aprendizado. Habilidade de generalização. Organização de dados. Tolerância a falhas. Armazenamento distribuído. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 10

11 Redes Neurais Artificiais Potenciais áreas de aplicação Aproximador universal de funções Controle de processos Reconhecimento e classificação de padrões Clusterização Sistemas de previsão Otimização de sistemas SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 11

12 Computação evolucionária É uma área de pesquisa que aplica paradigmas inspirados no princípio Darwiniano da evolução das espécies. Exemplos: Algoritmos Genéticos (Genetic Algorithms - GA) Programação Genética (Genetic Programming - GP) Hardware Evolucionário (Evolvable Hardware - EH) Programação Evolucionária (Evolutionary Programming - EP) Algoritmos Evolucionários (Evolutionary Algorithms -EA) Estratégias de Evolução (Evolution Strategies - ES) Sistemas Classificadores (Classifier Systems - CFS) SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 12

13 Computação evolucionária Algoritmos genéticos Características São algoritmos de busca adaptativa, com base na teoria da seleção natural de Darwin. Os indivíduos melhor adaptados ao meio ambiente têm maior probabilidade de transmitir suas características aos seus descendentes. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 13

14 Computação evolucionária Composição Codificação, população, avaliação. Aplicações: Resolver problemas complexos em que os algoritmos comuns são incapazes de resolver. Grandes espaços de busca Difícil modelagem do problema Métodos com grande esforço computacional Grande número de soluções candidatas ótimas. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 14

15 Computação evolucionária Algoritmos genéticos SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 15

16 Computação evolucionária Algoritmos genéticos Operadores Genéticos Seleção Reprodução Mutação SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 16

17 Lógica fuzzy A lógica fuzzy é um conceito matemático surgido em 1965 a partir do conceito de Conjuntos Fuzzy, Prof. Lotfi Zadeh em 1965 Incerteza. Quanto mais complexo for o projeto de software (interfaces, requisitos...), um tanto lento será o planejamento e maior terá que ser o comprometimento dos recursos. Qualificadores SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 17

18 Lógica fuzzy Lógica clássica x Lógica fuzzy Valores intermediários entre os dois extremos {0,1} -> [0,1] Subjetividade SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 18

19 Lógica fuzzy Variáveis linguísticas Usadas para modelagem para modelagem dos sistemas fuzzy Pode ser usado num sistema baseado em regras para tomada de decisão if numero de requisitos > 50 numero de requisitos < 80 then numero de requisitos = alto If numero de requisitos x é alto then is complexo SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 19

20 Lógica fuzzy O que é fuzzy? Pertinência fuzzy é uma incerteza determinística. A lógica fuzzy concentra-se em quantificar o ocorrido observado e não com a probabilidade de sua eventual ocorrência. fuzzy probabilidade Pertinência fuzzy é uma incerteza determinística, enquanto que probabilidade é não determinística. A incerteza probabilística se dissipa co o maior número de ocorrências, enquanto que a incerteza fuzzy permanece inalterada. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 20

21 Lógica fuzzy Benefícios Permite soluções mais eficientes para problemas tratados com técnicas nãofuzzy. Reduz o tempo de desenvolvimento. Modela sistemas não-lineares complexos. Sistemas avançados precisam de menos chips e sensores. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 21

22 Inteligência de enxames Estuda comportamentos emergentes que surgem da coletividade de indivíduos que interagem entre si e com o ambiente. Características Proximidade os agentes devem ser capazes de interagir; Qualidade os agentes devem ser capazes de avaliar seus comportamentos; Diversidade permite ao sistema reagir a situações inesperadas; Estabilidade nem todas as variações ambientais devem afetar o comportamento de um agente; Adaptabilidade a capacidade de responder às mudanças do ambiente. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 22

23 Inteligência de enxames Exemplos A otimização por colônia de formigas. Otimização por enxame de partículas. Algoritmo enxame de abelhas. Shuffled frog-leaping, Cultura de bactérias SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 23

24 Inteligência de enxames Otimização por enxame de partículas É uma técnica de otimização global baseada em população, criada por Kennedy e Eberhart nos anos 90 Foi inspirada no comportamento social dos pássaros e peixes. É baseada no conceito de que o compartilhamento de informações entre os indivíduos, denominados partículas, gera uma vantagem evolutiva. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 24

25 Inteligência de Enxames Otimização por enxame de partículas Aplicações Telecomunicações Mineração de dados Sistemas de energia Processamento de sinais Otimização de funções Treinamento da rede neural artificial Sistema de controle fuzzy Roteamento de veículos (Capacitated Vehicle Routing) Computação gráfica. Posicionamento de bases em computação móvel. Mesmas aplicações dos Algoritmos genéticos. Escalonamento de tarefas (Multi-objective Job shop scheduling)

26 Inteligência de Enxames Algumas Vantagens Eficiente em pesquisa global. Insensível a mudança de escala das variáveis. Adaptável a computadores paralelos. Não requer cálculo de derivadas. Poucos parâmetros para serem definidos pelo usuário. Desvantagens Convergência lenta em fase de pesquisa refinada Fraca capacidade de busca local. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 26

27 Inteligência de enxames Otimização por enxame de partículas Fluxo As partículas sobrevoam um espaço de busca n-dimensional baseadas no comportamento de auto-organização observado na natureza, quando um grupo de aves ou cardume de peixes procura alimento. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 27

28 Inteligência de enxames Otimização por enxame de partículas Etapas SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 28

29 Inteligência de enxames Otimização por enxame de partículas Processo de busca A aprendizagem individual. A transmissão cultural Deslocamento SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 29

30 Inteligência de enxames Otimização por enxame de partículas Topologia da vizinhança Estabelece o fluxo de informações entre as partículas acontecem através da topologia da vizinhança Variações na estrutura da topologia geram diferentes comportamentos nas partículas Como consequência destes comportamentos, pode acontecer uma melhor exploração do espaço de busca. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 30

31 Inteligência de enxames Otimização por enxame de partículas Topologia da vizinhança SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 31

32 Inteligência de Enxames Otimização por enxame de partículas Deslocamento das partículas durante o tempo. t=1 final SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 32

33 Aplicações Telecomunicações A análise de geometrias de antenas e superfícies seletivas de frequência. A complexidade Grande espaço de busca Grande número de soluções candidatas. Objetivos conflitantes Otimização Elevado custo computacional dos métodos utilizados. Método dos momentos Elementos finitos SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 33

34 Aplicações Artigo Enhanced wideband performance of coupled frequency selective surfaces using metaheuristics. Lins, H. W. C., Barreto, E. L. F. and d'assunção, A. G. (2013), Enhanced wideband performance of coupled frequency selective surfaces using metaheuristics. Microw. Opt. Technol. Lett., 55: doi: /mop Link SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 34

35 Aplicações Superfícies seletivas de frequência são dispositivos que filtram frequências de acordo com a forma e as dimensões dos elementos (patches ou aberturas) e a sua periodicidade. Quando o sinal incide na FSS cria-se uma densidade de corrente de elementos nos patches de metal e então há uma seleção de frequências onde apenas as bandas de interesse chegam à antena receptora. As aplicações principais são: radomes, sistemas de antenas, absorvedores e etc. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 35

36 Aplicações As FSS podem ser do tipo condutor apresentando um comportamento de um filtro rejeita-banda ou tipo abertura apresentando um comportamento típico de um filtro passa-banda. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 36

37 Aplicações Multicamadas Cada aplicação possui um conjunto de requisitos de operação que exige na fase de concepção de uma FSS a definição de elementos como: Propriedades do material dielétrico, espessura do substrato, espaçamento, entre as células, geometria e configuração das células. Requisitos de operação como o aumento da largura de banda exigem a utilização de geometrias complexas (fractais) ou estruturas multicamadas SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 37

38 Aplicações SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 38

39 Aplicações Etapa 1 Resultados da otimização com um algoritmo genético realizada na adequação das estruturas para as frequências de 9,5 GHz e 10,5 GHz Etapa 2 Resultados da otimização da largura de banda através da dimensão do gap de ar entre as estruturas com a utilização de um algoritmo PSO. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 39

40 Aplicações Aspectos da otimização Construção dos algoritmos Espaço de busca Representação das soluções (partícula) SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 40

41 Aplicações SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 41

42 Aplicações Evolução da avaliação da melhor partícula (PSO) e o melhor individuo (GA) durante a execução dos algoritmos. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 42

43 Aplicações Dispersão das avaliações das partículas. SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 43

44 Aplicações Resultado:Operação da estrutura: 9,5 GHz SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 44

45 Aplicações SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 45

46 Aplicações SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 46

47 Aplicações GA - Ansoft PSO - Ansoft Medido Frequência de ressonância 9,50 (GHz) 9,43 (GHz) 9,87 (GHz) Largura de banda (-10dB) 2,9 (GHz) 3,11 (GHz) 3,22 (GHz) Largura de banda (-20dB) 1,75 (GHz) 1,77 (GHz) 0,34 (GHz) Perda por inserção -38,69 (db) -37,67 (db) -24,50 (db) SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 47

48 Habilidades/Conhecimentos Engenharia de software Banco de dados Programação Estrutura de dados Trabalho em Equipe Aprender sozinho Capacidade de observação SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 48

49 Links Ray-kurzweil Singularity Hub AI Neil Jacobstein AI Interview with Lotfi Zadeh SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 49

50 Referências KENNEDY, J. & EBERHART, R.C. Particle swarm optimization. The 1995 IEEE International Conference on Neural Networks. Perth, Australia. vol. 4, pp , 1995 BALANIS, C.A., Antenna theory - Analysis and design, Wiley, New York, WU, T.K., Frequency selective surface and grid array, J. Wiley,1995. LIM, K.-S., M. NAGALINGAM, AND C.-P. TAN. Design and construction of microstrip UWB antenna with time domain analysis," Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 3, , DUBROVKA, R., VAZQUEZ, J., PARINI, C. E MOORE, D. Multi-frequency and Multi-Layer Frequency Selective Surface Analysis Using Modal Decomposition Equivalent Circuit Method, IET Microw. Antennas Propag., Vol. 30, pp , March SETEL Minicurso Inteligência Computacional Aplicada - Professor Hertz Wilton 50