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Inteligência Artificial (IA) - Algoritmos 1/18 Inteligência Artificial Algoritmos Projeto FEUP 2016/2017 Mestrado Integrado em Engenharia Informática e Computação: Prof. Manuel Firmino Prof. J. Magalhães Cruz Equipa 2, Turma MIEIC04,: Supervisor: Prof. Jorge G. Barbosa Monitora: Mafalda Falcão Estudantes e Autores: Amadeu Pereira [email protected] Bruno Oliveira [email protected] João Ferreira [email protected] João Sousa [email protected] Nuno Lopes [email protected]

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Inteligência Artificial (IA) - Algoritmos 1/18

Inteligência Artificial

Algoritmos

Projeto FEUP 2016/2017 Mestrado Integrado em Engenharia Informática e Computação:

Prof. Manuel Firmino

Prof. J. Magalhães Cruz

Equipa 2, Turma MIEIC04,:

Supervisor: Prof. Jorge G. Barbosa

Monitora: Mafalda Falcão

Estudantes e Autores:

Amadeu Pereira [email protected] Bruno Oliveira [email protected]

João Ferreira [email protected] João Sousa [email protected]

Nuno Lopes [email protected]

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Resumo

O nosso relatório foi elaborado no âmbito da cadeira do Projeto FEUP, do 1º ano do Mestrado

Integrado em Engenharia Informática e Computação, tendo como tema a Inteligência Artificial,

abordando mais especificamente os algoritmos nela envolvidos.

O trabalho está dividido em quatro etapas. Primeiramente, é apresentada uma definição de

Inteligência Artificial, precedida de uma introdução ao algoritmo e ao seu papel no

desenvolvimento da IA. Segue-se uma análise a vários algoritmos de resolução de problemas,

com o intuito de se concluir uma forma de classificação dos mesmos. É apresentada também uma

abordagem aos principais desafios enfrentados pela IA, culminando com uma proposta de um

produto/software que possa ser usado neste ramo.

Palavras-Chave

Algoritmos, Inteligência, Computadores, Software, Autonomia, Informática, Computação,

Programação

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Agradecimentos

A realização deste projeto não seria possível sem a colaboração e a ajuda indispensável do

supervisor Prof. Jorge G. Barbosa e da monitora Mafalda Falcão. A primeira semana deste ano

letivo, a semana do Projeto FEUP, foi essencial para obtermos os conhecimentos e hábitos

necessários para a elaboração de um relatório, um poster e uma apresentação de acordo com os

parâmetros impostos pela cadeira.

As atividades e os desafios que realizamos nessa primeira semana, sustentados com a

informação teórica recebida pelas palestras, foram preciosos e determinantes. Queremos deste

modo agradecer quer ao monitor, quer ao supervisor, bem como à Faculdade de Engenharia da

Universidade do Porto, ao seu corpo docente e aos intervenientes que estiveram envolvidos neste

projecto.

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Índice

Lista de acrónimos

1. Conceito de Inteligência Artificial

2. Algoritmos em Inteligência Artificial

2.1 Classificação de Algoritmos

2.1.1 Métodos de Resolução de Problemas

3. Principais Desafios da Inteligência Artificial

4. Produto/ Software

5. Conclusão

6. Referências bibliográficas

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Lista de acrónimos

IA - Inteligência Artificial

DFS - Depth-first search

BFS - Breadth-first search

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1. Conceito de Inteligência Artificial

As pesquisas no campo da Inteligência Artificial não são tão recentes quanto o que se

possa pensar. De facto, logo após a Segunda Guerra Mundial um grupo bastante grande de

pessoas começou a trabalhar, de forma independente, no desenvolvimento de “máquinas

inteligentes”, tendo sido o matemático inglês Alan Turing o primeiro a dar uma palestra sobre o

tema, sugerindo que a resolução deste passaria, provavelmente, por uma forte programação em

vez de pela construção de máquinas e outros mecanismos.

De acordo com este, “A computer would deserve to be called intelligent if it could deceive a

human into believing that it was human.”, ou seja, um computador apenas deveria merecer ser

chamado de inteligente caso conseguisse convencer um humano a acreditar que este era uma

pessoa e não uma máquina.

Já em relação ao conceito, de acordo com a definição fornecida pela Universidade de

Cambridge e a Universidade de Oxford, Inteligência Artificial é a teoria, desenvolvimento e estudo

de como produzir sistemas computacionais que possuam habilidades que a mente humana

também possui, de forma a ser capaz de, por exemplo, entender e traduzir linguagem humana,

reconhecer imagens, resolver problemas e, fundamentalmente, ser capaz de tomar decisões e de

aprender automaticamente.

Uma vez mais, ao contrário do esperado, a Inteligência Artificial não se resume a simular a

inteligência humana. De acordo com John McCarthy, conceituado cientista da computação

estadunidense associado à Universidade de Stanford, apesar de por vezes tentarmos imitar o

nosso próprio pensamento através da Inteligência Artificial, o objetivo de grande parte dos

trabalhos nesta área é precisamente o contrário, ou seja, é o estudo da forma como esta resolve

problemas que nos são apresentados pelo mundo no dia a dia.

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2. Algoritmos em Inteligência Artificial

A inteligência artificial segue a máxima de Albert Einstein, ou seja, que os génios tornam a

simplicidade em complexidade. Por isso, à medida que o mundo se torna mais complexo, a

inteligência artificial torna-se essencial no século XXI, tal como o microprocessador o era no

século XX.

De um modo geral, a Inteligência Artificial (IA) é apenas um software. Na construção de

sistemas de IA, que são frequentemente grandes e complexos, houve a necessidade de serem

desenvolvidos algoritmos e ferramentas de software para estes. Os investigadores de IA foram

responsáveis por muitos dos recentes avanços na ciência de computadores, como por exemplo,

na procura de algoritmos, desenvolvimento da memória virtual e na alocação dinâmica de

memória.

O principal objetivo na investigação em Inteligência Artificial é encontrar algoritmos que

consigam fornecer soluções aproximadas sem a garantia de optimização. Estes algoritmos são

principalmente utilizados em grandes empresas como a Google, Facebook, Amazon…

No Google são utilizados algoritmos de machine learning para completar as solicitações de

pesquisa e que frequentemente prevêem com precisão o que alguém está à procura. Estes

algoritmos podem analisar milhares de milhões de sinais para direcionar as chamadas de

atendimento ao cliente automaticamente para o agente mais apropriado ou determinar que

clientes têm a maior probabilidade de comprar um produto em particular.

O Facebook e a Amazon usam algoritmos preditivos para fazer recomendações com base no

histórico de leitura e de compras do utilizador.

Em termos de cuidados de saúde, os algoritmos de "conhecimento profundo" podem ajudar os

médicos a identificar tipos de células cancerígenas ou anomalias intracranianas em qualquer lugar

do mundo em tempo real.

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2.1 Classificação de Algoritmos

Reiterando alguns aspetos sobre a Inteligência Artificial no seu conceito, Niederberger

considera-a a área da ciência da computação voltada a atribuir um comportamento inteligente a

máquinas, seja este comportamento humano ou não, sendo possível classificar a Inteligência

Artificial neste aspecto em quatro grandes abordagens.

Agir Humanamente - visa dar uma característica humana à máquina;

Pensar Humanamente - procura imitar da melhor forma o processo cognitivo humano,

dando primazia, não à solução encontrada, mas ao processo que levou a ela;

Pensar Racionalmente - usa ferramentas lógicas para resolver problemas;

Agir Racionalmente - age de forma a inferir sobre que maneira deverá agir dada uma

circunstância, a fim de alcançar um objetivo próprio.

Ora, face à enormidade de algoritmos desenvolvidos nos dias de hoje, direcionados ou não

para a Inteligência Artificial, torna-se complicado classificá-los sem qualquer linha de orientação.

Porém, nas quatro abordagens anteriores, destaca-se um objetivo de resolução de problemas,

associado a processos em busca de uma solução e que no seu decorrer podem variar a sua ação

dadas as circunstâncias.

Desta forma, centra-se a análise à área dos algoritmos na questão „Métodos de resolução de

problemas‟.

2.1.1 Métodos de Resolução de Problemas

De um modo genérico, a um problema em Inteligência Artificial associa-se uma arquitetura,

normalmente designada por Sistemas de Produção. Estes definem um problema como um

espaço de estados e as transições entre eles, sabendo estes que podem acarretar funções de

mérito/custo, isto é, uma espécie de „grandeza‟ que seja relativa ao problema (por exemplo,

distância percorrida, num problema de trajetos). O algoritmo procura então a solução para o

problema percorrendo este espaço desde o estado inicial até ao estado final. Neste processo

pode ou não haver memória do caminho armazenada, o que em função de caminhos mais

promissores, permite ao algoritmo decidir a melhor solução. Nem todos o fazem. De seguida,

encontra-se um esquema que atribui, ou não, esta e outras qualidades a determinados algoritmos.

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Outro conceito importante, antes da análise dos métodos, é o de Árvores/Grafos. Estes

constituem a forma gráfica de representar os sistemas de produção, sendo conhecidos

fundamentalmente por círculos e linhas, correspondentes respetivamente aos estados e às suas

transições.

Exige-se sempre alguma cautela quanto à divisão de características de algoritmos, isto porque

muitos deles partilham dos mesmos processos; pelo que podem pertencer a várias classificações

ao mesmo tempo.

No entanto, existem três tipos de métodos de resolução de problemas: métodos fracos,

métodos informados e pesquisa adversarial. Procura-se uma análise superficial ao

comportamento dos algoritmos em cada método, com o objetivo de encontrar constantes que

permitam uma classificação lógica nesta área da resolução de problemas.

Os métodos fracos correspondem a técnicas de pesquisa gerais e são independentes dos

problemas, isto é, estão preparados para agir sem necessitar de informações específicas ao

problema em questão.

Em geral, compõe os métodos fracos os seguintes algoritmos:

o Pesquisa em profundidade (DFS – Depth-first search)

- Não é completo (o caminho pode ser infinitamente grande);

- Não é ótimo (entrega a 1ª opção, que pode não ser a melhor);

o Pesquisa em largura (BFS – Breadth-first search)

- É ótimo (tendo as arestas todas o mesmo custo/valor, a solução apresentada

é necessariamente a melhor);

- É completo (se a ramificação for finita);

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o Custo uniforme

- É ótimo e completo (considerando até os vários custo das arestas)

- É mais complexo (representa o BFS e considera os custos).

o Aprofundamento Progressivo

- Espécie de DFS com ramificação limitada;

- É ótimo (para custos todos iguais);

- É completo (para ramificação finita);

Os métodos informativos, por sua vez, são dependentes do problema. Requerem alguma

informação sobre o problema, normalmente uma função heurística que atribui valor a estados,

melhorando a escolha das opções em detrimento de outros. A heurística pode por vezes

simplificar demasiado o problema, tornando-se má-heurística. Existem algoritmos genéricos,

denominados de meta-heurísticos, que baseados na heurística vão tentando melhorar

iterativamente uma solução candidata:

o Hill Climbing

- Recebe feedback para saber se um movimento é favorável ou não, visando a

chegada mais rápida à solução;

- Não é ótimo, por se tratar de um algoritmo ganancioso, podendo nem sequer

apresentar solução;

- Pode ser completo em funções de caminho finito;

o Simulated Annealing (usa probabilidades para melhorar a pesquisa, evitando que fique

preso em máximos/mínimos locais – as extremidades);

- Só é ótimo e completo em funções bem-comportadas

o Algoritmos Evolutivos (ideia de evolução e seleção natural)

- São lentos e podem levar a soluções difíceis de explicar;

- São úteis quando:

- Espaço de pesquisa é demasiado grande;

- Não é necessária uma solução ótima, mas apenas uma boa solução;

- Se tem capacidade computacional para implementar os algoritmos

paralelamente;

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o A* - A-Star (mistura entre „custo uniforme‟ com „métodos gananciosos‟)

- O custo uniforme só tem em conta os custos até ao sucessor;

- Os métodos gananciosos apenas tem em conta a heurística do sucessor;

- Logo, A* é a mistura entre estes dois (se custo é zero, algoritmo passa a ser

ganancioso; se heurística é constante, algoritmo passa a ser custo uniforme; se

custo é zero e heurística é constante, algoritmo passa a ser pesquisa em largura

(BFS).

- É dispendioso na memória

- Por vezes deriva em IDA* (que é um „aprofundamento progressivo‟ mas

com custo máximo em vez de profundidade (ramificação) limite).

Os casos anteriores demonstram situações em que se procura a melhor solução possível sem

qualquer entrave ao processo, o que nem sempre se aplica à realidade. A pesquisa adversarial

pressupõe uma competição face a um adversário, que quer dificultar o processo do algoritmo; algo

em que os algoritmos dos casos anteriores deixariam de funcionar.

Através da analogia max → jogador / min → adversário

o Minimax

- Atribui valores de V/E/D, propagando-os pelas possíveis jogadas do adversário

de forma a saber a que valor um estado nos pode levar;

- Torna-se complicado em jogos complexos com muitas ramificações;

o Minimax com Alpha-Beta running

- Corta testes desnecessários, reduzindo o espaço de pesquisa;

o Negamax

- Trata todos os níveis como maximizante (não-adversário), invertendo os valores

entre cada nível, melhorando o desempenho;

Existem também outras variantes associadas a esta área da resolução de problemas, como,

por exemplo, o método da decomposição. Este, basicamente, decompõe o percurso em

processos mais simples para uma resolução em várias máquinas. Outro conceito é o da

satisfação de restrições, que é mais vantajoso que os algoritmos de pesquisa uma vez que

reduz a quantidade de estados de pesquisa, não sendo preciso andar um caminho todo para se

saber se é possível ou não chegar a uma solução.

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Desta forma, destacam-se algumas características algo constantes na análise anterior, e que

permitem, na perspetiva deste trabalho, classificar estes algoritmos de inteligência artificial.

Condição fundamental para a resolução de problemas será a classificação de ótimo e/ou

completo, característica baseada na entrega da solução por parte dos algoritmos. Estes podem

ser delimitados por várias áreas de ação (retoma-se a observação anterior, sobre a possibilidade

de algoritmos poderem figurar em várias categorias de forma simultânea): pesquisa, genéricos,

probabilísticos, evolutivos e seletivos. Por fim, atendendo a algumas condições na análise

prévia, pode também considerar-se o grau de complexidade dos algoritmos, desde os mais

dispendiosos aos mais simples e que procuram métodos de simplificação.

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3. Principais Desafios da Inteligência Artificial

De acordo com Rodney Brooks, existem dois desafios claramente distintos sobre

Inteligência Artificial. Primeiro, os sistemas atuais possuem capacidades muito inferiores

comparados com os sistemas biológicos; segundo, um desempenho razoável de algumas

abordagens têm originado uma tendência crescente, a nível social, para estes sistemas em

detrimento de outras ideias, também bastantes promissoras. Levando a um evolução retrógrada

desta área.

Se compararmos quer sistemas informáticos quer robóticos com os biológicos,

descobrimos que os primeiros são incrivelmente frágeis e pouco desenvolvidos, por algumas

condicionantes a seguir descritas:

Problema 1: Os sistemas biológicos são capazes de se adaptar a diferentes ambientes -

não em todos, mas sobrevivem na maioria. Atualmente os programas de que dispomos são

criados com determinados propósitos e para funcionarem em determinados meios. Somos

capazes de criar um programa capaz de se instalar e executar sozinho num ambiente

desconhecido? Dificilmente. Isto induz, de certo modo, a algumas considerações de como o futuro

pode ser construído para que os programas sejam automaticamente configuráveis, e mais tarde

automatizados.

Problema 2: Trabalhos recentes sobre sistemas evolucionários têm produzido resultados

brilhantes (ex: Sims, 1994) mas é difícil saber como alcançar um determinado sucesso e aplicá-lo

a novos problemas. Não existe um “Perceptrons Book” (Minsky e Papert, 1969) para sistemas

evolucionários. É necessário um livro matemático que ajude a compreender os pontos fortes e

fracos desta recente aproximação.

Problema 3: Temos vivido com as bases formais de McCulloch e Pitts (1943) já há cerca

de 50 anos. Com o passar do tempo, temos permanecido “aprisionados” a maneiras fixas de

resolver determinados problemas. Por vezes, é preferível dar um passo atrás e olhar para os

problemas com diferentes perspetivas de modo a encontrar soluções igualmente distintas. Para

tal, é necessária iniciativa uma vez que nos primeiros tempos a solução alternativa pode não ser

tão eficaz como outras pré-existentes. No entanto, com trabalho e dedicação, pode tornar-se

possível, mais tarde, ultrapassar problemas existentes anteriormente, que com as soluções

inicialmente propostas não eram passíveis de serem resolvidas.

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Problema 4: Vivemos num ambiente em que fazemos uso excessivo de sons de variadas

categorias. Tem havido muito pouca vontade em compreender estes mesmos sons. Será possível

desenvolver sistemas interessantes capazes de o fazer?

Problema 5: Por último, mas não menos importante, será possível criar um sistema capaz

de dar vazão à excessiva evolução da humanidade, ao longo dos últimos anos, e capaz de se

adaptar e tornar-se útil para esta em vários setores de modo a ajudar a um desenvolvimento

ainda maior?

Noutra perspetiva, também são considerados “grandes desafios” para a IA aqueles cuja

resolução aparenta ser desafiante mas que ainda não foi encontrada. As soluções para os

grandes desafios da IA podem passar por abordagens diferentes que surjam com o avançar da

tecnologia e, caso sejam bem sucedidas, é expectável que causem um grande impacto na

sociedade. Apresentamos, assim, alguns destes desafios, considerados problemas de alto risco

cujo investimento na sua resolução pode não ser rentável.

Traduzir comunicações

Um sistema de tradução de comunicações é aquele em que, por exemplo, um japonês é capaz de

estabelecer contacto com um português em tempo real e na linguagem nativa de cada um. Isto

requer soluções para uma série de problemas: um sistema capaz de reconhecer um vasto

(possivelmente infinito) vocabulário, espontâneo e contínuo; um sistema natural capaz de lidar

com a ambiguidade, frases não-gramaticais e até por vezes incompletas e um sintetizador capaz

de preservar as características do orador.

Veículo que evita acidentes

Um veículo equipado com um sistema inteligente de cruise control através de laser, sonar e

sensores de visão seria capaz de eliminar 80 a 90% dos acidentes fatais e reduziria o custo do

veículo em aproximadamente 10%. Tal dispositivo iria necessitar de pesquisas profundas no

campo da visão, sensores, detecção de obstáculos e design de algoritmos e software.

Atualmente, o interesse por esta área tem vindo a aumentar e estão a ser atingidos resultados

próximos deste problema.

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Sistemas de aprendizagem autónomos

O interesse por sistemas capazes de aprender através de figuras, exemplos e observações, tem

vindo a crescer. Mais uma vez, estamos perante um obstáculo que requer pesquisas avançadas

na área da linguagem, técnicas de resolução, visão e programação. No fundo, procura-se um

sistema que saiba incorporar determinados conceitos e resoluções sem que seja necessário

transmitir todos os passos a executar.

A Google realizou também pesquisas neste campo, tendo elaborado uma lista com 5 dos

principais desafios da Inteligência Artificial:

1. Evitar efeitos colaterais - Como podemos garantir que um sistema de inteligência

artificial não vai perturbar o ambiente a seu redor de modo a conseguir realizar os seus

objetivos da forma mais eficiente possível?

2. Evitar “Reward Hacking” - Será que podemos afirmar que um sistema de IA cumpre

com precisão a tarefa que lhe foi atribuída, sem tentar fazer “batota”? Por exemplo,

quando é atribuída a um robô a tarefa de limpar uma divisão da casa, queremos que ele a

limpe, executando a tarefa pedida, e não que arranje forma de esconder ou tapar a

sujidade, simulando assim que cumpriu o seu dever.

3. Supervisão dos sistemas de inteligência artificial - Como podemos garantir que um

dado sistema de inteligência artificial respeita os objetivos esperados? Por exemplo: se um

sistema de inteligência artificial receber um feedback de um humano enquanto realiza a

tarefa, este tem que trabalhar em torno desse feedback e adaptar-se a ele.

4. Segurança - Como podemos garantir que um sistema de inteligência artificial não

vai realizar alguma atividade, num ato exploratório, com terríveis consequências

negativas?

5. Estabilidade nas permutas - Como podemos garantir que quando um sistema de

inteligência artificial vai reconhecer, e comportar-se de forma sistemática quando muda de

ambiente de trabalho completamente diferentes ao que está habituado?

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4. Produto/Software

Atualmente, vivemos num mundo onde existem grandes desigualdades sociais, vários

estilos de vida e maneiras diferentes de pensar acerca do mundo. Pelo planeta fora, é comum um

tipo de mentalidade das sociedades que incentive as suas crianças a desenvolver capacidades

em algumas áreas e quase que as reprime noutras. Desta forma, existem crianças mais aptas

para certos acontecimentos e situações de vida do que outras, como que se complementando

entre si.

Assim, a nossa proposta consiste num software que permite uma maior igualdade para

pessoas na realização de testes escolares. Previamente ao início das aulas seriam realizadas

provas (psicotécnicas/pessoais e de QI) permitindo a um sistema de IA compreender a situação

pessoal, o estilo de vida e a capacidade mental de cada pessoa de modo a sugerir um estilo de

ensino que melhor se adeque a cada indivíduo, criando assim uma maior igualdade de

circunstâncias entre todos os estudantes, trabalhando com os pontos fortes de cada um e

procurando ajudar a desenvolver os aspetos que estão menos desenvolvidos.

Com o desenvolvimento deste sistema, seríamos capazes de desenvolver, no aluno,

capacidades ou ensinamentos nos quais este tem possibilidade de se destacar, que ainda não lhe

tinham sido transmitidos pela sociedade envolvente, sendo possível tirar um maior proveito de

todas as capacidades, acima de tudo aquelas onde seja visível um bom desempenho por parte da

pessoa. Por exemplo, um aluno que tenha capacidades notórias na área da matemática deve ter

a oportunidade de exercer funções relacionadas com esse campo, no futuro, porque existem

grandes probabilidades de vir a ser um bom matemático, uma vez que demonstrou boas

capacidades nesse tema.

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5. Conclusão

Para ser bem sucedido, com ideias reais e plausíveis, é necessário identificar e implementar

medidas capazes de resolver o maior problema que a Inteligência Artificial enfrenta: a inevitável

falta de conhecimento acerca do mundo que os sistemas de IA vão experienciar. Apesar de

termos feito uma significativa evolução na aprendizagem acerca das decisões a tomar ainda

existe um vasto leque de outros difíceis problemas à espera de serem combatidos.

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6. Referências bibliográficas

- «artificial intelligence - definition of artificial intelligence in English | Oxford Dictionaries».

Oxford Dictionaries | English. https://en.oxforddictionaries.com/definition/artificial_intelligence.

- «artificial intelligence Meaning in the Cambridge English Dictionary».

http://dictionary.cambridge.org/dictionary/english/artificial-intelligence.

- Benioff, Marc. «À beira de uma revolução da inteligência artificial».

http://www.jornaldenegocios.pt/opiniao/economistas/detalhe/a_beira_de_uma_revolucao_da_i

nteligencia_artificial.

- McCarthy, John. «WHAT IS ARTIFICIAL INTELLIGENCE?». http://www-

formal.stanford.edu/jmc/whatisai/.

- «UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - BrianTani-Artigo-TCC.pdf».

https://projetos.inf.ufsc.br/arquivos_projetos/projeto_91/BrianTani-Artigo-TCC.pdf.

- «Challenge Problems for Artificial Intelligence». http://research.microsoft.com/en-

us/um/people/horvitz/seltext.htm.

- «The Challenge of Artificial Intelligence».

http://psy.haifa.ac.il/~ep/Lecture%20Files/AI/The%20Challenge%20of%20Artificial%20Intellige

nce.htm.

- «Forget killer robots! Droids could BORE you to death: Google outlines the five challenges

facing artificial intelligence». http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3654714/Forget-

killer-robots-Google-identifies-five-mundane-challenges-facing-artificial-intelligence-including-

annoying.html.