OHJ-2550 TEKOÄLY Kevät 2009 - TUNI · The Most Advanced Quadruped Robot on Earth BigDog is the alpha male of the Boston Dynamics family of robots. It is a quadruped robot that walks,

1

1

Ohjelmistotekniikan laitos OHJ-2550 Tekoäly, kevät 2009 11.2.2009

OHJ-2550 TEKOÄLY Kevät 2009

2


Yleistä

• 6 opintopistettä• Jatko-opintokelpoinen

• Luentojen sijaan kenties seminaariesitelmiä periodin V lopussa• Viikkoharjoitukset• Harjoitustyöt: 2 kpl

• Sisältöön mahdollista vaikuttaa nyt

• Luennoidaan viimeisen kerran suomeksi• Ensi vuonna Artificial Intelligence

2

3


Organisaatio & aikataulu

Luennot: prof. Tapio Elomaa• ti 12–14 TB214• to 12–14 TB219• 3.2.–7.5.

• perioditauko 16.–22.3.• Pääsiäisloma 9.–15.4.

Viikkoharjoitukset alkaen viikolla 8 (19.2. )• Tekn.tri. Jussi Kujala, DI Timo Aho (prof. Elomaa)• To 10 – 12, TC128

Koe ti 12. toukokuuta 2009, klo 17–20

4


Mahdolliset aihepiirit

Part I Artificial Intelligence1 Introduction2 Intelligent Agents

Part II Problem Solving3 Solving Problems by Searching4 Informed Search and Exploration5 Constraint Satisfaction Problems6 Adversarial Search

Part III Knowledge and Reasoning7 Logical Agents8 First-Order Logic9 Inference in First-Order Logic10 Knowledge Representation

Part IV Planning11 Planning12 Planning and Acting in the Real

WorldPart V Uncertain Knowledge andReasoning

13 Uncertainty14 Probabilistic Reasoning15 Probabilistic Reasoning Over Time16 Making Simple Decisions17 Making Complex Decisions

Part VI Learning18 Learning from Observations19 Knowledge in Learning20 Statistical Learning Methods21 Reinforcement Learning

Part VII Communicating, Perceiving, andActing

22 Communication23 Probabilistic Language Processing24 Perception25 Robotics

Part VIII Conclusions26 Philosophical Foundations27 AI: Present and Future

3

5


Harjoitustyöt

• Kurssilla on 2 pakollista harjoitustyötä.Kurssin suorittaminen edellyttää molempien töiden tekemistä

• Kukin työ arvostellaan asteikolla 0 – 10, lisäksi esitelmästäkorkeintaan 4 pistettä

1 on hyväksytty

1. Oppiva agentti ja selvitys sen käyttämistä tekoälytekniikoistaRyhmätyö, Palautuspäivä ?. ?.

2. Tutkielma. Vapaavalintainen aihe oppijakson aihealueelta.Ryhmätyö 2 – 3 henkeä, Palautuspäivä on myöhemminsovittava esitelmän päivämäärä- Kirjallinen raportti, 10 – 15 s.- Esitelmä 30 – 45 min

6


Arvostelu

• Kurssin arvostelussa otetaan huomioon• tentti (max 30 p.)• Pakolliset harjoitustyöt (yht. max 24 p.)

• Oppiva agentti (max 10 p.)• Kirjallinen raportti (max 10 p.)• Suullinen esitys (max 4 p.)

• Kokonaispisteiden max on 54 p.• viikottaiset laskuharjoitukset tuovat porkkanapisteitä (max 6 p.)

• Arvosana määräytyy oletettavasti seuraavasti:

54321arvosana

4844403430pisteet

4

7


Materiaali

• Kurssin oppikirja on• S. Russell, P. Norvig: Artificial Intelligence, A Modern

Approach, Second ed., Prentice Hall, 2003

• Valmista monistetta ei ole, luentokalvot pannaan verkkoonluentojen tahtiin

• http://www.cs.tut.fi/kurssit/OHJ-2550/• http://www.cs.tut.fi/~elomaa/opetus/OHJ-2550-0809.html/

• Tentti perustuu luentoihin (ei siis yksinomaan kalvoihin)

8


Luentoaikataulu

Tekoäly tänään — ”lehdistökatsaus”1. Johdanto (I, 1)

1. Taustaa2. Tekoälyn historia3. Älykkäät agentit

2. Logiikka, tietämys ja päättely (III, 2-3)3. Ongelmanratkaisu ja hakualgoritmit (II, 5-6)4. Epävarma tietämys ja päättely (V, 7-9)5. Toiminnan suunnittelu (IV, 9-10)6. Koneoppiminen (VI, 10-12)

http://www.cs.tut.fi/kurssit/OHJ-2550/

http://www.cs.tut.fi/~elomaa/opetus/OHJ-2550-0809.html/

5

9


Viikkoharjoitukset

• Viikkoharjoituksiin osallistuminen on erittäin suositeltavaa• Harjoitustehtävät verkkoon viimeistään ed. torstaina• Valmiudesta esittää taululla vastaus kysymykseen saa kustakin

merkinnän• Kussakin harjoituksissa on n. 5 tehtävää

kaikkiaan merkintöjä voi kerätä n. 5×10 = 50 kappaletta

570%

680%

460%

350%

240%

130%

LisäpisteetMerkintöjä

10


6

11


12


7

13


14


8

15


16


9

17


18


10

19


20


11

21


22


12

23


Boston Dynamics BigDog

The Most Advanced Quadruped Robot on EarthBigDog is the alpha male of the Boston Dynamics family of robots. It is a quadrupedrobot that walks, runs, and climbs on rough terrain and carries heavy loads. BigDogis powered by a gasoline engine that drives a hydraulic actuation system. BigDog'slegs are articulated like an animal’s, and have compliant elements that absorb shockand recycle energy from one step to the next. BigDog is the size of a large dog orsmall mule, measuring 1 meter long, 0.7 meters tall and 75 kg weight.

BigDog has an on-board computer that controls locomotion, servos the legs andhandles a wide variety of sensors. BigDog’s control system manages the dynamicsof its behavior to keep it balanced, steer, navigate, and regulate energetics asconditions vary. Sensors for locomotion include joint position, joint force, groundcontact, ground load, a laser gyroscope, and a stereo vision system. Other sensorsfocus on the internal state of BigDog, monitoring the hydraulic pressure, oiltemperature, engine temperature, rpm, battery charge and others.

In separate trials, BigDog runs at 4 mph, climbs slopes up to 35 degrees, walks acrossrubble, and carries a 340 lb load.

BigDog is being developed by Boston Dynamics with the goal of creating robots thathave rough-terrain mobility that can take them anywhere on Earth that people andanimals can go. The program is funded by the Defense Advanced Research ProjectAgency (DARPA).

24


1. JOHDANTO

• Tekoäly on käsitteenä laaja, korkealentoinen ja ajan myötämuuttuva

• Nykyisin ehkä enemmän filosofien ja kognitiotieteilijöiden kenttää• Tietojenkäsittelyllisesti tekoäly käsittää joukon tavoitteiltaan

rajatumpia tutkimusaloja, jotka ovat jo eriytyneet melko etäälletoisistaan

• Yhteistä eri osa-alueille on pyrkimys koneiden "älykkyyden”nostamiseen

• Toisin katsoen: ohjelmistojen käytön helpottamiseen

• Tuloksena käyttökelpoisia ohjelmistoja ja mekaanisen laskennanrajoja kartoittavaa teoriaa

13

25


Määritelmä?

• Älykkäälle koneelle ainoa tuntemamme vertailukohta olemme meitse

• Toisaalta vertailu inhimilliseen älykkyyteen rajaa pois muut(paremmat) vaihtoehdot

• Ideaalista älykkyyttä kutsutaan rationaalisuudeksi

• Toisaalta älykkyyttä voidaan tarkastella ajattelun tai toiminnannäkökulmasta

• Yhdistelminä saadaan neljä toisistaan poikkeavaa näkökulmaatekoälyyn

26


Turingin testi

• Englantilaisen matemaatikon Alan Turingin 1950 esittämä kriteerikoneen älykkyydelle on se, ettei ihminen erota konetta ihmisestäkeskustellessaan sen kanssa tekstiviestein

• Eräs inhimillisen toiminnan testi• Ns. totaalisessa Turingin testissä koneen on pystyttävä myös

havainnoimaan ja manipuloimaan fyysistä ympäristöään• Aikarajoitettuja kilpailuja järjestetään vuosittain• Parhaiten knoppitietoisia kilpailuttajia vastaan pärjäävät

huijausohjelmat• Inhimilliset asiantuntijat arvioidaan suurimmalla tn:llä koneiksi

14

27


Kognitiivinen mallintaminen

• Inhimillisen ajattelun tutkimus kuuluu psykologian jakognitiotieteen kenttään

• Myös tietysti neurofysiologia jne.• Vahva yhteys tekoälytutkimukseen, jos näkökulma on inhimillinen

ajattelu• Ajattelun/mielen algoritmiikka ja tietämysrakenteet• Allen Newell ja Herbert Simon (1961): General Problem Solver

(GPS) -päättelyaskelten ja inhimillisen päättelyn vertailu

28


Rationaalisuus

• Rationaalinen ajattelu on oleellisesti formaalin logiikan ja loogisenpäättelyn tutkimista

• (Yksinomaan) logiikkaan perustuvat menetelmät kärsivätlaskennan vaativuudesta sekä epävarman tiedon esittämisenvaikeudesta

• Rationaalisen toiminnan mallissa tarkastellaan agentteja• Agentti on toimija• Ohjelmistoagentin erottaa ohjelmasta esim. sen autonomisuus,

ympäristön havainnointikyky, adaptiivisuus, pitkä elinikä, kykyomaksua muiden tavoitteita, tjms.

15

29


• Rationaalinen agentti toimii parhaan mahdollisen lopputuloksensaavuttamiseksi havaintojensa ja tietämyksensä puitteissa

• Epävarmuuden vallitessa pyritään maksimoimaan odotusarvoa• Rationaalinen toiminta pitkällä tähtäyksellä voi edellyttää

epärationaaliselta vaikuttavaa toimintaa lyhyellä tähtäyksellä• Reaalimaailmassa täydellinen rationaalisuus ei useimmiten ole

mahdollista (ajanpuutteen takia)

30


Taustatieteitä

• Filosofia ja matematiikka• Formaali päättely, mielen ja tiedon olemukset, jne.• Päättelysäännöt, laskettavuus ja sen vaativuus, epävarma

päättely (todennäköisyyslaskenta), jne.• Taloustiede

• päätös- ja peliteoria, operaatiotutkimus, jne.• Neurotieteet• Psykologia ja kognitiotiede• Tietotekniikka• Kontrolliteoria ja kybernetiikka• Lingvistiikka

16

31


Tekoälyn historiaa

• Ensimmäiseksi tekoälyjulkaisuksivoidaan katsoa McCulloch ja Pitts (1943)

• Esitetään kuinka yksinkertaisten laskentaelementtien,neuronien, muodostamalla verkolla voidaan laskea loogisetkonnektiivit (and, or, not, jne.)

• Osoitetaan, että kaikki laskettavat funktiot voidaan laskeaneuroverkolla

• Vihjattiin verkkojen voivan oppia• Hebb (1949) antaa yksinkertaisen päivityssäännön

neuroverkkojen opettamiseen• Turing (1950) esittelee testinsä, koneoppimisen, geneettiset

algoritmit ja palauteoppimisen• 1956 John McCarthy järjesti aihealueesta kiinnostuneiden

tutkijoiden tapaamisen, missä tutkimusalue sai nykyisen nimensä

32


Historiaa (2/4)

• Heti alusta lähtien keskeisiä yliopistoja olivat nykyisinkintekoälytutkimuksen huipulla olevat CMU, MIT ja Stanford

• McCarthy (1958) Lisp-ohjelmointikieli• 1950- ja 1960-luvuilla saavutettiin huomattavia edistysaskelia

mikromaailmoissa (esim. palikkamaailma) tapahtuvassatoiminnassa Robotiikkakin eteni: esim. SRI:n Shakey (1969)

• Samoin neuroverkkotutkimus (Widrow & Hoff, Rosenblattinperceptron)

• Vähitellen kuitenkin kävi selväksi, että mikromaailmojenmenestys ei sellaisenaan skaalaudu ylöspäin.

• Se oli saavutettu ilman syvempää ymmärtämystäkohdeongelmasta ja laskentaintensiivisin menetelmin

17

33


Historiaa (3/4)

• Neuroverkkotutkimuksen tietojenkäsittelystä tappoi ylivuosikymmeneksi Minskyn ja Papertin todistus perceptroninheikosta esitysvoimasta (xor-funktio)

• 1970-luvulla kehitettiin asiantuntijajärjestelmiä, joihin kerättiinyhden sovellusalueen syvää tietämystä

• Asiantuntijajärjestelmillä saavutettiin monilla aloillaihmisasiantuntijoita parempi suorituskyky ja niistä tulitekoälytutkimuksen ensimmäinen kaupallinen menestystarina

• Asiantuntijajärjestelmien kehittäminen osoittautui kuitenkinvaativaksi käsityöksi

• Logiikkaohjelmointi eli kirkkaimman kukoistuksensa 1980-luvunpuolessa välissä

• Neuroverkkotutkimus nousi taas tutkimusalaksitietojenkäsittelyssä 1980-luvun puolivälistä lähtien

34


Historiaa (4/4)

• Myös koneoppimistutkimuksen nousukausi ajoittuu 1980-luvulle• Samaten Bayes-verkkojen tutkimus lähti liikkeelle tuolloin

• Ehkä toinen merkittävä kaupallinen sovellus Microsoftinvahvan näkyvyyden takia

• Sittemmin samoja asioita on tutkittu myös tietämyksenmuodostamisen nimikkeellä

• Agenttiteknologia on nouseva trendi monella tietojenkäsittelynalueella

• Viimeaikainen kehitys on ollut myös suuntautuminenanalyyttiseen tutkimukseen ad hoc tekniikkojen sijaan

• Koneoppimisen teoreettiset mallit• Toiminnan suunnittelun uudet menetelmät• Peliteorian uusi kukoistus

Documents

OHJ-2550 TEKOÄLY Kevät 2009 - TUNI · The Most Advanced Quadruped Robot on Earth BigDog is the alpha male of the Boston Dynamics family of robots. It is a quadruped robot that walks,