Der intelligente Hamster

Transkript

1 Der intelligente Hamster + Johannes Arz 1/17

2 Gliederung 1. Motivation 2. Modellbildung 3. Das Hamster-Modell 4. Grundlagen der Künstlichen Intelligenz 5. Das Problem der Wasserkrüge 6. Das Labyrinth und der faule Hamster 7. Das Labyrinth und der bewegte Hamster 8. Die Wumpus-Welt 9. Resümee 2/17

3 1. Motivation (aus einem Prolog-Programm über Frames) Slot ako erzeugt in Frame computer Aspekt value erzeugt in Frame computer und Slot ako Frame elektrischesgeraet erzeugt Slot stromversorgung erzeugt in Frame elektrischesgeraet Aspekt if_needed erzeugt in Frame elektrischesgeraet und Slot stromversorgung Aspekt unit erzeugt in Frame elektrischesgeraet und Slot stromversorgung Slot groesse erzeugt in Frame elektrischesgeraet Aspekt alt_value erzeugt in Frame elektrischesgeraet und Slot groesse % frame compiled 0.03 sec, 420 bytes true. 2?- calc(computer,stromversorgung). DAEMON: Gib einen Wert fuer stromversorgung im Frame elektrischesgeraet : 220. Wert(proc) = 220 Volt true. 3?- 3/17

4 2. Modellbildung Konventionelle Informationsverarbeitung Automatisierung monotoner, klar strukturierter und wohl definierter Informationsverarbeitungsprozesse Verarbeitungsabläufe aus nicht-automatisierten Informationsverarbeitungsprozessen Modelle sind aus der realen Welt beobachtbar Simplifikation Künstliche Intelligenz (KI): Adaption kognitiver Prozesse im menschlichen Gehirn; nicht direkt beobachtbar Struktur des menschlichen Gehirns, menschliche Denkprozesse nicht erklärt Modelle des menschlichen Gehirns und der erkenntnistheoretischen Prozesse in Algorithmen und Verfahren implementieren Modell nicht die Vereinfachung beobachtbarer Prozesse, sondern in Phantasiewelt Extreme Simplifikation In der KI-Ausbildung bildet sich in diesem Zusammenhang eine besondere Schwierigkeit aus. Wie kann man menschliche Denkprozesse visualisieren, um sie Studierenden zu erläutern und verständlich zu machen? 4/17

5 3. Das Hamster-Modell Die Hamster-Simulation (Hamster-Java-Modell) ist eine Programmierumgebung, um Programmieranfängern das algorithmische Denken und das Erlernen grundlegender Programmierkonzepte zu erleichtern. Der Hamster bewegt sich in einer Matrix, deren Elemente Mauern, Körner und er selbst sind. Er kann Körner in seinem Maul sammeln und wieder ausspucken. Er kann sich in alle Richtungen bewegen und nur durch eine Mauer gestoppt werden. 5/17

6 Elementare Hamster-Befehle: vor() linksum() nimm() gib() und als Boole sche Funktionen vornefrei() maulleer() kornda() Die Hamster-Sprache (in der Syntax von Java) bedingte Anweisungen, Schleifen, Zuweisungen Funktionen elementarste Datentypen Prolog-Schnittstelle 6/17

7 4. Grundlagen der Künstlichen Intelligenz Problemdefinition: Definition eines Zustandsraums, der alle möglichen Konfigurationen der relevanten Objekte enthält. Festlegung von einem oder mehreren Zustände innerhalb des Raums, von denen aus der Problemlösungsprozess beginnen kann (Anfangszustände). Festlegung von einem oder mehreren Zuständen, die als Problemlösung akzeptabel wären (Zielzustände). Angabe einer Menge von Regeln, die die verfügbaren Tätigkeiten (Operatoren) beschreiben. Die Regeln sollen einen Zustand des Raums in einen anderen überführen. Viele einfache Spielprobleme: Bauer, Wolf, Ziege und Kohlkopf, Die Wasserkrüge Missionare und Kannibalen. Das Acht-Damen-Problem ; prinzipiell auch: Verhinderung einer Kernschmelze in einem Atomkraftwerk 7/17

8 Allgemeinheuristiken Beschreibung eines Problems Suchgraph Anzahl der Knoten extrem groß ist (z.b. Schachspiel 20 KI-Verfahren und Techniken: 100 Zustände.) - Tiefensuche (aus der Graphentheorie bekannt, kein KI-Verfahren) - Erzeugen und Prüfen (Erzeuge irgendeinen Weg/Zustand, prüfe dann, ob ein Zielzustand erreicht ist. Wiederhole dies bis Lösung gefunden wurde. - Blinde Suche, Bergsteigen (Setzt eine Bewertungsfunktion für Zustände voraus. In jedem Zustand wähle den erfolgversprechendsten Weg, den Weg mit der höchsten Bewertung.) - Bestensuche (mit Bewertungsfunktion. Von allen bekannten Endknoten während der Suche im Suchbaum wähle den erfolgversprechendsten Zustand, den mit der höchsten Bewertung als Fortsetzung.) 8/17

9 Implementierungen in Prolog % solve_dfs(+state, +History, -Moves) solve_dfs(state, History, [ ] ) :- final_state(state). solve_dfs(state, History, [Move Moves]) :- move(state, Move), update(state, Move, State1), legal(state1), not(member(state1, History)), solve_dfs(state1, [State1 History], Moves). % dfs(+problem, -Moves) dfs(problem, Moves) :- initial_state(problem, State), solve_dfs(state, [State], Moves). 9/17

10 5. Das Problem der Wasserkrüge - Zwei Krüge mit Fassungsvermögen 5 und 8 Liter (ohne Messmarkierungen) - Es gibt einen Brunnen mit beliebig viel Wasser. - Operationen: Füllen, Leeren und Umfüllen - Wie kann man einen Krug mit genau 4 Liter füllen? Entwicklungsumgebung Java-Konsole (Start Entwicklungsumgebung) Editor mit dem Hauptprogramm, Simulationsfenster mit der Hamster-Welt Prolog-Konsole (Programmsteuerung) 10/17

11 initial_state(jugs,jugs(0,0)). final_state(jugs(4,v2)). final_state(jugs(v1,4)). move(jugs(v1,v2), fill(1)). move(jugs(v1,v2), fill(2)). move(jugs(v1,v2), empty(1)) :- V1 > 0. move(jugs(v1,v2), empty(2)) :- V2 > 0. move(jugs(v1,v2), transfer(2,1)). move(jugs(v1,v2), transfer(1,2)). update(jugs(v1,v2), empty(1), jugs(0,v2)). update(jugs(v1,v2), empty(2), jugs(v1,0)). update(jugs(v1,v2), fill(1), jugs(c1,v2)) :- capacity(1,c1). update(jugs(v1,v2), fill(2), jugs(v1,c2)) :- capacity(2,c2). update(jugs(v1,v2), transfer(2,1), jugs(w1, W2)) :- update(jugs(v1,v2), transfer(1,2), jugs(w1, W2)) :- legal(jugs(v1,v2)). value(jugs(v1,v2), Value) :- Value is V1 + V2. capacity(1,8). capacity(2,5). 11/17

12 6. Das Labyrinth und der faule Hamster - Präsentation der Verfahren im Labyrinth - Bewertung der Zustände (=Felder) gleich Anzahl der Körner - Zielzustand ist Feld mit den vielen Körnern - Beim Hill Climbing denkt der Hamster kurz nach und stellt fest, dass er so nicht ans Ziel kommt (Ausgabe: false). Der Hamster sucht gemäß Verfahren einen Weg zum Ziel ohne sich zu bewegen. An der ersten (und einzigen) Abzweigung hat der Hamster die Wahl zwischen einem Feld mit einem Korn oder dem Feld mit drei Körnern. Er wählt den Weg geradeaus und gerät in eine Sackgasse. 12/17

13 7. Das Labyrinth und der bewegte" Hamster In dieser Variante denkt der Hamster laut nach. Die Abbildung links zeigt die Startposition. Als Verfahren ist hier die Bestensuche gewählt. In der Abbildung rechts gerät der Hamster in eine Sackgasse, erinnert sich aber an die letzte Abzweigung und nimmt das den richtigen Weg zum Ziel. Der Hamster im Labyrinth, Startzustand Der Hamster im Labyrinth, Sackgasse 13/17

14 8. Die Wumpus-Welt Das Zusammenspiel aller beim Menschen bekannten intellektuellen Fähigkeiten, die auf Rechnern abgebildet werden können, wird in den neueren Lehrbüchern am Beispiel des intelligenten Agenten demonstriert und gelehrt. Neudefinition der KI als die Betrachtung von Agenten, die Wahrnehmungen aus der Umwelt erhalten und Aktionen ausführen. Jeder dieser Agenten implementiert eine Funktion, die Wahrnehmungsfolgen auf Aktionen abbildet, und wir beschreiben unterschiedliche Möglichkeiten, diese Funktionen darzustellen, wie z.b. Produktionssysteme, reaktive Agenten, Echtzeitplaner, neuronale Netzwerke und entscheidungstheoretische Systeme. [Zitat] 14/17

15 Die Wumpus-Welt Käfig mit Räumen, miteinander verbunden Bestie Wumpus frisst jeden im Raum Agenten mit einem einzigen Pfeil Falltüren Gold Sensoren o Gestank (Stench) o Luftzugg (Breeze) o Glitzern (Glitter) o Stoß (Dump) o Schrei (Scream) 15/17

16 In einer Hamster-Implementierung Repräsentation der Zustände eines Feldes durch Körner. Hier binäre Kodierung der Zustände an, z.b. Zustand Leeres Feld, keine Beobachtung 0 Luftzug (Breeze) 1 Gestank (Stench) 2 Gold (Glitter) 4 Falltür (PIT) 8 Wumpus 16 (12) Repräsentation ist nicht adäquat Auch eine andere Kodierung der Zustände nicht adäquat. Reduktion auf einen Spezialfall des Labyrinth-Problems 16/17

17 9. Resümee Aufsplittung in zwei Forschungshalbsemester positiv Neue WP-Veranstaltung (Grundlagen der Künstlichen Intelligenz mit Praktikum) geplant Bericht auf meiner Homepage Prolog-Programme als Quelldateien (per ) 17/17