1
|
|
2
|
- Ορισμός Τεχνητής Νοημοσύνης
- Με τον όρο αυτόν εννοείται η προσπάθεια ενσωμάτωσης και προσομοίωσης σε
ένα υπολογιστικό σύστημα των βασικών χαρακτηριστικών της ανθρώπινης
σκέψης για να επιλυθούν πρακτικά προβλήματα.
- Είδη Τεχνητής Νοημοσύνης
- Λογική της Ασάφειας (Fuzzy Logic)
- Νευρωνικά Δίκτυα (Neural Networks)
- Έμπειρα Συστήματα (Expert Systems)
- Γενετικοί Αλγόριθμοι (Genetic Algorithms)
- Νευρωνικά Δίκτυα
- Ένα νευρωνικό δίκτυο αποτελεί προσομοίωση του βιολογικού εγκεφάλου με
στόχο να μαθαίνει να αναγνωρίζει μαθηματικά πρότυπα σε συγκεκριμένα
δεδομένα.
|
3
|
- Η απουσία νοημοσύνης από την ανάλυση χώρου προκαλεί μια σειρά από
προβλήματα, όπως:
- Επιβάλλει τεχνητή ακρίβεια σε ουσιαστικά ανακριβείς πληροφορίες, χωρικά
φαινόμενα και διαδικασίες.
- Αποτυγχάνει να γνωστοποιήσει στους χρήστες το μέγεθος της ανακρίβειας
και του σφάλματος.
- Είναι ακατάλληλη να μοντελοποιήσει την ανθρώπινη αντίληψη και το
συλλογισμό που εμπεριέχουν αβεβαιότητα.
- Είναι ασύμβατη με τις φυσικές γλώσσες, που είναι από τη φύση τους
ανακριβείς
|
4
|
- H χρήση μεθόδων υπολογιστικής νοημοσύνης μπορεί να εφαρμοστεί σε
προβλήματα όπου:
- Η συσχέτιση των μεταβλητών δεν προσδιορίζεται με ευκολία.
- Η αναζήτηση του σχήματος και του μεγέθους της τελικής λύσης είναι
σημαντικό μέρος του προβλήματος.
- Οι καθιερωμένες μαθηματικές αναλύσεις δεν μπορούν να δώσουν αναλυτικές
λύσεις.
- Διατίθενται μεγάλες ποσότητες πληροφοριών και απαιτείται έλεγχος
ταξινόμησης και ολοκλήρωσης.
- Υπάρχει ανάγκη βελτιστοποίησης πολύπλοκων συστημάτων.
- Υπάρχουν έννοιες που πρέπει να προσεγγίζουν την πραγματική ζωή, όπως: η
εκμάθηση μηχανών για ταξινόμηση, οι διαδικασίες πρόβλεψης, η εξαγωγή
δεδομένων κ.λπ.
|
5
|
- Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα χωρίζονται σε:
- Δυναμικά, στα οποία τα διανύσματα εξόδου περιγράφονται από πολύπλοκες
εξισώσεις διαφορών ή και διαφορικές εξισώσεις.
- Στατικά, στα οποία η έξοδος κάθε νευρώνα αποτελεί μια συγκεκριμένη,
σχετικά απλή συνάρτηση μόνο του διανύσματος εισόδου του.
- Τα στατικά νευρωνικά δίκτυα υλοποιούν συναρτήσεις της μορφής y=f(x),
όπου το y λαμβάνει τιμές στο διάστημα [0,1] και x είναι ένας πραγματικός
αριθμός. Το χαρακτηριστικό των χώρων x και y είναι ότι είναι
πολυδιάστατοι, αλλά βέβαια με διαφορετικές διαστάσεις.
|
6
|
- Ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο αποτελείται από:
- Ένα σύνολο κόμβων ή τεχνητών νευρώνων (neurons),
- Τα οποία είναι οργανωμένα σε επάλληλα επίπεδα (layers),
- Ενώ κάθε νευρώνας ενώνεται με όλους τους άλλους μέσω των συνάψεων
(synapses).
- Ένα νευρωνικό δίκτυο αποτελείται από:
- Ένα επίπεδο εισόδου (input layer), στο οποίο εισάγεται το εκπαιδευτικό
διάνυσμα εισόδου ή το διάνυσμα ελέγχου,
- Ένα ή περισσότερα κρυφά επίπεδα (hidden layers), όπου τα στοιχεία
εισόδου υφίστανται επεξεργασία με διάφορους μαθηματικούς τρόπους
- Ένα επίπεδο εξόδου (output layer), με κάποια υπολογιστική ικανότητα, το
οποίο περιέχει τα τελικά αποτελέσματα που μεταφέρονται στον έξω κόσμο
|
7
|
|
8
|
- Κάθε νευρώνας δέχεται μια σειρά τιμών εισόδου και αποδίδει μια τιμή
εξόδου.
- Οι νευρώνες του πρώτου κρυφού επιπέδου λαμβάνουν ως τιμές εισόδου τις
τιμές των νευρώνων του επιπέδου εισόδου με το οποίο είναι συνδεδεμένοι
μέσω των συνάψεων.
- Όλα τα υπόλοιπα κρυφά επίπεδα λαμβάνουν ως τιμές εισόδου, τις τιμές
εξόδου των νευρώνων των κρυφών επιπέδων με τα οποία είναι συνδεδεμένα.
|
9
|
- Η σύνδεση των νευρώνων υλοποιείται με «βάρη»:
- Σε κάθε νευρώνα οι τιμές εισόδου πολλαπλασιάζονται με μια τυχαία τιμή
που αποκαλείται βάρος.
- Στο αποτέλεσμα αυτό προστίθεται ένα άλλο βάρος, το πολωμένο, το οποίο
αρχικά λαμβάνει τιμή 1.
- Το άθροισμα αυτό διοχετεύεται σε μια συνάρτηση που ονομάζεται συνάρτηση
μεταφοράς (transfer function) και οδηγεί στην κανονικοποίησή του.
- Το τελικό αποτέλεσμα αποστέλλεται μέσω των συνάψεων σε άλλους νευρώνες.
- Οι τιμές των βαρών διαφοροποιούνται σε κάθε κύκλο λειτουργίας του
νευρωνικού δικτύου με τη βοήθεια των αλγόριθμων εκπαίδευσης, ώστε να
υλοποιηθεί η επιθυμητή μετατροπή των διανυσμάτων εισόδου σε διανύσματα
εξόδου.
|
10
|
|
11
|
- Σταθμίζουν την έξοδο του
νευρώνα.
- Τοποθετούνται πάνω στις συνάψεις.
- Αποτελούν τη μνήμη του νευρωνικού δικτύου.
- Εκφράζουν το βαθμό που ένα στοιχείο εισόδου επηρεάζει την τελική
διαμόρφωση του αποτελέσματος.
- Οι τιμές που λαμβάνουν τα βάρη κυμαίνονται είτε από 0 ως 1 είτε από -1
ως 1.
- Όσο πιο μεγάλη είναι η τιμή του βάρους τόσο περισσότερο το συγκεκριμένο
στοιχείο εισόδου επηρεάζει το αποτέλεσμα.
|
12
|
- Τρεις είναι οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες συναρτήσεις:
- Η σκληρού-ορίου (hard line): περιορίζει την τιμή εξόδου του νευρώνα
σε 0, εάν αυτή λάβει τιμή μικρότερη από 0, και σε 1, εάν η τιμή
εξόδου είναι μεγαλύτερη ή ίση με 0 (η συνάρτηση αυτή χρησιμοποιείται
συνήθως σε διαδικασίες ταξινόμησης).
- Η γραμμική (linear):
χρησιμοποιεί γραμμικά φίλτρα για την κανονικοποίηση των δεδομένων
εισόδου (χρησιμοποιείται συνήθως
σε γραμμικά προβλήματα).
- Η σιγμοειδής: περιορίζει τις τιμές εισόδου μεταξύ των τιμών 0 και 1
(χρησιμοποιείται όταν αλγόριθμος εκμάθησης είναι ο αλγόριθμος
οπισθόδρομης διάδοσης σφάλματος).
|
13
|
- Oι πιο γνωστές μέθοδοι εκπαίδευσης είναι:
- Ο αλγόριθμος δέλτα (delta rule) και
- Ο αλγόριθμος οπισθόδρομης διάδοσης σφάλματος.
- Η διαφορά τους έγκειται:
- Στις μαθηματικές εξισώσεις στις οποίες βασίζονται.
- Στον τρόπο με τον οποίο επιδρούν στα επίπεδα του δικτύου.
- Στους αλγόριθμους αυτούς προσδιορίζονται παράμετροι όπως:
- Το βήμα εκπαίδευσης καθορίζει το μέγεθος της αλλαγής της τιμής του
βάρους σε κάθε βήμα και παίρνει τιμές από 0 έως 2.
- Ο παράγοντας ορμής (momentum), ο οποίος πολλαπλασιάζεται με το βάρος
του προηγούμενου επιπέδου και στη συνέχεια προστίθεται στο βάρος του
επιπέδου που εκπαιδεύει.
|
14
|
- Η διαδικασία δημιουργίας ενός τεχνητού νευρωνικού δικτύου που αποτελεί
το σχεδιασμό της αρχιτεκτονικής του, απαιτεί τον προσδιορισμό μιας
σειράς παραμέτρων, όπως:
- Ο αριθμός των κρυφών επιπέδων
- Ο αριθμός των νευρώνων ανά επίπεδο
- Ο κανόνας μάθησης
- Ο αλγόριθμος εκπαίδευσης
- Ο ρυθμός εκπαίδευσης
- Οι κύκλοι λειτουργίας του δικτύου
- Οι συναρτήσεις μεταφοράς
- Η γενική κατηγορία (στατική ή δυναμική) στην οποία ανήκει.
|
15
|
- Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες αρχιτεκτονικής:
- H εμπροσθοδιάδοση: όπου η μεταβολή των τιμών των νευρώνων συντελείται
στην κατεύθυνση, από το επίπεδο εισόδου προς το επίπεδο εξόδου
(χρησιμοποιείται κυρίως σε προβλήματα ομαδοποίησης).
- H οπισθοδιάδοση: όπου η μεταβολή των τιμών των νευρώνων λειτουργεί και
προς τις δύο κατευθύνσεις, από το επίπεδο εισόδου στο επίπεδο εξόδου
και αντίστροφα (χρησιμοποιείται κυρίως σε πολύπλοκα προβλήματα
προβλέψεων).
|
16
|
- Ο κανόνας μάθησης διαφέρει απ’ τον αλγόριθμο εκπαίδευσης:
- Ο πρώτος καθορίζει την αρχιτεκτονική του τεχνητού νευρωνικού δικτύου.
- Ο δεύτερος εφαρμόζεται σε κάθε νευρώνα.
- Δύο είναι οι βασικοί κανόνες μάθησης:
- Ο Επιβλεπόμενος κανόνας (supervised rule).
- Ο Μη Επιβλεπόμενος κανόνας (unsupervised rule).
|
17
|
- Το τεχνητό νευρωνικό δίκτυο τροφοδοτείται τόσο με διανύσματα εισόδου όσο
και με διανύσματα εξόδου.
- Το δίκτυο υπολογίζει ένα προσωρινό αποτέλεσμα εξόδου, το συγκρίνει με το
επιθυμητό και υπολογίζει, μέσω μιας συνάρτησης λάθους, το λάθος.
- Το λάθος στέλνει σήμα στους αρχικούς νευρώνες και αυτοί με τη σειρά τους
στους υπόλοιπους για τροποποίηση των βαρών, ώστε τα νέα τροποποιημένα
βάρη να ελαττώσουν το σφάλμα.
- Αν το σφάλμα δεν ελαττωθεί κάτω από ένα ορισμένο επίπεδο (κατώφλι),
τότε τροποποιούνται εκ νέου τα
βάρη.
|
18
|
- Οι παράγοντες που καθορίζουν τη διαφοροποίηση των βαρών είναι:
- Οι αρχικές τιμές των βαρών
- Τα διανύσματα εισόδου
- Τα διανύσματα εξόδου
- Οι επιθυμητές τιμές
|
19
|
- Το δίκτυο καλείται να ανακαλύψει
κριτήρια ταξινόμησης για τα στοιχεία εισόδου χωρίς την ύπαρξη
διανύσματος εξόδου.
- Το τεχνητό νευρωνικό δίκτυο αναζητά κοινά χαρακτηριστικά μεταξύ των
στοιχείων εισόδου (ταξινόμηση σε κατηγορίες ανάλογα με τη σχετική
ομοιότητά τους) και διαμορφώνει ανάλογα τη δομή των βαρών.
- Ένας αλγόριθμος, χωρίς επίβλεψη, πραγματοποιεί ψευδοτυχαίες αλλαγές στις
τιμές των βαρών και διατηρεί μόνον αυτές που βελτιστοποιούν τη συνάρτηση
λάθους.
|
20
|
- Η εκπαίδευση κάποιου τεχνητού νευρωνικού δικτύου ισοδυναμεί με την
ενδυνάμωση ή αποδυνάμωση των τιμών των βαρών, σύμφωνα με τους κανόνες
που ορίζει ο αλγόριθμος εκπαίδευσης, μέχρι αυτά να λάβουν τις κατάλληλες
τιμές.
|
21
|
- Μέσα από μια σειρά επαναλήψεων, ελέγχονται τα δεδομένα εισόδου, με
γνωστά δεδομένα εξόδου, και υπολογίζεται το μέσο τετραγωνικό σφάλμα της
υπολογισμένης τιμής από την πραγματική.
- Οι νευρώνες σε κάθε κύκλο μεταβάλλουν τα βάρη που αποδίδουν στα στοιχεία
εισόδου, ρυθμίζοντας έτσι τη μνήμη τους, ώστε να ελαχιστοποιηθεί το
σφάλμα αναμενόμενης και υπολογισμένης τιμής στο επίπεδο εξόδου.
- Η διαδικασία τερματίζεται, όταν το σφάλμα λάβει τιμή κάτω από μια
συγκεκριμένη τιμή (κατώφλι).
|
22
|
- Σε αντίθετη περίπτωση η διαδικασία επαναλαμβάνεται, διαφοροποιώντας μία
ή περισσότερες από τις παραμέτρους, όπως:
- Μείωση του αριθμού των νευρώνων ή αύξησή τους, ανάλογα με την αρχιτεκτονική του δικτύου.
- Διαφοροποίηση της κανονικοποίησης των δεδομένων εισόδου. Για
παράδειγμα, η κανονικοποίηση στο
διάστημα [0,1 έως 0,9] ίσως είναι καλύτερο απ’ το διάστημα [0 έως
1], εάν εφαρμόζεται η σιγμοειδής
συνάρτηση.
- Αύξηση του αριθμού των κρυφών επιπέδων.
|
23
|
- Μείωση του αριθμού των μεταβλητών, αφού λιγότερες μεταβλητές πιθανότατα
είναι πιο αποδοτικές στο δίκτυο. Συνήθως μεγάλο πλήθος μεταβλητών δεν
εγγυάται βέλτιστο αποτέλεσμα. Γενικά, η σωστή επιλογή του αριθμού των
μεταβλητών επηρεάζει άμεσα την αξιοπιστία του νευρωνικού δικτύου.
- Κωδικοποίηση των μεταβλητών.
- Επέκταση της διαδικασίας της εκπαίδευσης. Ενδέχεται το νευρωνικό δίκτυο
να έχει «κολλήσει» σε μια συγκεκριμένη ομάδα βαρών, οπότε να απαιτείται
μια καινούρια σειρά τυχαίων βαρών.
|
24
|
- Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα θεωρούνται τεχνολογία «μαύρου κουτιού», αφού
δεν είναι σαφώς ορισμένα:
- Πώς μεταβάλλονται οι τιμές των βαρών.
- Ποιοι νευρώνες είναι ανενεργοί.
- Πώς επηρεάζονται οι συναρτήσεις μεταφοράς.
- Πώς το διάνυσμα εξόδου τροποποιεί τον αριθμό των κρυφών επιπέδων.
|
25
|
- Η χρήση ενός γενετικού αλγόριθμου για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας
επιλογής των παραμέτρων της αρχιτεκτονικής ενός τεχνητού νευρωνικού
δικτύου πλεονεκτεί έναντι της μεθοδολογίας δοκιμής και ελέγχου γιατί:
- Αυτοματοποιεί την όλη διαδικασία, κερδίζοντας συνεπώς χρόνο.
- Αναζητά λύσεις σε πολύ μεγαλύτερο χώρο, αφού μπορεί να δημιουργήσει
χιλιάδες τεχνητά νευρωνικά δίκτυα.
- Αποκλείει από τη διαδικασία προκατειλημμένες επιλογές, αφού αποφεύγεται
η συμμετοχή του ερευνητή που αναπόφευκτα επηρεάζεται από την προσωπική
του εμπειρία.
- Εγγυάται σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό την εκμάθηση του νευρωνικού δικτύου.
|
26
|
- Με την ολοκλήρωση της εκπαίδευσής τους, τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα
έχουν τη δυνατότητα να:
- Ανιχνεύουν σχέσεις μεταξύ θεωρητικά ανεξάρτητων στοιχείων που δεν είναι
γνωστός ο συσχετισμός τους.
- Παρεμβαίνουν σε στοιχεία τα οποία έχουν έντονο θόρυβο (noise).
- Αντικαθιστούν παραδοσιακά πολυμεταβλητά μοντέλα ταξινόμησης, που
αποτελούν και την κύρια περιοχή ενδιαφέροντος στην ανάλυση χώρου.
|
27
|
- Προσφέρει τεχνικές και μεθόδους που διαφοροποιούνται από τα παραδοσιακά
μαθηματικά και στατιστικά μοντέλα.
- Παρέχει εργαλεία που μπορούν να εφαρμοστούν στο σύνολο των γεωγραφικών
προβλημάτων, με ιδιαίτερη έμφαση σε αυτά που οι παραδοσιακές
προσεγγίσεις δεν αντιμετώπιζαν με επιτυχία.
- Δίνει έμφαση στις έννοιες και τις θεωρίες που στηρίζονται στην
ενσωμάτωση της νοημοσύνης στις χωρικές λειτουργίες.
- Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα εξελίσσονται ως ένα σημαντικό εργαλείο για
την κατασκευή αλγόριθμων ανάλυσης χώρου.
|
28
|
- Προσφέρει μεγάλη επεξεργαστική δύναμη σε σχετικά μικρό κόστος.
- Είναι ανεκτή στην ανακρίβεια και την αβεβαιότητα.
- Προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία.
- Είναι λιγότερο περίπλοκη από στατιστικής φύσεως.
- Παρέχει περισσότερες δυνατότητες για πιο ορθές διαδικασίες λήψης
αποφάσεων.
- Αποδίδει αποτελέσματα που προσεγγίζουν την πραγματικότητα.
|
29
|
- Αποτελεί βάση για την επεξεργασία μεγάλου όγκου χωρικής πληροφορίας.
- Δεν απαιτεί γνώση για τις σχέσεις μεταξύ των δεδομένων ούτε προηγούμενη
επεξεργασία τους.
- Προσφέρει μεγάλη ευκινησία στις μαθηματικές συναρτήσεις που
χρησιμοποιούνται.
- Διευκολύνει τον άνετο χειρισμό δεδομένων με θόρυβο καθώς επίσης και
δεδομένων με χαοτικές και μη γραμμικές εργασίες.
|
30
|
- Αποτελεί τεχνολογία μαύρου κουτιού.
- Είναι τεχνολογία που καθοδηγείται από τα δεδομένα.
- Είναι δύσκολο να επιλεγεί το καταλληλότερο.
- Υπάρχουν ανεπίλυτα θέματα στις εφαρμογές τους, όπως για παράδειγμα το
θέμα του κατάλληλου αριθμού νευρώνων ανά επίπεδο.
- Το επίπεδο κατανόησης της διαδικασίας με την οποία ιδρύονται τα τεχνητά
νευρωνικά δίκτυα, είναι φτωχό
και επομένως είναι δύσκολο να εξαχθούν συμπεράσματα.
|
31
|
|