el uso de los sistemas expertos para el mejoramiento de

Academia de Ciencias Administrativas, A.C.
Congreso Anual Internacional 5 al 7 de mayo, 2004
El Uso De Los Sistemas Expertos Para El Mejoramiento De La Calidad
Hiram Ruiz Esparza González
Universidad Nacional Autónoma de México
[email protected]
En la actualidad existe una gran cantidad de Sistemas Expertos,
que se quedan en prototipos. Examinado los principios de
funcionamiento de estos sistemas, podemos darnos cuenta de todo
el camino que falta por recorrer para obtener sistemas eficientes y
eficaces. Se han examinado diversos modos de representación y
tratamiento de datos, que más allá de la formación del intelecto,
nos ayudan a prepararnos para enfrentarnos con los sistemas
informáticos de los años venideros, donde el trabajo importante
será definir correctamente los datos del problema, es decir,
formalizar el conocimiento.
¿ QUE ES UN SISTEMA EXPERTO ?
Sistema de computadora o programa que realiza un conjunto de actividades de
habilidad que normalmente serian hechos por un humano experto. El conocimiento
de un sistema experto es generalmente limitado a un área de especialización la
intención de un sistema experto no es remplazar al humano experto sino ayudarlo
a asistirlo.
PARTES QUE COMPONEN UN SISTEMA EXPERTO.
1. CLASIFICACION DEL CONOCIMIENTO. Una vez elegido el campo de
aplicación especifico, se debe jerarquizar el conocimiento estructurar sus
reglas de aplicación, clasificar la reglas de datos y definir la población de
usuarios que atenderá, en base a ello se diseña la siguiente etapa
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2. INTERFACE DEL USUARIO. Dado que el sistema esta basado en un
programa computacional y en forma general los usuarios a su vez no se
presuponen
que
sean
aptos
en
el
manejo
de
la
herramientas
computacionales esta interfaz los guiara de una manera clara a la obtención
de los conocimientos, datos o ayudas que le hizo consultar el sistema
experto. Brindándole la oportunidad de interactuar con el sistema y a pesar
de maneras titubeantes posible propiciar el conocimiento.
3. INTERFACE DE EXPERTOS. El área de aplicación tendrá un soporte
externo y una base de conocimientos y datos expandidle y actualizada por
lo que esta interfaz controla este proceso con seguridad.
4. MOTOR DE INFERENCIA. Parte del programa encargado de interactuar
con el usuario dentro de los limites de la base de conocimientos
proporcionar las acciones, la información o la ayuda que en cada momento
se solicite. También determina las banderas de advertencia, sugerencias,
explicaciones o conexiones necesarias para mantener el funcionamiento del
sistema.
5. BASE DE CONOCIMIENTOS. Se estructura de manera algorítmica
(computacionalmente hablando) el conocimiento del área escogida.
6. BASE DE DATOS. Se tendrán los archivos multimedia necesarios para
llevar a cabo la presentación del sistema experto.
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Introducción
Los sistemas expertos abarcan muchas disciplinas; en particular, una de las raíces
principales es el área del procesamiento de la información humana, llamada
ciencia cognitiva. La cognición es el estudio de la manera en que los humanos
procesan la información. En otras palabras la cognición es el estudio de la manera
en que piensa la gente, especialmente cuando resuelve problemas.
El estudio de la cognición es muy importante si se pretende lograr que las
computadoras emulen a los especialistas humanos. A menudo, ellos no pueden
explicar cómo resuelven problemas (simplemente las soluciones les llegan). Si el
especialista no puede explicar cómo se soluciona un problema, no es posible
codificar el conocimiento en un sistema experto basado en el conocimiento
explícito. En este caso, la única posibilidad son los programas que aprenden por sí
mismos a emular al especialista.
El uso de ellos ha sido restringido, pero es de gran importancia y desarrollo ya que
representa un cambio de paradigma, muchas personas no logran aceptar que las
computadoras pueden ayudar a la toma de decisiones de una forma mas realista y
sin perjuicios, que muchas veces el ser humano lo hace sin darse cuenta. Esta
herramienta si es utilizada de una forma correcta, logra ayudar a cambios
drásticos en la forma de pensar de una situación.
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Hace cerca de diez años en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) iniciaron
los primeros estudios para la aplicación de herramientas de inteligencia artificial
(IA) en la resolución de problemas del sector eléctrico mexicano. En aquel
entonces se desarrollaron los primeros sistemas expertos especializados del país
para el diseño de transformadores de potencia. Hoy día se realizan diversos
proyectos multidisciplinarios encaminados a la optimación de los procesos para la
generación de energía eléctrica.
En 1989 se desarrolló el EXEB, sistema experto en barnices aislantes, encargado
al Instituto por el Grupo Condumex para la planta de barnices de su Planta
Magneto.
La base de conocimientos del sistema estuvo compuesta por cerca de 500 reglas;
manejaba conocimiento sobre diagnóstico y operación, integraba gráficos de
equipo, sus partes y su distribución, así como programas externos de cálculo.
En la creación de la herramienta participaron investigadores de los departamentos
de Equipos Mecánicos y Sistemas de Información. En aquel entonces la aplicación
de la tecnología de sistemas expertos se decidió por su capacidad para manejar
conocimiento empírico, sus características para almacenar conocimiento en forma
estructurada y sus posibilidades para enriquecerlos. Además, el sistema resultó
ser la mejor opción para conservar la experiencia acumulada por el personal de la
planta, no susceptible de almacenarse y documentarse por medios tradicionales.
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Para el surgimiento de los sistemas expertos sucedieron grandes pasos como se
describen a continuación:
Año
Evento
1943
Reglas de postproducción; Modelo neuronal de Mcculloch y Pitts
1954
Algoritmo de Markov para controlar la ejecución de reglas
1956
Conferencia de Darmouth; Teórico lógico; Búsqueda Heurística;
acuñación del término "AI"
1957
Perceptrón inventado por Rosenblatt; Inicia el GPS (General
Problem Solver; Solucionador general de problemas) (Newell,
Shaw y Simon)
1958
Lenguaje LISP de AI (Mccarthy)
1962
Principios de neurodinámica (Principies of Neurodynamics ) en la
percepción, de Rosenblatt
1965
Método de solución para la comprobación automática de teoremas
(Robinson)
Lógica confusa para el razonamiento acerca de objetos confusos
(Zadeh)
Inicia el trabajo en DENDRAL, el primer sistema experto
(Feigenbaum, Buchanan, et al. )
1968
Redes semánticas, modelo de memoria asociativa (Quillian)
1969
MACSYMA, sistema experto en matemáticas (Martin y Moses)
1970
Inicia el trabajo en PROLOG (Colmerauer, Rousell, et al. )
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1971
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HEARSAY I para reconocimiento del habla
Human Problem Solving populariza las reglas (Newell y Simon)
1973
MYCIN, sistema experto para diagnóstico médico (Shortliffe, et. )
que conduce a GUIDON, tutoría inteligente (Clancey)
TEIRESIAS, concepto. de mecanismo de explicación (Davis), y
EMYCIN, primer shell (Van Melle, Shortliffe y Buchanan)
HEARSAY II, modelo de pizarrón de cooperación múltiple entre
especialistas.
1975
Marcos, representación del conocimiento (Minsky)
1976
AM (Artificial Mathematician, matemático artificial), descubrimiento
creativo de conceptos matemáticos (Lenat)
Teoría de la evidencia de Dempster-Shafer para el razonamiento
bajó incertidumbre
Inicia el trabajo en el sistema experto PROSPECTOR para la
exploración mineral (Duda, Hart, et. al. )
1977
OPS shell (o armazón) de sistema experto (Forgy), usado en
XCON / Rl
1978
Inicia el trabajo en XCON / Rl (McDermott, DEC) para configurar
los sistemas de computadora DEC
Meta-DENDRAL, meta reglas e inducción de reglas (Buchanan)
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1979
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Algoritmo Rete para correspondencia rápida de patrones (Forgy).
Inicia la comercialización de la AI
Se forma Inference Corp. (libera ART, herramienta del sistema
experto en 1985)
1980
Se funda Symbolics, LMI para fabricar máquinas LISP
1982
Sistemas expertos en matemáticas SMP; Hopfield Neural Net;
Proyecto
japonés
de
quinta
generación
para
desarrollar
computadoras inteligentes
1983
KEE, herramienta del sistema experto (Intelicorp)
1985
CLIPS herramienta del sistema experto (NASA)
Los sistemas expertos se han aplicado en casi todos los campos del conocimiento.
Algunos se han diseñado como herramientas de investigación, mientras que otros
satisfacen importantes funciones de negocios e industriales.
Cientos de sistemas expertos han sido construidos y comentados en publicaciones
de cómputo, libros y conferencias. Tal vez esto sólo representa la punta del
iceberg, porque muchas compañías y organizaciones militares no informan de sus
sistemas debido a las propiedades o secretos contenidos en el sistema.
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Clase
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Área general
Configuración Ensamblar correctamente los componentes apropiados de un
sistema.
Diagnóstico
Inferir los problemas subyacentes basándose en la evidencia
observada.
Instrucción
Enseñanza inteligente para que un estudiante pueda preguntar Por
qué, Cómo y Qué pasaría, como lo haría con un maestro humano.
Interpretación Explicar los datos observados.
Supervisión
Comparar los datos observados con los esperados para juzgar el
desempeño.
Planeación
Idear acciones para obtener el resultado deseado.
Pronóstico
Predecir el resultado de una situación dada.
Remedio
Prescribir tratamiento para un problema.
Control
Regular un proceso. Tal vez requiera de interpretación, diagnóstico,
supervisión, planeación, pronóstico y remedios.
Por qué se desea construir un sistema experto. Tal vez ésta sea la pregunta más
importante que se hará sobre cualquier proyecto. Aunque se explican las ventajas
generales de los sistemas expertos. Antes de iniciar, debe haber una clara
identificación del problema, el especialista y los usuarios.
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En el cuadro se presenta un resumen de lo más relevante que se ha logrado en
las generaciones hasta la fecha; sin embargo, en algunos casos puede resultar
difícil catalogar a cuál desarrollo corresponden en algún periodo en particular. Un
desarrollo se puede dar en determinado periodo, pero su evolución se presenta en
el siguiente, y el más importante de cada generación es señalado, porque se
puede notar que en las primeras cuatro generaciones se presenta en el hardware,
pero en la quinta es una combinación de hardware y software.
Generaciones de computadoras
Generaciones
Primera
Años
1946-1956
Ejemplos de ENAC
computadoras EDVAC
UNIVAC I
IBM 650
Hardware
Software
Segunda
1957-1963
NCR 501
IBM 7094
CDC 6600
Tercera
1964-1981
IBM 360, 370
PDP 11
SPECTRA 70
HONEYWELL
200
ILLIAC IV
CIBER 205
Sexta
2000- ?
Extensivo
desarrollo
de
sistemas
computacionales
Computadoras
masivamente
paralelas
Desarrollo
extraordinario
en
telecomunicaciones
Bulbos
Transistores
Circuitos
Sistemas
Redes
de Activación por voz
Tambores
Memoria
de integrados
computacionales computadoras
Arquitecturas
magnéticos
núcleo
Memoria
con distribuidos
Estaciones
de paralelas
semiconductores Integración
Tubo de rayos magnético
de trabajo
Neurocomputadoras
catódicos
Discos
muy alta escala Computadoras
Nuevas
magnéticos
(VLSI)
vectoriales
arquitecturas
Mini
Discos ópticos
Tecnología RISC
Superconductividad
computadoras
Computadoras
Supercomputadoras Nuevos materiales
Microprocesador personales
VLSI con GaAs
Componentes
es
ópticos
Programas
Lenguajes de Sistemas
almacenables
alto nivel
operativos
con
Código
de COBOL
PASCAL
máquina
ALGOL
Programación
Ensamblador
FORTRAN
estructurada
Tiempo
compartido
LISP
Gráficas
por
computadora
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Cuarta
Quinta
1982-1989
1990- 1999
CRAY Y-MP y IBM 390
X-MP
Cray-3
IBM 3094
NEC SX-3
AMDHL 580
VAX 9000
Hitachi S-3800
Programas
de
muy amplio uso
Lenguajes
con
programa objeto
orientado
Sistemas expertos
UNIX
Lenguaje C
Internet
Página Web
Programas
para
aplicaciones muy
complejas
Alto procesamiento
simbólico (lenguaje
natural,
visión,
reconocimiento de
voz,
planeación,
etc.)
Grandes
aplicaciones en las
ciencias en general
(medicina,
ingeniería, etc.)
Programación
altamente funcional
Gran desarrollo de
la
inteligencia
artificial (Sistemas
Expertos)
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Ejecución
2 kilobytes de 32 kilobytes de
memoria
memoria
10
kilo 200
kilo
instrucciones por instrucciones
segundo
por segundo
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2 Megabytes de
memoria
5
Mega
instrucciones por
segundo
8 Megabytes de 1
a
2
memoria
instrucciones
200
Mega segundo
instrucciones por
segundo
giga 100
por gigainstruciones a 1
terainstrucción por
segundo
Como los sistemas expertos se han alejado de las etapas de investigación
existentes.
La necesidad de entregar software de calidad de acuerdo a las
normas establecidas por los líderes en esta rama surgen metodologías para el
desarrollo de este de acuerdo con las normas comercial, industrial y de gobierno
dando origen a lo que se conoce como ingeniería de software.
Es importante seguir estándares en el desarrollo de un producto, de otra manera
no será de buena calidad. Ahora los sistemas expertos deben considerarse como
cualquier otro producto de software: un procesador de palabras, un programa de
nómina, un juego de computadora, etc. Sin embargo, hay una diferencia
trascendente entre la misión de los sistemas expertos y los productos de consumo
típico como procesadores de palabras y juegos de video, entendiendo como
misión al propósito global de un proyecto o una tecnología. Por lo general, la
tecnología de los sistemas expertos tiene la seria misión de proporcionar
experiencia en situaciones de alto desempeño y posiblemente arriesgadas, donde
la vida humana y la propiedad están en juego, esto es, son aplicaciones de misión
crítica.
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Los sistemas expertos son sistemas de alto desempeño que deben tener alta
calidad o estarán propensos a errores. La ingeniería de software proporciona
metodologías para construir software de calidad
PROBLEMA
Alto costo de
desarrollo
Amplia variación
en la metodología de desarrollo
Falta de productividad
del programador
INGENIERÌA DE SOFTWARE
Documentación
Planes,
requisitos y
diseño
Informes
Calendarización
Ciclo de vida
del software
Mantenimiento y
mejoramientos sencillos
Bien
documentado
PRODUCTO
Validado,
verificado
y probado
Redituable
A tiempo
OBJETIVO
Calidad es un término difícil de describir en un sentido general porque significa
cosas diferentes para personas diferentes; una forma de definirla es como los
atributos necesarios y deseables de un objeto determinado en cierta escala.
Uno de los métodos clave de la ingeniería de software es el ciclo de vida, que es
el periodo que empieza con el concepto inicial del software y termina con su retiro
del uso. Más que pensar en desarrollo y mantenimiento por separado, el concepto
del ciclo de vida proporciona una continuidad que conecta todas las etapas. La
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planeación para el mantenimiento y la evolución en las primeras etapas del ciclo
de vida reduce el costo de estas etapas más adelante.
Existen diferentes modelos de vida del software como son:
Modelo cascada
Modelo de código y reparación
Modelo progresivo
Modelo en espiral
Que beneficio nos traerá construir un Sistema Experto, es importante recordar que
si nadie usa el sistema, no habrá beneficio. Como los sistemas expertos son una
tecnología nueva, es más difícil y arriesgado responder a esta pregunta en
relación con la programación convencional. El beneficio puede ser económico, un
aumento de la eficiencia o cualquiera de las otras ventajas de los sistemas
expertos.
Aplicaciones de los sistemas expertos
Los sistemas expertos se han aplicado casi a todos los campos del conocimiento.
Algunos se han diseñado como herramientas de investigación, mientras que otros
satisfacen importantes funciones de negocios e industriales. Un ejemplo de
sistema experto usado en negocios de rutina es el sistema XCON de Digital
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Equipment Corporation (DEC). Este sistema llamado originalmente RI fue
desarrollado junto con John McDermott, de la Universidad Carnegie-Mellon. y es
un sistema experto para la configuración de sistemas de cómputo49.
La configuración de un sistema de cómputo significa que, cuando un consumidor
hace un pedido, se suministran todas las partes correctas (software, hardware y
documentación). Para los sistemas grandes, el sistema del consumidor se
configura en la fábrica y se prueba para asegurar que cumple con los requisitos
del cliente. A diferencia de la compra de un televisor o de una computadora para el
hogar, un gran sistema de computo permite una gran cantidad de opciones e
interconexiones. Al ensamblar un sistema grande, no basta con enviar el número
solicitado de CPU, unidades de disco, terminales y demás; también deben
proporcionarse las interconexiones y el cableado apropiados, además de revisar el
sistema para verificar que funciona adecuadamente.
El sistema XCON es probablemente uno de los sistemas expertos de uso rutinario
más exitoso y ahorra a la DEC millones de dólares al año, reduce el tiempo para
configurar los pedidos y mejora su exactitud. XCON puede configurar una orden
promedio en cerca de dos minutos, quince veces más rápido que un ser humano.
Por esto, configurar un sistema de cómputo complejo en la fábrica constituye un
gran esfuerzo. Es costoso configurar parcialmente un sistema para luego descubrir
que no cumple con los requisitos del cliente, o que se necesitan otros
componentes y que el envío debe retrasarse hasta que lleguen las piezas.
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Cientos de sistemas expertos han sido construidos y comentados en publicaciones
de cómputo, libros y conferencias. Tal vez esto sólo representa la punta del
iceberg, porque muchas compañías y organizaciones militares no informarán de
sus sistemas debido a las propiedades o secretos contenidos en el sistema.
Basados en los sistemas descritos de la literatura pública, puede discenirse una
amplia gama de aplicaciones para los sistemas expertos, como se muestra en la
tabla2.
Gran cantidad de sistemas expertos
Clase
Área general
Configuración
Ensamblar correctamente los componentes apropiados de un sistema.
Diagnóstico
Inferir los problemas subyacentes basándose en la evidencia observada.
Instrucción
Enseñanza inteligente para que un estudiante pueda preguntar Por qué,
Cómo y Qué pasaría, como lo haría con un maestro humano.
Interpretación
Explicar los datos observados.
Supervisión
Comparar los datos observados con los esperados para juzgar el
desempeño.
Planeación
Idear acciones para obtener el resultado deseado.
Pronóstico
Predecir el resultado de una situación dada.
Remedio
Prescribir tratamiento para un problema.
Control
Regular un proceso. Tal vez requiera de interpretación, diagnóstico,
supervisión, planeación, pronóstico y remedios.
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Sistemas expertos para la química
Nombre
Química .
CRYSALIS
Interpretar la estructura tridimensional de una proteína.
DENDRAL
Interpretar la estructura molecular.
TQMSTUNE Remediar el espectrómetro masivo triple y cuádruple Toms
(mantenerlo afinado).
CLONER
Diseñar nuevas moléculas biológicas.
MOLGEN
Diseñar experimentos para donación de genes.
SECS
Diseñar moléculas orgánicas complejas.
SPEX
Planear experimentos de biología molecular.
Sistemas expertos en electrónica
Nombre
Electrónica
ACE
Diagnosticar fallas en las redes telefónicas.
IN-ATE
Diagnosticar fallas en el osciloscopio.
NDS
Diagnosticar la red de comunicaciones nacional.
EURISKO
Diseñar microelectrónica para tercera dimensión.
PALLADIO
Diseñar y probar nuevos circuitos VLSI.
REDESIGN
Rediseñar circuitos digitales.
CADHELP
Instruir para diseño apoyado por computadora.
SOPHIE
Instruir en diagnóstico de falla de circuitos.
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Sistemas expertos médicos
Nombre
Medicina
PUFF
Diagnosticar enfermedades de los pulmones.
VM
Supervisar pacientes en terapia intensiva.
ABEL
Diagnosticar electrolitos / ácido-base.
AI / COAG
Diagnosticar enfermedades de la sangre.
AI / REUHM Diagnosticar enfermedades reumáticas.
CADUCEUS Diagnosticar enfermedades de medicina interna
ANNA
Supervisar terapia para dedos.
BLUEBOX
Diagnosticar / remediar depresión.
MYCIN
Diagnosticar / remediar infecciones bacterianas.
ONCOCIN
Remediar / administrar pacientes de quimioterapia
ATTENDING Capacitar en administración anestésica.
GUIDON
Capacitar en infecciones bacterianas.
Sistemas expertos en ingeniería
Nombre
Ingeniería
REACTOR
Diagnosticar / remediar accidentes de reactor.
DELTA
Diagnosticar / remediar locomotoras GE.
STEAMER
Instruir en operación, planta de energía a vapor.
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Sistemas expertos en geología
Nombre
Geología
DIPMETER
Interpretar los registros del medidor de profundidad.
LITHO
Interpretar los datos de registro de pozos petroleros.
MUD
Diagnosticar / remediar problemas de perforación.
PROSPECTOR Interpretar datos geológicos para buscar minerales.
Sistemas expertos en computadoras
Nombre
Sistemas de computadora
PTRANS
Dar pronóstico para la administración de computadoras. DEC
BDS
Diagnosticar partes deficientes en la red de conmutación.
XCON
Configurar sistemas de cómputo DEC.
XSEL
Configurar las órdenes de venta de las computadoras DEC.
XSITE
Configurar el sitio del cliente para las computadoras DEC
YES / MVS
Supervisar / controlar el sistema operativo MVS de IBM.
TIMM
Diagnosticar computadoras DEC.
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Bibliografía
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2. El Libro de los Mapas Mentales, Autor: Tony Buzan con Barry Buzan,
Editorial: Urano, 1996
3. Historia de la computación en México. Una industria en desarrollo, Aquiles
Cantarell y Mario González, Hobbiton Ediciones, México, 2000
4. La competitividad de la industria electrónica: situación y perspectivas, José
Warman, La industria mexicana en el mercado mundial, elementos para
una política industrial, Fernando Clavijo y José I. Casar Fondo de Cultura
Económica, México, 1994
5. Software por primera vez. Historia de la computación en México. Una
industria en
desarrollo, Aquiles Cantarell y Mario González, Hobbiton
Ediciones, México, 2000.
6. “Computadoras con microprocesadores RISC”, Ciencia y Desarrollo, 1998.
Leyva Ramos, Jesús, e Irasela Posada Díaz.
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7. Aplicación de Inteligencia Artificial en los Problemas de Diagnostico y
Predicción de Mal Comportamiento de las Obras Hidráulicas, Autor: M. en I.
Vadim Levtchouk, Doctorado en Ingeniería, U.N.A.M. 2000
8. Síntesis del Tratado de Libre Comercio de América del Norte", Alfredo
Sandoval y Edgardo Ayala, McGraw Hill, 1999.
9. Comercio Exterior, Bancomext, Sergio Ordóñez, La industria electrónica de
México en el nuevo entorno internacional
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