Αρχιτεκτονική Μαυροπίνακα Blackboard Architecture

Transcript

1 Αρχιτεκτονική Μαυροπίνακα Blackboard Architecture

2 O Μαυροπίνακας Η βασική ιδέα ενός συστήματος μαυροπίνακα είναι: Η ιδέα μιας ομάδας εμπειρογνωμόνων που προσπαθούν να λύσουν ένα πρόβλημα σε πίνακα σε μια αίθουσα διδασκαλίας Κάθε εμπειρογνώμονας είναι ειδικός σε μια περιοχή σχετική με τη λύση του προβλήματος Το πρόβλημα και τα αρχικά δεδομένα γράφονται στον μαυροπίνακα Οι εμπειρογνώμονες βλέπουν στον μαυροπίνακα εάν μπορούν να συνεισφέρουν στην επίλυση του προβλήματος Όταν ένας ειδικός αισθάνεται ότι μπορεί να συνεισφέρει στην διαδικασία επίλυσης κάνε έναν υπολογισμό και καταγράφει τα αποτελέσματα στον μαυροπίνακα Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να επιτρέψει σε κάποιον άλλο ειδικό να συνεισφέρει Η διαδικασία αυτή σταματά όταν το πρόβλημα θα έχει λυθεί

3 Οργάνωση του Μαυροπίνακα Οι συμβάσεις που χρησιμοποιούνται είναι η Αναπαράσταση & έλεγχος (representation & control). Η βασική οργάνωση ενός συστήματος μαυροπίνακα είναι : Η γνώση της περιοχής (Domain knowledge) κατακερματίζεται σε ανεξάρτητες πηγές γνώσης Οι πηγές γνώσης καθορίζονται από το χρονοπρογραμματιστή. Οι λύσεις χτίζονται σε μια καθολική δομή δεδομένων, το μαυροπίνακα

4 Οργάνωση του Μαυροπίνακα Οι λειτουργίες του μαυροπίνακα είναι ο χώρος εργασίας των συστημάτων παραγωγής, αλλά η δομή του είναι πιο πολύπλοκη Διαμοιράζεται σε διαφορετικά επίπεδα περιγραφής ανάλογα με το χώρο λύσης. Κάθε επίπεδο αντιστοιχεί σε ένα διαφορετικό ποσό λεπτομέρειας ή ανάλυσης Τα επίπεδα περιέχουν πολύπλοκες δομές δεδομένων Μερικά συστήματα μπορούν να έχουν διαφορετικούς μαυροπίνακες

5 Οργάνωση του Μαυροπίνακα Οι πηγές γνώσης πυροδοτούν τα αντικείμενα του μαυροπίνάκα αλλά μπορούν να μην εκτελεστούν άμεσα Οι εγγραφές ενεργοποίησης των πηγών γνώσης τοποθετούνται σε μια αντζέντα και περιμένουν από το χρονοπρογραματιστή να τις επιλέξει Οι πηγές γνώσης μπορούν μόνο να επικοινωνούν διαμέσου του μαυροπίνακα

6 Αρχιτεκτονική μαυροπίνακα Η αρχιτεκτονική μαυροπίνακα αναπτύχθηεκει στα πλαίσια ενός συστήματος αναγνώρισης φωνής το HEARSAY by Erman. Ο προγραμματισμός τνός υπολογιστή έτσι ώστε να καταλαβαίνει την ομιλία είναι πολύ δύσκολο πρόβλημα που απαιτεί: Επεξεργασία πολύπλοκου σήματος Απεικόνιση των φυσικών γεγονότων της κυματομορφής της ομιλίας σε μονάδες φυσικής γλώσσας & Αναζήτηση διαμέσου ενός πολύ μεγάλου χώρου αναζήτησης δυνατόν αναπαραστάσεων που συνδυάζοντας αυτές τις διαφορετικές μονάδες ανάλυσης

7 Αρχιτεκτονική Μαυροπίνακα Τα συστήματα μαυροπίνακα παρέχουν τη βάση για μια γενική αφαιρετική αρχιτεκτονική που είναι ισχυρή και γενική Μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ορθή και ανάστροφη ακολουθία εκτέλεσης και μπορούν να συνδυάζουν αυτούς τους τρόπους συλλογισμού όπως απαιτείται Αυτό το μοντέλο επίλυσης προβλήματος ενθαρρύνει την ιεραρχική οργάνωση και των πεδίων γνώσης& του χώρου της μερική και πλήρης λύσης Η αρχιτεκτονική Μαυροπίνακα είναι κατάλληλη για τα προβλήματα κατασκευής όπου ο χώρος του προβλήματος είναι μεγάλος αλλά παραγωγίσιμος

8 Αρχιτεκτονική Μαυροπίνακα Η επίλυση δύσκολων προβλημάτων απαιτεί κατακερματισμό του προβλήματος σε μικρότερα και απλούστερα υποπροβλήματα, τα οποία επιλύονται ανεξάρτητα. Η λύση του συνολικού προβλήματος συνδυάζει τις λύσεις των επιμέρους προβλημάτων. Κάθε επιμέρους πρόβλημα ανατίθεται σε μια πηγή γνώσης (knowledge source). Ημιαυτόνομο έμπειρο σύστημα με τη δική του βάση γνώσης και πιθανόν διαφορετικές μορφές αναπαράστασης γνώσης και συλλογιστικές από τις υπόλοιπες πηγές. Ο χώρος αναζήτησης διαιρείται σε ιεραρχία επιμέρους συνόλων μερικών λύσεων. Κάθε σύνολο χαρακτηρίζεται από διαφορετικό επίπεδο αφαίρεσης. Π.χ., στο Hearsay τα επιμέρους σύνολα είναι ήχοι, φθόγγοι, συλλαβές, λέξεις, ομάδες λέξεων και πραγματικές προτάσεις. Μαυροπίνακας: Κοινόχρηστη περιοχή μνήμης, που περιέχει τις μερικές λύσεις των διαφόρων επιπέδων αφαίρεσης. Κάθε πηγή γνώσης παρατηρεί και τροποποιεί το περιεχόμενο του μαυροπίνακα. Οι πηγές γνώσης δεν μπορούν να επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους.

9 Μαυροπίνακας Μοντέλο Αρχιτεκτονικής Μαυροπίνακα Ν οστό επίπεδο αφαίρεσης : : : : : : 3 ο επίπεδο αφαίρεσης 2 ο επίπεδο αφαίρεσης 1 ο επίπεδο αφαίρεσης Χρονοπρογραμματιστής Πηγή Γνώσης 1 Πηγή Γνώσης 2. Πηγή Γνώσης Ν Ανεξάρτητες πηγές γνώσης

10 Αρχιτεκτονική Μαυροπίνακα Λειτουργία Συστήματος Οι πηγές γνώσης λειτουργούν ταυτόχρονα. Παρατηρούν τις μερικές λύσεις που υπάρχουν στο μαυροπίνακα. Δημιουργούν νέες μερικές λύσεις, σε μεγαλύτερο επίπεδο λεπτομέρειας. Τροποποιούν ή διαγράφουν μια υπάρχουσα μερική λύση. Νέα δεδομένα που ήρθαν στο μαυροπίνακα αναιρούν τα δεδομένα που ήδη υπήρχαν σε αυτόν. Ο χρονοπρογραμματιστής: Ελέγχει τα δεδομένα που υπάρχουν στο μαυροπίνακα και κρίνει σε ποια πηγή γνώσης πρέπει να επιτραπεί η πρόσβαση. Διατηρεί μια ατζέντα με τις αιτήσεις των υπολοίπων πηγών γνώσης που ζήτησαν πρόσβαση στο μαυροπίνακα. Επιτρέπει σε μία μόνο από τις πηγές γνώσης να έχει πρόσβαση στο μαυροπίνακα, σε κάθε κύκλο εκτέλεσης του συστήματος. Εάν κάποια στιγμή δεν υπάρχει καμία αίτηση για πρόσβαση στο μαυροπίνακα, η λειτουργία του συνολικού συστήματος τερματίζεται.

11 Παράδειγμα Επιπέδων Αφαίρεσης σε ένα Σύστημα Αναγνώρισης Ομιλίας Λέξεις STOP RC Φθόγγοι WD Γράμματα PR Δεδομένα LR

12 Παράδειγμα Αναγνώρισης Λέξης Λέξεις ale 9 all 8 del 3 ape 6 Φθόγγοι...al 9 ae 8...dp 0... le 6... la 7... ll 7... Γράμματα a 9 d 9 q 7 e 8 l 9 p 2 e 8 a 2 l 6 o 3 p 5 Δεδομένα

13 HEARSAY II HEARSAY είναι ένα σύστημα κατανόσησης ομιλίας, ικανό να καταλαβαίνει κείμενο από 1000 ένα λεξικό με λέξεις Τα βασικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν: Πολλαπλούς συνεργαζόμενους ειδικούς Επίλυση του προβλήματος σε διαφορετικά επίπεδα γενίκευσης Αυξητική ανάπτυξη των μερικών λύσεων που εκμεταλλεύονται τα κύρια δεδομένα ή την γνώση τους

14 Η αρχιτεκτονική του HEARSAY II Level k KS 1 Level 3 Level 2 KS n Level 1 Blackboard Παρακολούθηση μαυροπίνακα Blackboard monitor Χρονοπρογραμματιστής

15 Levels Data Base Interface Η αρχιτεκτονική του HEARSAY II Semantics Knowledge Sources Phrase Parse Predict Concat Stop Word Sequence Word MOW Word-Ctl Word-Seq Word-Seq-Ctl Verify RPOL Syllable POM Segment SEG Parameter

16 Οι πηγές γνώσης στο HEARSAY II Οι πηγές γνώσεις είναι: Σημασιολογικά (Semantics) Παράγουν ερμηνείας για το σύστημα ανάκτησης πληροφοριών SEG Ψηφιοποιεί το σήμα, μετρά παραμέτρους, κόβει σε τμήματα το σήμα POM Δημιουργεί από τα τμήματα του σήματος υποθέσεις για συλλαβές MOW Δημιουργεί υποθέσεις για λέξεις από τις συλλαβές Word-Ctl Ελέγχει το πλήθος των υποθέσεων για τις δυνατές φράσεις

17 Οι πηγές γνώσης στο HEARSAY II Word-Seq Δημιουργεί υποθέσεις για ακολουθίες λέξεων για πιθανές φράσεις Word-Seq-Ctl Ελέγχει το πλήθος των υποθέσεων που έχουν γίνει από το Word-Seq Predict Προβλέπει τις λέξεις που ακολουθούν φράσεις Verify Ελέγχει τη συνέπεια μεταξύ των τμηματικών υποθέσεων και των συνεχών ζευγών λέξη-φράση Concat Δημιουργεί μια υπόθεση για μια φράση από ένα πιστοποιημένο συνεχές ζεύγος λέξης-φράσης RPOL Βαθμολογεί την αξιοπιστία των υποθέσεων

18 HEARSAY II Οι οντότητες στο μαυροπίνακα είναι υποθέσεις Όταν οι πηγές γνώσης είναι ενεργοποιημένες, δημιουργούν και προσαρμόζουν τις υποθέσεις στο μαυροπίνακα Καταγράφουν αποδείξεις για να υποστηρίξουν τις υποθέσεις που προέρχονται από άλλα επίπεδα και δίνουν βαθμούς αξιοπιστίας Η χρησιμοποίηση της αρχιτεκτονικής του μαυροπίνακα στο HEARSAY δικαιολογείται από τις διαφορετικές γνώσεις που απαιτούνται για να επιλυθούν τα προβλήματα

19 Οι απαιτήσεις του HEARSAY II Η κατανόηση της ομιλίας έχει 3 αντικρουόμενες απαιτήσεις: Ένα ευρύ πεδίο δυνατόν μηνυμάτων που πρέπει να κατανοηθούν Αυτή είναι μια λειτουργία του λεξικού, των περιορισμών της γλώσσας και των σημασιολογικών της εφαρμογής Μεταβλητότητα του σήματος Η ανάγκη να τελειώσει σε ένα περιορισμένο χρονικό όριο Τα λάθη στα χαμηλότερα επίπεδα συνθέτουν δυσκολίες για τα ανώτερα επίπεδα

20 HEARSAY II HEARSAY αντιμετωπίζει τα προβλήματα που δημιουργούν αυτά τα σφάλματα βάζοντας τις πηγές γνώσης σε διαφορετικά επίπεδα να συνεργάζονται κατά τη διαδικασία της λύσης Συνδυάζει επεξεργασία top-down & bottom-up. Αιτιολογεί τη χρήση πόρων χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται καιροσκοπικός προγραμματισμός (opportunistic scheduling). Μερικές από τις πηγές γνώσεις θα χρησιμοποιήσουν topdown επεξεργασία & άλλες α χρησιμοποιήσουν bottom-up επεξεργασία. Όλες οι πηγές γνώσης συναγωνίζονται ώστε να συνεισφέρουν & το HEARSAY επιλέγει την περισσότερο υποσχόμενη Πηγή γνώσης χρησιμοποιώντας καιροσκοπικός προγραμματισμός.

21 Περίληψη HEARSAY II HEARSAY II κατασκευάζει την πλήρη λύση επεκτείνοντας & συνδυάζοντας μερικές υποψήφιες λύσεις Παρέχει ένα παράδειγμα αρχιτεκτονικής μαυροπίνακα το οποίο δημιουργήθηκε για να ικανοποιήσει μερικές αντικρουόμενες απαιτήσεις Τα πολλαπλά επίπεδα παρέχουν τις απαραίτητες γενικεύσεις για την αναζήτηση σε ένα ευρύ πεδίο Τα επίπεδα συνθέτονται από διαφορετικά στοιχεία προκειμένου να ταιριάξουν τη διαφορετικότητα της ερμηνείας της γνώσης Καιροσκοπικός χρονοπρογραμματισμός (Opportunistic scheduling) συνδυάζει την ιδέα της ελάχιστης δέσμευσης (least commitment) με την ικανότητα να διαχειρίζεται υπολογιστικούς πόρους Αυτό πραγματοποιείται μεταβάλλοντας το βάθος αναζήτησης & συνδυάζοντας top-down & bottom-up επεξεργασία

22 HEARSAY III Το HEARSAY III ήταν μια γενίκευση του συστήματος HEARSAY. Είναι ανεξάρτητο από το πεδίο εφαρμογής για τα έμπειρα συστήματα που είναι βασισμένα στη γνώση Ο σκοπός που σχεδιάστηκε το HEARSAY III ήταν η ανάπτυξη της ευκολιών για την αναπαράσταση και έλεγχο που θα μπορούσε ο χρήστης να χρησιμοποιήσει για να κατασκευάσει ένα έμπειρο σύστημα σε μια δεδομένη περιοχή εφαρμογής Δεν χρησιμοποιήθηκε ως σύστημα κατανόησης της ομιλίας Είχε δομές Μαυροπίνακα και Πηγές γνώσης Διέθετε μια σχεσιακή βάση δεδομένων για τη διαχείριση των αντικειμένων του μαυροπίνακα και τον χρονοπρογραμματισμό του Με τον χρονοπρογραμματισμό των πηγών γνώσης γίνονταν ευκολότερα η επιλογή των ενεργοποιημένων πηγών γνώσης

23 HEARSAY III Οι πιο σημαντικές δυνατότητες του HEARSAY III ήταν: Υποστήριξη της κωδικοποίησης διαφορετικών ειδών πηγών γνώσης Υποστήριξη για την εφαρμογή αυτών των διαφορετικών πηγών γνώσης Ευκολίες για την αναπαράσταση και χειρισμό ανταγωνιστικών λύσεων που κατασκευάζονται αυξητικά Η ικανότητα να αιτιολογεί τις μερικές λύσεις Ευκολίες για να περιγράφει & εφαρμόζει την εξαρτώμενη συνέπεια με τους περιορισμούς του πεδίου εφαρμογής σε σχέση με τις ανταγωνιστικές μερικές λύσεις Υποστήριξη για ανάπτυξη long-term μεγάλων συστημάτων και πειραματισμό με ποικιλία γνώσεων για την εφαρμογή του πεδίου και ακόμη ποικιλία στην εφαρμογή αυτής της γνώση;