Universidad de Castilla-La Mancha - Tema 6A...Universidad de Castilla-La Mancha Inteligencia...

88
Universidad de Castilla-La Mancha Inteligencia Artificial e Ingeniería del Conocimiento Tema 6: Lógica difusa Profesores: Luis Jiménez Linares. Luis Enrique Sánchez Crespo.

Transcript of Universidad de Castilla-La Mancha - Tema 6A...Universidad de Castilla-La Mancha Inteligencia...

Universidad de Castilla-La Mancha Inteligencia Artificial e Ingeniería del Conocimiento

Tema 6: Lógica difusa

Profesores:

Luis Jiménez Linares.

Luis Enrique Sánchez Crespo.

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Datos de la Asignatura Temario

2º Cuatrimestre

Sistemas basados en el conocimiento (Cap. 8-12)

– Mediante lógica de predicados.

– Mediante Sistemas de producción.

Tratamiento de la incertidumbre (Cap. 13-15)

– Redes Bayesianas.

– Razonamiento aproximado (lógica difusa).

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Temas

Definición

Introducción histórica

Conjuntos clásicos vs conjuntos difusos

Tipos de funciones de membresía

¿Cómo elegir la función de membresía?

Operaciones básicas sobre conjuntos difusos

Aplicación sencilla

Complementos, t-normas y t-conormas

Flexibilidad de la matemática difusa

Variables Linguísticas

Implicancias difusas

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Temas

Teoría del Razonamiento aproximado

Operaciones de agregación

Métodos de Defuzificación

Mecanismos de Inferencia

Controladores difusos

Modelación de un controlador de temperatura para procesadores mediante lógica difusa: Parte 1

¿Cuándo ocupar Lógica Difusa?

Desventajas Lógica difusa

Aplicaciones históricas

Aplicaciones generales

Trabajos a futuro

Conclusiones

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Definición Lógica difusa

Extensión de la Lógica Multivaluada que está

relacionada y fundamentada en la teoría de

Conjuntos Difusos, según esta teoría el grado de

pertenencia de un elemento a un conjunto va a

estar determinado por una función de

pertenencia, que puede tomar todos los valores

reales comprendidos en el intervalo [0,1].

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Introducción histórica

Aristóteles consideraba que existían ciertos grados de veracidad y falsedad. Platón había considerado grados de pertenencia.

En el siglo XVIII el filósofo y obispo anglicano Irlandés, George Berkeley y David Hume describieron que el núcleo de un concepto atrae conceptos similares. Hume creía en la lógica del sentido común, éste es el razonamiento basado en el conocimiento que se adquiere en forma ordinaria

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

El filósofo y matemático británico Bertrand Russell, a

principios del siglo XX. estudió las vaguedades del

lenguaje, concluyendo con precisión que la vaguedad es

un grado

El filosofo austríaco Ludwing Wittgenstein estudió las

formas en las que una palabra puede ser empleada para

muchas cosas que tienen algo en común

La primera lógica de vaguedades fue desarrollada en

1920 por el filósofo Jan Lukasiewicz. Visualizó los

conjuntos con un posible grado de pertenencia con

valores de 0 y 1

Introducción histórica

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

El filósofo cuántico Max Black define en 1937 el primer conjunto difuso mediante una curva que recogía la frecuencia con la que se pasaba de un estado a su opuesto, su idea pasó totalmente inadvertida dado que iba en contra del empirismo lógico que para entonces primaba entre los filósofos de la ciencia

En los años sesentas Lofti Zadeh, basado en las ideas de Black, ¿descubrió o creó? la lógica difusa, que combina los conceptos de la lógica y de los conjuntos de Lukasiewicz mediante la definición de grados de pertenencia.

Introducción histórica

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Conjuntos clásicos versus Conjuntos

difusos

Definición de conjuntos clásicos según Cantor

“...Entendemos por conjunto cualquier reunión en

un todo M de determinados objetos bien

distinguidos m de nuestra intuición o

pensamiento...”

Esto significa que la existencia del conjunto

depende de la determinación precisa de cuales

elementos pertenecen y cuales no a dicho conjunto

(Dedekind)

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

En los conjuntos difusos la pertenencia de un elemento a un conjunto no es tan drástica. El elemento puede tener un grado de membresía a dicho conjunto

Los conjuntos clásicos se pueden representar de 3 formas

1) Nombrando los elementos del conjunto

Ej: A={a,e,i,o,u}

2) Definiendo una expresión que los miembros cumplan

Ej: A={x| x es una letra vocal}

Conjuntos clásicos versus Conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

3) Definido por una función característica

Esta función mapea los elementos del conjunto universo a los elementos del conjunto {0,1}.

Para cada entonces x es miembro de A

A

Ax

AxxA

0

1)(

x

a 1

b 0

e 1

u 1

w 0

i 1

)(xA

1)( xA

Conjuntos clásicos versus Conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

En los conjuntos difusos la función característica

mapea los elementos al intervalo real [0,1]

Formalmente

Sea X conjunto universo clásico tal que x sean sus

elementos, esto es . Un conjunto difuso A lo

definimos mediante

A = { ( x, A (x) ) | x X }

Donde

A(x): Función de membresía

Xx

Conjuntos clásicos versus Conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Ejemplos:

A: Conjunto de los hombres jóvenes

B: Conjunto de los hombres de edad media

C: Conjuntos de los hombres viejos

Cada uno de los conjuntos no posee límites claros y se

pueden representar mediante conjuntos difusos.

Los conjuntos difusos son una forma de representar

imprecisión e incertidumbre

Conjuntos clásicos versus Conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Las funciones de pertenencia podrían ser:

Conjuntos clásicos versus Conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Tipos de funciones de membresía

En general se puede utilizar cualquier

función continua que mapee los de un

conjunto universo clásico dado a elementos

al intervalo [0,1], las más comunes son:

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Sigmoide

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Diferencia entre 2 sigmoides

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Función Gaussiana

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Curvas basadas en Splines

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Función triangular

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

¿Cómo elegir la función de

membresía?

Hay varias formas, el método a elegir depende de la aplicación en particular

El método más sencillo es el Horizontal

Se basa en las respuestas de N expertos

La pregunta tiene el siguiente formato

¿Puede ser x considerado compatible con el concepto A?

Sólo se acepta un “si” o “no” por respuesta, Luego

A(x)=(Respuestas afirmativas)/N

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Otros Métodos

Vertical

Método de comparación de parejas (Saaty,1980)

Métodos basados en la especificación del

problema

Métodos basados en la optimización de

parámetros

Métodos basados en la Agrupación difusa (fuzzy

clustering)

Algoritmo “Fuzzy Isodata” (Bezdek,1981)

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Operaciones básicas sobre conjuntos

difusos

Las operaciones básicas en los conjuntos clásicos

son 3

Unión

Ej:

A={a,e,i,o,u}

B={b,c,d}

AUB={a,e,i,o,u,b,c,d}

A B A U B A U B

1 1 1 max(1,1)=1

1 0 1 max(1,0)=1

0 1 1 max(0,1)=1

0 0 0 max(0,0)=0

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Intersección

Ej

A={1,2,3}

B={2,3,4,5}

={2,3}

Complemento

Ej

A={1,2,3}

Comp(A)={4}

BA

A B

1 1 1 min(1,1)=1

1 0 0 min(1,0)=0

0 1 0 min(0,1)=0

0 0 0 min(0,0)=0

BA BA

5| xNxxXA Comp(A)

1 0

0 1

Operaciones básicas sobre conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

La extensión natural para las operaciones está

dada por

Unión difusa standard

Intersección difusa standard

Complemento difuso standard

)(),(max)( xBxAxBA

)(),(min)( xBxAxBA

)(1)( xAxAComp

Operaciones básicas sobre conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Operaciones básicas sobre conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Operaciones básicas sobre conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Operaciones básicas sobre conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Operaciones básicas sobre conjuntos

difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Aplicación sencilla

Supongamos que una persona cualquiera desea ir a

tomar una cerveza a un local tradicional, que la

cerveza sea barata y que el local quede cerca de su

casa

El dispone de 4 lugares conocidos

Tiene sed

Aquí podemos distinguir tres conjuntos difusos

1) Cerveza barata

2) Local tradicional

3) Cercanía a su hogar

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Para él :

Una cerveza barata es una que cueste alrededor de $1000 o menos

Un local tradicional es un local que al menos tenga 5 años funcionando.

Que quede cerca de su casa es que no quede a más de 10 manzanas.

Según las preferencias del individuo se pueden construir los siguientes conjuntos difusos

Aplicación sencilla

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Aplicación sencilla

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Aplicación sencilla

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Aplicación sencilla

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Debido al planteamiento debemos intersectar los

conjuntos

Precio Cerveza ($) Años de servicio (años) Cuadras

Local 1 1400 3 3

Local 2 800 7 12

Local 3 1000 4 9

Local 4 1250 5 10

Aplicación sencilla

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

La solución clásica impone que

Precio cerveza<=$1000

Años de servicio>=5 años

Cuadras<=10 cuadras

Como se deben intersectar los conjuntos, según la solución clásica el local debe estar a lo mas a 10 manzanas, tener a lo menos 5 años de servicio y que la cerveza cueste a lo más $1000

Aplicación sencilla

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Precio Cerveza ($) Años de servicio Cuadras

Solución

clásica

Local 1 0 0 1 0

Local 2 1 1 0 0

Local 3 1 0 1 0

Local 4 0 1 1 0

Precio Cerveza ($) Años de servicio Cuadras Solución difusa

Local 1 0,2 0,5 1 0,2

Local 2 1 1 0,6667 0,6667

Local 3 1 0,875 1 0,875

Local 4 0,5 1 1 0,5

Aplicación sencilla

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Mediante la solución clásica el individuo se

hubiera quedado en su hogar, lo cual no es

“consistente” con la hipótesis “Tiene Sed”.

Mediante la solución difusa deducimos que el

individuo posiblemente hubiera ido al Local 3 a

disfrutar su cerveza

Aplicación sencilla

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Complementos, t-normas

y t-conormas

Las operaciones básicas no son únicas

Existe una diversos tipos de complementos

difusos, de uniones difusas,llamadas t-

conormas, y de intersecciones difusas,

llamadas t-normas

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Complementos difusos

Dado un conjunto difuso A definido en X,tal que x X, por definición el complemento de A se puede interpretar como el grado en que x no pertenece a A

Comp= C : [0,1] —> [0,1]

Los complementos deben satisfacer los siguientes axiomas

AxC1: C(0)=1 y C(1)=0

AxC2: si Entonces

AxC3: C es una función continua

AxC4: C es involutiva Para cada a [0,1]

1,0, ba ba )(bCaC

aaCC )

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Tipos de complementos

Complemento Expresion Rango parámetros

Tipo umbral

Clase Sugeno

ClaseYager

ta

taaC

0

1)(

aaC

1

1)(

1

1)( aaC

aa

aaC

1

1)(

2

2

10 t

,1

,0

0

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

T- normas

La intersección de 2 conjuntos A y B es una operación binaria sobre el intervalo unitario

Una t-norma satisface los siguientes axiomas

AxI1:

AxI2:

AxI3:

AxI4:

1,01,01,0: i

)(),()( xBxAixBA

aai )1,(

),(),( daibaidb

),(),( abibai

),,(),,( dbaiidbiai

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

AxI5: es una función continua

AxI6:

AxI7:

i

aaai ),(

),(),( 22112121 baibaibbaa

T- normas

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Tipos de t-normas

T-norma Expresion Rango parámetros

Producto Algebraico

Diferencia Límite

Intersección

drástica

Yager

Schweizer & Sklar

babai ),(

)1,0max(),( babai

caso otro 0

1 cuando

1 cuando

),( ab

ba

bai

1

11,1min1),( babai

ppp babai1

1,0max),(

0

0p

1,0, ba

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

T- conormas

La unión de 2 conjuntos A y B es una operación binaria sobre el intervalo unitario

Una t-conorma satisface los siguientes axiomas

AxI1:

AxI2:

AxI3:

AxI4:

1,01,01,0: u

)(),()( xBxAuxBA

aau )0,(

),(),( daubaudb

),(),( abubau

),,(),,( dbauudbuau

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

AxI5: es una función continua

AxI6:

AxI7:

u

aaau ),(

),(),( 22112121 baubaubbaa

T- conormas

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Tipos de t-conormas

1,0, ba

T-conorma Expresion Rango parámetros

Suma Algebraico

Suma Límite

Unión drástica

Yager

Schweizer & Sklar

bababau ),(

),1min(),( babau

c a s o o tro 1

0 c ua nd o

0 c ua nd o

),( ab

ba

bau

1

,1min),( babau 0

0p pppbabau

1

111,0max1),(

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Flexibilidad de la matemática difusa

Mediante el siguiente teorema se pueden construir

nuevas t-conormas a partir de una dada

Teorema

Sea u una t-conorma y una función tal que

sea estrictamente creciente y continua en (0,1) y

que g(0)=0 y g(1)=1. Entonces la función U definido

por

Es una t-conorma

1,01,0: g

1,0, )(),(),( 1 babgagugbaU

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Donde

Consideremos

),1(z 1

)1(,0 )(

0, 0

)( 11

g

gzzg

z

zg

1,0, ),(

),(

)g( )(

),(

,1z 1

1,0 z

0, 0

)(

)(

2222

222222

22

1

2

babababaU

bababau

bbaag

abbabau

z

z

zg

aag

Flexibilidad de la matemática difusa

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Variables linguísticas

Una variable linguística es caracterizada por una quíntupla

Donde

x: Variable base (nombre de la variable)

T(x): Conjunto de términos linguísticos de x que refieren a la variable base

X: Conjunto universo

G: Es una regla sintáctica (gramática) para generar términos linguísticos

M: Es una regla semántica que asigna cada término

con su significado

MGXxTx ,,),(,

Tt

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Ejemplo de variable linguística

La velocidad puede ser interpretada como una variable

lingüística

T(velocidad) podría ser

T(velocidad)={lento, moderado, rápido, muy lento, mas o

menos rápido, ...}

Cada término es caracterizado por un número difuso

definido sobre un conjunto universal X=[0,100]

Podemos interpretar las etiquetas

Lento como “una velocidad menor a 40 Km/h”

Moderado como “una velocidad cercana a 55 Km/h”

Rápido como “una velocidad alrededor de 70 Km/h”

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Ejemplo de variable linguística

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Podemos encontrar el número difuso “muy

lento” o “mas o menos lento” a partir de

“lento”

10 (x)))( o (

1 )()(

pLentoxLentomenosmas

pxLentoxLentomuy

p

p

Ejemplo de variable linguística

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Ejemplo de variable linguística

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Implicaciones difusas

Caso clásico

es interpretado como

La interpretación completa de la implicación

material______cuantifica el grado de verdad en que la

proposición q es por lo menos tan verdad como p

qp qp

qp

caso Otro 0

)()( Si 1 qpqp

1 1 1

0 1 1

0 0 1

1 0 0

)( p )(q qp

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Usando la interpretación de la implicación

podemos definir la implicación difusa

Puede ser extendida por el operador de Kleene-

Dienes

Existen varios operadores de implicación difusa,

uno de los más utilizados en la práctica es el de

Mandani

qpqpqp

)(),(1max)()( xBxAxBxA

)(),(min)()( xBxAxBxA

Implicaciones difusas

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Otros operadores de implicación difusa

Nombre Definción

Early Zadeh

Lukasiewicz

Larsen

Estándar estricta

Gödel

Gaines

Yager

yx

),min(,1max yxx

yx 1,1minyx

caso Otro 0

Si 1 yx

caso Otro

Si 1

y

yx

caso Otro x

Si 1

y

yx

xy

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Teoría del Razonamiento aproximado

Fue introducida por Zadeh. Provee un potente mecanismo para razonar con información imprecisa o incierta

La más importante regla de inferencia es el Modus Ponens Generalizado (GMP)

Modus Ponens clásico dice

Que puede ser interpretado como

Si p es verdadero y es verdadero entonces q es verdadero

Premisa Si p entonces q

Hecho p

Consecuencia q

qp

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

La inferencia difusa de la implicación está basada

en la regla composicional de inferencia

Regla composicional de inferencia

Donde B’ está determinado por la siguiente composición

Que está dada por

Premisa Si x está en A entonces y está en B

Hecho x está en A'

Consecuencia y está en B'

BAAB ''

VvvuBAuAvBUu

,),(),('min)(' sup

Teoría del Razonamiento aproximado

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

En casos prácticos se utiliza la composición sup-T,

donde T es una t-norma

VvvuBAuATvB

Uu

,),(),(')(' sup

Teoría del Razonamiento aproximado

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Propiedades

Propiedad Básica

Si x está en A entonces y está en B Si la presión es grande entonces el volumen es pequeño

x está en A presion es grande

y está en B volumen es pequeño

Total indeterminación

Si x está en A entonces y está en B Si la presión es grande entonces el volumen es pequeño

x no está en A presión no es grande

y está indeterminado volumen indeterminado

Subconjunto

Si x está en A entonces y está en B Si la presión es muy grande entonces el volumen es pequeño

x está en presión es grande

y está en B volumen es pequeño

Superconjunto

Si x está en A entonces y está en B Si la presión es muy grande entonces el volumen es muy pequeño

x está en A' presión es grande

y está en volumen es pequeño

AA '

BB '

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Operaciones de Agregación

Son operaciones mediante las cuales se

puede llevar varios conjuntos difusos a

uno sólo

Una clase de operaciones de agregación es

la media generalizada

1

21

21

....),...,,(

n

AAAAAAh n

n

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Operadores OWA (Ordered weighted averaging operation)

Sea vector de pesos tal que

y

Una operación OWA es la función

Donde B es una permutación del vector A en el cual

los elementos son ordenados tal que

si para algún para Ej: Para x=x0

W=(0.5,0.2,0.3) A=(0.2,0.7,0.9)

B=(0.9,0.7,0.2)

H=0.5*0.9+0.2*0.7+0.3*0.2=0.65

nwwwW ,...,, 21

Niwi 1,0 11

n

i

iw

BWbwbwbwAAAh nnnw ,....... 221121

ji bb ji Nji ,

Operaciones de Agregación

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Métodos de Defuzificación

La salida de un proceso de inferencia es un

conjunto difuso, en procesos en línea se requieren

usualmente valores crisp

Algunos operadores de defuzificación

Operador centro de gravedad (Centroide):

Primer máximo(Som):

j

jj

zA

zAzz0

)(max)(|min0 wAzAzzw

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Criterio del máximo

Media de máximos (Mom): Se calcula la media de

los valores que maximizan a un conjunto difuso A

Centro de Area: Se calcula el valor que iguala el

área de A que queda a la derecha y a la izquierda

Ultimo máximo(Lom): Se calcula el mayor valor

de los que maximizan A

Bisector: Retorna el bisector del área de

defuzificación de A

0

0

)()(z

z

dxxAdxxA

)(max)(|0 wAzAzzw

Métodos de Defuzificación

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Mecanismos de inferencia

Asumamos por simplicidad que un sistema posee

2 reglas de la forma

R1: Si x está en A1 e y está en B1

Entonces z está en C1

también

R2: Si x está en A2 e y está en B2

Entonces z está en C2

Hecho: x es e y es

Consecuencia: z es C

0x 0y

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Mecanismo de Mandani

La implicación difusa es modelada por el operador de Mandani y la sentencia conectiva “también” por el operador max.

Procedimiento

Primero los niveles de cada regla

Luego la salida del sistema mediante

Para luego obtener una salida crisp mediante algún método de defuzificación

)()(

)()(

02022

01011

yBxA

yBxA

)()()( 2211 wCwCwC

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Mecanismo de Tsukamoto

Todos lo términos linguísticas deben tener funciones de

membresía monótonas

Procedimiento

Primero los niveles de cada regla

Los mecanismos de control crisp son computados

mediante las ecuaciones

Luego se encuentra el valor crisp de salida del sistema

mediante

)()(

)()(

02022

01011

yBxA

yBxA

21 y zz

)( 11 zC )( 22 zC

21

2211

0

zzz

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Mecanismo de Sugeno y Takagi (1985)

R1: Si x está en A1 e y está en B1 Entonces

también

R2: Si x está en A2 e y está en B2 Entonces

Hecho: x es e y es

Consecuencia:

Procedimiento

Primero

Luego se computa

Y la salida crisp

0x 0y

0z

yqxpz 111

yqxpz 222

)()(

)()(

02022

01011

yBxA

yBxA

01011 yqxpz

02022 yqxpz

21

22110

zzz

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Mecanismo de Larsen

La implicación difusa es modelada por el

operador de Larsen (producto usual) y las

sentencias “también” por el operador max

Procedimiento

Calcular

La función de salida

Y el valor crisp se obtiene por defuzificación

)()(

)()(

02022

01011

yBxA

yBxA

)()()( 2211 wCwCwC

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Controladores Difusos

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Modelación de un controlador de temperatura

para procesadores mediante lógica difusa: parte 1

Entradas al sistema

Temperatura: Medida con un termómetro en grados

Flujo de Información:Medida en porcentaje

Salida del sistema

Velocidad en RPM

La modelación se realizó para un procesador que poseía un ventilador de velocidad máxima 5000 Rpm

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Conjuntos difusos empleados

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Conjuntos difusos empleados

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Conjuntos difusos empleados

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Reglas R1: IF Temperatura es Alta y Procesamiento Alto

THEN Velocidad Alta

R2: IF Temperatura es Alta y Procesamiento Normal

THEN Velocidad Alta

R3: IF Temperatura es Media y Procesamiento Alto

THEN Velocidad Media

R4: IF Temperatura es Media y Procesamiento Normal

THEN Velocidad Media

R5: IF Temperatura es Baja y Procesamiento Alto

THEN Velocidad Baja

R6: IF Temperatura es Baja y Procesamiento Normal

THEN Velocidad Baja

Conjuntos difusos empleados

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Como mecanismo de inferencia se utilizó

el mecanismo de Mandani

Como método de defuzificación se

probaron varios disponibles en el software

Matlab • Centroid

• Bisector

• Mom

• Som

• Lom

Conjuntos difusos empleados

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Resultados

x0 (º) y0 (%)Vel centroide

(kRPM)

Vel Bisector

(kRPM)

Vel Mom

(kRPM)

Vel Som

(kRPM)

Vel Lom

(kRPM)

5 5 1,117 1,100 1,100 0,000 2,000

120 100 3,883 3,900 4,000 3,000 5,000

70 70 2,500 2,500 2,500 2,000 3,000

90 70 3,883 3,900 4,000 3,000 5,000

85 70 3,566 3,650 4,000 3,000 5,000

70 95 2,500 2,500 2,500 2,000 3,000

40 95 1,117 1,100 1,000 0,000 2,000

80 85 3,384 3,400 3,500 2,000 5,000

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Conclusiones de la modelación

Hay que combinar los métodos de

defuzificación para obtener mejores

resultados

Probar otros mecanismos de inferencia

Realizar mediciones para optimizar el

proceso y las funciones de membresía,

interiorizarse más en el problema

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

¿Cuándo ocupar lógica difusa?

Según Sur y Omron (1997)

En procesos complejos, si no existe un modelo de solución

sencillo

En procesos no lineales

Cuando haya que introducir la experiencia de un operador

“experto” que se base en conceptos imprecisos obtenidos de su

experiencia

Cuando ciertas partes del sistema a controlar son desconocidas y

no pueden medirse de forma fiable

Cuando el ajuste de una variable puede producir el desajuste de

otras

En general cuando se desea representar y operar con conceptos

que tengan imprecisión o incertidumbre

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Desventajas de la lógica difusa

Estabilidad

No hay garantía teórica que un sistema difuso no

tenga un comportamiento caótico y no siga siendo estable,

aunque tal posibilidad parece ser baja debido a los

resultados obtenidos hasta ahora

Capacidad de aprender

Son sistemas sin memoria, no poseen la capacidad de

aprender

La determinación de las funciones de membresía y

las reglas no siempre son sencillas

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Existe la mala concepción de que la lógica difusa

es algo “mágico” sin fundamento matemático

Verificación de los modelos y sistemas difusos

expertos requiere de gran cantidad de pruebas

Desventajas de la lógica difusa

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Aplicaciones históricas

En 1974 Mandani diseñó el primer sistema de control difuso experimental para un motor de vapor

En 1980 una compañía danesa (F.L.Smidth & Co. A/S) usa teoría difusa para control de un horno de cemento

En 1980 Fuji Electric Co. Ltda (Japón) implementa un sistema de inyección química para plantas purificadoras de agua

En 1987 empieza a funcionar el Regulador Automático De las Operaciones De Trenes Del Metro De Sendai (Japón) diseñado por el equipo Hitachi, ésta hace el viaje más cómoda al controlar las aceleraciones y frenadas en función de los pasajeros

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

En 1990 empiezan en Japón las aplicaciones domésticas,

tales como:

Lavadoras fuzzy

Ollas cocineras de Arroz (Cocedora de arroz de la marca

Zojirushi)

Cámaras de video y fotográficas,etc...

Aplicaciones históricas

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Aplicaciones Generales

Control de sistemas: Control de tráfico de vehículos,

Control de compuertas en plantas hidroeléctricas y

térmicas,ascensores, etc...

Predicción y optimización: Predicción de terremotos,

optimización de horarios, etc....

Reconocimiento de patrones y Visión por ordenador:

Seguimiento de objetos con cámara, reconocimiento de

letra manuscrita, de objetos, compensación de

vibraciones,etc..

Sistemas de información y conocimiento: Bases de datos,

sistemas expertos, etc...

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Trabajos a futuro

Aplicar Inteligencia computacional a

acústica, vibraciones y procesamiento de

señales

Aplicar específicamente lógica difusa en

evaluación de recintos

Ahondar más en el aspecto teórico de la

lógica difusa

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Conclusiones

Se desarrollaron algunos de los aspectos

fundamentales de la lógica difusa

Se presentaron aplicaciones sencillas para

ejemplificar las potencialidades

UCLM-ESI

Lu

is E

nri

qu

e S

án

ch

ez C

resp

o

Inte

lig

en

cia

Art

ific

ial

e In

gen

ieri

a d

el C

on

ocim

ien

to

Fuentes de información

G.Klir y B. Yuan, Fuzzy sets and fuzzy logic: theory and applications ,Prentice Hall PTR, 1995

R.R. Yager ed., Fuzzy sets and applications. Selected papers by L.A. Zadeh, John Wiley & Sons, New York, 1987)

R. Fuller, Neural Fuzzy Sistems, Abo Akademi University, 1995

Tutorial Lógica Difusa, Dpto. de Lenguajes y Ciencias de la Computación, Universidad de Málaga

Y. Pao, Adaptive pattern Recognition & Neural Networks, Addison-Wesley, 1989