¿Que es un estado?
En la teoría del control moderna ampliamente entendida (análisis
de sistemas, modelado, simulación, diseño, y supervisión)
la idea de estado físico de un sistema dinámico se usa a
menudo. Según [Kwakernaak
and Sivan, 1991] la idea de estado originada en la física se
introdujo en la teoría del control a finales de años cincuenta.
En este tiempo se ha vuelto tan popular, que algunos libros de texto modernos
en control ''lo dan por entendido '' sin hacer ningun analisis, incluso
superficial, de este concepto. La definición común es parecida
a [Dorf and Bishop, 1995]:
Consideremos un sistema dinámico con entrada u(t) y salida y(t).
Supongamos que estamos interesados en predecir el comportamiento de sistema
y(t) para a partir de
un instante de tiempo
.
Por supuesto, debemos saber la función de entrada u(t) para
,
pero la observación y la experiencia muestran de que no sería
bastante. También debemos saber u(t) para cualquier
.
De hecho, cuando el sistema es dinámico, puede acumular (recordar)
las influencias pasadas, y esta historia acumulada puede influir en el
comportamiento futuro. La historia acumulada es lo que nosotros llamamos
el estado del sistema. Se requiere que los estados cubran la totalidad
de influencias pasadas, para que el conocimiento de estado actual permita
una única predicción del comportamiento futuro del sistema,
sólo junto con el control futuro. La caracterización de la
influencia pasada mediante la especificación del estado del sistema
debe ser completa.
En el dominio de la teoría del control clásica, muchos autores (implícitamente) ponen por delante otro requisito: la descripción de estado debe ser mínima, es decir, ningún subconjunto apropiado de variables de estado mantiene la propiedad de ser un caracterización de estado completa. Esto parece más natural - si el estado es conocido puede calcularse cualquier otra caracterización de estado -; no hay ninguna necesidad de una representación más compleja, ya que el trato directo con esta representación más compleja puede ser problemático. Por ejemplo, si una variable de estado depende funcionalmente de otra, no cualquier combinación de variables de estado define un estado admisible. Esta dependencia funcional siempre puede agregarse a las ecuaciones de estado como restricción adicional haciendo la descripción del sistema sobre-restringida, y más difícil de tratar con la base de matemática clásica. Sin embargo, en sistemas basados en conocimiento, no debería insistirse en tener descripciones de estado es completas y especialmente mínimas: en ciertos casos puede ser más conveniente tener descripciones de estado máximas. También la descripción de estado incompleta juega un papel importante en el modelado basado en conocimiento de sistemas dinámicos (sin embargo, no necesariamente en los descritos mediante un vector de estado numérico y ecuaciones diferenciales de estado).
Otro comentario es que para muchos sistemas la representación de estado no es única. La elección de variables de estado depende de las preferencias del usuario, y normalmente no tiene influencia en los resultados del análisis, en el caso de los sistemas clásico considerados dentro de la teoría del control. En sistemas basados en conocimiento, sin embargo, la opción apropiada de representación (máxima en el peor caso) puede tener influencia en las posibilidades de comportamiento del sistema de modelado o a la hora de encontrar solución a ciertos problemas.
En [Lunze, 1994] se realiza un análisis del concepto de estado en teoría de sistemas (control automático) versus la noción de estado en AI. Con uso de un sistema de ejemplo de dos tanques, se construyen sistemas analíticos y basados en reglas como modelos para los tanques. En el modelo analítico el estado se representa por un vector de dos variables numéricas (los niveles de agua en los dos tanques). En el modelo de la base de conocimiento el estado se representa de forma cualitativa, utilizando regiones del espacio de estado original. Se especifican los límites de las regiones mediante condiciones lógicas referidas a valores umbral. El conocimiento incompleto sobre el estado del sistema (característica cualitativa) se compensa mediante el conocimiento memorizado del algoritmo de búsqueda usado para modelar el comportamiento del sistema.
El planteamiento anterior se limita principalmente a sistemas dinámicos con modelos en forma de ecuaciones diferenciales. Sin embargo, ¿qué puede decirse sobre el estado de sistemas que es imposible modelar con estas ecuaciones? ¿Qué ocurre si las características de comportamiento del sistema incluyen atributos, términos lingüísticos y relaciones? ¿Qué ocurre si el estado futuro es imprevisible?
A continuación se presenta una estructura general para la representación de estado en sistemas basados en conocimiento. Las consideraciones se basan en la asunción que la representación de conocimiento se hace mediante el uso de cálculo de predicados de primer orden o lógicas similares. En el caso de formalismo de representación de conocimiento diferentes pueden ser necesarias una interpretación apropiada y la "transfiguración" de las formulas de estado y situación.
Primero, se definen las fórmulas básicas que describen los estados del sistema. Se suponen fórmulas que describen estados que contienen toda la información acerca de los mismos, llamadas fórmulas-estado. Pasemos a la descripción parcial de estado. Una fórmula que expresa sólo parte de la información puede aplicarse a más de un estado físico, así se dice que describe un conjunto de estados, llamado situación. Esta fórmula se llamará fórmula de situación (también: contexto, familia de estados). Siguiendo la descripción de estados y situaciones, se introducen algunos funcionamientos básicos en fórmulas de situación.
Estados y fórmulas de estado
Primero, para cualquier sistema físico realista, no es factible (es absolutamente imposible) representar toda la información acerca del estado de este sistema en un cierto instante de tiempo, sobre todo mediante el uso de expresiones finitas. Es más, teniendo en cuenta la aplicación de las expresiones de representación de conocimiento tratadas, la mayoría de la información representada se desechará, ya que será innecesaria para la tarea específica que este realizándose. Así, el formalismo de representación de conocimiento debe tener en cuenta la aplicación probable del conocimiento representado.
Destaquemos también que la representación humana del conocimiento
normalmente se ajusta a algunos propósitos específicos (aplicaciones),
aun cuando el sistema considerado sea el mismo. Consideremos un ordenador
personal como sistema de ejemplo. Desde el punto de vista de decoración
interior, características como la colocación, orientación
del monitor, tamaño, forma y color serán probablemente de
interés. Para el usuario del sistema, el software accesible, el
tamaño de memoria, aceleración, configuración, etc.,
también serán de interés. Para el gerente de la empresa
puede ser interesante si la computadora está operativa o averiada,
cual es la eficacia media y qué clase de problemas pueden resolverse
actualmente con su uso. Desde punto de vista de programación, pueden
ser interesantes cosas como el número, capacidad y volúmenes
actuales de los registros así como la asignación de memoria.
Note que, lo que constituye una información crucial para algunos
usuarios, puede ser innecesario, malgastador o incluso perturbador para
los otros. Estas observaciones dan lugar a postular lo siguiente acerca
de la representación de conocimiento sobre los estados del sistema.
Presentemos otro problema en relación con la representación de conocimiento lógica mediante un sistema que incluya el signo de negación (éste es nuestro caso). Si realmente toda la información verdadera debe estar presente en las expresiones que describen el estado, entonces toda la información que de hecho no es verdad también debe especificarse precedida por el signo de negación. Esto llevaría obviamente a expresiones torpes de poco valor práctico. En cambio, puede asumirse que sólo la información positiva se presenta explícitamente, y que cualquier cosa no declarada explícitamente puede asumirse como falsa. Éste, de hecho, es el acercamiento usado en teoría de bases de datos relacionales o sistemas de información y se aplica ampliamente en Inteligencia Artificial bajo la asunción de mundo cerrado. Lo siguiente el postulado intenta resumir esta simple observación.
Definición. Una fórmula de estado de algún estado
es la única fórmula simple
(en
no hay ninguna variable)
que contiene todos los hechos verdaderos en este estado (sólo los
positivos) posibles de expresar mediante los símbolos predicativos
de P y las constantes de C.
Claramente, cualquier estado
tiene una única fórmula de estado correspondiente. Intuitivamente,
una fórmula de estado correspondiente a algún estado s es
una conjunción de todos los hechos que son verdad en este estado
y es posible expresarlos en el idioma supuesto. Principalmente, por razones
prácticas, se consideran sistemas que tienen fórmulas de
estado finitas. Destaquemos también la idea de que la fórmula
de estado introducida anteriormente es un tipo de noción teórica
conveniente para consideraciones posteriores. En la práctica, son
posibles varias realizaciones, que van desde las conjunciones simples de
proposiciones (en lógica proposicional) a "teorías" definiendo
el estado actual y las propiedades del sistema. Contrariamente a la automática
clásica y al vector de estado, se asume que la fórmula de
estado es máxima; esto se hace tanto por razones prácticas
(no es una tarea trivial el encontrar representaciones mínimas para
sistemas complejos y, además, no son únicas; además
no hay ninguna manera fácil de compararlas y, sobre todo, para inferir
todo el conocimiento que proviene de una descripción mínima)
y por razones teóricas (ya que es única y contiene toda la
información, esto simplifica la discusión). Sin embargo,
en aplicaciones prácticas este concepto puede restringirse y modificarse.
Para clarificar las ideas anteriores consideraremos un ejemplo completo
de sistema simple y una de sus posibles representaciones. Consideremos
el sistema compuesto simplemente por un solo deposito con un parámetro
cualitativo wl que es el nivel de agua; el atributo wl puede tomar los
siguientes valores .
Otro parámetro cualitativo dwl es la derivada cualitativa del nivel
de agua y puede valer
dependiendo del signo de la derivada. Existe un atributo binario, system,
que puede valer on o off dependiendo de si el sistema está encendido
o apagado. Existen también dos fórmulas proposicionales,
water_in y water_out, que valen truth si y sólo si se está
vertiendo agua hacia dentro o hacia fuera. El sistema está compuesto
de un tanque, una válvula de abastecimiento de agua, una válvula
de salida de agua, un sensor de nivel y otro para medir la derivada del
nivel. El sistema se muestra en lo siguiente diagrama de estado particular.
La fórmula de estado que describe el estado del sistema mostrado
será:
Hagamos algunas observaciones simples a partir del ejemplo anterior. Puede verse fácilmente, incluso dentro de la representación propuesta, que las fórmulas de estado son redundantes. Sin embargo, esto se hace a propósito. Sería difícil encontrar y guardar una representación mínima en la práctica. Además, como ya se ha mencionado, esta representación no sería única. Cualquier representación mínima también sería inoportuna por lo menos por dos razones. Primero, el sistema de razonamiento tendría que invocar un motor de inferencia específico del dominio para determinar qué otros hechos son verdad. Es más, en caso de cualquier cambio en el sistema, es probable que la representación "minima" no sea suficiente. Para ver esto imaginar que el sistema se agranda con más válvulas, etc. Si no se tiene ninguna información explícita sobre dwl, sería imposible determinarlo a partir del estado de las válvulas sabiendo sólo si algunas están cerrados y otras abiertas (tanto para anadir agua como para sacarla). La dificultad anterior proviene del hecho que nuestra deducción anterior asumió implícitamente que los recursos del sistema están limitados (que era un tipo de deducción no monotonica).
Tengamos en cuenta también que, para un sistema dado, son posibles varios idiomas de representación, aun cuando se dé el nivel de abstracción apropiado para la representación de conocimiento. Por ejemplo, en el sistema anterior pueden usarse predicados, fórmulas proposicionales o atributos binarios, etc. En general, la opción por determinados predicados dependerá de muchos factores, incluyendo características específicas del dominio, expresiones usadas habitualmente y preferencias del usuario.
Situaciones y fórmulas de la situación
Como en el ejemplo mostrado anteriormente, en algunos sistemas simples pueden usarse fórmulas de estado para describir los estados del sistema completamente, (como se ha declarado por definición). Sin embargo, en el caso de sistemas más complejos el uso de fórmulas de estado completas puede no ser factible, simplemente debido a su longitud. Además, probablemente no toda la información dada por una fórmula de estado será de interés primordial en cualquier instante de tiempo. Aún más, en ciertos casos sólo puede estar disponible información incompleta. Esto da lugar al uso de una especificación parcial del conocimiento que involucran los estados físicos.
Existe también otro propósito en el uso de especificaciones de conocimiento incompletas. Estas especificaciones proporcionan condiciones de hecho más débiles acerca del estado descrito, y como tales pueden aplicarse a más de un estado físico. Así, pueden usarse estas características técnicas incompletas para describir conjuntos de estados.
Sea S un espacio de estado de un sistema. Cualquier conjunto se
llamará situación. Como antes, P denota un conjunto finito
de predicados seleccionados que representan las relaciones de interés
que involucra el sistema, y S es el espacio de estado del sistema. Para
cualquier subconjunto
se define una fórmula de la situación que describe todos
los estados de la situación y sólo ellos, con respecto a
la interpretación supuesta y al conjunto de predicados seleccionados.
Definición. Una fórmula de situación de una situación ,
es cualquier fórmula
más general que cualquier fórmula de estado para el estado
,
es decir,
para
(donde
es una fórmula
del estado
), y simultáneamente
no generaliza ninguna otra fórmula de estado.
Con respecto a la definición anterior, una fórmula de situación es cualquier fórmula más general que cualquier fórmula de estado de cualquier estado que pertenezca a esta situación, pero, simultáneamente, tal que no generaliza ninguna otra fórmula de estado. Note que, cualquier fórmula del estado es de hecho una fórmula de situación para una situación que sólo consiste en este estado (una situación de un solo elemento). Puede observarse que dos fórmulas del estado son incomparables con respecto a la generalización, es decir, ninguna de ellas puede ser más general que la otra. Si uno de ellas fuera más general que la otra, sería una fórmula de la situación automáticamente, ignoraría la condición de especificación de conocimiento completo. Puede observarse que cualquier fórmula es una fórmula de situación para alguna situación (posiblemente una situación vacía). También es importante que, dentro de un idioma, es posible crear una fórmula de situación para cualquier situación. Esta posibilidad se asegura porque la fórmula puede tomar la forma de disyunción de fórmulas de estado de todos y sólo de los estados que pertenecen a la situación. Sin embargo, no es cierto que cada situación pueda ser representada por una fórmula conjunta simple. No hay en general, es más, ni una-a-una correspondencia entre las situaciones y fórmulas de situación. Para una situación dada puede existir más de una fórmula de situación.
La aplicación principal de fórmulas de situación
incluye representación parcial de estados del sistema y, sobre todo,
la especificación de condiciones, restricciones, requisitos, etc.,
especificando algunos grupos de estados de interés, como alarmas
o situaciones peligrosas, condiciones previas de reglas, etc. Por ejemplo,
una fórmula de situación
especifica todos los estados potencialmente peligrosos que pueden ocurrir
antes de un desbordamiento. Como para el estado del ejemplo
,
este estado puede ser considerado como peligroso, y en esta situación
se genera una alarma.