- Artificial Intelligence
- Summary
Course Syllabus
Obiettivi
L’obiettivo del corso è quello di
mettere in grado lo studente di padroneggiare conoscenze e strumenti di base
necessari per affrontare la comprensione, l’utilizzo e la creazione di sistemi
di Intelligenza Artificiale, insieme alle capacità di analizzare classi di
problemi particolarmente adatti ad essere trattati con metodi e tecniche caratterizzanti
della disciplina.
L'Intelligenza Artificiale si è sviluppata affrontando una vasta gamma di problemi, dall'elaborazione del linguaggio naturale alla gestione di agenti autonomi in ambitnti coperativi, ramificandosi cosi in un ampio insieme di approcci metodologici e discipline più specifiche quali la rappresentazione della conoscenza, i sistemi multi-agente, l'apprendimento automatico, la robotica, etc.. Se in passato approcci metodologici differenti L'obiettivo più specifico di questo corso è pertanto duplice:
- fornire un quadro di insieme della disciplina incentrato sul concetto di agente intelligente, con l'obiettivo di mettere in condizione lo studente di inquadrare approcci metodologici diversi e discipline specifiche nell'ambito dello sviluppo di sistemi intelligenti.
- fornire un approfondimento su alcune tematiche di fondamentale importanza per lo sviluppo di sistemi intelligenti, ovvero sui principali approcci metodologici utilizzati oggi per rappresentare conoscenze e alimentare meccanismi inferenziali, supportando cosi la realizzazione di sistemi intelligenti applicati a problemi reali. In particolare, ci si concentrerà sul legame bidirezionale e sempre più importante tra rappresentazione della conoscenza e apprendimento automatico, con l'obiettivo di fornire agli studenti competenze utili per realizzare basi di conoscenza usando e integrando sia approcci di tipo logico che approcci basati su ragionamento automatico.
A supporto degli obiettivi sopra elencati verranno forniti strumenti concettuali, computazionali e metodologici per comprendere e sviluppare soluzioni innovative a problemi di automazione mediante tecniche avanzate di Intelligenza Artificiale. Il corso si rivolge studenti che ambiscano a inserirsi in ambienti lavorativi e di ricerca in cui prevalgano scelte innovative per la soluzione di problemi complessi e ambiti a forte valenza multidisciplinare.
Contenuti sintetici
Il corso adotta il paradigma ad agenti come strumento concettuale di base per inquadrare in maniera organica diversi probelmi e modelli proposti nell'Intelligenza Artificiale moderna. Usando tale paradigma come riferimento, verranno approfonditi alcuni aspetti salienti relativi all'elaborazione della conoscenza in sistemi multi-agente, quali: l'interazione tra agenti e il coordinamento tra agenti, la rappresentazione della conoscenza e l'inferenza, la percezione e l'estrazione di conoscenza, la comunicazione tra agenti e l'armonizzazione di conoscenze eterogenee, la relazione tra apprendimento e ragionamento. I temi approfonditi nel corso prevedono la selezione di modelli computazionali di
particolare impatto innovativo, adatti ad essere utilizzati per realizzare soluzioni innovative in scenari tecnologici
presenti e futuri, che richiedono soluzioni complesse.
In una prima parte del corso ci si
occuperà del paradigma ad agenti, dell’intelligenza artificiale collettiva e di
sistemi Multi-agent, dove il comportamento intelligente sia ottenuto tramite
l'azione e l'interazione di agenti intelligenti autonomi. Applicazioni di
esempio di questo paradigma saranno discusse in relazione al contesto della simulazione
di sistemi complessi e auto-organizzanti con l’illustrazione di esempi applicativi
su smart-cities, crowd-management e cyberphysical systems. Il corso prevede la
discussione di progetti, applicazioni reali, e casi di studio paradigmatici,
oltre favorire una visione multidisciplinare delle problematiche affrontate. La
seconda e più corposa parte del corso tratterà di intelligenza come capacità di inferire nuove conoscenze mediante ragionamento automatico e apprendimento; in questa parte del corso si studieranno
modelli per la rappresentazione e l’elaborazione semantica della conoscenza su
vasta scala, con particolare riferimento al Web, e a modelli formali e
tecnologici innovativi entrati ormai a far
parte delle tecnologie ICT più avanzate presenti sul mercato (si pensi a
sistemi come IBM Watson, al Google Knowledge Graph, a portali quali quelli
della BBC o del New York Times). Particolare enfasi verrà data alle tecniche di machine learning applicate a sistemi di gestione della conosenza. Infine si introdurrà uno dei temi più recenti nell'Intelligenza Artificiale contemporanea, ovvero lo sviluppo di sistemi neuro-simbolici, dove apprendimento e ragionamento vengono combinati in maniera nativa.
Programma esteso
1. Introduzione: apprendimento e ragionamento nell'Intelligenza Artificiale; interpretazione, ragionamento, previsione, controllo; il concetto di agente autonomo (definizione, classificazione, comportamento, modelli di agenti con riflessi semplici, con memoria, basati su obiettivi, basati sull'utilità).
2. Rappresentazione della conoscenze e ragionamento automatico: grafi di conoscenza; ontologie, regole di inferenza (RDFS, OWL, SWRL).
3. Introduzione alle tecniche per l'estrazione di conoscenza da documenti non strutturati: named entity recognition, entity linking, relation extraction.
4. Rappresentazione della conoscenza e reti neurali profonde: semantica distribuzionale; rappresentazioni in spazi vettoriali; apprendimento di rappresentazioni (knowledge graph
embeddings, link prediction, allineamento tra rappresentazioni); integrazione neuro-simbolica e problemi aperti
5. Modelli e meccanismi di
interazione nei multi-agent systems (MAS): collective artificial intelligence e sistemi complessi; modellazione,
simulazione, analisi di comportamenti auto-organizzanti; apprendimento per rinforzo
Prerequisiti
Conoscenze
logico-matematiche di base.
Modalità didattica
Lezioni frontali ed esercitazioni con i personal computer degli studenti. Uso della piattaforma Moodle. Seminari su applicazioni delle tecnologie semantiche a problemi reali da parte di experti del mondo dell'industria.
Il corso è tenuto in lingua Inglese.
Materiale didattico
Libri di testo:
S.J. Russell, P. Norvig, “Intelligenza Artificiale: un approccio moderno“, 2a edizione, Pearson - Prentice Hall, 2005 (volume 1)
J. Ferber, Multi-agent systems: An introduction to distributed artificial intelligence, Addison-Wesley Professional, 1999: sintesi a dispense disponibile sull’e.learning del Corso.
Tommaso Di Noia, Roberto De Virgilio, Eugenio Di Sciascio, Francesco M. Donin. Semantic Web. Tra ontologie e Open Data. 1° ed. (Apogeo, 2013), pp. 240
Libri consigliati:
C. Cornoldi, L'intelligenza, Il Mulino Ed., 2009. Cesare Cornoldi. Formicai, imperi, cervelli: introduzione alla scienza della Complessità (Il Mulino, 2007), pp. 235.
Grigoris Antoniou, Paul Groth, Frank van Harmelen, Rinke Hoekstra. A Semantic Web Primer (Information Systems) third edition. The MIT Press; third edition edition (August 24, 2012), pp. 288.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Semestre I
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La valutazione finale è costituita dall'aggregazione dei punteggi ottenuti in due valutazioni indipendenti.
- La prima valutazione è basata su un progetto d'esame o appprofondimento tematico, effettuato individualmente o in gruppo, e finalizzato all'approfondimento di un argomento specifico trattato nel corso o collegato ad argomenti trattati nel corso; progetto e approfondimento vengono entrambi discussi attraverso una presentazione orale supportata da slide della durata di 20 min circa; è possibile, durante la presentazione, includere una breve demo del progetto svolto; l'approfondimento consiste di una rassegna bibliografica su un argomento, in cui lo studente discute e compara soluzioni proposte nello stato dell'arte a uno specifico problema. La valutazione si basa su: significatività del progetto rispetto agli argomenti trattati nel corso, rigore metodologico (nei limiti di quanto ragionevole chiedere per un progetto d'esame); padronanza dell'argomento approfondito dimostrata durante la presentazione orale.
- La seconda valutazione è basata sulla verifica della conoscenza degli argomenti affrontati durante il corso mediante una delle seguenti modalità, scelta liberamente dallo studente:
- esame orale sostenuto in concomitanza con la discussione della prima prova
- due prove in itinere costituite da esercizi e domande aperte: una relativa ai primi argomenti trattati nel corso (agenti autonomi, modelli e meccanismi di interazione nei multi-agent systems) e una relativa agli argomenti trattati nella seconda parte del corso (rappresentazione della conoscenza, estrazione di informazioni, semantica distribuzionale).
Nel periodo di emergenza Covid-19, qualora non sia possibile effettuare esami scritti in presenza, le prove in itinere verranno sostituite da esercizi da effettuare individualmente e verificati durante l'esame orale.
Nel periodo di emergenza Covid-19 gli esami orali saranno solo telematici.
Verranno svolti utilizzando la piattaforma WebEx e nella pagina e-learning
dell'insegnamento verrà riportato un link pubblico per l'accesso all'esame di
possibili spettatori virtuali.
Orario di ricevimento
Su richiesta.
Aims
The
aim of the course is to enable the student to master the knowledge and
basic tools necessary to comprehend, use and create Artificial Intelligence systems, together with the ability to analyze
classes of problems particularly suitable to be solved with methods and techniques that characterize the discipline. Because of the
practical and at the same time explorative nature of Artificial
Intelligence, the course has the objective of discussing how to discriminate between solutions that can be applied in industrial settings and innovative directions of
research in this field. The students will be given conceptual,
computational and basic methodological tools to
understand and develop innovative solutions to automation problems
through advanced Artificial Intelligence techniques. The
course is aimed at students who aspire to enter into work and research
environments where innovative choices prevail for the solution of
complex problems and areas with a strong multidisciplinary component.
Contents
The course leverage the Agent-based Paradigm as a conceptual tool to frame and connect different problems and computational models addressed by contemporary Artificial Intelligence. Using this paradigm as a reference, several prominent aspects of knowledge processing will be vertically discussed duirng the course: interaction, coordination and collective intelligence; knowledge representation and reasoning; knowledge acquisition and perception; communication and harmonization between different representations; the deep relationthip between learning and reasoning.
The topics addressed in the course are based on a selection of computational models that are deemed impactful on a large number of innovative technological scenarios of today and tomorrow that requires complex knowledge-based solutions.
The first, shorter,
part of the course will deal with the agent-based AI Paradigm, Multi-agent
systems (MAS) and collective AI; in this part of the course, students will be
introduced to models whose intelligent overall behavior is resulting from the
action and interaction of agents that are not necessarily characterized by a
sophisticated individual behavior. Exemplary applications of this paradigm will
be discussed in relation to the simulation of complex systems,
self-organization and ambient intelligence. During the classes the presentation
and critical discussion of advanced AI based real projects and paradigmatic
case studies will be provided, in order to introduce also the multidisciplinary
scenario of the faced problems. The second part of the course will deal with intelligence
as the ability of an agent to elaborate symbolic information, to link it
together and to infer new knowledge using automatic reasoning methods; in this part of the course we will
study semantic models for the acquisition, representation and processing of knowledge at a
large scale, with reference to innovative techniques now part of the most
advanced ICT technologies on the market (think of systems such as IBM Watson and the
Google Knowledge Graph). Particular emphasis will be devoted to automatic learning techniques
applied to the representation of knowledge and its exploration. Finally, we will discuss one of the most hot direction of contemporary Artificial Intelligence, i.e., the native integration of machine learning and knowledge representation technologies, often referred to as neuro-symbolic integration.
Detailed program
1. Introduction: learning and reasoning in Artificial Intelligence; interpretation, reasoning, prevision and control; autonomous agents (definition, classification, behavior, agent-bases models with simple reflexes, with memory, goal-based and utility-based).
2. Knowledge representation and reasoning: knowledge graphs, ontologies, inference rules (RDFS, OWL, SWRL).
3. Introduction to information extraction from unstructured data: named entity recognition, entity linking, relation extraction.
4. Knowledge representation and deep learning: distributional semantics, representation in vector spaces; representation learning (knowledge graph embeddings, link prediction, alignment between representation spaces); neuro-symbolic integration and open problems.
5. Models and
interaction mechanisms in multi-agent systems (MAS); collective
Artificial Intelligence and complex systems; modeling, simulation, and analysis of self-organizing
behavior; reinforcement learning.
Prerequisites
Basic knowledge of logics
and mathematics.
Teaching form
Lectures and exercise with students' personal computers. Moodle e-learning platform. Seminars about usage of semantics in real-world applications given by experts from the industry.
The course is teached in English.Textbook and teaching resource
Textbooks :
S.J. Russell, P. Norvig, “Intelligenza Artificiale: un approccio moderno“, 2a edizione, Pearson - Prentice Hall, 2005 (volume 1)
J. Ferber, Multi-agent systems: An introduction to distributed artificial intelligence, Addison-Wesley Professional, 1999: sintesi a dispense disponibile sull’e.learning del Corso.
Tommaso Di Noia, Roberto De Virgilio, Eugenio Di Sciascio, Francesco M. Donin. Semantic Web. Tra ontologie e Open Data. 1° ed. (Apogeo, 2013), pp. 240
Recommended reading:
C. Cornoldi, L'intelligenza, Il Mulino Ed., 2009. Cesare Cornoldi. Formicai, imperi, cervelli: introduzione alla scienza della Complessità (Il Mulino, 2007), pp. 235.
Grigoris Antoniou, Paul Groth, Frank van Harmelen, Rinke Hoekstra. A Semantic Web Primer (Information Systems) third edition. The MIT Press; third edition edition (August 24, 2012), pp. 288.
Semester
Semester II
Assessment method
The final evaluation consists of the aggregation of the scores obtained in two independent assessments.
- The first assessment is based on an exam-tailored project or a survey, carried out individually or in groups, and aimed at bringing the student to have an in-depth knowledge and/or hands-on experience of a specific topic covered in the course or linked to topics covered in the course; the project and the survey are both discussed through an oral presentation supported by slides lasting about 20 minutes; it is possible, during the presentation, to include a short demo of the project; the survey consists of a bibliographic review on a topic, in which the student discusses and compares proposed solutions in the state of the art to a specific problem of interest for him. The evaluation is based on: significance of the project with respect to the topics covered in the course, methodological soundness (within the limits of what is reasonable to ask for an exam project); mastery of the in-depth topic demonstrated during the oral presentation.
- The second assessment is based on the verification of the knowledge acquired by the student about the topics addressed during the course in one of the following ways, freely chosen by the student:
- oral exam taken in conjunction with the discussion of the first evaluation;
- two ongoing tests consisting of exercises and open questions: one related to the topics covered in the first part of the course (autonomous agents, multi-agent systems and interaction), and one related to the topics covered in the second part of the course (knowledge representation, information extraction, models for knowledge exploration, representation learning).
In the Covid-19 emergency period, if it is not possible to carry out written exams in the presence, the ongoing tests will be replaced by assignments to be carried out individually and verified during the oral exam.
During the Covid-19 emergency period, oral exams will be online only.
They will be hosted using the WebEx platform and a public link will be published on the e-learning page to grant access to virtual spectators.
Office hours
On demand.