- 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 (IA), insieme alle capacità di analizzare classi di problemi e relative soluzioni basate su IA.
L'Intelligenza Artificiale si è sviluppata affrontando una vasta gamma di problemi, dalla risposta a domande complesse in 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.. Laddove alcune tecniche specifiche per la soluzione di questi problemi sono affrontate anche in altri corsi, questo corso si prefigge un duplice obiettivo:
- fornire un quadro di insieme della disciplina incentrato sul concetto di agente intelligente, mettendo in condizione lo studente di inquadrare criticamente problemi, soluzioni e approcci metodologici specifici nell'ambito dello sviluppo di sistemi intelligenti.
- fornire un approfondimento su alcune tematiche e soluzioni di particolare importanza per lo sviluppo di sistemi intelligenti oggi, ovvero: 1) IA autonoma, 2) IA incorportata (“embodied”) e affettiva, 3) IA basata su conoscenza e apprendimento.
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.
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. In particolare si caratterizzeranno gli agenti dal punto di vista dell’autonomia e di rapporti quali quello tra agente ed ambiente, comportamento e percezione, e comportamento e conoscenza.
Una seconda parte del corso è dedicato alla modellazione del comportamento di agenti intelligenti in funzione della percezione mediante sensori, del coordinamento in sistemi multi-agente. Verranno discussi modelli per la simulazione mediante sistemi multi-agente, per la modellazione della percezione mediante sensori in sistemi complessi, e per l’affective computing. Le applicazioni discusse in questa parte riguardano sistemi per la simulazione, e sistemi basati sul comportamento adattivo degli agenti.
Una terza parte del corso è dedicato all’Intelligenza Artificiale basata su conoscenza, con particolare attenzione al rapporto tra conoscenza e apprendimento e a quello tra linguaggio e pensiero. Verrà introdotto il tema della modellazione e’apprendimento di rappresentazioni linguistiche, come nel caso dei large language model, e di rappresentazione strutturate, come nel caso dei knowledge graph e di basi di conoscenza neuo-simboliche. Le applicazioni coperte in questa parte del corso si riferiscono a tutte quelle applicazioni fortemente basate sulla modellazione e il recupero di conoscenze sul mondo in sistemi ibridi, ovvero basati sull’integrazione di rappresentazioni simboliche e sub-simboliche, quali question answering, modellazione di sistemi di AI “FAIR”, e analisi di quantità massive di dati, etc.
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. Modelli e meccanismi di interazione nei multi-agent systems (MAS): collective artificial intelligence e sistemi complessi; modellazione, simulazione, analisi di comportamenti auto-organizzanti;
3. Sensori e affective computing: modellazione, simulazione, analisi di comportamenti auto-organizzanti;
4. Dalla rappresentazione della conoscenza all’apprendimento di rappresentazioni mediante neural network: basi di conoscenza, knowledge graph e ontologie; apprendimento di rappresentazioni linguistiche, word embeddings, e large language models (BERT, GPT-X); apprendimento di rappresentazioni di grafi di conoscenza mediante neural network: knowledge graph embeddings;
5. Integrare conoscenza e apprendimento: estrazione di informazioni e costruzione di basi di conoscenza (Named Entity Recognition, Named Entity Linking, estrazione di relazioni); modelli di IA neuro-symbolici (Logic Tensor Network).
Prerequisiti
Conoscenze logico-matematiche di base. Conoscenze relative all'apprendimento automatico e alle reti neurali profonde.
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 svolgimento di esercizi pratici da discutere durante l'orale.
Orario di ricevimento
Su richiesta.
Sustainable Development Goals
Aims
The objective of the course is to enable students to master the basic knowledge and tools necessary to understand, use, and create Artificial Intelligence (AI) systems, along with the ability to analyze different classes of problems and solutions based on AI.
Artificial Intelligence has developed by addressing a wide range of problems, from question answering to the management of autonomous agents in cooperative environments, branching out into a broad set of methodological approaches and more specific disciplines such as knowledge representation, multi-agent systems, machine learning, robotics, etc. While some specific techniques for solving these problems are also addressed in other courses, this course has a dual objective:
- Provide an overview of the discipline focused on the concept of intelligent agent, enabling students to critically frame problems, solutions, and specific methodological approaches within the development of intelligent systems.
- Provide an in-depth exploration of some themes and solutions of particular importance for the development of intelligent systems today, namely: 1) autonomous AI, 2) embodied and affective AI, 3) knowledge-based and learning-based AI.
Students will be given conceptual, computational, and methodological tools to understand and develop innovative solutions to automation problems through advanced Artificial Intelligence techniques.
Contents
The course adopts an agent-based paradigm as a conceptual model to organically frame various problems and models proposed in modern Artificial Intelligence. In particular, agents will be characterized from the perspective of autonomy and relationships such as those between agent and environment, behavior and perception, and behavior and knowledge.
A second part of the course is dedicated to modeling the behavior of intelligent agents based on perception through sensors and coordination in multi-agent systems. Models for simulation through multi-agent systems, perception modeling through sensors in complex systems, and affective computing will be discussed. The applications covered in this part pertain to simulation systems and systems based on the adaptive behavior of agents.
A third part of the course is dedicated to knowledge-based Artificial Intelligence, with particular attention to the relationship between knowledge and learning, as well as the relationship between language and thought. The topic of modeling and learning linguistic representations will be introduced, as seen in large language models, as well as structured representation, as seen in knowledge graphs and neuro-symbolic knowledge bases. The applications covered in this part of the course refer to all those applications strongly based on the modeling and retrieval of knowledge about the world in hybrid systems, which integrate symbolic and sub-symbolic representations. Examples of such applications include question answering, modeling "FAIR" AI systems, and analysis of massive amounts of data, among others.
Detailed program
1. Introduction: learning and reasoning in Artificial Intelligence; interpretation, reasoning, prediction, control; the concept of autonomous agent (definition, classification, behavior, models of agents with simple reflexes, with memory, goal-based, utility-based).
2. Models and mechanisms of interaction in Multi-Agent Systems (MAS): collective artificial intelligence and complex systems; modeling, simulation, analysis of self-organizing behaviors.
3. Sensors and affective computing: modeling, simulation, analysis of self-organizing behaviors.
4. From knowledge representation to representation learning: knowledge bases, knowledge graphs, and ontologies; learning linguistic representations, word embeddings, and large language models (BERT, GPT-X); learning representations of knowledge graphs using neural networks: knowledge graph embeddings.
5. End-to-end integration of knowledge and learning: information extraction and knowledge base construction (Named Entity Recognition, Named Entity Linking, relation extraction); neuro-symbolic AI models (Logic Tensor Network).
Prerequisites
Basic knowledge of logics and mathematics. Basic knowledge about machine learning and deep neural networks.
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 I
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 by the execution of assignments related to these topics.
Office hours
On demand.