• Descripció

Des dels inicis de la intel·ligència artificial (IA) s'ha somiat amb màquines capaces de "pensar" de manera semblant a com ho fem els éssers humans. Lluny d'aconseguir aquest ambiciós objectiu, en les últimes dècades i anys hem vist com es van aconseguir superar importants reptes en àmbits o problemes molt concrets. Per exemple, el 1997 l'ordinador Deep Blue d'IBM va ser capaç de guanyar als escacs al campió mundial Garry Kasparov. Encara saber jugar correctament als escacs és un problema molt complex per als éssers humans, aquest es regeix per una sèrie de normes estrictes i en un entorn molt delimitat i perfectament especificat. Això fa que el que és una tasca complexa (o molt complexa) per a una persona, sigui una tasca "fàcil" d'implementar en un computador. Els computadors, per regla general, es manegen bé en els escenaris formals. És a dir, escenaris tancats, regits per regles i amb un conjunt d'actors finit.

Per contra, algunes de les accions més elementals i intuïtives per als humans, com ara reconèixer una persona, un animal o un objecte, poden ser tasques tremendament complexes de resoldre per a un computador. La principal dificultat rau en el fet que, en aquests casos, no és fàcil formalitzar els conceptes abstractes que apareixen en aquests escenaris. Definir formalment els conceptes abstractes relacionats amb aquests escenaris és terriblement complex. La representació dels conceptes esdevé un punt clau en la implementació de models, i en el cas dels conceptes abstractes, la complexitat de la tasca dificulta enormement que pugui ser implementat mitjançant els models d'IA clàssics.

A causa de la dificultat per introduir aquest tipus de coneixement a priori en els models, s'ha optat per utilitzar models que siguin capaços d'extreure el seu propi coneixement a partir de les dades. Aquesta àrea s'ha anomenat aprenentatge automàtic o machine learning. Hi ha multitud de tècniques i models que permeten aprendre a partir d'un conjunt de dades, com ara models de regressió, arbres de decisió o les màquines de vectors suport (SVM, support vector machine). En molts casos, els models són capaços d'aprendre patrons a partir de les dades, però no són capaços d'aprendre conceptes abstractes i complexos a partir d'aquestes dades.

El concepte de deep learning (o aprenentatge profund) apareix com un subconjunt, dins de l'aprenentatge automàtic, on es persegueix crear models que siguin capaços de representar conceptes complexos i / o abstractes a partir de conceptes més senzills. És a dir, el model és capaç de crear de forma automàtica una jerarquia de conceptes, començant per conceptes simples, i anar barrejant aquests conceptes més simples per anar creant conceptes cada vegada més complexos. Això permet definir conceptes abstractes com composicions de conceptes molt més simples. Quan aquesta jerarquia de conceptes té múltiples capes, parlem de la "profunditat" del model. És aquí on apareix el concepte d'aprenentatge profund o deep learning.

Tot i que actualment s'associa el concepte de deep learning amb les xarxes neuronals, hi ha altres models d'aprenentatge automàtic que també són capaços de compondre conceptes a partir d'una jerarquia de conceptes més simples. Tot i això, en aquesta assignatura ens centrarem en les diferents varietats de xarxes neuronals profundes, concreatemente xarxes neuronals convolucionals (CNN, convolutional neural networks) i xarxes recurrents (RNN, recurrent neural networks), que actualment representen l'estat de l'art en deep learning.

• L'assignatura en el conjunt del pla d'estudis

Aquesta assignatura pertany al conjunt d'assignatures optatives dins del Màster universitari en Ciència de dades (Data Science).

• Camps professionals en què es projecta

L'objectiu del màster és la formació de professionals en la ciència de dades. Aquesta assignatura, específicament, es focalitza en els camps relacionats amb l'anàlisi d'imatges i de seqüències (com per exemple text o sèries temporals) emprant algoritmes d'aprenentatge profund (o deep learning), en concret xarxes neuronals convolucionals i xarxes neuronals recurrents.

• Coneixements previs

Per a la realització d'aquesta assignatura es pressuposen coneixements de programació (principalment en llenguatge Python), així com coneixements de mineria de dades o aprenentatge automàtic (machine learning).

Es recomana haver cursat l'assignatura "Models Avançats de Mineria de Dades" abans de cursar aquesta assignatura.

A més, com la metodologia inclou estudis de casos i la investigació autònoma d'informació, és aconsellable que l'estudiant estigui familiaritzat amb la recerca de fonts d'informació, l'anàlisi de la informació quantitativa i qualitativa, la capacitat de sintetitzar i obtenir conclusions així com de posseir certes habilitats de comunicació escrita.

Finalment, donada la naturalesa de l'assignatura, és necessari utilitzar eines, materials addicionals i procediments descrits en llengua anglesa, de manera que un nivell bàsic de lectura i comprensió de textos tècnics és imprescindible.

• Informació prèvia a la matrícula

Alguns dels continguts d'aquesta assignatura s'han d'estudiar a partir de materials i recursos escrits en anglès.

• Objectius i competències

Aquesta assignatura, dissenyada d'acord amb el Reial decret d'organització dels ensenyaments universitaris (RD 822/2021), permet desenvolupar els coneixements, les habilitats i les competències que es detallen a continuació:

Coneixements o continguts (Knowledge)

• K1 Comprendre el procés general o global d'un projecte de ciència o anàlisi de dades, incloent-hi la identificació de fonts de dades, la captura i l'emmagatzematge de dades, el processament i l'anàlisi d'aquestes i, finalment, la presentació dels resultats.

• K2 Identificar els punts crítics en un projecte de ciència o anàlisi de dades, així com les debilitats principals que puguin dificultar la finalització reeixida del projecte.

• K7 Comprendre l'ampli ventall de tècniques, mètodes i eines disponibles per fer l'anàlisi de dades a partir d'un conjunt de preguntes de negoci o de recerca.

 Habilitats o destreses (Skills)

• S1 Conceptualitzar i dissenyar un flux de treball que permeti resoldre problemes específics a l'entorn d'un projecte de ciència de dades.

• S3 Analitzar, conceptualitzar, dissenyar i desenvolupar aplicacions basades en intel·ligència artificial per resoldre problemes específics en el context d'un projecte de ciència de dades.

• S4 Conèixer les diferents tècniques, mètodes, models i algorismes dins de la intel·ligència artificial que permeten la resolució de diferents tasques, considerant-ne els principals punts forts i les debilitats o problemes més rellevants.

• S5 Utilitzar de manera avançada els llenguatges de programació, les eines de desenvolupament i les tecnologies disponibles per a l'anàlisi, el disseny i la implementació d'aplicacions basades en intel·ligència artificial.

• S8 Analitzar i sintetitzar informació per avaluar solucions tecnològiques i elaborar propostes de projectes de ciència de dades, tenint en compte els recursos, les alternatives disponibles i les condicions de mercat.

• S9 Treballar en equip en un entorn virtual per fer aplicacions basades en intel·ligència artificial en el context d'un projecte de ciència de dades.

Competències (Competències)

• C2 Desenvolupar el pensament crític i autocrític a l'anàlisi, la conceptualització i el disseny de projectes de ciència de dades.

• C3 Dissenyar, desenvolupar i gestionar projectes de ciència de dades, adaptant-se a l'evolució de les tecnologies, els llenguatges de programació i les necessitats d'empreses, institucions i, en general, de la societat.

La combinació d'aquests coneixements, destreses i competències es reflecteix en els resultats d'aprenentatge següents:

• Comprendre el funcionament i l'arquitectura de les xarxes neuronals artificials, així com els paràmetres relacionats amb el procés d'entrenament.

• Dominar els mètodes principals d'optimització del procés d'aprenentatge en xarxes neuronals.

• Comprendre l'estructura i el funcionament dels autoencoders, així com les seves principals propietats i utilitats.

• Entendre el funcionament i estructura de les xarxes neuronals convolucionals (CNN).

• Identificar les principals arquitectures de CNN, així com els principals casos d'ús.

• Entendre el funcionament i l'estructura de les xarxes neuronals recurrents (RNN).

• Identificar les principals arquitectures de RNN, així com els principals casos d'ús.

• Aplicar els principis fonamentals dels models generatius, com ara autoencoders o GANs.

• Entendre els fonaments dels models basats en mecanismes datenció, així com les seves característiques i principals models.

• Actuar de manera ètica, honesta i cívica en el treball acadèmic i professional, evitant el plagi o qualsevol altre ús indegut del treball de tercers.

• Continguts

Part I. Xarxes neuronals artificials

1. Introducció al Deep Learning

2. Les xarxes neuronals artificials

Part II. Xarxes neuronals convolucionals

3. Fonaments de les xarxes neuronals convolucionals

4. Arquitectures i aplicacions de les xarxes neuronals convolucionals

Part III. Xarxes neuronals recurrents

5. Xarxes neuronals recurrents

Part IV. Transformadors

6. Transformadors

Part V. Models generatius

7. Models generatius

• Consulta dels recursos d'aprenentatge de la UOC per a l'assignatura

• Informacions sobre l'avaluació a la UOC

A la UOC, l'avaluació generalment és virtual. S'estructura entorn de l'avaluació contínua, que inclou diferents activitats o reptes; l'avaluació final, que es porta a terme mitjançant proves o exàmens, i el treball final de la titulació.

Les activitats o proves d'avaluació poden ser escrites i/o audiovisuals, amb preguntes aleatòries, proves orals síncrones o asíncrones, etc., d'acord amb el que decideixi cada equip docent. Els treballs finals representen el tancament d'un procés formatiu que implica la realització d'un treball original i tutoritzat que té com a objectiu demostrar l'adquisició competencial feta al llarg del programa.

Per verificar la identitat de l'estudiant i l'autoria de les proves d'avaluació, la UOC es reserva la potestat d'aplicar diferents sistemes de reconeixement de la identitat i de detecció del plagi. Amb aquest objectiu, la UOC pot dur a terme enregistrament audiovisual o fer servir mètodes o tècniques de supervisió durant l'execució de qualsevol activitat acadèmica.

Així mateix, la UOC pot exigir a l'estudiant l'ús de dispositius electrònics (micròfons, càmeres o altres eines) o programari específic durant l'avaluació. És responsabilitat de l'estudiant assegurar que aquests dispositius funcionen correctament.

El procés d'avaluació es fonamenta en el treball personal de l'estudiant i pressuposa l'autenticitat de l'autoria i l'originalitat de les activitats acadèmiques. Al web sobre integritat acadèmica i plagi de la UOC hi ha més informació respecte d'aquesta qüestió.

La manca d'autenticitat en l'autoria o d'originalitat de les proves d'avaluació; la còpia o el plagi; la suplantació d'identitat; l'acceptació o l'obtenció de qualsevol activitat acadèmica a canvi d'una contraprestació o no; la col·laboració, l'encobriment o l'afavoriment de la còpia, o l'ús de material, programari o dispositius no autoritzats en el pla docent o l'enunciat de l'activitat acadèmica, inclosa la intel·ligència artificial i la traducció automàtica, entre altres, són conductes irregulars en l'avaluació que poden tenir conseqüències acadèmiques i disciplinàries greus.

Aquestes conductes irregulars poden comportar el suspens (D/0) en les activitats avaluables que es defineixin en el pla docent -incloses les proves finals- o en la qualificació final de l'assignatura, sigui perquè s'han utilitzat materials, programari o dispositius no autoritzats durant les proves (com l'ús d'intel·ligència artificial no permesa, xarxes socials o cercadors d'informació a internet), perquè s'han copiat fragments de text d'una font externa (internet, apunts, llibres, articles, treballs o proves d'altres estudiants, etc.) sense la citació corresponent, per la compravenda d'activitats acadèmiques, o perquè s'ha dut a terme qualsevol altra conducta irregular.

Així mateix, i d'acord amb la normativa acadèmica, les conductes irregulars en l'avaluació també poden donar lloc a la incoació d'un procediment disciplinari i a l'aplicació, si escau, de la sanció que correspongui, de conformitat amb el que estableix la normativa de convivència de la UOC.

En el marc del procés d'avaluació, la UOC es reserva la potestat de:

• Sol·licitar a l'estudiant que acrediti la seva identitat segons el que estableix la normativa acadèmica.
• Sol·licitar a l'estudiant que acrediti l'autoria del seu treball al llarg de tot el procés d'avaluació, tant en l'avaluació contínua com en l'avaluació final, per mitjà d'una entrevista oral síncrona, que pot ser objecte d'enregistrament audiovisual, o pels mitjans que estableixi la Universitat. Aquests mitjans tenen l'objectiu de verificar els coneixements i les competències que garanteixin la identitat de l'estudiant. Si no és possible garantir que l'estudiant és l'autor de la prova, aquesta pot ser qualificada amb una D, en el cas de l'avaluació contínua, o amb un suspens, en el cas de l'avaluació final.

Intel·ligència artificial en el marc de l'avaluació

La UOC reconeix el valor i el potencial de la intel·ligència artificial (IA) en l'àmbit educatiu, alhora que posa de manifest els riscos que comporta si no s'utilitza de manera ètica, crítica i responsable. En aquest sentit, en cada activitat d'avaluació s'informarà l'estudiantat sobre les eines i els recursos d'IA que es poden utilitzar i en quines condicions. Per la seva banda, l'estudiantat es compromet a seguir les indicacions de la UOC a l'hora de dur a terme les activitats d'avaluació i de citar les eines utilitzades i, concretament, a identificar els textos o les imatges generats per sistemes d'IA, els quals no podrà presentar com si fossin propis.

Amb relació a fer servir o no la IA per resoldre una activitat, l'enunciat de les activitats d'avaluació indica les limitacions en l'ús d'aquestes eines. Cal tenir en compte que fer-les servir de manera inadequada, com ara en activitats en què no estan permeses o no citar-les en les activitats en què sí que ho estan, es pot considerar una conducta irregular en l'avaluació. En cas de dubte, es recomana que, abans de lliurar l'activitat, es faci arribar una consulta al professorat col·laborador de l'aula.

• Consulta del model d'avaluació