Основные понятия систем искусственного иттеллекта
По прогнозам ученых, дальнейшее развитие исследований в искусственном интеллекте приведет: – к смене парадигмы (модели) ЗНАНИЯ + ВЫВОД парадигмой ЗНАНИЕ + ОБОСНОВАНИЕ. Это позволит в интеллектуальных системах использовать:
–методы обоснования и аргументы;
–современные языки программирования, ориентированные на вывод одних знаний из других;
–совершенствовать инструментальные средства искусственного интеллекта, в частности, языков программирования, ориентированных на обоснование;
– модернизацию архитектуры вычислительных машин пятого и последующих поколений, сейчас модернизация идет в 4-х направлениях: гигантские суперкомпьютеры; нейробионическое направление (сотни тысяч процессоров с программируемой конфигурацией); территориально удаленные компьютеры и базы с высокоскоростными каналами связи;
–специальные процессоры для обработки зрительных образов и знаний и для проведения рассуждений автономно, т. е. без помощи человека;
–появление методов распараллеливания решения задач на уровне архитектурных решений о структуре компьютера и на логически-теоретическом уровне;
–появление новых моделей представления знаний, позволяющих проводить обработку интегрированной информации (символической, текстовой, зрительной, акустической, тактильной;
–синтез разнотипных экспертных систем, которые будут использоваться совместно для выработки решений, т. е. как консилиум экспертных систем разного типа
Любая программная система, создаваемая в рамках искусственного интеллекта, всегда ориентирована на использование знаний. Знания, выраженные на естественном языке, черпаются из книг, статей и других источников и в том виде, в котором содержатся в этих источниках, не могут быть использованы для обработки на компьютере. Требуется выбрать подходящий способ их формализации (представления) для получения возможности обработки знаний на вычислительных машинах. Сама обработка знаний на компьютере заключается в получении по определенным правилам вывода других знаний на основе имеющихся.
Первичными базовыми понятиями искусственного интеллекта являются понятия знание, представление знаний и вывод. Знаниями принято называть хранимую (в компьютере) информацию, формализованную в соответствии с определенными структурными правилами, которую компьютер может автономно использовать при решении проблем по таким алгоритмам, как логические выводы. Знания можно разделить на факты (фактические знания), правила (знания для принятия решений) и метазнания (знания о знаниях).
Для того чтобы манипулировать всевозможными знаниями о реальном мире с помощью компьютера, необходимо сначала представить их в виде, пригодном для использования на компьютере.
С помощью ИИ автоматизируют работу, повышают эффективность и решают сложные задачи в разных областях.
Искусственный интеллект может помочь человеку в следующем.
1.Автоматизировать рутинные процессы. ИИ экономит время и ресурсы человека. Например, чат-боты в службах поддержки заменяют операторов – они обрабатывают стандартные запросы.
2.Обрабатывать большие данные. ИИ способен анализировать огромные объемы информации и находить закономерности, которые трудно обнаружить человеку. Например, в маркетинге ИИ анализирует поведение пользователей и предлагает персонализированные рекомендации.
3.Улучшать точность и скорость. ИИ используют там, где нужны высокая точность и скорость принятия решений. В медицине системы на базе искусственного интеллекта помогают диагностировать заболевания – они изучают снимки и результаты анализов.
4.Повышать удобство и качество жизни. ИИ внедряют в бытовую технику, транспорт, приложения и устройства. Это делает их более умными и удобными. Например, умные дома с голосовыми ассистентами управляют освещением, температурой и безопасностью.
5.Развивать инновации. ИИ открывает новые возможности в науке, технике и других областях. Например, с его помощью быстрее разрабатывают новые лекарства.
6.Оптимизировать производства. Роботы на производственных линиях повышают производительность и снижают затраты.
В основе искусственного интеллекта – набор базовых принципов, которые определяют, как системы ИИ создают, обучают и используют.
Технические принципы:
1.ИИ обучают с помощью данных. Он анализирует их и выявляет закономерности. Чем больше данных и чем они качественнее, тем точнее и эффективнее система. Например, чат-бот можно обучить на основе истории взаимодействия с пользователями.
2.Для обучения используют математические модели и алгоритмы – машинное обучение, нейронные сети и методы глубокого обучения. Так ИИ может, например, научиться распознавать объекты на изображениях.
3.ИИ способен адаптироваться к изменениям в данных и среде и улучшать свои прогнозы и решения со временем. Например, рекомендательные системы – Netflix или YouTube – предлагают всё более релевантные фильмы и видео.
4.ИИ может функционировать без постоянного вмешательства человека – принимать решения на основе данных и заданных правил. Например, автономные автомобили самостоятельно определяют маршрут и избегают препятствий.
Принципы работы искусственного интеллекта включают в себя машинное обучение, нейронные сети и обработку естественного языка, что делает эту технологию все более востребованной и эффективной в различных сферах деятельности.
Одним из основных принципов работы искусственного интеллекта является машинное обучение. Этот процесс позволяет программам и системам самостоятельно учиться на основе опыта и данных, что делает их все более эффективными и точными в выполнении задач.
Другим важным принципом является нейронные сети, которые представляют собой модель обработки информации по принципу работы человеческого мозга. Нейронные сети позволяют искусственному интеллекту анализировать данные, выявлять закономерности и делать предсказания на основе полученных знаний.
Нейросети – это один из подходов к созданию ИИ, который вдохновлён системой нейронов в мозге. Вместо того чтобы писать сложные алгоритмы для решения задач, нейросети обучаются на основе большого количества данных и находят в них закономерности. Чтобы работать с нейросетями, не нужно быть учёным. Например, можно освоить профессию инженера машинного обучения. Он работает с данными и создаёт на их основе алгоритмы машинного обучения, которые помогают решать прикладные задачи.
ИИ можно разделить на несколько подкатегорий, таких как машинное обучение, глубокое обучение, обработка естественного языка (NLP) и компьютерное зрение. Машинное обучение включает в себя создание алгоритмов, которые могут обучаться на данных и делать прогнозы или принимать решения без явного программирования. Глубокое обучение, в свою очередь, является подкатегорией машинного обучения и использует нейронные сети для анализа данных и принятия решений.
Обработка естественного языка (NLP) занимается взаимодействием между компьютерами и человеческим языком, что позволяет системам ИИ понимать, интерпретировать и генерировать человеческий язык. Компьютерное зрение, с другой стороны, фокусируется на анализе и интерпретации визуальной информации из окружающего мира.
Базовые направления в рамках искусственного интеллекта и их соотношения представлены на рис. 2.1
Рис.2.1 Соотношение базовых направлений в рамках искусственного интеллекта
Еще одним ключевым принципом является обработка естественного языка. С помощью алгоритмов искусственного интеллекта системы могут понимать и обрабатывать человеческую речь, а также генерировать тексты и отвечать на вопросы, что является важным в различных областях, включая бизнес. Система искусственного интеллекта принимает входные данные в виде речи, текста, изображения, а затем обрабатывает их, применяя различные правила и алгоритмы. После обработки система выдает результат, т. е. успех или неудачу, при вводе данных. Затем результат оценивается посредством анализа, открытия и обратной связи. Наконец, система использует свои оценки для корректировки входных данных, правил и алгоритмов, а также целевых результатов. Этот цикл продолжается до тех пор, пока не будет достигнут желаемый результат.
Когнитивные вычисления направлены на воссоздание мыслительного процесса человека в компьютерной модели. Технология стремится имитировать логику работы человеческого сознания и улучшить взаимодействие между людьми и машинами. Это происходит, например, через распознавание ИИ человеческого языка и значения изображений для последующего самообучения. Реализовать систему когнитивных вычислений сегодня возможно только в таких сложных машинах, как суперкомпьютер IBM Watson.
ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА
В настоящее время практические работы в области искусственного интеллекта ведутся, в основном, по двум направлениям, рис.3.1:
1. бионическое (нейрокибернетика) – попытки смоделировать с помощью искусственных систем психофизиологическую деятельность человеческого мозга с целью создания искусственного разума;
2. прагматическое (кибернетика черного ящика) – создание программ, позволяющих с использованием ЭВМ воспроизводить не саму мыслительную деятельность, а являющиеся ее результатами процессы. Здесь достигнуты важнейшие результаты, имеющие практическую ценность.
Рис.3.1. Направления исследований в области искусственного интеллекта
3.1. Бионическое направление
Ученые, работающие в бионическом направлении, пытаются воссоздать техническими средствами сам объект, в котором бы протекали процессы, схожие с психическими процессами, проявляющимися у человека во время решения задач. Такие исследователи специально конструируют сети искусственных нейронов и другие аналоги, присущие нервной системе человека. Нейронные модели не только повторяют функции мозга, но и способны выполнять функции, имеющие свою собственную ценность. Поэтому возникли и остаются в настоящее время две взаимно обогащающие друг друга цели нейронного моделирования:
–первая—понять функционирование нервной системы человека на уровне физиологии и психологии,
–вторая—создать вычислительные системы (искусственные нейронные сети), выполняющие функции, сходные с функциями мозга.
Еще в 1949 г. была создана модель человеческого обучения – модель Д. Хэбба. Он предложил закон обучения, явившийся стартовой точкой для алгоритмов обучения искусственных нейронных сетей. В пятидесятые и шестидесятые годы группа исследователей создала первые искусственные нейронные сети. Выполненные первоначально как электронные сети, они были позднее перенесены в более гибкую среду компьютерного моделирования.
Широкий интерес научной общественности к нейросетям начался в начале восмидесятых годов после теоретических работ физика Хопфилда. Он и его последователи обогатили теорию параллельных вычислений многими идеями: коллективное взаимодействие нейронов. Практическое применение нейросетей началось после публикации Румельхартом метода обучения многослойного персептрона. Удельная стоимость современных нейровычислений на порядок ниже, чему традиционных компьютеров, а быстродействие – в сотни раз выше. Системы нейронной обработки можно классифицировать следующим образом, рис.3.2.
Рис. 3.2. Классификация систем нейронной обработки.
Реально нейрокомпьютеры используются в специализированных системах, где требуется обучать и постоянно переобучать сотни нейросетей, объединенные в единые информационные комплексы, или в системах реального времени, где скорость обработки данных критична (например, при обработке экспериментов на современных ускорителях элементарных частиц используют нейрокомпьютер CNAPS с производительностью 10
Доступность и возросшие вычислительные возможности современных компьютеров привели к широкому распространению программ, использующих принципы нейросетевой обработки данных, Этот подход не использует параллелизм, но ориентируется исключительно на способность нейросетей решать неформализованные задачи и реализуется нейроэмуляторами.
Сторонники нейробионики моделируют искусственным образом процессы, происходящие в мозгу человека. Системы искусственного разума базируются на математической интерпретации деятельности нервной системы во главе с мозгом человека и реализуются в виде нейроподобных сетей на базе нейроподобного элемента – аналога нейрона.
Нейроподобные сети в последнее время являются одним из самых перспективных направлений в области искусственного интеллекта и постепенно входят в бытность людей в широком спектре деятельности и подразделяются на несколько групп.
Сети первой группы, такие, как сети обратного распространения ошибки, сети Хопфилда и др., используются для распознавания образов, анализа и синтеза речи, перевода с одного языка на другой и прогнозирования.
Сети второй группы используются как системы управления в реальном времени несложных объектов. Это управление популярными в последнее время интеллектуальными агентами, исполняющими роль виртуальных секретарей. Особенностями данной группы является появление некоторых внутренних стимулов, возможность к самообучению и функционированию в реальном времени.
Сети третьей группы, являющиеся дальнейшим развитием предыдущих, представляют собой уже нейроподобные системы, и нацелены они на создание экзотических в настоящее время виртуальных личностей, информационных копий человека, средой обитания которых является глобальная сеть Интернет.
К бионическому направлению относятся исследования и разработки эволюционных и генетических алгоритмов, а также роевого интеллекта.
Класс эволюционных алгоритмов представляет собой исследования, в которых изучаются и моделируются процессы естественного и искусственного отбора. Все эволюционные алгоритмы моделируют базовые эволюционные процессы в природе – наследование, мутации и отбор.
В применении к технологиям искусственного интеллекта работа эволюционных алгоритмов всегда связана с взаимодействием искусственной интеллектуальной системы с какой-либо средой, а опосредованно через неё, возможно, и с другими интеллектуальными системами (как искусственными, так и естественными). В эволюционной стратегии осуществляется поиск целевого вектора, который наилучшим образом подходит под решение задачи. И компонентами этого вектора являются только действительные числа.
Для поиска решения осуществляются скрещивание особей и мутации. Далее применяется функция отбора, которая принимает на вход всю когорту – и родительские особи, и множество их потомков. Отбор осуществляется детерминированным образом – оставляются самые лучшие особи, причём без повторений.
Операция мутации может быть произвольной над действительными числами, но обычно используется простое добавление нормально распределённого случайного числа к компонентам векторов. Важным дополнением эволюционной стратегии является то, что в процессе эволюции параметры нормального распределения добавляемой в рамках мутации случайной величины адаптируются под поиск решения задачи.
Генетический алгоритм позволяет найти оптимальное или субоптимальное решение задачи с требуемой точностью в тех случаях, когда существует возможность представить входные данные в виде вектора значений, а критерий останова выразить в виде предиката, возвращающего истину на тех входных параметрах, которые достаточны для решения. Предикат зависит от так называемой фитнес-функции, которая возвращает степень соответствия входного вектора целевому значению. Ну и, само собой разумеется, искомое значение должно существовать, иначе алгоритм никогда не остановится.
При помощи генетического алгоритма можно отобрать подходящее значение в пространстве поиска. Генетический алгоритм состоит из следующих шагов: генерация начальной популяции, цикличный процесс рождения новых поколений и отбора, остановка и возвращение результатов поиска.
На этапе генерации начальной популяции необходимо подготовить некоторое количество «начальных» значений в пространстве поиска, с которых алгоритм начнёт свою работу. Начать можно с произвольных значений, но если такие значения будут как можно более близки к целевому, то алгоритм отработает намного быстрее.
Далее – запуск цикличного процесса рождения новых поколений и отбора. Фактически, это и есть сам генетический алгоритм, который раз за разом запускает процесс порождения новых поколений, изучения новых особей и отбора наиболее интересных.
Роевой интеллект (РИ). Рассматривается в теории искусственного интеллекта как метод оптимизации. Понятие роевого интеллекта все теснее переплетается с алгоритмами обработки и оптимизации больших количеств и потоков информации. Ещё давным-давно люди стали интересоваться так называемым “роевым поведением” – каким образом птицы летят на юг огромными косяками, не сбиваясь с курса. Как огромные колонии муравьёв работают так слаженно и возводят структуры, по сложности не уступающие современным мегаполисам. Как пчёлы могут так точно определять и добывать в необходимом для всей колонии питание. Все эти большие группы животных/насекомых можно объединить одним общим словом – рой. Благо, человечество не стоит на месте и, развиваясь, люди стали изобретать компьютеры, при помощи которых инженеры стали моделировать “роевой интеллект”– попытки сделать роботизированные, автоматические и автоматизированные рои. Хоть далеко не все попытки были успешными, но, тем не менее, они положили начало созданию РИ, заложив к его основанию некоторые фундаментальные правила. Одним из них является тот факт, что для роевого интеллекта необходимо большое (достаточно) количество агентов, способных взаимодействовать между собой и окружающей их средой локально. Наблюдая за различными естественными примерами роёв, человечество придумало различные модели РИ, чьё поведение основывалось на различных путях взаимодействия с окружающей средой и между собой. У данного метода есть три основные теории, которые описывают его функционирование и взаимодействие между элементами: – теория отрицательного отбора; – теория иммунной сети; – теория клональной селекции.
Метод роя частиц (МРЧ) является методом численной оптимизации, поддерживающий общее количество возможных решений, которые называются частицами или агентами, и перемещая их в пространстве к наилучшему найденному в этом пространстве решению, всё время находящемуся в изменении из-за нахождения агентами более выгодных решений. Классическая компьютерная модель МРЧ была создана лишь в 1995 году Расселом Эберхартом и Джеймсом Кеннеди. Их модель отличается тем, что частицы-агенты роя, помимо подчинения неким правилам обмениваются информацией друг с другом, а текущее состояние каждой частицы характеризуется местоположением частицы в пространстве решений и скоростью перемещения. Если проводить аналогию со стаей, то можно сказать, что все агенты алгоритма (частицы), в стае они могут быть птицами или рыбами, ставят для себя три довольно простых задачи:
– все агенты должны избегать пересечения с окружающими их агентам;
–каждая частица должна корректировать свою скорость в соответствии со скоростями окружающих её частиц;
–каждый агент должен стараться сохранять достаточно малое расстояние между собой и окружающими его агентами.
Алгоритм роя частиц – итеративный процесс, постоянно находящийся в изменении. Так же все частицы знают местоположение наилучшего результата поиска во всём рое и с каждой итерацией агенты корректируют вектора своих скоростей и их направления, стараясь приблизиться к наилучшей точке роя и при этом быть поближе к своему индивидуальному максимуму. При этом постоянно происходит расчёт искомой функции и поиск наилучшего значения. Концепцию данного алгоритма описывает формула, согласно которой корректируется модуль и направление скорости агентов.
v⍵v+rnd()(Pbest-x)c1+rnd()(gbest-x)c2,
где: ⍵ – коэффициент инерции, определяющий баланс между тем, насколько широко будет “заходить” в исследовании агент и тем, насколько сильно агент будет желать остаться рядом с найденными ранее оптимальными решениями;
–Pbest – координаты наилучшей найденной агентом точкой; -gbest – координаты наилучшей роевой точки; x – текущие координаты точки;
–rnd() – случайный коэффициент, принимающий значение от 0 до 1; c1, c2 – постоянные ускорения.
Изначально этот алгоритм применялся для исследований социального психолога, Кеннеди, но самое большое распространение этот алгоритм смог получить при решениях задач оптимизации различных нелинейно-многомерных уравнениях. Этот алгоритм в современном мире применяется в машинном обучении, для решений задач оптимизации и в различных точных и экспериментальных науках, таких как биоинженерия и т. д.
3.2. Информационное (прагматическое) направление
Сторонники информационного направления убеждены, что «важнее всего результат», т. е. хорошее совпадение поведения искусственно созданных и естественных интеллектуальных систем, а что касается внутренних механизмов формирования поведения, то разработчик искусственного интеллекта вовсе не должен копировать или даже учитывать особенности естественных, живых аналогов.
Информационное направление разделяется на три составляющие.
1.Эвристическое программирование – это разработка оригинальных методов, алгоритмов решения задач, подобных человеческим, а в некоторых случаях даже и лучших. Под эвристикой понимается правило, стратегия, метод или прием, используемые для повышения эффективности системы, которая пытается найти решения сложных задач. Эвристическая программа – это программа для компьютера, использующая эвристики.
Разработка машинных эвристических программ идет по двум основным направлениям:
а) создаются специализированные программы для решения относительно узких классов задач с использованием особенностей этих же классов;
б) программы второго направления претендуют на универсальное замещение человеческого интеллекта. Они чаще всего отождествляются с моделями мыслительного процесса.
Эвристические программы могут играть в шахматы, шашки, карточные игры, находить ответы на вопросы, находить решения из области математических исчислений; доказывать теоремы в математической логике и геометрии; способны обучаться на основе своего опыта; решать различные классы задач. Здесь исследователь воспроизводит в компьютере методы, используемые людьми, т.к. интеллект человека выше интеллекта компьютера. Структура программ решения интеллектуальных задач, предложенная Д. А. Поспеловым, представлена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Программы решения интеллектуальных задач
2.Системы, основанные на знаниях. Это направление в искусственном интеллекте образует его фундамент. Именно здесь создается теория данного научного направления, решаются основные проблемы, связанные с центральным объектом изучения искусственного интеллекта.
Структура знаний систем, основанных на знаниях, рис.3.4.
Рис. 3.4. Системы, основанные на знаниях.
Всякая предметная (проблемная) область деятельности может быть описана в виде некоторой совокупности сведений о структуре этой области, основных ее характеристиках, процессах, протекающих в ней, а также о способах решения возникающих в ней задач. При использовании интеллектуальных систем для решения задач в данной предметной области необходимо собрать о ней сведения и создать концептуальную модель этой области. Источниками знаний могут быть документы, статьи, книги, фотографии, киносъемка и многое другое. Из этих источников надо извлечь содержащиеся в них знания. Этот процесс может оказаться достаточно трудным, ибо надо заранее оценить важность тех или иных знаний для работы интеллектуальной системы.
В области извлечения знаний можно выделить два основных направления: формализация качественных знаний и интеграция знаний. Первое направление связано с созданием разнообразных методов, позволяющих переходить от знаний, выраженных в текстовой форме, к их аналогам, пригодным для ввода в память интеллектуальной системы. В связи с этой проблемой развивались не только традиционные методы обработки экспериментальных данных, но и совершенно новое направление, получившее название нечеткой математики.
Нечеткая математика и ее методы оказали существенное влияние на многие области искусственного интеллекта и, в частности, на весь комплекс проблем, связанных с представлением и переработкой качественной информации.
