I. История развития Интеллектуальных информационных систем

Искусственный интеллект – это одна из новейших областей науки. Первые работы в этой области начались вскоре после Второй мировой войны, а само ее название было предложено в 1956 году. В настоящее время тематика искусственного интеллекта охватывает огромный перечень научных направлений, начиная с таких задач общего характера, как обучение и восприятие, и заканчивая такими специальными задачами, как игра в шахматы, доказательство математических теорем, сочинение поэтических произведений и диагностика заболеваний. В искусственном интеллекте систематизируются и автоматизируются интеллектуальные задачи и поэтому эта область касается любой сферы интеллектуальной деятельности человека. В этом смысле искусственный интеллект является поистине универсальной научной областью.

Разные ученые определяют искусственный интеллект по-разному. Все эти определения могут быть разбиты на 4 категории:

1. Системы, которые думают подобно людям.

2. Системы, которые думают рационально.

3. Системы, которые действуют подобно людям.

4. Системы, которые действуют рационально.

В рамках каждой, из приведенных категорий, могут быть даны следующие определения искусственного интеллекта:

1. Новое захватывающее направление работ по созданию компьютеров, способных думать, … машин, обладающих разумом, в полном и буквальном смысле этого слова. (Haugeland J.)

2. Изучение умственных способностей с помощью вычислительных моделей. (Charniak E., McDermott D.)

3. Наука о том, как научить компьютеры делать то, в чем люди в настоящее время их превосходят (Rich E., Knight K.)

4. Искусственный интеллект – это наука, посвященная изучению интеллектуального поведения артефактов (искусственных объектов). (Nilsson N.J.)

Какова же история искусственного интеллекта и какие науки внесли свой вклад в ее создание?

1. Философия.

В рамках этой науки возникли следующие вопросы:

· Могут ли использоваться формальные правила для вывода правильных заключений?

· Как такой идеальный объект, как мысль, рождается в таком физическом объекте, как мозг?

· Каково происхождение знаний?

· Каким образом знания ведут к действиям?

Ответы на эти вопросы пытались найти многие ученые, начиная с Аристотеля (4 век до н.э.), которым был сформулирован точный свод законов, руководящих рациональной частью мышления. Он разработал неформализованную систему силлогизмов, предназначенную для проведения правильных рассуждений, которая позволяла любому вырабатывать логические заключения механически, при наличии начальных предпосылок. Гораздо позднее Раймунд Луллий (13-14 век) выдвинул идею, что полезные рассуждения можно фактически проводить с помощью механического артефакта. Томас Гоббс (17 век) предположил, что рассуждения аналогичны числовым расчетам и что "в наших неслышимых мыслях мы поневоле складываем и вычитаем".

В 1623 г. немецким ученым Вильгельмом Шиккаром была создана первая вычислительная машина, хотя более известна арифметическая машина, созданная в 1642 году Блезом Паскалем. Паскаль писал, что "арифметическая машина производит эффект, который кажется более близким к мышлению по сравнению с любыми действиями животных". Позднее Готтфрид Вильгельм Лейбниц A646-1716) создал механическое устройство, предназначенное для выполнения операций над понятиями, а не над числами, но область его действия была довольно ограниченной.

После того как человечество осознало, каким должен быть набор правил, способных описать формальную, рациональную часть мышления, следующим этапом оказалось то, что разум стал рассматриваться как физическая система. Рене Декарт впервые опубликовал результаты обсуждения различий между разумом и материей, а также возникающих при этом проблем. Одна из проблем, связанных с чисто физическими представлениями о разуме, состоит в том, что они, по-видимому, почти не оставляют места для свободной воли: ведь если разум руководствуется исключительно физическими законами, то человек проявляет не больше свободной воли по сравнению с булыжником, "решившим" упасть в направлении к центру земли.

Несмотря на то что Декарт был убежденным сторонником взглядов, признающих только власть разума, он был также приверженцем дуализма. Декарт считал, что существует такая часть человеческого разума (душа, или дух), которая находится за пределами естества и не подчиняется физическим законам. С другой стороны, животные не обладают таким дуалистическим свойством, поэтому их можно рассматривать как своего рода машины. Альтернативой дуализму является материализм, согласно которому разумное поведение складывается из операций, выполняемых мозгом в соответствии с законами физики. Свободная воля – это просто форма, в которую в процессе выбора преобразуется восприятие доступных вариантов.

Если предположить, что знаниями манипулирует физический разум, то возникает следующая проблема – установить источник знаний. Такое научное направление, как эмпиризм, родоначальником которого был Фрэнсис Бекон (16-17 века), можно охарактеризовать высказыванием Джона Локка (17-18 века): "В человеческом понимании нет ничего, что не проявлялось бы прежде всего в ощущениях". Дэвид Юм (18 век) предложил метод, известный теперь под названием принципа индукции, который состоит в том, что общие правила вырабатываются путем изучения повторяющихся ассоциаций между элементами, которые рассматриваются в этих правилах. Основываясь на работе Людвига Виттгенштейна и Бертрана Рассела (19-20 века), знаменитый Венский кружок, возглавляемый Рудольфом Карнапом, разработал доктрину логического позитивизма. Согласно этой доктрине все знания могут быть охарактеризованы с помощью логических теорий, связанных в конечном итоге с констатирующими предложениями, которые соответствуют входным сенсорным данным. В теории подтверждения Рудольфа Карнапа и Карла Хемпеля (20 век) предпринята попытка понять, как знания могут быть приобретены из опыта. Карнап определил явно заданную вычислительную процедуру для извлечения знаний из результатов элементарных опытов. По-видимому, это – первая теория мышления как вычислительного процесса.

Последним вопросом философских исследований, наиболее важным для искусственного интеллекта, является связь между знаниями и действиями, поскольку интеллектуальность требует не только размышлений, но и действий. Кроме того, только поняв способы обоснования действий, можно понять, как создать агента, действия которого будут обоснованными (или рациональными). Под агентом мы будем подразумевать все, что действует. Аристотель утверждал, что действия обоснованы логической связью между целями и знаниями о результатах данного конкретного действия. Он приводил следующие рассуждения:

Нам предоставляется право выбора не целей, а средств достижения цели, ведь врач рассуждает не о том, должен ли он лечить, а оратор - не о том, станет ли он убеждать... Поставив цель, он размышляет, как и какими средствами ее достичь; а если окажется несколько средств, то определяет, какое из них самое простое и наилучшее; если же достижению цели служит одно средство, думает, как ее достичь при помощи этого средства и что будет средством для этого средства, пока не дойдет до первой причины, которую находит последней... и то, что было последним в порядке анализа, обычно становится первым в порядке осуществления... Если же он приходит к выводу, что цель недостижима, отступается, например, если нужны деньги, а достать их нельзя; но если достижение цели кажется возможным, то пытается ее достичь.

Анализ на основе цели является полезным, но не дает ответа на то, что делать, если к цели ведет несколько вариантов действий или ни один вариант действий не позволяет достичь ее полностью. Антуан Арно (17 век) описал количественную формулу для принятия решения о том, какое действие следует предпринять в подобных случаях: "Чтобы судить о том, что следует делать, чтобы получить хорошее или избежать плохого, необходимо рассматривать не только хорошее и плохое само по себе, но и вероятность того, произойдет ли оно или не произойдет, а также рассматривать математически пропорцию, в которой все эти обстоятельства встречаются вместе."

2. Математика.

Данная наука пыталась ответить на следующие вопросы:

· Каковы формальные правила формирования правильных заключений?

· Как определить пределы вычислимости?

· Как проводить рассуждения с использованием недостоверной информации?

Философы сформулировали наиболее важные идеи искусственного интеллекта, но для преобразования его в формальную науку потребовалось достичь определенного уровня математической формализации в трех фундаментальных областях: логика, вычисления и вероятность.

Истоки идей формальной логики можно найти в работах философов древней Греции, но ее становление как математической дисциплины фактически началась с трудов Джорджа Буля (19 век), который детально разработал логику высказываний, или булеву логику. В 1879 году Готтлоб Фреге расширил булеву логику для включения в нее объектов и отношений, создав логику первого порядка, которая в настоящее время используется как наиболее фундаментальная система представления знаний. Альфред Тарский (20 век) впервые ввел в научный обиход теорию ссылок, которая показывает, как связать логические объекты с объектами реального мира. Следующий этап состоял в определении пределов того, что может быть сделано с помощью логики и вычислений.

Первым нетривиальным алгоритмом считается алгоритм вычисления наибольшего общего знаменателя, предложенный Евклидом. Исследование алгоритмов как самостоятельных объектов было начато аль-Хорезми, среднеазиатским математиком IX столетия, благодаря работам которого Европа познакомилась с арабскими цифрами и алгеброй. Буль и другие ученые широко обсуждали алгоритмы логического вывода, а к концу XIX столетия уже предпринимались усилия по формализации общих принципов проведения математических рассуждений как логического вывода. В 1900 году Давид Гильберт представил список из 23 проблем и правильно предсказал, что эти проблемы будут занимать математиков почти до конца XX века. Последняя из этих проблем представляет собой вопрос о том, существует ли алгоритм для определения истинности любого логического высказывания, в состав которого входят натуральные числа. Это – так называемая проблема поиска решения. По сути, этот вопрос, заданный Гильбертом, сводился к определению того, есть ли фундаментальные пределы, ограничивающие мощь эффективных процедур доказательства. В 1930 году Курт Гёдель показал, что существует эффективная процедура доказательства любого истинного высказывания в логике первого порядка Фреге и Рассела, но при этом логика первого порядка не позволяет выразить принцип математической индукции, необходимый для представления натуральных чисел. В 1931 году Гёдель показал, что действительно существуют реальные пределы вычислимости. Предложенная им теорема о неполноте показывает, что в любом языке, достаточно выразительном для описания свойств натуральных чисел, существуют истинные высказывания, которые являются недоказуемыми, в том смысле, что их истинность невозможно установить с помощью какого-либо алгоритма.

Этот фундаментальный результат может также рассматриваться как демонстрация того, что имеются некоторые функции от целых чисел, которые не могут быть представлены с помощью какого-либо алгоритма, т.е. они не могут быть вычислены.

Это побудило Алана Тьюринга попытаться точно охарактеризовать, какие функции способны быть вычисленными. Этот подход фактически немного проблематичен, поскольку в действительности понятию вычисления, или эффективной процедуры вычисления, не может быть дано формальное определение. Но общепризнано, что вполне удовлетворительное определение дано в тезисе Чёрча-Тьюринга, который указывает, что машина Тьюринга способна вычислить любую вычислимую функцию. Кроме того, Тьюринг показал, что существуют некоторые функции, которые не могут быть вычислены машиной Тьюринга. Например, вообще говоря, ни одна машина не способна определить, возвратит ли данная конкретная программа ответ на конкретные входные данные или будет работать до бесконечности (проблема зацикливания).

Хотя для понимания возможностей вычисления очень важны понятия недоказуемости и невычислимости, гораздо большее влияние на развитие искусственного интеллекта оказало понятие неразрешимости. Грубо говоря, задача называется неразрешимой, если время, требуемое для решения отдельных экземпляров этой задачи, растет экспоненциально с увеличением размеров этих экземпляров. Различие между полиномиальным и экспоненциальным ростом сложности было впервые подчеркнуто в середине 1960-х годов в работах Кобхэма и Эдмондса.

Важность этого открытия состоит в следующем: экспоненциальный рост означает, что даже экземпляры задачи умеренной величины не могут быть решены за какое-либо приемлемое время. Поэтому, например, приходится заниматься разделением общей задачи выработки интеллектуального поведения на разрешимые подзадачи, а не пытаться решать неразрешимую задачу.

Как можно распознать неразрешимую проблему? Один из приемлемых методов такого распознавания представлен в виде теории NP-полноты, впервые предложенной Стивеном Куком и Ричардом Карпом. Кук и Карп показали, что существуют большие классы канонических задач комбинаторного поиска и формирования рассуждений, которые являются NP-полными. Существует вероятность того, что любой класс задач, к которому сводится этот класс NP-полных задач, является неразрешимым.

Эти результаты контрастируют с тем оптимизмом, с которым в популярных периодических изданиях приветствовалось появление первых компьютеров под такими заголовками, как "Электронные супермозги", которые думают "быстрее Эйнштейна!" Несмотря на постоянное повышение быстродействия компьютеров, характерной особенностью интеллектуальных систем является экономное использование ресурсов. Грубо говоря, наш мир, в котором должны освоиться системы ИИ, – это чрезвычайно крупный экземпляр задачи.

Кроме логики и теории вычислений, третий по величине вклад математиков в искусственный интеллект состоял в разработке теории вероятностей. Идея вероятности была впервые сформулирована итальянским математиком Джероламо Кардано (16 век), который описал ее в терминах результатов событий с несколькими исходами, возникающих в азартных играх. Теория вероятностей быстро стала неотъемлемой частью всех количественных наук, помогая использовать недостоверные результаты измерений и неполные теории. Пьер Ферма, Блез Паскаль, Джеймс Бернулли (17 век), Пьер Лаплас (18-19 века) и другие ученые внесли большой вклад в эту теорию и ввели новые статистические методы. Томас Байес (18 век) предложил правило обновления вероятностей с учетом новых фактов. Правило Байеса и возникшее на его основе научное направление, называемое байесовским анализом, лежат в основе большинства современных подходов к проведению рассуждений с учетом неопределенности в системах искусственного интеллекта.

3. Экономика.

В рамках данной науки возникли такие вопросы:

· Как следует организовать принятие решений для максимизации вознаграждения?

· Как действовать в таких условиях, когда другие могут препятствовать осуществлению намеченных действий?

· Как действовать в таких условиях, когда вознаграждение может быть предоставлено лишь в отдаленном будущем?

Экономика как наука возникла в 1776 году. Ее основателем считается шотландский философ Адам Смит. Он впервые сумел оформить эту область знаний как науку, используя идею, что любую экономику можно рассматривать как состоящую из отдельных агентов, стремящихся максимизировать свое собственное экономическое благосостояние. Большинство людей считают, что экономика посвящена изучению денежного оборота, но любой экономист ответит на это, что в действительности он изучает то, как люди делают выбор, который ведет к предпочтительным для них результатам. Математическая трактовка понятия "предпочтительных результатов", или полезности, была впервые формализована Леоном Валрасом (19-20 века), уточнена Фрэнком Рамсеем, а затем усовершенствована Джоном фон Нейманом и Оскаром Моргенштерном.

Теория решений, которая объединяет в себе теорию вероятностей и теорию полезности, предоставляет формальную и полную инфраструктуру для принятия решений (в области экономики или в другой области) в условиях неопределенности, т.е. в тех случаях, когда среда, в которой действует лицо, принимающее решение, наиболее адекватно может быть представлена лишь с помощью вероятностных описаний. Она хорошо подходит для «крупных» экономических образований, где каждый агент не обязан учитывать действия других агентов как индивидуумов. А в "небольших" экономических образованиях ситуация в большей степени напоминает игру, поскольку действия одного игрока могут существенно повлиять на полезность действий другого (или положительно, или отрицательно). Теория игр, разработанная фон Нейманом и Моргенштерном, позволяет сделать вывод, что в некоторых играх рациональный агент должен действовать случайным образом или, по крайней мере, таким образом, который кажется случайным для соперников.

Экономисты чаще всего не стремятся найти ответ на третий вопрос, приведенный выше, т.е. не пытаются выработать способ принятия рациональных решений в тех условиях, когда вознаграждение в ответ на определенные действия не предоставляется немедленно, а становится результатом нескольких действий, выполненных в определенной последовательности. Изучению этой темы посвящена область исследования операций.

Работы в области экономики и исследования операций оказали большое влияние на формирование понятия рациональных агентов, но в течение многих лет исследования в области искусственного интеллекта проводились совсем по другим направлениям. Одной из причин этого была кажущаяся сложность задачи выработки рациональных решений. Тем не менее Герберт Саймон (20 век) показал, что лучшее описание фактического поведения человека дают модели, основанные на удовлетворении (принятии решений, которые являются "достаточно приемлемыми"), а не модели, предусматривающие трудоемкий расчет оптимального решения, и стал одним из первых исследователей в области искусственного интеллекта, получившим Нобелевскую премию по экономике (это произошло в 1978 году).

4. Неврология.

В рамках этой науки ученые пытались ответить на вопрос о том, как происходит обработка информации в мозгу?

Неврология – это наука, посвященная изучению нервной системы, в частности мозга. Одной из величайших загадок, не поддающихся научному описанию, остается определение того, как именно мозг обеспечивает мышление.

5. Психология.

Как думают и действуют люди и животные?

В 1879 году в Лейпцигском университете была открыта первая лаборатория по экспериментальной психологии. Ее основателем был Вильгельма Вундт. Он настаивал на проведении тщательно контролируемых экспериментов, в которых его сотрудники выполняли задачи по восприятию или формированию ассоциаций, проводя интроспективные наблюдения за своими мыслительными процессами. Такой тщательный контроль позволил ему сделать очень многое для превращения психологии в науку, но из-за субъективного характера данных вероятность того, что экспериментатор будет стремиться опровергнуть выдвинутые им теории, оставалась очень низкой. Сторонники бихевиористского движения, возглавляемые Джоном Уотсоном (20 век) отвергали любую теорию, учитывающую мыслительные процессы, на том основании, что интроспекция не может предоставлять надежные свидетельства. Бихевиористы настаивали на том, что следует изучать только объективные меры восприятия (или стимулы), предъявленные животному, и вытекающие из этого действия (или отклики на стимулы). Такие мыслительные конструкции, как знания, убеждения, цели и последовательные рассуждения, отвергались как ненаучная "обывательская психология".

Кеннет Крэг (20 век) привел весомые доводы в пользу допустимости применения таких "мыслительных" терминов, как убеждения и цели, доказав, что они являются не менее научными, чем, скажем, такие термины, применяемые в рассуждениях о газах, как давление и температура, несмотря на то, что речь в них идет о молекулах, которые сами не обладают этими характеристиками. Крэг обозначил следующие три этапа деятельности агента, основанного на знаниях: во-первых, действующий стимул должен быть преобразован во внутреннее представление, во-вторых, с этим представлением должны быть выполнены манипуляции с помощью познавательных процессов для выработки новых внутренних представлений, и, в-третьих, они должны быть, в свою очередь, снова преобразованы в действия. Он наглядно объяснил, почему такой проект является приемлемым для любого агента.

Если живой организм несет в своей голове "модель в уменьшенном масштабе" внешней реальности и своих возможных действий, то обладает способностью проверять различные варианты, приходить к заключению, какой из них является наилучшим, реагировать на будущие ситуации, прежде чем они возникнут, использовать знания о прошлых событиях, сталкиваясь с настоящим и будущим, и во всех отношениях реагировать на опасности, встречаясь с ними, гораздо полнее, безопаснее для себя, а также в более компетентной форме.

Работа Крэга была продолжена Дональдом Броудбентом, который привел первые примеры моделей информационной обработки психологических феноменов.

Работы в области компьютерного моделирования привели к созданию такого научного направления, как когнитология. Существует такое мнение, что зарождение этого направления произошло на одном из семинаров в Массачусетсском технологическом институте в сентябре 1956 года. На этом семинаре было показано, как можно использовать компьютерные модели для решения задач в области психологии, запоминания, обработки естественного языка и логического мышления. В настоящее время среди психологов находят широкое признание взгляды на то, что "любая теория познания должна напоминать компьютерную программу", т.е. она должна подробно описывать механизм обработки информации, с помощью которого может быть реализована некоторая познавательная функция.

6. Вычислительная техника.

Каким образом можно создать эффективный компьютер?

Для успешного создания искусственного интеллекта требуется, во-первых, интеллект и, во-вторых, артефакт. Наиболее предпочтительным артефактом в этой области всегда был компьютер.

Искусственный интеллект во многом обязан тем направлениям компьютерных наук, которые касаются программного обеспечения, поскольку именно в рамках этих направлений создаются операционные системы, языки программирования и инструментальные средства, необходимые для написания современных программ. Но эта область научной деятельности является также одной из тех, где искусственный интеллект в полной мере возмещает свои долг: работы в области искусственного интеллекта стали источником многих идей, которые затем были воплощены в основных направлениях развития компьютерных наук, включая разделение времени, интерактивные интерпретаторы, персональные компьютеры с оконными интерфейсами и поддержкой позиционирующих устройств, применение среды ускоренной обработки, создание типов данных в виде связных списков, автоматическое управление памятью и ключевые концепции символического, функционального, динамического и объектно-ориентированного программирования.

7. Теория управления и кибернетика.

Каким образом артефакты могут работать под своим собственным управлением?

Первое самоуправляемое устройство было построено Ктесибием из Александрии (примерно в 250 году до н.э.); это были водяные часы с регулятором, который поддерживал поток воды, текущий через эти часы с постоянным, предсказуемым расходом. Это изобретение изменило представление о том, на что могут быть способны устройства, созданные человеком. До его появления считалось, что только живые существа способны модифицировать свое поведение в ответ на изменения в окружающей среде. К другим примерам саморегулирующихся систем управления с обратной связью относятся регулятор паровой машины, созданный Джеймсом Уаттом (18-19 века), и термостат, изобретенный Корнелисом Дреббелем (16-17 века), который изобрел также подводную лодку. Математическая теория устойчивых систем с обратной связью была разработана в XIX веке.

Центральной фигурой в создании науки, которая теперь именуется теорией управления, был Норберт Винер (20 век). Винер был блестящим математиком, который совместно работал со многими учеными, включая Бертрана Рассела, под влиянием которых у него появился интерес к изучению биологических и механических систем управления и их связи с познанием. Как и Крэг (который также использовал системы управления в качестве психологических моделей), Винер и его коллеги Артуро Розенблют и Джулиан Бигелоу бросили вызов ортодоксальным бихевиористским взглядам. Они рассматривали целенаправленное поведение как обусловленное действием регуляторного механизма, пытающего минимизировать "ошибку" – различие между текущим и целевым состоянием. В конце 1940-х годов Винер совместно с Уорреном Мак-Каллоком, Уолтером Питтсом и Джоном фон Нейманом организовал ряд конференций, на которых рассматривались новые математические и вычислительные модели познания; эти конференции оказали большое влияние на взгляды многих других исследователей в области наук о поведении. Винер впервые дал определение кибернетики как науки, и убедил широкие круги общественности в том, что мечта о создании машин, обладающих искусственным интеллектом, воплотилась в реальность.

Предметом современной теории управления, особенно той ее ветви, которая получила название стохастического оптимального управления, является проектирование систем, которые максимизируют целевую функцию во времени. Это примерно соответствует представлению об искусственном интеллекте как о проектировании систем, которые действуют оптимальным образом. Почему же в таком случае искусственный интеллект и теория управления рассматриваются как две разные научные области, особенно если учесть, какие тесные взаимоотношения связывали их основателей? Ответ на этот вопрос состоит в том, что существует также тесная связь между математическими методами, которые были знакомы участникам этих разработок, и соответствующими множествами задач, которые были охвачены в каждом из этих подходов к описанию мира. Дифференциальное и интегральное исчисление, а также алгебра матриц, являющиеся инструментами теории управления, в наибольшей степени подходят для анализа систем, которые могут быть описаны с помощью фиксированных множеств непрерывно изменяющихся переменных; более того, точный анализ, как правило, осуществим только для линейных систем. Искусственный интеллект был отчасти основан как способ избежать ограничений математических средств, применявшихся в теории управления в 1950-х годах. Такие инструменты, как логический вывод и вычисления, позволили исследователям искусственного интеллекта успешно рассматривать некоторые проблемы (например, понимание естественного языка, зрение и планирование), полностью выходящие за рамки исследований, предпринимавшихся теоретиками управления.

8. Лингвистика.

Каким образом язык связан с мышлением?

В 1957 году Ноам Хомский показал, что бихевиористская теория не позволяет понять истоки творческой деятельности, осуществляемой с помощью языка, – она не объясняет, почему ребенок способен понимать и складывать предложения, которые он до сих пор никогда еще не слышал. Теория Хомского, основанная на синтаксических моделях, восходящих к работам древнеиндийского лингвиста Панини (примерно 350 год до н.э.), позволяла объяснить этот феномен, и, в отличие от предыдущих теорий, оказалась достаточно формальной для того, чтобы ее можно было реализовать в виде программ.

Таким образом, современная лингвистика и искусственный интеллект, которые "родились" примерно в одно и то же время и продолжают вместе расти, пересекаются в гибридной области, называемой вычислительной лингвистикой или обработкой естественного языка. Вскоре было обнаружено, что проблема понимания языка является гораздо более сложной, чем это казалось в 1957 году. Для понимания языка требуется понимание предмета и контекста речи, а не только анализ структуры предложений. Это утверждение теперь кажется очевидным, но сам данный факт не был широко признан до 1960-х годов. Основная часть ранних работ в области представления знаний (науки о том, как преобразовать знания в такую форму, с которой может оперировать компьютер) была привязана к языку и подпитывалась исследованиями в области лингвистики, которые, в свою очередь, основывались на результатах философского анализа языка, проводившегося в течение многих десятков лет.

Итак, такова предыстория искусственного интеллекта. Перейдем теперь к самому процессу развития искусственного интеллекта.

Появление предпосылок искусственного интеллекта (период с 1943 года по 1955 год)

Первая работа, которая теперь по общему признанию считается относящейся к искусственному интеллекту, была выполнена Уорреном Мак-Каллоком и Уолтером Питтсом. В этой работе им понадобилось: знание основ физиологии и назначения нейронов в мозгу; формальный анализ логики высказываний, взятый из работ Рассела и Уайтхеда; а также теория вычислений Тьюринга. Мак-Каллок и Питтс предложили модель, состоящую из искусственных нейронов, в которой каждый нейрон характеризовался как находящийся во "включенном" или "выключенном" состоянии, а переход во "включенное" состояние происходил в ответ на стимуляцию достаточного количества соседних нейронов. Состояние нейрона рассматривалось как "фактически эквивалентное высказыванию, в котором предлагается адекватное количество стимулов". Работы этих ученых показали, например, что любая вычислимая функция может быть вычислена с помощью некоторой сети из соединенных нейронов и что все логические связки ("И", "ИЛИ", "НЕ" и т.д.) могут быть реализованы с помощью простых сетевых структур. Кроме того, Мак-Каллок и Питтс выдвинули предположение, что сети, структурированные соответствующим образом, способны к обучению. Дональд Хебб продемонстрировал простое правило обновления для модификации количества соединений между нейронами. Предложенное им правило, называемое теперь правилом хеббовского обучения, продолжает служить основой для моделей, широко используемых и в наши дни.

Два аспиранта факультета математики Принстонского университета, Марвин Минский и Дин Эдмондс, в 1951 году создали первый сетевой компьютер на основе нейронной сети. В этом компьютере, получившем название Snare, использовалось 3000 электронных ламп и дополнительный механизм автопилота с бомбардировщика В-24 для моделирования сети из 40 нейронов. Аттестационная комиссия, перед которой Минский защищал диссертацию доктора философии, выразила сомнение в том, может ли работа такого рода рассматриваться как математическая, на что фон Нейман, по словам современников, возразил: "Сегодня – нет, но когда-то будет". В дальнейшем Минский доказал очень важные теоремы, показывающие, с какими ограничениями должны столкнуться исследования в области нейронных сетей.

История искусственного интеллекта (с 1956 год)

В Принстонском университете проводил свои исследования еще один авторитетный специалист в области искусственного интеллекта, Джон Маккарти. После получения ученой степени Маккарти перешел в Дартмутский колледж, который и стал официальным местом рождения искусственного интеллекта. Маккарти уговорил Марвина Минского, Клода Шеннона и Натаниэля Рочестера, чтобы они помогли ему собрать всех американских исследователей, проявляющих интерес к теории автоматов, нейронным сетям и исследованиям интеллекта. Они организовывали двухмесячный семинар в Дартмуте летом 1956 года. Всего на этом семинаре присутствовали 10 участников, включая Тренчарда Мура из Принстонского университета, Артура Самюэла из компании IBM, а также Рея Соломонова и Оливера Селфриджа из Массачусетсского технологического института.

Дартмутский семинар не привел к появлению каких-либо новых крупных открытий, но позволил познакомиться всем наиболее важным деятелям в этой научной области. Они, а также их студенты и коллеги из Массачусетсского технологического института, Университета Карнеги-Меллона, Станфордского университета и компании IBM занимали ведущее положение в этой области в течение следующих 20 лет.

Одним из результатов данного семинара было соглашение принять новое название для этой области, предложенное Маккарти, – искусственный интеллект.

Первые годы развития искусственного интеллекта были полны успехов, хотя и достаточно скромных. Если учесть, какими примитивными были в то время компьютеры и инструментальные средства программирования, и тот факт, что лишь за несколько лет до этого компьютеры рассматривались как устройства, способные выполнять только арифметические, а не какие-либо иные действия, можно лишь удивляться тому, как удалось заставить компьютер выполнять операции, хоть немного напоминающие разумные.

Была создана программа общего решателя задач (General Problem Solver- GPS), предназначенная для моделирования процедуры решения задач человеком. Как оказалось, в пределах того ограниченного класса головоломок, которые была способна решать эта программа, порядок, в котором она рассматривала подцели и возможные действия, был аналогичен тому подходу, который применяется людьми для решения таких же проблем. Поэтому программа GPS была, по-видимому, самой первой программой, в которой был воплощен подход к "организации мышления по такому же принципу, как и у человека".

Герберт Гелернтер сконструировал программу Geometry Theorem Prover (программа автоматического доказательства геометрических теорем), которая была способна доказывать такие теоремы, которые показались бы весьма сложными многим студентам-математикам.

Начиная с 1952 года Артур Самюэл написал ряд программ для игры в шашки, которые в конечном итоге научились играть на уровне хорошо подготовленного любителя. В ходе этих исследований Самюэл опроверг утверждение, что компьютеры способны выполнять только то, чему их учили: одна из его программ быстро научилась играть лучше, чем ее создатель.

В 1958 году Джон Маккарти привел определение нового языка высокого уровня Lisp – одного из первых языков программирования для искусственного интеллекта.

Основное назначение информационных систем в экономике – это своевременное представление необходимой информации ЛПР для принятия им адекватных и эффективным решений при управлении процессами, ресурсами, финансовыми транзакциями, персоналом или организацией в целом. Однако в процессе развития информационных технологий, исследования операций и технологий моделирования, а также с возрастанием потребителей информационно – аналитической поддержки самих ЛПР, все больше проявлялась потребность в системах, не только представляющих информацию, но и выполняющих некоторый ее предварительный анализ, способных давать некоторые советы и рекомендации, осуществлять прогнозирование развития ситуаций, отбирать наиболее перспективные альтернативы решений, т.е. поддерживать решения ЛПР, взяв на себя значительную часть рутинных операций, а также функции предварительного анализа и оценок.

Информационнаясистема поддержки решений (ИСПР) связывает интеллектуальные ресурсы управленца со способностями и возможностями компьютера для улучшения качества решений. Эти системы предназначены для менеджеров, принимающих управленческие решения в условиях полуструктурированных и слабо определенных задач.

Таким образом, дальнейшее развитие ИСПР привело к созданию интеллектуальной информационной СПР.

Интеллектуальные информационные технологии (ИИТ) (Intellectual information technology , IIT ) - это информационные технологии, помогающие человеку ускорить анализ политической, экономической, социальной и технической ситуации, а также - синтез управленческих решений.

Использование ИИТ в реальной практике подразумевает учет специфики проблемной области, которая может характеризоваться следующим набором признаков:

• качество и оперативность принятия решений;
• нечеткость целей и институциальных границ;
• множественность субъектов, участвующих в решении проблемы;
• хаотичность, флюктуируемость и квантованность поведения среды;
• множественность взаимовлияющих друг на друга факторов;
• слабая формализуемость, уникальность, нестереотипность ситуаций;
• латентность, скрытость, неявность информации;
• девиантность реализации планов, значимость малых действий;
• парадоксальность логики решений и др.

ИИТ формируются при создании информационных систем и информационных технологий для повышения эффективности управления знаниями, принятия решений в условиях, связанных с возникновением проблемных ситуаций. В этом случае любая жизненная или деловая ситуация описывается в виде некоторой познавательной модели (когнитивной схемы, архетипа, фрейма и пр.), которая впоследствии используется в качестве основания для построения и проведения моделирования, в том числе - компьютерного.

Глава I. История развития Интеллектуальных информационных систем

История Интеллектуальных информационных систем (ИИС) начинается с середины XX века, что связано с развитием Искусственного интеллекта как нового научного направления, появлением термина «Artificial Intelligence».

Предпосылки развития искусственного интеллекта в СССР и России появляются уже в XIX веке, когда Коллежский советник Семён Николаевич Корсаков (1787-1853) ставил задачу усиления возможностей разума посредством разработки научных методов и устройств, перекликающуюся с современной концепцией искусственного интеллекта, как усилителя естественного. В 1832 г. С. Н. Корсаков опубликовал описание пяти изобретённых им механических устройств, так называемых «интеллектуальных машин», для частичной механизации умственной деятельности в задачах поиска, сравнения и классификации. В конструкции своих машин Корсаков впервые в истории информатики применил перфорированные карты, игравшие у него своего рода роль баз знаний, а сами машины по существу являлись предшественниками экспертных систем. «Интеллектуальные машины» позволяли находить решения по заданным условиям, например определять наиболее подходящие лекарства по наблюдаемым у пациента симптомам заболевания. В СССР работы в области искусственного интеллекта начались в 1960-х гг. В Московском университете и Академии наук был выполнен ряд пионерских исследований, возглавленных В. Пушкиным и Д. А. Поспеловым. В 1964 г. была опубликована работа ленинградского логика С. Маслова «Обратный метод установления выводимости в классическом исчислении предикатов», в которой впервые предлагался метод автоматического поиска доказательства теорем в исчислении предикатов. В 1966 г. В. Ф. Турчиным был разработан язык рекурсивных функций Рефал. До 1970-х гг. в СССР все исследования ИИ велись в рамках кибернетики. По мнению Д. А. Поспелова, науки «информатика» и «кибернетика» были в это время смешаны, по причине ряда академических споров. Только в конце 1970-х в СССР начинают говорить о научном направлении «искусственный интеллект» как разделе информатики. При этом родилась и сама информатика, подчинив себе прародительницу «кибернетику». В конце 1970-х создаётся толковый словарь по искусственному интеллекту, трёхтомный справочник по искусственному интеллекту и энциклопедический словарь по информатике, в котором разделы «Кибернетика» и «Искусственный интеллект» входят наряду с другими разделами в состав информатики.

История ИИТ начинается с середины 1970-х годов и связывается с совместным практическим применением интеллектуальных информационных систем, систем искусственного интеллекта, систем поддержки решений и информационных систем.История ИИТ связана также с развитием трех научных направлений: компьютерной философии, компьютерной психологии и продвинутой компьютерной науки (Advanced computer science ) и дополняется прогрессом в создании:

1. ситуационных центров

2. информационно-аналитических систем

3. инструментариев эволюционных вычислений и генетических алгоритмов

4. систем поддержки общения человека с компьютером на естественном языке

5. когнитивным моделированием

6. систем автоматического тематического рубрицирования документов

7. систем стратегического планирования

8. инструментариев технического и фундаментального анализа финансовых рынков

9. систем менеджмента качества

10. систем управления интеллектуальной собственностью и др.

Искусственный интеллект как наука был основан тремя поколениями исследователей.

В Табл.1.1. представлены ключевые события в истории ИИ и инженерии знаний, начиная с первой работы У. Маккалока и У. Питса в 1943 г. и до современных тенденций в комбинированных усилиях экспертных систем, нечеткой логики и нейронных вычислений в современных системах, основанных на знаниях, способных осуществлять вычисления при помощи слов.

Таблица 1.1.

Краткий перечень главных событий в истории ИИ и инженерии знаний

Таким образом, исторически разработки в области ИИ велись в двух основных направлениях:

- первое направление связано с попытками разработки ин­теллектуальных машин путем моделирования их биологического прототипа - человеческого мозга. Сейчас это направление возрож­дается на основе развития современных аппаратных и программ­ных средств (микрочипы на основе нечеткой логики, распределенные многопроцессорные системы, многоагентные системы, мягкие вычисления, генетические алгоритмы и нейронные сети и т.д.).

- второе направление связано с разработками методов, приемов, специализированных устройств и программ для компью­теров, обеспечивающих решение сложных математических и ло­гических задач, позволяющих автоматизировать отдельные ин­теллектуальные действия человека (системы, основанные на знаниях, экспертные системы, прикладные интеллектуальные системы).

Эти два направления как бы определяют программу минимум и программу максимум, между которыми и лежит область сегодняшних исследований и разработок систем ИИ. Работы по разработке программного и аппаратного обеспечения ИИ выделены в отдельную область.

Глава II. Интеллектуальные системы и их виды

Интеллектуальная система (ИС, intelligent system ) - это техническая или программная система, способная решать задачи, традиционно считающиеся творческими, принадлежащие конкретной предметной области, знания о которой хранятся в памяти такой системы. Структура интеллектуальной системы включает три основных блока - базу знаний, решатель и интеллектуальный интерфейс.

Со всем процессом разработки интеллектуальных информационных систем в целом и ЭС в частноститесно связанаИнженерия знаний . Это методология ЭС, которая охватывает методы добычи, анализа и выражения в правилах знаний экспертов для формирования базы правил. Развитие ЭС создало инженерию знаний – процесс построения интеллектуальных систем. Она представляет собой совокупность моделей, методов и технических приемов, нацеленных на создание систем, которые предназначены для решения проблем с использованием знаний. Главными элементами инженерии знаний являются использование операций типа обобщение, генерация гипотез для индуктивных выводов, подготовка новых программ самими компьютерными программами и т.д. Слово engineering в английском означаетискусная обработка предметов, изобретение или создание чего-либо. Следовательно, работу по оснащению программ специальными экспертными знаниями из проблемной области, выполняемую человеком, либо компьютером (программой), также можно назвать инженерией знаний.

Виды интеллектуальных систем :

1. Расчетно-логическая система

К расчетно-логическим системам относят системы, способные решать управленческие и проектные задачи по декларативным описаниям условий. При этом пользователь имеет возможность контролировать в режиме диалога все стадии вычислительного процесса. Данные системы способны автоматически строить математическую модель задачи и автоматически синтезировать вычислительные алгоритмы по формулировке задачи. Эти свойства реализуются благодаря наличию базы знаний в виде функциональной семантической сети и компонентов дедуктивного вывода и планирования

1. Рефлекторная интеллектуальная система

Рефлекторная система - это система, которая формирует вырабатываемые специальными алгоритмами ответные реакции на различные комбинации входных воздействий. Алгоритм обеспечивает выбор наиболее вероятной реакции интеллектуальной системы на множество входных воздействий, при известных вероятностях выбора реакции на каждое входное воздействие, а также на некоторые комбинации входных воздействий. Данная задача подобна той, которую реализуют перцептроны. Перцептро́н , или перс ептрон (perceptron ) - математическая и компьютерная модель восприятия информации мозгом (кибернетическая модель мозга ), предложенная Фрэнком Розенблаттом в 1957 г. и реализованная в виде электронной машины «Марк-1» в 1960 г. Перцептрон стал одной из первых моделей нейросетей , а «Марк-1» - первым в мире нейрокомпьютером . Несмотря на свою простоту, перцептрон способен обучаться и решать довольно сложные задачи. Рефлекторные программные системы применяются к следующим задачам: естественно-языковой доступ к базам данных; оценки инвестиционных предложений; оценки и прогнозирования влияния вредных веществ на здоровье населения; прогнозирования результатов спортивных игр.

1. Интеллектуальная информационная система

Интеллектуальная информационная система (ИИС, intelligent system ) - система, основанная на знаниях.

1. Гибридная интеллектуальная система

Под гибридной интеллектуальной системой принято понимать систему, в которой для решения задачи используется более одного метода имитации интеллектуальной деятельности человека. Таким образом ГИС - это совокупность:

• аналитических моделей
• экспертных систем
• искусственных нейронных сетей
• нечетких систем
• генетических алгоритмов
• имитационных статистических моделей

Междисциплинарное направление «гибридные интеллектуальные системы» объединяет ученых и специалистов, исследующих применимость не одного, а нескольких методов, как правило, из различных классов, к решению задач управления и проектирования.

Глава III . Интеллектуальные информационные системы (ИИС) поддержки принятия решений

ИИС представляет собой комплекс программных, лингвистических и логико-математических средств для реализации основной задачи: осуществление поддержки деятельности человека, например возможность поиска информации в режиме продвинутого диалога на естественном языке.

ИИС – это компьютерная система, состоящая из 5 основных взаимодействующих компонентов : языковой подсистемы (механизм обеспечения связи между пользователем и другими компонентами ИСПР), информацией подсистемы (хранилище данных и средств их обработки), подсистемы управления знаниями (хранилище знаний о проблемной области, таких как процедуры, эвристики и правила, и средства обработки знаний), подсистемы управления моделями и подсистемы обработки и решения задач (связующее звено между другими подсистемами).

Классификация задач, решаемых ИИС :

• Интерпретация данных . Это одна из традиционных задач для экспертных систем. Под интерпретацией понимается процесс определения смысла данных, результаты которого должны быть согласованными и корректными. Обычно предусматривается многовариантный анализ данных.
• Диагностика . Под диагностикой понимается процесс соотношения объекта с некоторым классом объектов и/или обнаружение неисправности в некоторой системе. Неисправность - это отклонение от нормы. Такая трактовка позволяет с единых теоретических позиций рассматривать и неисправность оборудования в технических системах, и заболевания живых организмов, и всевозможные природные аномалии. Важной спецификой является здесь необходимость понимания функциональной структуры («анатомии») диагностирующей системы.
• Мониторинг . Основная задача мониторинга - непрерывная интерпретация данных в реальном масштабе времени и сигнализация о выходе тех или иных параметров за допустимые пределы. Главные проблемы - «пропуск» тревожной ситуации и инверсная задача «ложного» срабатывания. Сложность этих проблем в размытости симптомов тревожных ситуаций и необходимость учёта временного контекста.
• Проектирование . Проектирование состоит в подготовке спецификаций на создание «объектов» с заранее определёнными свойствами. Под спецификацией понимается весь набор необходимых документов-чертёж, пояснительная записка и т.д. Основные проблемы здесь - получение чёткого структурного описания знаний об объекте и проблема «следа». Для организации эффективного проектирования и в ещё большей степени перепроектирования необходимо формировать не только сами проектные решения, но и мотивы их принятия. Таким образом, в задачах проектирования тесно связываются два основных процесса, выполняемых в рамках соответствующей ЭС: процесс вывода решения и процесс объяснения.
• Прогнозирование . Прогнозирование позволяет предсказывать последствия некоторых событий или явлений на основании анализа имеющихся данных. Прогнозирующие системы логически выводят вероятные следствия из заданных ситуаций. В прогнозирующей системе обычно используется параметрическая динамическая модель, в которой значения параметров «подгоняются» под заданную ситуацию. Выводимые из этой модели следствия составляют основу для прогнозов с вероятностными оценками.
• Планирование . Под планированием понимается нахождение планов действий, относящихся к объектам, способным выполнять некоторые функции. В таких ЭС используются модели поведения реальных объектов с тем, чтобы логически вывести последствия планируемой деятельности.
• Обучение . Под обучением понимается использование компьютера для обучения какой-то дисциплине или предмету. Системы обучения диагностируют ошибки при изучении какой-либо дисциплины с помощью ЭВМ и подсказывают правильные решения. Они аккумулируют знания о гипотетическом «ученике» и его характерных ошибках, затем в работе они способны диагностировать слабости в познаниях обучаемых и находить соответствующие средства для их ликвидации. Кроме того, они планируют акт общения с учеником в зависимости от успехов ученика с целью передачи знаний.

Нейронные сети не программируются в привычном смысле этого слова, они обучаются. Возможность обучения - одно из главных преимуществ нейронных сетей перед традиционными алгоритмами. Технически обучение заключается в нахождении коэффициентов связей между нейронами. В процессе обучения нейронная сеть способна выявлять сложные зависимости между входными данными и выходными, а также выполнять обобщение. Это значит, что, в случае успешного обучения, сеть сможет вернуть верный результат на основании данных, которые отсутствовали в обучающей выборке.

• Управление . Под управлением понимается функция организованной системы, поддерживающая определенный режим деятельности. Такого рода ЭС осуществляют управление поведением сложных систем в соответствии с заданными спецификациями.
• Поддержка принятия решений . Поддержка принятия решения - это совокупность процедур, обеспечивающая лицо, принимающее решения, необходимой информацией и рекомендациями, облегчающие процесс принятия решения. Эти ЭС помогают специалистам выбрать и/или сформировать нужную альтернативу среди множества выборов при принятии ответственных решений.

В общем случае все системы, основанные на знаниях, можно подразделить на системы, решающие задачи анализа , и на системы, решающие задачи синтеза . Основное отличие задач анализа от задач синтеза заключается в том, что если в задачах анализа множество решений может быть перечислено и включено в систему, то в задачах синтеза множество решений потенциально не ограничено и строится из решений компонент или подпроблем. Задачами анализа являются: интерпретация данных, диагностика, поддержка принятия решения; к задачам синтеза относятся проектирование, планирование, управление. Комбинированные: обучение, мониторинг, прогнозирование.

Глава IV . Разработка и проектирование ИИС

§1. Этапы проектирования ИИС

Существуют различные взгляды на определение числа этапов проектирования интеллектуальных систем. Это зависит от многих факторов, в част­ности от характера функций будущей интеллектуальной системы, области использова­ния, наличия развитых инструментальных средств и т. д.

Процесс построения систем ИИ можно раз­делить на пять этапов (см.Рис.4.1.1.).

Рис.4.1.1. Этапы проектирования ИИ

1. Идентификация определения задач и идентификация их характеристик. Разра­батывается техническое задание на проектируемую систему, ограничивается круг пользователей системы.

2. Выделение главных концепций предметной области, которые отражают знания круга экспертов. Инженер знаний определяет формальные средства представления знаний и процедуры получения решений. Выявля­ются и формулируются понятия, определяющие выбор характерной схемы представления знаний эксперта о предметной области. Основным источником знаний о проблемной области является человек-эксперт, книги, технологические описания, инструк­ции, документы, методы «мозгового штурма», методы автоматизированного запол­нения БЗ. Другим важным источником знаний является Интернет (традиционный поиск необходимой информации и знаний, а также интеллектуальные агенты (программные роботы)).

3 . Выбор формализма представления знаний и определение механизма вывода решений . Разработанная структура для представления знаний является основой для реализации следующего этапа - непосредственного построения базы знаний системы.

4.Выбор или разработка языка представления знаний. После того как правила сформулированы и представлены на выбранном языке представления, они заносятся инженером знаний в БЗ.

5.Тестирование системы путем решения кон­кретных проверочных задач.

Этапы создания интеллектуальных систем не являются четко очерченными и под­робно регламентированными. Между некоторыми из них трудно провести временную и содержательную границу.Онив какой-то степени приблизительно описывают процесс проектирования интеллектуальных систем.

§2. Стадии существования ИИС

Стадии существования интеллектуальных систем (или жизненные циклы системы) соответствуют уровню готовности системы, завершенности ее функциональных возможностей, реализуемых инструментарием. Определяют следующие стадии существования интеллектуальных систем: демонстрационный прототип; исследовательский прототип; действующий прототип; промышленная система; коммерческая система.

Демонстрационный прототип - это состояние разработанности системы, когда она решает некоторую часть проблемных задач. При разработке демонстрационного прототипа стремятся достичь противоречивых целей: с одной стороны, система на стадии демон­страционного прототипа должна выполнять задачи, которые бы до­вольно полно характеризовали ее возможности, с другой стороны, эту стадию стремятся пройти как можно быстрее. Работа демон­страционного прототипа может быть признана удовлетворительной, если он оперирует минимальным набором правил, достаточным для решения некоторых задач. Время разработки колеблется от двух месяцев до года.

Исследовательский прототип проектируется в течение 1,5 ...2 лет. На этой стадии развития системы ее БЗ уже содержит не­сколько сотен правил, которые достаточно адекватно описывают предметную область.

Действующий прототип интеллектуальных систем осуществляет качественный вывод решений на расширившемся пространстве правил, достигшем порядка 1000. Поэтому для вывода сложных решений требую большие ресурсы времени и памяти.

Промышленные системы обеспечивают высокий уровень качества решения проблем предметной области при значительных уменьшениях времени решения и требуемой памяти. Количество правил возрастает не столь значительно по сравнению с действу­ющим прототипом. На этой стадии происходит преобразование дей­ствующего прототипа за счет расширения числа правил и совер­шенствования интеллектуальных систем на базе использования более эффективных, инструментальных средств. Это требует примерно 3 ... 4 года.

Коммерческаясистема предназначенавосновномдляпродажи. Она является либо проблемно-ориентированной, либо проблемно-независимой.

§3. Инструментальные средства проектирования ИИС

Несмотря на наличие множества подходов как к пониманию задач ИИ, так и созданию интеллектуальных информационных систем, можно выделить два основных подхода к разработке ИИ:

• нисходящий (Top - Down AI ), семиотический - создание экспертных систем, баз знаний и систем логического вывода, имитирующих высокоуровневые психические процессы: мышление, рассуждение, речь, эмоции, творчество и т. д.;
• восходящий (Bottom - Up AI ), биологический - изучение нейронных сетей и эволюционных вычислений, моделирующих интеллектуальное поведение на основе биологических элементов, а также создание соответствующих вычислительных систем, таких как нейрокомпьютер или биокомпьютер.

Для разработки ИИС раньше использовались логические языки (Пролог, Лисп и т. д.), а сейчас используются различные процедурные языки. Логико-математическое обеспечение разрабатывается как для самих модулей систем, так и для состыковки этих модулей. Однако в области лингвистики тоже существует множество проблем, например, для обеспечения работы системы в режиме диалога с пользователем на естественном языке необходимо заложить в систему алгоритмы формализации естественного языка, а эта задача оказалась куда более сложной, чем предполагалось на заре развития интеллектуальных систем. Еще одна проблема - постоянная изменчивость языка, которая обязательно должна быть отражена в системах искусственного интеллекта.

На проектирование и создание одной экспертной системы ранее требовалось 20-30 человек-лет. В настоящее время имеется ряд средств, ускоряющих создание. Эти средства называют инструментальными или инструментарием . Использование инструментальных средств разработки экспертных систем сокращает время, затрачиваемое на их создание, в 3-5 раз.

Инструментальное средство разработки экспертных систем – это язык программирования, используемый инженером знаний и/или программистом для построения экспертной системы. Этот инструмент отличается от обычных языков программирования тем, что обеспечивает удобные способы представления сложных высокоуровневых понятий.

По своему назначению и функциональным возможностям инструментальные программы, применяемые при проектировании экспертных систем, можно разделить на четыре большие категории:

1. Оболочки экспертных систем

Системы этого типа создаются, как правило, на основе какой-нибудь экспертной системы, достаточно хорошо зарекомендовавшей себя на практике. При создании оболочки из системы-прототипа удаляются компоненты, слишком специфичные для области ее непосредственного применения, и оставляются те, которые не имеют узкой специализации. Примером может служить система EMYCIN, созданная на основе прошедшей длительную «обкатку» системы MYCIN. В EMYCIN сохранен интерпретатор и все базовые структуры данных – таблицы знаний и связанные с ними механизм индексации. Оболочка дополнена специальным языком, улучшающим читабельность программ, и средствами поддержки библиотеки типовых случаев и заключений, выполненных по ним экспертной системой.

2. Языки программирования высокого уровня

Инструментальные средства этой категории избавляют разработчика от необходимости углубляться в детали реализации системы – способы эффективного распределения памяти, низкоуровневые процедуры доступа и манипулирования данными. Одним из наиболее известных представителей таких языков является OPS5. Этот язык прост в изучении и предоставляет программисту гораздо более широкие возможности, чем типичные специализированные оболочки. Следует отметить, что большинство подобных языков так и не было доведено до уровня коммерческого продукта и представляет собой скорее инструмент для исследователей. Осуществляется программирование на обычных языках (Паскаль, Си и др.), программирование на специализированных языках, применяемых в задачах искусственного интеллекта (LISP, FRL, SmallTalk и др.) и др.

3. Среда программирования, поддерживающая несколько парадигм

Средства этой категории включают несколько программных модулей, что позволяет пользователю комбинировать в процессе разработки экспертной системы разные стили программирования. Среди первых проектов такого рода была исследовательская программа LOOP, которая допускала использование двух типов представления знаний: базирующегося на системе правил и объектно-ориентированного. На основе этой архитектуры во второй половине 1980-х годов было разработано несколько коммерческих программных продуктов, из которых наибольшую известность получили KEE, KnowledgeCraft и ART. Эти программы предоставляют в распоряжение квалифицированного пользователя множество опций и для последующих разработок, таких как КАРРА и CLIPS, и стали своего рода стандартом. Однако освоить эти языки программистам далеко не так просто, как языки, отнесенные к предыдущей категории.

4. Дополнительные модули

Глава V . Архитектура ИИС

§1. Структура интеллектуальной системы

В зависимости от характера выполняемых функций и области действий эксперты выполняют несколько характерных задач, ко­торые являются типичными: интерпретация, плани­рование, управление, проектирование, прогнозирование, диспетчирование и мониторинг, диагностика. Главное, эксперт спосо­бен обновлять свои знания (т. е. обучаться), объяснять действия, обосновывать решения, прогнозировать развитие ситуаций, актив­но взаимодействовать с внешней средой и воспринимать информа­цию различного характера, получать решения на основе имею­щихся знаний, хранить в памяти необходимую информацию и фактографические данные. Анализ задач послужит ориентиром при рассмотрении архитектуры ИС, осно­ванных на знаниях.

Таким образом, чтобы создать систему, работающую со зна­ниями и способную в какой-то мере заменить эксперта или по­мочь ему в принятии решений при управлении производством, не­обходимо стремиться заложить в архитектуру нашей системы возможности по реализации названных функций.

На Рис.5.1.1.. представлена обобщенная структура и компоненты интеллектуальной системы, а также ее окружение.

Рис.5.1.1. Структура интеллектуальных систем.

§2. СтруктураБЗ ивзаимодействиесдругимикомпонентами интеллектуальной системы

Структурно БЗ можно организовать в ви­де двух основных подбаз - базы правил (БП) и базы данных (БД).

В БД хранится фактографическая информация о решаемых на объекте задачах и данные, которые относятся к указанной предметной области. БП определяет отношения между элементами данных, хранящихся в БД, на основе моделей пред­ставления знаний о предметной области, а также способы активи­зации этих знаний.

Таким образом, очень обобщенно можно говорить о двух уров­нях представления знаний: первый уровень - фактографическая информация, данные; второй уровень - описания, отношения, правила и процедуры, определяющие способ манипулирования фактографической информации.

Помимо знаний о предметной области в БЗ должны храниться и другие типы знаний: модель мира системы, знания о пользова­теле, целях и т. д. Эти знания в основном содержатся на втором уровне представления в виде блоков или органических частей БП.

Во многих интеллектуальных системах, особенно работающихв реальном времени, реализуется уровень метазнаний, кото­рый необходим для обеспечения рационализации процессов оперирования знаниями в БЗ, уменьшения области поиска решения, сокращения время обработки ин­формации. Метазнания - это зна­ния системы о себе, т. е. знания о своих знаниях, их структуре и о принципах своего функционирования. На основе этих знаний на уровне метазнаний (в бло­ке метазнаний) среди имею­щегося набора стратегий поиска определяется наибо­лее эффективная.

Рис.5.2.1.ОбобщеннаяструктураБЗ

При варианте структуры БЗ, представленном на Рис.5.2.1. , функ­ции интерпретатора правил, рациональным образом реализующе­го механизм вывода решений, по существу выполняет верхний уровень БЗ - метазнания (или блок метазнаний).

Необходимо подчеркнуть, что существуют различные вариан­ты как организации самой БЗ, так и взаимодействия БЗ с дру­гими компонентами ИС.

На Рис.5.2.2. приведен фрагмент системы ИИ, отражающий вза­имодействие БЗ с основными модулями системы при поиске и ге­нерации знаний. В БЗ представлена как фактографическая информация, так и правила, или эвристики.

Рис.5.2.2. Структура взаимодействия БЗ с основными компонентами ИИС для продукционных систем

Вывод решения либо ге­нерация новых правил и знаний осуществляется с помощью блока вывода, который взаимодействует с метауровнем БЗ при интерпретации правил и данных БЗ.

Решение задачи и работа с правилами и данными осуществля­ются в специальном блоке - рабочей области. В рабочей области представляются описания запроса - или решаемой задачи, данные и правила из БЗ, процедуры или стратегия механизма вывода.

При использовании наиболее распространенных в настоящее время продукционных систем представления знаний возможен ва­риант структурной и функциональной организации основных ком­понентов системы, представленный на Рис.5.2.3.

Рис.5.2.3. Структура взаимодействия БЗ с основными компонентами ИС для продукционных систем.

§3 . Модели представления знаний в ИИС

Важным вопросом при создании БЗ является выбор способа представления знаний. Цель представления знаний - организация необходимой информации в такую форму, чтобы программа искусственного интеллекта име­ла легкий доступ к ней для принятия решений, планирования, узнавания объектов и ситуаций, анализа сцен, вывода заключений и других когнитивных функций.

Представление знаний в интеллектуальных системах осуществляется на основе:

1. Фреймов и семантических сетей

2. Продукционных и логических моделей

3. Моделей представления и формализации нечетких знаний

4. Нейронных сетей.

Знания в ИИС можно представить с помощью моделей двух типов: декларативных и процедурных. К типовым декларативным моделям относят семантические сети и фреймы, а типовым процедурным моделям – исчисления предикатов, системы продукций, нечёткая логика. На практике редко удаётся обойтись рамками одной модели при разработке ИИС, поэтому представление знаний получается сложным.

Семантическая сеть представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются информационные единицы, имеющие индивидуальные имена. В качестве информационной единицы могут выступать события, действия, обобщённые понятия или свойства объектов. Вершины графа соединяются дугой, если соответствующие информационные единицы находятся в каком-либо отношении.

Фрейм представляет собой структуру данных, дающую целостное представление об объектах, явлениях и их типах в виде абстрактных образов. Структура фрейма записывается в виде списка свойств (слотов). Каждый фрейм имеет

специальный слот, заполненный наименованием представляемой сущности, а другие заполнены значениями разнообразных атрибутов, ассоциирующихся с объектом.

Логика предикатов является расширением логики высказываний. Основным объектом здесь является переменное высказывание (предикат), истинность и ложность которого зависят от значения его переменных. Язык логики предикатов является более мощным по сравнению с языком логики высказываний. Он пригоден для формализации понятий многих проблемных областей.

Продукционная модель , или модель, основанная на правилах, позволяет представить знания в виде предложений типа ЕСЛИ (условие ), ТО (действие ).

Количественные данные (знания) могут быть неточными. Для учёта неточности лингвистических знаний используется формальный аппарат нечёткой алгебры . Одно из главных понятий в нечёткой логике – это понятие лингвистической переменной, которое определяется через нечёткие множества. Нечёткие множества позволяют учитывать субъективные мнения отдельных экспертов.

Нейронные сети – это направление компьютерной индустрии, в основе которого лежит идея создания ИИ по образу и подобию человеческого мозга. Существует большое количество различных алгоритмов обучения нейросетей, среди которых успешным признаётся идея генетических алгоритмов , которая состоит в имитации природных оптимизационных процессов, происходящих при эволюции живых организмов.

§4 . Обработка знаний и вывод решений в ИИС

Основными методами обработки знаний и вывода решений в ИИС являются:

I . Методы вывода и поиска решений в продукционных системах

1. Методы вывода на основе прямой и обратной цепочек

2. Общие методы поиска решений в пространстве состояний

Методы перебора

Поиск в глубину

Поиск в ширину

Поиск на основе стоимости дуг (Нахождение пути минимальной стоимости)

-Поиск с возвратом (бэктрекинг)

3. Эвристические методы поиска (для определения направления поиска используется оценочная функция )

4. Методы редукции

5. Методы поиска решений в больших пространствах состояний

Методы порождения и проверки

Методы последовательного уточнения сверху

Др.

II . Выводы на фреймах и в семантических сетях

III . Дедуктивные методы поиска решений

IV . Поиск решений в условиях неопределенности

1. Вероятностный вывод

2. Вывод на основе теории уверенности

3. Нечеткая логика и приближенные рассуждения

V . Вывод в нейронных сетях

§5. Интеллектуальный интерфейс

Термин «пользовательский интерфейс» охватывает все аспекты взаимодействия между пользователем и ИИС. Он включает не только техническое и программное обеспечение, но также факторы, которые связаны с обеспечением использования, доступности и человеко-машинного взаимодействия. Развитие способностей и возможностей комфортного и качественного взаимодействия пользователя с системой, которая организует, предоставляет этот компонент, позволяет говорить об интеллектуальном интерфейсе. Подсистема интеллектуального интерфейса управляется программным обеспечением, называемым управляющая система интеллектуального интерфейса.

Виды интерфейса.

Взаимодействие на основе меню. При этом виде взаимодействия пользователь выбирает позицию или пункт из списка возможных выборов (меню) для того, чтобы функция была выполнена. Меню появляются в логическом порядке, начиная с главного меню и продвигаясь к локальным меню. Пункты меню могут включать команды, которые появляются в отдельных локальных меню или в меню с не командными пунктами. Меню может оказаться утомительным и продолжительным по времени, когда анализируются сложные ситуации, т.к. это может потребовать несколько меню для построения или использования системы и пользовательдолжен перемещаться назад и вперед меню.

Командный язык. При это виде пользователь вводит команды. Многие команды включают комбинации глагол-существительное. Некоторые команды могут исполняться с функциональными ключами. Другим способом упрощения команд является использование макросов. Команды могут также вводиться голосом.

Вопросно – ответный вид интерфейса начинается с вопросов компьютера пользователю. Пользователь отвечает на вопросы фразой или предложением (или выбором пункта меню). Компьютер может подсказывать пользователю для прояснения или дополнительного ввода информации. В некоторых применениях порядок вопросов может быть обратным: пользователь задает вопросы, а компьютер дает ответы.

Формирование взаимодействия. Пользователь вводит данные или команды в обозначенные формы (поля). Заголовки формы (или отчета, или таблицы) служат подсказками для входа. Компьютер может представлять какой-то выход как результат, и пользователь может быть спрошен о продолжении интерактивного процесса.

Естественный язык. Взаимодействие человек – компьютер, которое подобно диалогу человека с человеком называется естественнымязыком. Сегодня диалог на естественном языке выполняется главным образом посредством клавиатуры. Такой диалог будет проводиться в будущем с использованием голоса для ввода и вывода информации. Главнымограничением использования естественного языка является по существу неспособность компьютера понимать естественный язык. Однако, достижения ИИ все больше повышают уровень диалога на естественном языке.

Графический пользовательский интерфейс. В графическом пользовательском интерфейсе объекты обычно представляются как пиктограммы (или символы) и пользователь непосредственно ими манипулирует. Новейшие операционные системы компьютеров и их приложения исключительно основаны на графике.

Глава VI . Классификация ИИС

ИИС могут размещаться на каком-либо сайте, где пользователь задает системе вопросы на естественном языке (если это вопросно-ответная система) или, отвечая на вопросы системы, находит необходимую информацию (если это экспертная система). Но, как правило, ЭС в интернете выполняют рекламно-информационные функции (интерактивные баннеры), а серьезные системы (такие, как, например, ЭС диагностики оборудования) используются локально, так как выполняют конкретные специфические задачи.

Интеллектуальные поисковики отличаются от виртуальных собеседников тем, что они достаточно безлики и в ответ на вопрос выдают некоторую выжимку из источников знаний (иногда достаточно большого объема), а собеседники обладают «характером», особой манерой общения (могут использовать сленг, ненормативную лексику), и их ответы должны быть предельно лаконичными (иногда даже просто в форме смайликов, если это соответствует контексту).

ИИС:

• Экспертные системы
• Собственно экспертные системы (ЭС)

• Вопросно-ответные системы (в некоторых источниках «системы общения»)
• Виртуальные собеседники

§1. Экспертные системы

Экспертная система (ЭС, expert system) - компьютерная программа, способная частично заменить специалиста-эксперта в разрешении проблемной ситуации. Э то вычислительная система, в которую включены знания специалистов о некоторой узкой предметной области в форме базы знаний. Такие системы могут использоваться не экспертом для улучшения их способностей и возможностей в решении задач определенного класса в конкретной предметной области. ЭС могут быть использованы для распространения источников редких знаний. Эти системы могут иметь значительное влияние как на деятельность таких профессиональных консультантов, как финансовые аналитики, юристы, аудиторы и др., так и на организации и их менеджмент.

Внутри экспертной системы нет заранее заданного дерева вопросов, каждый следующий вопрос выбирается исходя из ответов на все предыдущие. Это позволяет исключить лишние вопросы и не выдавать варианты ответа, которые не приведут к каким-либо результатам. Отсутствие фиксированного дерева позволяет пользователю задавать приоритет вопросов, выбирая наиболее важные для себя аспекты в процессе поиска. В любой момент можно снова вернуться к вопросу и выбрать другой ответ без необходимости снова отвечать на остальные вопросы.

Экспертные системы имеют одно большое отличие от других ИИС : они не предназначены для решения каких-то универсальных задач, как например нейронные сети или генетические алгоритмы. Экспертные системы предназначены для качественного решения задач в определенной разработчиками области, в редких случаях – областях.

Рис.6.1.1. Экспертная система

Технологию построения ЭС (см. Рис.6.1.2. ) часто называют инженерией знаний.

Рис. 6 .1.2. Процесс построения ЭС.

Характерными чертами ЭС являются:

• четкая ограниченность предметной области;
• способность принимать решения в условиях неопределенности;
• способность объяснять ход и результат решения понятным для пользователя способом;
• четкое разделение декларативных и процедурных знаний (фактов и механизмов вывода);
• способность пополнять базу знаний, возможность наращивания системы;
• результат выдается в виде конкретных рекомендаций для действий в сложившейся ситуации, не уступающих решениям лучших специалистов;
• ориентация на решение неформализованных (способ формализации пока неизвестен) задач;
• алгоритм решения не описывается заранее, а строится самой экспертной системой;
• отсутствие гарантии нахождения оптимального решения с возможностью учиться на ошибках.

Классификации ЭС

· Собственно Экспертные системы

• Интерактивные баннеры (web + ЭС)

Интерактивные говорящие баннеры - это инфы или экспертные системы, предназначенные для размещения на внешних ресурсах.

Преимущества интерактивных баннеров:

• Повышенная привлекательность для потребителей - с необычным баннером хочется пообщаться.
• Продолжительный контакт с пользователем. Среднее время общения с баннером может составлять около 3 минут.
• Баннер может вести разных собеседников на разные страницы, в соответствии с их запросами и потребностями.

Классификация ЭС по связи с реальным временем:

• Статические ЭС - это ЭС, решающие задачи в условиях не изменяющихся во времени исходных данных и знаний.
• Квазидинамические ЭС интерпретируют ситуацию, которая меняется с некоторым фиксированным интервалом времени.
• Динамические ЭС - это ЭС, решающие задачи в условиях изменяющихся во времени исходных данных и знаний.

Структура ЭС:

На Рис.6.1.3. ниже представлена каноническая структура экспертной системы динамического типа:

Рис.6 .1.3. Структура ЭС

• механизм логического вывода, называемый также интерпретатором, решателем;
• рабочую память (РП), называемую также рабочей базой данных (БД);
• базу знаний (БЗ);
• подсистему приобретения и пополнения знаний;
• подсистему объяснения;
• подсистему диалога;
• подсистему взаимодействия с внешним миром.

Механизм логического вывода (МЛВ) предназначен для получения новых фактов на основе сопоставления исходных данных из рабочей памяти и знаний из базы знаний. Механизм логического вывода реализует алгоритмы прямого и/или обратного вывода и формально может быть представлен четверкой:

Механизм вывода является мозгом ЭС, его также называют управляющая структура или интерпретатор правил (в ЭС, основанных на правилах).

Эта компонента является в основном компьютерной программой, которая обеспечивает методологию для рассуждения об информации в БЗ и в рабочей области, а также для формулирования заключений. Она обеспечивает указания о том, как использовать знания системы при реализации аренды (расписания запланированных действий в рабочей области), которая организует и управляет шагами, предпринимаемыми для решения задачи.

Механизм вывода имеет два главных элемента:

Интерпретатор, который выполняет выбранные позиции аренды, используя соответствующие правила БЗ.

Планировщик, который поддерживает управление агендой. Он оценивает результаты используемых правил вывода всвете их приоритетов или других критериев в агенде.

Рабочая память предназначена для хранения исходных и промежуточных фактов решаемой в текущий момент задачи. Как правило, размещается в оперативной памяти ЭВМ и отражает текущее состояние предметной области в виде фактов с коэффициентами уверенности (КУ) в истинности этих фактов.

Ценность всей экспертной системы как законченного продукта на 90% определяется качеством созданной базы знаний .Как правило, БЗ ЭС содержит факты (статические сведения о предметной области) и правила - набор инструкций, применяя которые к известным фактам можно получать новые факты. В рамках логической модели баз данных и базы знаний записываются на языке Пролог- язык и система логического программирования) с помощью языка предикатов для описания фактов и правил логического вывода, выражающих правила определения понятий, для описания обобщенных и конкретных сведений, а также конкретных и обобщенных запросов к базам данных и базам знаний.

Подсистема приобретения и пополнения знаний автоматизирует процесс наполнения экспертной системы знаниями, осуществляемый пользователем-экспертом, и адаптации базы знаний системы к условиям ее функционирования. Адаптация экспертной системы к изменениям в предметной области реализуется путем замены правил или фактов в базе знаний.

Подсистема объяснения объясняет, как система получила решение задачи (или почему она не получила решения) и какие знания она при этом использовала, что облегчает эксперту тестирование системы и повышает доверие пользователя к полученному результату. Возможность объяснять свои действия является одним из самых важных свойств экспертной системы, так как:

• повышается доверие пользователей к полученным результатам;
• облегчается отладка системы;
• создаются условия для пользователей по вскрытию новых закономерностей предметной области;
• объяснение полученных выводов может служить средством поиска точки в парето-оптимальном множестве решений.

В настоящее время на практике все СО реа­лизуются на одних и тех же принципах в основном двумя спосо­бами:

Фиксацией событий и состояний с помощью заготовленных текстов на естественном языке;

Трассировкой рассуждений, обратным развертыванием дерева целей с указанием подцелей.

При реализации каждого из этих способов предварительно выделяются ситуации, факты и узлы перехода в новые состояния, требующие объяснений. Им ставится в соответствие некоторый текст объяснения.

Структура экспертной системы была бы неполной без подсистемы диалога . Подсистема диалога ориентирована на организацию дружественного интерфейса со всеми категориями пользователей как в ходе решения задач, так и в ходе приобретения знаний и объяснения результатов работы.

Факты и правила в экспертной системе не всегда либо истинны, либо ложные. Иногда существует некоторая степень неуверенности в достоверности факта или точности правила. Если это сомнение выражено явно, то оно называется «коэффициентом доверия».

Коэффициент доверия – это число, которое означает вероятность или степень уверенности, с которой можно считать данный факт или правило достоверным или справедливым. Данный коэффициент является оценкой степени доверия к решению, выдаваемому экспертной системой. Такая оценка, например, может проводиться по схеме Шортлиффа.

Режимы функционирования ЭС:

1. Режим ввода знаний - в этом режиме эксперт с помощью инженера по знаниям посредством редактора базы знаний вводит известные ему сведения о предметной области в базу знаний ЭС.
2. Режим консультации - пользователь ведет диалог с ЭС, сообщая ей сведения о текущей задаче и получая рекомендации ЭС. Например, на основе сведений о физическом состоянии больного ЭС ставит диагноз в виде перечня заболеваний, наиболее вероятных при данных симптомах.

Табл.6 .1.1.

Основные классы решения задач, решаемые ЭС

Некоторые ЭС принадлежат к двум или более из этих категорий. Дадим краткое описание каждой их этих категорий.

Системы интерпретации выявляют описания ситуации из наблюдений. Это категория включает наблюдения, понимание речи, анализ образов, интерпретацию сигналов и многие другие виды интеллектуального анализа. Система интерпретации объясняют наблюдаемые данные путем присвоения им символических значений, описывающих ситуацию.

Системы предсказания включают прогнозирование погоды, демографические предсказания, экономическое прогнозирование, оценки урожайности, а также военное, маркетинговое и финансовое прогнозирование.

Системы диагностики включают диагностику в медицине, электронике, механике и программном обеспечении. Диагностирующие системы обычно соотносят наблюдаемые поведенческие отклонения с причинами, лежащими в основе.

Системы проектирования разрабатывают конфигурации объектов, которые удовлетворяют определенным требованиям задачи проектирования. Такие задачи включают конструирование зданий, планировка расположения оборудования и др. Эти системы конструируют различные взаимосвязи описаний объектов друг с другом и проверяют, удовлетворяют ли эти конфигурации установленным ограничениям и требованиям.

Системы планирования специализируются на задачах планирования, например, такой как автоматическое программирование. Они также работают с кратко и долгосрочным планированием в управлении проектами, маршрутизация, коммуникация,разработка продукт а, военные приложения, производственное и финансовое планирование.

Системы мониторинга сравнивают наблюдения поведения системы со стандартами, которые представляются определяющими для достижения цели.Эти решающие выявления соответствуют потенциальным недостаткам на предприятии. Существует много компьютерных систем мониторинга: от контроля движения воздушных потоков до задач управления сбором налогов.

Системы управления и контроля адаптивно управляют всеобщим поведением системы. Для осуществления этого система управления должна периодически интерпретировать текущую ситуацию, предсказывать будущее, диагностировать причины ожидаемых проблем, формулировать план устранения этих проблем и осуществлять мониторинг его выполнения для обеспечения успеха.

Наиболее известные/распространённые ЭС :

• CLIPS - популярная ЭС (public domain)
• OpenCyc - мощная динамическая ЭС с глобальной онтологической моделью и поддержкой независимых контекстов
• MYCIN - наиболее известная диагностическая система, которая предназначена для диагностики и наблюдения за состоянием больного при менингите и бактериальных инфекциях.
• HASP/SIAP - интерпретирующая система, которая определяет местоположение и типы судов в Тихом океане по данным акустических систем слежения.

Первую ЭС под названием Dendral разработали в Стэнфорде в конце 1960-х гг. Она определяла строение органических молекул по химическим формулам и спектрографическим данным о химических связях в молекулах. Ценность Dendral заключалась в следующем: органические молекулы, как правило, очень велики и поэтому число возможных структур этих молекул также велико; благодаря эвристическим знаниям экспертов-химиков, заложенных в ЭС, правильное решение из миллиона возможных находилось всего за несколько попыток. Принципы и идеи, заложенные в Dendral оказались настолько эффективными, что они до сих пор применяются в химических и фармацевтических лабораториях по всему миру. ЭС Dendral одной из первых использовала эвристические знания специалистов для достижения уровня эксперта в решении задач, однако методика современных экспертных систем связана с другой разработкой – Myсin. В ней использовались знания экспертов медицины для диагностики и лечения специального менингита и бактериальных инфекций крови. ЭС Mycin, также разработаннаяв Стэнфорде в середине 1970-х гг., одной из первых обратилась к проблеме принятия решений на основе ненадежной или недостаточной информации. Все рассуждения экспертной системы Mycin были основаны на принципах управляющей логики, соответствующих специфике предметной области. Многие методики разработки экспертных систем, использующиеся сегодня, были впервые разработаны в рамках проекта Mycin. MYCIN была ранней экспертной системой разработанной за 5 или 6 лет в начале 1970х годов в Стендфордском университете. Она была написана на Лиспе как докторская диссертация Edward Shortliffe под руководством Bruce Buchanan, Stanley N. Cohen и других. В этой же лаборатории была ранее создана экспертная система Dendral, но на этот раз внимание было акцентировано на использовании решающих правил с элементами неопределенности. MYCIN был спроектирован для диагностирования бактерий, вызывающих тяжелые инфекции, такие как бактериемия и менингит, а также для рекомендации необходимого количества антибиотиков в зависимости от массы тела пациента. Название системы происходит от суффикса «-мицин», часто встречающегося в названиях антибиотиков. Также Mycin использовалась для диагностики заболеваний свертываемости крови.

Преимущества ЭС:

1. Постоянство

Человеческая компетенция ослабевает со временем. Перерыв в деятельности человека-эксперта может серьёзно отразиться на его профессиональных качествах.

2. Лёгкость передачи

Передача знаний от одного человека другому – долгий и дорогой процесс. Передача искусственной информации – это простой процесс копирования программы или файла данных.

3. Устойчивость и воспроизводимость результатов

Экспертные системы устойчивы к «помехам». Человек же легко поддается влиянию внешних факторов, которые непосредственно не связаны с решаемой задачей. Эксперт-человек может принимать в тождественных ситуациях разные решения из-за эмоциональных факторов. Результаты экспертной системы – стабильны.

4. Стоимость

Эксперты, особенно высококвалифицированные обходятся очень дорого. Экспертные системы, наоборот, сравнительно недороги. Их разработка дорога, но они дёшевы в эксплуатации.

Кроме того, эксперт–человек может принимать различные решения в тождественных ситуациях из-за эмоциональных факторов (влияние дефицита времени, влияние стресса).

Табл.6.1.2.

Сравнение человеческой и искусственной компетентности

Недостатки ЭС:

На сегодняшний день создано уже большое количество экспертных систем. С помощью них решается широкий круг задач, но исключительно в узкоспециализированных предметных областях. Как правило, эти области хорошо изучены и располагают более менее четкими стратегиями принятия решений. Сейчас развитие экспертных систем несколько приостановилось, и этому есть ряд причин:

• Передача экспертным системам «глубоких» знаний о предметной области является большой проблемой. Как правило, это является следствием сложности формализации эвристических знаний экспертов.
• Экспертные системы неспособны предоставить осмысленные объяснения своих рассуждений, как это делает человек. Как правило, экспертные системы всего лишь описывают последовательность шагов, предпринятых в процессе поиска решения.
• Отладка и тестирование любой компьютерной программы является достаточно трудоемким делом, но проверять экспертные системы особенно тяжело. Это является серьезной проблемой, поскольку экспертные системы применяются в таких критичных областях, как управление воздушным и железнодорожным движением, системами оружия и в ядерной промышленности.
• Экспертные системы обладают еще одним большим недостатком: они неспособны к самообучению. Для того, чтобы поддерживать экспертные системы в актуальном состоянии необходимо постоянное вмешательство в базу знаний инженеров по знаниям. Экспертные системы, лишенные поддержки со стороны разработчиков, быстро теряют свою востребованность.
• Эксперты могут непосредственно воспринимать комплекс входной сенсорной информации (визуальной, звуковой, осязательной, обонятельной и тактильной). ЭС – только символы. Хотя в отдельных направлениях разработки инженерных и производственных интеллектуальных систем получены реальные результаты определенной обработки сенсорной информации.
• Эксперты – люди могут охватить картину в целом, все аспекты проблемы и понять, как они соотносятся с основной задачей. ЭС стремится сосредоточить на самой задаче, хотя смежные задачи могут повлиять на решение основной.
• Люди, эксперты и не эксперты, имеют то, что мы называем здравым смыслом , или общедоступными знаниями. Это широкий спектр общих знаний о мире, о том, какие законы в нем действуют, т.е. знания, которыми каждый из нас обладает, приобретает из опыта и которыми постоянно пользуется. Из-за огромного объема знаний, образующих здравый смысл, не существует легкого способа встроить их в интеллектуальную программу. Знания здравого смысла включают знания о том, что вы знаете и чего не знаете.

Поэтому ЭС наиболее часто используются как советчики, в качестве консультантов или помощников ЛПР.

§2. Вопросно-ответные системы

Классификация Вопросно-ответных систем :

• Интеллектуальные поисковики (например, система Старт)
• Виртуальные цифровые помощники
• Виртуальные собеседники (ВС)

Виртуальные собеседники устанавливаются на сайт и общаются с его пользователями посредством текстового чата. У каждого инфа есть свой визуальный образ, который способен передавать эмоции инфа и делает общение с собеседником более личным и доверительным.

Структура виртуальных собеседников:

Первый компонент ВС – это пользовательский интерфейс, при помощи которого пользователь разговаривает с ВС. Пользовательский интерфейс представляет собой окошко со строкой ввода текста, репликами инфа и его визуальным образом. По сути, это Flash-приложение, которое легко и быстро устанавливается на любой сайт.

Второй компонент – это комплексная платформа, которая определяет поведение и словарный запас ВС. Помимо прочего, в комплексную платформу входит база знаний инфа - набор гибких сценариев с заданными вариантами вопросов и ответов на них. Дополнительно к базе знаний может быть подключена клиентская база данных с пользовательской информацией, откуда инф будет брать конкретные данные о товарах и услугах. В частности, это широко применяется при разработке инфов-продавцов.

Решаемые задачи:

ВС легко поддаются обучению и помогают решить множество задач, стоящих перед заказчиком. Они могут быть:

• консультантами , отвечающими на вопросы пользователей о представленных товарах и услугах;
• продавцами , помогающими подобрать нужный товар, услугу, тариф и т.п.;
• сотрудниками технической поддержки , помогающими пользователю решить возникшие технические проблемы;
• промоутерами , продвигающими новые товары и услуги;
• интересными собеседниками , вызывающими интерес, повышающими настроение и лояльность посетителей.

Сферы применения:

• Банки и страховые компании , которым важно иметь на сайте грамотного консультанта, способного оперативно рассказать все подробности о предоставляемых услугах;
• Интернет–магазины , которым важно помогать клиентам в выборе товаров, а также продвигать акции и распродажи;
• Интернет–порталы , которым необходимо привлекать внимание пользователей к их внутренним проектам;
• Организаторы мероприятий , которым важно информировать посетителей сайта о всех новостях и подробностях;
• Компании, оказывающие технические услуги , которым важно обеспечить круглосуточную техническую поддержку пользователей.

Преимущества виртуальных собеседников:

• Работоспособность: инф работает 24 часа в сутки 7 дней в неделю и может одновременно общаться с неограниченным количеством пользователей. Инф позволяет снизить нагрузку и расходы на call-центр, консультантов и специалистов технической поддержки.
• Доступность: инф снимает психологический барьер, стоящий перед пользователем при обращении за помощью; достаточно ввести фразу – и инф моментально даст грамотный совет. При этом пользователи относятся к инфу с доверием, поскольку он умеет поддерживать живой, непринужденный диалог и даже выражать эмоции в ответ на реплики пользователя.
• Простота работы: инф не требует от пользователя использования никаких дополнительных программ. В то же время инф не создает проблем и у заказчика: для установки инфа на сайт достаточно разместить на страницах специальный короткий код.
• Компетентность: инф легко поддается обучению, что позволяет заложить в него все важные вопросы, которые интересуют пользователей. Инф способен помогать пользователю в навигации по сайту, автоматически открывая необходимые страницы. При необходимости инф может сам инициировать диалоги на нужные темы.
• Внимательность: Инф записывает все разговоры с пользователями, и заказчик имеет к ним полный доступ. Записи разговоров полезны как с точки зрения дальнейшего обучения инфа, так и с точки зрения сбора ценной информации о пользователях и их интересах.

Использование ВС позволяет:

• Увеличить конверсию посетителей в клиентов: инф снимает мотивационный барьер между пользователем и сайтом, поскольку сразу вызывает доверие у пользователя и дает ему именно ту информацию, которая его интересует.
• Повысить лояльность посетителей: яркий, позитивный инф поддерживает живое общение с пользователем и вызывает у него самые положительные эмоции. Что важно, в сознании пользователя эти эмоции будут напрямую связаны с образом компании - заказчика инфа.
• Улучшить эффект от рекламной кампании и маркетинговых акций: инф привлекает к себе внимание пользователей и предоставляет им самую полную информацию о рекламируемом предмете.
• Снизить нагрузку на штатных консультантов, продавцов и сотрудников техподдержки: отвечая на часто возникающие и легко решаемые вопросы, инф экономит время и силы штатных специалистов, позволяя им сконцентрироваться на действительно важных проблемах.
• Повысить уровень обслуживания клиентов: инф позволяет выяснить, что интересует конкретного клиента, и предоставить ему то, что нужно!

Глава VII . Перспективы развития ИИС в управлении знаниями

Рассматривая тенденции развития Интеллектуальных информационных систем в управлении знаниями, следует отметить следующие основные направления, связанные с разработкой моделей и методов реализации отдельных аспектов получения и преобразования знаний:

1. Технологии извлечения и представления знаний . В первом случае основной задачей является разработка методов: формального описания "признаков знаний" (поисковых образов); формализации ПрО; распознавания и сравнения образов; извлечения знаний из экспертов, статистики, текстов, "опыта" и т.п. Во втором - решаются задачи, связанные с формализацией знаний для их представления в памяти интеллектуальных систем (ИС). Решение этих задач позволяет разработчикам комплексных технологий получить ответы на три принципиально важных вопроса: какие знания необходимо представлять в ИС, кто (что) является источником этих знаний, какие методы и модели обеспечивают адекватное представление этих знаний в ИС.

2. Технологии манипулирования знаниями, решение интеллектуальных задач предполагает не только представление знаний в ИС, но и их обработку, т.е. необходимо научить ИС оперировать ими. Поэтому здесь изучаются вопросы пополнения знаний на основе их неполных описаний, классификации знаний в ИС, разрабатываются процедуры и методы обобщения знаний, достоверного вывода и др.

3. Технология общения . Переход к ИС знаменует новую технологию общения конечных пользователей с ЭВМ и требует решения таких проблем, как понимание связных текстов на ограниченном и неограниченном естественном языке, понимание речи и ее синтез, разработка коммуникативных моделей "пользователь-ЭВМ", формирование объяснений и т.п. Главная цель данных исследований - обеспечение комфортных условий для общения человека и ИС.

4. Технологии восприятия . Разработка этих технологий предполагает создание методов: анализа трехмерных сцен, представления информации о зрительных образах в базе знаний ИС, трансформации зрительных сцен в текстовые описания и обратно, а также разработку процедур когнитивной графики и др.

5. Технологии обучения. Отличительной особенностью ИС должна стать их способность решать задачи, в явном виде не представленные в БЗ, что требует наделения ИС способностью к обучению. Для этих целей необходимо: создать методы формирования условий задачи по описанию проблемной ситуации или по наблюдению за этой ситуацией, обеспечить переход от известного решения частных задач к решению общей задачи, наделить ИС способностью декомпозировать исходную задачу на более мелкие, решение которых известно, разработать нормативные и декларативные модели самого процесса обучения, создать теорию подражательного поведения и др.

6. Технологии поведения . Взаимодействие ИС со средой требует разработки специальных поведенческих процедур, которые бы позволили им адекватно реагировать на те или иные изменения в среде. Такое взаимодействие предполагает создание моделей целесообразного, нормативного и ситуативного поведения, а также разработку методов многоуровневого планирования и коррекции планов в динамических ситуациях.

Заключение

Области применения существующих на сегодняшний день систем ИИ охватывает множество сфер: медицинскую диагностику, интерпретацию геологических данных,научные исследования в химии и биологии, военное дело, производство, финансы и другие области. Однако, несмотря на значительные успехи в области ИИ, пока еще существует определенный разрыв между техническими разработками, программными средствами ИИ и возможностями их более широко практического применения в частности, в экономике.

Наиболее показательным сектором, аккумулирующим различные проблемные направления экономической области, является управление промышленным предприятием. На его примере особенно хорошо видны преимущества использования систем ИИ для решения как различных предметных задач, так и для управления интегрированной системой предприятия в целом.

Существует множество доводов в пользу того, что системы искусственного интеллекта могут и должны стать важнейшей составной частью в технологии современных производств. Основными из них являются:

- преодолениесложности (сложности управлениявозникают тогда, когда

приходится делать выбор из множества возможных решений);

Управление предприятием требует организации больших объемов информа­ ции;

Как уменьшить информациюдо того уровня, который необходим для приня тия решения (потеря информации, поступающей от объектов, работающих в реальном
режиме времени, может существенно сказаться на результате);

Нехватка времени на принятие решения (проявляется по мере усложнения
производства);

Проблема координации (решения необходимо координировать с другими
звеньями процесса или объекта);

- необходимостьсохранения и распространения знаний очень опытных экс пертов, полученных ими в процессе многолетней работы и большого практического
опыта.

Проблема извлечения знаний и их сохранения и распределе­ния - сегодня одна из главных проблем ор­ганизаций.

Таким образом, интеллектуализация информационных систем управления и трансформация их в интеллектуальные информационные системы управления знаниями, поддержки принятия решений является наиболее значимым и важным для экономики и бизнеса направлением .

Список источников информации

1. Chi Leung Patrick Hui, ISBN 978-953-307-188-6, 586 pages, April 2011

2. Edited by Karl Perusich, Cognitive Maps, ISBN 978-953-307-044-5, 140 pages, January 2010

3. John Prager, Eric Brown, Anni Coden, and Dragomir Radev. Question-answering by predictive annotation. In Proceedings, 23rd Annual International ACM SIGIR Conference on Research and Development in Information Retrieval, Athens, Greece, July 2000

4. Knox Haggie, John Kingston, Choosing Your Knowledge Management Strategy, School of Informatics, University of Edinburgh, Journal of Knowledge Management Practice, June 2003

5. Negnevitsky M. Artificial Intelligence. A guide to intelligent systems. Addison-Wesley, 2005.

6. Peter Jackson, Introduction to Expert Systems. - 3 rd edition, Hardbound - Addison Wesley Publishing Company, 1998-12-31 - 560p. - ISBN 0201876868

7. Абдикеев Н.М. Проектирование интеллектуальных систем в экономике: Учебник. – М.: Экзамен, 2004. – 528 с.

8. Абдикеев Н.М. Интеллектуальные информационные системы: Учебное пособие.- М.: КОС-ИНФ, Рос. экон. акад., 2003. – 188 с.

9. Абдикеев Н.М., Киселев А.Д. Управление знаниями корпорации и реинжиниринг бизнеса (Под ред. Абдикеева Н.М.). Инфра-М, Москва, 2010

10. А.В. Гаврилов. Гибридные интеллектуальные системы: Монография – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. – 142 с.

11. В.В. Бухтояров "Эволюционный метод формирования общего решения в коллективах нейронных сетей", Журнал «Искусственный интеллект и принятие решений» под гл. редакцией академика С.В. Емельянова, номер 2010 / 03

12. Г.В. Рыбина, А.О. Дейнеко "Распределенное приобретение знаний для автоматизированного построения интегрированных экспертных систем", Журнал «Искусственный интеллект и принятие решений» под гл. редакцией академика С.В. Емельянова, номер 2010 / 04

13. Г.В. Рыбина "Обучающие интегрированные экспертные системы: некоторые итоги и перспективы", Журнал «Искусственный интеллект и принятие решений» под гл. редакцией академика С.В. Емельянова, номер 2008 / 01

14. Г.С. Осипов "Динамические интеллектуальные системы", Журнал «Искусственный интеллект и принятие решений» под гл. редакцией академика С.В. Емельянова, номер 2008 / 01

15. Золотов С.И. Интеллектуальные информационные системы: учебное пособие / С.И. Золотов – Воронеж: Научная книга, 2007. –140с.

16. Интеллектуальные информационные системы: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Прикладная информатика в экономике" / А. В. Андрейчиков, О. Н. Андрейчикова. - М. : Финансы и статистика, 2004. - 423 с.

17. Интеллектуальные методы для создания информационных систем: учебное пособие / Е.Ю. Головина.– М.: Издательский домМЭИ, 2011. – 102с. - ISBN 978-5-383-00212-4

18. П.Р. Варшавский, А.П. Еремеев "Моделирование рассуждений на основе прецедентов в интеллектуальных системах поддержки принятия решений", Журнал «Искусственный интеллект и принятие решений» под гл. редакцией академика С.В. Емельянова, номер2009 / 02

19. Романов В.П. Интеллектуальные информационные системы в экономике Учебное пособие / Под ред. д. э. н., проф. Н. П. Тихомирова. - М.: Издательство «Экзамен», 2003. - 496 с.

20. Рыбина Г.В. "Теория и практика построения интегрированных экспертных систем", Рецензенты: зав.каф. прикладной математики МЭИ, д.т.н., проф. Еремеев А.П., зав.каф. МГУПИ, д.т.н., проф. Петров О.М., М.: ООО Издательство "Научтехлитиздат", 2008. -485 с. - ISBN 978-5-93728-081-7

21. Таунсенд К., Фохт Д. Проектирование и программная реализация экспертных систем на персональных ЭВМ: Пер. с англ. В. А. Кондратенко, С. В. Трубицына. - М.: Финансы и статистика, 1990. - 320 с.

Основные понятия искусственного интеллекта.

Достаточно трудно дать точное определение, что такое интеллект человека, потому что интеллект - это сплав многих навыков в области обработки и представления информации. Интеллект (intelligence) происходит от латинского intellectus - что означает ум, рассудок, разум; мыслительные способности человека. С большой степенью достоверности интеллектом можно называть способность мозга решать (интеллектуальные) задачи путем приобретения, запоминания и целенаправленного преобразования знаний в процессе обучения на опыте и адаптации к разнообразным обстоятельствам.

Искусственный интеллект (ИИ) - совокупность научных дисциплин, изучающих методы решения задач интеллектуального (творческого) характера с использованием ЭВМ.
Искусственный интеллект - одно из направлений информатики, целью которого является разработка аппаратно-программных средств, позволяющих пользователю-непрограммисту ставить и решать свои, традиционно считающиеся интеллектуальными задачи, общаясь с ЭВМ на ограниченном подмножестве естественного языка.

Системы искусственного интеллекта (СИИ) - это системы, созданные на базе ЭВМ, которые имитируют решение человеком сложных интеллектуальных задач.
Знания: в общем случае знание - проверенный практикой результат познания действительности, верное ее отражение в мышлении человека, обладание опытом и пониманием, которые являются правильными и в субъективном, и в объективном отношении, на основании которых можно построить суждения и выводы, кажущиеся достаточно надежными для того, чтобы рассматриваться как знание. Поэтому в контексте ИТ термин знания - это информация, присутствующая при реализации интеллектуальных функций. Обычно это отклонения, тенденции, шаблоны и зависимости, обнаруженные в информации Другими словами, интеллектуальные системы являются в то же время системами обработки знаний.

К программам искусственного интеллекта относятся:

1. игровые программы (стохастические, компьютерные игры);

2. естественно-языковые программы - машинный перевод, генерация текстов, обработка речи;

3. распознающие программы - распознавание почерков, изображений, карт;

4. программы создания и анализа графики, живописи, музыкальных произведений.

Выделяются следующие направления искусственного интеллекта:

1. экспертные системы;

2. нейронные сети;

3. естественно-языковые системы;

4. эволюционные методы и генетические алгоритмы;

5. нечеткие множества;

6. системы извлечения знаний.

История развития искусственного интеллекта

В развитии СИИ можно выделить три основных этапа:

− 60-70-е годы. Это годы осознания возможностей искусственного интеллекта и формирования социального заказа на поддержку процессов принятия решений и управления. Наука отвечает на этот заказ появлением первых персептронов (нейронных сетей), разработкой методов эвристического программирования и ситуационного управления большими системами (разработано в СССР)

­­− 70-80-е годы. На этом этапе происходит осознание важности знаний для формирования адекватных решений; появляются экспертные системы, в которых активно используется аппарат нечеткой математики, разрабатываются модели правдоподобного вывода и правдоподобных рассуждений

− 80-90-е годы. Появляются интегрированные (гибридные) модели представления знаний, сочетающие в себе интеллекты: поисковый, вычислительный, логический и образный.

Термин искусственный интеллект (artificial intelligence) предложен в 1956 году на семинаре в Стенфордском университете (США).

Идея создания искусственного подобия человеческого разума для решения сложных задач и моделирования мыслительной способности витала в воздухе с древнейших времен. Впервые ее выразил Р. Луллий, который еще в XIV веке пытался создать машину для решения различных задач на основе всеобщей классификации понятий.

Развитие же искусственного интеллекта, как научного направления стало возможным только после создания ЭВМ. Это произошло в 40-х годах XX века. В это же время Н. Винер создал свои основополагающие работы по новой науке - кибернетике.

В 1954 году в МГУ под руководством профессора А. А. Ляпунова начал свою работу семинар "Автоматы и мышление". В этом семинаре принимали участие крупнейшие физиологи, лингвисты, психологи, математики. Принято считать, что именно в это время родился искусственный интеллект в России.

Существенный прорыв в практических приложениях искусственного интеллекта произошел в середине 70-х годов XX века, когда на смену поискам универсального алгоритма мышления пришла идея моделировать конкретные знания специалистов-экспертов.

В США появились первые коммерческие системы, основанные на знаниях, или экспертные системы появился новый подход к решению задач искусственного интеллекта - представление знаний. Созданы MYCIN и DENDRAL - ставшие классическими экспертные системы для медицины и химии.

В 1980-1990 годы проводятся активные исследования в области представления знаний, разрабатываются языки представления знаний, экспертные системы. Начиная с середины 80-х годов XX века, происходит коммерциализация искусственного интеллекта. Растут ежегодные капиталовложения, создаются промышленные экспертные системы.

Экспертные системы не получили достаточно широкого распространения в практической медицине. Они, в основном, используются как составная часть медицинских приборно-компьютерных систем. Связано это, прежде всего, с тем, что в реальной жизни число всевозможных ситуаций и, соответственно, диагностических правил оказалось так велико, что система либо начинает требовать большое количество дополнительной информации о больном, либо резко снижается точность диагностики.

Условно можно выделить 7 этапов развития искусственного интеллекта, каждый из которых связывается с определённым уровнем развития искусственного интеллекта и парадигмой, реализуемой в конкретной системе.

Парадигма – новая идея математического описания работы систем искусственного интеллекта.

Этап 1 (50–е годы) (Нейрон и нейронные сети)

Он связан с появлением первых машин последовательного действия, с очень небольшими, по сегодняшним меркам, ресурсными возможностями по памяти, быстродействию и классам решаемых задач. Это были задачи сугубо вычислительного характера, для которых были известны схемы решений и которые можно описать на некотором формальном языке. К этому же классу относятся и задачи на адаптацию.

Этап 2 (60-е годы) (Эвристический поиск)

В «интеллект» машины добавились механизмы поиска, сортировки, простейшие операции по обобщению информации, не зависящие от смысла обрабатываемых данных. Это стало новой точкой отсчета в развитии и понимании задач автоматизации деятельности человека.

Этап 3 (70-е годы) (Представление знаний)

учеными была осознана важность знаний (по объему и содержанию) для синтеза интересных алгоритмов решения задач. При этом имелись в виду знания, с которыми математика не умела работать, т.е. опытные знания, не носящие строгого формального характера и описываемые обычно в декларативной форме. Это знания специалистов в различных областях деятельности, врачей, химиков, исследователей и т.п. Такие знания получили название экспертных знаний, и соответственно системы, работающие на основе экспертных знаний, стали называться системами-консультантами или экспертными системами

Этап 4 (80-е годы) (Обучающие машины)

Четвертый этап развития ИИ стал прорывным. С появлением экспертных систем в мире начался принципиально новый этап развития интеллектуальных технологий – эра интеллектуальных систем - консультантов, которые предлагали варианты решений, обосновывали их, способны были к обучению и к развитию, общались с человеком на привычном для него, хотя и ограниченном, естественном языке.

Этап 5 (90-е годы) (Автоматизированные обрабатывающие центры)

Усложнение систем связи и решаемых задач потребовало качественно нового уровня «интеллектуальности» обеспечивающих программных систем, таких систем, как защита от несанкционированного доступа, информационная безопасность ресурсов, защита от нападений, смысловой анализ и поиск информации в сетях и т.п. И новой парадигмой создания перспективных систем защиты всех видов стали интеллектуальные системы. Именно они позволяют создавать гибкие среды, в рамках которых обеспечивается решение всех необходимых задач.

Этап 6 (2000-е годы) (Робототехника)

Область применения роботов достаточно широка и простирается от автономных газонокосилок и пылесосов до современных образцов военной и космической техники. Модели оборудованы навигационной системой и всевозможными периферийными датчиками.

Этап 7 (год 2008)( Сингулярность)

Создание искусственного интеллекта и самовоспроизводящихся машин, интеграция человека с вычислительными машинами, либо значительное скачкообразное увеличение возможностей человеческого мозга за счёт биотехнологий.

По некоторым прогнозам, технологическая сингулярность может наступить уже около 2030 года. Сторонники теории технологической сингулярности считают, что если возникнет принципиально отличный от человеческого разума (пост человек), дальнейшую судьбу цивилизации невозможно предсказать, опираясь на человеческое (социальное) поведение.

Брянский государственный технический университет Кафедра «Компьютерные технологии и системы» Введение в интеллектуальные системы Лектор: Шкаберин В.А. ЛИТЕРАТУРА 1. 2. 3. 4. 5. Базы знаний интеллектуальных систем / Т.А. Гаврилова, В.Ф. Хорошевский.-СПб.: Питер, 2001.-384 с.: ил. Искусственный интеллект: В 3 кн. Кн. 1. Системы общения и экспертные системы: Справочник / Под ред. Э.В. Попова.- М.: Радио и связь, 1990.-464 с.: ил. Искусственный интеллект.-В 3-х кн. Кн. 2. Модели и методы: Справочник/ Под ред. Д.А. Поспелова.-М.: Радио и связь, 1990.-304 с.: ил. П. Уинстон. Искуственный интеллект / Пер. с англ. В.Л.Стефанюка под ред. Д.А. Поспелова.- М.: Издательство «Мир», 1980.-520 с. Питер Джексон. Введение в экспертные системы.: Пер. с англ.: Уч. пос.-М.: Издательский дом «Вильямс», 2001.624 с.: ил.-Парал. тит. англ. СОДЕРЖАНИЕ: Краткая история искусственного интеллекта Предмет исследования и основные направления исследований в области искусственного интеллекта Трудно формализуемые задачи проектирования Краткая история искусственного интеллекта Идея создания искусственного подобия человека для решения сложных задач и моделирования человеческого разума возникла с древнейших времен (механическая статуя бога Амона в древнем Египте, бог Гефест в мифологии ковал человекоподобные существаавтоматы, Буратино и др.). Первые теоретические работы в области искусственного интеллекта Родоначальник искусственного интеллекта – средневековый испанский философ, математик и поэт Раймонд Луллий в XIII веке попытался создать механическую машину для решения различных задач на основе разработанной им всеобщей классификации понятий. Луллий Раймонд (1235 - 1316) Первые теоретические работы в области искусственного интеллекта (2) В XVIII веке Лейбниц и Декарт независимо друг от друга продолжили эту идею, предложив универсальные языки классификации всех наук. Готфрид Лейбниц (1646-1716) Рене Декарт (1596 – 1650) Рождение искусственного интеллекта как научного направления произошло после создания ЭВМ в 40-х годах XX века. В это время Норберт Винер создал основополагающие работы по кибернетике. Норберт Винер (1894 - 1964) Рождение термина «искусственный интеллект» Термин ИИ – (AI – artifical intelligence (intelligence умение рассуждать разумно)) предложен в 1956 г. на семинаре в Дартсмутском колледже (США). В 1969 г. в Вашингтоне состоялась I Международная объединенная конференция по искусственному интеллекту. Она и узаконила в своем названии термин «искусственный интеллект». Направления искусственного интеллекта 1. Нейрокибернетика 2. Кибернетика «черного ящика» Зарождение нейрокибернетики Основная идея нейрокибернетики «Единственный объект, способный мыслить, человеческий мозг. Поэтому любое «мыслящее устройство» должно воспроизводить структуру человеческого мозга». Основная идея нейрокибернетики (2) Нейрокибернетика ориентирована на программно-аппаратное моделирование структур, подобных структуре мозга. Основа человеческого мозга – нейроны. Усилия сосредоточены на создании элементов, аналогичных нейронам, и их объединении в функционирующие системы. Эти системы называют нейронными сетями или нейросетями. Создание первых нейросетей Первые нейросети созданы Френком Розенблаттом и МакКаллоком в 1956-1965 гг. Это были попытки смоделировать человеческий глаз и его взаимодействие с мозгом. Созданное устройство называлось персептроном и умело различать буквы алфавита. Персептивная модель (персептрон) Создание нейрокомпьютеров и транспьютеров В 1980-х годах в Японии в рамках проекта «ЭВМ V поколения» был создан первый нейрокомпьютер, или компьютер IV поколения. Появились транспьютеры – параллельные компьютеры с большим количеством процессоров. Транспьютерная технология – один из десятка новых подходов к аппаратной реализации нейросетей, которые моделируют иерархическую структуру мозга человека. Основная область применения нейрокомпьютеров – задачи распознавания образов, например идентификация объектов по результатам аэрофотосъемки из космоса. Подходы к созданию нейросетей Аппаратный – создание компьютеров, нейрочипов, микросхем, реализующих необходимые алгоритмы. Программный – создание программ и инструментариев, рассчитанных на высокопроизводительные компьютеры. Сети создаются в памяти компьютера. Гибридный – часть вычислений выполняют специальные платы расширений, часть – программные средства. Кибернетика «Черного ящика» Основная идея кибернетики «черного ящика» «Не имеет значение, как устроено «мыслящее» устройство. Главное, чтобы на заданные входные воздействия оно реагировало так же, как человеческий мозг». Основная идея кибернетики «черного ящика» (2) Главная ориентация этого направления ИИ – поиски алгоритмов решения интеллектуальных задач на существующих моделях компьютеров. Существенный вклад в становление новой науки внесли Джон Маккарти (автор первого языка для задач ИИ- ЛИСП), Марвин Минский (автор идеи фреймовой модели представления знаний), Саймон, Шоу и др. В 1956-1963 г.г. активно велись поиски моделей и алгоритмов человеческого мышления и разработки первых программ на их основе. Были созданы и опробованы различные подходы: Модель лабиринтного поиска (конец 50-х годов). Задача представлялась как некоторое пространство состояний в форме графа, в котором проводится поиск оптимального пути от входных данных к результирующим. Для решения практических задач не нашли широкого применения. Программы описаны в первых учебниках по ИИ – они играют в 15, в шашки, шахматы и др. Эвристическое программирование (начало 60-х годов) – разработка стратегии действий на основе известных, заранее заданных эвристик. Эвристика – правило, теоретически необоснованное, позволяющее сократить количество переборов в пространстве поиска. Использование методов математической логики (1963-1970 г.г.) для решения задач ИИ. Робинсон разработал метод резолюций, который позволяет автоматически доказывать теоремы при наличии набора исходных аксиом. Отечественный ученый Маслов Ю.С. предложил обратный вывод, решающий аналогичную задачу другим способом. На основе метода резолюций француз Альбер Кольмероэ в 1973 г. создал язык логического программирования Пролог. Ньюэл, Саймон и Шоу создали программу «Логик-теоретик», которая доказывала школьные теоремы. Однако логические модели имеют существенные ограничения по классам решаемых задач, т.к. реальные задачи часто не сводятся к набору аксиом и человек не использует классическую логику. В США появились первые коммерческие системы, основанные на знаниях, или экспертные системы (середина 1970-х годов). На смену поиска универсального алгоритма мышления пришла идея моделировать конкретные знания специалистов-экспертов. Стал применяться новый подход к решению задач искусственного интеллекта – представление знаний. Это существенный прорыв в развитие практических приложений искусственного интеллекта. Созданы программы MYCIN (медицина), DENDRAL (химия). Финансирование осуществляется Пентагоном и др. В конце 70-х в Японии объявлено о начале проекта машин V поколения, основанных на знаниях. Проект рассчитывался на 10 лет и включал много квалифицированных специалистов. В результате создан громоздкий и дорогой ПРОЛОГо- подобный язык, не получивший широкого признания. Были достигнуты результаты в различных прикладных задачах, японская ассоциация ИИ насчитывала к середине 90-х годов 40 тыс. чел. Начиная с середины 1980-х годов растут капиталовложения в ИИ, создаются промышленные экспертные системы, ИИ становится одной из наиболее перспективных и престижных областей информатики (computer science). История искусственного интеллекта в России В 1954 г. в МГУ начал свою работу семинар «Автоматы и мышление» под руководством академика Ляпунова А. А. (1911-1973), одного из основателей российской кибернетики. В этом семинаре принимали участие физиологи, лингвисты, психологи, математики. Принято считать, что именно в это время родился искусственный интеллект в России. Как и за рубежом, выделились два основных направления - нейрокибернетики и кибернетики «черного ящика». В 1954-1964 гг. создаются отдельные программы и проводятся исследования в области поиска решения логических задач. В Ленинграде (ЛОМИ - Ленинградское отделение математического института им. Стеклова) создается программа АЛПЕВ ЛОМИ, автоматически доказывающая теоремы. Она основана на оригинальном обратном выводе Маслова, аналогичном методу резолюций Робинсона. Среди наиболее значимых результатов, полученных отечественными учеными в 60-е годы, следует отметить алгоритм «Кора» Михаила Моисеевича Бонгарда, моделирующий деятельность человеческого мозга при распознавании образов. Большой вклад в становление российской школы ИИ внесли выдающиеся ученые Цетлин М.Л., Пушкин В.Н., Гаврилов М.А, чьи ученики и явились пионерами этой науки в России (например, знаменитая Гавриловская школа). В 1965-1980 гг. происходит рождение нового направления - ситуационного управления (соответствует представлению знаний, в западной терминологии). Основателем этой научной школы стал проф. Поспелов Д.А. Были разработаны специальные модели представления ситуаций - представления знаний [Поспелов, 1986]. В ИПМ АН СССР был создан язык символьной обработки данных РЕФАЛ [Тургин, 1968]. Поспелов Дмитрий Александрович Огромную роль в борьбе за признание ИИ в нашей стране сыграли академики А.И. Бергн и Г.С. Поспелов. Поспелов Гермоген Сергеевич 1914 - 1998 Только в 1974 году при Комитете по системному анализу при президиуме АН СССР был создан Научный совет по проблеме «Искусственный интеллект», его возглавил Г. С. Поспелов, его заместителями были избраны Д. А. Поспелов и Л. И. Микулич. В состав совета входили на разных этапах М. Г. Гаазе-Рапопорт, Ю. И. Журавлев, Л. Т. Кузин, А. С. Нариньяни, Д. Е. Охоцимский, А. И. Поло-винкин, О. К. Тихомиров, В. В. Чавчанидзе. По инициативе Совета было организовано пять комплексных научных проектов, которые были возглавлены ведущими специалистами в данной области. Проекты объединяли исследования в различных коллективах страны: «Диалог» (работы по пониманию естественного языка, руководители А. П. Ершов, А. С. Нариньяни), «Ситуация» (ситуационное управление, Д. А. Поспелов), «Банк» (банки данных, Л. Т. Кузин), «Конструктор» (поисковое конструирование, А. И. Половинкин), «Интеллект робота» (Д. Е. Охоцимский). В 1980-1990 гг. проводятся активные исследования в области представления знаний, разрабатываются языки представления знаний, экспертные системы (более 300). В 1988 г. создается АИИ - Ассоциация искусственного интеллекта. Ее членами являются более 300 исследователей. Президентом Ассоциации единогласно избирается Д. А. Поспелов, выдающийся ученый, чей вклад в развитие ИИ в России трудно переоценить. Крупнейшие центры - в Москве, Петербурге, Переславле-Залесском, Новосибирске. В научный совет Ассоциации входят ведущие исследователи в области ИИ - В. П. Гладун, В. И. Городецкий, Г. С. Осипов, Э. В. Попов, В. Л. Стефанюк, В. Ф. Хорошевский, В. К. Финн, Г. С. Цейтин, А. С. Эрлих и другие ученые. В рамках Ассоциации проводится большое количество исследований, организуются школы для молодых специалистов, семинары, симпозиумы, раз в два года собираются объединенные конференции, издается научный журнал. Уровень теоретических исследований по искусственному интеллекту в России ничуть не ниже мирового. К сожалению, начиная с 80-х гг. на прикладных работах начинает сказываться постепенное отставание в технологии. На данный момент отставание в области разработки промышленных интеллектуальных систем составляет порядка 3-5 лет. Предмет исследования и основные направления исследований в области искусственного интеллекта Понятие «ИИ» Искусственный интеллект – это одно из направлений информатики, целью которого является разработка аппаратно-программных средств, позволяющих пользователю-непрограммисту ставить и решать свои, традиционно считающиеся интеллектуальными задачи, общаясь с ЭВМ на ограниченном подмножестве естественного языка. Искусственный интеллект – это область информатики, которая занимается разработкой интеллектуальных компьютерных систем, т.е. систем, обладающих возможностями, которые мы традиционно связываем с человеческим разумом, - понимание языка, обучение, способность рассуждать, решать проблемы и т.д. (Барр и Файгенбаум, 1981 г.) Исследования в области искусственного интеллекта направлены на разработку программ, решающих такие задачи, с которыми сейчас лучше справляется человек, поскольку они требуют вовлечения таких функций головного мозга человека, как способность к обучению на основе восприятия, особой организации памяти и способности делать выводы на основе суждений. Основные направления исследований в области искусственного интеллекта Представление знаний и разработка систем, основанных на знаниях. Программное обеспечение систем искусственного интеллекта Разработка естественно-языковых интерфейсов и машинный перевод Интеллектуальные роботы Обучение и самообучение Распознавание образов Новые архитектуры компьютеров Игры и машинное творчество 1. Представление знаний и разработка систем, основанных на знаниях (knowledge-based systems) Это основное направление в области разработки систем искусственного интеллекта. Оно связано с разработкой моделей представления знаний, созданием баз знаний, образующих ядро экспертных систем. В последнее время включает в себя модели и методы извлечения и структурирования знаний и сливается с инженерией знаний. 2. Программное обеспечение систем ИИ (software engineering for Al) В рамках этого направления разрабатываются специальные языки для решения интеллектуальных задач, в которых традиционно упор делается на преобладание логической и символьной обработки над вычислительными процедурами. Эти языки ориентированы на символьную обработку информации - LISP, PROLOG, SMALLTALK, РЕФАЛ и др. Помимо этого создаются пакеты прикладных программ, ориентированные на промышленную разработку интеллектуальных систем, или программные инструментарии искусственного интеллекта, например КЕЕ, ART, G2 [Хейес-Рот и др., 1987; Попов, Фоминых, Кисель, Шапот, 1996]. Достаточно популярно также создание так называемых пустых экспертных систем или «оболочек» - KAPPA, EXSYS, Ml, ЭКО и др., базы знаний которых можно наполнять конкретными знаниями, 3. Разработка естественно-языковых интерфейсов и машинный перевод (natural language processing) Начиная с 50-х годов одной из популярных тем исследований в области ИИ является компьютерная лингвистика, и, в частности, машинный перевод (МП). Уже первая программа в области естественно-языковых (ЕЯ) интерфейсов - переводчик с английского на русский язык - продемонстрировала неэффективность первоначального подхода, основанного на пословном переводе. Однако еще долго разработчики пытались создать программы на основе морфологического анализа. Неплодотворность такого подхода связана с очевидным фактом: человек может перевести текст только на основе понимания его смысла и в контексте предшествующей информации, или контекста. Иначе появляются переводы в стиле «Моя дорогая Маша - my expensive Masha». В дальнейшем системы МП усложнялись и в настоящее время используется несколько более сложных моделей: применение так называемых «языков-посредников» или языков смысла, в результате происходит дополнительная трансляция «исходный язык оригинала - язык смысла - язык перевода»; ассоциативный поиск аналогичных фрагментов текста и их переводов в сдециальных текстовых репозиториях или базах данных; структурный подход, включающий последовательный анализ и синтез естественноязыковых сообщений. Традиционно такой подход предполагает наличие нескольких фаз анализа: 1. Морфологический анализ - анализ слов в тексте. 2. Синтаксический анализ - разбор состава предложений и грамматических связей между словами. 3. Семантический анализ - анализ смысла составных частей каждого предложения на основе некоторой предметно-ориентированной базы знаний. 4. Прагматический анализ - анализ смысла предложений в реальном контексте на основе собственной базы знаний. Синтез ЕЯ-сообщений включает аналогичные этапы, но несколько в другом порядке. 4. Интеллектуальные роботы (robotics) Идея создания роботов далеко не нова. Само слово «робот» появилось в 20-х годах, как производное от чешского «робота» - тяжелой грязной работы. Его автор - чешский писатель Карел Чапек, описавший роботов в своем рассказе «Р.У.Р». Роботы - это электротехнические устройства, предназначенные для автоматизации человеческого труда. Можно условно выделить несколько поколений в истории создания и развития робототехники: I поколение. Роботы с жесткой схемой управления. Практически все современные промышленные роботы принадлежат к первому поколению. Фактически это программируемые манипуляторы. II поколение. Адаптивные роботы с сенсорными устройствами. Есть образцы таких роботов, но в промышленности они пока используются мало. III поколение. Самоорганизующиеся или интеллектуальные роботы. Это - конечная цель развития робототехники. Основные нерешенные проблемы при создании интеллектуальных роботов - проблема машинного зрения и адекватного хранения и обработки трехмерной визуальной информации. В настоящее время в мире изготавливается более 60 000 роботов в год. Актуальность создания интеллектуальных мобильных роботов Автономные интеллектуальные мобильные роботы предназначены для автоматической работы в заранее неопределенных условиях внешней среды. Они могут применяться в различных областях человеческой деятельности и могут решать различные задачи. Например, доставлять грузы, перемещать различные предметы, производить разведку, производить какую-либо технологическую операцию на большом пространстве (например, уборку помещения) и т.п. Подобные системы готовы заменить человека при выполнении сложных технологических операциях, связанных с повышенным риском или с работой в экстремальных средах, например, в условиях повышенной радиации, давлении или безвоздушном пространстве, а также заменить человеческий труд на непопулярных профессиях. Робот-вертолет Mantis (2003 г.) Австралийские инженеры из организации CSIRO разработали роботвертолёт Mantis ("Богомол"), который способен к автономному полёту - впервые - без использования системы глобального позиционирования (GPS). Высота "Богомола" 0,5 метра, а длина 1,5 метра. При этом новый вертолёт в 4-5 раз легче, чем любой другой беспилотный летательный аппарат, и стоит значительно дешевле. Хотя роботом можно управлять дистанционно, в полёте машина может полагаться исключительно на свой компьютерный мозг и видеокамерыглаза. Специально для вертолёта разработана система инерционного восприятий (Inertial Sensing System) с микроэлектромеханическими датчиками, сделанными из лёгкого сплава магния. Роботы-солдаты Talon,SWORDS (2004 г.) Солдаты с дистанционным управлением появились на свет в результате совместных действий армии США и маленькой компании из Массачусетса под названием Foster-Miller. Эта фирма была в ноябре прошлого года куплена QinetiQ Group PLC, которая, в свою очередь, принадлежит министерству обороны Великобритании (MOD) и американскому холдингу Carlyle Group. Всё началось с роботов, именуемых "Когтями" (TALON). Они находятся на военной службе с 2000 года, побывали в Боснии, Афганистане и том же Ираке, работали своими механическими руками на развалинах ВТЦ после терактов 11 сентября. Их задачами были: обнаружение и обезвреживание взрывчатки вместе с наблюдением за неприятием. И военные качеством выполнения этих задач были довольны. Однако через некоторое время армейские чиновники и сотрудники Foster-Miller, по их же словам, получили известие от солдат. Дескать, нравятся нам "Когти", спору нет, но давайте дадим им хоть какое-нибудь оружие. Идя навстречу пожеланиям военнослужащих, инженеры из армейского арсенала в Нью-Джерси (Picatinny Arsenal) и Foster-Miller всего за шесть месяцев и $2 миллиона вооружили роботов. Так "Когти" превратились в "Мечи" (SWORDS - Special Weapons Observation Reconnaissance Detection Systems), специальные системы обнаружения, разведки и наблюдения с оружием. Именно "Мечи" и окажутся в Ираке по весне. В стандартной комплектации у него имеется лёгкий пулемёт M249 калибра 5,56 миллиметров (750 выстрелов в минуту) или "средний" пулемёт M240 калибра 7,62 (7001000 в минуту). Без перезарядки робот может произвести 300 и 350 выстрелов соответственно. Цена одной машины $200 000. Робот-солдат SWORD в действии Робот-таракан InsBot (2003 г.) Разработкой автоматизированного шпиона в тараканьем стане занимаются исследователи из трёх стран - Франции, Бельгии и Швейцарии. Уже сейчас InsBot способен проникать в группы тараканов, влиять на них и изменять их поведение. В течение десятилетия прикинувшийся тараканом лазутчик будет выводить мерзких насекомых из тёмных кухонных закоулков на чистую воду - туда, где они могут быть уничтожены. Разработчики робота-агента мечтают вовсе не о том, чтобы раз и навсегда извести тараканов. Их замыслы глобальнее. Используя роботов, они хотят управлять животными. Интеллектуальный робот-пылесос (2003 г.) 14.01.03 11:16 Компания iRobot выпустила интеллектуальный пылесос, который получил имя Румба (Roomba). На его создание ушло три года и несколько миллионов долларов. Основные задачи, которые были поставлены перед разработчиками - снизить цену робота и максимально уменьшить энергопотребление. Мощность Румбы - всего лишь 30 ватт против типичных 1000 ватт. Робот снабжен пятью щетками, двумя электромоторами для передвижения и еще тремя - для работы щетками. Мощный мотор, засасывающий любую пыль, в Румбе отсутствует. Его замещают щетки с противовращением, собирающие крупный сор, и маломощный вакуумный моторчик. В результате устройство работает от никелевых аккумуляторов. Колеса робота могут поворачиваться в любую сторону, поэтому он может выехать из самых затруднительных положений. Четыре инфракрасных датчика контролируют расстояние до пола и сразу же сообщают системе управления об уклоне или достижении края ступенек. Система контроля состоит из 8-битного 16 МГц микропроцессора, 128 байт памяти и специализированной операционной системы. Стоимость такого роботизированного пылесоса - $199. Интеллектуальный мобильный робот на основе игрушки (Россия, 2002 г.) Данный робот разрабатывается на кафедре "Проблемы управления" МИРЭА. В данной работе целью являлось создания мобильного интеллектуального робота, который бы для начала реализовывал функции движения к целевой точке в среде с препятствиями. Было решено, что робот должен обладать исключительно системой технического зрения. Целевую точку такому роботу можно будет задать тремя способами: лазерной указкой; оператором на карте; дистанционно через Интернет. П уль т упр ав лен ия м о нито р ПК Р о бо т R .A .D .™ LPT БС VGA A u d io O ut S o ft S o und M ic In D E -1 8 T V In LAN С еть П ита ние кам ер ы 5. Обучение и самообучение (machine learning) Активно развивающаяся область искусственного интеллекта. Включает модели, методы и алгоритмы, ориентированные на автоматическое накопление и формирование знаний на основе анализа и обобщения данных [Гаек, Гавранек, 1983; Гладуп, 1994; Финн, 1991]. Включает обучение по примерам (или индуктивное), а также традиционные подходы из теории распознавания образов. В последние годы к этому направлению тесно примыкают стремительно развивающиеся системы data mining - анализа данных и knowledge discovery - поиска закономерностей в базах данных. 6. Распознавание образов (pattern recognition) Традиционно - одно из направлений искусственного интеллекта, берущее начало у самых его истоков, но в настоящее время практически выделившееся в самостоятельную науку. Ее основной подход - описание классов объектов через определенные значения значимых признаков. Каждому объекту ставится в соответствие матрица признаков, по которой происходит его распознавание. Процедура распознавания использует чаще всего специальные математические процедуры и функции, разделяющие объекты на классы. Это направление близко к машинному обучению и тесно связано с нейрокибернетикой. 6. Распознавание образов (pattern recognition) Традиционно - одно из направлений искусственного интеллекта, берущее начало у самых его истоков, но в настоящее время практически выделившееся в самостоятельную науку. Ее основной подход - описание классов объектов через определенные значения значимых признаков. Каждому объекту ставится в соответствие матрица признаков, по которой происходит его распознавание. Процедура распознавания использует чаще всего специальные математические процедуры и функции, разделяющие объекты на классы. Это направление близко к машинному обучению и тесно связано с нейрокибернетикой. 7. Новые архитектуры компьютеров (new hardware platforms and architectures) Самые современные процессоры сегодня основаны на традиционной последовательной архитектуре фон Неймана, используемой еще в компьютерах первых поколений. Эта архитектура крайне неэффективна для символьной обработки. Поэтому усилия многих научных коллективов и фирм уже десятки лет нацелены на разработку аппаратных архитектур, предназначенных для обработки символьных и логических данных. Создаются Пролог- и Лисп-машины, компьютеры V и VI поколений. Последние разработки посвящены компьютерам баз данных, параллельным и векторным компьютерам [Амамия, Танака, 1993]. И хотя удачные промышленные решения существуют, высокая стоимость, недостаточное программное оснащение и аппаратная несовместимость с традиционными компьютерами существенно тормозят широкое использование новых архитектур. 6. Игры и машинное творчество Это, ставшее скорее историческим, направление связано с тем, что на заре исследований ИИ традиционно включал в себя игровые интеллектуальные задачи - шахматы, шашки, го. В основе первых программ лежит один из ранних подходов - лабиринтная модель мышления плюс эвристики. Сейчас это скорее коммерческое направление, так как в научном плане эти идеи считаются тупиковыми. Кроме того, это направление охватывает сочинение компьютером музыки [Зарипов, 1983], стихов, сказок [Справочник по ИИ, 1986] и даже афоризмов [Любич, 1998]. Основным методом подобного «творчества» является метод пермутаций (перестановок) плюс использование некоторых баз знаний и данных, содержащих результаты исследований по структурам текстов, рифм, сценариям и т. п. 6. Другие направления ИИ - междисциплинарная наука, которая, как мощная река по дороге к морю, вбирает в себя ручейки и речки смежных наук. Стоит лишь взглянуть на основные рубрикаторы конференций по ИИ, чтобы понять, насколько широко простирается область исследований по ИИ: генетические алгоритмы; когнитивное моделирование; интеллектуальные интерфейсы; распознавание и синтез речи; дедуктивные модели.

Стала очень популярной. Но что такое ИИ на самом деле? Каких результатов он уже достиг, и в каком направлении будет развиваться в будущем? Вокруг этой темы ведется много споров. Сначала неплохо выяснить, что мы понимаем под интеллектом.

Интеллект включает в себя логику, самосознание, обучаемость, эмоциональное познание, творчество и способность решать разного рода задачи. Он свойственен как людям, так и животным. Мы с ранних лет изучаем окружающий мир, в течение всей жизни методом проб и ошибок обучаемся необходимым навыкам, набираем опыт. Таков естественный интеллект.

Когда мы говорим об искусственном интеллекте, то имеем в виду, созданную человеком «умную» систему, которая обучается с помощью алгоритмов. В основе его работы лежат все те же методы: исследование, обучение, анализ и т. д.

К Ключевые события в истории ИИ

История ИИ (или по крайней мере обсуждения ИИ) началась почти сто лет назад.

Р Россумские универсальные роботы (R.U.R)

В 1920 г. чешский писатель Карел Чапек написал научно-фантастическую пьесу "Rossumovi Univerz?ln? roboti«(Россумские универсальные роботы). Именно в этом произведении впервые было использовано слово «робот», которое обозначало живых человекоподобных клонов. По сюжету в далеком будущем на фабриках научились производить искусственных людей. Сначала эти «репликанты» работали на благо людей, но потом подняли восстание, которое привело к вымиранию человечества. С этих пор тема ИИ стала чрезвычайно популярной в литературе и кинематографе, которые в свою очередь оказали большое влияние на реальные исследования.

А Алан Тьюринг

Английский математик, один из пионеров в области вычислительной техники Алан Тьюринг в годы Второй мировой войны внес значительный вклад в развитие криптографии. Благодаря его исследованиям удалось расшифровать код машины Enigma, широко применявшейся нацистской Германией для шифровки и передачи сообщений. Через несколько лет после окончания Второй мировой произошли важные открытия в таких областях, как неврология, информатика и кибернетика, что подтолкнуло ученого к идее создания электронного мозга.

Вскоре ученый предложил тест, целью которого является определение возможности искусственного машинного мышления, близкого к человеку. Суть данного теста заключается в следующем: Человек (С) взаимодействует с одним компьютером (А) и одним человеком (В). Во время разговора он должен определить с кем он общается. Компьютер должен ввести человека в заблуждение, заставив сделать неверный выбор. Все участники теста не видят друг друга.

Д Дартмутская конференция и первая «зима» ИИ

В 1956 г. прошла первая в истории конференция по вопросу ИИ, в которой приняли участие ученые ведущих технологических университетов США и специалисты из IBM. Событие имело большое значение в формировании новой науки и положило началу крупных исследований в данной области. Тогда все участники были настроены крайне оптимистично.

Начались 1960-е, но прогресс в создании искусственного интеллекта так и не двинулся вперед, энтузиазм начал спадать. Сообщество недооценило всю сложность поставленной задачи, в результате оптимистические прогнозы специалистов не оправдались. Отсутствие перспектив в этой области заставило правительства Великобритании и США урезать финансирование исследований. Этот промежуток времени считается первой «зимой» ИИ.

Э Экспертные системы (ЭС)

После продолжительного застоя, ИИ нашел свое применение в так называемых экспертных системах.

ЭС - это программа, которая может ответить на вопросы или решить задачу из конкретной области. Тем самым они заменяют настоящих специалистов. ЭС состоит из двух подпрограмм. Первая называется базой знаний и содержит необходимую информацию по данной области. Другая же программа называется механизмом вывода. Она применяет информацию из базы знаний в соответствии с поставленной задачей.

ЭС нашли свое применение в таких отраслях, как экономическое прогнозирование, медицинское обследование, диагностика неисправностей в технических устройствах и т. п. Одной из известных на сегодняшний день ЭС является проект WolframAlpha, созданный для решения задач по математике, физике, биологии, химии и многим другим наукам.

В конце 80-х – начале 90-х с появлением первых настольных ПК от Apple и IBM, интерес со стороны публики и инвесторов к ИИ стал падать. Началась новая «зима»…

Deep Blue

После долгих лет взлетов и падений произошло значимое событие для ИИ: 11 мая 1997 года шахматный суперкомпьютер Deep Blue, разработанный компанией IBM, обыграл чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в матче из шести партий со счетом 3? на 2?.

В Deep Blue процесс поиска по дереву шахматных ходов был разбит на три этапа. Прежде всего, главный процессор исследовал первые уровни дерева шахматной игры, затем распределял конечные позиции между вспомогательными процессорами для дальнейшего исследования. Вспомогательные процессоры углубляли поиск еще на несколько ходов, а далее раздавали свои конечные позиции шахматным процессорам, которые, в свою очередь, осуществляли поиск на последних уровнях дерева. Оценочная функция Deep Blue была реализована на аппаратном уровне - шахматных процессорах. В конструкцию аппаратной оценочной функции было заложено около 8000 настраиваемых признаков позиции. Значения отдельных признаков объединялись в общую оценку, которая затем использовалась Deep Blue для оценки качества просматриваемых шахматных позиций.

В 1997 году Deep Blue по мощности находился на 259-м месте (11,38 GFLOPS). Для сравнения: в настоящее время самый производительный суперкомпьютер имеет 93,015 GFLOPS.

XXI век

За последние два десятилетия интерес к ИИ заметно вырос. Рынок технологий ИИ (оборудование и софт) достиг 8 миллиардов долларов и, по прогнозам специалистов из IDC, вырастет до 47 миллиардов к 2020 году.

Этому способствует появление более быстрых компьютеров, стремительное развитие технологий машинного обучения и больших данных .

Использование искусственных нейронных сетей упростило выполнение таких задач, как обработка видеоизображения, текстовый анализ, распознавание речи , причем уже существующие методы решения задач совершенствуются с каждым годом.

Проекты DeepMind

В 2013 году компания DeepMind представила свой проект, в котором обучила ИИ играть в игры для консоли Atari так же хорошо, как человек, и даже лучше. Для этого был использован метод глубинного обучения с подкреплением, позволивший нейросети самостоятельно изучить игру. В начале обучения система ничего не знала о правилах игры, используя на входе только пиксельное изображение игры и информацию о получаемых очках.

Помимо этого, DeepMind разрабатывает ИИ для обучения более сложным играм, таким как Starcraft 2. Эта стратегия реального времени также является одной из самых популярных кибердисциплин в мире. В отличие от классических видеоигр, здесь доступно гораздо больше возможных действий, мало информации об оппоненте, возникает необходимость анализировать десятки возможных тактик. На данный момент ИИ справляется только с простыми мини-задачами, например созданием юнитов.

Нельзя не упомянуть про другой проект DeepMind под названием AlphaGo. В октябре 2015 года система одержала победу над чемпионом Европы по го Фань Хуэем со счетом 5:0. Спустя год в Южной Корее прошел новый матч, где противником AlphaGo стал один из лучших игроков в мире Ли Седоль. Всего было сыграно пять партий, из которых AlphaGo выиграл только четыре. Несмотря на высокий уровень продемонстрированных навыков, программа все же ошиблась во время четвертой партии. В 2017 году вышел фильм про AlphaGo, который мы рекомендуем к просмотру. Недавно DeepMind объявила о создании нового поколения AlphaGo Zero. Теперь программа обучается, играя против самой себя. После трех дней тренировок AlphaGo Zero выиграла у своей предыдущей версии со счетом 100:0.

Заключение

До сих пор системы ИИ являются узкоспециализированными, то есть справляются с задачами лучше человека только в конкретных областях (например, игра в го или анализ данных). Нам еще далеко до создания общего (полноценного) искусственного интеллекта, который был бы способен полностью заменить человеческий разум и которому была бы под силу любая интеллектуальная задача.

Перевел статью Лев Альхазред

Главная » Дети » I. История развития Интеллектуальных информационных систем