50361 (Теория искусственного интеллекта)

Создание высокоавтоматизированных производств предполагает автоматизацию не только физического, но и умственного труда человека. В последние десятилетия складывается ситуация, в которой человек уже не в состоянии воспринять и переработать весь объем информации, необходимый для принятия решений и поэтому зачастую из носителя прогресса человек превращается в фактор, сдерживающий его.

Автоматизация интеллектуальной деятельности потребовала решения новых задач, не возникавших ранее в теории автоматического управления. К их числу относится описание и представление в ЭВМ сложной внешней среды, автоматическое планирование и выполнение комплекса разнообразных действий технических устройств, направленных на достижение заданной цели, организация общения человека с ЭВМ на языке, близком к естественному, и ряд других.

Прогресс в области информатизации практически всех сфер деятельности человека, в том числе в мехатронике и робототехнике связан с тем, что часть интеллектуальной нагрузки берут на себя компьютеры. Одним из способов достигнуть максимального прогресса в этой области, является "искусственный интеллект", когда компьютер выполняет не только однотипные, многократно повторяющиеся операции, но и сам сможет обучаться. Кроме того, создание полноценного "искусственного интеллекта" открывает перед человечеством новые горизонты развития производства, транспорта, летательных аппаратов, медицинской и бытовой техники.

Научное направление, в рамках которого решаются данные задачи, называют искусственным интеллектом.

Цель и задачи дисциплины

Цель – изучение общих понятий и терминологии искусственного интеллекта (ИИ) как прикладной науки, архитектуры систем ИИ в современном производстве, инструментальных средств реализации принципов ИИ в мехатронных и робототехнических системах, а также приобретение элементарных навыков в области автоматизации решения сложноформализуемых задач, которые до сих пор считаются прерогативой человека, в том числе при проектировании интеллектуальных систем (ИС) производственного назначения.

Задачи дисциплины.

ЗНАТЬ:

• основные понятия ИИ;

• принципы построения систем ИИ в технике;

• модели и методы представления знаний в ИС;

• моделирование нечетких множеств, нечеткая логика;

• методы поиска решений и соответствующие им реализации механизма вывода как основы машинного мышления;

• принципы построения и функционирования экспертных систем (ЭС);

• алгоритмы распознавания образов и ситуаций;

• системы машинного зрения;

• нейросистемы

• применение систем ИИ в мехатронике.

УМЕТЬ:

• построить структуру системы ИИ для решаемой технической задачи;

• сформировать базу знаний на основе различных типов представления знаний;

• пользоваться методом поиска в пространстве состояний и сведения задач к подзадачам при планировании движения робота;

• построить элементарную ЭС для определенной предметной области.

Учебный план. Лек. – 30 ч., лаб. – 16 ч., экз.

Общие сведения. Проблемы ИИ в робототехнике и мехатронике

Основные определения. Под интеллектом будем понимать способность мозга решать задачи путем приобретения, запоминания и целенаправленного преобразования знаний в процессе обучения на опыте и адаптации к разнообразным обстоятельствам для выполнения функии деятельности.

Интеллект –intelligence - (лат. Intellektus – познание, понимание, рассудок) –способность мышления, рационального познания, ум. Иначе – мыслительная способность, умственное начало у человека.

Рациональное познание – отражение объективной действительности в представлениях, суждениях, понятиях.

Мыслительная способность – способность, связанная с поиском решений, действий или закономерностей в нестандартных условиях, если методы, алгоритмы решения или действия априори не известны. В нашем курсе под интеллектом будем понимать способность мозга решать задачи путем приобретения, запоминания и целенаправленного преобразования знаний в процессе обучения на опыте и адаптации к разнообразным обстоятельствам для выполнения функций деятельности.

ИИ (artificial intelligence - AI) – научное направление, которое занимается проблемами имитации человеческого интеллекта в рамках которого строятся теории и модели, призванные объяснить и использовать в технических системах принципы и механизмы интеллектуальной деятельности человека. ИИ – это одно из направлений информатики, целью которого является разработка программно-аппаратных средств, позволяющих пользователю-непрограммисту ставить и решать свои, традиционно считающиеся интеллектуальными задачи, общаясь с ЭВМ на ограниченном подмножестве естественного языка. Иначе и короче – ИИ это техническая (информационная и программно-аппаратная) реализация некоторых интеллектуальных способностей человека.

ИИ – область компьютерных наук, занимающаяся исследованием и автоматизацией разумного поведения.

Под ИС понимают адаптивную систему, позволяющую строить программы целесообразной деятельности по решению поставленных перед ними задач на основании конкретной ситуации, складывающейся на данный момент времени в окружающей среде.

Дополнения:

1. к сфере решаемых ИС задач относятся задачи, обладающие, как правило, следующими особенностями:

- в них заранее неизвестен алгоритм решения задач;

- в них используется информация помимо традиционных данных в числовой форме в виде изображений, рисунков, знаков, букв, слов, звуков;

- в них предполагается наличие выбора, т.е. необходимо сделать выбор между многими вариантами в условиях неопределенности.

2. Системы ИИ отличаются от других искусственных систем, включая традиционные компьютерные программы тем, что они используют знания, а также рядом других признаков:

- способностью достигать целей, меняющихся во времени;

- способностью сопоставлять, использовать и преобразовывать знания;

- способностью ориентироваться в многообразии специальных подсистем, варьируя их методы;

- способностью самостоятельно планировать ресурсы и концентрировать их в нужном направлении;

- возможностью обеспечения интеллектуального интерфейса с пользователем и другими системами.

ИС должна в наборе фактов распознать существенные, ИС способны из имеющихся знаний и фактов сделать выводы не только с использованием дедукции, но и с помощью аналогии, индукции и т.п. Кроме того, ИС должны быть способны к самооценке - обладать рефлексией, т.е. средствами для оценки результатов собственной работы. ИС также должны улавливать сходство между имеющимися фактами.

Потенциальные возможности ИС безграничны, однако пока общей теории интеллектуальности не существует и не найдено общих методов решения проблем.

Проблемы ИИ в робототехнике и мехатронике

1 – Представление знаний. Направление связано с формализацией и представлением знаний различными моделями, языками и делением знаний по типам, а также создание программных средств для их преобразования (пополнения, обработки и т.п.). Здесь рассматриваются вопросы приобретения знаний – их источники, процедуры и приемы. Базой служат знания о проблемной области, хранящиеся в памяти интеллектуальной системы (ИС).

2 – Оперирование, манипулирование знаниями. Направление включает: построение способов пополнения знаний на основе их неполных описаний, системы классификации знаний, хранящихся в памяти ИС; обобщение знаний и формулирование на их основе абстрактных понятий; методы достоверного и правдоподобного вывода на основе имеющихся знаний, модели рассуждений. (1и 2 объединяет теория баз знаний (БЗ)).

3 – Общение. Проблема охватывает: понимание связных текстов на естественном языке, синтез связных текстов, понимание речи и ее синтез; модели коммуникаций между пользователями и ИС; формирование объяснений действий ИС; формирование методов построения лингвистических процессоров, осуществляющих перевод текстовой информации во внутреннее машинное представление, диалоговых систем и пр.

4 – Восприятие. В проблему входят: анализ зрительной, слуховой и др. видов информации, методы ее обработки и внутреннего машинного представления, распознавание образов и формирование ответных реакций на воздействие внешней среды и способов адаптации искусственных систем к среде путем обучения

5 – Обучение (воспитание)– до решения ИС новых задач, с которыми ранее не встречались. Проблема включает: методы формирования условий задачи по информации о проблемной ситуации; обучение переходу от известных решений частных задач – к решению общей; формирование модели процесса обучения. Мало пока сделано. В этом плане интересен подход к имитации мышления, предложенный А. Тьюрингом. "Пытаясь имитировать интеллект взрослого человека, — пишет Тьюринг, — мы вынуждены много размышлять о том процессе, в результате которого человеческий мозг достиг своего настоящего состояния. Почему бы нам вместо того, чтобы пытаться создать программу, имитирующую интеллект взрослого человека, не попытаться создать программу, которая имитировала бы интеллект ребенка? Ведь если интеллект ребенка получает соответствующее воспитание, он становится интеллектом взрослого человека… Наш расчет состоит в том, что устройство, ему подобное, может быть легко запрограммировано… Таким образом, мы расчленим нашу проблему на две части: на задачу построения "программы-ребенка" и задачу "воспитания" этой программы".

6 – Поведение – поведенческие процедуры адекватного взаимодействия со средой, человеком, другими ИС; функции управления действиями, в т.ч. модели целесообразного поведения, нормативного поведения; методы многоуровневого планирования и коррекции планов в динамических ситуациях при решении конкретных задач автоматического устройства, функционирующего в сложной внешней среде.

Наиболее важные причины, объясняющие вклад человечества в развитие ИИ:

1 – Создание ЭВМ новых поколений, максимально приближенных к пользователю, освобождение его от программирования решения задач. (Сложность общения с ЭВМ не должна превосходить сложности общения с современными бытовыми средствами, доведение «интеллектуального» уровня ЭВМ до способности выполнения профессиональных задач программиста.) Обладание большой суммой знаний о способах решения задач, специальных процедурах автоматического синтеза программ; максимальное приближение к общению людей.

2 – Бум информационных технологий, проникновение ЭВМ во все сферы человеческой жизни, создание локальных, глобальных и международных сетей передачи и обработки данных. Следствие – изменение стиля и, возможно, содержания человеческого общения в деловой и бытовой сферах.

3 – Коренное изменение роли человека в технологии производства (все области), замещение его функций физического, интеллектуального труда и управления автоматическими системами с т.н. «интеллектуальным управлением».

4 – ИС становятся инструментом проектирования новых, в т.ч. сверхсложных изделий, разработки технологий, изобретательства, прогнозирования и диагностирования.

Последние 2 пункта особенно важны для понимания сути мехатроники.

Таким образом, диапазон вопросов, охватываемый ИИ – от общих теоретических принципов науки ИИ до инженерных приемов создания аппаратных и программных средств решения интеллектуальных задач.

Еще некоторые определения:

Решение задачи – любая деятельность (человека или машины), связанная со следующим:

1. выработкой планов и действий, необходимых для достижения определенной цели;

2. выводами новых закономерностей;

3. формированием фраз на естественном или близком ему (но понятном) языке и др.

Конкретная интеллектуальная деятельность базируется на знаниях предметной области, в которой ставятся и решаются задачи. Предметной (проблемной) областью знаний называется совокупность взаимосвязанных сведений, необходимых для решения определенной задачи или совокупности задач. Эти знания включают описания (представления) объектов, их элементов и связей между ними, явлений, фактов и закономерностей.

Основные направления работ в сфере ИИ:

Робототехника и мехатроника.

Символьная обработка.

Игровые программы.

Обучающие системы.