77540

Основы искусственного интеллекта (ИИ). Создание высокоавтоматизированных производств

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

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

Русский

2015-02-02

111 KB

5 чел.

Лекция 1

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.

 1.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.

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

3.Литература.    Основная:

1 – Тугенгольд А.К., Рубанчик В.Б. Искусственный интеллект в машиностроительных технологических системах: Учеб. пособие. Ростов-на-Дону, Изд. центр ДГТУ, 1996. – 140 с.

2 – Базы знаний интеллектуальных систем/ Т.А. Гаврилова, В.Ф. Хорошевский – СПб. Питер, 2000. – 384 с.

3 – Статические и динамические экспертные системы: Учеб. Пособие / Э.В. Попов и др. – М.: Финансы и статистика, 1996. – 320 с.

4 - Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. – М.: Мир, 1989. – 624 с.

5 – Накано Э. Введение в робототехнику. - М.: Мир, 1988. – 334 с.

           6. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. Кн. 6. Техническая имитация интеллекта. Назаретов В.М., Ким Д.П. Высшая школа, 1986. – 144 с.

           7. Интеллектуальные робототехнические системы. Уч. пособие. В.Л. Афонин, В.А. Макушин. Москва, 2005. Интернет университет информационных технологий. – 208 с.

           8. Введение в мехатронику. Кн.2.

Дополнительная – см. программу.

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 функции 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.

Искусственный интеллект – 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.

Интеллектуальной называется система, способная целеустремленно*, в зависимости от состояния информационных входов, изменять не только параметры функционирования, но и сам способ своего поведения, причем способ поведения зависит не только от предыдущего состояния информационных входов, но также от предыдущего состояния системы.

*целенаправленные системы – выстрел из орудия, целеустремленная – самонаводящаяся ракета.

Интеллектуальной называется система, моделирующая на компьютере мышление человека.

Интеллектуальной называется система, позволяющая усилить интеллектуальную деятельность человека за счет ведения с ним осмысленного диалога.

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.

Знания – основной термин теории ИИ. Работа программы ИИ заключается в «выводе на знаниях» или в «выводе новых знаний» (рис.1).

Рис.1. Отличия данных от знаний.

Состояние – второй важнейший термин. Каждая информационная единица может находиться в одном из состояний, как и вся система в целом.

Цель – основная характеристика системы ИИ. Система ИИ отличается от традиционных программ свойством целеустремленности. ИС в отличие от обычной алгоритма, а содержит только правила достижения цели. В качестве целей программе чаще всего задается требование перехода системы в заданное состояние, а в качестве критерия эффективности используется число шагов решения. Достижение цели не всегда возможно без указания начального состояния.

Модель представления знаний – основной тип моделей систем ИИ.

Предметная область – это область человеческой деятельности, к решению задач которой применяется теория ИИ. Предметная область может быть широкой (медицина) и узкой (робот – сверление). Мысленно предметная область представляется состоящей из реальных или абстрактных объектов, называемых сущностями.

Сущности предметной области находятся в определенных отношениях друг к другу, которые также можно рассматривать как сущности и включать в предметную область. Между сущностями наблюдаются отдельные отношения подобия. Совокупность подобных сущностей составляют класс сущностей, являющийся новой сущностью предметной области.

Отношения между сущностями выражаются с помощью суждений. Суждение – это мысленно возможная ситуация, которая может иметь место для предъявляемых сущностей или не иметь места. В языке (формальном или естественном) суждениям отвечают предложения. Суждения и предложения можно рассматривать как сущности и включать в предметную область.

Языки, предназначенные для описания предметных областей, называются языками представления знаний. Универсальным языком является естественный.

Особую роль в системах представления знаний играют стереотипные знания, описывающие известные стандартные ситуации реального мира. Такие знания позволяют восстанавливать информацию, пропущенную в описании ситуации, предсказывать появление новых фактов, которых можно ожидать в данной ситуации, устанавливать смысл происхождения ситуации с точки зрения более общего ситуативного контекста.

Для описания стереотипного знания используются различные модели. Среди них самыми распространенными являются сценарии. Сценарием называется формализованное описание стандартной последовательности взаимосвязанных фактов, определяющих типичную ситуацию предметной области.

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 исследований в сфере ИИ:

Создание систем, превосходящих человека (для решения узкоспециализированных задач):

Практически решаемые задачи:

- игры: шахматы, шашки, домино и др.;

- системы распознавания: противовоздушная оборона, анализ авторских прав, анализ фотоснимков, автоматический перевод и др.;

- интеллектуальные базы данных;

- гипертекстовые системы;

- мультимедиа;

- доказательство теорем: перебор большого количества вариантов.

Теоретические проблемы, возникающие при решении этих задач:

- совершенствование архитектуры вычислительных систем с целью добиться быстродействия, параллелизма и т.д.;

- машинное обучение;

- машинное (техническое) зрение;

- математические модели речи: письменный текст и голосовая речь.

Создание систем, способных советовать человеку или управлять работой механизмов:

Практически решаемые задачи:

- поиск информации, образцов и т.п.;

- интеллектуальные системы поддержки решений;

- экспертные системы мониторинга;

- интеллектуальные системы автоматизированного проектирования;

- создание «рабочих сред (пространств)»;

- экспертные системы (статические и динамические).

Теоретические проблемы, возникающие при решении этих задач:

- модель мира или микромира, в том числе нечеткая.

Создание больших и сложных систем:

Практически решаемые задачи:

- разработка «языков описания систем», позволяющих создавать «надежные» системы;

- создание оболочек экспертных систем;

- разработка проблемно-ориентирующих средств программирования;

Теоретические проблемы, возникающие при решении этих задач:

- машинное обучение;

- разработка технологии извлечения знаний;

- машинное (техническое) зрение;

- разработка средств управления знаниями;

- мультиагентные системы;

- нечеткая математика;

- генетические алгоритмы;

- нейронные сети;

- математические модели речи: письменный текст и голосовая речь.

Роботы и мехатронные объекты:

Практически решаемые задачи:

- биомашины (живой организм + механическая часть);

- мобильные роботы (разведка, медицина, экстремальные ситуации и т.п.);

- человекообразные роботы.

Теоретические проблемы, возникающие при решении этих задач:

- математические модели сложных механизмов: «рука», «палец», «нога»;

- математические модели движения: походка человека, бег животного и т.п.;

- математические модели передачи информации в живых организмах.

Помимо этого необходимо философское обоснование вышеперечисленных проблем и поиск ответов на целый ряд вопросов:

- как устроена память человека?

- как мы мыслим?

- что вычисляет наша система зрения?

- как мы учимся?

- где находится сознание?

- каким образом мозг представляет себе окружающий мир?

- какова роль эмоций?

Структура и функции интеллектуальной системы управления.

Основной функцией ИС является целенаправленное поведение в сложном плохо организованном внешнем мире. Целенаправленное поведение можно организовать путем преобразования знаний о текущем состоянии мира, полученных с помощью сенсорных систем, в последовательность действий, направленных на достижение заданной цели. Такие преобразования должны опираться на априорные знания о мире и способах его преобразования. Следовательно, центральными звеньями ИС являются система представления знаний и развитая система планирования действий. Особенность ИС – процессы сбора и преобразования информации должны протекать в реальном режиме времени.

Обобщенная функциональная структура ИС показана на рис.2  и включает три основные взаимосвязанные системы: восприятия, представления знаний, планирования и исполнения действий.

Рис.2

Одной из основных является система представления знаний, две других в значительной степени опираются на нее. Представление знаний (т.е. форма их выражения) должно быть выбрано с учетом конкретного класса задач, на решение которых спроектирована ИС. Система представления знаний представляет совокупность четырех блоков: абстрактные знания; знания о целях; модель мира ИС; накопления и корректировки знаний.

Абстрактные знания – сведения об общих закономерностях, действующих как во внешнем, так и во внутреннем мире ИС, которые считают условно постоянными. Например, физические закономерности.

Знания о целях – информация о глобальных целях, которые ИС должна достигнуть в процессе функционирования, а также о способах их декомпозиции, разделения на промежуточные этапы.

Модель мира ИС – формальное описание знаний о среде, в которой функционирует система. Сведения сформированы и сообщены системе заранее.

Для повышения точности и расширения знаний о мире используется блок накопления и корректировки знаний. В нем производится накопление новых фактов о внешнем мире и их анализ на непротиворечивость с другими фактами, хранящимися в системе представления знаний. Если новый факт не противоречив, он включается в модель мира. В некоторых случаях предварительно осуществляется проверка его достоверности.

Однако, непротиворечивость не является обязательным требованием, т.к. дает возможность устойчиво функционировать в малоизученном мире.

Специфическими требованиями к системе представления знаний являются:

- «терпимость» к неполноте и противоречиям. СПЗ должна быть построена так, чтобы ИС функционировала при обнаружении неполноты или неточности в знаниях;

- критичность к новой информации - способность проверить согласованность новой информации с имеющейся и принять решение о ее достоверности;

- обучаемость и способность к корректировке знаний.

Связь с внешним миром в ИС осуществляется через систему восприятия. Система восприятия формирует ситуационные знания ИС, т.е. знания о текущей ситуации. Первичными источниками информации являются различные сенсоры. Информация от сенсоров преобразуется, обрабатывается и представляется в виде, удобном для дальнейших преобразований.

Дальнейшее преобразование связано с синтаксической и семантической интерпретацией. При синтаксической интерпретации формируется представление воспринимаемого мира на некотором внутреннем языке ИС, при этом смысл воспринимаемых явлений остается не раскрытым. Семантическая интерпретация связана с выявлением смысла воспринимаемой информации. Завершающая процедура – построение модели текущего состояния мира.

Система планирования и исполнения действий формирует и реализует программы воздействий на внешний мир, что ведет к достижению поставленной цели. Планирование действий ИС представляется как процесс решения задачи. Решение задачи – это последовательность действий, переводящая текущее состояние мира в желаемое. Для выполнения действий их необходимо расчленить на необходимые движения.

Дополнения.

Интеллектуальные роботы часто называют интегральными. Сейчас для понятия «интегральный робот» используется классификация робототехнических устройств, в основу которой положены пять групп функционально завершенных систем.:

- группа В – системы восприятия звуковой, тактильной и других видов информации о внешней среде;

- группа М – системы воздействия на объекты внешнего мира (манипуляторы);

- группа Т – системы, обеспечивающие перемещение робота;

- группа П – системы планирования действий и решения задач;

- группа Р – системы, обеспечивающие связь робота с оператором и/или другими роботами.

Любой конкретный робот может быть образован сочетанием всех или части перечисленных систем, например, ВМП – очувствленные роботы с системой планирования действий.

Контрольные вопросы:

  1.  Дайте определение интеллектуальной системы.
  2.  Что такое предметная область в ИИ?
  3.  Каковы основные направления развития ИИ?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5864. Управление манипуляторами промышленного робота 448.5 KB
  Управление манипуляторами промышленного робота Если динамические уравнения движения манипулятора заданы, целью управления манипулятором является выполнение им движений в соответствии с заданным рабочим критерием. Проблема управления манипулятором в ...
5865. Роль цен, тарифов, льгот, субсидий, компенсаций в регулировании национального рынка 183 KB
  Происходящие изменения в экономике РФ обусловлены переходом на рыночные связи и отношения. Чтобы свести к минимуму предполагаемые потери при переходе к рынку, необходимо познать сущность и закономерности его развития. Все современные эконом...
5866. Технология разработки, перемещения и уплотнения грунта с элементами бетонирования 395.5 KB
  Определение объемов земляных работ по вариантам Для одиночных стаканных фундаментов возможны два вида земляных сооружений: - траншея по ряду фундаментов - котлован 3.1. Траншея по ряду фундаментов Отметка подошвы фундамента: м, где - абсолютная...
5867. История АМО ЗИЛ 42.5 KB
  Завод, основанный в 1916 г. как частное предприятие, через два года был национализирован, а спустя три четверти века, в 1992 г., вновь становится частным предприятием. В 1996 г. завод перешел практически в муниципальную собственность, сохранив форму...
5868. Место и роль монополии на рынке 103 KB
  Введение: формирование монополии Абсолютная (чистая) монополия - редкое для хозяйственной практики явление. Однако довольно часто приходится сталкиваться с монопольным влиянием, более реальными рыночными структурами монополистической конк...
5869. Взгляды Советских вождей на управление 97.5 KB
  За время существования СССР потерпело много реформ и преобразований. При разных правителях ситуация в СССР была совершенно разная т.к. у каждого из них были разные взгляды на жизнь и на управление страной. Скорее всего каждый из них руково...
5870. Воздействие ценовой дискриминации на экономическое благосостояние 237 KB
  Термин дискриминация образован от латинского discriminatio, что означает различие, различение. Под ценовой дискриминацией понимают практику установления разных цен на один и тот же товар при условии, что различия в ценах не связаны с затра...
5871. Организация защиты личного состава формирований ГО и РСЧС при проведении АСДНР 121 KB
  Организация защиты личного состава формирований ГО и РСЧС при проведении АСДНР Учебные цели: 1. Изучить основные мероприятия, осуществляемые руководителями (командирами) формированиям ГО и РСЧС по организации обеспечения защиты личного состава...
5872. Формальные методы спецификации программ 431.5 KB
  В предлагаемом учебном пособии рассматриваются два основных метода формального описания программных систем: метод алгебраических спецификаций и метод типизированных машин абстрактных состояний. Первый метод предназначен для описания статических аспе...