Кибернетическая картина мира

48. ЛКМ, число переменных 7, число ограничений 3. 49. Эволюция систем передачи информации. 50. ЛКМ, число переменных 7, число ограничений 2. 51. Основной социокультурный цикл и ЭВМ. 52. ЛКМ, число переменных 7, число ограничений 1. 53. ЛКМ, число переменных 6, число ограничений 4.

54. Моделирование города как сложной развивающейся человекомашинной системы.

55. ЛКМ, число переменных 6, число ограничений 3. 56. Иерархическая система для управления сложными проектами. 57. ЛКМ, число переменных 6, число ограничений 2.

58. Как компьютер играет в шахматы? Можно ли использовать ЛКМ? 59. Чем отличается игра в шахматы от игры в футбол?

60. Основные этапы развития кибернетики и информатики. 61. ЛКМ, число переменных 5, число ограничений 3 62. Что такое бионика?

63. ЛКМ, число переменных 5, число ограничений 2. 64. Что такое артоника?

65. ЛКМ, число переменных 5, число ограничений 1.

66. Бортовая вычислительная система самолета и какие задачи она решает?

67. ЛКМ, число переменных 4, число ограничений 2.

68. Бортовая вычислительная система автомобиля и какие задачи она решает?

69. ЛКМ, число переменных 4, число ограничений 1. 70. Развитие финансовых вычислительных систем. 71. ЛКМ, число переменных 10, число ограничений 8. 72. Астрономия как колыбель вычислительных методов. 73.Космонавтика и ЭВМ.

74. Задачи автоматизации аэропорта. 75. Проблема создания робота-полицейского.

76. Глобальная модель организма для поддержки врачебных решений. 77. Эволюция архитектуры ЭВМ и тенденции развития. 78. Квантовые компьютеры.

79. Эволюция операционной среды. 80. Что такое синергетика?

81. Общий решатель проблем (General Problem Solver).

111

Глава 3. Роботы и искусственный интеллект

Прежде чем рассматривать современное состояние робототехники, которая непрерывно развивается, хотелось сделать небольшое историческое введение.

Официально робототехника в нашей стране началась в 1972 г., когда впервые вышло специальное постановление Государственного комитета СССР по науке и технике и было предусмотрено плановое развертывание научно-исследовательских и опытноконструкторских работ в целях создания широкого спектра роботов. Главным конструктором по проблеме был назначен профессор Ленинградского политехнического института Ю. И. Юревич, а его заместителями профессор Ленинградского института авиационного приборостроения М. Б. Игнатьев и др. После 1955 г., когда в нашей стране реабилитировали кибернетику, неоднократно предпринимались попытки узаконить робототехнику. И только в 1972 г. с помощью академика, адмирала А. И. Берга и Д. Ф. Устинова, который потом стал министром обороны СССР, это удалось.

Тем не менее, процесс создания роботов начался гораздо раньше, прежде всего для задач атомной промышленности. Для работы с радиоактивными веществами были созданы совершенные копирующие манипуляторы с очувствлением и обратной связью по усилию схвата, это было в конце 40 – начале 50-х гг. Жаль, что сейчас эти технологии утеряны, и их приходится восстанавливать практически с нуля.

Чтожебылосделанос1972г.?Во-первых,былразработанспектр промышленных роботов, к концу 80-х гг. было изготовлено свыше 80 тыс. промышленных роботов, которые помогли высвободить более 1 млн рабочих. Во-вторых, были созданы роботы для работ в экстремальных условиях – под водой, в космосе и т. д. В-третьих, были начаты работы по созданию боевых роботов, которые успешно продолжаются. В-четвертых, успешно проводились работы по комплексной автоматизации промышленности, были созданы гибкие автоматизированные производства, накоплен большой теоретический и практический опыт. Если говорить о прошлом опыте, то следует отметить работы на заводах Форда в начале 20-х гг., когда инженер Гилбрет выделил основные элементы рабочих движений – терблиги и приноровительные движения, что позволило сформировать стандарты Международной организации труда (МОТ), которые использовались при программировании промышленных роботов.

112

Уже нами были созданы языки ЛАРОТ – для роботизированного производства, язык ЛАСКИТ – для автоматизации проектирования, ЛАДЕТ – для автоматизации научных исследований и др. [16, 17, 20]. В настоящее время роботостроение – активно развивающаяся отрасль науки и техники.

3.1. Структурирование робототехнических систем

Роботы – технические системы, состоящие из трех составных частей: сенсорных структур, которые поставляют информацию об окружающей среде; вычислительных структур, которые обрабатывают сенсорную информацию и принимают решения; движителей, с помощью которых робот как целостная система может активно взаимодействовать с окружающей средой, манипулировать предметами и перемещаться, выполняя команды вычислительной структуры. Роботы могут получать от человека задания различной степени сложности и выполнять их в автономном режиме. В настоящее время в мире успешно функционируют свыше миллиона роботов. В докладе [36] представлен обзор мировой и отечественной робототехники за последние 50 лет.

Основная проблема при создании роботов различного назначения – это соотношение организованности среды и сложности роботов. В хорошо организованной среде может успешно функционировать простой робот, в плохо организованной среде успешно функционировать может лишь сложный робот с искусственным интеллектом. Организация среды требует больших затрат: чем больше будет затрачено средств на организацию среды, тем меньше будет стоить сам робот. Очень важно найти правильное соотношение между этими затратами, которое меняется в зависимости от развития технологий и достижений науки. Появление дешевых мощных компьютеров привело к реальному большому развитию робототехники во всех отраслях. Сейчас оно сдерживается медленным прогрессом в развитии движителей (электро, пневмо, гидро), параметры которых гораздо хуже биологических мышц. Это привело к созданию нового класса роботов – биороботов, когда биологическая структура снабжается встроенными чипами, через которые осуществляется управление биоструктурой. В качестве биоструктур используются насекомые, змеи, рыбы, дельфины – все животные вплоть до человека. Для охраны границ

113

уже сейчас используются лошади, верблюды и страусы со встроенными чипами, что позволяет им точно выполнять указания людей в течение нескольких часов. Вместо встроенных чипов сейчас используют специальные системы виртуальной реальности для животных [36].

Важен анализ структуры работ, для выполнения которых строятся роботы. В этом направлении сделано немало: это и формирование конвейера Форда, стандарты МОТ, языки ЛАРОТ, ЛАДЕТ, ЛАСКИТ и др., и артоника (исследование структур искусства на предмет использования их в технике), и мотив – функции В. Я. Проппа

и25 функций исполнителей-администраторов (поиск, препятствование, запрет, совершение ошибки, дача обещаний, преодоление препятствия, достижение искомого, нарушение запрета, соперничество, обман, выведывание, требование (настояние), арбитраж, обмен, выбор, вредительство, помощь, соблазн или устрашение, подчинение, единомыслие, единство действий, воздаяние, перемена места деятельности, устранение противника, уход) [17].

Кробототехнике примыкают задачи искусственного интеллекта, но люди до сих пор не разобрались, что такое естественный интеллект [35, 36]. В физиологии и психологии сложилось представление о шести уровнях интеллекта. Самый нижний уровень А – уровень палеокинетических регуляций, который реализует простейшие защитные реакции. Далее следует уровень В – уровень синергии, который регулирует перемещение организма как целого. Третий уровень С – пространственное поле, который обеспечивает ориентацию в ближайшем окружении. Четвертый уровень D – уровень действия, который обеспечивает регуляцию предметных действий. Пятый уровень Е – уровень концептуальных структур, который обеспечивает фиксацию и дополнение концептуальной картины мира. Шестой уровень F – метапознавательный уровень, который обеспечивает перестройку концептуальной модели мира, это уровень функционирования творческих людей. Современная компьютеризированная техника освоила уровни А, В, С, D – это

иуправляемые ракеты, и адаптивные роботы, и сложные автоматизированные системы. Уровни Е и F наименее изучены, их-то и считают зоной интеллекта – естественного, искусственного или комбинированного, гибридного. Но для того чтобы разобраться с интеллектом, прежде всего нужно исследовать естественный язык, который хорошо доступен для наблюдений и экспериментов. Выше приведен материал по лингво-комбинаторному моделированию,

114

которое может быть использовано при управлении сложными системами.

Робот – непременный персонаж самых различных произведений искусства, от Франкенштейна до последних фильмов «Я – робот» и «Аватар». Самое слово «робот» пришло из пьесы К. Чапека и происходит от славянского «рoбота». Идеи робототехники проникают в общество прежде всего через искусство, и роботы населяют виртуальные миры. Роботы в виде аватаров являются главными действующими лицами различных виртуальных миров. Слово «аватар» значительно более древнего санскритского происхождения и означает «нисхождение». В индуистской религии утверждается, что каждый бог обитает во множестве тонко и грубо материализованных тел, но только одно из них является подлинным, верховным, все же остальные суть нисхождения, или аватары. В настоящее время слово аватар прочно вошло в кибернетику и информатику. Робот, аватар, агент – это помощники человека в поддержании здоровья, обучении, работе и развлечениях. Возникли многоагентные системы. Робот – это партнер в сексуальных играх, на этом строится многомиллионный бизнес. РОБОТ – это плод человеческого воображения.

Создание систем автоматики и различных роботов – это в основном эмпирика. Но эмпиризм питается воображением – сначала человекосуществляетмысленныйэксперимент,потомстроитмашину или робота. Далее следует важная фаза осмысления содеянного, и вот тут важна роль философии. Философия направлена на выработку обобщенной системы взглядов на мир, на место в нем человека, и можно добавить – на выработку взглядов на место роботов в мире.

Вэтой связи интересно рассмотреть монадологию Лейбница [12]. Реальный мир, по Лейбницу, состоит из психических деятельных субстанций, неделимых первоэлементов бытия – монад, которые находятся между собой в отношении предустановленной гармонии.

Всилу этой гармонии развитие каждой из них находится в соответствии с развитием других монад и всего мира в целом. Деятельность монад состоит в смене восприятий (перцепций) и определяется индивидуальным стремлением (апперцепцией) монады к новым восприятиям. Хотя вся деятельность монады исходит имманентно из самой монады, она в то же время есть развертывание изначально заложенной в монаде индивидуальной программы. Монады образуют восходящую иерархию сообразно тому, насколько ясно они представляют мир. В этой иерархии особое место занимают мона-

115

ды, которые способны не только к восприятию (перцепции), но и к самосознанию, апперцепции; к ним Лейбниц относил души людей. Мир физический, как считал Лейбниц, существует только как несовершенное, чувственное выражение истинного мира монад, как феномен познающего мир человека. Как очевидно, монадология сильно перекликается с современной теорией агентов и роботов. Интересным является пересечение с философией персонализма, где на первый план выдвигается человеческая личность во всей полноте ее конкретных проявлений, в ее неповторимой индивидуальности. Личность превращается в фундаментальную онтологическую категорию, в которой волевая активность, деятельность сочетается с непрерывностью существования.

Интересен пример первого симфонического ансамбля Моссовета – оркестра без дирижера [14]. Основной принцип – творческая активность каждого артиста ансамбля.

Важен введенный Жаком Деррида термин «деконструктивизм» (разбор, разнесение некой конструкции). Его основная идея заключается в том, что мы имеем дело не с реальностью, а с реальностями, которые описываются разными языками. Есть политическая реальность, экономическая реальность, символическая, сновиденческая… И возникает такой момент, когда языки, описывающие реальность, начинают отставать от реальности, которую представляют, скрывают, уводят от нее. Тогда и требуется аппарат деконструкции, освобождение реальности из-под гнета ложных презентаций. Поэтому творчество Деррида вызывало гнев у консервативной части философского истеблишмента – ведь он подрывал основы профессиональной философии. История его работ, его опытов деконструкции – череда скандалов. Политики и масс-медия создают язык, который описывает политическую действительность. И то, что не вписывается в этот языковый мейнстрим, в эту болтовню узнаваемого – отвергается. Главным тезисом становится – «этого не надо говорить, потому что мы знаем, что нужно говорить». В результате у нас нет журналистики. Потому что и журналисты, и политики говорят на одном и том же языке.

Следует остановиться на некоторых сторонах управления движениями биологических объектов. Движению живого существа (в частности, человека) присущ целостно-связный характер действия. Одним и тем же совокупностям сигналов с сенсорных систем могут соответствовать самые разнообразные двигательные реакции. Это явление существует на всех уровнях биологической системы управ-

116

ления движениями и явно выражено в явлениях экстраполяции, интерполяции и антиципации4 [16].

Следует указать также на вариативность действий человека, которая проявляется во взаимозаменяемости поз и траекторий движения биологических объектов.

В экспериментальной психологии описаны две формы обобщенности двигательного поведения – обобщенность ответов и действия при переходе из одной ситуации в другую. Под обобщенностью ответов подразумевают то общее, что проявляется в различных вариациях движений, направленных на выполнение одной и той же цели. А под обобщенностью действий понимают то общее, что проявляется при движениях, направленных на достижение разных целей. Обобщенность действий является проявлением особенностей программирования движений.

Все эти особенности построения движений находят свое суммарное выражение во взаимозаменяемости исполнительных органов при выполнении движений, т. е. одна и та же программа движений может быть выполнена различными исполнительными органами. Например, писать можно правой, левой рукой или же с помощью ног. При этом основные особенности почерка индивидуума сохраняются. Универсальность функционирования имеет место на всех уровнях поведенческих актов – начиная от манипулятивной деятельности и кончая функциями человека-оператора как управляющего звена системы человек – машина. Границы универсальности определяются лишь временными характеристиками переработки информации, пределами пространственной досягаемости и энергетическими ограничениями. Никаких других ограничений универсальности действий со стороны жесткой конструкции нервной и скелетно-мышечной системы обнаружить нельзя. Именно из универсальности вытекает огромный, практически неисчерпаемый диапазон возможностей ручного труда.

Вариативность и универсальность управления движениями обеспечивает высокую надежность функционирования биологической системы, позволяя реализовать множество различных вариантов двигательного решения и свободно заменить почему-либо не осуществимый вариант действия другими. Надежность связана с той или иной формой запасных возможностей, т. е. с избыточностью.

4 Антиципация – представление человеком результатов своего действия еще до его осуществления.

117

Введение организованных помех, снижающих процесс распознавания букв перцептивным устройством на 85%, оказывает совершенно ничтожное воздействие на деятельность человека. Последний в этих условиях сохраняет почти полную помехоустойчивость. Недостаточная локальная точность достижения цели при отсутствии сигналов с датчиков является слабым местом биологических систем управления движениями. Величина отдельных координат может быть выдержана при движении биологических систем лишь весьма приблизительно. Локальная точность таких систем составляет примерно 5–10% от величины динамического диапазона.

Всеэтиособенностипостроениядвиженийв биологическихсистемах четко проявляются в таких действиях, как перемещение с помощью ног. Ходьба и бег по пересеченной местности являются апофеозом приспособительных возможностей биологических систем.

3.2. Основные уровни управления поведением робота

При ручном управлении манипулятором без посредничества вычислительной машины человек-оператор с помощью специального корсета или ручек управления посылает сигналы на приводы механической руки, заставляя ее тем самым выполнять различные движения. Этот наиболее распространенный способ управления, называемый управлением в коде движений, является очень сложным для человека-оператора. Оператор быстро утомляется, а точные движения вообще не может выполнять.

При отсутствии визуальной информации о перемещениях руки манипулятора (необходимость работы в таких условиях имеет место довольно часто) качество управления резко ухудшается, несмотря на информацию от других датчиков.

Применение вычислительной машины позволяет существенно облегчить управление манипулятором. Роль оператора в этом случае сводится к управлению в коде команд, когда, нажимая соответствующие кнопки, он посылает команды типа взять, перенести и т. д. При использовании вычислительной машины для этих целей естественно возникает понятие об уровнях управления. В разработанных в настоящее время программах можно выделить три уров-

ня [16, 79].

Входные программы первого, низшего уровня задают значения каждой из координат степеней подвижности исполнительного ор-

118

гана робота. Низший уровень формирует управления приводами степеней подвижности.

Входными командами второго уровня являются команды, задающие различные движения рабочему инструменту, закрепленному на конце манипулятора. Такими командами могут быть: привести инструмент в положение (а), переместить инструмент в на-

правлении (х) и т. п. Частные случаи этих команд: найти, взять,

перенести, положить, открыть дверцу, навинтить гайку. При этом взять можно только найденный или указанный предмет, перенести можно только взятый предмет, положить можно только взятый или перенесенный предмет, взять можно либо одной, либо двумя, либо тремя руками и т. д. С помощью вычислительной машины осуществляется расшифровка этих команд и их перевод на входной язык низшего уровня.

Входнымикомандамитретьего,высшегоуровняявляютсяслож-

ные команды типа построить сооружение, разгрузить судно и т. п.

На этом наименее разработанном уровне должна осуществляться сложная логическая обработка информации об окружающей среде, положении робота и рабочих предметов. На выходе этого уровня имеем набор входных команд для второго уровня.

Информация о взаимном расположении частей манипулятора, о соприкосновении с окружающими предметами используется на всех уровнях. Человек-оператор осуществляет управление на высшем уровне и имеет возможность вмешиваться в управление и на других уровнях.

Задачи управления первого уровня решаются в рамках традиционной теории автоматического регулирования с учетом особенностей привода и конструкции роботов. Второй уровень, называемый тактическим, является своеобразным генератором управляющих сигналов для низшего уровня управления.

Третий уровень назовем стратегическим уровнем управления. Его разработка связана с исследованием поведения сложных систем. Для решениязадачнаэтомуровнепривлекаютсяразличныеметодыэвристического программирования и теории игр. При этом оказывается возможнымиспользоватьрезультатыисследованияповедениялюдей в различных ситуациях. Хотя кибернетика развивается, ее методы и аппарат едва приоткрыли дверь в мир социальных явлений и процессов, протекающих на фоне столкновения действий, идей и чувств.

Первая работа, в которой были сформулированы некоторые принципы научного анализа действий в конфликтных ситуациях,–

119

книга фон Неймана и Моргенштерна «Теория игр и экономическое поведение» – вышла в 1944 г. и до сих пор не потеряла своего значения. Но теоретико-игровая модель конфликта ограничена. Она не может выявить природу конфликта, скрытые пружины человеческой деятельности в различных ситуациях.

Классическая трагедия и серьезный роман по-прежнему остаются одним из источников наших знаний о человеческом поведении. И именно в рамках художественной литературы появились первые произведения, описывающие поведение роботов. Принадлежащие перу Э. Т. Гофмана, М. Шелли, К. Чапека, А. Азимова и других писателей книги могут служить источником моделей поведения роботов и их взаимоотношения с людьми. Еще предстоит тщательно изучить всю литературу о роботах: от народных сказаний и былин до самых последних романов, где роботы уже прочно стали неотъемлемой деталью производственной и бытовой среды близкого будущего.

3.3. Лингвистический подход к анализу уровневой структуры системы управления роботов

Характерной особенностью сложных систем управления является иерархичность их структуры и наличие управляющих воздействий, связанных с переработкой большого количества информации. В связи с этим перед теорией сложных систем ставится задача математического описания состояния управляемых элементов, передачи информации, процессов ее переработки, выдачи управляющих сигналов и т. п.

Если пользоваться обычными методами математического описания функционирования элементов таких систем, то получающиеся соотношения будут чрезвычайно сложны, громоздки и труднообозримы. Поэтому в настоящее время наиболее целесообразным методом анализа сложных систем представляется моделирование на вычислительных машинах процессов их функционирования. Но применение вычислительных машин не ограничивается только анализом сложных систем, ЭВМ оказываются незаменимыми и при синтезе сложных систем управления.

Система управления роботом-манипулятором – типичный пример сложной системы, имеющей иерархическую структуру. Наиболее общим подходом для анализа и синтеза подобных систем является лингвистический подход.

120