10.1.4 Нейрокомпьютеры и перспективы их развития

Нейрокибернетика – это научное направление, занимающееся изучением организации и функционирования нервной системы живых организмов, которая управляет всеми процессами, протекающими в них, чтобы использовать эти знания при построении технических интеллектуальных систем.

Основная идея нейрокибернетики заключается в следующем: единственный объект, способный мыслить, - это человеческий мозг. Поэтому, любое «мыслящее» устройство должно каким-то образом воспроизводить его структуру.

Таким образом нейрокибернетика ориентирована на аппаратное моделирование структур, подобных структуре мозга. Физиологами давно установлено, что основой человеческого мозга является большое количество (до 10²¹) связанных между собой и взаимодействующих нервных клеток – нейронов. Поэтому усилия нейрокибернетики были сосредоточены на создании элементов, аналогичным нейронам, и их объединении в функционирующие системы. ЭВМ, в которых предполагается широко использовать сети из формальных нейронов, получили название нейрокомпьютеров.

Нейрокомпьютер – это ЭВМ, в основе которой лежит не типовая структура, включающая в себя арифметическое устройство, память, устройство ввода-вывода и управляющее между собой, а нейронная сеть, объединяющая все эти функции в своей структуре.

Основная особенность нейрокомпьютеров, отличающая их от ЭВМ, - это сам способ решения задач. Если для решения задач в ЭВМ обычного типа используются программы, то в нейрокомпьютерах решение задачи достигается путем перенастройки сети за счет адаптивных формальных нейронов и специальных процедур самоорганизации сети. В этом нейрокомпьютеры близки к аналоговым вычислительным машинам. Подобно последним, нейрокомпьютеры обладают огромной скоростью работы, недоступной для обычных ЭВМ.

Внедрению нейрокомпьютеров препятствует отсутствие какой-либо теории, позволяющей программировать процессы самоорганизации нейронных сетей таким образом, чтобы в результате этого процесса решалась нужная задача. Предполагается, что методика такого программирования будет найдена в результате активных исследований, которые ведут специалисты, работающие в области нейрокибернетики, а также путем модификации методов, используемых для решения задач в аналоговых машинах и однородных средах.

 

10.2 Перспективы развития информационных технологий

С начала 90-х годов прошлого столетия начинают развиваться новые информационные технологии, основанные на  работах в области искусственного интеллекта. Это означает, что пользователь, применяя компьютерные технологии, сможет не только получать сведения на основе обработки данных, но и использовать по интересующей его проблеме накопленный опыт и знания профессионалов.

Интеллектуальные системы и технологии применяются для тиражирования профессионального опыта и решения сложных научных, производственных и экономических задач, например, анализ инвестиций, планирование рекламной кампании, прогнозирование рынка. Для обработки и моделирования знаний применяются специальные модели и создаются базы знаний.

Под искусственным интеллектом понимают совокупность аппаратно-программных средств, позволяющих пользователю-непрограммисту ставить и решать свои задачи, традиционно считающиеся интеллектуальными, общаясь с ЭВМ на ограниченном подмножестве естественного языка.

 Исследования в области искусственного интеллекта сконцентрированы на разработке и внедрении компьютерных программ, способных имитировать или воспроизводить те области деятельности человека, которые требуют мышления, определенного мастерства и накопленного опыта.

Искусственный интеллект развивается по следующим направлениям:

1.      Представление знаний и разработка систем, основанных на знаниях. Это основное направление 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.

2.      Игры и творчество. Традиционно искусственный интеллект включает в себя игровые интеллектуальные задачи – шахматы, шашки. В основе лежит один из ранних подходов – лабиринтная модель плюс эвристики. Сейчас это скорее коммерческое направление, так как в научном плане эти идеи считаются тупиковыми.

3.      Разработка естественно-языковых интерфейсов и машинный перевод. В 50-х гг. одной из популярных тем исследований искусственного интеллекта являлась область машинного перевода. Первая программа в этой области – переводчик с английского языка на русский. Первая идея – пословный перевод, оказалась неплодотворной. В настоящее время используется более сложная модель, включающая анализ и синтез естественно-языковых сообщений.

4.      Распознавание образов. Традиционное направление искусственного интеллекта, берущее начало у самых его истоков. Каждому объекту ставится в соответствие матрица признаков, по которой происходит его распознавание. Это направление близко к машинному обучению, тесно связано с нейрокибернетикой.

5.      Новые архитектуры компьютеров. Это направление занимается разработкой новых аппаратных решений и архитектур, направленных на обработку символьных и логических данных. Создаются Пролог- и Лисп-машины, компьютеры V и VI поколений. Последние разработки посвящены компьютерам баз данных и параллельным компьютерам.

6.      Интеллектуальные роботы. Роботы – это электромеханические устройства, предназначенные для автоматизации человеческого труда. Конечная цель развития робототехники – это создание самоорганизующихся, или интеллектуальных роботов. Основная проблема при создании интеллектуальных роботов – проблема машинного зрения.

7.      Специальное программное обеспечение.  В рамках этого направления разрабатываются специальные языки для решения задач невычислительного плана. Эти языки ориентированы на символьную обработку информации – LISP, PROLOG, РЕФАЛ и др. Создаются пакеты прикладных программ, ориентированные на промышленную разработку интеллектуальных систем, или программные инструментарии искусственного интеллекта, например KEE, ARTS. Достаточно популярно создание пустых экспертных систем, или «оболочек», - EXSYS, MI и др., в которых можно наполнять базы знаний, создавая различные системы.

8.      Обучение и самообучение. Активно развивающаяся область искусственного интеллекта. Включает модели, методы и алгоритмы, ориентированные на автоматическое накопление знаний на основе анализа и обобщения данных. Включает обучение на примерах, а также традиционные подходы распознавания образов.

Интеллектуальные автоматизированные информационные системы особенно эффективны в применении к трудно формализуемым задачам. Трудно формализуемые задачи – это задачи, в которых трудно выделить все ее элементы и установить между ними связи. Для решения этих задач применяются эвристические процедуры, позволяющие в большинстве случаев получить решение.

Разработка экспертных систем - одно из направлений искусственного интеллекта. Наибольшие практические результаты достигнуты в создании экспертных систем, которые получили широкое распространение и используются при решении практических задач.

Выделим условия, при выполнении которых компьютерную программу можно назвать экспертом:

1.      Эта программа должна обладать знаниями.

2.      Знания, которыми обладает программа, должны быть сконцентрированы на определенную предметную область и предполагают определенную их организацию и интеграцию.

3.      Из этих знаний должно непосредственно вытекать решение проблемы.

Экспертная система – это комплекс компьютерных программ, которые оперируют со знаниями в определенной предметной области с целью выработки рекомендаций или решения проблем.

Экспертная система может полностью взять на себя функции, выполнение которых требует привлечения опыта человека-специалиста, или играть роль ассистента для человека, принимающего решение. Тот, кто принимает решение, может быть экспертом со своими собственными правами, в этом случае программа может повысить эффективность его работы. Или человек, работающий в сотрудничестве с такой программой, может добиться с ее помощью результатов более высокого качества. Правильное распределение функций между человеком и машиной является одним из ключевых условий высокой эффективности внедрения экспертных систем.

Экспертная система должна обладать способностью объяснить, почему предложено именно такое решение, и доказать его обоснованность. Пользователь должен получить всю информацию, необходимую ему для того, чтобы быть уверенным в правильности решения. В отличие от этого, исследовательские программы взаимодействуют только со своим создателем, который и так знает, на чем основывается ее результат. Экспертная система проектируется в расчете на взаимодействие с разными пользователями, для которых ее работа должна быть, по возможности, прозрачной, т.е. не требующей специальных знаний.

Из вышесказанного следует, что экспертная система содержит знания в определенной предметной области, накопленных в результате деятельности человека, и использует их для решения проблем, специфичных для этой области. Этим экспертные системы отличаются от традиционных систем, в которых предпочтение отдается более общим и менее связанным с предметной областью теоретическим методам, чаще всего математическим. Процесс создания экспертных систем называют инженерией знаний и он рассматривается в качестве применения методов искусственного интеллекта.

Традиционно считается, что любая экспертная система содержит следующие основные компоненты: базу знаний, интеллектуальный интерфейс с пользователем, программу формирования логических выводов (решатель), подсистему объяснений, интеллектуальный редактор базы знаний.

База знаний – совокупность знаний предметной области, записанная на машинный носитель в форме, понятной эксперту и пользователю (обычно на языке, приближенном к естественному). База знаний является ядром экспертной системы.

Интеллектуальный интерфейс пользователя – комплекс программ, реализующих диалог пользователя с экспертной системой как на стадии ввода информации, так и получения результатов.

Программа формирования логических выводов (решатель) - программа, моделирующая ход рассуждений эксперта на основании знаний, имеющихся в базе знаний.

Подсистема объяснений – программа, позволяющая пользователю получить ответы на вопросы: «Как была получена та или иная рекомендация?» и «Почему система приняла такое решение?». Ответ на вопрос «как» - пошаговый процесс всего процесса получения решения с указанием использованных фрагментов базы знаний. Ответ на вопрос «почему» - ссылка на умозаключение, непосредственно предшествовавшее полученному решению, т.е. отход на один шаг назад.

Интеллектуальный редактор базы знаний – программа, представляющая инженеру по знаниям возможность создавать базу знаний в диалоговом режиме. Включает в себя систему вложенных меню, шаблонов языка представления знаний, подсказок (Help) и других сервисных средств, облегчающих работу с базой.

Инженер по знаниям – специалист по искусственному интеллекту, выступающий в роли промежуточного буфера между экспертом и базой знаний.

Таким образом, использование новых информационных технологий, создание интеллектуальных автоматизированных информационных систем способствует переходу от индустриального к информационному обществу.