Введение в интеллектуальные системы. Методы искусственного интеллекта, базы знаний, экспертные системы: искусственный интеллект как научное направление

Лекция № 1

1.1. история искусственного интеллекта.
Метод резолюции

Идея создания искусственного подобия человека для решения сложных задач и моделирования человеческого разума витала в воздухе еще в древнейшие времена. Так, в древнем Египте была создана «оживающая» механическая статуя бога Амона. У Гомера в «Илиаде» бог Гефест ковал человекоподобные существа-автоматы. В литературе эта идея обыгрывалась многократно: от Галатеи Пигмалиона до Буратино папы Карло. Однако родоначальником искусственного интеллекта считается средневековый испанский философ, математик и поэт Раймонд Луллий, который еще в XIII веке попытался создать механическую машину для решения различных задач, на основе разработанной им всеобщей классификации понятий.

В XVIII веке Лейбниц и Декарт независимо друг от друга продолжили эту идею, предложив универсальные языки классификации всех наук. Эти работы можно считать первыми теоретическими работами в области искусственного интеллекта.

Окончательное рождение искусственного интеллекта как научного направления произошло только после создания ЭВМ в 40-х годах XX века. В это же время Норберт Винер создал свои основополагающие работы по новой науке — кибернетике.

Термин «искусственный интеллект» — ИИ — (AI – artificial intelligence) был предложен в 1956 году на семинаре с аналогичным названием в Дартмутском колледже (США). Семинар был посвящен разработке методов решения логических, а не вычислительных задач. В английском языке данное словосочетание не имеет той слегка фантастической антропоморфной окраски, которую оно приобрело в довольно неудачном русском переводе. Слово intelligence означает «умение рассуждать разумно», а вовсе не «интеллект», для которого есть термин «intellect».

Вскоре после признания искусственного интеллекта отдельной областью науки произошло разделение его на два направления нейрокибернетика и «кибернетика черного ящика». Эти направления развиваются практически независимо, существенно отличаясь как в методологии, так и технологии. И только в настоящее время стали заметны тенденции к объединению этих частей вновь в единое целое.

Основную идею нейрокибернетики можно сформулировать следующим образом:

Единственный объект, способный мыслить, — это человеческий мозг. Поэтому любое «мыслящее» устройство должно каким-то образом воспроизводить его структуру.

Таким образом, нейрокибернетика ориентирована на программно-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, аналогичных нейронам, и их объединении в функционирующие системы. Эти системы принято называть нейронными сетями, или нейросетями.

Первый нейросети были созданы Розенблаттом и Мак-Каллоком в 1956-1965гг. Это были попытки создать системы, моделирующие человеческий глаз и его взаимодействие с мозгом. Устройство, созданное ими тогда, получило название персептрона (perceptron). Оно умело различать буквы алфавита, но было чувствительно к их написанию. Например, буквы A, А и A для этого устройства были тремя разными знаками. Постепенно в 70-80 годах количество работ по этому направлению искусственного интеллекта стало снижаться. Слишком неутешительны были первые результаты. Авторы объяснили неудачи малой памятью и низким быстродействием существующих в то время компьютеров.

Однако в 1980-х в Японии рамках проекта «ЭВМ V поколения» был создан первый нейрокомпьютер, или компьютер VI поколения. К этому времени ограничения по памяти и быстродействию были практически сняты. Появились транспьютеры — параллельные компьютеры с большим количеством процессоров.

Транспьютерная технология — это только один из десятка новых подходов к аппаратной реализации нейросетей, которые моделируют иерархическую структуру мозга человека. Основная область применения нейрокомпьютеров сегодня — это задача распознания образов, например идентификация объектов по результатам аэрофотосъемки из космоса.

Можно выделить 3 подхода к созданию нейросетей:

1) Аппаратный — воздание специальных компьютеры, нейрочипов, плат расширения, наборов микросхем, реализующих все необходимые алгоритмы.

2) Программный — создание программ и инструментариев, рассчитанных на высокопроизводительные компьютеры. Сети создаются в памяти компьютера, всю работу выполняют его собственные процессоры.

3) Гибридный — комбинация первых двух. Часть вычислений выполняют специальные платы расширения (сопроцессоры), часть — программные средства.

В основе кибернетики «черного ящика» был положен принцип, противоположный нейрокибернетике.

Не имеет значения, как устроено «мыслящее» устройство. Главное, чтобы на заданные входные воздействия оно реагировало так же, как человеческий мозг. Сторонники этого направления мотивировали свой подход тем, что челочек не должен слепо следовать природе в своих научных и технологических поисках. Так, например, очевиден успех колеса, которого не существует в природе, или самолета, не машущего крыльями, подражая птице. К тому же пограничные науки о человеке не смогли внести существенного теоретического вклада, объясняющего хотя бы приблизительно, как протекают интеллектуальные процессы у человека, как устроена память и как человек познает окружающий мир.

Это направление искусственного интеллекта было ориентировано на поиски алгоритмов решения интеллектуальных задач на существующих моделях компьютеров. Существенный вклад в становление новой науки внесли ее «пионеры»: Маккарти (автор первого языка программирования для задач ИИ — ЛИСПа), Минский (автор идеи фрейма и фреймовой модели представления знаний), Ньюэлл, Саймон, Шоу, Хант и другие.

В 1956-1963гг. велись интенсивные поиски моделей и алгоритмов человеческого мышления и разработка первых программ на их основе. Представители существующих гуманитарных наук — философы, психологи, лингвисты — ни тогда, ни сейчас не в состоянии были предложить таких алгоритмов. Тогда кибернетики начали создавать собственные модели. Так последовательно были созданы и опробованы различные подходы.

1. В конце 50-х годов родилась модель лабиринтного поиска. Этот подход представляет задачу как некоторое пространство состояний в форме графа, и в этом графе проводится поиск оптимального пути от входных данных к результирующим. Была проделана большая работа по разработке этой модели, но для решения практических задач эта идея не нашла широкого применения. В первых учебниках по искусственному интеллекту [Хант, 1986; Эндрю, 1985] описаны эти программы — они играют в игру «15», собирают «Ханойскую башню», играют в шашки и шахматы.

2. Начало 60-х — это эпоха эвристического программирования. Эвристика — правило, теоретически не обоснованное, которое позволяет сократить количество переборов в пространстве поиска. Эвристическое программирование — разработка стратегии действий на основе известных, заранее заданных, эвристик [Александров, 1975].

3. В 1963-1970гг. к решению задач стали подключать методы математической логики. Робинсон разработал метод резолюций, который позволяет автоматически доказывать теоремы при наличии набора исходных аксиом. Примерно в это же время выдающийся отечественный математик Ю. С. Маслов предложил так называемый обратный вывод, впоследствии названный его именем, решающий аналогичную задачу другим способом [Маслов, 1983]. На основе метода резолюций француз Альберт Кольмероэ в 1973 году создает язык логического программирования Пролог. Большой резонанс имела программа «Логик–теоретик», созданная Ньюэллом, Саймоном и Шоу, которая доказывала школьные теоремы. Однако большинство реальных задач не сводится к набору аксиом, и человек, решая производственные задачи, не использует классическую логику, поэтому логические модели при всех своих преимуществах имеют существенные ограничения по классам решаемых задач.

4. История искусственного интеллекта полна драматических событий, одним из которых стал в 1973 года так называемый «доклад Лайтхилла», который был подготовлен в Великобритании по заказу Британского совета научных исследований. Известный математик Д. Лайтхилл, никак с ИИ профессионально не связанный, подготовил обзор состояния дел в области ИИ. В докладе были признаны определенные достижения в области ИИ, однако уровень их определялся как разочаровывающий, и общая оценка была отрицательная с позиции практической значимости. Этот отчет отбросил европейских исследователей примерно на 5 лет назад, так как финансирование ИИ существенно сократилось.

5. Примерно в это же время существенный прорыв в развитии практических приложений искусственного интеллекта произошел в США, когда к середине 1970-х годов 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 (ЭС). Стал применяться новый подход к решению задач искусственного интеллекта — представление знаний. Созданы MYCIN и DENDRAL [Shortliffe, 1976; Buchanan, Feigenbaum, 1978], ставшие уже классическими две первые экспертные системы для медицины и химии. Существенный финансовый вклад вносит Пентагон, предлагая базировать новую программу министерства обороны США (Strategic Computer Initiative — SCI) на принципах ИИ. Уже вдогонку упущенных возможностей в начале 80-х объявлена глобальная программа развития новых технологий ESPRIT (Европейский Союз), в которую включена проблематика искусственного интеллекта.

6. В ответ на успехи США в конце 70-х в гонку включается Япония, объявив о начале проекта машин V поколения, основанных на знаниях. Проект был рассчитан ан 10 лет и объединял лучших молодых специалистов (в возрасте до 35 лет) крупнейших японских компьютерных корпораций. Для этих специалистов был создан специально новый институт ICOT, и они получили полную свободу действий, правда, без права публикации предварительных результатов. В результате они создали достаточно громоздкий и дорогой символьный процессор, программно реализующий ПРОЛОГо-подобный язык, не получивший широкого признания. Однако положительный эффект этого проекта был очевиден. В Японии появилась значительная группа высококвалифицированных специалистов в области ИИ, которая добилась существенных результатов в различных прикладных задачах. К середине 90-х японская ассоциация ИИ начитывает 40 тысяч человек.

Начиная с середины 1980-х годов, повсеместно происходит коммерциализации искусственного интеллекта. Растут ежегодные капиталовложения, создаются промышленные экспертные системы. Растет интерес к самообучающимся системам. Издаются десятки научных журналов, ежегодно собираются международные и национальные конференции по различным направлениям ИИ.

Искусственный интеллект становится одной из наиболее перспективных и престижных областей информатики (computer science).

В 1954 году 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 1954-1964гг. 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» М. М. Бонгарда, моделирующий деятельность человеческого мозга при распознании образов.

В 1965-1980гг. происходит рождение нового направления — ситуационного управления (соответствует представлению знаний, в западной терминологии). Основателем этой научной школы стал профессор Поспелов Д. А. Были разработаны специальные модели представления ситуаций — представление знаний [Поспелов, 1986].

Уровень теоретических исследований по искусственному интеллекту в России ничуть не ниже мирового. К сожалению, начиная с 80-х годов, на прикладных работах начинает сказываться постепенное отставание в технологии. На данный момент отставание в области разработки промышленных интеллектуальных систем составляет порядка 3-5 лет.