дб. Четвертое издание джозеф Джарратано Университет Хьюстон клиэрЛэйк Гари Райли People5oft, Издательский дом "Вильямс" Москва СанктПетербург Киев 2007 ббк 32. 973. 26 018 75 Д
 Скачать 3.73 Mb.
|
|
в исследованиях, не подкрепленных обоснованным экспериментированием, игнорируются законы реального мира, поэтому они могут приводить к заключениям, подобным приведенным ниже. Посылка. Я неподвижен, поскольку не чувствую своего переыещения Посылка. Я вижу, как солнце встает и садится Заключение. Следовательно, солнце движется вокруг меня При обсуждении эволюционных алгоритмов термин эмерджентность приобретает особое значение. Как эмерджентное характеризуется неожиданно возникающее поведение, которое невозможно было предвидеть заранее. Например, может показаться, что вода в ручье течет очень плавно, но это впечатление внезапно нарушается после падения вводу камня. В зависимости от скорости воды, размера камня и других факторов может возникнуть турбулентность. Вода обнаруживает нелинейное поведение в случае газифицированного потока, разрывного течения ив других случаях, в которых вступают в силу динамические изменения. Эти изменения не могут быть предсказаны с помощью обычной гидродинамики и требуют применения для своего описания дифференциальных уравнений второго или более высокого порядка. Чаще всего получение аналитического решения этих уравнений не представляется возможным, поэтому самый лучший способ действия, который возможен в таких случаях, состоит в получении приближенных числовых решений. Было выявлено много важных примеров эмерджентного поведения и созданы приложения, предназначенные для управления городами, руководства предприятиями, а также для использования в других весьма разнообразных областях [54]. 118 Глава 1. Введение в экспертные системы Классическим примером эмерджентного поведения является поведение колонии муравьев, в которой действует интеллект децентрализованного типа, называемый коллективным интеллектом [59]. Коллективный интеллект является распределенными в этом коренным образом отличается от централизованного интеллекта, который проявляют люди и другие млекопитающие, но весьма успешно действует в сообществах насекомых, живущих колониями. Исследования в области приложений коллективного интеллекта проводились для создания надежно функционирующих колоний роботов на других планетах, в которых каждый отдельный робот может не расходовать значительный объем ресурсов на обеспечение своей интеллектуальности (что позволяет экономить затраты и энергию, но вся колония может процветать. Представляются перспективными и другие приложения, касающиеся заводов, сетей и распределенных систем. Интернет также может рассматриваться как проявление коллективного интеллекта, в котором используется распределенный интеллект коммутаторов пакетов низкого уровня для маршрутизации пакетов с высокой степенью выживаемости. Указанное свойство вполне соответствует одной из первоначальных целей создания Интернет (или Arpanet, как первоначально называлась эта сеть), сформулированных в х годах. Еще одним важным новым направлением, возникшим в рамках работ по искусственному интеллекту, является создание эволюционных алгоритмов Такие алгоритмы, как правило, используются для повышения надежности конечных результатов наряду с другими методами искусственного интеллекта, такими как искусственные нейронные системы. Проблема, возникающая при использовании искусственных нейронных сетей, генетических алгоритмов и других схем, состоит в том, что конечные решения могут становиться ограниченными в локальном минимуме, а не сходиться к истинному решению в глобальном максимуме. По этим причинам в некоторых методах намеренно сохраняются для репродукции некоторые "непригодные" решения, а не выбираются лишь наиболее пригодные, поскольку именно первоначально непригодное решение может оказаться способным дальше всего отойти от локального минимума и продвинуться вплоть до глобального максимума. Эволюция коннекционистских систем — это мощный способ оптимизации архитектуры искусственной нейронной сети, позволяющий принимать лишь самые основные предположения, касающиеся того, какой должна быть архитектура, или вообще обходиться без каких-либо предположений [58]. Безусловно, в искусственных нейронных сетях применяются способы параллельной обработки, поэтому их реализация требует большого объема компьютерных мощностей, но эти способы становятся все более легко осуществимыми по мере того, как компьютеры становятся мощнее и расширяется возможность получения доступа ко многим компьютерам для вычислений, поскольку стремительно развивается технология. Современное состояние разработок в области. Интернет, и частные компании предоставляют общий доступ ко многим собственным компьютерам для проведения вычислений. Строго говоря, эволюционные алгоритмы того типа, который используется в компьютерах, не основаны на теории эволюции Дарвина, реализуемой в виде небольших последовательных шагов в течение многих тысяч или миллионов лета базируются на конкурирующей теории Ламарка. Ламарк был современником Дарвина, жившим в XIX веке, который считал, что если животное получало дополнительную тренировку каких-то конечностей в результате физических усилий, то потомки этого животного наследовали более сильные конечности. Применение компьютеров позволяет обеспечить ход эволюции как в случае, рассматриваемом Ламарком, за счет выбора для воспроизводства только тех экземпляров объектов, которые подошли ближе других к заданным критериям пригодности. Кроме того, для создания форм искусственной жизни в составе компьютерной программы применялись эволюционные алгоритмы. Эти алгоритмы не используются по такому же принципу, как генетические алгоритмы или нейронные сети, т.е. просто для решения какой-либо конкретной задачи. Как правило, эволюционные алгоритмы применяются в более широком контексте таких научных областей, как экология или экономика, для изучения связей "хищник — жертва" в дикой природе или, что в большей степени затрагивает интересы самого человека, для изучения любой среды, например отношений "изготовитель — потребитель" в мировой экономике. К тому же в видеоиграх широко используются алгоритмы, позволяющие моделировать окружающую среду, с помощью которой определяются новые виртуальные создания, вступающие в борьбу с игроком. Классическим примером применения таких алгоритмов является чрезвычайно мощная игра Sims; сетевая версия этой игры позволяет людям вести игру друг с другом в интерактивном режиме во всем мире. При использовании эволюционных методов в сочетании с коннекционистскими системами могут возникать удивительные явления, которые небыли заранее запланированы. На этом основан еще один повод для критики коннекционистских систем теми, кто поддерживает методы искусственного интеллекта, базирующиеся на логике, поскольку искусственные нейронные сети не позволяют найти объяснение того, как были достигнуты реализованные в них правила создания соединений и получены весовые коэффициенты. Безусловно, во многих проектах были предложены искусственные нейронные системы, предусматривающие возможность хотя бы частично "объяснить" сформированные в них правила, но остается фактом то, что такие правила и весовые коэффициенты не проектируются людьми, а формируются как "условный рефлекс, с учетом того, какими являются входные данные и желаемые выходные данные системы. В определенном смысле искусственная нейронная сеть или эволюционный алгоритм либо "выращивают" правильное решение, либо "не выживают Глава 1. Введение в экспертные системы В процессе решения задачи декодирования генома человека все большее значение приобретала область биоинформатики, поскольку в ней постепенно создавались компьютерные технологии, позволяющие обрабатывать поистине колоссальные объемы информации. В этой области открылось много вакансий для специалистов по искусственному интеллекту. Кроме того постепенно были созданы такие новые области, как геномика и протеомика. Геном человека состоит приблизительно из генов. Каждый ген по существу представляет собой живую фабрику, которая производит белки для выполнения физиологических функций, либо путем непосредственного осуществления действий в клетках, либо путем передачи сообщений в клетки. В настоящее время очередная грандиозная задача состоит в определении того, какие функции выполняет каждый из этих генов и белков это важно не только для изучения здоровых генов, но и для распознавания генетических заболеваний. Для решения подобных задач требуются огромные объемы вычислительных мощностей из-за колоссального количества данных и огромных размерностей возможных решений. При этом жизненно важным инструментальным средством становится искусственный интеллект. Искусственный интеллект доказал также свою значимость в области обороны. По окончании первой войны в Персидском заливе в 1990 году было заявлено, что экономия от использования средств искусственного интеллекта в планировании материально- технического обеспечения военных операций во много раз окупила все затраты на исследования по искусственному интеллекту, взятые на себя агентством DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency— Агентство перспективных исследовательских программ) с х годов (http: //www. au. a f . mil/au/aul/school/acsc/ai02. htm). В настоящее время искусственный интеллект позволяет экономить многие миллиарды долларов благодаря применению компьютерных игр для военного обучения вместо проведения настоящих учений, в которых нельзя обойтись без использования топлива и боеприпасов. В х годах очень трудно было себе представить, насколько значительным окажется коммерческий успех, достигнутый с помощью средств искусственного интеллекта. В этот периода также в течение следующей четверти столетия исследователи в области искусственного интеллекта в основном направляли свои усилия на поиск гуманных, научно значимых приложений, таких как доказательство теорем и автоматизация процесса совершения открытий. Безусловно, программы с искусственным интеллектом использовались также для ведения игр в шашки, шахматы и других настольных игр, нов целом такие программы разрабатывались с серьезными целями понимания человеческого мышления, а не ради их развлекательной ценности. Для этих исследователей, работавших в ранний период развития искусственного интеллекта, было бы весьма удивительно то, насколько велик современный. Современное состояние разработок в области. коммерческий успех искусственного интеллекта в создании видеоигр и специальных эффектов в фильмах. В настоящее время индустрия видеоигр на равных ведет борьбу с киноиндустрией и музыкальной индустрией за деньги потребителя. Люди получают огромное удовольствие от участия в интерактивных играх, особенно если при этом есть возможность вступать в игру с людьми, находящимися в других странах, городах или штатах. В развитых видеоиграх широко используются методы искусственного интеллекта для создания виртуальных существ, которые ведут себя вполне реалистично, а не действуют в соответствии с простыми предсказуемыми шаблонами. Все больше университетов теперь предлагает не только курсы, но и дипломы специалистов по видеоиграм. Это может служить признанием того, что в этой области уже создана многомиллиардная индустрия, предоставляющая хорошие возможности трудоустройства. Кроме того, средства искусственного интеллекта широко применяются в бизнесе. Наиболее ярким примером такого применения является создание интеллектуальных помощников, позволяющих с помощью базы знаний отделять простые задачи от сложных, поскольку, как известно, Ы задач являются простыми. К тому жена многих деловых предприятиях используются экспертные системы, оснащенные реальными экспертными знаниями. Единственная проблема, сдерживающая развитие в этой области, заключается в том, что подобные деловые системы основаны на внутрифирменной информации компании, поэтому подробные сведения о данных системах, как правило, не публикуются, чтобы конкуренты не могли благодаря этому получить преимущество. Безусловно, имеется еще много примеров экспертных систем, описанных в приложении Ж, которые можно найти в Интернет, но еще больше сведений по этой теме приведено в World Wide Web, в некоторых статьях, опубликованных на таких узлах, как CiteSeer, ив сообщениях групп новостей, подобных comp. ai. shells, которые в основном посвящены описанию экспертных систем Преимуществом группы новостей является то, что в нее можно отправить вопрос и надеяться на то, что кто-то на него ответит. Перспективы создания систем искусственного интеллекта и экспертных систем не только открывают дополнительные возможности трудоустройства, но и становятся причиной появления новых специальностей, таких как инженер по онтологии. В действительности эта специальность может рассматриваться как одно из направлений использования вычислительной техники в фундаментальных науках, таких как философия (причем фактически в настоящее время на коммерческих предприятиях находят свое применение лишь инженеры по онтологии. В системах искусственного интеллекта и экспертных системах термин онтология имеет смысл, отличный от обычной традиционной трактовки этого термина в философии. Глава 1. Введение в экспертные системы 122 1.16 Резюме В настоящей главе приведен общий обзор научных задачи достижений, которые привели к созданию экспертных систем. Задачи, для решения которых обычно применяются экспертные системы, как правило, не поддаются решению с помощью обычных программ, поскольку для них отсутствует известный или достаточно эффективный алгоритм. С другой стороны, экспертные системы основаны на знаниях, поэтому могут эффективно использоваться для реальных задач, Онтология — это явная формальная спецификация терминов проблемной области и отношений между ними [42]. Безусловно, средний пользователь Web этого не осознает, но онтологии незаметно для постороннего взгляда широко применяются в Web. К ним относятся не только крупные онтологии, организованные в виде таксономий (те. иерархических нисходящих коллекций взаимосвязанной информации) на таких узлах, как Yahoo!, но и более мелкие онтологии, применяемые на таких узлах, как, еВау и другие, которые предназначены для классификации товаров с учетом отпускной цены или времени аукциона и начального предложения. По существу онтология представляет собой стандартный, согласованный набор терминов, применяемых для описания определенной прикладной области, будь то книги, товары, продаваемые на аукционе, или что-то другое. Если отсутствует общепринятый словарь, то разработка крупного приложения проходит по сценарию создания вавилонской башни, в котором никто не знает, правильно ли применяются термины, касающиеся рассматриваемой области. Многие организации разработали свои собственные онтологии, чтобы можно было проще объяснить, о чем идет речь, не сталкиваясь с неоднозначным толкованием. Одним из наибольших преимуществ стандартизированной онтологии является то, что она может быть приспособлена для обработки с помощью компьютера, после чего компьютеры приобретают возможность помогать людям в поиске необходимых элементов данных. Аналогичным направлением разработок является создание языков для различных научных и прикладных областей на основе языка ХМЬ (Extensible Markup Language — расширяемый язык разметки. В настоящее время действительно велика потребность в специалистах, имеющих подготовку в области искусственного интеллекта, которые пожелали бы стать инженерами по онтологии и заняться классификацией огромных объемов знаний. Кроме того, онтологическая инженерия используется для создания и сопровождения баз данных, применяемых в экспертных системах. Это — нетривиальная задача, особенно с учетом того, что базы знаний становятся все больше по объему, а пользователю разрешается вводить новые знания, предназначенные для использования в экспертных системах. Резюме 123 которые являются слабо структурированными и с трудом поддаются решению с помощью других средств. Кроме того, в данной главе рассмотрены различные подходы к представлению знаний и описаны их преимущества и недостатки. Более подробная информация на эту тему приведена в [34]. Кроме того, были описаны преимущества и недостатки экспертных систем в контексте выбора соответствующей предметной области для конкретных приложений экспертных систем. Приведены также критерии выбора соответствующих приложений. В главе представлены основные сведения о командных интерпретаторах экспертных систем и показано, как они применяются в экспертных системах, основанных на правилах. Описан основной цикл функционирования машины логического вывода, базирующийся на принципе "распознавание — действие. Применение такого цикла проиллюстрировано на примере простого правила. Наконец, была описана связь экспертных систем с другими подходами к программированию сточки зрения выбора предметных областей, наиболее подходящих для каждого из этих подходов. Сделан принципиальный вывод, согласно которому экспертные системы должны рассматриваться как инструментальное средство программирования определенного типа, которое подходит для создания одних приложений и не подходит для создания других. (Характерные особенности и вопросы применимости экспертных систем будут рассматриваться более подробно в следующих главах) Кроме того, преимущества и недостатки экспертных систем описаны в контексте выбора предметной области, в наибольшей степени соответствующей специализации конкретного эксперта. Дальнейшие перспективы развития искусственного интеллекта, несомненно, будут связаны с использованием результатов новых революционных достижений в разработке квантовых компьютеров [11], с применением колоссальной вычислительной мощи, достигаемой благодаря связыванию миллионов компьютеров в Интернет на основе технологии, а также биотехнологии WETLAB, в которой используются нити РНК. Указанные методы мобилизации вычислительных мощностей могут использоваться для решения очень сложных вариантов задачи коммивояжера всего лишь за несколько суток, т.е. намного быстрее, чем при применении любого отдельно взятого суперкомпьютера. В приложении Ж приведено много ссылок, по которым можно найти общую текущую информацию об искусственном интеллекте. В оперативном режиме можно получить доступ к огромному объему информации и программного обеспечения. Обсуждению таких тем, как нечеткая логика, нейронные сети, командные интерпретаторы экспертных систем и многих других, посвящены многочисленные группы новостей. Эти группы новостей позволяют не только получать информацию и программное обеспечение, но и передавать свои вопросы и получать ответы от других людей. Авторы настоятельно рекомендуют ознакомиться Глава 1. Введение в экспертные системы Задачи Найдите какого-либо человека, который считается либо экспертом, либо специалистом, обладающим очень обширными знаниями в какой-то области (вы сами не должны брать на себя роль эксперта. Проведите собеседование с экспертом и обсудите, насколько успешно экспертные знания этого человека можно было бы смоделировать с помощью экспертной системы, |