Принципы организации и функционирования интеллектуальных систем

Содержание

Введение

1. Структурно-функциональные особенности интеллектуальных систем

2. Информационно-управляющая деятельность интеллектуальных систем

3. Принципы организации и функционирования интеллектуальных систем

4. Интеллектуальные системы управления с искусственным интеллектом для комплексов

5. Общая функциональная структура интеллектуальных систем управления

6. Архитектура интеллектуальных систем поведенческого типа

Список, использованной литературы

Введение

Интеллект (от латинского intellectus - познание, понимание, рассудок) - способность мышления, рацио­нального познания. Естественным примером интеллек­туальной системы является человек. Задачи, которые решает человек в своей практической деятельности на основе мышления, относятся к интеллектуальным. Дея­тельность человека, особенно интеллектуальная (твор­ческая), еще изучена недостаточно, принципы и методы ее объясняются неоднозначно. Многочисленные попытки понять и использовать феномен интеллекта в практиче­ских целях имеют заманчивые перспективы и становят­ся все более и более реальными.

Будем называть систему, способную решать интел­лектуальные задачи, интеллектуальной системой (ИС). К числу основных интеллектуальных задач по аналогии с деятельностью человека можно отнести задачи распо­знавания (образов, ситуаций, сцен, состояний), обучения и планирования поведения (принятия решений). В этом плане интеллектуальными называют еще системы, обла­дающие способностью к обучению и изменению своего поведения в результате обучения.

В настоящее время развитие науки и техники дос­тигло такого уровня, когда становится уже реальным создание искусственного интеллекта, или точнее, моде­лирование (имитация) возможностей и способностей че­ловека, а решение указанных основных задач с помощью программных и аппаратных средств. Системы ИИ долж­ны воспроизводить функции естественного интеллекта. Поэтому изучению систем ИИ должно предшествовать рассмотрение основных свойств и особенностей естест­венного интеллекта для того, чтобы понять и использо­вать свойства биологических систем для решения тех­нических проблем. Кибернетическое изучение живого помогает раскрыть как общие законы функционирова­ния сложных систем, так и частные свойства отдельных органов и организма в целом с точки зрения происхо­дящих в живых, существах информационных процессов и процессов управления.

Тысячевековая эволюция живых существ привела к их чрезвычайному усложнению и многоуровневой ие­рархической организации множества включенных друг в друга систем и подсистем. Каждому уровню свойственны свои специфические закономерности информационных процессов, системной организации и процессов управле­ния. Для общего ознакомления с кибернетическими свойствами живых, организмов акцентируем внимание

на общих принципах организации, конкретных меха­низмах целесообразного регулирования и активного взаимодействия с окружающей средой.

1. Структурно-функциональные особенности интеллектуальных систем

Большинство изобретений человека имеет аналогии в природе. При этом оказывается, что основные идеи этих изобретений реализованы в природе более ком­пактно, миниатюрно, надежно и совершенно. Многие исследования обнаружили общность этапов развития техники и природы и привели к выводу о целесообраз­ности использования в технике аналогов живой приро­ды. Этот вывод имеет особое значение в работах по соз­данию технических систем с ИИ. Для того, чтобы уста­новить аналогии между живым интеллектом и техниче­ской системой с ИИ, можно провести некоторое описа­ние структурных и функциональных особенностей жи­вых или естественных интеллектуальных систем.

Прежде  всего требует определения  понятие "система". В самом широком смысле можно определить, что система - это совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур или процессов, объединенных в целое выполнением некото­рой общей функции, несводимой к функциям ее компо­нентов. Признаки системы: она взаимодействует со сре­дой и другими системами как единое целое, состоит из иерархии подсистем более низких уровней, является подсистемой для систем более высокого уровня, сохра­няет общую структуру взаимодействия элементов при изменении внешних условий и внутреннего состояния.

Естественные системы различаются по своей сложности и уровню организации. Понятие об организа­ции системы предполагает определенное согласование состояний и деятельности ее подсистем и составляющих элементов. Это согласование достигается передачей сиг­налов (сообщений) по внутрисистемным связям, а для поддержания высокого уровня организованности необ­ходимо постоянное общение с окружающим миром. Еще более необходима передача сообщений по внутрисистем­ным и межсистемным связям для формирования и вы­дачи командных сигналов при осуществлении актов управления.

Основным свойством естественных ИС является их способность к адаптации при изменении условий функ­ционирования. Способность к адаптации путем самоор­ганизации основывается как на множественности эле­ментов системы и разветвленности связей между ними, способствующих возникновению целостности, так и на наличии гибкого взаимодействия между элементами по типу обратных связей. Существенным признаком само­организации является обособление интеллектуальных систем от окружающей среды.

Функциональной особенностью обособленной ИС является активное взаимодействие ее со средой. Особен­ности ее структурной организации определяют направ­ление и объем процессов взаимодействия системы со средой. Наличие чрезвычайно разнообразных обратных связей на всех уровнях влияет на интенсивность процес­сов взаимодействия. Отрицательные обратные связи обеспечивают стабильность функций системы, постоян­ство ее параметров, устойчивость к внешним воздейст­виям, Положительные обратные связи играют роль уси­лителей процессов и имеют особое значение для разви­тия, накопления изменений. Наличие отрицательных и положительных обратных связей приводит к возможно­сти развития по некоторому закону (программе) с ис­пользованием внешних ресурсов.

Сложная динамическая (устойчиво неравновесная) организация целенаправленной функционирующей сис­темы требует непрерывного управления, без которого сис­тема не может существовать. Особенность этого управле­ния состоит в том, что оно служит причиной ряда процес­сов в самой системе и прежде всего процессов внутренне­го саморегулирования по законам организации системы.

Основными функциями самоорганизующейся системы являются функции информационного обеспечения (ФИО), материального и энергетического обеспечения (ФМЭО), перемещения (ФП) и адаптации (ФА). С точки зрения реализации НИ наибольший интерес представля­ет ФИО, которая является всеобъемлющей. Информация необходима для контроля внутреннего состояния систе­мы, распознавания ситуаций, решения задачи обеспече­ния функционирования, выявления закономерностей и обучения. Для последующего использования получаемая информация должна разделяться и откладываться в со­ответствующие системы памяти (оперативные и долго­временные).

Функцию информационного обеспечения реализуют органы контроля окружающей среды, навигации и ана­лиза объектов. Обработка сигналов этих органов инфор­мации осуществляется особым управляющим узлом (УУ) (устройством), в котором производится анализ получен­ных данных, их обработка и обобщение, оценка ситуа­ции и принятие решения. Одновременно ведется обога­щение памяти, накопление опыта, обучение и отработка логических методов обработки информации.

2. Информационно-управляющая деятельность интеллектуальных систем

Информационно-управляющая деятельность интел­лектуальных систем является определяющей и подчиня­ет себе все ее функции. Эта деятельность, осуществляе­мая особым управляющим узлом, обеспечивает адекват­ное реагирование системы на меняющиеся условия и воздействия внешней среды в процессе достижения це­лей управления.

Цель - это некий будущий результат деятельности системы, достигаемый с помощью принципа обратной связи. При этом исходные условия можно интерпрети­ровать как подцели достигаемой цели. Причем в некото­рых случаях цель автоматически достигается при вы­полнении подцелей, а в других случаях для этого тре­буются еще дополнительные усилия (действия) системы, реализуемые управляющим узлом с помощью команд (актов) управления.

Элементарный акт управления состоит в целесооб­разном ответе на данное внешнее воздействие. Элемен­тарный акт управления называют рефлексом. Рефлекс -реакция на возмущение- Более точное толкование реф­лекса включает и обратную связь между результатом ответного действия (результатом реакции) и формирова­нием новых управляющих команд.

Существуют два вида рефлексов - безусловные и условные. Безусловные рефлексы являются врожденны­ми и передаются по наследству. Их отличительной чер­той является автоматическая, стереотипная форма про­явления. Биологическая роль безусловных рефлексов заключается в обеспечении приспособлений организма к строго постоянным условиям.

Условные рефлексы вырабатываются в процессе индивидуального развития организма. Их характеризу­ют основные признаки.

            Приобретаемость. Условные рефлексы вырабаты­ваются у отдельных индивидуумов по мере необходимо­сти, они не являются обязательными для всех организ­мов данного вида.

Изменчивость. Условный рефлекс вырабатывается, если есть в нем необходимость, и угасает (затормажи­вается), если необходимость в нем отпадает.

Сигнальность. Это важнейший признак условного рефлекса, он заключается в "предупредительной" дея­тельности организма.

В жизни сложного организма рефлекс - существен­нейшее нервное явление при помощи которого устанав­ливается постоянное и точное соотношение частей орга­низма между собой и отношение целого организма к ок­ружающим условиям.

Все бесчисленное множество рефлексов можно раз­делить на отдельные группы по тому или другому признаку. Можно выделять группы рефлексов по их биологическому значению, по расположению рецепторов, по характеру ответной реакции, по длительности протека­ния в зависимости от того, какой отдел мозга участвует в их осуществления. В соответствии с характером внеш­него воздействия в организме человека определяют не­сколько уровней рефлекторного управления: элементар­ные безусловные рефлексы, координационные безуслов­ные рефлексы, интегративные безусловные рефлексы, сложнейшие безусловные рефлексы, элементарные ус­ловные рефлексы и сложные формы целенаправленной деятельности. Рассмотрим их подробнее.

Элементарные безусловные рефлексы - это простые ответные реакции. Они вызываются локальным действи­ем контактных раздражителей (воздействий). Роль об­ратных связей, преимущественно отрицательных, в осуществлении и коррекции таких элементарных реф­лексов еще невелика и они реализуются по жестко де­терминированной программе. Отсюда их крайняя сте­пень автоматизма и стереотипности. В понятиях теории автоматического регулирования - это одноконтурные системы первого порядка с преобладанием регулирова­ния по возмущению, регулирование по отклонению вно­сит лишь некоторые коррективы в ответные реакции.

Координационные безусловные рефлексы - его акты согласованной деятельности в некоторых пределах структуры системы. В понятиях теории автоматического регулирования это, по крайней мере, двухконтурная система с комбинированным регулированием как по возмущению, так и по отклонению. Координационные рефлексы дают согласованную реакцию на несколько простых разнородных локальных воздействий.

Интегративные безусловные рефлексы представ­ляют собой синтез координационных рефлексов вместе со структурным обеспечением в комплексные реакции определенного значения. В понятиях теории автомати­ческого регулирования это многоконтурные системы, работающие главным образом на поддержание постоян­ных значений основных регулируемых величин, т.е. системы стабилизации, обеспечивающие уравновешен­ность (устойчивость) системы. Роль интегративных реф­лексов в приспособительной деятельности биологических систем исключительно велика. Она означает переход от локальных реакций системы к ответам как целого обра­зования, что может рассматриваться простейшими ак­тами целесообразного поведения. Интегративные реф­лексы означают переход к качественно новой форме ре­акций на внешние воздействия.

Сложнейшие безусловные рефлексы организуются по некоторым программам из интегратинных рефлексов и составляют некоторые стереотипы действий (поведе­ния). Характерной чертой таких рефлексов является то, что они образуются последовательностью интегративных реакций, при которой завершение предыдущей стиму­лирует начало следующей. Сформировавшееся таким образом поведение определяется как многоконтурное ие­рархическое регулирование высокого порядка, в кото­ром особое значение приобретает состояние системы, на­правляющее стабилизирующую деятельность на уравно­вешивание системы с внешней средой.

Элементарные условные рефлексы состоят в вызы­вании интегративных рефлексов или инстинктивных реакций по сигналам ранее безразличных раздражите­лей, которые приобретают сигнальное значение в ре­зультате индивидуального опыта системы. Принципи­альным отличием условно-рефлекторного уровня управ­ления от всех предыдущих является то, что он не суще­ствует заранее, а образуется индивидуально у каждой системы. Условный рефлекс - ярко выраженная самоор­ганизующаяся система. Специфическая особенность об­ратных связей системы условных рефлексов заключает­ся в том, что они устанавливаются от результатов дейст­вия к сигнальному значению условного раздражителя с положительным знаком - через подкрепление и с отри­цательным знаком - через неподкрепление. Действенность сигнала определяется ступенью вероятности появ­ления вслед за ним безусловного раздражителя. Все это делает условные рефлексы наиболее гибким, самоорга-низующимся и самопрограммирующимся механизмом управления. В понятиях теории автоматического управ­ления это система с самонастройкой программы. В пси­хическом плане элементарные условные рефлексы дают начало ассоциативному способу мышления.

Сложные формы целенаправленной деятельности как уровень управления возникают в результате инте­грации элементарных условных рефлексов и используют аналитика-синтетические механизмы абстрагирования (отвлечения от безусловных подкреплений) сигналов, Это дает возможность более полного и целостного вос­приятия окружающего и более адекватного прогнозиро­вания и программирования поведения. На этом уровне управления основным объектом ответных реакций ста­новится не окружающая среда, а сам управляющий ап­парат (устройство) и выработка новых систем самопро­граммирования часто не проявляется внешними реак­циями. Сложные формы деятельности осуществляются с участием многоярусной системы положительных и от­рицательных обратных связей между механизмами вос­приятия и принятия решения за счет сигналов согласо­вания и рассогласования, сложившихся из прошлого опыта моделей внешнего мира и программ поведения с фактическим состоянием окружающей среды.

В понятиях теория автоматического управления сложные формы деятельности являются наиболее совер­шенными самонастраивающимися системами, которые осуществляют свою оптимизацию путем перестройки организации, т. е. являются самоорганизующимися. Наиболее сложные формы высшей деятельности связаны с синтетическими процессами, на основе которых воз­никают целостные субъективные образы внешнего мира, формируются целенаправленные программы поведения.

Важной особенностью биологических систем явля­ется целенаправленность их функционирования. Если такая система функционирует, то это прежде всего озна­чает, что в ней решается конечное множество задач управления и с определенной точностью обеспечивается достижение целей управления. Под целью управления при этом обычно понимается не просто желаемый результат, а в каком-то смысле оптимальный.

Необходимость достижения той или иной цели в конкретных условиях может быть сформулирована как задача преодоления некоторого противоречия. Управле­ние тесно связано с информационными процессами. Так как акт управления осуществляется воздействием на объект управления, то выбор этого воздействия среди множества возможных происходит на основе информа­ции об их свойствах, а само воздействие обычно имеет характер пускового или задерживающего сигнала. Спо­собность системы к саморегуляции, обеспечивающей адаптивное целесообразное управление, определяется действием обратных связей.

3. Принципы организации и функционирования интеллектуальных систем

Изучение ИС позволяет сделать попытку сформулировать общие принципы, которые, не являясь доста­точными, отражают необходимые моменты в их органи­зации и функционировании.

1.      Принцип системности.

ИС могут быть только сложными системами, функции всех их элементов должны быть согласованы с назначением системы и их местом в них, а также между собой. Именно взаимная согласованность и взаимозависимость элементов системы обеспечивает целостность и функциональную полноту наиболее совершенных ИС. Это может также приводить к структурной или функциональной избыточности.

2.      Принцип иерархичности.

Сложная иерархиче­ская многоуровневая структура является основой для одновременного протекания множества процессов. Уровень неординарности итогового процесса зависит от ха­рактера совокупности составляющих процессов. Слож­ная совокупность процессов принципиально характери­зуется и сложной структурой. Таким образом, в некото­ром роде уровень сложности системы и ее структуры оп­ределяет и потенциальный уровень ее интеллекта.

3.      Принцип многоканальности.

Получение согласо­ванных с обстоятельствами и средой решений различ­ных задач основывается на информации, получаемой извне по многим каналам и работающим на различных физических принципах, что позволяет иметь разнород­ную характеристику специальных свойств объектов сре­ды. Комплексирование информационных данных позво­ляет иметь более объективную и более полную картину о происходящих процессах. Разнородная информация, по­лучаемая по разным каналам, обрабатывается примерно за одинаковое минимально возможное время. Нагляд­ность этого принципа характеризует следующий факт. Человек способен решать различного рода опознаватель­ные задачи за доли секунды, а зрительная система чело­века несомненно работает как параллельное устройство, Параллельная обработка как зрительной информации, так и поступающей в мозг человека от других органов чувств, дозволяет реализовать инвариантное опознава­ние объектов.

4.      Принцип адаптивности.

Принцип адаптивности предполагает наличие у ИС потенциальных возможно­стей улучшения работы: в условиях априорной и текущей неопределенности на основе обучения на опыте. Особая роль при этом принадлежит элементам системы- реализующим память. Адаптация может происходить путем самонастройки, самообучения или самоорганиза­ции. Адаптивные способности могут определяться объе­мом информации (памятью) системы и потребными за­тратами времени на ее обработку.

5.      Принцип взаимности функциональных и структурных свойств.

Естественно, что назначение системы, ее функции непосредственно влияют на структуру сис­темы. Однако и структура системы должна способство­вать наиболее полной реализации функций.

6.      Принцип эквифивальности.

Этот принцип пред­полагает наличие у системы множества взаимосогласо­ванных последовательностей реакций на определенные внешние воздействия, приводящих к одному и тому же практически полезному результату.

7.      Принцип динамического самопрограммирования.

Самая замечательная особенность нервного управления, наиболее ярко выраженная в целеустремленном творче­ском разуме человека, заключается в способности на ос­новании разнообразного анализа ситуаций мгновенно создавать сложнейшие и вместе с тем оптимальные про­граммы деятельности, которые непрерывно перестраи­ваются и корректируются с учетом прошлых событий, текущей действительности и прогнозирования будущего. Уже образование элементарного условного рефлекса представляет собой выработку новой программы поведе­ния. Усложнение условных рефлексов означает все более высокую самоорганизацию поведенческих программ. В кибернетическом смысле основная функция высшей нервной деятельности состоит в динамическом поведении самопрограммирования.

4. Интеллектуальные системы управления с искусственным интеллектом для комплексов

Всевозможные сложные научно-технические и про­изводственные устройства и установки, автоматические или функционирующие путем взаимодействия с челове­ком (автоматизированные), предназначенные для реше­ния специальных задач, будем называть техническими комплексами (ТК).

Целенаправленное функционирование любого ТК предполагает некоторое управление им. Основным зве­ном системы управления (СУ) большинства современных ТК в настоящее время является человек, так как за ним остается право принятия решений. Научно-технический прогресс, все более усложняя ТК и расширяя перечень решаемых ими задач, выдвинул на передний план та­кие потребные возможности, для выполнения которых превышаются естественные возможности человека. Ис­тория развития техники показывает, что прогресс в ука­занных условиях можно обеспечить на пути повышения степени автоматизации ТК, т.е. при условии переложе­ния части (или вcex) функций с человека на технику. Только таким образом можно исключить несоответствие между потребными и располагаемыми человеком воз­можностями. Однако при этом возникают принципиаль­ные трудности, связанные с необходимостью автомати­зации интеллектуальных функций человека, условия реализации которых являются в значительной степени неопределенными, неполными и противоречивыми, быстроизменяющимися. Отсюда следует, что дальнейший прогресс в развитии техники ставит вопрос об использо­вании ИИ в сложных ТК, т.е. рассмотрении вопроса о создании ИСУ для ТК.

Использование ИСУ в ТК связано также еще с од­ним чрезвычайно важным обстоятельством. На основе ИИ возможно создание обучаемых СУ, которые позволят наиболее полно использовать потенциальные возможно­сти ТК и нивелировать индивидуальные особенности операторов. Акцент на обучении СУ позволит накапли­вать необходимый опыт, исключать повторение неблаго­приятных ситуаций и решений, исключать влияние ин­дивидуальных особенностей операторов на конечный ре­зультат функционирования ТК. Главным условием peaлизации таких систем является их способность автома­тически приобретать (извлекать), улучшать и расширять запас знаний.

ТК с ИИ - это сложные системы, в основе функ­ционирования которых лежит использование свойств особого управляющего устройства, способного распозна­вать объекты и оценивать обстановку, обучаться, фор­мировать цели и планировать последовательность дейст­вий по достижению поставленных целей. ТК с ИИ будут системами с очень высоким уровнем автоматизации и способностью выполнять сложные функции. Однако ис­пользование ИИ в ТК не устраняет человека из контура управления системы. Меняется лишь положение чело­века в контуре управления. При любом уровне совер­шенства ИСУ они только реализуют замысел человека, управленческая деятельность которого переходит на бо­лее высокий интеллектуальный уровень.

5. Общая функциональная структура интеллектуальных систем управления

В общем случае свойства ИСУ должны быть согла­сованы с назначением и характеристиками объектов управления (ОУ), под которыми будем понимать ТК. Исходным моментом такого согласования является фор­мулировка задачи управления. Остановимся на рассмот­рении функциональной структуры ИСУ, полагая, что представление о ТК дают решаемые ими задачи.

Любая интеллектуальная деятельность опирается на знания о предметной области, в которой ставятся и решаются задачи. Предметной (или проблемной) обла­стью обычно называют совокупность взаимосвязанных сведений, необходимых для решения данной задачи или определенной совокупности задач. Знания о предметной области включают описания объектов, явлений, фактов, а также отношений между ними и составляют базу зна­ний (Б3) и базу данных (БД). БЗ содержит сведения, от­ражающие закономерности данной предметной области и позволяющие прогнозировать и выводить новые фак­ты. не отраженные в ней. БД содержит информацию, имеющую локальный или текущий характер, являю­щуюся вспомогательной. Иногда БЗ и БД рассматрива­ются как подсистемы интеллектуального банка данных. При этом в него еще включают блок обучения, состоя­щий из блока распознавания ситуаций (образов) (БРО) и блока формирования понятий (БФП). Однако БЗ была бы не полной, если бы не содержала знания о целях функционирования системы {Ф1,...,Фп}.

ИСУ должна осуществлять информационное мо­делирование процесса достижения цели Ф^, что невоз­можно без построения модели обстановки.

На основе вышеизложенного можно представить функциональную структуру ИСУ в виде, приведенном на рис.1