Лекция 1 - ermak.cs.nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/ist2019/Lec_1.pdf ·...

Интеллектуальные системыи технологии

К.т.н., доцент Гаврилов Андрей ВладимировичНГТУ, кафедра вычислительной техники

Email: [email protected]://www.insycom.ru

http://motivnt.ru/laboratory/

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра ВТ

2

Лекция 1.1.Введение


3

Цель курса– Сформировать системное базовое представление, первичные

знания, умения и навыки студентов по основам инженериизнаний и нейроинформатики, как двум направлениямпостроения интеллектуальных систем (технологийискусственного интеллекта).

– Дать общие представления о прикладных системахискусственного интеллекта.

– Дать представление о моделях знаний и методах решениязадач с их использованием.

– Дать представление о методах применения технологий ИИ всистемах управления

– Дать представление о моделях нейронных сетей и ихприменении.

– Дать представление о роли искусственного интеллекта инейроинформатики в развитии информатики в целом, а также, в научно-техническом прогрессе.


4

Основные разделы• Общие понятия о знаниях и данных, оприкладных интеллектуальных системах

• Модели знаний (или методы представлениязнаний

• Языки и технологии программирования дляинтеллектуальных систем

• Нейроинформатика и нейроморфныевычисления

• Интеллектуальные системы с общением на ЕЯ• Интеллектуальные роботы


5

Модули дисциплины (разделылекций)

• Модуль 1 Введение в область ИИ. • Модуль 2. Формализация и моделипредставления знаний в ИС.

• Модуль 3. Экспертные системы. • Модуль 4. Общение с компьютером наестественном языке

• Модуль 5. Обучаемыеинтеллектуальные системы


6

Темы лабораторных работ

1. Освоение оболочки SWI-Prolog. Разработка простой программы наязыке Пролог.

2. Программирование обработки спискови рекурсии в языке Пролог.

3. Разработка простой экспертнойсистемы в среде ESWin.

4. Нейронные сети


7

Основная литература(есть в библиотеке НГТУ)

• Смолин Д. В. Введение в искусственный интеллект : конспект лекций / Д. В. Смолин. - М., 2007.

• Рассел С. Искусственный интеллект. Современный подход / Стюарт Рассел, Питер Норвинг ; [пер. с англ. и ред. К. А. Птицына]. - М. [и др.], 2007.

• Сташевский П. С. Искусственный интеллект [Электронный ресурс] : электронный учебно-методический комплекс / П. С. Сташевский, И. Н. Яковина ; Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, [2013]. - Режим доступа: http://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vtls000196576.

• Ясницкий Л. Н. Введение в искусственный интеллект : [учебное пособие длявузов по математическим направлениям и специальностям] / Л. Н. Ясницкий. - М., 2010.

• Интеллектуальные роботы : [учебное пособие по направлению 220400.65 "Мехатроника и робототехника"] / [И. А. Каляев и др.] под общ. ред. Е. И. Юревича.

• Швайкова И. Н. Системы искусственного интеллекта [Электронный ресурс] : электронный учебно-методический комплекс / И. Н. Швайкова ; Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, [2011]. - Режим доступа: http://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vtls000156351.

• Авдеенко Т. В. Введение в искусственный интеллект и логическоепрограммирование : учебное пособие / Т. В. Авдеенко ; Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2007. - 62, [2] с. : ил.. - Режим доступа: http://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vtls000068970

•


8

Дополнительная литература(есть в библиотеке НГТУ)

• Гаврилов А. В. Системы искусственного интеллекта. Ч. 1 : учебноепособие для 4-5 курсов АВТФ / А. В. Гаврилов ; Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2000. - 48 с. : ил.. - Режим доступа: http://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vtls000022937 (Эл. версия)

• Авдеенко Т. В. Лекция 2. Интеллектуальные информационныесистемы [Электронный ресурс] : конспект лекций / Т. В. Авдеенко ; Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, [2013]. - Режим доступа: http://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vtls000183742

• Системы искусственного интеллекта : методические указания длязаочной формы обучения АВТФ / Новосиб. гос. техн. ун-т ; [сост.: А. В. Гаврилов]. - Новосибирск, 2004. - 73 с. : ил.. - Режим доступа: http://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vtls000042311 (Эл. версия)

• Интеллектуальные системы и основы теории интеллектуальногоуправления : методические указания к лабораторным работам дляМТФ по направлению подготовки "Автоматизация технологическихпроцессов и производств" / Новосиб. гос. техн. ун-т ; [сост. А. В. Гаврилов]. - Новосибирск, 2012. - 29, [1] с. : ил., табл.. - Режимдоступа: http://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vtls000176779


9

Основная литература(нет в библиотеке НГТУ)

1. А.Б. Барский. Нейронные сети: распознавание, управление, принятие решений. – М.: Финансы и статистика, 2004.

2. И.А.Бессмертный. Искусственный интеллект – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. (Эл. версия)3. М.Б. Бровкова. Системы искусственного интеллекта в машиностроении: Учеб.

пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004.4. А.В.Гаврилов, Ю.В.Новицкая. Основы программирования на Турбо-Прологе. -

Новосибирск, НГТУ, 1993.5. Т.А.Гаврилова, В.Ф.Хорошевский. Базы знаний интеллектуальных систем. - С.-

Петербург: "Питер", 2000.6. Ю.В.Новицкая. Основы логического и функционального программирования.

Новосибирск, НГТУ, 2004. (Эл. версия) 7. П.Джексон. Введение в экспертные системы. - М.: "Вильямс", 2001. (Эл. версия)8. Интеллектуальные роботы.Уч. пособие / И. А. Каляев [и др.]; под ред. Е. И. Юревича. -

М. : Машиностроение, 2007.9. Дж.Ф.Люгер. Искусственный интеллект. – М.: Вильямс, 2003. 10. Э.В.Попов. Общение с ЭВМ на естественном языке. – М.: УРСС, 2004. (Эл. версия)11. Системы искусственного интеллекта. Практический курс. / В.А. Чулюков и др., М:

БИНОМ, ФИЗМАТЛИТ, 2008.12. Сырецкий Г.А. Информатика. Часть III. Основы логического программирования на PDC

Prolog. —Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1994. 13. В.Н.Ручкин, В.А.Фулин. Универсальный искусственный интеллект и экспертные

системы. – «БХВ-Петербург», 2009.


10

Дополнительная литература (нет в библиотеке НГТУ)1. Адаменко А.Н., Кучуков А.М. Логическое программирование и Visual Prolog.— СПб.: БХВ-Петербург,

2003.2. И. Братко. Программирование на языке Пролог для искусственного интеллекта, М.: Мир, 1990. (Эл.

версия) А.В.Гаврилов. Гибридные интеллектуальные системы. – Новосибирск: НГТУ, 2003. (Эл. версия)

3. Гаскаров Д.В. Интеллектуальные информационные системы. Учеб. для вузов. — М.: Высш. шк., 2003.

4. А.А. Ежов, С.А. Шумский. Нейрокомпьютинг и его применение в экономике и бизнесе, М., 1998 (Эл. версия)

5. Искусственный интеллект. Применение в интегрированных производственных системах. Под ред. Э.Кьюсиака. - М.: Машиностроение, 1991.

6. Искусственный интеллект. Справочник в 3-х томах. - М.: Радио и связь, 1990.7. Р. Калан. Основные концепции нейронных сетей. М.: Вильямс, 2001. 8. Е.Ю.Кандрашина, А.В.Литвинцева, Д.А.Поспелов. Представление знаний о времени и

пространстве в интеллектуальных системах. - М.: Наука, 1989.9. В.В.Круглов, В.В.Борисов. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. - М.: Горячая линия -

Телеком, 2001. (Эл. версия)10. Р.Левин, Д.Дранг, Б.Эдельсон. Практическое введение в технологию искусственного интеллекта и

экспертных систем с иллюстрациями на Бейсике. - М.: Финансы и статистика, 1990. (Эл. версия)11. Логический подход к искусственному интеллекту. - М.: Мир, 1990.12. Ж.-Л. Лорьер. Системы искусственного интеллекта. - М: Мир, 1991.13. Н.Г. Малышев, Л.С. Берштейн, А.В. Боженюк. Нечеткие модели для экспертных систем в САПР. -

М.: Энергоатомиздат, 1991.14. Д. Марселлус. Программирование экспертных систем на Турбо-Прологе. - М.: Финансы и

статистика, 1994.15. А.Н.Мелихов, Л.С.Бернштейн, С.Я.Коровин. Ситуационные советующие системы с нечеткой

логикой. - М.: Наука, 1990.16. А.В.Назаров, А.И.Лоскутов. Нейросетевые алгоритмы прогнозирования и оптимизации систем. –

СПб: Наука и техника, 2003.17. В.И.Гостев. Проектирование нечетких регуляторов для систем автоматического управления. –

«БХВ-Петербург», 2011.


11

ИИ• Как продукт• Как наука• Как набор технологий• Как мечта• Подходы к созданию ИИ:• Утилитарный: цель – создание практическиполезных систем, отчасти заменяющихчеловека

• Научный: цель – создание как можно болеесовершенной модели человеческого разума


12

1.КорпоративныеинформационныесистемыERP- и CRM-системы

1.1 Учет1..2. Планирование1.3. Прогноз1.4. Анализ данных1.5.Диагностика1.6.Оценка1.7.Безопасночть1.8. Управлениезнаниями (хранилищаданных и знаний)1.9.Документо-оборот1.10. Моделированиебизнес-процессов

2.1.Диагностика2.2.Управление2.3.Мониторинг2.4.Безопасность

3.Роботы2.Управлениетехнологическимипроцессами

3.1.Зрение3.2.Распознаваниеречи и ЕЯ3.3.Другиесенсорныеподсистемы3.4.Навигация3.5.Взаимодействиероботов междусобой3.6.Планирование3.7.Диагностика3.8.Синтез речи3.9.Управлениеприводами

4.Советующиесистемы

5.Извлечениеданных изнаний

6.Проектирование

4.1.Идентификация ситуации/ объекта4.2.Диагностика4.3.Прогноз4.4.Мониторинг4.5.Оценка(риска, стоимости ит.п.)

5.1.Анализданных5.2.Анализдокументов5.3.Поиск посмыслу вдокументах5.4.Поиск посмыслу вInternet5.5.Доступ к БДна ЕЯ5.6.Распознавание текста (OCR)5.7.Перевод

0. Инструментарий1.Языки программирования2.Средства для создания экспертныхсистем3.Средства для создания хранилищданных и знаний4.Средства для создания нейронных сетейи включения их в приложения5.Средства для экспериментов

1.С нейронными сетями2.С роботами

7.Игры иобучающиепрограммы

7.1.Стратегии7.2.Имитаторы7.3.Action7.4.Тесты итренажеры7.5.Электронные.учебники7.6. Электронныйсобеседник,виртуальнаяличность

Классификация задач, использующих ИИ

Это - попытка классификации всех задачинформатизации, в которых применяютсяили могут применяться технологии ИИ.0-й раздел - задачи, решаемые не для конечныхпользователей, а для разработчиков интеллектуальныхсистем.Таблица создана на основе анализа существующихна рынке программных продуктов.

6.1.Конфигуриро-Вание6.2. Выбор решения6.3. Оценка проекта


13

Примеры прикладных систем ИИ

− экспертные системы (для диагностики, рекомендацийи т.п.);

− интеллектуальные роботы (сервисные, промышленные, военные);

− системы интеллектуального анализа данных;− системы речевого общения;− системы распознавания и рубрикации текстов;− системы идентификации личности по отпечаткампальцев или по другим визуальным признакам;

− системы машинного перевода;− диалоговые системы на естественном языке;− системы поиска информации по запросу наестественном языке.


14

Почему необходим человеко-подобный ИИ?

• Необходимо создать помощника человека, который понимал бы нас как человек

• Информационные технологии быстроразвиваются и хронически не хватаетквалифицированных специалистов длясоздания новых интеллектуальных систем. Т.о. необходимо создать сомообучаемые исамовоспроизводящиеся системы


15

Что такое ИИ?• ``Автоматизация видов деятельности, которую мы ассоциируем с

человеческим мышлением, таких как принятие решений, решение задач, обучение…'' (Bellman, 1978)

• ``The exciting new effort to make computers think ... machines with minds, in the full and literal sense'' (Haugeland, 1985)

• ``Изучение ментальных способностей через вычислительные модели'' (Charniak and McDermott, 1985)

• ``Искусство создания креативных, машин которые выполняют функции, требующие интеллекта, когда выполняются людьми' (Kurzweil, 1990)

• ``Область исследований, которая пытается объяснить и имитироватьинтеллектуальное поведение в терминах вычислительных процессов'' (Schalkoff, 1990)

• ``Изучение того, как создать компьютеры, способные делать что-то, с чем внастоящий момент человек справляется лучше'' (Rich and Knight, 1991)

• ``Изучение вычислений, которые делают возможным воспринимать, рассуждать и действовать'' (Winston, 1992)

• ``Отрасль компьютерной науки (computer science), которая имеет дело савтоматизацией интеллектуального поведения'' (Luger and Stubblefield, 1993)


16

Возможные видыинтеллектуальных систем

• Система которая думает как человек• Система которая действует как человек• Система которая думает рационально• Система которая действуетрационально


17

Роль информации и ИИ вистории человечества

Информационные революции: 1. Появление речи2. Появление письма3. Книгопечатание4. Электрическая связь (радио, TV, телефон)5. Компьютер6. Internet7. ИИ

1. Знание может напрямую управлять производством (безчеловека)

2. Возможность автоматического появления нового знания3. Умное окружение

8. Интеллектуальные роботы, киборги, и возможностьбессмертия


18

Основные области исследованийи разработок в ИИ

• Алгоритмы решения сложных (интеллектуальных) задач(1950-е годы)

• Представление и обработка формализованных знаний(1960-1970 г). Сейчас – онтологии и распределенныйинтеллект в Интернет

• Искусственные нейронные сети (с 1943г.)• Техническое зрение и распознавание образов (с 1956г.)• Промышленные роботы и заводы-автоматы (с 1960г.)• Artificial General Intelligence (AGI) – универсальный ИИ

(2000 - сейчас)• Интеллектуальные и когнитивные роботы (2000 - сейчас)• Киборги (2000 - сейчас)• Интеллектуальное окружение (2000 - сейчас)• Нейроморфные технологии (2007-сейчас)


19

Тест Тьюринга

• Turing (1950) "Computing machinery and intelligence":

• «Может ли машина думать?" «Способна ли машина к разумномуповедению?"


20

Промышленные роботы


21

Интеллетуальные роботы

• Интеллектуальныйгуманоидный роботAsimo от Honda

• NAO


22

Интеллектуальные роботы

Футбол среди роботов (с 1995 года)Робот QRIO от Sony


23

Андроиды

Таблица степеней свободы робота Repliee Q1

4Торс

9x2Руки

3Шея

1рот

5Глаза

Кол-во степеней свободы


24

Гуманоидные роботы - медсестры

WAKAMARUWAKAMARU

SAYASAYA


25AtlasAtlas

Интеллектуальные роботы для военных применений

Big DogBig Dog

RemusRemus


26

Интеллекту-альная среда(smart environment,ambient intelligence,ubiquitous computing)


27

КиборгиProf. Warwick >>Univ. Reading,UK

Управление оборудованиемсигналами от мозга,Расширение возможностеймозга (например, памяти),Протезы конечностей,управляемые нервами,

В будущем, возможнакиборгизация человечествакак следующий этапэволюции, потенциальноебессмертие личности


28

Философия вокруг ИИ• Место ИИ, роботов, киборгов в развитиицивилизации

• Можно ли «пересадить» сознание в машину ?• Можно ли создать искусственный разум,равный человеческому или превышающийего?

• Если да, то как сложатся отношения междуним и человеком? – Партнерство ?,– Порабощение человека?,– Уничтожение человечества?,– Вымирание человечества ?– Следующий этап эволюции человечества ?


29

Причины создания искусственного разума, не смотря на опасность для человечества:

• Космический взгляд на человечество(космизм). Человечество – песчинка. Человек– промежуточный этап в эволюции жизни.

• Создание ИИ как научная религия. ИИ – бог.• Борьба с трудностями – в природе человека• Экономическая причина. ИИ – стержень

будущей экономики. Причины – старениенаселения, стремление избавиться отфизического труда.

• Военная причина. Вместо солдат – роботы. Быстрая реакция на нападение, исключающаячеловеческий фактор.


30

Технологическая сингулярность• Главный идеолог – Рэй Курзвейл

– www.kurzweilai.net• Безлюдное производство на основе ИИ иавтоматизации, потенциальное изобилие

• Усиление (за счет киборгизации и слияния смашинным окружением) физических иумственных возможностей человека вплоть допоявления бессмертия

• Важная роль нанотехнологий. Сбор информациии усовершенствование (или лечение) человекаизнутри.

• Появление нового разумного существа –трансчеловека (www.transhumanism-russia.ru )


31

Что такое искусственныйинтеллект?

• Искусственный интеллект (ИИ) —область научного знания, объединяющая большое числонаправлений, занимающихсяисследованием принципов изакономерностей мыслительнойдеятельности и моделированием задач, которые традиционно относят кинтеллектуальным.


32

ПРЕДМЕТНАЯ ОБЛАСТЬ ИИ

AbductionAI Abduction andCreativityAI ArchitecturesArt and MusicAutomated ReasoningAutonomous AgentsBayesian LearningBelief RevisionCase-Based ReasoningCausal ReasoningCognitive ModellingCognitive RoboticsCommon-SenseReasoningComputer-AidedLearningConceptual GraphsConfigurationConstraintProgrammingConstraint SatisfactionData Mining andKnowledgeDiscoveryDecision TheoryDeductionDescription LogicsDesign

DiagnosisDiscourse ModellingDistributed AIGame PlayingEvolutionary AlgorithmsGeometric ReasoningInductive LogicProgrammingInformation ExtractionInformation RetrievalIntelligent UserInterfacesKnowledge AcquisitionKnowledge-BasedSystemsKnowledgeRepresentationLogic ProgrammingMachine LearningMachine TranslationMeta-Heuristics for AIModel-BasedReasoningMulti-Agent SystemsNatural LanguageProcessingNeural NetworksNonmonotonicReasoning

OntologiesPerceptionPhilosophica FoundationsPlanningProbabilistic ReasoningQualitative ReasoningReal-Time SystemsReasoning about Actions and ChangeReasoning under UncertaintyReinforcement LearningResource–Bounded ReasoningReuse of KnowledgeRoboticsSatisfiability TestingSchedulingSearchSpatial ReasoningSpeech ProcessingTemporal ReasoningText MiningTheorem ProvingUser ModellingVerification and ValidationVision

Topics of Artificial Intelligence:


33


34

Искусственный интеллект разделяют на дваосновных направления:

• Символьное (логическое, семиотическое, нисходящее) основано на моделировании высокоуровневых процессовмышления человека, на представлении и использованииформализованных знаний - классический ИИ;

• Нейрокибернетическое (нейросетевое, бионическое, восходящее) основано на моделировании структур мозга, состоящих из нейронов (нейронных сетей) –нейроинформатика

• Есть еще:– Гибридное направление в ИИ (гибридныеинтеллектуальные системы),

– Когнитивные системы (обучающиеся понятиям),– Коллективный интеллект (swarm intelligence),– Генетические алгоритмы (эволюционноемоделирование),

– Распознавание образов, – Иммунные системы и т.д.


35

Что такое интеллектуальнаясистема?

• Система, предназначенная длярешения практических задач сиспользованием методовИскусственного Интеллекта

• Виды (реализации) –– Аппаратная– Программная– Аппаратно-программная– Человеко-машинная


36

Интеллектуальная система


37

Связь ИИ с другими направлениями

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

ЭВМ

Промышленныйробот

ИИ

Модельнейрона

Сборочныйробот

ЛИСП

Интел.робот

САУ

Станок с ЧПУГПС

Автоматическийзавод

Пролог

ЭВМ 5-гопоколенияМини-

ЭВМ МП Интернет

Нейронныесети

Fuzzy systemsАвтономныероботы

WEB-2

ЭС

Гуманоидныероботы

Распределенный ИИ

Smartenvironment

ЕЯ


38

Решение сложных интеллектуальных задачЗадача это тип вопроса на который в опыте нет ответа, ноон может быть построен и будет построен.

Вопрос

Проблема Задача Запрос

Цели, продукт

St(t)

⊗

Деятельность D(t)

действие di(t)

Опыт E(t)

Рассуждение DR(t)δ(t)=Q(t)

Код R(t)

Природа вопроса

Ситуация


39

ЗАДАЧА (в классическом ИИ)Представление (работа 1)

Поиск решения (работа 2)

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ВОПРОССОДЕРЖАТЕЛЬНОЕ

ПРЕДСТАВЛЕНИЕФОРМАЛЬНОЕ

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ+

Поисковый образ - система запросов

БАЗА ПРЕЦЕДЕНТОВ

СИСТЕМА ДОСТУПА

РАЗДЕЛЫ И ПОДРАЗДЕЛЫ

КОМБИНАТОРИКА


40

ЗАДАЧА (2) в классическом ИИКОМБИНАТОРИКА

Лабиринтная гипотеза: поиск метода решениязадачи подобен поиску пути в лабиринте

Модельная гипотеза: поиск метода решениязадачи подобен построению «лабиринта» в котором свысокой гарантией найдется путь, раскрывающийметод решения задачи

МОДЕЛЬ ЛАБИРИНТА

ГРАФ

«ПУТЬ»S0

SK

Лекция 1 - ermak.cs.nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/ist2019/Lec_1.pdf ·...

Documents

Transcript of Лекция 1 - ermak.cs.nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/ist2019/Lec_1.pdf ·...