Области применения искусственного интеллекта

Тема ИИ рассматривается под разными углами в творчестве Роберта Хайнлайна: гипотеза возникновения самоосознания ИИ при усложнении структуры далее определённого критического уровня и наличии взаимодействия с окружающим миром и другими носителями разума («The Moon Is a Harsh Mistress», «Time Enough For Love», персонажи Майкрофт, Дора и Ая в цикле «История будущего»), проблемы развитии ИИ после гипотетического самоосознания и некоторые социально-этические вопросы («Friday»). Социально-психологические проблемы взаимодействия человека с ИИ рассматривает и роман Филипа К. Дика «Снятся ли андроидам электроовцы?», известный также по экранизации «Бегущий по лезвию».

В творчестве фантаста и философа Станислава Лема описано и во многом предвосхищено создание виртуальной реальности, искусственного интеллекта, нанороботов и многих других проблем философии искусственного интеллекта. Особенно стоит отметить футурологию Сумма технологии. Кроме того, в приключениях Ийона Тихого неоднократно описываются взаимоотношения живых существ и машин: бунт бортового компьютера с последующими неожиданными событиями (11 путешествие), адаптация роботов в человеческом обществе («Стиральная трагедия» из «Воспоминаний Ийона Тихого»), построение абсолютного порядка на планете путём переработки живых жителей (24-ое путешествие), изобретения Коркорана и Диагора («Воспоминания Ийона Тихого»), психиатрическая клиника для роботов («Воспоминания Ийона Тихого»). Кроме того, существует целый цикл повестей и рассказов Кибериада, где почти всеми персонажами являются роботы, которые являются далёкими потомками роботов, сбежавших от людей (людей они именуют бледнотиками и считают их мифическими существами).

Начиная практически с 60-х годов вместе с написанием фантастических рассказов и повестей, снимаются фильмы об искусственном интеллекте. Многие повести авторов, признанных во всём мире, экранизируются и становятся классикой жанра, другие становятся вехой в развитии кинофантастики, например Терминатор и Матрица.

2 Область применения искусственного интеллекта

С того момента, как искусственный интеллект был признан научным направлением, а это произошло в середине 50-х годов прошлого века, разработчикам интеллектуальных систем пришлось решать множество задач. Условно все задачи можно разделить на несколько классов: восприятие и распознавание образов, математика и автоматическое доказательство теорем, игры, понимание естественного языка, машинное творчество, интеллектуальные интерфейсы, интеллектуальные роботы, обучение и самообучение, выявление и представление знаний экспертов в экспертных системах.

2.1 Восприятие и распознавание образов

Распознавание образов представляет собой выделение существенных признаков, характеризующих исходные данные, из общей совокупности признаков, и на основании полученной информации отнесение данных к определённому классу.

Теория распознавания образов – это раздел информатики, в задачи которого входит развитие основ и методов идентификации и классификации объектов (предметов, процессов, явлений, ситуаций, сигналов и т. д.), каждый из которых наделён совокупностью некоторых признаков и свойств. На практике идентифицировать объекты приходится довольно часто. Характерная ситуация – распознавание цвета светофора и принятие решения о том, следует ли в данный момент переходить улицу. Существуют и другие области, в которых нельзя обойтись без распознавания объектов, например, оцифровка аналоговых сигналов, военное дело, системы безопасности и так далее, поэтому на сегодняшний день учёные продолжают активную работу над созданием систем распознавания образов.

Работа ведётся в двух основных направлениях:

1. Исследование, объяснение и моделирование способностей к распознаванию, присущих живым существам.
2. Развитие теоретических и методологических основ создания устройств, которые позволяли бы решать отдельные задачи в прикладных целях.

Постановка задач распознавания осуществляется с использованием математического языка. В то время как теория искусственных нейронных сетей базируется на получении результатов путём экспериментов, постановка задач распознавания образов происходит не на основе эксперимента, а на основе математических доказательств и логических рассуждений.

К методам распознавания образов относятся эксперименты Ф. Розенблатта, который ввёл понятие модели мозга. Задача эксперимента – показать, как возникают психологические явления в физической системе с известными функциональными свойствами и структурой. Учёный описал простейшие эксперименты по распознаванию, однако их особенностью является не детерминированный алгоритм решения.

2.2 Математика и автоматическое доказательство теорем

Автоматическое доказательство теорем является старейшей сферой применения искусственного интеллекта. В этой области было проведено немало исследований, результатом которых стало появление формализованных алгоритмов поиска и языков формальных представлений, таких как PROLOG – логический язык программирования, и исчисление предикатов.

Автоматические доказательства теорем привлекательны тем, что они основываются на общности и строгости логики. Логика в формальной системе предполагает возможность автоматизации, а это значит, что если представить задачу и относящуюся к ней дополнительную информацию в виде совокупности логических аксиом, а частные случаи задачи – как теоремы, требующие доказательства, можно получить решение многих проблем. Системы математических обоснований и автоматические доказательства теорем содержат в своей основе именно этот принцип. В прошлые годы делались неоднократные попытка написать программу для автоматических доказательств теорем, однако так и не удалось создать систему, позволяющую решать задачи с использованием единого метода. Любая относительно сложная эвристическая система могла генерировать множество доказуемых теорем, не относящихся к делу, в результате программам приходилось доказывать их до тех пор, пока не обнаруживалась нужная. Из-за этого возникло мнение, что с большими пространствами можно работать только с помощью неформальных стратегий, специально разработанных для конкретных случаев. На практике этот подход оказался достаточно плодотворным и был положен, наряду с другими, в основу экспертных систем.

Вместе с тем, нельзя игнорировать рассуждения, основанные на формальной логике. Формализованный подход позволяет решить многие проблемы. В частности, применяя его, можно управлять сложными системами, проверять корректность компьютерных программ, проектировать и проверять логические цепи. Кроме того, исследователи автоматического доказательства теорем разработали мощные эвристики, в основе которых находится оценка синтаксической формы логических выражений. В результате стало возможным понижать уровень сложности пространства поиска, не прибегая к разработке специальных стратегий.

Автоматическое доказательство теорем вызывает интерес учёных и по той причине, что для особо сложных проблем также можно использовать систему, хотя и не без вмешательства человека. В настоящее время программы часто выступают в роли помощников. Специалисты разбивают задачу на несколько подзадач, затем продумываются эвристики для перебора возможных оснований. Далее программа доказывает леммы, проверяет менее существенные предположения и осуществляет дополнения к формальным аспектам доказательств, очерченных человеком.

2.3 Игры

Игровой искусственный интеллект включает в себя не только методы традиционного ИИ, но также и алгоритмы информатики в целом, компьютерной графики, робототехники и теории управления. От того, как именно реализован ИИ, зависят не только системные требования, но и бюджет игры, поэтому разработчикам приходится балансировать, стараясь, чтобы игровой искусственный интеллект был создан с минимальными затратами, и чтобы при этом он был интересным и нетребовательным к ресурсам. Здесь используется совершенно иной подход, чем в случае с традиционным искусственным интеллектом. В частности, широко применяются эмуляции, обманы и различные упрощения.

Внутри компьютерной игры существует множество областей, в которых используется широкое многообразие эвристических алгоритмов искусственного игрового интеллекта. Наиболее широко игровой ИИ применяется как один из способов контроля неигровых персонажей. Другим, не менее распространённым способом контроля, является скриптинг. Ещё одно очевидное применение игрового ИИ, особенно в стратегиях реального времени, – поиск пути, или метод, позволяющий определить, как неигровой персонаж может попасть из одной точки на карте в другую. При этом нужно учитывать препятствия, ландшафт и возможный «туман войны.

По мнению пуристов, выражение «игровой искусственный интеллект» не имеет права на существование, так как является преувеличением. В качестве главного аргумента они выдвигают то, что в игровом ИИ используются лишь некоторые направления науки о классическом искусственном интеллекте. Следует принять во внимание и то, что целями ИИ является создание самообучающихся систем и даже создание искусственного интеллекта, способного рассуждать, в то время как часто ограничивается эвристикой и набором из нескольких эмпирических правил, которых бывает достаточно для создания хорошего геймплея и предоставления игроку ярких впечатлений и ощущений от игры.

В настоящее время разработчики компьютерных игр проявляют интерес к академическому ИИ, а академическое сообщество, в свою очередь, начинает интересоваться компьютерными играми. В связи с этим возникает вопрос, в какой степени игровой и классический ИИ различаются между собой. Вместе с тем, игровой искусственный интеллект всё ещё рассматривается как одна из под-отраслей классического. Это обусловлено тем, что искусственный интеллект имеет различные прикладные области, отличающиеся друг от друга. Если говорить об игровом интеллекте, важным отличием здесь является возможность обмана с целью решения некоторых задач «законными» способами. С одной стороны, недостаток обмана в том, что зачастую он приводит к нереалистичному поведению персонажа и по этой причине не всегда может быть использован. С другой стороны, сама возможность такого обмана служит важным отличием игрового ИИ.

Ещё одной интересной задачей искусственного интеллекта является обучение компьютера игре в шахматы. Её решением занимались учёные всего мира. Особенность данной задачи в том, что демонстрация логических способностей компьютера возможна только при наличии реального противника. Впервые такая демонстрация состоялась в 1974 году, в Стокгольме, где прошёл чемпионат мира по шахматам среди шахматных программ. В данном соревновании победила программа «Каисса, созданная советскими учёными из Института проблем управления академии наук СССР, расположенного в Москве.

2.4 Понимание естественного языка

Началом работ по машинному переводу следует считать 1954 год, когда в США с помощью ЭВМ было переведено шестьдесят фраз. Этот известный "Джорджтаунский эксперимент" произвел неизгладимое впечатление на специалистов. Тогда казалось, что достаточно создать большие хранилища словарей для перевода с одного языка на другой, разработать правила перевода - и проблема будет решена. Когда выяснилось, что проблема не так проста, был создан язык-посредник, облегчающий сопоставление фраз на разных языках. Во второй половине семидесятых годов этот язык-посредник превратился в семантическую модель представления смысла переводимых текстов. Таким образом, достижения в области машинного перевода оказались очень полезными для ИИ, так как они показали, что анализ естественно-языковых конструкций невозможен без создания семантической модели, в которой интерпретируется смысл слов. Создание семантической модели привело к пониманию необходимости создания языка для внутреннего представления знаний. И, наконец, важным достижением явилось понимание того, что анализ текстов на естественном языке (ЕЯ) состоит из четырех основных этапов: морфологический анализ, синтаксический анализ, семантический анализ, прагматический анализ.

Задача разбора предложения на естественном языке даже с ограниченным словарем в сотню слов является типичной задачей ИИ. Для достаточно формальных предметных областей и конкретных наборов предметов, обладающих однозначными, недвусмысленными характеристиками и названиями, такая система была создана Т. Виноградом в 1971 году. Его знаменитая программа SHRDLU [ 1.11 ] работает в абстрактном мире, состоящем из разноцветных кубиков и пирамид. В этом мире функционирует "однорукий" робот Робби, способный общаться с человеком на естественном (английском) языке и совершать манипуляции с объектами этого мира. Этот робот также способен понимать достаточно сложные выражения и самостоятельно планировать свою деятельность и объяснять мотивы тех или иных действий.

Самым интересным здесь является то, что программа не отвечает на заранее заданные типовые фразы. SHRDLU, можно сказать, "понимает", о чем ее спрашивают, и отвечает достаточно разумно. Сам алгоритм Винограда настолько элегантен, что занимает всего несколько сотен строк кода на языке LISP, любимом языке разработчиков ИИ.

Надо отметить, что даже для английского языка, который служит основой для всех современных языков программирования в силу своей лаконичности и достаточно формальной семантики, до сего дня не удалось создать более-менее эффективную программную систему, способную адекватно понимать СМЫСЛ фраз из достаточно больших областей знаний, например, нашего обыденного мира.

В разборе и понимании естественного русского языка массу проблем создает сложная падежная система, склонения, времена, отсутствие формального порядка следования членов предложения. Тем не менее российскими учеными созданы эффективные системы разбора фраз ограниченного естественного языка (ОЕЯ).

2.5 Машинное творчество

В 1957 году американские исследователи М. Мэтьюз и Н. Гутман посетили концерт одного малоизвестного пианиста. Концерт им обоим не понравился, и, придя домой, М. Мэтьюз тут же стал писать программу, играющую музыку. Идея Мэтьюза, развиваясь, породила целый класс музыкальных языков программирования, которые вначале назывались MUSIC с номером версии. Язык C-Sound произошел как раз из этих программ. А отделение Стэндфордского института исследований, где работал тогда М. Мэтьюз, выросло в музыкальный исследовательский центр под названием CCRMA.

В 1959 году советский математик Рудольф Зарипов начал "сочинять" одноголосные музыкальные пьесы на машине "Урал". Они назывались "Уральские напевы" и носили характер эксперимента. При их сочинении использовались случайные процессы для различных элементов музыкальной фактуры (форма, ритм, звуковысотность и т. д.). С тех пор появилось очень много программ для алгоритмической композиции. Для различных музыкальных задач было создано специальное программное обеспечение: системы многоканального сведения; системы обработки звука; системы синтеза звука; системы интерактивной композиции; программы алгоритмической композиции и др.