СИСТЕМЫ ИСКУСТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

Конспект лекций 2008 - 2009 учебный год

кандидат технических наук, доцент РОМАНОВ О.Т.

Глава 1. Основные концепции искусственного интеллекта 1

1.1. Основные понятия и структура исследований в области искусственного интеллекта 1

1.2. Способы представления знаний 6

1.2.1. Определение понятия знание 6

1.2.2. Продукционные модели 14

1.2.3. Семантические сети 19

1.2.4. Фреймовые модели 23

1.2.5. Исчисление предикатов 30

1.2.6. Применение теории нечетких множеств при формализации знаний 33

Глава 2. Механизмы вывода в интеллектуальной системе 38

2.1. Стратегия управления и механизм вывода в СИИ 38

2.2. Общие методы поиска решений в пространстве состояний 42

2.3. Дедуктивные методы поиска решений 48

Глава 3. Место и роль интеллектуальных систем в автоматизированном проектировании 65

3.1. Процесс проектирования как поиск решений 65

3.2. Структура и принципы функционирования интеллектуальной САПР 69

3.3. Интеллектуальные системы в САПР 74

3.4. Инструментальная экспертная система ПРОТЕЙ для задач проектирования и диагностики 84

3.5. Экспертная оболочка ЭКСПРЭС для построения экспертных консультирующих систем в САПР 87

3.6. Экспертные системы в управлении производством на основе имитационного моделирования 90

Глава 1. Основные концепции искусственного интеллекта

1.1. Основные понятия и структура исследований в области искусственного интеллекта

В настоящее время тематика искусственного интеллекта охватывает огромный перечень научных направлений, начиная с таких задач общего характера, как обучение и восприятие, и заканчивая такими специальными задачами, как игра в шахматы, доказательство математических теорем, сочинение поэтических произведений и диагностика заболеваний. В искусственном интеллекте систематизируются и автоматизируются интеллектуальные задачи и, поэтому эта область касается любой сферы интеллектуальной деятельности человека. В этом смысле искусственный интеллект является поистине универсальной научной областью.

Но что такое искусственный интеллект? В настоящее время существует несколько определений этого понятия. Их можно классифицировать по двум основным категориям.

К первой категории относятся определения, касающиеся возможностей искусственного интеллекта воспроизводить мыслительные способности и способы рассуждений человека, то есть:

1) это системы, которые думают подобно людям:

- «новое захватывающее направление работ по созданию компьютеров, способных думать, .машин, обладающих разумом, в полном и буквальном смысле этого слова»;

«автоматизация действий, которые мы ассоциируем с человеческим мышлением, т.е. таких действий, как принятие решений, решение задач, обучение и т.п.);

2) это системы, которые думают рационально:

- «изучение умственных способностей с помощью вычислительных моделей»;

- «изучение таких вычислений, которые позволяют чувствовать, рассуждать и действовать».

Ко второй категории относятся определения, касающиеся поведения, то есть:

1)это системы, которые действуют подобно людям: «искусство создания машин, которые выполняют функции, требующие интеллектуальности при их выполнении людьми»;

- «наука о том, как научить компьютеры делать то, в чем люди в настоящее время их превосходят»;

2) это системы, которые действуют рационально:

- «вычислительный интеллект - это наука о проектировании интеллектуальных агентов, т.е. некоторых объектов, которые получают результаты актов восприятия из своей среды и выполняют действия, причем каждый такой агент реализует функцию, которая отображает последовательность актов восприятия в действия»;

- «искусственный интеллект. - это наука, посвященная изучению интеллектуального поведения артефактов — искусственных объектов».

Другими словами искусственный интеллект это:

1. научное направление, в рамках которого ставятся и решаются задачи аппаратного или программного моделирования тех видов человеческой деятельности, которые традиционно считаются интеллектуальными;

2. свойство интеллектуальных систем выполнять творческие функции, которые традиционно считаются прерогативой человека.

Можно выделить два направления исследований по искусственному интеллекту:

• первое, программно-прагматическое, занимается созданием программ, с помощью которых можно решать те задачи, решение которых до этого считалось исключительно прерогативой человека (распознающие программы, игровые программы, программы для решения логических задач, задач поиска и т.д.).

• второе, так называемое бионическое, связано с проблемами искусственного воспроизведения тех структур и процессов, которые характерны для живого человеческого мозга и которые лежат в основе процесса решения задач человеком. Это направление имеет четко выраженный фундаментальный характер и его развитие невозможно без одновременного, глубокого изучения мозга нейрофизиологическими, морфологическими и психологическими методами.

В программно-прагматическом направлении можно выделить три подхода:

• первый подход основан на точке зрения, что для каждой задачи, присущей творческой деятельности человека, можно найти способ ее решения на ЭВМ, который, будучи реализован в виде программы, дает результат либо подобный результату, полученному человеком, либо даже лучше;

• второй подход, основанный на знаниях, связан с представлением о том, что решение отдельных творческих задач не исчерпывает всей проблематики искусственного интеллекта. Поэтому программы искусственного интеллекта должны быть ориентированы не только и не столько на решение конкретных интеллектуальных задач, сколько на создание средств, позволяющих автоматически строить программы решения интеллектуальных задач, когда в таких программах возникает необходимость. Этот подход в настоящее время является центральным в программно- прагматическом направлении;

• третий подход рассматривает проблемы создания интеллектуальных систем как часть общей теории программирования (как новый виток развития этой теории). При этом подходе для составления интеллектуальных программ используются программные средства, позволяющие писать нужные программы по описаниям задач на профессиональном естественном языке.

С точки зрения конечного результата в программно-прагматическом направлении выделяют следующие четыре больших раздела:

- интеллектуальные программы (программы решения интеллектуальных задач);

• работа со знаниями (теория и программы);

• интеллектуальное программирование (теория и сервисные интеллектуальные программы);

• интеллектуальные программные системы;

К интеллектуальным программам относят: игровые программы (человеческие и компьютерные игры), естественно-языковые программы, осуществляющие автоматический машинный перевод текстов, реферирование текста, его генерация (синтез) из набора фрагментов; распознающие программы; программы доказательства теорем и пр.

Работа со знаниями лежит в основе современного периода развития искусственного интеллекта. Здесь можно выделить следующие пять разделов:

1. Извлечение знаний из различных источников. Этот раздел включает два подраздела:

• формализация качественных знаний. Это подраздел связан с созданием методов перехода от знаний, выраженных в текстовой форме, к их аналогам, пригодным для хранения и обработки в памяти ЭВМ.

• интеграция знаний. Этот подраздел связан с необходимостью объединения, интеграции знаний в некоторую взаимосвязанную и непротиворечивую систему знаний о предметной области

2. Приобретение знаний от профессионалов. Этот раздел охватывает вопросы получения знаний от профессионалов-экспертов, оценку и формализацию этих знаний, их согласование

3. Представление знаний. Этот раздел включает два подраздела:

- разработка моделей представления знаний. В настоящее время в интеллектуальных системах используют пять основных моделей знаний: семантические сети, фреймы, логические системы, продукции, нейронные сети;

- разработка систем представления знаний, включающих совокупность процедур, необходимых для записи знаний, извлечения их из памяти, поддержки хранения знаний в рабочем состоянии.

4. Манипулирование знаниями. Здесь можно выделить подразделы:

- пополнение знаний;

• классификация и обобщение знаний;

• вывод на знаниях;

• рассуждения с помощью знаний.

5. Объяснение на знаниях. В этом разделе разрабатываются методы и средства формирования для пользователя необходимых объяснений в решении системой задачи, если он усомнится в правильности полученного результата.

В основе интеллектуального программирования лежат вопросы создания инструментария, ориентированного на поддержку разработки интеллектуальных программ и систем. В этом разделе выделяют следующие подразделы:

- автоматизированный синтез программ (дедуктивные и индуктивные методы, методы трансформации и др.). При этом предполагается, что пользователь ЭВМ не должен разрабатывать алгоритм и программу решения интересующей его задачи. От него требуется лишь умение сформулировать условия задачи, представив их в виде спецификации, т.е. описания ее назначения или действия. Возможная структура такой интеллектуальной системы программирования имеет вид, представленный на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема интеллектуальной системы программирования

• инструментальные системы («пустые» системы и оболочки);

• системы когнитивной графики, реализующие идею современного представления о мышлении как о синтезе визуальных и символьных представлений о внешнем мире.

Все виды интеллектуальных программных систем представляют собой практических выход программно-прагматического направления и предназначены для решения прикладных задач. К таким системам относят: - экспертные системы для широких кругов пользователей и для специалистов;

• интеллектуальные и информационные системы;

• расчетно-логические системы;

• интеллектуальные системы автоматизированного управления;

• интеллектуальные системы проектирования и научных исследований;

• интеллектуальные роботы;

• обучающие системы (системы школьного и вузовского образования, интеллектуальные тренажеры, консультирующие системы).

Схема общей структуры системы с искусственным интеллектом (СИИ) изображена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема общей структуры системы с искусственным интеллектом

Для установления соответствия между конкретными функциональными структурами основных типов интеллектуальных систем и типовой схемы рассмотрим таблицу 3.1. В ней для каждого вида интеллектуальной системы показано, какие блоки в этот вид обязательно входят, это знак + , какие не входят, это знак - , и какие могут входить или не входить в зависимости от характера решаемых задач и степени технического совершенства системы - знак 0.

Таблица 3.1

Вид интеллектуальной системы	Номер блока
	1	2	3	4	5	6	7	8		9	10		11, 12	13
1. экспертная	+	0	-	-	-	+	+	+		0	0		+	0
2. информационная	+	0	-	-	-	+	+	+		-	-		-	-
3. расчетно-логическая	+	-	-	-	-	+	+	+	0		+	-		+
4. управления, проектирования и научных исследований	+	-	0	-	-	+	+	+	-		+	0		+
5. обучающая	+	0	-	-	-	+	+	+	+		+	+		-
6. роботы	+	+	+	+	+	+	+	+	0		+	0		0