Сферы применения искусственного интеллекта

Искусственный интеллект (ИИ) применяется сегодня во многих прикладных областях. Практически все они, может быть, и не так быстро, как хотелось бы, но неуклонно и непрерывно развиваются. В последние годы современные ИТ-технологии совершили очень резкий скачок вперед, в основном за счет повышения производительности массовых процессоров и стремительного удешевления памяти (как оперативной, так и «жесткой»). Это привело к появлению приложений, в которых воплощены серьезные теоретические наработки ИИ. Условно все задачи можно разделить на несколько классов: распознавание человеческого языка и перевод, автоматические доказательства теорем, создание игровых программ, распознавание изображений и машинное творчество. Рассмотрим кратко сущность каждого класса задач.

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.

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:

Исследование, объяснение и моделирование способностей к распознаванию, присущих живым существам.

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.

Рассмотрим классическую постановку такой задачи. Имеется множество объектов, относительно которых следует провести классификацию. Множество состоит из подмножеств, или классов. Задано: информация, описывающая множество, информация о классах и описание отдельно взятого объекта без указания на его принадлежность к определённому классу. Задача: на основании имеющихся данных определить, к какому классу относится объект.

Если в задачах присутствуют монохромные изображения, они могут быть рассмотрены как функции на плоскости. Функция будет представлять собой формальную запись изображения и в каждой точке выражать определённую характеристику данного изображения - оптическую плотность, прозрачность, яркость и т. д. В таком случае моделью множества изображения будет являться множество функций на плоскости. Постановка задачи распознавания зависит от того, какими должны этапы, следующие за распознаванием.

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.

Наиболее простой эксперимент, на основе которого может быть получена психологически значимая информация о системе, заключается в следующем: персептрону предъявляется последовательность из двух различных стимулов, на каждый из которых он должен реагировать некоторым образом, причём для разных стимулов реакция должна быть различной. Цели такого эксперимента могут быть разными. Перед экспериментатором может стоять задача изучить возможность спонтанного различения системой представленных стимулов без вмешательства извне, или же наоборот, изучить возможность принудительного распознавания. Во втором случае экспериментатор обучает систему классифицировать различные объекты, которых может быть более двух. Опыт с обучением проходит следующим образом: персептрону предъявляют образы, среди которых есть представители всех классов, подлежащих распознаванию. Правильная реакция подкрепляется в соответствии с правилами модификации памяти. После этого экспериментатор предъявляет персептрону контрольный стимул и определяет вероятность получения заданной реакции для образов данного класса. Контрольный стимул может совпадать с одним из объектов, представленных в обучающей последовательности, или отличаться от всех представленных объектов. В зависимости от этого получают следующие результаты:

Если контрольный стимул отличается от всех представленных ранее обучающих стимулов, то кроме чистого различения эксперимент исследует элементы обобщения.

Если контрольный стимул вызывает активизацию некоторой группы сенсорных элементов, не совпадающих ни с одним из элементов, активизировавшихся при воздействии стимулов того же класса, предъявленных ранее, то эксперимент исследует чистое обобщение и не включает исследование распознавания.

Несмотря на то, что персептроны не способны к чистому обобщению, они удовлетворительно справляются с задачами распознавания, особенно в тех случаях, когда демонстрируются образы, в отношении которых у персептроны уже имеется определённый опыт.