Файл: Тема искусственный интеллект, машинное.pdf

1
ТЕМА 1. ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ, МАШИННОЕ
ОБУЧЕНИЕ И БОЛЬШИЕ ДАННЫЕ
1.1.
Общий обзор методов и технологий искусственного интеллекта
Привет, друзья. Меня зовут Роман Душкин, и я представляю вам новый курс по искусственному интеллекту в РАНХиГС. Я подготовил для вас глубокое погружение в методы и технологии искусственного интеллекта так, чтобы вы реально стали экспертами в этой области. Нет, создавать нейронные сети или экспертные системы вы не научитесь, но вы получите базовое и глубокое понимание того, что такое искусственный интеллект, какие задачи можно решать при помощи его технологий и где всё это может применяться.
В этой теме я представлю вам общий обзор методов и технологий искусственного интеллекта.
Далее в следующих видео я расскажу про машинное обучение, про гибридную парадигму построения искусственных интеллектуальных систем, про то, где можно использовать искусственный интеллект уже сегодня, про его применение в различных сферах жизни, а в последней лекции мы изучим некоторые мифы и факты об искусственном интеллекте.
Итак, поехали. Сейчас погрузимся в современные методы и технологии искусственного интеллекта.
Но когда же родилось само направление исследований, которое назвали «искусственный интеллект»? Для ответа на этот вопрос необходимо обратиться к работам философов и практиков искусственного интеллекта Марвина Мински и Джона Маккарти. Второй так вообще является автором самого термина «искусственный интеллект» (а кроме того, он разработал язык программирования LISP и является одним из основоположников функционального программирования). Эти учёные основали в 1959 году Лабораторию информатики и искусственного интеллекта в рамках Массачусетского технологического института, и это была первая научная лаборатория, которая занималась этой проблемой.
Именно Джон Маккарти сформулировал основополагающие принципы искусственного интеллекта, определив то, что потом было названо «чистым подходом» или «нисходящим искусственным интеллектом» и выразилось в гипотезе Ньюэлла — Саймона о том, что осмысленные действия можно выполнять только при наличии в некоторой системе механизма символьного вычисления, а сами такие символьные вычисления являются необходимым условием наличия в этой системе интеллекта. Другими словами, подход Джона Маккарти выражался в том, что системы искусственного интеллекта должны имитировать высокоуровневые психологические процессы разумного существа, такие как логическое мышление, логический вывод, речь, творчество и т. д.
С другой стороны, его друг и коллега Марвин Мински сформулировал совершенно противоположное определение искусственного интеллекта, которое получило наименование
«грязного подхода» или «восходящего искусственного интеллекта». В основе этой парадигмы лежит попытка моделирования естественных процессов, происходящих в самой природе человека.
В первую очередь, это, конечно же, моделирование нейросетевых процессов в разных аспектах.
Наиболее широко проявившейся технологией в рамках грязного подхода стали искусственные нейронные сети, которые моделируют разные процессы человеческого разума на логическом уровне. Можно было бы попробовать смоделировать биохимический уровень, однако для этого не хватает вычислительных мощностей даже сегодня, не говоря уже про те давние времена. Другой известной технологией являются различные генетические и эволюционные методы решения задач.
Но в целом этот подход не является «искусственным интеллектом» в том понимании Джона

2
Маккарти, как он определил этот термин.
При этом необходимо понимать, что первоначально предназначением той междисциплинарной области исследований, которая получила название «искусственный интеллект», было моделирование когнитивных функций человека для их исследования на модели, чтобы понять природу интеллекта, разума и сознания человека. Другими словами, искусственный интеллект первоначально рассматривался как довольно фундаментальная область исследований, и только через какое-то время появилась задача по практическому применению наработок, которая нашла своё отражение в создании большого количества искусственных систем, решающих задачи, традиционно относившиеся к прерогативе человека.
Фактически, две парадигмы, описанные выше, лежат в основе всякого подхода к разработке искусственного интеллекта. На сегодняшний день таких подходов выделяют семь:
• Интуитивный
• Логический
• Символьный
• Структурный
• Эволюционный
• Квазибиологический
• Агентный
Надо отметить, что агентный подход к разработке искусственного интеллекта чаще всего рассматривается в рамках так называемой гибридной парадигмы, которая представляет собой смесь нисходящей и восходящей парадигмы, беря из них лучшее и стараясь нивелировать отрицательные стороны.
Интересно то, что в рамках искусственного интеллекта, который, как уже было отмечено, является междисциплинарным научным направлением исследований, имеется ряд задач, которые решаются методами всех или некоторых перечисленных подходов. В частности, к таким задачам традиционно относят:
• Поиск информации
• Обработка естественного языка
• Представление знаний
• Машинное обучение
• Распознавание образов
• Интеллектуальный анализ данных, или «дата-майнинг»
• Обработка НЕ-факторов знания
• Принятие решений
• Робототехника
• Роевой интеллект
Нельзя сказать, что это полный список задач, к тому же, некоторые из представленных задач в какой-то части пересекаются. Тем не менее, это хороший список, являющийся анкером, от которого можно отталкиваться при изучении подходов и методов искусственного интеллекта.

3
Другие исследователи могут предлагать иной список и классификацию задач, но далее будет рассматриваться решение именно этих задач разными методами искусственного интеллекта, составляющими те или иные подходы в рамках одной из трёх парадигм.
Что интересно, если попытаться расположить в матрице подходы и парадигмы в строках, а решаемые задачи в столбцах, то получится своеобразная «периодическая система технологий искусственного интеллекта», в ячейках которой будут перечислены различные методы конкретного подхода для решения конкретной задачи.
Соответственно, далее будет описано большинство представленных методов решения типовых задач искусственного интеллекта. Ну а пока рассмотрим каждый из перечисленных подходов к построению искусственных интеллектуальных систем подробнее.
Интуитивный подход к искусственному интеллекту был предложен Аланом Тьюрингом в своей ставшей уже знаменитой статье «Вычислительные машины и разум», опубликованной в 1950 году.
В ней он предложил процедуру, которая, по его мнению, должна определить на интуитивном уровне, обладает ли некоторая система интеллектом или нет. Впоследствии эта процедура получила наименование «тест Тьюринга», подвергалась многочисленной критике, была расширена для систем с богатым набором сенсоров и, в общем-то, дожила до наших дней в качестве вполне себе операционной процедуры. Тем не менее, сам подход не является конструктивным, поскольку
Тьюринг нигде не говорил о том, как построить интеллектуальную систему.
Честно говоря, сам Тьюринг изложил свой тест немного путанно (да ещё и в нескольких вариантах), так что сегодня исследователи ломают копья на тему того, каким образом интеллектуальная система должна проходить этот тест. Но большинство исследователей сходятся на одном: прохождение системой теста Тьюринга — необходимый фактор для того, чтобы признать за системой наличие интеллекта, но совсем не достаточный. Впрочем, и с этим утверждением многие будут спорить, так как сама природа человеческого интеллекта до сих пор не ясна, потому и бессмысленна разработка какого-либо теста для проверки на наличие интеллекта, «похожего на человеческий». Тем более что основная критика интуитивного подхода заключается в том, что моделирование естественного интеллекта не является единственной возможностью создания интеллектуальной системы. Искусственный интеллект может быть построен на совершенно иных принципах, как это ранее бывало со многими иными изобретениями (колесо для передвижения, реактивная тяга для полёта по воздуху, радиоволны для систем связи и т. п.).
Несмотря на то, что тест Тьюринга и интуитивный подход в целом не могут считаться серьёзными инструментами в вопросе разработки искусственного интеллекта, сам по себе тест Тьюринга позволяет определить тот минимальный набор технологий и решаемых задач, которые должна обеспечивать система, чтобы считаться интеллектуальной. Кратко перечислим их:
• Обработка естественного языка — интеллектуальная система должна уметь общаться с человеком на естественном языке, воспринимая все его неоднозначности, неопределённости и умолчания.
• Представление знаний — в рамках искусственного интеллекта должны быть представлены как общие, так и специальные знаний, при этом система должна постоянно обучаться и дополнять свою базу знаний, в том числе и в процессе диалога с человеком.
• Логический вывод — используя знания и получаемые на вход запросы от человека, интеллектуальная система должна осуществлять правдоподобный логический вывод, который позволяет сформировать ответ на том же естественном языке.
• Машинное обучение — система искусственного интеллекта должна быть адаптивной и приспосабливаться к меняющейся ситуации в общении, используя имеющиеся у неё

4 знания в качестве шаблонов и применяя их к схожим ситуациям и, само собой разумеется, актуализируя по результатам свои знания об окружающей среде.
• Дополнительные сенсоры и исполнительные устройства — используются в так называемом «полном тесте Тьюринга», в котором система искусственного интеллекта должна действовать в естественной среде обитания человека, воспринимая её при помощи таких же датчиков, какие есть у человека (видеокамеры, аудиосенсоры, газоанализаторы и др.), и воздействуя на среду при помощи разного рода манипуляторов.
Перечисленное уже наводит на размышления о том, что тест Тьюринга направлен на выявление того, что искусственный интеллект должен успешно «мимикрировать» под человека, хотя для наличия интеллектуальных способностей это совершенно не требуется. Ни одна из перечисленных технологий сама по себе не необходима для того, чтобы считать искусственный объект интеллектуальным. Но в целом наличие этих пяти пунктов с прохождением полного теста
Тьюринга позволяет говорить о том, что система может иметь интеллект, похожий на человеческий.
Логический подход основывается на формальной логике. Ведь ещё древнегреческий философ
Аристотель сделал успешную попытку формального описания законов человеческого мышления.
Сложно сказать, насколько эти законы универсальны, ведь кроме человеческого мышления у нас нет никаких иных примеров, но общее осмысление этого вопроса подсказывает, что формальная логика относится к чистому математическому знанию, то есть находится в мире чистых идей, а потому может быть общезначимой. Другими словами, мышление, основанное на формальной логике Аристотеля, может быть универсальным, а потому реализация логических правил в искусственной системе может сделать её интеллектуальной. Однако тут имеется та же самая ловушка, как и в случае интуитивного подхода к искусственному интеллекту. Логическое мышление является необходимым условием, но никак не достаточным. Система, обладающая разумом, будет показывать поведение, подчиняющееся законам формальной логики. Но если какая-либо система действует по этим законам, это совсем не значит, что она интеллектуальна.
В рамках математики разработано большое количество формализмов, описывающих логику.
Двоичная логика Аристотеля является базовой, над которой надстроены такие варианты, как многозначная логика Лукасевича, нечёткая логика Заде, бесконечнозначная логика антиномий, интуиционистская логика и некоторые другие. Каждый новый формализм был разработан для того, чтобы учесть какие-либо нюансы человеческого мышления и способа принятия решений человеком. Ведь в процессе исследований в направлении логического подхода становилось понятным, что двоичная логика, хотя и является универсальным инструментом размышления и вывода знаний, плохо справляется с такими простейшими аспектами человеческого поведения, как принятие решений в условиях неопределённости, неполноты знания, неточности измерений и т. д.
Однако логический подход сталкивается с серьёзными трудностями, когда возникает необходимость описания неформальных знаний, которые плохо формализуются. Более того, из-за неполноты нашего понимания природы человеческого мышления логический подход всё так же страдает от невозможности полностью описать процесс мышления и принятия решений. Такие феномены, как озарение, интуитивный поиск решения или эмоциональные влияния на принятие решений не могут быть описаны в рамках логического подхода, хотя они, вне всяких сомнений, являются одним из компонентов человеческого разума. Тем не менее, логический подход составляет основу упомянутой ранее нисходящей парадигмы искусственного интеллекта.
Символьный подход ставит во главу искусственного интеллекта способность человека манипулировать символами (в общем понимании этого термина) при осуществлении своей

5 интеллектуальной деятельности. Тут нужно вспомнить термин «вторая сигнальная система», предложенный русским физиологом Иваном Петровичем Павловым для описания абстрактной системы обозначений, которые используются при мышлении человеком в отрыве от непосредственных ощущений, получаемых всеми сенсорными подсистемами нервной системы.
Именно наличие второй сигнальный системы, по мнению некоторых исследователей, отличает разумное существо от животного.
Для упрощения рассмотрим кибернетическую цепочку возникновения реакции человека на стимул из внешней среды на примере зрения. Фотоны различной длины волны попадают на рецепторы сетчатки глаза, где запускают каскад биохимических реакций, результат которых заключается в генерации нервного импульса, идущего по глазному нерву в нервные центры в головном мозге человека. Далее этот импульс диспетчеризуется в ядрах зрительного перекрёста и таламусе, после чего попадает в различные зоны коры головного мозга — первичную зрительную кору, вторичную зрительную кору и так далее, пока след от этого импульса не будет обработан в высших слоях неокортекса, где, как предполагается, и осуществляется манипуляция символами. Именно здесь конкретные каскады биохимических реакций в клетках сетчатки и всех промежуточных нейронах каким-то образом преобразуются в абстрактные символы, имеющие огромное количество ассоциативных связей. И когда человек видит, скажем, кошку, то в его памяти возникают различные образы, именно на символьном уровне связанные с понятием «Felis catus» («Кот домашний», биологическое наименование вида). Человек осознаёт именно эти образы и ассоциативные связи, но никак не осознаёт лежащих в их основе электрофизических и биохимических процессов.
Так что разум человека, его интеллект оперирует именно символом «Кот домашний», пробегаясь по отдельным ассоциативным связям, выбор которых зависит от текущего контекста.
Обработка символов построена на выполнении правил различного вида. В дальнейшем мы рассмотрим несколько формализмов, которые конкретизируют и реализуют символьный подход к искусственному интеллекту. Однако все они основаны именно на манипулировании символами, как синтаксическими конструкциями. Особенно это касается математических формул, поскольку наибольших успехов символьный подход достиг именно в формальной математике, в таких областях, как автоматическое доказательство теорем, символьная математика, автоматические вывод и рассуждения и т. д. Однако и тут возникает такая же возможность для критики, как и в случае интуитивного подхода — где возникает сознание, в какой момент интеллектуальная система начинает осознавать себя. И как бы хорошо она не манипулировала бы символами, ответить на этот вопрос на сегодняшний день возможным не представляется. Мы ещё вернёмся к этому аспекту в главе про философию сознания и искусственного интеллекта, а пока перейдём к следующему подходу.
Структурный подход, или коннекционизм, исходит из понимания того, что интеллект, разум и сознание являются функцией сложности сети переплетённых и взаимодействующих базовых элементов. Поскольку нервная система человека состоит из нейронов и ряда других специальных клеток, то основой структурного подхода в искусственном интеллекте является использование искусственных нейронных сетей.
Первый искусственный нейрон был разработан Уорреном Мак-Каллоком и Уолтером Питтсом в первой половине XX века. Также в то время Фрэнком Розенблаттом была разработана первая архитектура искусственных нейронных сетей — перцептрон. Фактически, это самые первые примеры математических моделей и программных систем, разработанных в духе коннективизма.
И здесь необходимо отметить, что в процессе развития перцептронов появились некоторые расширения первоначальной модели, предложенной Ф. Розенблаттом. Самый простой классификатор основан на количестве слоёв в перцептроне: однослойный, с одним скрытым слоем
(классический) и многослойный. Все эти типы были в своё время описаны самим Ф. Розенблаттом.

6
Другая классификация включает:
• Элементарный перцептрон
• Простой перцептрон
• Перцептрон с последовательными связями
• Перцептрон с перекрёстными связями
• Перцептрон с обратными связями
• Перцептрон с переменными связями
Первые три класса были описаны Ф. Розенблаттом, а следующие три развиты в дальнейшем при детальной проработке модели искусственных нейронных сетей.
Структурный подход основан на идее о том, что наиболее важной для эмерджентного проявления разума и других подобных функций вплоть до сознания является сетевая структура. Это значит, что моделирование должно затрагивать не только базовые элементы, типа нейронов, но и их взаимосвязанные сети. При этом полагается, что сеть элементов как сложная система обладает нелинейными свойствами относительно базовых элементов, а потому при увеличении количества взаимосвязанных элементов сложность модели изменяется нелинейно и зачастую даже непредсказуемым образом так, что при переходе некоторого порога сложности как раз и начинают проявляться те самые эмерджентные эффекты, которых мы так ждём. До сегодняшнего дня главным и, фактически, единственным представителем структурного подхода являются искусственные нейронные сети.
Эволюционный подход реализует так называемую «искусственную эволюцию» и, фактически, решает оптимизационную задачу поиска значения целевой функции в заданном пространстве решений с установленными ограничениями. Этот подход содержит большое количество эвристических методов, некоторые из которых используются даже для гарантированного нахождения оптимума для мультимодальных недифференцируемых функций в пространствах высоких размерностей. Важным методом эволюционного подхода являются генетические алгоритмы, которые мы рассмотрим чуть позже. Но здесь также есть несколько других важных методов, в числе которых находятся эволюционное программирование и даже нейроэволюция, когда искусственному отбору подвергаются нейронные сети.
Итак, в рамках эволюционного подхода обычно выделяют следующие технологии и методы: эволюционное программирование, генетическое программирование, эволюционные стратегии, генетические алгоритмы, дифференциальная эволюция и нейроэволюция. Другими словами, а что, если вычислительные процессы могли бы эволюционировать так же, как это делают биологические виды в своей экологической среде? Возможно, получилось бы «выращивать» программы для оптимального решения поставленной задачи? Эволюционное программирование как раз и основано на этой идее.
Если же в качестве объектов отбора выступают сами программы, то получается уже генетическое программирование. Ведь, действительно, программы пишутся на определённом языке программирования и в конечном итоге представляют собой строки символов. Эти строки можно подвергнуть генетическим преобразованиям и отбору. Эта очень мощная идея получила своё развитие в том, что программы начали писать и оптимизировать другие программы, и уже исследователи, запустившие процесс, не могут разобрать и интерпретировать полученные исходные коды, которые работают правильно и часто очень эффективно.
Генетические алгоритмы — это наиболее яркий представитель эволюционного подхода. Сами