Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Содержание
Введение
4. Интеллектуальные системы управления с искусственным интеллектом для комплексов
. Общая функциональная структура интеллектуальных систем управления
Введение
Интеллект (от латинского intellectus - познание, понимание, рассудок)- способность мышления, рационального познания. Естественным примером интеллектуальной системы является человек. Задачи, которые решает человек в своей практической деятельности на основе мышления, относятся к интеллектуальным. Деятельность человека, особенно интеллектуальная (творческая), еще изучена недостаточно, принципы и методы ее объясняются неоднозначно. Многочисленные попытки понять и использовать феномен интеллекта в практических целях имеют заманчивые перспективы и становятся все более и более реальными.
Будем называть систему, способную решать интеллектуальные задачи, интеллектуальной системой (ИС). К числу основных интеллектуальных задач по аналогии с деятельностью человека можно отнести задачи распознавания (образов, ситуаций, сцен, состояний), обучения и планирования поведения (принятия решений). В этом плане интеллектуальными называют еще системы, обладающие способностью к обучению и изменению своего поведения в результате обучения.
В настоящее время развитие науки и техники достигло такого уровня, когда становится уже реальным создание искусственного интеллекта, или точнее, моделирование (имитация) возможностей и способностей человека, а решение указанных основных задач с помощью программных и аппаратных средств. Системы ИИ должны воспроизводить функции естественного интеллекта. Поэтому изучению систем ИИ должно предшествовать рассмотрение основных свойств и особенностей естественного интеллекта для того, чтобы понять и использовать свойства биологических систем для решения технических проблем. Кибернетическое изучение живого помогает раскрыть как общие законы функционирования сложных систем, так и частные свойства отдельных органов и организма в целом с точки зрения происходящих в живых, существах информационных процессов и процессов управления.
Тысячевековая эволюция живых существ привела к их чрезвычайному усложнению и многоуровневой иерархической организации множества включенных друг в друга систем и подсистем. Каждому уровню свойственны свои специфические закономерности информационных процессов, системной организации и процессов управления. Для общего ознакомления с кибернетическими свойствами живых, организмов акцентируем внимание
на общих принципах организации, конкретных механизмах целесообразного регулирования и активного взаимодействия с окружающей средой.
Большинство изобретений человека имеет аналогии в природе. При этом оказывается, что основные идеи этих изобретений реализованы в природе более компактно, миниатюрно, надежно и совершенно. Многие исследования обнаружили общность этапов развития техники и природы и привели к выводу о целесообразности использования в технике аналогов живой природы. Этот вывод имеет особое значение в работах по созданию технических систем с ИИ. Для того, чтобы установить аналогии между живым интеллектом и технической системой с ИИ, можно провести некоторое описание структурных и функциональных особенностей живых или естественных интеллектуальных систем.
Прежде всего требует определения понятие "система". В самом широком смысле можно определить, что система- это совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур или процессов, объединенных в целое выполнением некоторой общей функции, несводимой к функциям ее компонентов. Признаки системы: она взаимодействует со средой и другими системами как единое целое, состоит из иерархии подсистем более низких уровней, является подсистемой для систем более высокого уровня, сохраняет общую структуру взаимодействия элементов при изменении внешних условий и внутреннего состояния.
Естественные системы различаются по своей сложности и уровню организации. Понятие об организации системы предполагает определенное согласование состояний и деятельности ее подсистем и составляющих элементов. Это согласование достигается передачей сигналов (сообщений) по внутрисистемным связям, а для поддержания высокого уровня организованности необходимо постоянное общение с окружающим миром. Еще более необходима передача сообщений по внутрисистемным и межсистемным связям для формирования и выдачи командных сигналов при осуществлении актов управления.
Основным свойством естественных ИС является их способность к адаптации при изменении условий функционирования. Способность к адаптации путем самоорганизации основывается как на множественности элементов системы и разветвленности связей между ними, способствующих возникновению целостности, так и на наличии гибкого взаимодействия между элементами по типу обратных связей. Существенным признаком самоорганизации является обособление интеллектуальных систем от окружающей среды.
Функциональной особенностью обособленной ИС является активное взаимодействие ее со средой. Особенности ее структурной организации определяют направление и объем процессов взаимодействия системы со средой. Наличие чрезвычайно разнообразных обратных связей на всех уровнях влияет на интенсивность процессов взаимодействия. Отрицательные обратные связи обеспечивают стабильность функций системы, постоянство ее параметров, устойчивость к внешним воздействиям, Положительные обратные связи играют роль усилителей процессов и имеют особое значение для развития, накопления изменений. Наличие отрицательных и положительных обратных связей приводит к возможности развития по некоторому закону (программе) с использованием внешних ресурсов.
Сложная динамическая (устойчиво неравновесная) организация целенаправленной функционирующей системы требует непрерывного управления, без которого система не может существовать. Особенность этого управления состоит в том, что оно служит причиной ряда процессов в самой системе и прежде всего процессов внутреннего саморегулирования по законам организации системы.
Основными функциями самоорганизующейся системы являются функции информационного обеспечения (ФИО), материального и энергетического обеспечения (ФМЭО), перемещения (ФП) и адаптации (ФА). С точки зрения реализации НИ наибольший интерес представляет ФИО, которая является всеобъемлющей. Информация необходима для контроля внутреннего состояния системы, распознавания ситуаций, решения задачи обеспечения функционирования, выявления закономерностей и обучения. Для последующего использования получаемая информация должна разделяться и откладываться в соответствующие системы памяти (оперативные и долговременные).
Функцию информационного обеспечения реализуют органы контроля окружающей среды, навигации и анализа объектов. Обработка сигналов этих органов информации осуществляется особым управляющим узлом (УУ) (устройством), в котором производится анализ полученных данных, их обработка и обобщение, оценка ситуации и принятие решения. Одновременно ведется обогащение памяти, накопление опыта, обучение и отработка логических методов обработки информации.
Информационно-управляющая деятельность интеллектуальных систем является определяющей и подчиняет себе все ее функции. Эта деятельность, осуществляемая особым управляющим узлом, обеспечивает адекватное реагирование системы на меняющиеся условия и воздействия внешней среды в процессе достижения целей управления.
Цель- это некий будущий результат деятельности системы, достигаемый с помощью принципа обратной связи. При этом исходные условия можно интерпретировать как подцели достигаемой цели. Причем в некоторых случаях цель автоматически достигается при выполнении подцелей, а в других случаях для этого требуются еще дополнительные усилия (действия) системы, реализуемые управляющим узлом с помощью команд (актов) управления.
Элементарный акт управления состоит в целесообразном ответе на данное внешнее воздействие. Элементарный акт управления называют рефлексом. Рефлекс-реакция на возмущение- Более точное толкование рефлекса включает и обратную связь между результатом ответного действия (результатом реакции) и формированием новых управляющих команд.
Существуют два вида рефлексов- безусловные и условные. Безусловные рефлексы являются врожденными и передаются по наследству. Их отличительной чертой является автоматическая, стереотипная форма проявления. Биологическая роль безусловных рефлексов заключается в обеспечении приспособлений организма к строго постоянным условиям.
Условные рефлексы вырабатываются в процессе индивидуального развития организма. Их характеризуют основные признаки.
Приобретаемость. Условные рефлексы вырабатываются у отдельных индивидуумов по мере необходимости, они не являются обязательными для всех организмов данного вида.
Изменчивость. Условный рефлекс вырабатывается, если есть в нем необходимость, и угасает (затормаживается), если необходимость в нем отпадает.
Сигнальность. Это важнейший признак условного рефлекса, он заключается в "предупредительной" деятельности организма.
В жизни сложного организма рефлекс- существеннейшее нервное явление при помощи которого устанавливается постоянное и точное соотношение частей организма между собой и отношение целого организма к окружающим условиям.
Все бесчисленное множество рефлексов можно разделить на отдельные группы по тому или другому признаку. Можно выделять группы рефлексов по их биологическому значению, по расположению рецепторов, по характеру ответной реакции, по длительности протекания в зависимости от того, какой отдел мозга участвует в их осуществления. В соответствии с характером внешнего воздействия в организме человека определяют несколько уровней рефлекторного управления: элементарные безусловные рефлексы, координационные безусловные рефлексы, интегративные безусловные рефлексы, сложнейшие безусловные рефлексы, элементарные условные рефлексы и сложные формы целенаправленной деятельности. Рассмотрим их подробнее.
Элементарные безусловные рефлексы- это простые ответные реакции. Они вызываются локальным действием контактных раздражителей (воздействий). Роль обратных связей, преимущественно отрицательных, в осуществлении и коррекции таких элементарных рефлексов еще невелика и они реализуются по жестко детерминированной программе. Отсюда их крайняя степень автоматизма и стереотипности. В понятиях теории автоматического регулирования- это одноконтурные системы первого порядка с преобладанием регулирования по возмущению, регулирование по отклонению вносит лишь некоторые коррективы в ответные реакции.
Координационные безусловные рефлексы- его акты согласованной деятельности в некоторых пределах структуры системы. В понятиях теории автоматического регулирования это, по крайней мере, двухконтурная система с комбинированным регулированием как по возмущению, так и по отклонению. Координационные рефлексы дают согласованную реакцию на несколько простых разнородных локальных воздействий.
Интегративные безусловные рефлексы представляют собой синтез координационных рефлексов вместе со структурным обеспечением в комплексные реакции определенного значения. В понятиях теории автоматического регулирования это многоконтурные системы, работающие главным образом на поддержание постоянных значений основных регулируемых величин, т.е. системы стабилизации, обеспечивающие уравновешенность (устойчивость) системы. Роль интегративных рефлексов в приспособительной деятельности биологических систем исключительно велика. Она означает переход от локальных реакций системы к ответам как целого образования, что может рассматриваться простейшими актами целесообразного поведения. Интегративные рефлексы означают переход к качественно новой форме реакций на внешние воздействия.
Сложнейшие безусловные рефлексы организуются по некоторым программам из интегратинных рефлексов и составляют некоторые стереотипы действий (поведения). Характерной чертой таких рефлексов является то, что они образуются последовательностью интегративных реакций, при которой завершение предыдущей стимулирует начало следующей. Сформировавшееся таким образом поведение определяется как многоконтурное иерархическое регулирование высокого порядка, в котором особое значение приобретает состояние системы, направляющее стабилизирующую деятельность на уравновешивание системы с внешней средой.
Элементарные условные рефлексы состоят в вызывании интегративных рефлексов или инстинктивных реакций по сигналам ранее безразличных раздражителей, которые приобретают сигнальное значение в результате индивидуального опыта системы. Принципиальным отличием условно-рефлекторного уровня управления от всех предыдущих является то, что он не существует заранее, а образуется индивидуально у каждой системы. Условный рефлекс- ярко выраженная самоорганизующаяся система. Специфическая особенность обратных связей системы условных рефлексов заключается в том, что они устанавливаются от результатов действия к сигнальному значению условного раздражителя с положительным знаком- через подкрепление и с отрицательным знаком- через неподкрепление. Действенность сигнала определяется ступенью вероятности появления вслед за ним безусловного раздражителя. Все это делает условные рефлексы наиболее гибким, самоорга-низующимся и самопрограммирующимся механизмом управления. В понятиях теории автоматического управления это система с самонастройкой программы. В психическом плане элементарные условные рефлексы дают начало ассоциативному способу мышления.
Сложные формы целенаправленной деятельности как уровень управления возникают в результате интеграции элементарных условных рефлексов и используют аналитика-синтетические механизмы абстрагирования (отвлечения от безусловных подкреплений) сигналов, Это дает возможность более полного и целостного восприятия окружающего и более адекватного прогнозирования и программирования поведения. На этом уровне управления основным объектом ответных реакций становится не окружающая среда, а сам управляющий аппарат (устройство) и выработка новых систем самопрограммирования часто не проявляется внешними реакциями. Сложные формы деятельности осуществляются с участием многоярусной системы положительных и отрицательных обратных связей между механизмами восприятия и принятия решения за счет сигналов согласования и рассогласования, сложившихся из прошлого опыта моделей внешнего мира и программ поведения с фактическим состоянием окружающей среды.
В понятиях теория автоматического управления сложные формы деятельности являются наиболее совершенными самонастраивающимися системами, которые осуществляют свою оптимизацию путем перестройки организации, т. е. являются самоорганизующимися. Наиболее сложные формы высшей деятельности связаны с синтетическими процессами, на основе которых возникают целостные субъективные образы внешнего мира, формируются целенаправленные программы поведения.
Важной особенностью биологических систем является целенаправленность их функционирования. Если такая система функционирует, то это прежде всего означает, что в ней решается конечное множество задач управления и с определенной точностью обеспечивается достижение целей управления. Под целью управления при этом обычно понимается не просто желаемый результат, а в каком-то смысле оптимальный.
Необходимость достижения той или иной цели в конкретных условиях может быть сформулирована как задача преодоления некоторого противоречия. Управление тесно связано с информационными процессами. Так как акт управления осуществляется воздействием на объект управления, то выбор этого воздействия среди множества возможных происходит на основе информации об их свойствах, а само воздействие обычно имеет характер пускового или задерживающего сигнала. Способность системы к саморегуляции, обеспечивающей адаптивное целесообразное управление, определяется действием обратных связей.
Изучение ИС позволяет сделать попытку сформулировать общие принципы, которые, не являясь достаточными, отражают необходимые моменты в их организации и функционировании.
ИС могут быть только сложными системами, функции всех их элементов должны быть согласованы с назначением системы и их местом в них, а также между собой. Именно взаимная согласованность и взаимозависимость элементов системы обеспечивает целостность и функциональную полноту наиболее совершенных ИС. Это может также приводить к структурной или функциональной избыточности.
Сложная иерархическая многоуровневая структура является основой для одновременного протекания множества процессов. Уровень неординарности итогового процесса зависит от характера совокупности составляющих процессов. Сложная совокупность процессов принципиально характеризуется и сложной структурой. Таким образом, в некотором роде уровень сложности системы и ее структуры определяет и потенциальный уровень ее интеллекта.
Получение согласованных с обстоятельствами и средой решений различных задач основывается на информации, получаемой извне по многим каналам и работающим на различных физических принципах, что позволяет иметь разнородную характеристику специальных свойств объектов среды. Комплексирование информационных данных позволяет иметь более объективную и более полную картину о происходящих процессах. Разнородная информация, получаемая по разным каналам, обрабатывается примерно за одинаковое минимально возможное время. Наглядность этого принципа характеризует следующий факт. Человек способен решать различного рода опознавательные задачи за доли секунды, а зрительная система человека несомненно работает как параллельное устройство, Параллельная обработка как зрительной информации, так и поступающей в мозг человека от других органов чувств, дозволяет реализовать инвариантное опознавание объектов.
Принцип адаптивности предполагает наличие у ИС потенциальных возможностей улучшения работы: в условиях априорной и текущей неопределенности на основе обучения на опыте. Особая роль при этом принадлежит элементам системы- реализующим память. Адаптация может происходить путем самонастройки, самообучения или самоорганизации. Адаптивные способности могут определяться объемом информации (памятью) системы и потребными затратами времени на ее обработку.
Естественно, что назначение системы, ее функции непосредственно влияют на структуру системы. Однако и структура системы должна способствовать наиболее полной реализации функций.
Этот принцип предполагает наличие у системы множества взаимосогласованных последовательностей реакций на определенные внешние воздействия, приводящих к одному и тому же практически полезному результату.
Самая замечательная особенность нервного управления, наиболее ярко выраженная в целеустремленном творческом разуме человека, заключается в способности на основании разнообразного анализа ситуаций мгновенно создавать сложнейшие и вместе с тем оптимальные программы деятельности, которые непрерывно перестраиваются и корректируются с учетом прошлых событий, текущей действительности и прогнозирования будущего. Уже образование элементарного условного рефлекса представляет собой выработку новой программы поведения. Усложнение условных рефлексов означает все более высокую самоорганизацию поведенческих программ. В кибернетическом смысле основная функция высшей нервной деятельности состоит в динамическом поведении самопрограммирования.
4. Интеллектуальные системы управления с искусственным интеллектом для комплексов
Всевозможные сложные научно-технические и производственные устройства и установки, автоматические или функционирующие путем взаимодействия с человеком (автоматизированные), предназначенные для решения специальных задач, будем называть техническими комплексами (ТК).
Целенаправленное функционирование любого ТК предполагает некоторое управление им. Основным звеном системы управления (СУ) большинства современных ТК в настоящее время является человек, так как за ним остается право принятия решений. Научно-технический прогресс, все более усложняя ТК и расширяя перечень решаемых ими задач, выдвинул на передний план такие потребные возможности, для выполнения которых превышаются естественные возможности человека. История развития техники показывает, что прогресс в указанных условиях можно обеспечить на пути повышения степени автоматизации ТК, т.е. при условии переложения части (или вcex) функций с человека на технику. Только таким образом можно исключить несоответствие между потребными и располагаемыми человеком возможностями. Однако при этом возникают принципиальные трудности, связанные с необходимостью автоматизации интеллектуальных функций человека, условия реализации которых являются в значительной степени неопределенными, неполными и противоречивыми, быстроизменяющимися. Отсюда следует, что дальнейший прогресс в развитии техники ставит вопрос об использовании ИИ в сложных ТК, т.е. рассмотрении вопроса о создании ИСУ для ТК.
Использование ИСУ в ТК связано также еще с одним чрезвычайно важным обстоятельством. На основе ИИ возможно создание обучаемых СУ, которые позволят наиболее полно использовать потенциальные возможности ТК и нивелировать индивидуальные особенности операторов. Акцент на обучении СУ позволит накапливать необходимый опыт, исключать повторение неблагоприятных ситуаций и решений, исключать влияние индивидуальных особенностей операторов на конечный результат функционирования ТК. Главным условием peaлизации таких систем является их способность автоматически приобретать (извлекать), улучшать и расширять запас знаний.
ТК с ИИ- это сложные системы, в основе функционирования которых лежит использование свойств особого управляющего устройства, способного распознавать объекты и оценивать обстановку, обучаться, формировать цели и планировать последовательность действий по достижению поставленных целей. ТК с ИИ будут системами с очень высоким уровнем автоматизации и способностью выполнять сложные функции. Однако использование ИИ в ТК не устраняет человека из контура управления системы. Меняется лишь положение человека в контуре управления. При любом уровне совершенства ИСУ они только реализуют замысел человека, управленческая деятельность которого переходит на более высокий интеллектуальный уровень.
В общем случае свойства ИСУ должны быть согласованы с назначением и характеристиками объектов управления (ОУ), под которыми будем понимать ТК. Исходным моментом такого согласования является формулировка задачи управления. Остановимся на рассмотрении функциональной структуры ИСУ, полагая, что представление о ТК дают решаемые ими задачи.
Любая интеллектуальная деятельность опирается на знания о предметной области, в которой ставятся и решаются задачи. Предметной (или проблемной) областью обычно называют совокупность взаимосвязанных сведений, необходимых для решения данной задачи или определенной совокупности задач. Знания о предметной области включают описания объектов, явлений, фактов, а также отношений между ними и составляют базу знаний(Б3) и базу данных (БД). БЗ содержит сведения, отражающие закономерности данной предметной области и позволяющие прогнозировать и выводить новые факты. не отраженные в ней. БД содержит информацию, имеющую локальный или текущий характер, являющуюся вспомогательной. Иногда БЗ и БД рассматриваются как подсистемы интеллектуального банка данных. При этом в него еще включают блок обучения, состоящий из блока распознавания ситуаций (образов) (БРО) и блока формирования понятий (БФП). Однако БЗ была бы не полной, если бы не содержала знания о целях функционирования системы {Ф1,...,Фп}.
ИСУ должна осуществлять информационное моделирование процесса достижения цели Ф^, что невозможно без построения модели обстановки.
На основе вышеизложенного можно представить функциональную структуру ИСУ в виде, приведенном на рис.1
c1 ee
c0
c7
c1
c1
c1 ()
c4