Интеллектуальные системы управления. Основные понятия и определения

Интеллектуальные системы управления» ЛЕКЦИЯ № 1 (ВВОДНАЯ) Тема: «Интеллектуальные системы управления. Основные понятия и определения» Учебные вопросы и распределение времени: Основные понятия и определения интеллектуальных систем Слово «интеллект» в русском языке происходит от латинского «intellectus» (ум, познание, понимание, рассудок, разум) и означает способность человека к мышлению и рациональному познанию действительности. Интеллектом искусственно созданных автоматических систем или «искусственным интеллектом» (artificial intelligence) принято называть воплощенные в них модели некоторых интеллектуальных способностей человека. Способность выбирать и принимать наилучшие (оптимальные) или рациональные решения на основе приобретенных знаний, опыта и анализа внешних воздействий. Основные понятия и определения интеллектуальных систем Под термином "знания" подразумевается не только та информацию, которая поступает в мозг через органы чувств. Такого типа знания чрезвычайно важны, но недостаточны для интеллектуальной деятельности. Для осуществления в некой окружающей среде интеллектуальной деятельности (или хотя бы просто существовать в этой среде), необходимо иметь в своей системе знаний информационную модель этой среды. Системы адекватно моделирующие человеческий интеллект и такие его свойства, как мышление, интуиция, сознание и подсознание получили название интеллектуальных систем (ИС). Основные понятия и определения интеллектуальных систем ИС предназначены для решения именно интеллектуальных задач, то есть задач, для которых не существует стандартных методов решения. Примерами не интелектуальных задач могут служить чисто вычислительные задачи: - решение системы линейных алгебраических уравнений; численное интегрирование дифференциальных уравнений; - задачи аппроксимации эмпирических данных и т. п. Для решения подобного рода задач имеются стандартные алгоритмы, представляющие собой определенную последовательность элементарных операций, которая может быть легко реализована в виде программы для вычислительной машины. Основные понятия и определения интеллектуальных систем В противоположность этому существует широкий класс интеллектуальных задач, таких, как распознавание образов, логические выводы и сложные в логическом отношении игры (например, игра в шахматы), доказательство теорем и т. п. , для которых не существует стандартных алгоритмов. Таким образом, можно считать понятие интеллекта эквивалентным понятию универсального сверхалгоритма, который способен создавать алгоритмы решения конкретных задач. Основные понятия и определения интеллектуальных систем Принципиальная возможность автоматизации решения интеллектуальных задач с помощью ЭВМ обеспечивается свойством алгоритмической универсальности этих машин. Алгоритмическая универсальность ЭВМ означает, что на них можно программно реализовывать (представить в виде машинной программы) любые алгоритмы преобразования информации, - будь то вычислительные алгоритмы, алгоритмы управления, поиска доказательства теорем или композиции мелодий. При этом необходимо учитывать, что процессы, порождаемые этими алгоритмами, являются потенциально осуществимыми, т. е. что они осуществимы в результате конечного числа элементарных операций. Основные понятия и определения интеллектуальных систем Свойство алгоритмической универсальности заключается не только в том, что для всех известных алгоритмов оказывается возможной их программная реализация на ЭВМ. Это свойство означает еще и то, что любое предписание, признанное алгоритмом, может стать в будущем машинной программой независимо от того, в какой форме оно было выражено первоначально. В настоящее время существуют и успешно применяются программы, позволяющие машинам играть в деловые или военные игры, имеющие большое прикладное значение. Здесь также чрезвычайно важно придать программам свойственные человеку способности к обучению и адаптации. Основные понятия и определения интеллектуальных систем Одной из наиболее интересных интеллектуальных задач, также имеющей огромное прикладное значение, является задача обучения распознаванию образов и ситуаций. Задача автоматического распознавания образов оказалась тесно связанной с двумя весьма близкими, по сути, проблемами. Одной из них является проблема автоматического перевода тексов и речи с одного естественного языка на другой, и - проблема обучения автомата пониманию естественного языка человека. От успешного решения этих проблем, зависит прогресс в создании эффективных и адекватных моделей человеческого интеллекта и эффективных средств естественного общения человека с человеком и человека с автоматом. Основные понятия и определения интеллектуальных систем История развития ИС всегда была связана с совершенствованием способов организации информации, позволяющих достичь максимальной эффективности процедур поиска необходимых данных и процедур их анализа и синтеза. Разработчики ИС стремились к тому, чтобы организация данных в таких системах представляла собой совокупность взаимосвязанных массивов понятий, событий и свойств с такой минимальной избыточностью, которая обеспечивает их оптимальное использование во всех практических случаях – база данных. В дальнейшем, с развитием концепции ИС, структурированная модель предметной области (объекты, процессы, явления и ситуации) получила название базы знаний, а программная система, предназначенная для решения задач анализа уже известных знаний, синтеза новых знаний и управления этими знаниями, приобрела характер универсального решателя таких задач. СОСТАВ И СВОЙСТВА ЗНАНИЙ Ценность любой ИС прежде всего, определяется ее информационными ресурсами (данными, знаниями, программами оперирования с данными и знаниями), которые система предоставляет оператору. Информационные ресурсы требуются для решения задач в определѐнной предметной области: на том или другом предприятии, при управлении судном или летательным аппаратом, и т. д. Поэтому и знания обычно рассматриваются применительно к той или другой предметной области. Знания о предметной области можно представить следующим образом: Знания о предметной области Элементы знаний Отношения между элементами СОСТАВ ЗНАНИЙ Элементы знаний включают понятия, события, свойства. Понятия - это термины, категории, имеющие свое название, определение, структуру (составные части). События представляют явления и факты, относящиеся к данной предметной области. Свойства - качественные характеристики событий и количественные СОСТАВ ЗНАНИЙ Отношения - это известные связи между элементами знаний. Они могут быть разделены на четыре класса: логические, лингвистические, теоретикомножественные, квалификационные. Отношения между элементами знаний Алгоритмические Неалгоритмические К алгоритмическим знаниям относят формализованные отношения между событиями и свойствами: математические и логические зависимости, алгоритмы, программы, процедуры, обеспечивающие вычисление функций, выполнение преобразований и т. п. Неалгоритмические знания – это неформализованные словесно выражаемые отношения между элементами знаний и их комбинациями. СВОЙСТВА ЗНАНИЙ Структурированность - это термин, по отношению к информации или данным означающий организованность в соответствии с определенной концепцией, отображающей возможные аспекты их прагматики. Знаниями иногда называют «хорошо структурированные данные» . Знания должны быть размещены на физических носителях (печатных изданиях или компьютерных дисках) так, чтобы было удобно их найти и главное - понять в каких смысловых отношениях находятся между собой отдельные элементы знаний. СВОЙСТВА ЗНАНИЙ Доступность восприятия и усвоения. Для компьютерных баз знаний это означает наличие средств, облегчающих доступ к знаниям и их усвоение (краткие аннотации к документам, индексы, классификационные признаки и пр. ). Для человека это означает возможность быстро понять и запомнить что-либо новое или возможность быстро вспомнить то, что узнал когда-то. СВОЙСТВА ЗНАНИЙ Непротиворечивость. Разные знания об одном и том же объекте (явлении) не должны приводить к противоречивому или абсурдному пониманию сущности этого объекта. Однако для многих систем сбора знаний это изначально не так — на вход хранилища знаний может поступать разноречивая информация. Задача собирателя знаний - обнаружить противоречия и разрешить их на этапе сбора знаний либо присвоить разным элементам данных, составляющих знания, различную оценку достоверности. СВОЙСТВА ЗНАНИЙ Достоверность. Получая и используя знания, хочется иметь представление о том, насколько они достоверны. Хорошее хранилище знаний (учебник или база знаний) должно содержать достоверную, соответствующую истинному состоянию предметной области систему знаний о ее объектах и отношениях между ними. Это означает, что поддержание базы знаний в актуальном состоянии - важнейшая функция администраторов базы знаний. СВОЙСТВА ЗНАНИЙ Обрабатываемость. Для того, чтобы знания не оставались вещью в себе, база знаний, как информационная модель предметной области, должна быть построена с учетом возможности генерации достаточно сложных процедур обработки знаний. Эта возможность существенно зависит не только от мощности процедур логической и математической обработки знаний, имеющихся в составе системы, но и от выбранной структуры описания знаний. Структура дисциплины, ее роль и место в обучении студентов - улучшить контроль работы бортовых технических средств и повысить безопасность судна; - использовать в трудных случаях помощь квалифицированных береговых специалистов, создав возможность быстрой передачи им и отображения на берегу больших массивов информации, характеризующей развитие ситуации в процессе движения судна; - отойти от традиционной жесткой организации систем управления судном и обеспечить их открытость путем интеграции с помощью информационных каналов; - выполнить автоматическое решение ряда «интеллектуальных» задач, связанных с управлением судном, его безопасностью, контролем технических средств. В этой связи дисциплина «Информационное обеспечение безопасности мореплавания» (180 часов) состоит из трех тем: • ТЕМА № 1 «Общие вопросы построения организационного и правового обеспечения безопасности мореплавания» ; • Тема № 2 «Основы построения информационных систем, обеспечивающих безопасность мореплавания» ; • Тема № 3 «Применения спутниковых радиосистем для информационного обеспечения безопасности мореплавания» Информация, ее представление и измерение Информация является одним из ценнейших ресурсов общества наряду с такими традиционными материальными видами ресурсов как нефть, газ, полезные ископаемые и др. «Информация – это те продукты или услуги, которые предназначены их производителем для передачи знаний в максимально доступной для потенциального потребителя форме» . «Информация - концептуально связанные между собой сведения, данные, понятия, изменяющие наши представления о явлении или объекте окружающего мира» . Данные могут рассматриваться как признаки или записанные наблюдения, которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. Если данные участвуют в процессе снятия неопределенности, то данные становятся информацией. Следовательно, можно утверждать, что информацией являются используемые данные. Информация, ее представление и измерение Информация обладает динамическим характером. Она существует только в момент взаимодействия данных и методов. Все остальное время она пребывает в состоянии данных. Таким образом, информация существует только в момент протекания информационного процесса. Данные являются объективными, поскольку это результат регистрации объективно существовавших сигналов, вызванных изменениями в материальных телах или полях. В то же время, методы являются субъективными. В основе искусственных методов лежат алгоритмы (упорядоченные последовательности команд), составленные и подготовленные людьми (субъектами). Таким образом, «информация возникает и существует в момент диалектического взаимодействия объективных данных и субъективных методов» Характерной особенностью информации, отличающей ее от других объектов природы и общества, является то, что на свойства информации влияют свойства данных, составляющих ее содержательную часть, и свойства методов, взаимодействующих с данными в ходе информационного процесса. Информация, ее представление и измерение Информация обладает множеством свойств. Каждая научная дисциплина рассматривает те свойства, которые ей наиболее важны. С точки зрения судовождения наиболее важными представляются следующие свойства: объективность, полнота, достоверность, адекватность, доступность, актуальность, репрезентативность, содержательность, точность и устойчивость информации. Объективность и субъективность информации. Понятие объективности является относительным, так как методы являются субъективными. Более объективной принято считать ту информацию, в которую методы вносят меньший субъективный элемент. Полнота информации во многом характеризует качество информации и определяет достаточность данных для принятия решений или для создания новых данных на основе имеющихся. Чем полнее данные, тем шире диапазон методов, которые можно использовать. Достоверность информации. Данные возникают в момент регистрации сигналов, но не все сигналы являются «полезными» – всегда присутствует какой-то уровень посторонних сигналов, в результате чего полезные данные сопровождаются определенным уровнем «информационного шума» . Если полезный сигнал зарегистрирован более четко, чем посторонние сигналы, достоверность информации может быть более высокой. Информация, ее представление и измерение Адекватность информации – это степень соответствия реальному объективному состоянию дела. Неадекватная информация может образовываться при создании новой информации на основе неполных или недостоверных данных. Однако и полные, и достоверные данные могут приводить к созданию неадекватной информации в случае применения к ним неадекватных методов. Доступность информации – мера возможности получить ту или иную информацию. На степень доступности информации влияют одновременно как доступность данных, так и доступность адекватных методов для их интерпретации. Отсутствие доступа к данным или отсутствие адекватных методов обработки данных приводят к одинаковому результату: информация оказывается недоступной. Актуальность информации – это степень соответствия информации текущему моменту времени. Поскольку информационные процессы растянуты во времени, то достоверная и адекватная, но устаревшая информация может приводить к ошибочным решениям. Репрезентативность информации связана с правильностью ее отбора и формирования в целях адекватного отражения свойств объекта. Нарушение репрезентативности информации нередко приводит к существенным ее погрешностям. Информация, ее представление и измерение Содержательность информации отражает семантическую емкость, равную отношению количества семантической информации в сообщении к объему обрабатываемых данных, то есть где Ic – количество семантической информации, Vд – объем данных. Точность информации определяется степенью близости получаемой информации к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т. п. Устойчивость информации отражает ее способность реагировать на изменения исходных данных без нарушения необходимой точности. Устойчивость информации, как и репрезентативность, обусловлена выбранной методикой ее отбора и формирования. Классификации информации 1. По способу восприятия: - визуальная, визуальная аудиальная, - обонятельная, - вкусовая, - тактильная. Классификации информации 2) По степени значимости: - личная, - специальная, общественная. Личная – это знания, опыт, интуиция, умения, планы, прогнозы, эмоции, чувства, наследственная память конкретного человека. Специальная делится на научную, производственную, техническую, управленческую. Общественная включает в себя общественно-политическую, научнопопулярную, обыденную, эстетическую. Классификации информации 3) По форме представления: - текстовая, -числовая, звуковая. - графическая, Классификации информации 4. В зависимости от типа носителя: - акустическую документальную; (речевую); - телекоммуникационную. Документальная информация представляется в графическом или буквенно-цифровом виде на бумаге, а также в электронном виде на магнитных и других носителях. Речевая информация возникает в ходе ведения разговоров, а также при работе систем звукоусиления и звуковоспроизведения. Носителем речевой информации являются звуковые колебания в диапазоне частот от 200… 300 Гц до 4… 6 к. Гц. Телекоммуникационная информация циркулирует в технических средствах обработки и хранения информации, а также в каналах связи при ее передаче. Носителем информации при ее обработке техническими средствами и передаче по проводным каналам связи является электрический ток, а при передаче по радио- и оптическому каналам – электромагнитные волны. Классификации информации Источник информации может вырабатывать непрерывное или дискретное сообщение (сигнал), в этом случае информация называется непрерывной, или дискретной. Например, сигналы, передаваемые по радио и телевидению, а также используемые в магнитной записи, имеют форму непрерывных, быстро изменяющихся во времени зависимостей. Такие сигналы называются непрерывными, или аналоговыми сигналами. В противоположность этому в телеграфии и вычислительной технике сигналы имеют импульсную форму и называются дискретными сигналами. Сравнивая непрерывную и дискретную формы представления информации, нетрудно заметить, что при использовании непрерывной формы для создания вычислительной машины потребуется меньшее число устройств (каждая величина представляется одним, а не несколькими сигналами), но эти устройства будут сложнее (они должны различать значительно большее число состояний сигнала). Информационное моделирование и формализация Человечество в своей деятельности (научной, образовательной, технологической, художественной) постоянно создает и использует модели окружающего мира. Строгие правила построения моделей сформулировать невозможно, однако человечество накопило богатый опыт моделирования различных объектов и процессов. Термин «модель» в реальной жизни имеет множество значений. Модель – это: • некоторое упрощенное подобие реального объекта; • воспроизведение предмета в уменьшенном или увеличенном виде (макет); • схема, изображение или описание какого-либо явления или процесса в природе и обществе; • физический или информационный аналог объекта, функционирование которого по определенным параметрам подобно функционированию реального объекта; • некий объект-заместитель, который в определенных условиях может заменять объекторигинал, воспроизводя интересующие нас его свойства и характеристики, причем имеет существенные преимущества или удобства; • новый объект, который отражает некоторые стороны изучаемого объекта или явления, существенные с точки зрения цели моделирования; • новый объект (реальный, информационный или воображаемый), отличный от исходного, который обладает существенными для целей моделирования свойствами и в рамках этих целей полностью заменяет исходный объект. Классификация моделей Все многообразие моделей делится на три класса: • материальные (натурные) модели (некие реальные предметы – макеты, муляжи, эталоны) – уменьшенные или увеличенные копии, воспроизводящие внешний вид моделируемого объекта, его структуру или поведение; • воображаемые модели (геометрическая точка, математический маятник, идеальный газ, бесконечность); • информационные модели – описания моделируемого объекта на одном из языков кодирования информации (словесное описание, схемы, чертежи, карты, рисунки, научные формулы, программы и пр. ). Классификация информационных моделей • Информационная (абстрактная) модель – описание объекта на каком -либо языке. Абстрактность модели проявляется в том, что ее компонентами являются сигналы и знаки (вернее, заложенный в них смысл), а не физические тела. • Дескриптивная модель – словесное описание объекта, выраженное средствами того или иного языка. • Математическая модель – 1) совокупность записанных на языке математики соотношений (формул, неравенств, уравнений, логических соотношений), определяющих характеристики состояния объекта в зависимости от его элементов, свойств, параметров, внешних воздействий, 2) приближенное описание объекта, выраженное с помощью математической символики. • Статические модели отображают объект в какой-то момент времени без учета происходящих с ним изменений, как находящийся в состоянии покоя или равновесия (отсутствует параметр времени). Классификация информационных моделей • Динамические модели описывают поведение объекта во времени. • Детерминированные модели отображают процессы, в которых отсутствуют случайные воздействия. • Вероятностные (стохастические) модели – описание объектов, поведение которых определяется случайными воздействиями (внешними или внутренними); описания вероятностных процессов и событий, характер изменения которых во времени точно предсказать невозможно. • Имитационная компьютерная модель – отдельная программа, совокупность программ, программный комплекс, позволяющий с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта, системы объектов при условии воздействия на объект различных факторов. • Имитационная алгоритмическая модель - содержательное описание объекта в форме алгоритма, отражающее структуру и процессы функционирования объекта во времени, учитывающее воздействие случайных факторов. Классификация информационных моделей • Гносеологическая модель – описание объективных законов природы. • Концептуальная модель описывает выявленные причинноследственные связи и закономерности, присущие исследуемому объекту и существенные в рамках определенного исследования. • Сенсуальные модели – модели чувств, эмоций, либо модели, оказывающие воздействие на чувства человека (музыка, поэзия, живопись, танец). • Аналоговая модель – аналог объекта, который ведет себя как реальный объект, но не выглядит как таковой. Моделирование – это: • построение моделей реально существующих объектов (предметов, явлений, процессов); • замена реального объекта его подходящей копией; • исследование объектов познания на их моделях. Потребность в моделировании возникает в таких сферах человеческой деятельности как познание, общение, практическая деятельность. Аспекты моделирования характеризуются свойствами: • внешний вид – набором признаков; • структура – перечнем элементов и указанием отношений между ними; • поведение – изменением внешнего вида и структуры с течением времени. Этапы моделирования Определим этапы моделирования: • Постановка целей моделирования. • Анализ объекта и выделение всех его известных свойств. • Анализ выделенных свойств и определение существенных из них. • Выбор формы представления модели. • Формализация. • Анализ полученной модели на противоречивость. • Анализ адекватности полученной модели объекту и цели моделирования. Формализация – это приведение существенных свойств и признаков объекта моделирования к выбранной форме. Чтобы построить модель, необходимо придать объекту форму. Суть формализации состоит в принципиальной возможности разделения объекта и его обозначения. Для того, чтобы обозначить объект, нужно ввести некоторый набор знаков. Знак – это элемент конечного множества отличных друг от друга элементов. Следует обратить внимание на то, что понятие знака является одним из базисных понятий науки. Точного определения дать невозможно. Поэтому стоит ограничиться указанием основных черт знака: • Способность знака выступать в качестве заместителя денотата (объекта). • Нетождественность знака и денотата – знак никогда не может полностью заменить обозначаемое. • Многозначность соответствия «знак – денотат» . Формализация Язык – знаковая система, используемая в целях познания и коммуникации. Следует рассмотреть характеристики языка и указать, что языки могут быть естественными и искусственными. Правила искусственного языка являются строго и однозначно определенными, поэтому такой язык называется формализованным. Процесс формализации текстовой информации (представление информации в форме графа, чертежа, схемы и т. д. ) осуществляется с целью ее однозначного понимания, облегчения и ускорения ее обработки. Формализовать можно и оформление текста. Этот процесс заключается в использовании бланков, формуляров, шаблонов заранее определенной и часто законодательно утвержденной формы. • Таблицы – форма представления информации в удобном для анализа и обработки виде. Таблицы бывают типа «объект – объект» , «объект – свойство» , «объекты – свойства – объекты» . Таблица характеризуется названием, количеством столбцов и их названиями, количеством строк и их названиями, содержимым ячеек. • Граф – совокупность точек, соединенных между собой линиями. Эти точки называются вершинами графа. Линии, соединяющие вершины, называются дугами, если задано направление от одной вершины к другой, или ребрами, если направленность двусторонняя. Информационные процессы и системы Структура информационных процессов Информация не существует сама по себе, она проявляется в информационных процессах. В наиболее общем виде информационный процесс определяется как совокупность последовательных действий (операций), производимых над информацией (в виде данных, сведений, фактов, идей, гипотез, теорий и пр. ) для получения какого-либо результата (достижения цели). Наиболее общими информационными процессами являются три процесса: сбор, преобразование, использование информации. В судовождении к информационным процессам относят: - Поиск информации; Сбор - Отбор информации; информации - Хранение информации; - Передача информации; - Кодирование информации; - Обработка информации; - Защита информации. Каждый из этих процессов распадается, в свою очередь, на ряд процессов, причем некоторые из последних могут входить в каждый из выделенных обобщенных процессов. Схематичное изображение информационного процесса Современные информационные системы С информационными процессами очень тесно связано такое понятие как информационная система. Информационная система - это автоматизированная система, предназначенная для хранения, передачи или обработки информации. Применительно к системам управления, информация представляет собой сведения, характеризующие систему управления, ее внешнюю среду, и данные, используемые в процессе принятия решений. Современные информационные системы В зависимости от предметной области информационные системы могут весьма значительно различаться по своим функциям, архитектуре, реализации. Однако можно выделить ряд свойств, которые являются общими: 1. Информационные системы предназначены для сбора, хранения и обработки информации, поэтому в основе любой из них лежит среда хранения и доступа к данным. 2. Информационные системы ориентированы на конечного пользователя, не обладающего высокой квалификацией в области вычислительной технике. Поэтому клиентские приложения информационной системы должны обладать простым, удобным, легко осваиваемым интерфейсом, который предоставляет конечному пользователю все необходимые для работы функции и в то же время не даѐт ему возможность выполнять какие-либо лишни действия. Таким образом, при разработке информационной системы приходится решать две основные задачи – разработка базы данных для хранения информации и разработка графического интерфейса пользователя клиентских приложений.