Интеллектуальные системыи технологии

Лекция 17.Гибридные интеллектуальные

системы

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

2

Искусственный интеллект –основа технологий XXI века

• Последняя информационная революция-– преобразование информации в продукт,– ИИ – собеседник,– ИИ – «искусственный человек»– ИИ + мозг = киборг (трансгуманизм)

• Объективная необходимость в развитииИИ, подобного человеческому разуму

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

3

Два подхода к построению ИИ• Логический

– Моделирование логического (вербального) мышления

– Различные модели представления знаний– Различные методы логического вывода– Различные методы формализации знаний

• Нейрокибернетический– Моделирование процессов ассоциативнойобработки информации нейронными сетями

– Различные виды структур искусственныхнейронных сетей

– Различные парадигмы обучения

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

4

Почему нужен гибридный подход -1

• Достоинства логического подходаa) Относительно легкое взаимодействие между роботом

и человеком;b) Возможность программирования поведения робота

• Недостатки логического подходаa) Он может быть использован только в случае известного

и детерминированного окруженияb) Он не ориентирован на восприятие визуальных образов

и поэтому очень трудно использовать реальныеобъекты окружения для взаимодействия с роботом

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

5

Почему нужен гибридный подход -2• Достоинства нейрокибернетическогоподхода:– Способность воспринимать образы изокружения

– Способность обучаться поведению внезнакомой среде

• Недостатки нейрокибернетическогоподхода:– Трудно программировать поведение– Трудно общаться с роботом наестественном языке

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

6

Почему нужен гибридный подход -3

• Гибридный подход основан наразличных парадигмах, в частности, на нейронных сетях и правилах илисемантических сетях или фреймах

• Гибридный подход имеетпреимущества обоих подходов и неимеет их недостатков

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

7

Два вида мышления у человека

• Образное (ассоциативное)• Логическое (вербальное)• Мозг (разум) – их комбинация• Необходима гибридизация двухподходов к ИИ

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

8

Два уровня представления и обработкизнаний

Вербальное(логическое)мышление

Ассоциативноемышление

Образы (сигналы) Управляющие сигналы

Сознание

Подсознание

Знаки

Образы

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

9

Что такое гибриднаяинтеллектуальная система?

• Различные методы представлениязнаний

• Различные методы обработки знанийВ частности:• Различные методы представлениязнаний

• Различные модели нейронных сетей• Иногда генетические алгоритмы

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

10

Классификация гибридных интеллектуальных системFunobashi M., Moeda A., Morooka Y., Mori K. Fuzzy and Neural Hybrid Expert Systems: Sinergetic AI. - AI in Japan, IEEE, 1995, august. - Pp. 33-40.

• Комбинация(Combination)

• Интеграция(Integration)

• Смешанная (Fusion)• Ассоциация

(Association)

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

11

Другая классификация ГИС - 1Kenneth McGarry, Stefan Wermter, John MacIntyre.

Hybrid Neural Systems: From Simple Coupling to Fully Integrated Neural Networks. Neural Computing Surveys 2, 62-93, 1999, http ://www.icsi.berkeley.edu/~ jagota/NCS

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

12

Другая классификация ГИС - 2

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

13

Другая классификация ГИС - 3

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

14

Примеры гибридного подхода

Управляющиепрограммы

Операционнаясистема роботов(ОСР)

Диалоговая программаконтроля программ(ДИСКОН)

Диалоговаяпрограммаподготовки программ(ДИСПОР)

Робот Оператор Оператор-программист

ПО для программирования транспортного роботав рамках ГАП (конец 1980-х) (для АО «Оксид»)

Использование ЕЯ и обучение

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

15

Принципы нечетких семантическихсетей для распознавания ЕЯ

• Семантически-ориентированный анализ сминимальным использованием синтаксиса(используются только знаки препинания),

• Создание в процессе обучения иерархий изконцептов с горизонтальнымиассоциативными связями между узламисети, как результат обработки предложенийЕЯ в процессе диалога

• Распознавание слов и фраз помаксимальной похожести с использованиемнейроподобных алгоритмов (нечеткоераспознавание)

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

16

Пример внутреннего представлениясмысла предложения

mechanics control system sensor actor interface human robot

Обработка предложения:Robot - mechanics, control system, sensors, actors, interfaces with human

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

17

Архитектура гибридной системыуправления мобильного робота

Neural networks for perception

Classification and recognitionof images and situations,

Associations between images,situations and signs (names)

Hierarchical Semantic-NeuralNetwork, RulesAnalyzing of NL,

programming and achievement ofgoals (planning and navigation),

programming of behavior as set of rules

Commands and rulesby words

and sentences

Neural networks for motion

Associations between statesof engines, images andcommands to optimizetrajectories of motions

Images, states ActionsStates

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

18

Использование контекста и ЕЯ дляпрограммирования/обучения роботов (2008-2009)

Текущий контекст

Распознавание (понимание) ЕЯ

Распознаваниеобразов

Последовательность

действий

Понятия Поведения

Действия

Речь или текст

Запуск

Описания

Ассоциативная память

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

19

Технология поиска документов по запросам на ЕЯ(2000-2003)

Пользователь

Обработка запроса

База знанийПостоянная часть Переменная часть

Базовый словарь

Диалог с учителем Обработка документа

Доп. словарь

Учитель-администратор Документы

Ориентация на семантикуИерархические семантические сетиНечеткие алгоритмы распознаванияпохожих слов/словосочетаний

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

20

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

21

«Двухполушарные» экспертныесистемы (1990-е)

Уровень храненияЗнаний Правила на языке

представленияУровень обработки знанийДанных и знаний

Факты и гипотезына языке представ-

Уровень хранения ления знанийданных

Коды фактови гипотез в виде

Уровень хранения и числового вектораОбработки сигналов(событий)

БЗ

Машина логического вывода

Доска объявлений

Нейронная сеть

Менеджер доски объявлений

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

22

Инструментарий для создания гибридныхэкспертных систем (ESWin) (1999-2005)

База знаний Факты База данных Программы

Редакторы БЗ:

KBView

Оболочки:

KlbEdit ESWin ESWinUS

Разработчик Пользователь

EditKB

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

23

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

24

Инструментарий для создания ЭС вИнтернете (2005)

Редакторы БЗEdKB, KlbEdit Оболочка для

разработчика ESWinПросмотрщик

KBViewОболочка

пользователяESWinUS

База знанийБаза фактов База данных

Внешниепрограммы

User

Импорт баз знаний

База знаний в MySQL

Администрирование БЗ Логический вывод , просмотрБЗ и результатов

Администратор Пользователь

Броузер

Developer

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

25

Smart HomeMotes gather information about activities of daily living for monitoring by a caregiver. This increases client independence and permits reduction of number of full-time caregiving staff.(source: Ross, 2004, IEEE Spectrum online)

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

26

Smart Environment

Back-end Server(Context Aware Middleware)

SCSSCS

SCSSCS

SCSSCS

SCSSCS

Hand-held Device(Mobiquitous Service)

Hand-held Device(Mobiquitous Service)

Interaction b/w Interaction b/w CA M/W, Mobile DeviceCA M/W, Mobile Device

Interaction b/wInteraction b/wSCS/SCO, Mobile DeviceSCS/SCO, Mobile Device

Interaction b/w SCS/SCOInteraction b/w SCS/SCO

Smart ChairSmart Chair(SCO)(SCO)

Smart BedSmart Bed(SCO)(SCO)

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

27

Сенсоры

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

28

Mediacup – embedding awareness tech in everyday objects

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

29

Использование нейронных сетейв “smart environment” (2005-2007)• Для инвариантного распознаванияобъектов/ситуаций в динамическомокружении

• Для определения местоположениямобильных устройств в здании

• Для распознавания лиц и эмоций• Для предсказания поведенияобъектов/субъектов

• Для определения доверия к субъекту всистемах безопасности

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

30

Задачи ИИ для умного дома• описание (формализация) поведения системы,• восприятие (perception) системой состояния

контролируемой среды (объектов и субъектов),• удобное взаимодействие системы с субъектами среды

на естественном языке,• обучение системы в процессе взаимодействия со

средой поведению и восприятию,• мониторинг контролируемой среды, включающий в

себя задачи диагностики и прогнозирования,• задачи локализации и отслеживания объектов и

субъектов в умном окружении,• интеллектуализация предметов повседневного

обихода (создание “smart object”), например, посуды(«умная чашка»), мебели (кровать, стул, стол), приборов бытовой техники.

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

31

Локализация мобильных устройств в здании на основе распознаваниявектора радиосигналов от «маяков» нейронной сетью

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

32

Эмоции в обучении роботов(2008-2009)

Generation ofbasic emotions

Classifier of situation, based onleaning neural network

Perception, decisionmaking and planning

From sensors

To actuators

Positive -award,Negative -punishment

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

33

Литература:

• Гаврилов А.В. Диалоговая система подготовки программ для роботов. - Всб. Automatyka, v.99, Glivice, 1988, p.173-180.

• Системы искусственного интеллекта. Межвуз. сб. под ред. А.В.Гаврилова, Новосибирск, НГТУ, 1993. – 69с.

• Гаврилов А.В. Гибридные интеллектуальные системы. - Новосибирск: НГТУ, 2003. - 162с.

• Гаврилов А.В., Губарев В.В., Джо К.-Х., Ли Х.Х. Архитектура гибриднойсистемы управления мобильного робота. – Научный вестник НГТУ, Новосибирск, 2004. - №2 (17). – С. 3-13.

• Гаврилов А.В., Губарев В.В., Джо К.-Х., Ли Х.Х. Архитектура гибриднойсистемы управления мобильного робота. – Мехатроника, автоматизация, управление, 2004, №8. – С. 30-37.

• Гаврилов А.В. Эмоции, априорные знания и дружественноеповедение робота. - Труды 11-ой национальной конференции поискусственному интеллекту с международным участием КИИ-2008 (г.Дубна, Россия). –М.: ЛЕНАНД, 2008. –Т.1. –С.410-419.

А.В.ГавриловНГТУ, кафедра АППМ

34

• А.В.Гаврилов. Искусственный Домовой. - Искусственный интеллект ипринятие решений, №2, 2012.- C.77-89

• Гаврилов А.В., Новицкая Ю.В., Яцевич Т.А. Умная учебная лаборатория // Робототехника и искусственный интеллект: Материалы V Всероссийскойнаучно-технической конференции с международным участием. -Красноярск: ЦНИ "Монография", 2013. - С. 126-134.

• А.В.Гаврилов. Контекстно-ориентированная гибридная архитектурасистемы управления интеллектуального робота. Материалы VI Всероссийской научно-технической конференции с международнымучастием. - Красноярск: ЦНИ "Монография", 2014. – С. 74-79.

• Новицкая Ю.В., Гаврилов А.В. Система мониторинга умной учебнойлаборатории. - Материалы VII Всероссийской научно-техническойконференции «Робототехника и искусственный интеллект» РИИ-2015, Железногорск, СФУ, 2015. – С. 177-182.

• Новицкая Ю.В., Гаврилов А.В. Экспертная система модуля мониторингаумной учебной лаборатории. – Материалы 6-й Международной научно-практической конференции АГРОИНФО-2015, Новосибирск, 2015, ч. 2. –С. 90-95.

• Ю.В.Новицкая, А.В.Гаврилов. О применении технологий «умных сред» кавтоматизации проведения лабораторных работ. Труды VIII-ойМеждународной научно-практической конференции «Интегрированныемодели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте», Том 1. –Коломна, 2015. – С. 410-417.