Основные положения - раздел Информатика, УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ИНФОРМАТИКА Термин Интеллект (Intelligence) Происходит От Латинского Int...
Термин интеллект (intelligence) происходит от латинского intellectus — что означает ум, рассудок, разум; мыслительные способности человека. Соответственно искусственный интеллект (artificial intelligence) — ИИ (AI) обычно толкуется, как свойство автоматических систем брать на себя отдельные функции интеллекта человека, например, выбирать и принимать оптимальные решения на основе ранее полученного опыта и рационального анализа внешних воздействий.
Искусственный интеллект как новая область научных исследований не имеет однозначного определения. В настоящее время используются следующие формулировки:
1) область фундаментальных исследований, в процессе которых разрабатываются новые модели и методы решения задач, не поддающихся формализации;
2) область разработки новых технологий программирования для компьютеров не фон-неймановской архитектуры;
3) экспериментальная научная дисциплина, занимающаяся проверкой и уточнением интеллектуальных систем.
Основные направления ИИ:
- разработка интеллектуальных информационных систем (ИИС) или систем, основанных на знаниях;
- разработка естественно-языковых интерфейсов и машинный перевод;
- генерация и распознавание речи;
- обработка визуальной информации;
- обучение и самообучение;
- распознавание образов;
- игры и машинное творчество;
- программное обеспечение систем ИИ;
- новые архитектуры компьютеров;
- интеллектуальные роботы.
ИИС основана на концепции использования базы знаний для генерации алгоритмов решения прикладных задач различных классов в зависимости от конкретных информационных потребностей пользователей. Для ИИС характерны следующие признаки:
- развитые коммуникативные способности;
- умение решать сложные плохо формализуемые задачи;
- способность к самообучению;
- адаптивность.
Одно из определений термина «знания» гласит: «Знания – это хорошо структурированные данные или данные о данных, или метаданные».
Знания можно классифицировать следующим образом:
1) по своей природе
a) декларативные - описание фактов и явлений, связей между ними и закономерностей их развития;
b) процедурные - описание действий при манипулировании фактами и явлениями;
2) по способу приобретения
a) факты;
b) эвристику - правила, которые позволяют сделать выбор при отсутствии точных теоретических обоснований;
3) по типу представления
a) факты – «А – это А»;
b) правила – «Если А, то В».
Существуют различные подходы к построению систем ИИ.
Основой логического подхода служит Булева алгебра. Практически каждая система ИИ, построенная на логическом принципе, представляет собой машину доказательства теорем. При этом исходные данные хранятся в базе знаний в виде аксиом, правила логического вывода как отношения между ними. Кроме того, каждая такая машина имеет блок генерации цели, и система вывода пытается доказать данную цель как теорему. Если цель доказана, то трассировка примененных правил позволяет получить цепочку действий, необходимых для реализации поставленной цели. Мощность такой системы определяется возможностями генератора целей и машиной доказательства теорем.
Конечно, можно сказать, что выразительности алгебры высказываний не хватит для полноценной реализации ИИ, но стоит вспомнить, что основой всех существующих ЭВМ является бит — ячейка памяти, которая может принимать значения только 0 и 1. Таким образом было бы логично предположить, что все, что возможно реализовать на ЭВМ, можно было бы реализовать и в виде логики предикатов. Хотя здесь ничего не говорится о том, за какое время.
Добиться большей выразительности логическому подходу позволяет такое сравнительно новое направление, как нечеткая логика. Основным ее отличием является то, что правдивость высказывания может принимать в ней кроме да/нет (1/0) еще и промежуточные значения — не знаю (0.5), пациент скорее жив, чем мертв (0.75), пациент скорее мертв, чем жив (0.25). Данный подход больше похож на мышление человека, поскольку он на вопросы редко отвечает только да или нет. Хотя, правда на экзамене будут приниматься только ответы из разряда классической булевой алгебры.
Для большинства логических методов характерна большая трудоемкость, поскольку во время поиска доказательства возможен полный перебор вариантов. Поэтому данный подход требует эффективной реализации вычислительного процесса, и хорошая работа обычно гарантируется при сравнительно небольшом размере базы знаний.
Под структурным подходом мы подразумеваем здесь попытки построения ИИ путем моделирования структуры человеческого мозга. Одной из первых таких попыток был перцептрон Френка Розенблатта. Основной моделируемой структурной единицей в перцептронах (как и в большинстве других вариантов моделирования мозга) является нейрон.
Позднее возникли и другие модели, которые в простонародье обычно известны под термином "нейронные сети" (НС). Эти модели различаются по строению отдельных нейронов, по топологии связей между ними и по алгоритмам обучения. Среди наиболее известных сейчас вариантов НС можно назвать НС с обратным распространением ошибки, сети Хопфилда, стохастические нейронные сети.
НС наиболее успешно применяются в задачах распознавания образов, в том числе сильно зашумленных, однако имеются и примеры успешного применения их для построения собственно систем ИИ, это уже ранее упоминавшийся ТАИР.
Для моделей, построенных по мотивам человеческого мозга характерна не слишком большая выразительность, легкое распараллеливание алгоритмов, и связанная с этим высокая производительность параллельно реализованных НС. Также для таких сетей характерно одно свойство, которое очень сближает их с человеческим мозгом — нейронные сети работают даже при условии неполной информации об окружающей среде, то есть как и человек, они на вопросы могут отвечать не только "да" и "нет" но и "не знаю точно, но скорее да".
Довольно большое распространение получил и эволюционный подход. При построении систем ИИ по данному подходу основное внимание уделяется построению начальной модели, и правилам, по которым она может изменяться (эволюционировать). Причем модель может быть составлена по самым различным методам, это может быть и НС и набор логических правил и любая другая модель. После этого мы включаем компьютер и он, на основании проверки моделей отбирает самые лучшие из них, на основании которых по самым различным правилам генерируются новые модели, из которых опять выбираются самые лучшие и т. д.
В принципе можно сказать, что эволюционных моделей как таковых не существует, существует только эволюционные алгоритмы обучения, но модели, полученные при эволюционном подходе имеют некоторые характерные особенности, что позволяет выделить их в отдельный класс.
Такими особенностями являются перенесение основной работы разработчика с построения модели на алгоритм ее модификации и то, что полученные модели практически не сопутствуют извлечению новых знаний о среде, окружающей систему ИИ, то есть она становится как бы вещью в себе.
Еще один широко используемый подход к построению систем ИИ — имитационный. Данный подход является классическим для кибернетики с одним из ее базовых понятий — "черным ящиком" (ЧЯ). ЧЯ — устройство, программный модуль или набор данных, информация о внутренней структуре и содержании которых отсутствуют полностью, но известны спецификации входных и выходных данных. Объект, поведение которого имитируется, как раз и представляет собой такой "черный ящик". Нам не важно, что у него и у модели внутри и как он функционирует, главное, чтобы наша модель в аналогичных ситуациях вела себя точно так же.
Таким образом, здесь моделируется другое свойство человека — способность копировать то, что делают другие, не вдаваясь в подробности, зачем это нужно. Зачастую эта способность экономит ему массу времени, особенно в начале его жизни.
Основным недостатком имитационного подхода также является низкая информационная способность большинства моделей, построенных с его помощью.
Представим себе, что за нами наблюдает какое-то устройство, которое следит за тем, что в каких ситуациях мы делаем, говорим. Наблюдение идет за величинами, которые поступают к нам на вход (зрение, слух, вкус, тактильные, вестибулярные и т.д.) и за величинами, которые выходят от нас (речь, движение и др.). Таким образом человек выступает здесь как типичный ЧЯ.
Далее это устройство пытается отстроить какую-то модель таким образом, чтобы при определенных сигналах на входе человека, она выдавала на выходе те же данные, что и человек. Если данная затея будет когда-нибудь реализована, то для всех посторонних наблюдателей такая модель будет той же личностью, что и реальный человек.
И заканчивая беглое ознакомление с различными методами и подходами к построению систем ИИ, хотелось бы отметить, что на практике очень четкой границы между ними нет. Очень часто встречаются смешанные системы, где часть работы выполняется по одному типу, а часть по другому.
Все темы данного раздела:
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Часть 2
Издательство ТулГУ
Тула 2007
УДК 004 (075.9)
Андриянова М.А. Информатика: Часть 2, учеб. по
Иерархическая модель данных
К основным понятиям иерархической структуры относятся: уровень, элемент(узел), связь. Узел это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. Каждый узел на более низком уровне
Реляционная модель данных
Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц (см. табл. 1). Каждая реляционная таблица (отношение) представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойст
Требования к БД
Опыт использования БД позволяет выделить общий набор их рабочих характеристик:
· Полнота – чем полнее база данных, тем вероятнее, что она содержит нужную информацию (однако не должн
Трехуровневая архитектура представления данных
Проект базы данных надо начинать с анализа предметной области и выявления требований к ней отдельных пользователей (сотрудников организации, для которых создается база данных). Проектирование обычн
Средства представления инфологической модели данных
Популярной в настоящее время наглядной формой представления модели на информационно-логическом уровне являются ER- диаграммы (ER – от англ. Entity – Relationship, т.е. сущность-связь) В них сущност
Нормализация отношений
Одни и те же данные могут группироваться в таблицы (сущности, отношения) различными способами. Группировка атрибутов в таблицах должна быть рациональной, т.е. минимизирующей дублирование данных и у
Первая нормальная форма
Таблица, структура которой приведена на рисунке 7, является ненормализованной. Таблица в первой нормальной форме (1НФ) должна удовлетворять следующим требованиям:
· Таблица не должна иметь
Вторая нормальная форма
О таблице говорят, что она находится во второй нормальной форме, если:
· Она удовлетворяет условиям первой нормальной формы
· Любое неключевое поле однозначно идентифицируется пол
Третья нормальная форма
О таблице говорят, что она находится во второй нормальной форме, если:
· Она удовлетворяет условиям второй нормальной формы
· Ни одно из неключевых полей не идентифицируется с пом
Основы использования языка SQL
SQL (Structured Query Language, структурированные язык запросов) – стандартный язык запросов по работе в реляционными базами данных. SQL нельзя в полной мере отнести к традиционным языкам программи
Язык Описания Данных
ЯОД – это язык высокого уровня декларативного (непроцедурного) типа, предназначенный для формализованного описания типов данных, их структур и взаимосвязей. Исходные тексты описания данных на этом
Язык Манипулирования Данными
ЯМД (или язык запросов) представляет собой систему команд, которые позволяют по запросу пользователя извлекать необходимые данные из базы данных. В таблице 6 представлены некоторые операторы, позво
Ключевые этапы моделирования
Подготовка и проведение моделирования предполагает чаще всего:
1. Формулирование задачи.
2. Обоснование необходимости исследования оригинала посредством модели.
3. Получе
Категориальные модели
Детерминированное моделирование (регулярные, предопределённые) предполагает изучение сущностей, не подвергаемых случайным воздействиям и изменениям, то есть с регулярным поведением.
Модели, фиксирующие особенности свойств оригинала
С кибернетической точки зрения многие модели рассматриваются как некоторый ящик с входами и выходами, о котором может быть что-то известно.
Кибернетическая модель типа «чёрный ящик»
Природа моделей
Рисунок 14 - Схемы физических моделей:
а- груз на пружине;
б — LCR— электрическая цепь;
S=F/t — механическое сопротивление;
F — си
Основания для перехода от модели к оригиналу
Переход от свойств и отношений физической либо математической модели к свойствам и отношениям оригинала возможен на основе:
принятого условия, соглашения (условные модели);
Модели, определяемые методом получения результата
Расчётная модель - модель, в которой свойства и отношения оригинала описаны таблицами, формулами либо зависимостями (теоретическими и эмпирическими), устанавливающими связь между в
Модели, определяемые инструментальной средой моделирования
Компьютерные модели сущности являются, как правило, алгоритмическим отображением математических моделей. Данные модели создаются на аналоговых (АВМ), цифровых (ЦВМ) и гибридных (ГВМ) вычислительных
Топология компьютерных сетей
Компьютеры соединяются в сеть (КС) в соответствии с определенной топологией.
Топология вычислительной сети - это усредненная геометрическая схема соединений узл
Компьютеры
В сетях могут использоваться как однопользовательские микро-ЭВМ (в том числе и ПЭВМ), так и мощные многопользовательские ЭВМ (мини – ЭВМ, большие ЭВМ). ЭВМ, объединенные в сеть, делятся на основные
Каналы передачи данных
Каждый тип канала связи характеризуется следующими параметрами:
· скорость передачи данных;
· максимальная длина линии;
· помехозащищенность;
· механическая проч
Устройства сопряжения ЭВМ с аппаратурой передачи данных
В качестве устройств сопряжения ЭВМ с аппаратурой передачи данных и с терминальными устройствами используются: линейные адаптеры, мультиплексоры, связанные процессоры.
Линейные адаптеры
Устройства межсетевого интерфейса
В качестве межсетевого интерфейса для соединения сетей между собой используются повторители, мосты, маршрутизаторы и шлюзы.
Повторители – устройства, усиливающие электрические сигна
Устройства коммутации
Узлы коммутации сетей содержат устройства коммутации (коммутаторы). Если они выполняют коммутацию на основе иерархических адресов связи, то их называют маршрутизаторами.
У
Методы доступа к каналам связи
Для ЛВС, использующих для передачи информации моноканал, т.е. канал связи, одновременно используемый несколькими абонентами, (например, в сетях с шинной и петлевой технологиями), актуальным являетс
Локальные сети
Существуют два принципиально разных способа соподчинения компьютеров в локальной сети (ЛС) и соответственно технологии работы в ней:
Рисунок 21 - Схема соподчинения ПК в одноранговой се
Сеть с файловым сервером
Способ организации и хранения информации на файловом сервере устанавливается администратором сети. На нем также лежит ответственность за сохранность коллективно используемой информации. В от
Одноранговая сеть
Целью создания одноранговой сети является совместное использование ресурсов различных компьютеров в сети. При этом под ресурсами рабочей станции в одноранговой сети понимаются:
· устройств
Модель открытой системы взаимодействия
Управление процессом передачи и обработки данных требует формализации и стандартизации таких процедур как
выделение и освобождение ресурсов ЭВМ и системы телекоммуникаций; у
Возможности сети Интернет
В дословном переводе на русский язык Интернет — это межсеть, то есть в узком смысле слова Интернет — это объединение сетей, несколько миллионов компьютеров, связанных друг с другом вс
Программное обеспечение работы в Интернет
Программы для работы с WWW называются браузерами. Наибольшее распространение получили комплексы Netscape Communicatior и Microsoft Internet Explorer (MIE), Opera, Mozilla. Одно из
Адресация и протоколы в Интернет
Компьютер, подключенный к Интернету, называется хостом. Для идентификации каждого хоста в сети имеются две системы адресов, действующих совместно:
1) IP- адрес анал
Терминальный режим
Исторически одной из ранних является служба удаленного управления компьютером Telnet. Подключившись к удаленному компьютеру по протоколу этой службы, можно управлять его работой. Такое управ
Всемирная паутина, или World Wide Web
WWW — это единое информационное пространство, состоящее из сотен миллионов взаимосвязанных электронных документов, хранящихся на Web-серверах. Отдельные документы, составляющие пространст
Служба Gopher
Доступ к серверам Gopher является ещё одним сервисом Интернет, который доступен посредством браузеров WWW.
Так же как и серверы WWW, серверы Gopher содержат ссылки друг на друга, и для раб
Файловые информационные ресурсы FTP
FTP – гигантское хранилище файлов различного типа, хранящихся на FTP- серверах. Прием и передача файлов составляют значительный процент от прочих Интернет - услуг. Необходимость в передаче файлов в
Электронная почта (E-mail)
Самая популярная форма общения в Интернете – электронная почта. Ее обеспечением занимаются специальные почтовые серверы (программа, а не узел сети). Почтовые серверы получают сообщения от кл
Новости, или конференции
Служба телеконференций (Usenet) похожа на циркулярную рассылку электронной почты, в ходе которой одно сообщение отправляется не одному корреспонденту, а большой группе (такие группы н
Передача разговоров по Интернету
Служба IRC (Internet Relay Chat) предназначена для прямого общения нескольких человек в режиме реального времени. Иногда службу IRC называют чат-конференциями или просто чат
Многопользовательские области, или Игры в Internet
В конце 70-х годов многие пользователи ранних моделей ПК были увлечены новым классом игр, получившим название ролевых игр (role-playing games). Эти фантастические игры были весьма занимательные, но
Радиовещание Интернет (Internet Talk Radio)
Радиовещание Internet построено по модели Национального общественного радио (National Public Radio): оно имеет спонсоров, множество разнообразных рубрик и определённую аудиторию, состоящую из людей
Базы данных WAIS
Прямой поиск нужного фрагмента информации среди миллионов файлов в Интернете является трудной задачей. Тысячи узловых компьютеров образуют запутанную и децентрализованную структуру, в которой нет е
Сетевая операционная система (СОС)
Network Operating System (NOS) - комплекс программ, обеспечивающих в сети обработку данных, хранение данных и передачу данных.
Сетевая операционная система NOS
Сетевая операционная система AIX
AIX network operating system - СОС, созданная корпорацией IBM.
Операционная система AIX имеет структуру, обеспечивающую ее использование на системах любых
Сетевая операционная система Cairo
Cairo network operating system - СОС с объектно-ориентированной архитектурой, предложенная корпорацией Microsoft.
Главной особенностью системы Cairo
Сетевая операционная система Dayton
Dayton network operating system - СОС, разработанная корпорацией Microsoft.
Dayton характеризуется значительным числом функций, предоставляющих широки
Сетевая операционная система LAN Server
LAN Server network operating system - СОС, разработанная корпорацией IBM.
Система LAN Server предусматривает работу в информационной сети клиентов
Сетевая операционная система NetWare
NetWare network operating system - СОС, разработанная корпорацией Novell.
Система NetWare была создана фирмой Novell в 1985
Сетевая операционная система VINES
VINES network operation system- СОС, созданная корпорацией Banyan Systems.
Архитектура системы VINES, первая версия которой выпущена в 1984 г., предусматр
Сетевая операционная система Windows 95
Windows 95 network operating system - СО, разработанная корпорацией Microsoft.
Система Windows 95 является 32-разрядной многозадачной и многопоточн
Сетевая операционная система Windows NTAS
Windows NTAS network operating system - СОС, разработанная корпорацией Microsoft.
Сердцевиной Windows NTAS или Windows NT Advanced Serve
Операционная система UNIX
UNIX operating system - СОС, созданная лабораторией Bell.
Впервые UNIX была предложена фирмой Bell Laboratory в 1969 г. и у
Сетевая плата - это устройство
1) вывода алфавитно-цифровой и графической информации
2) хранения данных с произвольным доступом
3) для соединения компьютеров в локальную сеть
4) для соединения компьюте
Защита информации
Защита информации в компьютерных сетях становится одной из самых острых проблем в современной информатике. Защитить информацию – это значит:
обеспечить физическую целостность информа
Объекты и элементы защиты в компьютерных системах обработки данных
Объект защиты – структурный компонент системы, в котором находится или может находиться подлежащая защите информация. Например, терминалы пользователей, средства отображения информ
Средства опознания и разграничения доступа к информации
Нейтрализация угроз осуществляется службами безопасности сети и механизмами реализации функций этих служб. Документами международной организации стандартизации (МОС) определены следующие службы без
Криптографический метод защиты информации
Криптографическое преобразование - один из наиболее эффективных методов защиты информации. Криптографическое преобразование повышает безопасность
передачи данных в к
Компьютерные вирусы и антивирусные программные средства
Компьютерный вирус – специально написанная, обычно небольшая по размерам программа, способная самопроизвольно присоединяться к другим программам, создавать свои копии и внедрять их
Защита программных продуктов
Программные продукты – важные объекты защиты. Защита программных продуктов преследует следующие цели:
ограничение несанкционированного доступа отдельных польз
Обеспечение безопасности данных на автономном компьютере
Имеются три основных способа использования антивирусных программ:
поиск вируса производится автоматически при начальной загрузке, когда команда запуска антиви
Безопасность данных компьютерных сетей
Наиболее распространенными способами защиты информации в компьютерных сетях служат резервное копирование и использование разных служб безопасности операционных сетей.
Сетевые утилиты
Логическая модель представления знаний
Логическая модель основана на системе исчисления предикатов первого порядка. В основе логики предикатов лежит исчисление высказываний.
Высказыванием называется предложение, смысл ко
Представление знаний правилами продукций
Продукционная модель в силу своей простоты получила наиболее широкое распространение. В этой модели знания представляются в виде совокупности правил типа «ЕСЛИ — ТО». Системы обработки знаний, испо
Объектно-ориентированное представление знаний фреймами
Фреймовая модель представления знаний - систематизированная психологическая модель памяти человека и его сознания.
Фреймом называется структура данных для представления некоторого к
Модель семантической сети
Общепринятого определения семантической сети не существует. Обычно под ней подразумевают систему знаний некоторой предметной области, имеющую определенный смысл в виде целостного образа сети, узлы
Эволюционные аналогии в искусственных интеллектуальных системах
Эволюционное моделирование можно определить как воспроизведение процесса естественной эволюции с помощью специальных компьютерных программ. К факторам, определяющим неизбежность эволюции, относятся
Тесты для самопроверки
1. Свойства выбирать и принимать оптимальные решения на основе ранее полученного опыта и рационального анализа внешних воздействий присуще:
экспертным системам
Библиографический список
Акулов О.А. Информатика: базовый курс: учебник для вузов, бакалавров, магистров / О.А.Акулов, Н.В.Медведев. – М.: Омега-Л, 2004. – 552 с. Алексеев А.П. Информатика 2001/ А.П.Алексеев
Часть 2
Авторское редактирование
Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 12.12.07.
Форма бумаги 60х80 1/16. Бума
Новости и инфо для студентов