Современные проблемы создания интеллектуальных автоматизированных информационных систем
1. Роль интеллектуальных информационных систем в развитии современного общества
| Общество | |
| Текущее состояние | Перспективы развития |
Неустойчивое развитие (Конференция ООН по окружающей среде и развитию 1992 г.): 1. Вещественно-энергетическое общество. 2. Мощь воздействий человека на природу = Мощь самих природных сил. 3. Угроза глобального кризиса (демографического, экологического, энергетического, сырьевого …). |
Устойчивое развитие 1. Информационное общество (основано на знаниях и научной информации). 2. Обеспечение выживания и непрерывного развития человечества. 3. Обеспечение сохранения биосферы (биосфероцентричность). |
Аналог:
Неандертальцы ® Кроманьонцы
Охота + Собирательство ® Скотоводство + Земледелие
Инструмент создания информационного общества (инфосферы) – новые информационные технологии (НИТ).
Основа НИТ – ИАИС (естественно-языковые).
ИАИС расширили сферу применения ЭВМ: решение неформализуемых или слабо формализуемых проблем (нет алгоритмического решения!) – современная наука и техника.
Пример 1. Анализ и обработка данных об изменениях климата на планете, перспективы глобального потепления и др. катаклизмы – суперкомпьютер NEC Earth Simulator: 5104 процессора, 35.6 трлн. операций в секунду (87 % от предполагаемой скорости), 5 (пять!) лет разработки и строительства, $400 млн.
Пример 2. Проекты распределенных вычислений. Поиск разумных радиосигналов из космоса. Анализ сотен миллионов лекарств, перспективных в борьбе с раком.
"Разработка программы, которая будет выполнять сложную статистическую обработку данных, нельзя рассматривать как исследование в области искусственного интеллекта, какие бы сложные алгоритмы в ней не использовались".
Искусственный интеллект @ науки о познании (психология, логика, лингвистика).
"Впервые после фундаментального пересмотра картины мира, связанного с именами Коперника и Дарвина, разработка методов искусственного интеллекта возвращает нас к вопросу о месте человека в природе".
Центральная проблема – проблема представления и приобретения знаний.
Концепция устойчивого развития – изучение функционирования сознания и структуры знаний человека, его интересов и целей его деятельности (когнитивного аспекта развития человека). Переориентация сознания и интересов людей на новые ориентиры и цели, отказ от многих потребностей, которые до сих пор считались общепринятыми (и снова аналог с неандертальцами и кроманьонцами).
Вывод: важность ИАИС определяется:
1) их ориентированностью на слабоструктурированные и слабоформализованные проблемы;
2) их ориентацией на знания и когнитивный характер моделируемых и автоматизируемых ими структур и процессов.
2. Основные проблемы практики создания интеллектуальных информационных систем
информационный система иерархический универсум
ИАИС "не всесторонне охватывают человеческие потребности" и не вплетены "органически в живую ткань человеческого общества".
Главная задача – не повышение производительности ЭВМ, а в том, чтобы ее работа основывалась на идее антропоцентризма – чтобы сделать процессы, происходящие в системах, понятными для людей, иначе человек не сможет управлять ими (системы управления АЭС, военные системы предупреждения …).
Проблемы применения естественного языка:
1. Диалоговый компонент ИАИС использует меню, шаблоны, заготовки фрагментов фраз и т.п.
2. Аналитик (инженер по знаниям) должен дать толкование естественноязыковых элементов в терминах формального языка.
3. Функционирование основной части системы (представление и манипулирование знаниями) осуществляется с помощью формализмов, недоступных конечному пользователю.
4. Проблема выбора формализма для представления знаний.
Организация БЗ отличается от структуры знаний человека: соотношение "поверхностных знаний" и "глубоких (глубинных) знаний".
| Поверхностные знания | Глубокие знания |
| Основаны на опыте работы или получены от наставников, из практических руководств, инструкций. | Включают знания о первопричинах и взаимосвязи явлений, а также отношениях между объектами. |
| Используются для решения несложных, часто встречающихся задач. | Используются для поиска решений в ситуациях, возникающих впервые. |
Современные ИАИС в основном наполняются поверхностными знаниями, специфическими для каждой ПО.
"Суть информационной технологии, воплощенной в интеллектуальной системе, можно выразить сравнением "работает как человек". …Однако ни один специалист, имеющий опыт работы с этими системами, никогда не скажет, что они способны моделировать поведение людей или хотя бы работу человека в некоторой узкой предметной области"
Вывод: Основная практическая проблема – приближение ИАИС к человеку, обеспечение нового (человеческого) уровня взаимопонимания в системе "человек-машина" на всех этапах разработки и эксплуатации.
3. Фундаментальные теоретические проблемы интеллектуальных информационных систем
| Практическая проблема | Фундаментальная проблема |
| Ограниченность информационной коммуникации | Создание ЭВМ по принципу такой кибернетической и коммуникационной системы, какой является сам человек |
| Обеспечение понимания работы ЭВМ | Научиться организовывать ее работу по образу и подобию работы человеческого мозга. Способ представления решения задачи должен быть понятен человеку и описываться знакомыми понятиями |
Метод решения – максимальное использование в ИАИС естественного языка.
Задача создания средств общения на понятийном уровне ("концептуальный интерфейс"), с помощью которых машины и люди могли бы обмениваться знаниями в доступном человеку виде (в форме понятий!).
Принципы, заложенные в основу ИАИС должны соответствовать принципам организации интеллектуальной деятельности человека.
Роль когнитивных исследований – изучение и моделирование человеческих знаний и когнитивных процессов (принятия решений, обучение, восприятие, запоминание, использование естественного языка …).
Главная цель когнитологии – понять общие закономерности наших знаний.
Первоочередная научная проблема – проблема представления знаний.
Суть проблемы представления знаний – найти способ выражения общих закономерностей нашего мира.
Проблема представления знаний сводится к проблеме концептуального моделирования ПО.
Определение. Концептуальная модель – модель ПО, состоящая из перечня всех понятий, используемых для описания этой ПО, вместе с их свойствами и характеристиками, классификации этих понятий по типам, ситуациям, признакам в данной ПО.
Основа концептуального моделирования – концептуальный анализ.
Цель концептуального анализа – выявление элементов ПО, их свойств и взаимосвязей.
Процедура не формализована (!). Используемые методы:
1. Методы экспертных оценок (снижают субъективность).
2. Методы системных исследований (системный и классификационный анализ) – помогают организовать плохо структурированное знание.
Задача классификационного анализа – отражение и выражение логическими средствами отношений между классами, т.е. родовидовых отношений, существующих в естественных системах и отображенных в естественном языке.
Вывод: Ключевая научная проблема при разработке ИАИС – проблема концептуального классификационного моделирования.
4. Проблемы концептуального классификационного моделирования для систем, основанных на знаниях
Основные проблемы теории классификации
Классификация необходима в любой области знаний, при любой целесообразной деятельности человека.
Классификационное движение – самостоятельное научное направление.
Национальные общества по классификации, Международная федерация классификационных обществ.
Разработка общей теории классификации.
Первая проблема теории классификации: "Что следует считать важным, существенным для построения классов, должна ли общность признаков быть формальной, или она должна быть содержательной?"
Кант критиковал формальный подход (классификация животного мира по сходству). Классификационная схема должна отражать существенные отношения
, и ее целью должно быть подведение родов под законы.
Гегель: классификация должна учитывать сущность предмета.
Вторая проблема теории классификации: "Является ли классификация результатом упорядочения природного хаоса или о
Убежденность в системной природе естественных объектов – в естественности системности.
Анализ понятия "естественный класс объектов". Его соотнесение с "естественной классификацией (ЕК)".
Тесная связь системного анализа (системного подхода) и классификационного анализа (теории классификации).
Создание системного классификационного анализа.
Актуальность и необходимость исследования ЕК. Путь построения ЕК – системный анализ естественных классов объектов с учетом содержательных, т.е. сущностных признаков.
Вывод: в основе проблем теории классификации и системного классификационного анализа лежит проблема, связанная с естественной классификацией.
Сущностный подход к классификации
Использование системного анализа при классифицировании (учет содержательных сущностных признаков).
Феноменологическая классификация – учитывает очевидно выделяющиеся броские признаки.
Характерологическая классификация – учитывает выделяющиеся броские признаки, но такие, которые являются следствием скрытых существенных
свойств.
"Идеалом классификации по ее познавательной ценности является сущностная
, т.е. опирающаяся как на свое основание именно на сущностные признаки классифицируемых объектов. Поэтому, при рассмотрении общих вопросов классификации, сущностной классификации необходимо уделять главное внимание, хотя сущностная классификация, естественно, как идеал, далеко не всегда достижима".
Проблема построения ЕК является задачей фундаментальной науки.
Действительно научным
решением какой-либо проблемы является решение, опирающееся на знание сущности
рассматриваемого объекта.
Знание не свойств, существенных на чей-либо взгляд или для каких-либо целей, а сущности
этого объекта.
"Сущность объектов, как правило, скрыта от прямого наблюдения и лишь реконструируется путем установления устойчивых причин явлений по наблюдаемым следствиям этих причин".
Правильный подход к определению существенных свойств
исследуемых объектов и процессов и к самому понятию сущность
– ключ к решению проблемы.
Два представления по этому вопросу в научной практике.
1. Вещам реальной действительности присуща внутренняя причина устойчивости их свойств; эта причина есть сущность вещи. (единственность сущности)
2. Сущность определяется лишь по отношению к некоторой системе. Нельзя спрашивать, существен или нет некоторый признак безотносительно к какой-либо системе.
Системология
– современный системный подход. Причина возникновения и развития у любого объекта или процесса, как системы, вполне определенных свойств (в том числе существенных, а также сущностных, т.е. сущности) исходит из надсистемы
этой системы и представляет собой запрос надсистемы
на необходимую для нее функцию
системы.
1. Сущность
системы (объекта) формируется вследствие наличия у надсистемы
(объекта более высокого порядка) "потребности" в системе с определенной сущностью, выполняющей в надсистеме определенную функцию
.
2. "Потребность" надсистемы (любой природы – технической, биологической, социальной) в поддержании ее свойств как целого называется в системологии функциональным запросом
на определенные взаимодействия данной системы.
3. Функциональный запрос надсистемы становится для системы определяющим (детерминирующим) фактором (причиной), т.е. внешней детерминантой
, для ее функции в этой надсистеме.
4. Внешняя детерминанта сама есть следствие функции надсистемы в наднадсистеме
.
5. Причиной существования определенных внутренних (поддерживающих функциональные) свойств системы является ее внутренняя детерминанта
, формирующая запросы системы на определенные поддерживающие ее функции подсистем
.
6. Функциональные свойства, ради наличия и для поддержания которых сформировалась данная система, называются в системологии сущностными свойствами
.
7. Все другие свойства системы могут оказаться существенными с точки зрения какого-либо аспекта ее рассмотрения или практического использования, т.е. с точки зрения любой другой надсистемы, не той в которой рассматриваемая система сформировалась.
8. Сущность
системы
есть, с одной стороны, следствие функционального запроса надсистемы в виде необходимых надсистеме функциональных свойств
этой системы и, с другой стороны, внутренняя причина того, что у системы имеются ее сущностные (функциональные) свойства в виде определенных внутренних свойств системы, поддерживающих ее функционирование
.
Определение надсистемы и функционального запроса к системе для анализа ее существенных или сущностных свойств является обязательным и необходимым этапом.
"Если мы хотим системно, сущностно, диалектически подойти к познанию интересующей нас системы, мы должны иметь хотя бы гипотезу относительно того, (1) элементом какой надсистемы является данная система, (2) какова функция надсистемы, (3) на каком этапе развития надсистемы возникла у нее такая модификация функции и, следовательно, (4) такая модификация в инвариантных свойствах надсистемы, (5) для поддержания которой потребовалась определенная перестройка надсистемы, связанная, в частности, с (6) запросом на (7) возникновение изучаемой нами системы".
Если определяются надсистема
и функциональный запрос
, которые представляют собой причину формирования данной системы, то определяются ее сущностные свойства
(сущность
).
Если определяются какие-либо другие надсистема и функциональный запрос, то определяются существенные для этой надсистемы свойства
, но не сущностные.
Вывод: применение вышеназванных положений позволяет обеспечить сущностный подход к классификации
, что, в свою очередь, позволяет подойти к решению проблем системного классификационного анализа и построению ЕК.
Критерии естественной классификации
Проблема выработки критериев ЕК.
Многоаспектная классификация.
Первый критерий ЕК (более 150 лет назад в середине XIX века, Уэвелл): "Чем больше общих утверждений об объектах даст возможность сделать классификация, тем она естественнее …"
В классификационной структуре (схеме) по месту объекта можно предсказать его свойства, так как они определяются связями объекта. (Шрейдер)
ЕК должна выражать закон взаимосвязи систем реальной действительности. (Бокий)
ЕК – это форма представления закона природы, форма выражения наших знаний об объективных зависимостях, существующих в мире между некоторыми объектами. (Забродин)
Сложность построения ЕК. ЕК – явление культуры.
Вывод: ЕК играет важнейшую роль в науке, а также для создания эффективных современных интеллектуальных систем и технологий.
Проблема моделирования естественной классификации
Для построения ЕК необходима методология, позволяющая:
1. Рассматривать не только конкретные объекты, но и классы объектов.
2. Определять естественные классы, необходимые для построения ЕК.
3. Определять сущностные свойства как объектов, так и их классов.
4. Указывать место классов объектов в ЕК и порядок их следования.
5. Определить критерии ЕК и построить ее модель.
5. Исходные (аксиоматические) понятия
Единство универсума
Принцип единства мира. Специальный философский термин – бытие
.
Вывод: ЕК должна обязательно иметь одну единственную инициальную вершину.
Иерархическая структура универсума
Принцип системности: свойства систем находятся в отношении поддержания функциональной способности целого
:
1. Внутренние свойства системы поддерживают ее функционирование в надсистеме.
2. Функциональные свойства системы поддерживают функционирование надсистемы в наднадсистеме.
3. Функциональные свойства надсистемы поддерживают функционирование наднадсистемы.
Вывод: ЕК должна иметь иерархическую структуру.
Интенсиональность и параметричность классификации
С экстенсиональной
точки зрения, классификация – описание структуры
разбиения ПО.
С интенсиональной
точки зрения, классификация связана с признаками
, на основании которых разбивается ПО.
Параметричность
– учет в структуре классификации свойств
объектов.
Вывод: в ЕК должны быть учтены объекты и их свойства.
Следствие: свойства, попадая в классификацию, сами становятся ее элементами, свойства которых также должны быть учтены. (Свойства–свойств, Свойства–свойства–свойств …)
6. Структура естественной классификации
Организмы.
Эукариоты (клетки обладают ядрами). Прокариоты (клетки не обладают ядрами).
Эукариоты: животные, грибы, растения (по способу питания).
Животные – гетеротрофы, т.е. питаются органическими веществами.
Растения – автотрофы, т.е. питаются неорганическими веществами.
Животные: хордовые и беспозвоночные.