10. Две важные прикладные области

Одним из движущих мотивов исследований в области искусственного интеллекта является возможность приложения новых методов к решению практических задач. В современной экономике особое внимание уделяется проектам, дающим относительно быстрые результаты, но это не единственная причина интереса к таким проектам.

Мы уже говорили о практических применениях методов распознавания образов: читающие машины представляют большую ценность коммерческого плана, они могли бы также принести пользу слепым людям. Разнообразные применения находят и системы распознавания речи, даже если их возможности ограничены малым словарем.

В настоящей главе мы рассмотрим еще две области применения искусственного интеллекта: роботику и экспертные системы.

Роботика

Роботика - это область исследований, ставящая своей целью вывести машины из вычислительных центров в реальный мир. Как мы отмечали, современные машины существенно отличаются от достаточно мощных машин эпохи промышленной революции, но в роботике требуется, чтобы они обладали не только интеллектом, но и "мускулами". Они должны иметь также "глаза" и "уши" (в некоторых схемах превзойдены возможности человеческого зрения - использование лазеров позволяет измерять расстояния гораздо точнее, чем это доступно бинокулярному зрению человека). Большое значение в развитии исследований в области роботики придается анализу трехмерных сцен.

Многое из того, что человек делает с легкостью, для машин оказывается очень трудным. Как заметил один писатель, пересечь без неприятностей улицу, не слишком загруженную транспортом, для человека - сущий пустяк, но этот "пустяк" вычислительная машина пока не в состоянии сделать без посторонней помощи. Хотя вычислительная машина, по-видимому, оказалась достаточно смышленой, чтобы привнести новые результаты в математику, однако очень трудно написать программу управления роботом, позволяющую ему пройтись по дому и вытряхнуть окурки из пепельниц в мусорное ведро. Очевидно, для человека эта задача оказывается совсем не того уровня сложности, как для вычислительной машины.

Хотя упомянутая в гл. 9 работа Винограда была посвящена в основном вопросам понимания естественного языка, то, что автор строил свои рассуждения на примере кубиков, обусловлено признанием важности роботики. Разумеется, используя математические модели кубиков, автор смог избежать необходимости обращаться к анализу реальных сцен. Другая работа, проведенная в Массачусетском технологическом институте (США), касалась вопросов манипулирования реальными кубиками. В ней уделялось внимание как анализу сцен, так и командам, отдаваемым реальному манипулятору.

Даже сама конструкция манипулятора представляет собой весьма сложную проблему. Люди спокойно берут в руки такие хрупкие предметы, как, скажем, куриное яйцо, и обычно не ломают их. Особенно не задумываясь, люди прикладывают несравненно большее усилие, когда требуется поднять тяжелый гладкий предмет. Эти действия, вероятно, связаны с подсознательным определением очень малых деформаций предмета, что позволяет оценить пределы его прочности.

Исследовались возможности построения робота, способного играть в настольный теннис, однако эта задача не рассматривалась как серьезный проект. По-видимому, это объясняется слишком большим объемом вычислительных ресурсов для принятия необходимых решений в отведенное время, который явно выходит за пределы существующих ныне возможностей. Попытки смоделировать человеческий интеллект, которые предпринимаются при создании роботов и в других исследованиях в области искусственного интеллекта, еще более усиливают наше восхищение этим удивительным творением природы - мозгом человека.

Возможные применения роботов

Среди применений, которые можно было бы найти роботам, важное значение имеет их использование на работах, опасных для человека. Роботы могут быть полезны при исследовании иных планет или дна океана. Их можно использовать для поднятия затонувших судов или - на меньших глубинах - для разведения рыб и растений, для разведки и добычи полезных ископаемых. Роботы могут выполнять необходимые действия в опасной для человека среде, которая возникает, например, при пожаре, утечке радиоактивности, взрывах, в условиях разыгравшейся стихии.

Может оказаться полезным отправлять роботов в места, хотя и не опасные для людей, но физически им недоступные, например на поверхность другой планеты, где сила тяжести намного превышает земную. Роботы можно было бы использовать на работах, производить которые человеку мешают его размеры. Так, роботы способны проверять и ремонтировать трубопроводы (простые функции такого, рода они уже выполняют). Миниатюрные роботы, введенные внутрь организма человека, могли бы производить хирургические операции, что позволило бы обойтись без разрезания кожи, и т. д.

Кроме того, мы могли бы перепоручить роботам многие из работ, которые для нас слишком утомительны и неинтересны, и тем самым освободить свое время для более полезных занятий. Электронная домохозяйка, способная выполнять различные работы по дому, или электронный садовник значительно облегчили бы наше существование. Однако, скорее всего, в промышленности роботы станут экономически более оправданными задолго до того, как они получат широкое распространение в домашнем хозяйстве.

Промышленные роботы

Многие из работ, выполняемых сегодня в промышленности вручную, можно было бы автоматизировать. Довольно трудно перечислить все причины отсутствия такой автоматизации, да это и не входит в нашу задачу. Безусловно, существенную роль здесь играет инерция руководства, а также проблема трудоустройства рабочих, которые могли бы высвободиться в результате автоматизации, проводимой в широких масштабах. (Относительно последнего соображения заметим, что необходимо найти такой способ организации экономики общества, при котором представлялось бы возможным ликвидировать малоэффективные способы производства.)

Помимо названного серьезной причиной недостаточной автоматизации производства является то, что существующие стандартные методы автоматизации весьма негибки. Требуются значительные средства на приобретение специализированного оборудования, причем какая-то часть его, возможно, должна разрабатываться специально для данного конкретного приложения. Ни один руководитель не захочет вкладывать средства, если опасается, что через непродолжительное, время изделие, ради которого было приобретено оборудование, окажется ненужным. Последнее же может быть вызвано изменением спроса или устареванием изделия.

Неприятная перспектива строительства специализированной сборочной линии для выпуска ненужного продукта склоняет руководителей в сторону использования рабочих рук и менее сложных машин. Это позволяет достаточно быстро переориентировать завод или цех на выпуск какого-то другого изделия. Кроме того, люди-операторы проявляют гибкость и не требуют, чтобы поступающее к ним "сырье" (скажем, компоненты для сборки) находилось в определенном стандартном положении, которое, возможно, обеспечивается магазинной упаковкой или монтированием на стандартных несущих элементах. В целях обеспечения стандартной ориентации на автоматизированных заводах сейчас используются такие производственные линии, при которых продукт, полученный в каждом процессе, должен прямо поступать на вход следующего процесса. Такое решение вряд ли можно признать хорошим, поскольку поломка одной машины приводит к остановке всей линии. Если операторами работают люди, то можно создать склады частично законченной продукции производства, что позволит продолжать операции на тех этапах производства, которые не затронуты поломкой.

Цель работ по промышленным роботам состоит в том, чтобы создать машины, не уступающие по гибкости людям. Методы анализа сцен позволяют конструировать роботоподобные устройства, способные собирать механизмы из деталей, лежащих кучей где-нибудь на лавке, подобно тому, как это делал бы сборщик-человек. Мики [1] описывает робот такого рода, разработанный в Эдинбургском университете; аналогичные работы ведутся во многих других научных центрах. Эдинбургский робот обладает гибкостью и в том отношении, что его можно "переучить" на выполнение другой сборочной задачи.

Не во всех промышленных операциях возникает необходимость в таких "интеллектуальных" роботах, как эдинбургский. Многие задачи могут решаться "слепыми" роботами, снабженными, возможно, простыми сенсорными датчиками, позволяющими роботу, прежде чем он начнет выполнять требуемую последовательность операций, убедиться, что нужная деталь или исходное сырье находятся па своем месте. Иногда такие роботы можно переориентировать на новую задачу просто путем выполнения новой последовательности операций под ручным контролем со стороны человека. Сегодня хорошо известны роботы, способные переучиваться таким образом; в основном они предназначены для распыления краски пульверизатором - разумеется, покраска это такая работа, в которой требуется гораздо меньшая точность движений, чем при выполнении многих других технических задач.

Ограничения

Эдинбургский робот - одна из многих систем, способных к интеллектуальному решению задач. В качестве другого интересного примера можно назвать робот по имени Шейки, созданный в Станфордском исследовательском институте (США). Он способен самостоятельно перемещаться и связываться по радио с вычислительной машиной, которая является его "мозгом". Шейки передвигается по квартире из нескольких комнат, запоминая положение своей траектории путем прямого вычисления: траектория периодически уточняется благодаря "привязке" к определенным выделенным элементам, таким, как углы комнат. Он способен видеть и узнавать объекты в комнатах и вводить их описание в свою внутреннюю модель. Ему можно отдать указание типа "передвинь кубик из комнаты 2 в комнату 4", после чего робот планирует маршрут, избегая известных ему препятствий, чтобы достигнуть поставленной цели. Если на пути робота возникает новое препятствие, то он соответствующим образом видоизменяет свой план.

О работе всех этих систем сняты весьма впечатляющие фильмы, которые обычно демонстрируются на конференциях по искусственному интеллекту. Хотя возможности таких систем производят сильное впечатление, в общем они работают достаточно медленно. В практических применениях, как правило, требуются более быстрые реакции, и, по-видимому, придется много поработать над повышением вычислительной эффективности, прежде чем эти развитые интеллектуальные системы получат широкое применение. Однако более простые роботы применяются во все более широких масштабах.

Даже в таком, казалось бы, простом вопросе, как управление сочленениями руки, скрываются значительные вычислительные проблемы. Рассмотрим конечность, подобную руке человека. Момент инерции предмета, который предстоит поворачивать относительно плеча, зависит от угла, под которым рука согнута в локте, причем момент намного больше при вытянутой руке, чем в случае, если рука согнута в локте. Информация об изгибе руки доступна системе управления и может влиять на команды, отдаваемые мышцам плеча. Чтобы это сделать, нервная система должна произвести достаточно сложные "вычисления" [2]. Вместе с тем существующие сейчас системы для управления звеньями манипулятора основаны на относительно примитивном, малоэффективном методе, который связан с использованием в каждом сочленении "жестких" сервомеханизмов, управляющих движениями независимо (в определенных пределах) от моментов инерции.

Специфические проблемы встают при управлении движениями сложного характера, например ходьбой. При этом необходима иерархическая организация работы, когда общий характер движений выбирается на высоком уровне, а детали движения формируются на более низких уровнях. Имеется много свидетельств тому, что такими свойствами обладает биологическое управление: моторный отдел мозга отдает команды, касающиеся типа движения, а не сокращения отдельных мышц. Для характеристики мышечной активности, соответствующей командам высокого уровня, физиологи используют термин синергия, и разработка шагающих искусственных систем требует реализации синергии.

Этим аспектам иерархического управления уделено особое внимание при создании шестиногого робота [3], который представляет для нейрофизиологии столь же большой интерес, как и для промышленности.

Использование синергии для уменьшения числа степеней свободы в задаче управления важно и в другой области применения, также связанной с роботикой, а именно при создании протезов для замены утерянных конечностей. Советский физиолог В. С. Гурфинкель, участвовавший в работах по созданию шагающего робота, занимается также и вопросами протезирования^*.

^* (В этих работах, во многом опередивших исследования в Данной области в других странах, кроме Гурфинкеля активное участие принимал М. Л. Цетлин, а также ряд других исследователей. - Прим. ред.)

Роботы и экология

Рассмотрение проблем охраны окружающей среды [4] показывает, что здесь также имеются области, где роботы могли бы играть очень важную роль. Современные методы ведения сельского хозяйства требуют больших затрат энергии [5]. Блакстер [6] показал, что энергия, необходимая для выращивания урожая картофеля (включая энергию, затрачиваемую на производство удобрений), лишь немногим меньше энергии, содержащейся в соответствующем количестве очищенного картофеля. Тот факт, что прежние крестьянские хозяйства были в состоянии прокормить себя, выращивая картофель старыми методами, показывает, что затраты энергии в этом случае можно существенно уменьшить. Блакстер обсуждает различные пути достижения экономии: в частности, он считает, что удобрения можно создавать иначе, что вместо вспашки поля плугом можно использовать другие методы, требующие меньших затрат энергии.

Однако основное различие между традиционным и современным сельским хозяйством состоит в том, как используется информация. Человек, выкапывая картофель, определяет по ботве, где должны быть картофелины, а затем, перевернув лопатой землю, выбирает их. Картофелеуборочная машина затрачивает большую энергию на перекапывание земли, поскольку она не "видит", где находятся картофелины.

Одна из возможностей экономии энергии состоит, как считают некоторые, в возвращении к старому более примитивному способу ведения сельского хозяйства. Иные энтузиасты полагают, что от этого мы станем более здоровыми и счастливыми. Но с другой стороны, не все время, которое мы выигрываем благодаря автоматизации, расходуется нами впустую; оно идет на развитие культурной и интеллектуальной сторон жизни, которые принято считать существенными признаками развития цивилизации. Использование в сельском хозяйстве и других областях роботов позволит сохранить эти признаки и в то же время даст возможность уменьшить энергетические затраты на производство продуктов питания. В этом случае необходимая обработка информации, от которой зависит сохранение энергии, будет выполняться электронными средствами, а не нервной системой человека.

Роботоподобные устройства могли бы сыграть большую роль при использовании вторичного сырья. Старые автомашины, к примеру, в настоящее время часто сваливают в кучу металлолома, удалив лишь аккумуляторные батареи и уничтожив все, что может загореться. Если учесть, что в автомобилях употребляются некоторые специальные сплавы и другие ценные материалы, то такой подход представляется весьма расточительным, однако разборка машины на части для их вторичного использования в настоящее время экономически не оправдана. По-видимому, единственное решение проблемы заключается в использовании роботов для демонтирования автомашин, несмотря на индивидуальные отличия одной машины от другой.

Имеются и другие проблемы, связанные с окружающей средой, которые частично могут быть решены с помощью роботов. Существующие ныне средства для уничтожения сорняков вызывают беспокойство из-за их долговременного действия на почву. Их использования можно избежать, если заставить роботы, способные отличать сорняки от полезных растений, выкапывать сорняки. Применение инсектицидов вызывает также нарекания с точки зрения охраны окружающей среды. В качестве альтернативного решения проблемы в некоторых случаях можно было бы заставить робота выполнять то, что садоводы называют "делать своими руками". В тех районах, где ощущается нехватка воды, более экономный расход воды можно было бы обеспечить, используя роботы, способные оценивать потребность каждого растения в воде по его внешнему виду.

Естественно, масштабы применения разумных роботов зависят от того, насколько дешево обходится их производство и работа. Стоимость электронных схем неуклонно снижается, а потребление энергии твердотельными компонентами схем чрезвычайно мало. В то же время необходимость решения проблем охраны окружающей среды становится все более настоятельной. Подводя итог сказанному, следует заметить, что в развитии методов экономии человеческих затрат, вызванном современной промышленной революцией, мало внимания уделяется вопросу обработки информации. Многие из этих методов слишком энергоемки, а их излишне решительное порой внедрение порождает и другие побочные эффекты. Такие методы становятся все менее оправданными по мере исчерпания ресурсов. Возвращение к информационно-интенсивным методам требует, чтобы либо люди делали больше ручной работы, либо ее выполняли роботы.

Экспертные системы

В самое последнее время были созданы программы для вычислительных машин, обеспечивающие экспертизу в различных областях знаний, которые получили название экспертных систем. Особое внимание в этом плане уделяется медицине, проблемам управления производством, обнаружению газовых и нефтяных месторождений, налоговой политике, составлению расписания работ и различного рода технологическим проблемам. Программы, работающие в качестве экспертных систем в некоторых из названных областей, делаются так, чтобы они были коммерчески доступны; некоторые из них рассчитаны на мини-компьютеры.

По замыслу экспертная система должна усвоить существенную часть знаний эксперта-человека в конкретной области и быть в состоянии использовать накопленную информацию так, как это делал бы человек. Например, экспертная система в области медицины должна уметь ставить диагноз, т. е. при подаче на вход в качестве данных симптомов пациента программа должна давать заключение о возможных заболеваниях.

Попытки построить программы для целей медицинской диагностики предпринимались еще до того, как появились программы, называемые экспертными системами. Некоторые из прежних систем оказались полезными для врача, но лишь в той степени, в какой они являлись хорошо организованной системой учета прошлых случаев заболеваний. Программа под названием МИЦИН (и сделанная на ее основе программа ТЕЙРЕСИАС), созданная в Станфордском университете, оказалась несравненно более квалифицированным помощником в вопросах диагностики. Эти программы были с большим энтузиазмом приняты и практикующими медиками. Одна из причин их успеха состояла в том, что они моделировали "неточные" рассуждения. Иначе говоря, их база данных включает правила, подобные утверждению: "Если .... то можно предложить, что...", которые и используются при диагностике заболевания.

В программе это правило формулируется несколько более точно - с указанием численной оценки вероятности данного заключения. То, что человеку представляется за словами "можно предположить", оценивается как вероятность, равная 0,1. То, что для человека скрывается за словом "вероятно", может быть оценено как 0,8 и т. д. Программа в состоянии вывести несколько различных диагнозов с указанием вероятности каждого из них.

Важной особенностью такой программы является то, что ее база данных допускает расширение (или коррекцию) по мере того, как становятся известными новые результаты. Программа способна также указать, какие дополнительные наблюдения и тесты могут снизить неопределенность ответа. В ней имеется информация, касающаяся как стоимости, так и полезности различных тестов. Стоимость понимается в широком смысле, включая не только материальные затраты, но также и степень опасности, неудобства или неприятности для пациента. Система отдает предпочтение тем тестам, которые дешевле, безопаснее и менее болезненны.

Элементы базы данных системы МИЦИН в основном имеют следующую условную форму:

"Если ..., то ... с вероятностью ...",

где за словом "то" следует фактическое утверждение относительно состояния больного. (При первоначальном использовании системы МИЦИН в диагностике инфекционных заболеваний это было указание на те типы микроорганизмов, которые могли бы быть причиной данного заболевания.)

Элементы базы данных системы ТЕЙРЕСИАС подобны элементам системы МИЦИН, но в нее включены правила, указывающие стратегию поиска по правилам такого рода и по правилам, содержащим утверждения относительно фактов. Указание, следующее в системе ТЕЙРЕСИАС за словом "то", может иметь тот результат, что при поиске правил, касающихся определенных, относящихся к делу вопросов, отдается предпочтение поиску правил, упоминающих вопрос А, по сравнению с поиском правил, упоминающих вопрос В. Этим данный метод несколько сходен с методами, воплощенными в системе ПЛЭННЕР (гл. 9).

Одна из особенностей этих программ, во многом обусловившая их успех, состоит в том, что они способны объяснить - на языке, близком к естественному английскому языку, - каким именно образом было выработано то или иное решение. Это обеспечивается тем, что в программе остается "след", т. е. сохраняется запись шагов, которые ею были предприняты. К ней можно даже обратиться с таким вызывающим вопросом, как: "Почему вы не учли, что...?" - на что программа объяснит, почему та или иная возможность была исключена из рассмотрения.

Способность давать "объяснения" сыграла существенную роль в том, что эта система была признана практикующими медиками. Она оказалась также полезной в развитии базы данных, которая должна как можно лучше соответствовать методам, применяемым экспертом-человеком. Там, где диагноз, данный программой, отличался от диагноза врача, последнего просили поэтапно показать, как он пришел к данному решению. "Объяснительная" способность системы позволяла затем сопоставить цепочку выводов специалиста с цепочкой выводов программы и выделить точки, в которых произошло расхождение. Это давало информацию о необходимом изменении правил в базе данных.

Конечная ответственность за медицинские решения, разумеется, лежит на враче, и без возможности объяснения использование вычислительной программы могло бы выглядеть неэтичным. Однако при наличии такой возможности врач может убедиться в справедливости всего рассуждения, и, таким образом, проблема безответственности снимается. Можно привести немало свидетельств тому, что врач, работающий в контакте с вычислительной машиной, намного лучше, чем врач без нее.