МОДЕЛЮВАННЯ вищої нервової діяльності

Корпус космічного апарату можна уявити як тверде тіло з набором пружних нелінійних осциляторів - антен, сонячних батарей, навісного устаткування і т.п.

Графіки кута неузгодженості (верхній) і кутової швидкості (нижній)

<

>

Перша частина цієї статті була опублікована в попередньому номері журналу (див. "Наука і життя" № 1, 2000 г.). Ми змушені вибачитися за прикру змішання рядків в таблиці на першій сторінці статті, яка виникла через надмірну інтелектуальності комп'ютерних систем підготовки текстів. Допитливий читач, звичайно, здогадався, що таблиця повинна мати такий вигляд:

Довкілля Об'єкт управління (ОУ) Організм Керуюча система (УС) Нервова система і мозок Датчики Рецептори Виконавці Ефектори Треба зауважити майже без іронії, що помилки не тільки властиві проявам вищої нервової діяльності, а й необхідні їй для пошуку і отримання нових знань. Згадаймо, що на населеному вченими літаючому острові "Лапута" в романі Свіфта про Гуллівера практикувалося випадкове змішання слів, що породжувала іноді фрази, схожі на осмислені. Ці фрази тут же записувалися в аннали наукових праць лапутянцев. Генерація випадкових послідовностей чисел, символів, слів, звуків, графічних елементів та інших об'єктів дуже часто використовується в сучасних системах штучного інтелекту для самих різних цілей. Існує навіть думка, опубліковане в науковій роботі Р. С. Нахмансон, що наявність випадковості в поведінці будь-якої системи (навіть елементарної частки) є ознака її інтелектуальності.
Отже, в першій частині статті був описаний підхід до побудови моделі нервової системи, що випливає з вихідних уявлень про дискретності, автономності, апаратної пристосованості і мінімумі вихідних знань керуючої системи. Звичайно, побудувати подібну систему "автономного адаптивного управління" (ААУ) в повному обсязі - завдання непросте, оскільки кожна з вхідних в неї підсистем повинна вирішувати досить складне завдання, складову в наш час предмет окремих наукових напрямків. Нагадаємо, що мова йде про таких завданнях, як автоматична класифікація і розпізнавання, пошук і представлення знань, моделювання емоцій, прийняття рішень, і деяких інших. Однак навіть найпростіші з реалізації варіанти підсистем, які вирішують такі завдання, об'єднані в єдине ціле - керуючу систему ААУ, дають новий ефект. Коротко опишемо деякі приклади керуючих систем, побудованих за принципом ААУ.
Pilot - прототип адаптивної системи управління кутовим рухом космічного апарату.
Бажаючи знайти практичне застосування розробленого нами методу "автономного адаптивного управління", ми звернулися в НВО ім. С. А. Лавочкіна, де розробляються системи управління для деяких автоматичних космічних апаратів. Фахівці НВО поставили нам завдання: побудувати систему управління кутовим рухом (поворотом і стабілізацією в просторі) автоматичного космічного апарату на основі нашого методу. Справа в тому, що існуючі системи управління дають обмежену точність орієнтації (± 0,1 кутової секунди), якої недостатньо для деяких космічних апаратів. У цих системах управління будується на основі математичної моделі кутового руху космічного апарату. Параметри моделі, що враховують такі чинники, як невагомість, вакуум, різкі перепади температури, вимірюються на наземних випробувальних стендах. Природно, що такі вимірювання не можуть бути точними, оскільки повністю відтворити унікальні умови реального космосу неможливо. Крім того, детермінована математична модель не дозволяє врахувати можливість випадкових змін властивостей космічного апарату в ході польоту. Необхідна адаптивна схема управління, коли керуюча система автоматично підлаштовується до поточних властивостям об'єкта управління.

Вхідний інформацією для розроблюваної керуючої системи служили показання датчиків, що вимірюють кут між дійсним і заданим положеннями космічного апарату, а також швидкість його кутового руху. Керуючій системі ставилася мета: підтримувати кут і кутову швидкість по можливості ближче до нульових значень. Вихідні (керуючі) впливу керуючої системи представляли собою команди приводам розвинути ті чи інші крутний момент, що повертають космічний апарат у відповідному напрямку з відповідною швидкістю. Керуюча система повинна була адаптуватися до характерних реакцій космічного апарату на керуючі моменти. Саме ці реакції і важко розрахувати заздалегідь з належною точністю, так як космічний апарат несе на собі пружні нелінійні осцилятори, які в умовах космосу ведуть себе не зовсім так, як в наземних випробуваннях.
Побудований нами прототип системи управління Pilot показав, що вона дійсно успішно адаптується до властивостей космічного апарату і здатна підвищити якість управління його кутовим рухом в кілька разів. Щоб досягти такого самого результату традиційними методами, потрібні були б значно більші витрати часу і сил.
Система Pilot демонструє цікаві властивості, основне з яких - адаптивність, тобто здатність керуючої системи пристосовуватися до властивостей об'єкта управління та навколишнього середовища. Цією властивістю володіють багато блоки керуючої системи Pilot. В процесі навчання керуюча система здійснює за певним планом пробні управляючі впливи на об'єкт управління і з'ясовує його реакції на ці дії. Вся інформація про те, що відбувається відображається в керуючої системі в вигляді "образів" - образів кутового положення, образів керуючих впливів, образів емоційних оцінок статків. Останні виробляються "емоційним апаратом" керуючої системи, що нагадує, наскільки "добре" або "погано" ту чи іншу поточний кутове положення космічного апарату. Якщо цю емоційну оцінку висловлювати не числом, а деякою мімікою "особи" керуючої системи, то буде дуже цікаво спостерігати за її "гримасами".
Якщо керуюча система з'ясовує, що причинно-наслідкові зв'язки деяких образів невипадкові, то вона запам'ятовує це в своїй базі знань. Зауважимо, що такі "знання" керуюча система видобуває самостійно, в цьому проявляється її автономність. Чим більше знань про властивості космічного апарату накопичила керуюча система, тим успішніше вона може керувати ним. Якщо властивості космічного апарату змінюються, наприклад, апарат став легше через вироблення пального або змінилася конфігурація апарату - розкрилися антени, змінилися пружні властивості осциляторів через поломки, з'явилася витік газу і апарат стало розгортати, - керуюча система, виявивши погіршення якості управління, починає переучуватися, коригує свої знання, і якість управління знову підвищується. Якщо на апарат впливати короткочасним обуренням (штовхнути його), керуюча система швидко гасить обурення.
У міру накопичення знань в базі знань керуючої системи Pilot (кількість кольорових крапок у верхньому прямокутнику) зростає якість управління космічним апаратом: графіки кута неузгодженості (верхній) і кутової швидкості (нижній) наближаються до нуля (горизонтальної межі).
Одне властивість керуючої системи для нас було несподіванкою. Після навчання керуючої системи, при якому на космічний апарат надають випадкові пробні впливу, якість управління спочатку невисоко, але вже в процесі управління воно поступово зростає. З'ясувалося, що властивості об'єкта управління залежать від того, яким способом ви його відчуваєте: звертаєтеся з ним безцеремонно, смикаючи його на всі боки, "трясучи як грушу" в процесі дослідження-навчання, або відчуваєте його обережно. Це має пряму аналогію з життєвими ситуаціями: так лікар, дбайливо досліджує пацієнта, точніше поставить діагноз, ніж звертається з пацієнтом неделікатно. Виявилося також, що з навченої бази знань можна витягти найважливіші знання і, представивши їх в зручній формі, передати простіший детермінованою системі управління, яка зможе управляти об'єктом, але вже без адаптації.
Важливо, що з невеликими змінами система Pilot може бути використана для управління і багатьма іншими об'єктами: активними підвісками транспортних засобів, стабілізаторами блоків живлення і інших енергетичних установок, обробними верстатами і так далі.
"Тактик" - прототип системи підтримки прийняття рішень при управлінні соціальними об'єктами.
Метод автономного адаптивного управління може бути використаний і для вирішення соціальних завдань.
На замовлення Центру президентських програм ми досліджували можливість застосування нашого методу в системі підтримки прийняття рішень при управлінні соціальними об'єктами. Спочатку нас турбувало, чи можливо взагалі представляти в цифровій формі стану соціального об'єкта. Але виявилося, що таке завдання цілком вирішувана.
Наступна проблема виникла в зв'язку з дуже повільним надходженням вхідної інформації, що вкрай уповільнювало б процес накопичення емпіричних знань. Це наштовхнуло нас на ідею навчання системи за архівними даними. Експерименти на архівних даних, що описують соціальні процеси в одному з районів Сибіру, ​​показали, що таке навчання можливо і після накопичення необхідних знань керуюча система може в деяких ситуаціях приймати емпірично обгрунтовані рішення.
Порівнявши можливості системи "Тактик" з можливостями звичайної нейромережі, ми показали, що "Тактик", на відміну від нейромережі, не тільки пророкує деякі події, а й пропонує на кожному кроці, що управляють, які здатні поліпшити поточну ситуацію.
Звичайно, при управлінні соціальними об'єктами остаточні рішення мають прийматися відповідальними особами. Завдання управляючої системи - допомогти виявити деякі закономірності в розвитку соціальної ситуації, які можуть вислизнути від погляду людини.
В даний час наша група працює і над іншими системами управління, що мають як практичне, так і теоретичне значення. Ми сподіваємося, що властивості створених прототипів керуючих систем залучать до них увагу розробників об'єктів, які потребують автономне адаптивне управління. Це в свою чергу допоможе розвивати його теорію і просуватися по шляху створення систем "автономного штучного інтелекту".
Наші дослідження фінансувалися, зокрема, грантами Російського фонду фундаментальних досліджень і Міністерства науки і технологій РФ.