Журнал «Вокруг Света» №04 за 2004 год

Журнал Вокруг Света

Нейроново решение

В кибернетике чудес не бывает, и нейросеть, работающая «вахтером», то есть специализирующаяся на различении изображений взрослых мужчин и женщин, почти наверняка даст сбой, если ей для опознания предложат фотографии детей. Известный афоризм, утверждающий, что «правильно поставленный вопрос есть половина ответа», имеет самое непосредственное отношение и к нейрокомпьютерам. Если традиционные электронные калькуляторы при нехватке данных или некорректно поставленных граничных условиях не станут решать задачу, то нейросети могут просто не заметить того, что у них оторвалась пара глаз. Они продолжат анализировать искаженную информацию, будучи «уверенными» в том, что предъявляемые объекты просто не входят в круг интересов

хозяина и поэтому их нужно игнорировать. Понятно, что контроль целостности и работоспособности всей системы это отдельная задача, и решать ее нужно с помощью другой нейросети, но принципиальное отсутствие критики в отношении к входным данным заставляет разработчиков четко оговаривать тот круг объектов и задач, с которыми может работать их система.

Специализация нейросети достигается на этапе обучения, когда тем или иным способом формируются значения весовых коэффициентов, определяющих силу связей между различными нейронами. Именно структура взаимосвязей оказывает решающее значение на принятие решения конкретным нейроном и всей сетью в целом. Подбор правильного методического материала одна из главных проблем широкого внедрения нейрокомпьютеров. В случае уже приведенного примера «нейровахтера» для различения взрослых и детей крайне важно сделать так, чтобы компьютер не решил, что рост основной признак ребенка, а макияж маркер взрослой женщины. Очень часто нейросети моделируют на обычных компьютерах без применения специальных нейрочипов. Причем такие чисто программные нейрокомпьютеры неплохо работают, легко распознавая иероглифы, рукописный текст и внятную членораздельную речь. Правда, с распознаванием слитного письма дела пока обстоят довольно плохо, зато буквы, написанные раздельно или в специальных квадратиках, сегодня распознают даже миниатюрные ручные компьютеры размером с ладонь. Специализированные нейрочипы используют, как правило, военные и те, кому нужны скорость и компактность. Причем все большую популярность приобретают системы с неизменяемыми алгоритмами и весовыми коэффициентами, что позволяет существенно понизить стоимость и энергопотребление конечных устройств. Одна из интересных разработок, уже практически готовая выйти на массовый рынок, это система вибро- и акустодиагностики двигателей и ходовой части автомобиля непосредственно во время движения и без участия специалистов из техцентра.

Так что создание универсальных систем не за горами, и уже в ближайшем будущем появятся комбинированные электронно-вычислительные комплексы, сочетающие в себе достоинства обычных ЭВМ и гибкость нейрокомпьютеров. Эти системы, видя клиента насквозь, будут различать его язык, национальность, возраст, пол, социальный статус, образовательный ценз и многое другое, даже не обращаясь к данным, записанным на индивидуальном идентификационном микрочипе. А вот насколько человеку будет приятно общение со столь проницательным электронным визави, в данном случае будет зависеть не от архитектуры нейросетей искусственного мозга, а от той программы поведения, которую заложат программисты, а также от возможностей ее самообучения в процессе живого общения с подопечным или хозяином.

Сегодня вряд ли кто-нибудь усомнится в том, что нейросети удачно дополняют традиционные программные методы в целом ряде компьютерных приложений. А также позволяют существенно повысить производительность при решении высокоинтеллектуальных задач, по распознаванию, классификации, предсказанию и оптимизации всего и вся.

Слои для интеллекта Современная нейросеть, или нейрокомпьютер, состоит из нескольких слоев элементарных нейронов. Первый слой — это многоканальный вход, поставляющий подлежащую обработке информацию в цифровом или аналоговом виде. Затем следует один (или несколько) скрытых слоев, анализирующих эту информацию. Ее обработка может идти либо строго последовательно (без обратных связей), либо посредством возвращения уже обработанной информации на вход системы. Последний, внешний, слой нейронов формирует выходные данные

в удобном для работающего в связке с нейросетью компьютера формате. И обработка информации, и выдача результата могут происходить и в цифровом виде (когда все и вся кодируются последовательностью нулей и единиц), и в аналоговом (когда именно электрическое напряжение является анализируемой величиной).

Зачем нужны нейросети

Автоматизация производства

Оптимизация режимов производственного процесса, комплексная диагностика качества продукции (с помощью ультразвука, оптики, гамма-излучения), мониторинг и визуализация многомерной диспетчерской информации, предупреждение аварийных ситуаций, робототехника

Медицина

Обработка изображений, мониторинг состояния пациентов, диагностика, анализ эффективности лечения, очистка показаний приборов от шумов. Вычислительная система, представляющая собой модель биохимических процессов, протекающих в нервных тканях

Экономика и бизнес

Предсказания рынков, банкротств, оценки риска невозврата кредитов и стоимости недвижимости, автоматическое рейтингование, оптимизация товарных и денежных потоков, автоматическое считывание чеков и форм

Безопасность и охранные системы

Идентификация личности, распознавание голосов, лиц в толпе, автомобильных номеров, анализ аэрокосмических снимков, мониторинг информационных потоков, обнаружение подделок

Авиация

Автоматическое пилотирование, распознавание сигналов радаров, адаптивное пилотирование сильно поврежденного самолета. Условия, в которых работают авиаприборы, накладывают сильные ограничения на их размер, быстродействие и помехозащищенность

Связь

Сжатие видеоинформации, быстрое кодирование/декодирование, оптимизация сотовых сетей и схем маршрутизации пакетов. Особые требования здесь предъявляются к возможности создания автономных, мобильных решений, допускающих встраивание в переносные видеокамеры, сотовые телефоны и тому подобное

Математическая статистика, логика и вычислительная техника

Вычислительная система, автоматически формирующая описание характеристик случайных процессов, имеющих сложные функции распределения. Нейрокомпьютер, алгоритм работы которого представлен логической сетью элементов частного вида (нейронов) с полным отказом от классических логических операций. Вычислительная система, в которой процессорный элемент однородной структуры упрощен до уровня нейрона, резко усложнены связи между элементами и программирование перенесено на изменение весовых коэффициентов связей между процессорными элементами

Приключения нейросетей

1904— испанский ученый-гистолог Сантьяго Рамон-и-Кахаль доказал, что нервная система состоит из нейронов особых нервных клеток. Спустя два года он и его учитель Камилло Гольджи получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины за изучение нервной системы

1943— выход в свет работы Дж. Мак-Каллока и У. Питтса «Логическое исчисление идей, относящихся к нервной деятельности», в которой были впервые сформулированы основные принципы построения искусственных нейронов и нейронных сетей

1957— В.И. Арнольд и А.Н. Колмогоров решили 13-ю проблему Гильберта, доказав, что любую непрерывную функцию многих переменных можно представить в виде суперпозиции непрерывных функций одной переменной и функции сложения

1959— публикация статьи Дж. Мак-Каллока «О чем глаза лягушки говорят мозгу лягушки», где впервые было введено понятие нейрона-детектора, определенным образом реагирующего на внешние раздражители

1962— нейрофизиолог Ф. Розенблатт создал модель однослойной нейронной сети, названной персептроном, которая была использована для попыток предсказания погоды, анализа электрокардиограмм и распознавания рукописных и печатных текстов и букв