Глава 7. Робототехнические системы искусственного интеллекта

7.1. Элементы интеллекта РТК

На пути создания и совершенствования РТК и ГАП встает ряд сложных проблем, связанных с необходимостью автоматизации не только технологических процессов, но и целого ряда интеллектуальных операций. К ним относятся проектирование продукции, планирование производства, программирование движений роботов, моделирование среды, распознавание объектов, диагностика оборудования и т. п.

До последнего времени решение перечисленных задач в условиях действующего производства считалось прерогативой человека. Однако по мере развития методов и средств искусственного интеллекта появились предпосылки для конструирования автоматических систем, имитирующих соответствующие интеллектуальные функции человека. Эти системы принято называть си-стемами искусственного интеллекта (СИИ). Техническая реализация таких СИИ оказалась возможной благодаря появлению в последние годы микро- и мини-ЭВМ, а также быстродействующих микропроцессоров.

Что же представляют собой современные СИИ, каковы их отличительные черты? В широком смысле СИИ - это программно-аппаратные средства решения интеллектуальных задач, которые позволяют ЭВМ выполнять операции, аналогичные функциям человека, занятого умственным трудом. Поэтому под искусственным интеллектом РТК будем подразумевать алгоритмическое и программное обеспечение их адаптивных систем управления, позволяющее автоматизировать технологические операции интеллектуального характера. Отличительными признаками СИИ является наличие баз данных и банков знаний, средств интерпретации задач и планирования их решений, а также связанных с ними алгоритмов формирования понятий, распознавания ситуаций и принятия решений. Решение проблемы представления знаний в памяти ЭВМ открыло принципиальную возможность понимания СИИ естественного языка и речи. Оно позволило создать интеллектуальные терминалы и интерфейс, обеспечивающие непосредственное речевое или графическое (через дисплей) общение человека с ЭВМ или роботом на естественном языке, ограниченном данной предметной областью.

СИИ с базами данных и банками знаний нацелены на решение прикладных задач. Среди них важную роль играют экспертные СИИ промышленного назначения, которые уже сегодня используются, например, для выработки рекомендаций по выбору компонент и компоновки ГАП. К числу промышленных СИИ можно отнести и интеллектуальный человеко-машинный интерфейс.

В последние годы созданы и начинают применяться в промышленности интеллектуальные системы автоматизированного проектирования (САПР), СИИ для распознавания зрительной информации и речи, интеллектуальные системы автоматизации программирования (САП), интеллектуальные автоматизированные системы подготовки производства (АСПП), встроенные СИИ для диагностики оборудования, а также ЛИСП - машины для оперативной обработки символьной информации и ПРОЛОГ - машины для автоматического поиска логических выводов на основе факторов и правил, хранимых в базе знаний. Это позволяет переложить на СИИ некоторую часть умственного труда, которую в условиях обычного производства приходилось возлагать на человека. В результате повышается производительность и степень автоматизации производства. Таким образом, сегодня СИИ фактически вышли на промышленный рынок. Они находят все более широкое применение в адаптивных РТК и ГАП.

В отличие от программных роботов, которые манипулируют деталями и инструментами, СИИ манипулируют знаниями, необходимыми для решения возникающих задач. Тип задачи определяет особенности алгоритма ее решения.

В чем же специфика алгоритмов решения интеллектуальных задач? Для ответа на этот вопрос рассмотрим задачу планирования поведения робота. Решение этой задачи, получаемое в результате интеллектуальной деятельности робота, - есть план целенаправленных действий, т. е. конечная последовательность операций, при фактическом выполнении которых гарантируется достижение цели. Каждая операция переводит робот в некоторое новое состояние, которое можно назвать очередной под целью. В процессе поиска плана поведения могут использоваться как информация, поступающая от информационной системы робота, так и ранее накопленные знания и опыт, хранящиеся в базе знаний системы управления.

Особенности методов решения многих технологических задач гибкой автоматизации можно представить аналогичным образом. Например, при переналадке производства на выпуск нового изделия требуется спланировать, скоординировать и уложить в согласованную схему технологического процесса множество операций: выбор необходимого оборудования, оптимизацию технологических маршрутов, программирование систем управления, диагностику инструмента, контроль качества продукции и т. п. Переход на новую технологию может потребовать согласования основных технологических операций с вопросами совершенно иного характера, связанными, например, с финансированием или охраной окружающей среды. Все эти операции и вопросы взаимосвязаны и должны быть учтены при планировании технологического процесса. Для фактического осуществления этого процесса нужно соответствующим образом запрограммировать системы управления оборудованием ГАП, после чего может быть получено требуемое изделие с заданными свойствами.

Таким образом, чтобы решить задачу планирования необходимо составить хорошо скоординированную, согласованную схему операций (логических, математических, технологических и др.), начинающуюся с наперед заданных условий (предпосылок) и заканчивающуюся достижением цели. Решая такого рода интеллектуальные задачи, СИИ постоянно ищет пути обхода препятствий и достижения заданной цели, пытается выработать какой-то план действий, следуя которому можно достичь эту непосредственно недоступную цель. Умение СИИ решать интеллектуальные задачи посредством использования имеющихся знаний приобретается путем обучения на опыте и адаптации. Это умение и связанные с ним навыки решения задач в известном смысле гораздо важнее для СИИ, чем информация, хранящаяся в банке знаний, хотя, конечно, без необходимых знаний невозможно найти и решение.

Попытаемся теперь определить, что такое интеллект РТК, в чем заключается специфика робототехнических СИИ. Прежде всего заметим, что четкого, общепризнанного определения этого термина в настоящее время нет. Поэтому дадим некоторое рабочее определение существа этого понятия. Интеллектом РТК будем называть способность его системы управления решать технологические задачи интеллектуального характера посредством целенаправленного преобразования информации и знаний, обучения на опыте и адаптации к изменяющейся производственной обстановке. Характерными чертами интеллекта РТК, согласно данному определению, являются их способность к переработке знаний, обучению, накоплению опыта и адаптации к заранее неизвестным и изменяющимся условиям в процессе решения задач. Благодаря этим качествам РТК может решать самые сложные и разнообразные технологические задачи, а также легко перестраиваться с решения одного класса задач на другой. Таким образом, система управления РТК, наделенная элементами искусственного интеллекта, является универсальным средством решения широкого круга технологических задач. Она позволяет автоматизировать технологические операции интеллектуального характера.

Сегодня представляется несомненным, что РТК в принципе могут обладать всеми основными чертами интеллектуальных систем. Более того, некоторые современные РТК (вместе с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением их системы управления) уже обладают, по крайней мере частично, этими чертами. Такие РТК и связанные с ними СИИ легко и быстро справляются с решением отдельных интеллектуальных задач.

Главная трудность при создании робототехнических СИИ заключается не в отсутствии адекватной элементной базы и средств вычислительной техники, на которых их можно построить, а скорее в не разработанности или несовершенстве алгоритмического и программного обеспечения, определяющего уровень интеллекта РТК. Поэтому ниже основное внимание уделяется описанию методов алгоритмического синтеза робототехнических СИИ.

Необходимо подчеркнуть, что возможности интеллекта РТК (как, впрочем, и возможности интеллекта человека) принципиально ограничены. Это связано с тем, что объем памяти, скорость запоминания и считывания информации в системах управления РТК на практике ограничены. Кроме того, далеко не всегда удается найти эффективные алгоритмы решения интеллектуальных задач. Тем не менее благодаря способностям к обучению и адаптации робототехнические СИИ обладают большой гибкостью и могут быстро осваивать новые "профессии", автоматизируя соответствующие интеллектуальные функции человека.

Первые экспериментальные образцы СИИ появились в лабораториях ученых в 70-х годах XX в. Сегодня на базе накопленного научно-технического задела создаются промышленные варианты СИИ для РТК и ГАП. Они быстро тиражируются и внедряются большими сериями. Нет сомнений, что по мере развития робототехнических" СИИ они будут играть все возрастающую роль в совершенствовании ГАП.