Определение характера среды. Информационные технологии.
Определение проблемной среды
В приведенном выше исследовании рациональности простого агента-пылесоса нам пришлось определить показатели производительности, среду, а также исполнительные механизмы и датчики агента. Сгруппируем описание всех этих факторов под заголовком проблемная среда. Для тех, кто любит аббревиатуры, авторы сокращенно обозначили соответствующее описание как PEAS (Performance, Environment, Actuators, Sensors— производительность, среда, исполнительные механизмы, датчики). Первый этап проектирования любого агента всегда должен состоять в определении проблемной среды с наибольшей возможной полнотой.Пример, в котором рассматривался мир пылесоса, был несложным; теперь рассмотрим более сложную проблему — создание автоматизированного водителя такси. Этот пример будет использоваться во всей оставшейся части данной главы. Прежде чем читатель почувствует тревогу за безопасность будущих пассажиров, хотим сразу же отметить, что задача создания полностью автоматизированного водителя такси в настоящее время все еще выходит за пределы возможностей существующей технологии. (См. с. 69, где приведено описание существующего робота-водителя; с состоянием дел в этой области можно также ознакомиться по трудам конференций, посвященных интеллектуальным транспортным системам, в названиях которых есть слова Intelligent Transportation Systems.) Полное решение проблемы вождения автомобиля является чрезвычайно трудоемким, поскольку нет предела появлению все новых и новых комбинаций обстоятельств, которые могут возникать в процессе вождения; это еще одна из причин, по которой мы выбрали данную проблему для обсуждения. В табл. 2.2 приведено итоговое описание PEAS для проблемной среды вождения такси. Каждый из элементов этого описания рассматривается более подробно в настоящей главе.
Таблица 2.2. Описание PEAS проблемной среды для автоматизированного водителя такси
Затем рассмотрим, в чем состоит среда вождения, в которой действует такси. Любому водителю такси приходится иметь дело с самыми различными дорогами, начиная с проселков и узких городских переулков и заканчивая автострадами с двенадцатью полосами движения. На дороге встречаются другие транспортные средства, беспризорные животные, пешеходы, рабочие, производящие дорожные работы, полицейские автомобили, лужи и выбоины. Водителю такси приходится также иметь дело с потенциальными и действительными пассажирами. Кроме того, имеется еще несколько важных дополнительных факторов. Таксисту может выпасть участь работать в Южной Калифорнии, где редко возникает такая проблема, как снег, или на Аляске, где снега на дорогах не бывает очень редко. Может оказаться, что водителю всю жизнь придется ездить по правой стороне или от него может потребоваться, чтобы он сумел достаточно успешно приспособиться к езде по левой стороне во время пребывания в Британии или в Японии. Безусловно, чем более ограниченной является среда, тем проще задача проектирования.
Исполнительные механизмы, имеющиеся в автоматизированном такси, должны быть в большей или меньшей степени такими же, как и те, которые находятся в распоряжении водителя-человека: средства управления двигателем с помощью акселератора и средства управления вождением с помощью руля и тормозов. Кроме того, для него могут потребоваться средства вывода на экран дисплея или синтеза речи для передачи ответных сообщений пассажирам и, возможно, определенные способы общения с водителями других транспортных средств, иногда вежливого, а иногда и не совсем.
Для достижения своих целей в данной среде вождения таксисту необходимо будет знать, где он находится, кто еще едет по этой дороге и с какой скоростью движется он сам. Поэтому в число его основных датчиков должны входить одна или несколько управляемых телевизионных камер, спидометр и одометр. Для правильного управления автомобилем, особенно на поворотах, в нем должен быть предусмотрен акселерометр; водителю потребуется также знать механическое состояние автомобиля, поэтому для него будет нужен обычный набор датчиков для двигателя и электрической системы. Автоматизированный водитель может также иметь приборы, недоступные для среднего водителя-человека: спутниковую глобальную систему навигации и определения положения (Global Positioning System— GPS) для получения точной информации о местонахождении по отношению к электронной карте, а также инфракрасные или ультразвуковые датчики для измерения расстояний до других автомобилей и препятствий. Наконец, ему потребуется клавиатура или микрофон для пассажиров, чтобы они могли указать место своего назначения.В табл. 2.3 кратко перечислены основные элементы PEAS для целого ряда других типов агентов. Некоторым читателям может показаться удивительным то, что авторы включили в этот список типов агентов некоторые программы, которые функционируют в полностью искусственной среде, ограничиваемой вводом с клавиатуры и выводом символов на экран. Кое-кто мог бы сказать: "Разумеется, это же не реальная среда, не правда ли?" В действительности суть состоит не в различиях между "реальными" и "искусственными" вариантами среды, а в том, какова сложность связей между поведением агента, последовательностью актов восприятия, вырабатываемой этой средой, и показателями производительности. Некоторые "реальные" варианты среды фактически являются чрезвычайно простыми. Например, для робота, предназначенного для контроля деталей, проходящих мимо него на ленточном конвейере, может использоваться целый ряд упрощающих допущений, например, что освещение всегда включено, что единственными предметами на ленте конвейера являются детали того типа, который ему известен, и что существуют только два действия (принять изделие или забраковать его).
Таблица 2.3. Примеры типов агентов и их описаний PEAS
В отличие от этого некоторые программные агенты (называемые также программными роботами или софтботами) существуют в сложных, неограниченных проблемных областях. Представьте себе программный робот, предназначенный для управления тренажером, имитирующим крупный пассажирский самолет. Этот тренажер представляет собой очень детально промоделированную, сложную среду, в которой имитируются движения других самолетов и работа наземных служб, а программный агент должен выбирать в реальном времени наиболее целесообразные действия из широкого диапазона действий. Еще одним примером может служить программный робот, предназначенный для просмотра источников новостей в Internet и показа клиентам интересующих их сообщений. Для успешной работы ему требуются определенные способности к обработке текста на естественном языке, он должен в процессе обучения определять, что интересует каждого заказчика, а также должен уметь изменять свои планы динамически, допустим, когда соединение с каким-либо из источников новостей закрывается или в оперативный режим переходит новый источник новостей. Internet представляет собой среду, которая по своей сложности соперничает с физическим миром, а в число обитателей этой сети входит много искусственных агентов.
Свойства проблемной среды
Несомненно, что разнообразие вариантов проблемной среды, которые могут возникать в искусственном интеллекте, весьма велико. Тем не менее существует возможность определить относительно небольшое количество измерений, по которым могут быть классифицированы варианты проблемной среды. Эти измерения в значительной степени определяют наиболее приемлемый проект агента и применимость каждого из основных семейств методов для реализации агента. Вначале в этом разделе будет приведен список измерений, а затем проанализировано несколько вариантов проблемной среды для иллюстрации этих идей. Приведенные здесь определения являются неформальными; более точные утверждения и примеры вариантов среды каждого типа описаны в следующих главах.
• Полностью наблюдаемая или частично наблюдаемая
Если датчики агента предоставляют ему доступ к полной информации о состоянии среды в каждый момент времени, то такая проблемная среда называется полностью наблюдаемой. По сути, проблемная среда является полностью наблюдаемой, если датчики выявляют все данные, которые являются релевантными для выбора агентом действия; релевантность, в свою очередь, зависит от показателей производительности. Полностью наблюдаемые варианты среды являются удобными, поскольку агенту не требуется поддерживать какое-либо внутреннее состояние для того, чтобы быть в курсе всего происходящего в этом мире. Среда может оказаться частично наблюдаемой из-за создающих шум и неточных датчиков или из-за того, что отдельные характеристики ее состояния просто отсутствуют в информации, полученной от датчиков; например, агент-пылесос, в котором имеется только локальный датчик мусора, не может определить, имеется ли мусор в других квадратах, а автоматизированный водитель такси не имеет сведений о том, какие маневры намереваются выполнить другие водители.• Детерминированная или стохастическая
Если следующее состояние среды полностью определяется текущим состоянием и действием, выполненным агентом, то такая среда называется детерминированной; в противном случае она является стохастической. В принципе в полностью наблюдаемой детерминированной среде агенту не приходится действовать в условиях неопределенности. Но если среда — частично наблюдаемая, то может создаться впечатление, что она является стохастической. Это отчасти справедливо, если среда — сложная и агенту нелегко следить за всеми ее ненаблюдаемыми аспектами. В связи с этим часто бывает более удобно классифицировать среду как детерминированную или стохастическую с точки зрения агента. Очевидно, что при такой трактовке среда вождения такси является стохастической, поскольку никто не может точно предсказать поведение всех других транспортных средств; более того, в любом автомобиле совершенно неожиданно может произойти прокол шины или остановка двигателя.
Описанный здесь мир пылесоса является детерминированным, но другие варианты этой среды могут включать стохастические элементы, такие как случайное появление мусора и ненадежная работа механизма всасывания. Если среда является детерминированной во всех отношениях, кроме действий других агентов, то авторы данной книги называют эту среду стратегической.• Эпизодическая или последовательная
В эпизодической проблемной среде опыт агента состоит из неразрывных эпизодов. Каждый эпизод включает в себя восприятие среды агентом, а затем выполнение одного действия. При этом крайне важно то, что следующий эпизод не зависит от действий, предпринятых в предыдущих эпизодах. В эпизодических вариантах среды выбор действия в каждом эпизоде зависит только от самого эпизода. Эпизодическими являются многие задачи классификации. Например, агент, который должен распознавать дефектные детали на сборочной линии, формирует каждое решение применительно к текущей детали, независимо от предыдущих решений; более того, от текущего решения не зависит то, будет ли определена как дефектная следующая деталь. С другой стороны, в последовательных вариантах среды текущее решение может повлиять на все будущие решения. Последовательными являются такие задачи, как игра в шахматы и вождение такси: в обоих случаях кратковременные действия могут иметь долговременные последствия. Эпизодические варианты среды гораздо проще по сравнению с последовательными, поскольку в них агенту не нужно думать наперед.• Статическая или динамическая
Если среда может измениться в ходе того, как агент выбирает очередное действие, то такая среда называется динамической для данного агента; в противном случае она является статической. Действовать в условиях статической среды проще, поскольку агенту не требуется наблюдать за миром в процессе выработки решения о выполнении очередного действия, к тому же агенту не приходится беспокоиться о том, что он затрачивает на размышления слишком много времени. Динамические варианты среды, с другой стороны, как бы непрерывно спрашивают агента, что он собирается делать, а если он еще ничего не решил, то это рассматривается как решение ничего не делать. Если с течением времени сама среда не изменяется, а изменяются показатели производительности агента, то такая среда называется полудинамической. Очевидно, что среда вождения такси является динамической, поскольку другие автомобили и само такси продолжают движение и в ходе того, как алгоритм вождения определяет, что делать дальше. Игра в шахматы с контролем времени является полудинамической, а задача решения кроссворда — статической.• Дискретная или непрерывная
Различие между дискретными и непрерывными вариантами среды может относиться к состоянию среды, способу учета времени, а также восприятиям и действиям агента. Например, такая среда с дискретными состояниями, как игра в шахматы, имеет конечное количество различимых состояний. Кроме того, игра в шахматы связана с дискретным множеством восприятий и действий. Вождение такси — это проблема с непрерывно меняющимся состоянием и непрерывно текущим временем, поскольку скорость и местонахождение самого такси и других транспортных средств изменяются в определенном диапазоне непрерывных значений, причем эти изменения происходят во времени плавно. Действия по вождению такси также являются непрерывными (непрерывная регулировка угла поворота руля и т.д.). Строго говоря, входные данные от цифровых камер поступают дискретно, но обычно рассматриваются как представляющие непрерывно изменяющиеся скорости и местонахождения.• Одноагентная или мультиагентная
Различие между одноагентными и мультиагентными вариантами среды на первый взгляд может показаться достаточно простым. Например, очевидно, что агент, самостоятельно решающий кроссворд, находится в одноагентной среде, а агент, играющий в шахматы, действует в двухагентной среде. Тем не менее при анализе этого классификационного признака возникают некоторые нюансы. Прежде всего, выше было описано, на каком основании некоторая сущность может рассматриваться как агент, но не было указано, какие сущности должны рассматриваться как агенты. Должен ли агент А (например, водитель такси) считать агентом объект В (другой автомобиль), или может относиться к нему просто как к стохастически действующему объекту, который можно сравнить с волнами, набегающими на берег, или с листьями, трепещущими на ветру? Ключевое различие состоит в том, следует ли или не следует описывать поведение объекта В как максимизирующее личные показатели производительности, значения которых зависят от поведения агента А Например, в шахматах соперничающая сущность В пытается максимизировать свои показатели производительности, а это по правилам шахмат приводит к минимизации показателей производительности агента А. Таким образом, шахматы — это конкурентная мультиагентная среда. А в среде вождения такси, с другой стороны, предотвращение столкновений максимизирует показатели производительности всех агентов, поэтому она может служить примером частично кооперативной мультиагентной среды. Она является также частично конкурентной, поскольку, например, парковочную площадку может занять только один автомобиль. Проблемы проектирования агентов, возникающие в мультиагентной среде, часто полностью отличаются от тех, с которыми приходится сталкиваться в одноагентных вариантах среды; например, одним из признаков рационального поведения в мультиагентной среде часто бывает поддержка связи, а в некоторых вариантах частично наблюдаемой конкурентной среды рациональным становится стохастическое поведение, поскольку оно позволяет избежать ловушек предсказуемости.Как и следует ожидать, наиболее сложными вариантами среды являются частично наблюдаемые, стохастические, последовательные, динамические, непрерывные и мультиагентные. Кроме того, часто обнаруживается, что многие реальные ситуации являются настолько сложными, что неясно даже, действительно ли их можно считать детерминированными. С точки зрения практики их следует рассматривать как стохастические. Проблема вождения такси является сложной во всех указанных отношениях.
В табл. 2.4 перечислены свойства многих известных вариантов среды. Следует отметить, что в отдельных случаях приведенные в ней описания являются слишком краткими и сухими. Например, в ней указано, что шахматы — это полностью наблюдаемая среда, но строго говоря, это утверждение является ложным, поскольку некоторые правила, касающиеся рокировки, взятия пешки на проходе и объявления ничьи при повторении ходов, требуют запоминания определенных фактов об истории игры, которые нельзя выявить из анализа позиции на доске. Но эти исключения из определения наблюдаемости, безусловно, являются незначительными по сравнению с теми необычными ситуациями, с которыми сталкивается автоматизированный водитель такси, интерактивная система преподавания английского языка или медицинская диагностическая система.
Таблица 2.4. Примеры вариантов проблемной среды и их характеристик
Некоторые другие ответы в этой таблице зависят от того, как определена проблемная среда. Например, в ней задача медицинского диагноза определена как од-ноагентная, поскольку сам процесс развития заболевания у пациента нецелесообразно моделировать в качестве агента, но системе медицинской диагностики иногда приходится сталкиваться с пациентами, не желающими принимать ее рекомендации, и со скептически настроенным персоналом, поэтому ее среда может иметь мультиагентный аспект. Кроме того, медицинская диагностика является эпизодической, если она рассматривается как задача выбора диагноза на основе анализа перечня симптомов, но эта проблема становится последовательной, если решаемая при этом задача может включать выработку рекомендаций по выполнению ряда лабораторных исследований, оценку прогресса в ходе лечения и т.д. К тому же многие варианты среды являются эпизодическими на более высоких уровнях по сравнению с отдельными действиями агента. Например, шахматный турнир состоит из ряда игр; каждая игра является эпизодом, поскольку (вообще говоря) от ходов, сделанных в предыдущей игре, не зависит то, как повлияют на общую производительность агента ходы, сделанные им в текущей игре. С другой стороны, принятие решений в одной и той же игре, безусловно, происходит последовательно.
Источник: www.rriai.org.ru