У Д К 6 8 1 .3 :6 2 1 .3 8 2 :5 1 9 .6 8
В. М. Колешко РАЗРАБОТКА И НТЕЛЛЕКТУАЛЬН Ы Х М АШ И Н ,
ТЕХН ОЛО ГИ Й И С И СТЕМ
Б е л о р усск а я го с у д а р с т в е н н а я поли т ехни ческая а к а д ем и я М инск, Б е л а р у с ь
В настоящее время практически все передовые страны мира придают огромное значение развитию инженерии интеллектуальных систем («Intelligent System Engineering»), проводя крупномасштабные исследования, обучение и разработки в рамках своих государственных программ. Такое внимание к новым интеллектуаль
ным технологиям в информатизации общества обусловлено тем, что в отличие от традихщонных формальных моделей и компьютерных систем такие технологии способны эффективно решать широкий круг трудно формализуемых задач, недо
ступных обычным системам.
Решение многих актуальных задач развития промьшіленного и сельсыжозяй- ственного производства, топливно-энергетического комплекса, жилищно-комму
нального хозяйства, энерго- и ресурсосбережения, транспорта, экологического мониторинга и здоровья человека, общественной и национальной безопасности, построение нового информационного общества требует междисциплинарного под
хода и непосредственно связано с разработкой, изготовлением и эксплуатацией интеллектуальных систем мониторинга и управления, элементной базой и техни
ческими звеньями которых являются интеллектуальные сенсоры, сенсорные сис
темы и технологии, микропроцессорная техника, информационные мульти-медиа системы, системы защиты информации, микроэлектромеханические системы, ис
полнительные механизмы, способные работать в составе иерархических гибких производственных систем в реальном масштабе времени благодаря интеллектуаль
ному интерфейсу сопряжения (рис. 1). Это соответствует новому облику компью
терно-интегрированного распределенного производства и новым условиям их при
менения в составе локальных и шобальных интеллектуальных систем, включая всемирную паутину Интернет. Интернетовский «допинг» не только ведет к б и н о му информационному, образовательному и эконсшическому росту, но и создает мил
лионы новых рабочих мест. Опыт показывает, что только один год коммерческой деятельности в интернетовском пространстве равен по своей отдаче десяти годам
работы традиционными методами. Прикладные системы машинного разума (ис
кусственного интеллекта), а также инструментальные средства для их проектиро
вания не только стали коммерческим продуктом в цивилизованных странах, но и приносят даже сейчас значительный доход.
В настоящее время существует несколько путей развития данного направления, каждый из которых требует для достаточно полной проработки вложения огром
ных сил и средств. Каким же образом можно прояснить и выбрать наиболее перс
пективное направление образования, н^чно-технологических исследований и ин
женерных разработок? В этом случае имеется безошибочное направление разви
тия - интеллект человека и машины.
Рис. 1. Интеллектуализация технических систем и технологических процессов.
Развитие информатики, когнитивной науки, интегральной электроники и сен
сорики, искусственного интеллекта должно быть неразрывно связано с исследова
ниями информационных процессов человека и других живых объектов. Общеизве
стно, что интеллектуальные способности человека во многом зависят от способно
сти воспринимать и обрабатывать информацию. Сегодня появилась возможность не только использовать методы информатики для анализа интеллекта человека, но и, наоборот, узнать, какие концепции организации компьютерных систем и o6pą- боткй знаний помогут наиболее естественно описать как работу мозга, так и ин
форматику человека в целом.
Развитие компьютеров оказалось столь стремительным, что первый человеко
эквивалентный компьютер (ЧЭК) был создан фирмой «Intel» (США) в 1996 году и используется пока только для очень сложных расчетов виртуальных ядерных взры
вов, генома человека и стоит очень дорого (55 млн. долларов). Ведется интенсив
ная работа по созданию суперкомпьютера до 10 терофлоп (1 терофлоп ~ тысяча миллиардов операций в секунду). Мощность и память персональных компьютеров растут в геометрической прогрессии - последние два года удваиваются, и, вероят
но к 2030-2050 году будет создан суперкомпьютер, мощность которого превзойдет мощность мозгов всего человечества.
Уже сейчас амбициозный план фирмы ШМ (США) предусматривает разработку но
вою компьютера семейства RS/6000, способного выполнять свыше одного квадриллио
на операций в секунду, что в ЮООразпревышаетпроизводительность машины, победив- шейв 1997году чемпионамирапо шахматам. Представители ШМ сообщают; что компь
ютер ^ е т работать на основе более миллиона мшдюпроцессоров, каждый из которых способен совфпш ъ миллиард операций в сеіунду. Ученые, занимающиеся генной ин- женфией, уже весьма заинтересованно поглядывают на эти разработки, мысленно раз
вивая клонирование и генетически модифицированные іфодукгы питания.
Известно, что человеческий мозг имеет 10-ь 100 миллиардов нейронов, которые легко моделируются на компьютере. Когда мы сможем смоделировать все нейроны и нейронные сети и научимся переписывать их связи в кристаллы-чипы, человек как личность перейдет в электронный вид существования, а это значит все свое время будет расходовать не только на развитие н^пси, технологии, образования, но и на создание суперкомпьютеров на основе ДНК. Молекулярные ДНК-чипы разме
ром не более бактерии (0,5-5,0 мкм) приведут к созданию ДНК-процессоров с ге
нетическим кодированием информации и с ячейками суперпамяти на генетачес- ких молекулах. Объем информации, который можно будет вводить в нее, охромей и сравним с генетической памятью. Например, один кубический миллиметр такой суперпамяти способен заменить винчестеры всех существующих в мире компью
теров, а это основа для создания генокомхшютеров новых поколений, реально при
ближенных к мозговой памяти и мьшхлению. И такие процессоры можно будет встраивать не только в технику, ткани одежды, но и в тело человека и животного.
Сенсоризация производственной деятельности, то есть замена органов чувств человека на микросенсоры и микроэлектромеханические системы (МЭМС) долж
на рассматриваться в качестве следующей промышленной революции передовых стран вслед за первыми двумя - машинно-энергетической и информационно-ком
пьютерной. Многообещающей тенденцией развития сенсорики в настоящее время представляется разработка интеллектуальных микроэлектромехахшческих сенсор
ных систем на основе функциональной интеграции сенсорных, процессорных и исполнительных элементов в микроэлектронном исполнении (рис. 2).
Органы чувств человека способны воспринимать и преобразовывать сигналы нескольких модальностей: электромагнитные поля в видимой (зрение) и инфра
красной (температурная чувствительность) областях спектра; механические воз
мущения - звуковые волны (слух), силу тяжести (гравитационная и вестибулярная чувствительность), механическое давление (осязание); химическое восприятие- обнаружение веществ в жидкой фазе (вкус) и газовой фазе (обоняние).
Микро- и наноэлектроника уже сегодня способны создавать новые органы чувств человека и машины, например, регистрировать магнитные поля как в видимом ди
апазоне, так и в области ультрафиолетового, рентгеновского или радиационного излучений. Успешно создается «внутреннее биохимическое, электронное и опти
ческое зрение» для обнаружения, регистрации и контроля ключевых метаболитов, определяющих согласованность биохимических и электроакустических механиз
мов в норме и места их нарушения при различных паталогиях. Будут применены современные знания о принципах организации и функционирования сенсорных систем для создания новых сенсорных технологий.
НАУКА О МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
ВЕЩЕСТВАХ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 2. Инженерия знаний при проектировании интеллектуальных сенсоров.
Сенсорные системы живых организмов удовлетворяют самым строгим инфор
мационным требованиям: с высокой точностью различают воздействия различных модальностей, воспринимают силы воздействий в широких диапазонах, обладают предельно высокой чувствительностью, каждую только допускают законы физики, химии, информатики, и при этом способны адаптировать свою чувствительность.
Специализированные рецепторные клетки непосредственно либо через промежу
точные нейроны кодируют, включая и генетически, и передают сенсорную инфор
мацию в мозг электрическим (электроакустическим) способом нервных импуль
сов. После обработки мозгом сенсорной информации немедленно форміфуются выходные команды или производится «запись» в память мозга для Идущего ис
пользования.
Техническая реализация сенсорных систем основана на доведении степени ин
теграции до уровня функциональной, что в принципе позволяет реализовать такие интеллектуальные свойства МЭМС, как самоконтроль и адаптация текущего со
стояния системы к состоянию ее внешней и внутренней среды (рис. 3).
Обычно работа МЭМС описывается тройкой изолированных преобразований:
С С о ' р