Про М.М.Амосова

Головна   >   Публікації   >   Про М.М.Амосова   >   Публікації про М.М.Амосова   >   Микола Амосов - основоположник бiокiбернетичних iнформацiйних технологiй

Микола Амосов - основоположник бiокiбернетичних iнформацiйних технологiй

Матеріали підготовлено к.т.н. О.М.Касаткіним та к.т.н. Л.М.Касаткіною, співробітниками відділу
"Нейромережеві технології обробки інформації" Міжнародного науково-навчального центру
інформаційних технологій і систем НАН України (першими аспірантами М.М.Амосова в галузі кібернетики)
.

"Біблія" відділу біокібернетики

В коло інтересів видатного хірурга Миколи Михайловича Амосова входили не тільки медичні проблеми, але і проблеми пізнання людини в цілому. Загальносистемний підхід до дослідження природи людини знайшов своє відображення в наукових напрямках, ініційованих М.М.Амосовим в області кібернетики: моделювання фізіологічних функцій організму людини (фізіологічна біокібернетика), моделювання розумових і психічних функцій людини (психологічна біокібернетика), моделювання людини як соціальної істоти (соціологічна біокібернетика).

У 1964 р. Микола Михайлович Амосов запропонував гіпотезу про механізми переробки інформації мозком людини. У рамках цієї гіпотези був сформульований системний підхід щодо структури і механізмів мозку, функціонування яких породжують психічні функції людини. Принципово важливим було те, що об'єктом моделювання ставали не окремі структури, чи механізми і функції (наприклад, пам'ять, сприйняття, навчання і т.п.), а мозок людини як соціальної істоти - мозок homo sapіens. Саме в цьому і був пафос опублікованої в 1965 р. монографії "Моделирование мышления и психики", що на подальше стала "біблією" для декількох поколінь дослідників, що працюють у Відділі (і не тільки для них).

Реакцію радянських наукових кіл на появу цієї монографії в цілому можна оцінити як в'яло агресивну. З одного боку, фізіологи і філософи "від фізіології" до цього часу були помітно стомлені широкою дискусією щодо непорушності основних постулатів вчення І.П.Павлова про вищу нервову діяльність, що проходила на сторінках журналу "Вопросы философии" і була ініційована відомим фізіологом А.Н. Бернштейном. У цій дискусії традиційні фізіологи потерпіли хоч і не нищівну, але дуже чутливу поразку. Багато чого стало "можна", зокрема це стосується взаємовідносин вищих функцій мозку і нижчих. З іншого боку, психологи і філософи "від психології" були на той час вже грунтовно "заражені" загальнокібернетичними ідеями, з'явилися роботи, що прямо трактують психічні процеси як процеси переробки інформації, були вже розхитані, хоча ще і досить сильні, ідеологічні канони, що стримували психологів протягом багатьох літ. (Цікаво відзначити, що література по психології в ті роки ще виставлялася в книгарнях під рубрикою "Теорія марксизму-ленінізму".) У цих умовах поява монографії М.М.Амосова не викликала офіційного відторгнення (що ще 5-10 років тому було б зовсім неможливо) і Відділу була надана можливість спокійно працювати. Зіграла, напевно, свою роль і та обставина, що М.М. Амосов був депутатом Верховної Ради СРСР, що за тими часами було вагомим аргументом на користь "ідеологічної прийнятності" його теорій.

Ідеї, викладені М.М.Амосовим у книзі "Моделирование мышления и психики" знайшли подальший розвиток у його наступних роботах ("Моделирование сложных систем", "Искусственный разум", "Алгоритмы разума", "Природа человека").

Специфіка школи М.М.Амосова

У теоретичному плані роботи школи Амосова характеризуються двома основними особливостями, що пов'язані з розумінням процесів переробки інформації мозком як постійної взаємодії множини інформаційних моделей, які відображають елементи внутрішнього і зовнішнього світу суб'єкта.

Перша з них полягає в тому, що основним функціональним елементом нейромережі, її "головним діючим персонажем", вважається не окремий нейрон, а особливим чином організована їхня сукупність - нейронний ансамбль. Нейронна мережа при цьому постає вже як структура, складена з множини взаємодіючих ансамблів, кожний з яких відповідає (і це особливо важливо) деякому індивідуальному образу чи поняттю з безлічі образів і понять, що приймають участь у формуванні інтегративних психічних функцій, які реалізуються мозком, тобто в процесі мислення. Таким чином, нейронна мережа стає мережею з семантикою (особливим видом семантичної мережі). Витоки такого підходу відносяться до ранніх робіт відомого фізіолога Д.Хебба, основна праця якого була опублікована ще в 1949 р. Важливою характеристикою такого роду мережі є те, що всі її елементи в будь-який момент часу активні. Величина цієї активності змінюється в часі, відбиваючи взаємовплив понять, представлених вузлами мережі.

Друга особливість робіт школи М.М.Амосова пов'язана з запровадженням у науковий ужиток уявлення про специфічну систему підсилення-гальмування (СПГ) (російською мовою - система усиления-торможения - СУТ), що є невід'ємним атрибутом нейромережі і виконує в процесі функціонування мережі роль, що можна порівняти з роллю функцій уваги в процесах мислення. Ідея СПГ є цілком оригінальна. Використання СПГ дозволяє ввести елемент спрямованості в процеси обробки інформації нейромережею і, що дуже важливо, використовувати при організації цих процесів ціннісні характеристики інформації.

Наявність керуючого впливу СПГ і активності, що змінюється, на усіх вузлах мережі дають можливість говорити про дві взаємодіючі рівні переробки інформації - підсвідомий і свідомий. На рівні підсвідомості відбувається постійна взаємодія і взаємовплив представлених у мережі інформаційних дискретів (понять). У ході цієї взаємодії рівень активності окремих вузлів мережі зростає настільки, що вони "усвідомлюються" - стають об'єктом "уваги" (СПГ), що приводить до радикального перерозподілу активності всіх інших вузлів. СПГ діє за своїми законами, що не дозволяють одному поняттю надовго залишатися у сфері "уваги". Це забезпечує "переключення уваги" на інші поняття, імітуючи тим самим хід "свідомого" мислення.

Зазначені особливості вихідної гіпотези дозволили за порівняно короткий період одержати цілий ряд нетривіальних результатів в області як теоретичного дослідження ряду складних розумових функцій, так і практичної перевірки теоретичних висновків шляхом комп'ютерного моделювання. Тимчасові границі цього періоду відзначені публікацією двох монографій, одна з яких ("Моделирование мышления и психики") фіксує вихідні позиції наукового напрямку, а інша ("Автоматы и разумное поведение") підводить підсумок циклу конкретних досліджень.

Мережа iнформацiйних моделей (М-мережа)

Теоретичні положення М.М.Амосова про механізми переробки інформації мозком і принципи породження складних психічних функцій були використані при створенні особливого класу нейроподібної мережі, що одержала назву "М-мережа". М-мережа як інструмент моделювання механізмів переробки інформації була запропонована О. і Л.Касаткіними у 1966 р. Елементи М-мережі відповідають цілісним нейронним ансамблям і описуються як нелінійні перетворювачі аналогової інформації. Кожному елементу ставиться у відповідність визначене поняття; зв'язки між елементами відображають взаємозв'язок і взаємовплив зв'язаних з такими поняттями реальними чи віртуальними об'єктами, явищами, подіями тощо. Таким чином, М-мережа розширює можливості нейронних мереж за рахунок привнесення ряду властивостей семантичних мереж.

Основна особливість М-мережі полягає в тому, що на множині її вузлів і зв'язків визначені операції передачі активності - чисельної величини, що характеризує поточне значення актуальності чи цінності інформаційних дискретів, що представлені вузлами мережі. У кожен момент часу стан М-мережі може бути описаний розподілом активності її вузлів. Спеціальна процедура здійснює трансформацію і передачу активності від одних вузлів до інших по існуючим між вузлами спрямованим зв'язкам. Кожен зв'язок має вагу і може бути посилюючим чи гальмуючим. За частиною вузлів М-мережі фіксується статус вхідних (рецепторних) і вихідних (эффекторних). Центральна частина М-мережі, у якій відбувається власне обробка інформації, що надходить по рецепторних входах, відображає знання і міркування людини-фахівця в рамках деякої предметної області. Істотну роль у роботі М-мережі грає система підсилення-гальмування (СПГ). У кожен момент часу СПГ виділяє найбільш активний вузол, тобто найбільш актуальну інформацію, підсилюючи її вплив на наступні процеси в мережі. Вибір СПГ одного з вихідних вузлів інтерпретується як прийняття рішення, що відповідає семантиці цього вузла.

Розроблені в цей період комп'ютерні моделі інтелектуальної поведінки РЕМ (1965-1967 р.) і МОД (1968-1971 р.) дозволили продемонструвати принципову можливість створення нейромереж, що імітують механізми, які породжують складні психічні функції. Зокрема, були промодельовані механізми породження і впливу емоцій на формування поведінкових актів. РЕМ і МОД створювалися як прообрази інтегральних роботів, здатних самостійно оцінювати власний стан (стан свого "тіла") і стан навколишнього середовища, планувати свою поведінку і приймати необхідні рішення для реалізації чи корекції плану. Моделі РЕМ і МОД були першими серйозними спробами відобразити засобами нейромережі психологічні аспекти поведінки вищих тварин і людини.

Структура М-мережі РЕМа складалася з взаємозалежних підструктур, що реалізують функції сприйняття, понятійних узагальнень, емоційних оцінок і прийняття рішень. Це була перша спроба модельної реалізації гіпотези М.М.Амосова. Не було ясно, чи удасться взагалі потрібним чином організувати М-мережу, наскільки складною буде задача її "настроювання" для одержання скільки-небудь розумної поведінки, чи дасть потрібний ефект робота СПГ. Відповіді на ці питання можна було одержати тільки шляхом створення функціонально неспеціалізованої моделі. Саме тому і був обраний "роботний" сюжет - пересування в умовному клітинному середовищі, що містить "небезпечні" і "корисні" для РЕМа об'єкти, тобто "побутову" поведінку. Відповідність моделі щодо гіпотези М.М.Амосова оцінювалась за двома критеріями: доцільність зовнішніх проявів поведінки (власне, пересування) і доцільність "внутрішніх" реакцій, тобто спонукальних мотивів вибору тієї чи іншої дії. Зміною структури М-мережі (чи тільки ваги окремих зв'язків) створювалися різні типи "особистості" РЕМа - агресивний, спокійний, боягузливий. У ході експерименту структура М-мережі не змінювалася. Експериментів було проведено досить багато, що в той час (1966-1967 р.) було непросто - "М-220" була єдиною "великою" обчислювальною машиною в Інституті кібернетики і "одержати" машинний час було досить складно. Але після РЕМа стало вже ясно, що на основі гіпотези М.М.Амосова дійсно можна створювати нейромережеві структури, що породжують розумну поведінку, і, що більш цікаво, розумну мотивацію цієї поведінки.

Наступна модель (МОД) була вже реалізована на більш потужній і швидкодіючій цифровій обчислювальній машині "БЭСМ-6", але оскільки і сама модель була більш складною, навіть порівняно прості експерименти з нею як і раніше тривали від 1,5 до 2 годин машинного часу. Основна відмінність від РЕМа складалося в здатності МОД планувати своє пересування і навчатися в процесі взаємодії із середовищем.

Робототехнічний період

Початкова спрямованість робіт школи Амосова на комплексне моделювання психічних функцій значною мірою визначила "робототехнічну" тенденцію подальших досліджень, що проводились у Відділі.

Слід зазначити, що в 80-х роках ХХ ст. робототехнічна тематика стала в СРСР дуже популярною, мали місце навіть безпосередні вказівки партії й уряду на особливу актуальність робіт у даному напрямку. Була, таким чином, створена певна ніша, у якій багато дослідників проблем штучного інтелекту могли знайти своє місце. Згодом, однак, з'ясувалося, що промисловість країни не може забезпечити ефективне використання пропонованих наукою високоінтелектуальних пристроїв, так що робототехнічний бум поступово стих. Проте, протягом декількох років, роботи в цьому напрямку приносили дуже цікаві наукові результати.

Ознаки кризи нейрокібернетики, що насувалася в той час, стимулювали роботи, спрямовані на одержання результатів, що могли б мати практичне, прикладне значення. Для Відділу М.М.Амосова такі дослідження природним чином виявилися зв'язаними зі створенням макетів автономних рухомих роботів і розробкою нейромережевих систем керування. Треба сказати, що на початковому етапі цієї "макетної епопеї" Микола Михайлович був категорично проти такого відволікання на "залізяки". Але його вдалося переконати, у підсумку було розроблено і досліджене ціле сімейство таких роботів. Ініціатором і керівником робіт цього напрямку був співробітник Амосівського Відділу Е.М.Куссуль (після того, як М.М.Амосов залишив посаду зав.відділом саме він очолив відділ біокібернетики). У 1972-1975 рр. був створений перший у СРСР автономний транспортний робот "ТАЇР". Його розробка завершилася успішною демонстрацією отриманих результатів на ІV міжнародній конференції по штучному інтелекту в м.Тбілісі (Грузія), 1975 р. (був знятий і показаний на конференції короткометражний фільм про ТАЇР). Робот демонстрував цілеспрямований рух у природному середовищі, обхід перешкод тощо. ТАЇР являв собою триколісний самохідний візок з системою датчиків (далекомір і тактильні датчики). Керувався він апаратно реалізованою нейронною мережею (вузли мережі - спеціальні електронні схеми, зібрані на транзисторах; зв'язки між вузлами - резистори).

Випробування ТАЇРа проводилися в парку біля Амосівської клініки серцевої хірургії. (Відділ біокібернетики в той час знаходився на її території і М.М.Амосов керував тоді одночасно і клінікою і Відділом). Робот повинен був під час руху обходити такі перешкоди як люди, дерева, ослони і т.п. Мета руху робота задавалася координатами точки на місцевості. Експериментальне дослідження ТАЇРа продемонструвало принципову можливість створення цілком автономного робота, керованого апаратно реалізованою нейронною мережею. У той же час воно показало всю складність організації взаємодії робота з природним середовищем і необхідність використання нейронних мереж, що навчаються самі завдяки зворотнім зв'язкам від середовища. Дослідження можливості створення роботів з нейромережевими системами керування, що навчаються самі, було проведено на створеному в 1979 р. макеті МАЛЮК.

Надалі було створено ще декілька роботів, на яких перевірялися різні схеми керування рухом і взаємодії з зовнішнім середовищем. У 1980-1981 р. був створений макет транспортного робота STAR, на якому відпрацьовувалися алгоритми керування "великого" транспортного робота, створюваного на базі серійного автонавантажувача.

Дослідження й удосконалення алгоритмів керування роботом під час руху в природному середовищі було продовжено в 1984-1986 р. на макеті МАВР. Ця робота проводилася за замовленням Міністерства оборони СРСР і була спрямована на створення автономного робота, здатного цілеспрямовано пересуватися в умовах складної пересіченої місцевості. Оригінальні конструктивні рішення забезпечили МАВРу високу прохідність і надійний захист схем керування, що були розміщені усередині бочкоподібних коліс. Інформація про зовнішнє середовище надходила від далекомірів, оптичних і тактильних датчиків на програмно реалізовану (бортовий комп'ютер) нейронну мережу. В результаті обробки вхідної інформації приймалося рішення про напрямок переміщення чи інші операції, включені у блок прийняття рішень. Прийняті рішення активували відповідні виконавчі механізми.

Дослідження МАВРа завершили "робототехнічний" період школи М.М.Амосова. Отримані результати описані в колективній монографії "Нейрокомпьютеры и интеллектуальные роботы". Слід зазначити, що ця монографія узагальнює основні результати робіт відділу за 80-і роки ХХ ст. і її зміст далеко виходить за рамки власне робототехнічної тематики. Зокрема, у ній знайшли відображення результати інтенсивних досліджень, спрямованих на створення методів і практичних прийомів використання нейромереж при побудові експертних систем, заснованих на формалізації оціночних експертних знань, зазвичай дуже розпливчастих і важко формалізуємих. Практичним результатом цих робіт стало створення інструментальної програмної системи VESTA, що підтримує роботу експерта по автоформалізації власних знань у вигляді нейромережевої структури, здатної автоматично трансформуватися в систему підтримки прийняття рішень.

Нейрокомп'ютери

У ті ж роки у Відділі активно розвивався (зусиллями д.т.н. Е.М.Куссуля) оригінальний напрямок, пов'язаний з використанням стохастичних методів для моделювання нейроподібних мереж з ансамблевою організацією. Е.М.Куссулем запропонована і досліджена нова парадигма нейромереж, яка дозволяє створювати нейроподібні структури, що мають велику універсальність. Ці структури відомі як асоціативно-проективні нейроподібні мережі

У середині 80-х років ХХ ст. в області моделювання мозку з'явився новий термін - "нейрокомп'ютер". Він став, власне кажучи, прапором нової хвилі досліджень і розробок в області нейромережевих методів обробки інформації, практично цілком витиснувши термін "нейрокібернетика". Надії, пов'язані з ранніми роботами по створенню систем штучного інтелекту (ШІ), природним чином були перенесені на нейрокомп'ютери, які, у широкому сенсі, сприймали як прообрази "штучного мозку" - розумної системи, що повинна будуватися і функціонувати аналогічно мозку людини. Приставка "нейро" підкреслювала відмінність такої системи від традиційного комп'ютера і функціональну близькість до мозку.

Реальний стан справ досить швидко змусив звузити розуміння терміна "нейрокомп'ютер" до ототожнення зі штучними нейронними мережами. У більшості сучасних робіт цей термін (чи термін "нейрокомп'ютинг") використовується для позначення всього спектра робіт у рамках підходу до побудови систем штучного інтелекту, заснованого на моделюванні елементів, структур, взаємодій і функцій різних рівнів нервової системи. У сучасному розумінні, нейрокомп'ютер - це спеціалізоване програмно або апаратно реалізований обчислювальний пристрій, що імітує роботу нейронної мережі.

Перший у СРСР апаратний нейрокомп'ютер був розроблений у 1988-1989 р. на основі ідеології ансамблевих стохастичних нейромереж. Роботи велися під керівництвом д.т.н. Е.М.Куссуля, якому на той час Микола Михайлович уже передав Відділ. Перший макет нейрокомп'ютера (1989 р.) був створений на вітчизняній елементній базі і являв собою приставку до персонального комп'ютера. У наступних макетах використовувалася вже більш просунута елементна база. У 1992 р. разом з японською фірмою WACOM був розроблений і експериментально перевірений на задачах розпізнавання образів останній варіант нейрокомп'ютера.

Наступні роботи Відділу були пов'язані з розробкою нейромережевих інформаційних технологій. Були створені ефективні нейромережеві класифікатори, що використовувалися в задачах розпізнавання текстур, ідентифікації особи за голосом, розпізнавання рукописних символів, рукописних текстів і т.п. Незважаючи на прикладний характер цих робіт, Відділ зберіг глобальний підхід М.М.Амосова до проблематики штучного інтелекту, уміння бачити задачу в цілому і накопичувати досвід для наступних "проривів".

Учитель

Як не дивно, Микола Михайлович не любив це слово - "учитель" і ніколи не прагнув до формального визнання своєї школи. Він високо цінував самостійність своїх колишніх співробітників і не вимагав жорсткого слідкування канонам. Утім, його власні погляди теж перетерплювали зміни, і він охоче обговорював із співробітниками Відділу нові ідеї в області штучного інтелекту і соціології.

До останніх днів Микола Михайлович продовжував активно цікавитися роботами і долею Відділу.

Наукові семінари з його участю проводилися, як правило, у неформальній обстановці - вдома у Миколи Михайловича, або в кого-небудь зі співробітників Відділу. Обговорювалися поточні проблеми, книги, що були у Миколи Михайловича "в роботі" чи недавно вийшли, будувалися плани на майбутнє.

Останній раз Микола Михайлович відвідав Відділ навесні 2001 року. До цього часу Інститут кібернетики розділився на ряд самостійних інститутів, що склали Кібернетичний центр, і Відділ увійшов до складу Міжнародного науково-навчального центра інформаційних технологій і систем.

У свій час (середина 70-х ХХ століття) академік В.М.Глушков умовно розділив усіх кібернетиків на "сухих" і "мокрих" - по ступені використання ними строгих математичних методів. М.М.Амосов завжди був "мокрим" кібернетиком. Романтична ідея створення "справжнього" штучного інтелекту, що так багато значила в житті Миколи Михайловича Амосова, не тільки не забута науковим співтовариством, але і почала активно відроджуватися. В обговореннях перспектив розвитку комп'ютерної техніки поруч зі словами "комп'ютер XXІ століття" усе частіше вимовляють слово "розуміння" (для активного співробітництва з людиною комп'ютер повинен розуміти його мети і задачі, вміти оперувати з образною інформацією, тощо). А це означає, що "мокрі" кібернетичні теорії і гіпотези про психічну діяльність мозку знову стають потрібними і на сучасному рівні розвитку комп'ютерної техніки вони можуть дати новий шанс як для розуміння роботи мозку, так і для створення його штучного аналога.

Моделювання в соцiологiї

Матеріал підготовлений к.т.н. В.С.Ольшаніковим співробітником відділу
"Нейромережеві технології обробки інформації" Міжнародного науково-навчального
центру інформаційних технологій і систем НАН України

М.М.Амосов виявляв великий інтерес до суспільного устрою і взаємозв'язку людини і суспільства. Шляхом моделювання він шукав відповідь на питання, пов'язані із суспільною структурою. Які переваги і які недоліки притаманні капіталізму і соціалізму, що таке "ідеальне суспільство"? Відповіді на питання такого роду М.М.Амосов припускав знайти шляхом створення евристичних моделей.

Метод евристичного моделювання полягає в тім, що створюється математична модель складної системи на підставі гіпотези про її структуру і функції. Така модель фактично є способом поєднання в єдиній системі кількісної і якісної інформації, відомої з літератури чи власного досвіду (при цьому якісну інформацію також необхідно представити у виді кількісних оцінок).

Евристична модель, у першу чергу, дозволяє, шляхом порівняння поведінки моделі і моделюємого об'єкта в різних умовах, перевірити несуперечність закладених у модель гіпотез і, при необхідності, їх скорегувати. Крім того, дослідження об'єкта разом з моделлю дозволяє цілеспрямовано формувати експерименти (спостереження) над об'єктом і формувати нові гіпотези, що приводить до більш глибокого розуміння властивостей і функцій системи, що моделюється.

Існуючі моделі суспільних систем майже всі спрямовані на відображення економічних взаємин соціальних груп і не враховують психіку людей та вплив ідеологічних факторів. Однак, суспільство - це складна система, що самоорганізується, і корінь самоорганізації лежить саме в психології людей. М.М.Амосов вважав, що введення психологічних аспектів у модель суспільства дозволить більш повно зрозуміти соціальні тенденції.

Як носіїв психологічних якостей людини в моделі суспільства М.М.Амосов запропонував використовувати узагальнені моделі особистостей, що відбивають основні риси різних соціальних груп.

Була розроблена функціональна схема узагальненої моделі особистості, що показує взаємодію почуттів, трудових зусиль, і "оплату" за працю. Всі основні психологічні якості особистості і відповідні реакції суспільства виражені в моделі нелінійними функціями з насиченням, де враховуються обмежені фізичні можливості людини й обмежені ресурси суспільства. Налагодження моделей полягало в ув'язуванні балансів розподілу праці і "оплати" із замиканням через мотиви. Вплив ідеології задавався за допомогою спеціально розроблених шкал: праця - плата, праця - стомлюваність, рівень домагань (криві "оплата - почуття").

М.М.Амосов. Ілюстрації на сайті "Iсторiя розвитку iнформацiйних технологiй в Українi"  ›››