Киберфизические модели искусственного интеллекта

(Cyber-Physical Models of Artificial Intelligence)

Интеллектуальные технологии, экспертные системы и искусственный интеллект –  главный тренд развития технического прогресса в 21 веке, открывающий новые возможности в области химии, биологии, экологии, в  медицине, в информационных технологиях, в промышленности, в сельском хозяйстве, в измерении и контроле соответствия качества, в оптимизации ТП и других процессов, в тестировании и в  управлении с использованием информации и технологических достижений.
 
Интеллектуальные технологии все чаще внедряются в технические и биосистемы. Принцип адаптации обеспечивает технологичность производства и непрерывное оптимальное управление процессами на объектах с нестационарными и недетерминированными параметрами в условиях стохастических возмущений. Эти особенности характерны для большинства биологических и сельскохозяйственных объектов, процессов и систем потому, что там доминируют растения и животные, а также бактерии пищевых продуктов в процессе их переработки, хранения и  селекции.
 
Развитие интеллектуальных технологий базируется на биологических объектах определение аналогии, моделирование, электроника органов человека, в биохимической, наномолекулярной и других феноменологических имитациях, структурных моделирование и исследование возможностей адаптации под конкретную автоматизацию объект или технологический процесс.

Однако в технике искусственного интеллекта (ИИ) мы нуждаемся лишь тогда, когда принятие решений в условях неопределенности и непредскауемости событий на основе использования шаблонов поведения (паттернов)  становится невозможным на основе алгоритмов и тогда необходимым компонентом принятия целесообразного решения является интеллект - как альтернатива алгоритму. Для снятия или уменьшения неопределенности сейчас применяется т.н. «глубокое машинное обучение» с учителем (deep learning), с заранее известным результатом, что  «интеллектом» по сути не является. Машина не обладает ни ассоциативным мышлением, ни творческими способностями, ни собственным сознанием и никакого «интеллекта» там нет и в принципе быть не может. Поэтому использование в терминологии «искусственный» интеллект здесь будем считать условным.

Итак, искусственный интеллект берет на себя роль своеобразного интеллектуального интерфейса, который интерпретирует и предлагает пользователю, а не расплывчатый набор информации, но готовые к использованию, целевые и, следовательно, полезные знания и рассмотрены решения, предложения и рекомендации.

Интернет вещей (IoT - Internet of Things). Киберфизическая система (Cyber- Physical System, CPS) — это система, которая обеспечивает тесную связь и координацию между виртуальными вычислениями и реальные физические ресурсы. Область применения CPS охватывает робототехнику, транспорт, энергетика, автоматизация промышленных процессов и крупные инфраструктуры. Социальные киберфизические системы (Cyber Physical Social Systems - CPSS) объединяет физический, кибер - и социальный миры, обеспечивает взаимодействие между ними в режиме реального времени.

Технологическая сингулярность – это гипотетический момент в будущем, когда технологическое развитие по сути становится неконтролируемым и необратимым, что вызывает радикальное изменение (сингулярность) сущности человека и цивилизации в целом. По одной из самых популярных версий технологическая сингулярность вызвана  «интеллектуальным взрывом» (эту концепцию выдвинул британский математик и космолог Ирвинг Гуд). 

Обновленный интеллектуальный агент (например, компьютер с мощным искусственным интеллектом) может со временем войти в цикл самосовершенствования как акт «неконтролируемой реакции»  и каждое новое поколение «искусственного интеллекта» будет появляться все быстрее и быстрее, создавая своего рода продукт «интеллектуального взрыва». В конечном итоге машиной самостоятельно создаётся сверхразум, номинально превосходящий человеческий интеллект. Впервые понятие «сингулярность» было упомянуто в технологическом контексте американским математиком Джоном фон Нейманом.

Иcндустриальная революция. Существует большое количество теорий и концепций о какие открытия и события в разные периоды привели к радикальным изменения в обществе и по этой причине могут считаться революциями. Самая известная из теорий гласит, что сначала была земледельческая (аграрная), затем последовала промышленная, а сейчас идет технологическая (информационная) революция.

По другой популярной теории, сейчас уже идет пятая - информационная революция: появление письменности считается первой, книгопечатание в середине 16 –го века — второй. Третья информационная революция связана с внедрением электричества, четвертая информационная революция 70-х годов прошлого века связана с внедрением в системы управления микропроцессоров и компьютеров. Благодаря этому новшеству началась передача информации от механической к электронной (цифровой) среде. Пятая революция началась в 80-х годах прошлого века. Символом пятой революции являются интернет, глобализация информации.

Есть также немало сторонников концепции, что человечество находится на этапе третьей технологической революции. Первым революционным событие считается появление парового двигателя, вторым - изобретение электричества и достижения в области химии, особенно в нефтехимии, третьим - изобретение микропроцессора.

Эксперты прогнозируют, что так называемая «технологическая сингулярность» начнется уже в середине этого столетия. Проще говоря, вся Земля превратится в огромный компьютер. Движение к информационному обществу также стало причиной глобализация всех остальных видов человеческих ресурсов: финансовых, транспортных, промышленных и т.д., одновременно создавая новые бизнес-технологии и возможности.

Общую картину хорошо описывает т. н. «четвертая промышленная революция», которая более известна как (Индустрия 4.0). Революция получила это название благодаря идее бизнесменов, политиков и ученых о том , что повысить конкурентоспособность индустрии можно за счет более глубокой интеграции киберфизических систем в производственные процессы.

CPS— это широкое понятие, которое обычно используется как термин  «Интернет вещей» (IoT).  Концепция тезиса «Industrie 4.0»  призвана двигаться в сторону интеграции уже не на стороне потребителя, а на стороне производителя. В 2014 году в Европе и в США была создана некоммерческая организация промышленного Интернета, в состав учредителей которой вошли такие крупные компании, как General Electric, AT&T, IBM и Intel.

В то же время «Индустрия 4.0» вызывает опасения, что киберфизические системы, Интернет вещей, умные фабрики и промышленные роботы последних поколений будут занимать все больше человеческих рабочих мест. В отличие от третьей промышленной революции, когда автоматизация получила широкое распространение в производстве оборудование, в рамках четвертой революции призвано добиться самой машины взаимное общение, обходящееся без вмешательства человека в повседневные процессы. На некоторых заводах, например, на Siemens, почти все сотрудники уже сейчас занимаются только машинным и компьютерным мониторингом.

С распространением «Индустрии 4.0» ожидается исчезновение многих профессий и видов бизнеса, появление новых профессий и все более широкий перевод бизнеса в виртуальную и киберфизическую среду, IoT, умные фабрики и умные города, новые финансовые и бизнес-технологии, новые тенденции среди потребителей (защита интересов и прав). В то же время роботизация, компьютеризация и цифровизация сулит социальные проблемы, а также новые проблемы безопасности, такие как киберпреступность, особенно в финансовой сфере. Хотя изменения происходят очень быстро, они не хаотичны, а подчиняются определенным закономерностям, поэтому они, прежде всего, хорошо предсказуемы. Просто к грядущим переменам нужно быть готовым.

Человечество получает шанс избавиться от фобий, например «закрыта ли дома дверь?» или «Выключен ли дома утюг» потому, что об этом будет оперативная информация на смартфоне.  Понятно, что если пожароопасный прибор не выключить, то может случиться что угодно. Контролировать и редактировать процесс можно из любой точки города и мира. Система слежения «интернета вещей» распознает лица всех людей, прошедших мимо вашего дома,  или кто стоял возле двери твоей квартиры, а когда одно и то же лицо появится снова, «интернет вещей» сравнит его с полицейской базой данных. На всякий случай... Холодильник с камерой и умным комплектом датчиков проинформирует об истечении срока годности продуктов и о том, что закончились запасы любимых продуктов и поможет заказать недостающие товары в магазине. Умный пылесос отправит сообщение, когда под диваном найдёт потерянное дорогое украшение.

Текущее видение «интернета вещей» развивалось благодаря сближению многих технологий, в том числе беспроводной связи, умных датчиков, гаджетов, встроенных устройств и технологии машинного обучения. Поэтому интернет вещей — это междисциплинарная технология, основанная на таких традиционных дисциплинах, как беспроводные сенсорные сети, встроенные системы, системы управления и автоматизации (в том числе дома и здания).

Тонкости терминологии. Насколько корректен термин «интернет вещей» (IoT) и что сопровождало его появление? IoT — это не интернет, а просто PaaS? Что такое IaaS, PaaS, SaaS? IaaS - (Infrastructure as a Service) – инфраструктура как услуга: виртуальные серверы и виртуальная сеть. Клиент может установить любое программное обеспечение и приложение. PaaS  - (Platform as a Service ) – платформа как услуга, например веб-сервер или база данных; клиент управляет приложениями, поставщик услуг — операционной системой. SaaS - (Software as a Service ) - программное обеспечение как услуга, например электронная почта или другое офисное приложение. Клиент использует приложение, а основные настройки приложения контролируются поставщиком услуг.

В семидесятые годы прошлого века, начиная с того момента, когда компьютеры уже не были отдельным и уникальным продуктом, началась массовая автоматизация по двум практически независимым направлениям. Одним из них является автоматизация бизнес-процессов, которую мы называем информационными технологиями (ИТ).

Другое — автоматизация технологических процессов, это направление, в отличие от ИТ, стали называть операционными технологиями (ОТ, Operational Technology). Важно уточнить, что ИТ имеют дело не с информацией, а с данными, поэтому правильнее было бы назвать это «технологией данных». ИТ объединяет компьютеры, системы хранения и сети с созданием, обработкой, хранением, безопасностью и обменом любыми типами электронных данных. ОТ также представляет собой набор аппаратного и программного обеспечения, но предназначенный для контроля и управления физическими процессами.

Раньше в индустрии автоматизации популярными терминами были АСУ «автоматизированные системы управления» и АСУ ТП (автоматизированные системы управления технологическими процессами). На протяжении более сорока лет ИТ и ОТ развивались независимо и за это время приобрели характеристики, существенно отличающие их. Но во втором десятилетии 21-го века под влиянием ряда факторов, включая сенсорную революцию, развитие сетевых технологий, облачных вычислений, анализа больших данных и других современных тенденций, начался процесс конвергенции ИТ/ОТ, объединяющий два подхода ориентация на данные и на события в физическом мире, т.е.  сформировалась физическая среда управления.

Системы промышленного контроля. Industrial control system (ICS) - это собирательный термин, используемый для описания различных типов систем управления и связанных с ними приборов, которые включают устройства, системы, сети и средства управления, используемые для управления и/или автоматизации промышленных процессов. В зависимости от отрасли каждая АСУ ТП функционирует по-разному и предназначена для эффективного электронного управления задачами. Сегодня устройства и протоколы, используемые в ICS, используются почти во всех промышленных секторах и критически важной инфраструктуре, таких как обрабатывающая промышленность, транспорт, энергетика, водоочистка др.

Существует несколько типов ICS, наиболее распространенными из которых являются системы диспетчерского управления и сбора данных (Supervisory Control and Data Acquisition-SCADA) и распределенные системы управления (Distributed Control Systems - DCS). Локальные операции часто контролируются так называемыми полевыми устройствами, которые получают управляющие команды от удаленных станций.

В долгосрочной перспективе можно ожидать появления единого целого, состоящего из традиционных технологий, управляемых данными, промышленных систем управления (ICS) и систем диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). В конечном итоге это будут киберфизические системы или даже социальные киберфизические системы.
Интернет вещей (IoT) — это функцональное соединение физических устройств. Устройства, образующие «интернет вещей» (также называемые «умными устройствами» или «подключенными устройствами»), оснащены датчиками, исполнительными механизмами и средствами связи. Интернет вещей позволяет удаленно получать информацию о различных объектах, оснащенных датчиками, а также удаленно управлять этими объектами, используя существующую сетевую инфраструктуру, в том числе интернет.

Инициатива по глобальным стандартам Интернета вещей (IoT GSI) определяет «Интернет вещей» как глобальную инфраструктуру информационного общества, предлагающую развитые сервисы путем подключения (физического и виртуального) к существующим и развивающимся, а также включает вопросы, основанные на совместимости информационных и коммуникационных технологий.  Если нет необходимости использовать интернет, то объекты могут взаимодействовать друг с другом и с помощью других технологий.

«Интернет вещей» позволяет улучшить интеграцию виртуального и физического миров. Это важная базовая технология в таких областях, как умные дома, умные города, интеллектуальные транспортные системы, интеллектуальная сеть электроснабжения. Примеры приложений «интернета вещей» включают мониторинг окружающей среды, мониторинг инфраструктуры, строительство и автоматизация инфраструктуры, распознавание активности и мониторинг поведения. «Вещи», образующие «интернет вещей», могут представлять собой разнообразные физические объекты, например автомобили, оснащенные датчиками, медицинские имплантаты, бытовая техника, умные часы и другие носимые устройства, термостататы, контроллеры системы вентиляции и т.д.

«Интернет вещей» состоит из слабосвязанных разрозненных сетей, каждая из которых развернута для решения своих конкретных, специфических задач. Например, в современных автомобилях одновременно работает несколько сетей: одна контролирует работу двигателя, другая - системы безопасности, третья поддерживает связь и т.д. Многие сети устанавливаются также в офисных и жилых зданиях для управления отоплением, вентиляцией, кондиционированием, телефонной связью, охраной, освещением.

По мере развития «интернета вещей» эти и многие другие сети будут соединяться друг с другом и получать все больше и больше возможностей безопасности, аналитики и управления. Таким образом, «интернет вещей» — это сеть сетей, состоящая из однозначно идентифицируемых объектов («вещей») и способных взаимодействовать друг с другом без вмешательства человека.

Мировой рынок встраиваемых интеллектуальных систем растет, чему способствует рост спроса на портативные вычислительные устройства и встраиваемые системы. Другими основными драйверами роста в последние годы являются тенденция к автоматизации производства, постоянное развитие комплексной компьютеризации и широкое использование «интернета вещей».

Основные модели, с помощью которых будет реализован IoT в ближайшем будущем. Первая модель – «комплаенс-контроль». «Комплаенс-контроль» (Compliance Control) – это система управления и контроля в компании, связанная с рисками несоблюдения требований законодательства, нормативных документов, правил и стандартов надзорных органов, кодексов поведения, прочей нормативной документации компании. Соблюдение стандартов, норм и требований контролирующих организаций является важной предпосылкой ведения бизнеса, однако прямой экономической выгоды компаниям они не приносят, несмотря на значительные затраты. В контексте этой ситуации «интернет вещей» имеет огромный потенциал для снижения затрат в этой области.

Вторая модель внедрения — превентивный и превентивный контроль: «интернет вещей» позволяет своевременно выявлять предпосылки возникновения аварийных ситуаций и снижения эффективности оборудования. С помощью «интернета вещей» можно осуществлять удаленный мониторинг в реальном времени и онлайн-мониторинг производительности оборудования.

Третья модель – дистанционная диагностика. Датчики IoT могут использоваться для диагностики устройств, в которых они установлены, и автоматически реагировать на изменения их состояния, свойств и параметров.
Четвертая модель — контроль транзакций. С помощью IoT можно контролировать цепочку технологической деятельности, контролировать перемещение любых устройств и автоматически отслеживать их свойства в режиме реального времени. Это позволяет избавиться от мошенничеств, краж и неконтролируемых потерь, повысить эффективность контролируемых объектов, на которых установлены «умные» датчики, добиться предсказуемости их работы.

Пятая модель – автоматизация операций. Внедрение «интернета вещей» позволяет автоматизировать повторяющиеся действия, повысить эффективность работы, качество отдыха, а также удовлетворенность потребителей и клиентов. Преимущество таких интеллектуальных инструментов IoT проявляется не только в упрощении повседневной деятельности, но и способствует реализации товаров и услуг за счет автоматизации специфических привычек пользователей.

Современная концепция «интернета вещей» означает, что все современные устройства, независимо от платформы, должны иметь возможность работать вместе с другими устройствами и сервисами, образуя единую взаимосвязанную экосистему, в которой «вещи» больше не являются отдельными элементами. Такой подход является одной из основных причин трансформации рынка встраиваемых систем. Сегодня развитие «нтернета вещей» движется в направлении построения таких интеллектуальных систем (датчиков, машин, механизмов, устройств и т.д.), объединенных в одну глобальную компьютерную сеть для получения, обработки данных и повышения эффективности производства (в промышленной сфере), обеспечить комфорт, удобство для пользователей и безопасность пищевых продуктов (в области защиты интересов и прав потребителей).

Внедрение таких интеллектуальных систем требует скоординированной работы участников из нескольких сфер, включая одновременно как поставщиков комплектующих (все процессоры, микропроцессоры, контроллеры, датчики и т.д.), так и конечных продуктов (бытовая электроника, промышленное оборудование, автомобили, самолеты...список поистине неограничен), и производителей программного обеспечения, которые смогут настроить все эти встроенные системы под отдельных заказчиков, подключив компоненты к «облакам» и обеспечив их взаимодействие с другими инфраструктурными элементами системы.

Важно отметить, что IoT существовал уже в середине 90-х. Integrated Systems Inc (ISI) предложила идею встроенного интернета (Embedded Internet). Тогда наивно казалось, что для связи между вещами достаточно установить во встроенный процессор операционную систему pSOS, разработанную ISI. (Portable Software On Silicon — операционная система реального времени (RTOS), созданная в 1982 году Альфредом Чао. Жизнь показала, что проблема гораздо сложнее. Недавно появился новый термин «Web of Things» (WoT), который более точно соответствует концепции «интернета вещей». Сейчас академическое сообщество активно участвует в разработке WoT.

В консорциуме W3C создана рабочая группа по проблемам Web of Things, ведутся работы с целью разработки стандартов, но сложность и разнообразие устройств (вещей) не могут сравниться с текстами. Соответственно, стандартизация взаимодействия устройств на много порядков сложнее, чем случай стандартизации текста. Эти работы займут несколько лет.

Быстрый рост рынка встраиваемых интеллектуальных систем во многом связан с бурным развитием «интернета вещей». Ожидается, что уже в 2025 году более 30 миллиардов устройств будут подключены к глобальному «интернету вещей». Эволюционный бум сегодняшнего цифрового общества будет основан на технологических инновациях, таких как облачные вычисления и «интернет вещей». В результате мы будем окружены бесчисленными взаимосвязанными цифровыми системами и такими инновациями, как беспилотные автомобили, криптовалюты и взаимосвязанные медицинские имплантаты.

С развитием цифровых технологий экспертные системы и искусственный интеллект становятся все более серьезной проблемой. В целом преимущества «интернета вещей» говорят сами за себя, однако его использование не устраняет реальные угрозы кибербезопасности. Среди респондентов 84% компаний, которые уже используют решения «интернета вещей», столкнулись с проблемами кибербезопасности. Более половины пользователей «интернета вещей» считают внешние кибератаки основным препятствием на пути внедрения этой технологии.