Гибридная система управления для сложных задач на основе извлеченных человеческих умений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский государственный университет им. И.Канта

ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СЛОЖНЫХ ЗАДАЧ НА ОСНОВЕ ИЗВЛЕЧЕННЫХ ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ УМЕНИЙ

Толстель О.В., к.т.н.

1. ВВЕДЕНИЕ

Объектом рассмотрения настоящей работы является подход к созданию систем управления сложными процессами на основе умений, извлекаемых у человека. Известным направлением искусственного интеллекта является извлечение знаний, которые извлекаются либо из текстов (в перспективе - из мультимедийного контента), либо из экспертов (людей) различными способами, и сохраняются с применением различных технологий. Кроме знаний человек обладает навыками и умениями, которые он приобретает либо в начале жизни (ползание, удержание равновесия, хождение, захват предметов различной формы), либо на ее протяжении (спортивные игры, работа с инструментом и оборудованием, управление автомобилем и самолетом). Эти умения могут быть сохранены, например, в виде сочетания структуры и набора весов нейронной сети (или группы нейронных сетей), либо в виде баз нечетких правил в системах нечеткого вывода. Применение извлеченных таким образом у человека умений, очевидно, сможет позволить реализовать системы управления сложными процессами. Пока что управление в таких процессах выполняются исключительно людьми.

2. НЕЙРОСЕТЕВЫЕ РЕШЕНИЯ

Решением подобного рода можно считать систему ALVINN1, упоминающуюся в [1], которая обучалась управлению автомобилем при движении по шоссе, на основе показаний телекамеры смотрящей на дорогу впереди автомобиля и действий шофера, по объезду препятствий и изменению направления движения вслед за поворотами шоссе. Данные от телекамеры и датчиков на рулевой колонке обучали искусственную нейронную сеть. При этом картинка изображения от телекамеры дороги впереди автомобиля разбивалась на 960 равных фрагментов (30x32), значения освещенности с каждого из которых и подавалось на входной слой нейронной сети, обучая ее.

Аналогично, искусственные нейронные сети применены в системе достижения и захвата предметов манипулятором антропоморфного робота, описанной автором в [2], [3]. При этом предусмотрено использование трех нейросетей. Первая нейросеть обучается на режим достижения и касания кистью цели, вторая является корректирующей и уточняющей движения первой, а третья предназначена для задачи охвата предмета пальцами кисти. Одновременно с системой, в [3], объектом патентования стал и способ управления такой системой.

3. НЕЙРОНЕЧЕТКОЕ РЕШЕНИЕ

Системой основанной на сочетании нечеткого управления и нейросетевой технологии является предложенная автором в [4], [5] система автоматической парковки автомобиля на основе показаний датчиков парктроника и применения системы нечеткого вывода с использованием базы нечетких правил, указывающих текущее значение угла поворота руля в зависимости от расстояния до препятствия выдаваемого каждым датчиком. Эта база может содержать выходные лингвистические переменные (угол поворота руля и направление движения), функции принадлежности которых уточняются в ходе многочисленных испытаний - практически выполненных припарковываний автомобиля оснащенного подобной системой в промежуток между двумя другими автомобилями. В ходе большого количества таких парковок значения угла поворота, выдаваемые системой нечеткого вывода, сравниваются с текущими реальными показателями, получаемыми от управления автомобилем опытным водителем. На основе этого сравнения с помощью нейронной сети корректируются выходные лингвистические переменные, т.е. происходит исправление субъективности первоначальных оценок, присущее как недостаток технологии нечеткого управления [6].

При этом в данном решении делался упор на аппаратную реализацию малогабаритного устройства, соединяющую вместе необходимые технологии искусственного интеллекта и делающую доступным обучение и эксплуатацию на любом автомобиле. Была разработана функциональная схема автономного аппаратного нейронечеткого контроллера [5], которая представлена на рис.1. Такой контроллер может работать в режиме обучения опытных образцов на стадии формирования набора прошивок для большинства существующих автомобилей. После формирования такого набора (т.е. извлечения человеческих умений и их сохранения в виде откорректированных функций принадлежности), контроллер с набором прошивок тиражируется для штатной эксплуатации. При этом владелец каждой машины может дообучить устройство (временно вернув его в режим обучения) в случае если его автомобиль обладает отклонениями от штатной конструкции, большими люфтами или если его машины вообще нет в списке прошивок. Тогда для исходных данных выбирается ближайшая подходящая по размерам модель.

Рис. 1 Функциональная схема автономного устройства

Внутренние блоки контроллера обозначены на рисунке номерами 4…15. Номер 16 имеет персональный компьютер, который нужен временно на этапе обучения для первичной загрузки программного обеспечения в контроллер и сохранения уточненных значений функций принадлежности. Номерами 17, 19-22 обозначены функционально важные внешние устройства и датчики. При этом устройства 19 и 20 передают информацию в АЦП 5 только на этапе обучения. На этапе штатной эксплуатации они получают аналоговые сигналы от ЦАП 6 (при этом руль крутится сам и передача с первой на заднюю переключается сама).

Рис. 2 Два припарковывания в различных условиях

Либо этих устройств на этапе эксплуатации нет вообще, и человек самостоятельно паркует автомобиль, следуя показателям датчиков 21 и 22.

На рис.2 показаны траектории движения автомобиля 18 (точнее средней точки его переднего бампера) при парковке в двух случаях между другими автомобилями 25. Штрих-пунктирная линия соотвествует «легкому» случаю, когда расстояние между машинами R велико по сравнению с длинной паркуемого автомобиля L (R > 2L) и соотвественно велика зона безопасного маневрирования переднего бампера, показанная на рисунке как 24. Во втором случае (штриховая линия) R=1.34L и зона безопасного маневрирования переднего бампера 24 мала. Это приводит к нескольким дополнительным движениям вперед-назад.

4. ГИБРИДНАЯ СХЕМА

управление умение сложный нейронный

При попытке применить подход извлечения умений человека для системы полного автоматического управления автомобилем в условиях плотного потока транспорта в городе была разработана значительно более сложная схема, использующая также и генетические алгоритмы, что позволяет отнести это решение к тройным гибридам технологий искусственного интеллекта.

Под полным автоматическим управлением автомобилем здесь понимается, например следующая ситуация. Автомобиль, оснащенный бортовым компьютером и средствами беспроводного Интернета, получает список пунктов, которые он должен объехать. Управляемый комплексом программ установленных на бортовом компьютере и ориентируясь по цифровой карте местности автомобиль начинает движение к первому пункту. При этом он выполняет последовательность сценариев-ситуаций, например: выпарковка, выезд со стоянки, перестроение, обгон (опережение), проезд управляемого (неуправляемого) перекрестка, поворот налево (направо), разворот, остановка (перед переходом или светофором), подъезд к цели, припарковывание. В ходе управления своим движением в пределах каждой ситуации автомобиль использует показания ряда датчиков и систему нечеткого вывода, на онове базы правил управляющую приводами.

Автоматическая система управления мобильным объектом, например автомобилем, содержит блок обработки цифровых параметрических сигналов, на вход которого поступают данные факторов первой группы, например, от лазерных дальномеров, датчиков ускорения, датчиков угла поворота, датчиков скорости, датчиков угла азимута и наклона, датчика коэффициента сцепления и др. Также имеется блок обработки видеосигналов факторов второй группы - изображений, поступающих на его вход с камер системы технического зрения (СТЗ), установленных на автомобиле. Обработанные сигналы с выходов этих двух блоков поступают на вход блока анализа и создания кластеров ситуаций, который после отнесения ситуации к тому или иному кластеру передает управление блоку нечеткого управления, содержащему базы нечетких правил и систему нечеткого вывода (СНВ). Также система управления содержит блок с реализованным на нем первым генетическим алгоритмом (ГА1), настраивающим базы правил блока нечеткого управления, блок с реализованными на нем нейронными сетями (НС), корректирующими описание функций принадлежностей нечетких переменных, входящих в лингвистические переменные, применяемые в базах правил, и блок с реализованным на нем вторым генетическим алгоритмом (ГА2), настраивающим нейронные сети предыдущего блока. Блок нечеткого управления связан с вышеперечисленными блоками, а также с блоком контроллеров, соединенным с приводами исполнительных механизмов мобильного объекта (рулевой механизм, педаль газа, педаль тормоза).

Система управления функционирует следующим образом.

На этапе 1 осуществляют первичную загрузку программных средств в вышеперечисленные блоки и их настройку.

В блок анализа и создания кластеров ситуаций загружают программу, анализирующую обработанные сигналы с блока обработки параметрических сигналов и блока обработки видеосигналов. Она создает множество кластеров, например, с помощью метода нечеткой кластеризации или нейронной сетью с конкурирующим слоем. Каждый кластер будет отнесен к различной ситуации, например, проезд перекрестка, обгон, перестроение и пр. Близкие по входящим данным ситуации относятся в один кластер.

В блок нечеткого управления загружают программу с исходными базами нечетких правил, содержащими по одному варианту базы правил для каждого сценария развития ситуаций (предварительно предположенному, исходя из анализа правил дорожного движения для некоторого начального количества кластеров n), которые могут возникнуть при движении автомобиля в городе при плотном потоке других транспортных средств и иных участников движения. Например, один вариант для ситуации «проезд перекрестка со светофором» может иметь вид (вариант 1):

правило 1: Если «расстояние до перекрестка» далеко, то «скорость автомобиля» большая;

правило 2: Если «расстояние до перекрестка» близко, то «скорость автомобиля» малая;

правило 3: Если «расстояние до перекрестка» очень близко, то «скорость автомобиля» очень малая.

Рис. 3 Одна из входных и выходных лингвистических переменных

На рис.3а приведен пример графиков, описывающих нечеткие переменные (термы) «очень близко», «близко», «недалеко», «далеко», «очень далеко», составляющих входную лингвистическую переменную «Расстояние до перекрестка», которая используется в базе правил для ситуации «проезд перекрестка со светофором». На рис. 3б (сплошная линия) аналогичным образом представлены термы, образующие выходную лингвистическую переменную «Скорость автомобиля» для этой же ситуации.

Также в блок нечеткого управления загружают программу с системой нечеткого вывода (СНВ) на базе нечетких продукций, работающих по методу Мамдани.

На этапе 2 производят обучение системы управления с помощью опытного водителя. Водитель, руководствуясь собственным опытом и наблюдаемым результатом действий, а также показаниями датчиков, производит управление автомобилем в ходе движения по многим различным маршрутам в городе с плотным потоком транспорта. При этом он в ходе управления многократно выполняет действия, которые можно отнести к той или иной ситуации (кластеру с номером от 1 до n), например, обгон, перестроение, поворот, остановка, увеличение или снижение скорости и т.д. Классификация этих действий основывается на факторах первой группы: показаниях приборов спидометра, тахометра и на факторах второй группы: визуально воспринимаемой обстановке на проезжей части в окрестностях своего автомобиля - наличие других транспортных средств и участников движения, их расположения и расстояния относительно транспортного средства, правильности визуальной оценки направленности курса автомобиля относительно неподвижных элементов полосы движения (столбов, разметки, фасадов домов, ограждений), а также визуально воспринимаемой динамики изменения этих факторов. При этом водитель сопоставляет факторы первой и второй группы и на оценке их комбинации принимает решение об изменении параметров управления - усилении/ослаблении давления на педаль акселерометра (газа), усилении/ослаблении давления на педаль тормоза, изменении угла поворота руля и смене направления движения «вперед-назад» (при автоматической коробке передач). Производимые водителем действия с приводами исполнительных механизмов в виде цифровых значений поступают в блок контроллеров и далее в блок нечеткого управления.

Одновременно обработанные сигналы с датчиков параметрических сигналов и обработанный видеопоток поступают в блок анализа и создания кластеров ситуаций, где осуществляется классификация признаков ситуации и из множества кластеров выбирается конкретная ситуация, например, «проезд перекрестка со светофором». Выходные сигналы с этого блока поступают в блок нечеткого управления, где на основе правил нечетких продукций и графиков функций принадлежностей система нечеткого вывода (СНВ) вырабатывает рекомендуемые значения угла поворота руля, скорости, и др. для приводов исполнительных механизмов. Далее эти рекомендуемые значения сравниваются со значениями, выработанными при ручном управлении водителем. Разницу этих значений, взятую по модулю, называют текущей ошибкой обучения и обозначают буквой е.

Исходный вид базы нечетких правил для ситуации «проезд перекрестка со светофором» с блока нечеткого управления поступает в блок с первым генетическим алгоритмом ГА1, который начинает специальной процедурой генерировать начальную популяцию из нескольких десятков или сотен особей, где за особь принят вариант базы нечетких правил (что соответствует очевидно Питтсбургскому подходу [6]). Эти варианты могут отличаться друг от друга по трем параметрам: а), б) и в).

а) применены различные нечеткие переменные в одинаковых правилах.

Например, вариант 2 может иметь вид

правило 1: Если «расстояние до перекрестка» далеко, то «скорость автомобиля» очень большая;

правило 2: Если «расстояние до перекрестка» близко, то «скорость автомобиля» большая;

правило 3: Если «расстояние до перекрестка» очень близко, то «скорость автомобиля» средняя;

и отличаться от Варианта 1 только значениями термов в заключениях продукций.

б) используется разное количество правил.

Например, Вариант i+1 может иметь вид

правило 1: Если «расстояние до перекрестка» далеко, то «скорость автомобиля» большая;

правило 2: Если «расстояние до перекрестка» близко, то «скорость автомобиля» малая;

правило 3: Если «расстояние до перекрестка» очень близко, то «скорость автомобиля» очень малая;

правило 4: Если «расстояние до перекрестка» недалеко, то «скорость автомобиля» малая;

и отличаться от Варианта 1 значениями термов в заключениях продукций и количеством правил в базе.

в) структура правил различная, например

правило 1: Если «расстояние до перекрестка» далеко, и «сигнал светофора» красный, то «скорость автомобиля» большая и «руль» прямо.

Пример такой начальной популяции вариантов базы нечетких правил представлен на Рис. 4.

Рис. 4 Вид начальной популяции базы нечетких правил для одной из ситуаций

Здесь варианты с номерами от 1-го до i-го отличаются по пункту а), варианты с номерами от i+1-го до k-го, по пункту б), а с номерами от k+1-го до p-го - по пункту в). Далее запускается механизм генетического поиска. Целью поиска при этом является улучшение структуры базы правил, т.е. изменение по вариантам а), б) и в), причем критерием выбора будет минимальное значение разницы (например 0,1%) между значением выходной лингвистической переменной, в данном случае скорости, рекомендуемой СНВ, и выходной лингвистической переменной (скорость), полученной при ручном управлении, т.е. текущей ошибки обучения е. Поиск наилучшего варианта базы правил проходит в несколько циклов, когда в каждом новом цикле создаются новые поколения за счет применения операторов генетического поиска, где присутствуют:

- оператор ранжирования, т.е. выстраивание особей по порядку;

- оператор кроссинговера, т.е. образование новых дочерних особей путем скрещивания родительских особей;

- оператор мутации, т.е. внесение случайных изменений в гены дочерних особей;

- оператор редукции, т.е. удаления из популяции части особей с минимальными значениями целевой функции.

При этом, если нужный критерий сразу не будет достигнут, то цикл многократно повторяется до получения заданного критерия, т.е. наилучшего варианта базы правил.

Найденный наилучший вариант базы правил для данной ситуации из блока с ГА1 поступает в блок нечеткого управления, при этом структура исходной базы нечетких правил заменяется на полученный с помощью ГА1 наилучший вариант.

Далее с блока нечеткого управления в блок с нейросетями поступает сигнал, по которому из блока с нейросетями в блок со вторым генетическим алгоритмом ГА2 поступает исходная нейронная сеть с определенной структурой и начальными малыми значениями весов, например, сеть прямого распространения сигналов. По аналогии с ГА1 в блоке с ГА2 начинается генерация начальной популяции особей, где за особь принят вариант структуры и значений весов нейронной сети, и запускается механизм генетического поиска. Целью поиска при этом является улучшение структуры и настройка весов НС, а критерием выбора -- уменьшение текущей ошибки обучения е. После многократных циклов найденный с помощью ГА2 наилучший вариант НС с блока возвращается в блок с нейросетями и заменяет исходную НС для одной из выходных лингвистических переменных, применяемых в базе правил для этого кластера. Так происходит для всех лингвистических переменных в этом кластере. Конечный наилучший набор НС для ситуации «проезд перекрестка со светофором» выдает блоку нечеткого управления новые данные, корректирующие значения функций принадлежности выходных лингвистических переменных, одна из которых принимает вид, например, см. график пунктирной линией на рис.3б.

В ходе этапа 2 будут многократно повторены различные ситуации, которые блок анализа и создания кластеров ситуаций отнесет либо к новым (создав новый кластер), либо к уже существующим кластерам. В первом случае это приведет к работе по вышеописанной схеме. При этом количество кластеров может превысить предварительно предположенное исходя из анализа правил дорожного движения начальное количество кластеров n, и достичь, например, значения m. При этом для каждого такого кластера в диапазоне от n до m в качестве начальных вариантов баз правил в блоке нечеткого управления и начальных вариантов нейронных сетей в блоке с нейронными сетями будут использованы ближайшие аналоги, применяемые в качестве начальных для самого близкого кластера, т.е. для кластера, у которого ситуация наиболее близка по входящим данным. Во втором случае это приведет к тому, что ситуация для данного кластера один или несколько раз повторяется с несколько отличающимися значениями входных параметров (совокупностью сигналов от датчиков блоков обработки параметрических сигналов и видеосигналов. ГА1 и ГА2 при этом уже запускаться не будут, т.е. будут использованы один раз полученные наилучшие варианты базы правил и нейронных сетей. Будут лишь каждый раз уточняться значения функций принадлежности для всех выходных лингвистических переменных, фигурирующих в этом варианте базы правил.

На этапе 3, т.е. в автоматическом режиме (без участия человека), блок нечеткого управления, опираясь на откорректированные базы нечетких правил для всех ситуаций и уточненные значения функций принадлежности для каждой выходной лингвистической переменной, начинает выдавать для текущей ситуации результаты управления в блок контроллеров, откуда эти управляющие воздействия затем поступают на приводы исполнительных механизмов. При завершении одной ситуации и переходе к другой блок нечеткого управления начинает использовать соответствующую ей базу правил нечетких продукций.

Литература

1. Nilsson N.J. Artificial Intelligence: A New Synthesis. San Francisco Ca: Morgan Kaufmann Publishers, Inc. 1988. C. 85-115.

2. Толстель О.В., Шарапаев Л.А. Нейросетевое управление манипулятором домашнего робота Сборник трудов конференции «Нейроинформатика-2007». М.: МИФИ, 2007. Т.2. С. 144-152.

3. Толстель О.В. Система управления антропоморфным роботом и способ управления Заявка о выдаче патента на изобретение № 2007107468 от 28.02.2007 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 13.01.2009 г.

4. Толстель О.В. Извлечение умений для интеллектуальных систем управления. //Вестник Российского государственного университета им. Канта. Серия Физико-математические науки. Вып. 10. Калининград: Изд-во РГУ им. Канта, 2008. С. 56-62.

5. Толстель О.В., Арзуметов А.М. Автономное адаптивное устройство управления мобильным объектом Патент на полезную модель № 78456 от 27.11.2008 г.

6. Ярушкина Н.Г. Основы теории нечетких и гибридных систем: Учебное пособие. М.: Финансы и статистика, 2004.

Размещено на Allbest.ru