Какие задачи решают нейросети

Нейросети наиболее приспособлены к решению широкого круга задач, так или иначе связанных с обработкой образов. Вот список типичных постановок задач для нейросетей:

Аппроксимация функций по набору точек (регрессия)

Классификация данных по заданному набору классов

Кластеризация данных с выявлением заранее неизвестных классов-прототипов

Сжатие информации

Восстановление утраченных данных

Ассоциативная память

Оптимизация, оптимальное управление

Этот список можно было бы продолжить и дальше. Заметим, однако, что между всеми этими внешне различными постановками задач существует глубокое родство. За ними просматривается некий единый прототип, позволяющий при известной доле воображения сводить их друг к другу.

Возьмем, например, задачу аппроксимации функции по набору точек. Это типичный пример некорректной задачи, т.е. задачи не имеющей единственного решения. Чтобы добиться единственности, такие задачи надо регуляризировать - дополнить требованием минимизации некоторого регуляризирующего функционала. Минимизация такого функционала и является целью обучения нейросети. Задачи оптимизации также сводятся к минимизации целевых функций при заданном наборе ограничений. С другой стороны, классификация - это ни что иное, как аппроксимация функции с дискретными значениями (идентификаторами классов), хотя ее можно рассматривать и как частный случай заполнения пропусков в базах данных, в данном случае - в колонке идентификаторов класса. Задача восстановления утраченных данных, в свою очередь - это ассоциативная память, восстанавливающая прообраз по его части. Такими прообразами в задаче кластеризации выступают центры кластеров. Наконец, если информацию удается восстановить по какой-нибудь ее части, значит мы добились сжатия этой информации, и т.д.

Многие представители разных наук, занимающихся перечисленными выше задачами и уже накопившими изрядный опыт их решения, видят в нейросетях лишь перепев уже известных им мотивов. Каждый полагает, что перевод его методов на новый язык нейросетевых схем ничего принципиально нового не дает. Статистики говорят, что нейросети - это всего лишь частный способ статистической обработки данных, специалисты по оптимизации - что методы обучения нейросетей давно известны в их области, теория аппроксимации функций рассматривает нейросети наряду с другими методами многомерной аппроксимации. Нам же представляется, что именно синтез различных методов и идей в едином нейросетевом подходе и является неоценимым достоинством нейрокомпьютинга. Нейрокомпьютинг предоставляет единую методологию решения очень широкого круга практически интересных задач. Это, как правило, ускоряет и удешевляет разработку приложений. Причем, что обычно забывают за неразвитостью соответствующего hardware, но что, видимо, в конце концов сыграет решающую роль, нейросетевые алгоритмы решения всех перечисленных выше задач заведомо параллельны. Следовательно, все что может быть решено - может быть при желании решено гораздо быстрее и дешевле.

Где применяются нейросети

Наверное, в каждой предметной области при ближайшем расмотрении можно найти постановки нейросетевых задач. Список областей, где решение такого рода задач имеет практическое значение уже сейчас, приведенный ниже, ограничен лишь опасением утомить читателя. По этой же причине мы ограничились единственным примером конкретного применения в каждой из этих областей.

Экономика и бизнес: предсказание рынков, автоматический дилинг, оценка риска невозврата кредитов, предсказание банкротств, оценка стоимости недвижимости, выявление пере- и недооцененных компаний, автоматическое рейтингование, оптимизация портфелей, оптимизация товарных и денежных потоков, автоматическое считывание чеков и форм, безопасность транзакций по пластиковым карточкам.

• Программное обеспечение компании RETEK, дочерней фирмы HNC Software, - лидер среди крупных ритейлоров с оборотом свыше $1 млрд. Ее последний продукт января 1998 года Retek Predictive Enterprise Solution включает развитые средства нейросетевого анализа больших потоков данных, характерных для крупной розничной торговли. Он также содержит прогнозный блок, чтобы можно было заранее просчитать последствия тех или иных решений. (http://www.retek.com)

Медицина: обработка медицинских изображений, мониторинг состояния пациентов, диагностика, факторный анализ эффективности лечения, очистка показаний приборов от шумов.

• Группа НейроКомп из Красноярска (под руководством Александра Николаевича Горбаня) совместно с Красноярским межобластном офтальмологическом центром им. Макарова разработали систему ранней диагностики меланомы сосудистой оболочки глаза. Этот вид рака составляют почти 90% всех внутриглазных опухолей и легко диагностируется лишь на поздней стадии. Метод основан на косвенном измерении содержания меланина в ресницах. Полученные данные спектрофотометрии, а также общие характеристики обследуемого (пол, возраст и др.) подаются на входные синапсы 43-нейронного классификатора. Нейросеть решает, имеется ли у пациента опухоль, и если да, то определяет ее стадию, выдавая, кроме этого, процентную вероятность своей уверенности (http://www.chat.ru/~neurocom/).

Авионика: обучаемые автопилоты, распознавание сигналов радаров, адаптивное пилотирование сильно поврежденного самолета.

• Компания McDonnell Douglas Electronic Systems разработала автоматический переключатель режимов полета в реальном масштабе времени в зависимости от вида повреждения самолета. Данные от 20 сенсорных датчиков и сигналов от пилота используются нейросетью для выработки около 100 аэродинамических параметров полета. Сильной стороной является возможность сети адаптироваться к непредсказуемым аэродинамическим режимам, таким как потеря части крыла и т.д. (SIGNAL Magazin, февраль 1991)

Связь: сжатие видео-информации, быстрое кодирование-декодирование, оптимизация сотовых сетей и схем маршрутизации пакетов.

• Нейросети уже продемонстрировали коэффициент сжатия 120:1 для черно-белого видео. Цветное видео допускает примерно вдвое большую степень сжатия 240:1 за счет специальной схемы кодирования цветов. (http://www.ee.duke.edu/~cec/JPL/paper.html)

Интернет: ассоциативный поиск информации, электронные секретари и агенты пользователя в сети, фильтрация информации в push-системах, коллаборативная фильтрация, рубрикация новостных лент, адресная реклама, адресный маркетинг для электронной торговли.

• Фирма Autonomy отделилась от родительской фирмы Neurodynamics в июне 1996 года с уставным капиталом $45 млн и идеей продвижения на рынок Internet электронных нейросетевых агентов. Согласно ее пресс-релизу, первоначальные вложения окупились уже через год. Компания производит семейство продуктов AGENTWARE, создающих и использующих профили интересов пользователей в виде персональных автономных нейро-агентов. Такие компактные нейро-агенты (<1 Кб) могут представлять пользователя в любом из продуктов компании. Например, агенты могут служить в качестве нейро-секретарей, фильтруя поступающую по информационным каналам информацию. Они также могут постоянно находиться на сервере провайдера, или посылаться для поиска в удаленных базах данных, осуществляя отбор данных на месте. В будущем, когда эта технология получит достаточное распространение, она позволит снизить нагрузку на трафик Сети. (http://www.agentware.com)

Автоматизация производства: оптимизация режимов производственного процесса, комплексная диагностика качества продукции (ультразвук, оптика, гамма-излучение, :), мониторинг и визуализация многомерной диспетчерской информации, предупреждение аварийных ситуаций, робототехника.

• Ford Motors Company внедрила у себя нейросистему для диагностики двигателей после неудачных попыток построить экспертную систему, т.к. хотя опытный механик и может диагностировать неисправности он не в состоянии описать алгоритм такого распознавания. На вход нейро-системы подаются данные от 31 датчика. Нейросеть обучалась различным видам неисправностей по 868 примерам. "После полного цикла обучения качество диагностирования неисправностей сетью достигло уровня наших лучших экспертов, и значительно превосходило их в скорости." (Marko K, et. al. , Ford Motors Company, Automative Control Systems Diagnostics, IJCNN 1989)

Политические технологии: анализ и обобщение социологических опросов, предсказание динамики рейтингов, выявление значимых факторов, объективная кластеризация электората, визуализация социальной динамики населения.

• Уже упоминавшаяся ранее группа НейроКомп из Красноярска довольно уверенно предсказывает результаты президентских выборов в США на основании анкеты из 12 вопросов. Причем, анализ обученной нейросети позволил выявить пять ключевых вопросов, ответы на которых формируют два главных фактора, определяющих успех президентской кампании. Этот пример будет рассмотрен более подробно в главе, посвященной извлечению знаний с помощью нейросетей.

Безопасность и охранные системы: системы идентификации личности, распознавание голоса, лиц в толпе, распознавание автомобильных номеров, анализ аэро-космических снимков, мониторинг информационных потоков, обнаружение подделок.

• Многие банки используют нейросети для обнаружения подделок чеков. Корпорация Nestor (Providence, Rhode Island) установила подобную систему в Mellon Bank, что по оценкам должно сэкономить последнему $500,000 в год. Нейросеть обнаруживает в 20 раз больше подделок, чем установленная до нее экспертная система. (Tearing up the Rules, Banking Technology, ноябрь 1993)

Ввод и обработка информации:Обработка рукописных чеков, распознавание подписей, отпечатков пальцев и голоса. Ввод в компьютер финансовых и налоговых документов.

• Разработанные итальянской фирмой RES Informatica нейросетевые пакеты серии FlexRead, используются для распознавания и автоматического ввода рукописных платежных документов и налоговых деклараций. В первом случае они применяются для распознавания не только количества товаров и их стоимости, но также и формата документа. В случае налоговых деклараций распознаются фискальные коды и суммы налогов.

Геологоразведка:анализ сейсмических данных, ассоциативные методики поиска полезных ископаемых, оценка ресурсов месторождений.

• Нейросети используются фирмой Amoco для выделения характерных пиков в показаниях сейсмических датчиков. Надежность распознавания пиков - 95% по каждой сейсмо-линии. По сравнению с ручной обработкой скорость анализа данных увеличилась в 8 раз. (J.Veezhinathan & D.Wadner, Amoco, First Break Picking, IJCNN, 1990)

Обилие приведенных выше применений нейросетей - не рекламный трюк. Просто нейросети - это не что иное, как новый инструмент анализа данных. И лучше других им может воспользоваться именно специалист в своей предметной области. Основные трудности на пути еще более широкого распространения нейротехнологий - в неумении широкого круга профессионалов формулировать свои проблемы в терминах, допускающих простое нейросетевое решение. Данный курс призван как раз помочь усвоить типовые постановки задач для нейросетей. Для этого, прежде всего, нужно четко представлять себе основные особенности нейросетевой обработки информации - парадигмы нейрокомпьютинга.

Парадигмы нейрокомпьютинга

Что такое парадигмы

Парадигмы нейрокомпьютинга - это родовые черты, объединяющие принципы работы и обучения всех нейрокомпьютеров. Главное, что их объединяет - нацеленность на обработку образов. Эта их особенность, аналогичная способу функционирования мозга, уже обсуждалась ранее во вводной главе. Теперь же мы сформулируем эти парадигмы в концентрированном виде безотносительно к биологическим прототипам, как способы обработки данных. Эти общие сведения послужат фундаментом для более подробного разбора отдельных нейро-архитектур в последующих главах.

Коннекционизм

Отличительной чертой нейросетей является глобальность связей. Базовые элементы искусственных нейросетей - формальные нейроны - изначально нацелены на работу с широкополосной информацией. Каждый нейрон нейросети, как правило, связан со всеми нейронами предыдущего слоя обработки данных (см. Рисунок 1, иллюстрирующий наиболее широко распространенную в современных приложениях архитектуру многослойного персептрона). В этом основное отличие формальных нейронов от базовых элементов последовательных ЭВМ - логических вентилей, имеющих лишь два входа. В итоге, универсальные процессоры имеют сложную архитектуру, основанную на иерархии модулей, каждый из которых выполняет строго определенную функцию. Напротив, архитектура нейросетей проста и универсальна. Специализация связей возникает на этапе их обучения под влиянием конкретных данных.

Рисунок 1. Глобальность связей в искуственных нейросетях

Типичный формальный нейрон производит простейшую операцию - взвешивает значения своих входов со своими же локально хранимыми весами и производит над их суммой нелинейное преобразование:

Рисунок 2. Нейрон производит нелинейную операцию над линейной комбинацией входов

Нелинейность выходной функции активации принципиальна. Если бы нейроны были линейными элементами, то любая последовательность нейронов также производила бы линейное преобразование, и вся нейросеть была бы эквивалентна одному нейрону (или одному слою нейронов - в случае нескольких выходов). Нелинейность разрушает линейную суперпозицию и приводит к тому, что возможности нейросети существенно выше возможностей отдельных нейронов.