Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Dendral был проектом в области искусственного интеллекта (ИИ) 1960-х годов и созданной им экспертной системой компьютерного программного обеспечения . Его основной целью было изучение формирования и открытия гипотез в науке. Для этого была выбрана конкретная задача в науке: помочь химикам-органикам идентифицировать неизвестные органические молекулы, анализируя их масс-спектры и используя знания химии. [1] Это было сделано в Стэнфордском университете по Фейгенбаум , Брюс Г. Бьюкенен , [2] Джошуа Ледербергом и Джерасси , вместе с командой очень творческих научных сотрудников и студентов. [3] Он начался в 1965 году и охватывает примерно половину истории исследований ИИ. [4]

Программа Dendral считается первой экспертной системой, поскольку она автоматизировала процесс принятия решений и решения проблем химиков-органиков. [1] Проект состоял из исследования двух основных программ Heuristic Dendral и Meta-Dendral , [4] и нескольких подпрограмм. Он был написан на языке программирования Lisp , который считался языком искусственного интеллекта из-за его гибкости. [1]

Многие системы были производными от Dendral, включая MYCIN , MOLGEN, PROSPECTOR, XCON и STEAMER. Сегодня существует множество других программ для решения обратной задачи масс-спектрометрии, см. Список программного обеспечения для масс-спектрометрии , но они больше не называются «искусственным интеллектом», а просто поисковыми системами.

Название Dendral является аббревиатурой от термина «дендритный алгоритм». [4]

Эвристический дендрал [ править ]

Эвристический Dendral - это программа, которая использует масс-спектры или другие экспериментальные данные вместе с базой знаний по химии для создания набора возможных химических структур, которые могут быть ответственны за получение данных. [4] Масс-спектр соединения создается масс-спектрометром и используется для определения его молекулярной массы, суммы масс его атомных составляющих. Например, составная вода (H2O) имеет молекулярную массу 18, так как водород имеет массу 1,01, а кислород 16,00, а ее масс-спектр имеет пик на 18 единицах. Эвристический Dendral использовал бы эту входную массу и знание атомных массовых чисел и правил валентности, чтобы определить возможные комбинации атомных составляющих, масса которых в сумме дала бы 18. [1] По мере увеличения веса и усложнения молекул количество возможных соединений резко возрастает. Таким образом, программа, которая способна сократить это количество возможных решений в процессе формирования гипотезы, имеет важное значение.

Новые теоретико-графические алгоритмы были изобретены Ледербергом, Гарольдом Брауном и другими, которые генерируют все графы с заданным набором узлов и типов соединений (химические атомы и связи) - с циклами или без них. Более того, команда смогла математически доказать, что генератор завершен, поскольку он создает все графы с указанными узлами и ребрами, и что он не является избыточным, так как выходные данные не содержат эквивалентных графов (например, зеркальных изображений). . Программа CONGEN, как она стала известна, была разработана в основном вычислительными химиками Рэем Кархартом, Джимом Нурсом и Деннисом Смитом. Это было полезно для химиков как отдельная программа для создания химических графиков, показывающих полный список структур, удовлетворяющих ограничениям, заданным пользователем.

Мета-Дендрал [ править ]

Meta-Dendral - это система машинного обучения, которая получает набор возможных химических структур и соответствующих масс-спектров в качестве входных данных и предлагает набор правил масс-спектрометрии, которые коррелируют структурные особенности с процессами, производящими масс-спектр. [4] Эти правила будут отправлены обратно в Heuristic Dendral (в программах планирования и тестирования, описанных ниже) для проверки их применимости. [1] Таким образом, «Heuristic Dendral - это система производительности, а Meta-Dendral - это обучающая система». [4] Программа основана на двух важных особенностях: парадигме «план-создание-тестирование» и «инженерия знаний». [4]

Парадигма «план-создание-проверка» [ править ]

Парадигма «план-создание-тест» является базовой организацией метода решения проблем и является общей парадигмой, используемой как эвристической дендральной, так и мета-дендральной системами. [4] генератор (позднее названный CONGEN) создает потенциальные решения для конкретной задачи, которые затем выражены как химические графы в DENDRAL. [4] Однако это возможно только тогда, когда количество возможных решений минимально. Когда существует большое количество возможных решений, Dendral должен найти способ наложить ограничения, исключающие большие наборы возможных решений. [4] Это основная цель планировщика Dendral., которая представляет собой программу «формирования гипотез», которая использует «специфические для задачи знания, чтобы найти ограничения для генератора». [4] И последнее, но не менее важное: тестировщик анализирует каждое предлагаемое решение-кандидат и отбрасывает те, которые не соответствуют определенным критериям. [4] Этот механизм парадигмы «план-создание-тестирование» - это то, что объединяет Dendral. [4]

Инженерия знаний [ править ]

Основная цель инженерии знаний - достичь продуктивного взаимодействия между доступной базой знаний и методами решения проблем. [4] Это возможно благодаря разработке процедуры, в которой большие объемы специфической информации кодируются в эвристические программы. [4] Таким образом, первым важным компонентом инженерии знаний является большая «база знаний». Дендрал обладает конкретными знаниями о технике масс-спектрометрии, большим объемом информации, которая составляет основу химии и теории графов, а также информацией, которая может быть полезна при поиске решения конкретной проблемы выяснения химической структуры. [4]Эта «база знаний» используется как для поиска возможных химических структур, соответствующих входным данным, так и для изучения новых «общих правил», которые помогают сократить поиск. Преимущество Dendral для конечного пользователя, даже не являющегося экспертом, - это минимизированный набор возможных решений, которые можно проверить вручную.

Эвристика [ править ]

Эвристический является правилом, алгоритм , который не гарантирует решение, но уменьшает число возможных решений путем отбрасывания маловероятных и нерелевантных решений. [1] Использование эвристики для решения проблем называется «эвристическим программированием» и использовалось в Dendral, чтобы позволить им воспроизвести на машинах процесс, посредством которого эксперты-люди вызывают решение проблем с помощью практических правил и конкретной информации.

Эвристическое программирование было основным подходом и гигантским шагом вперед в области искусственного интеллекта [4], поскольку оно позволило ученым наконец автоматизировать определенные черты человеческого интеллекта. Он стал известен среди ученых в конце 1940-х годов благодаря книге Джорджа Поля « Как решить: новый аспект математического метода» . [1] Как сказал Герберт А. Саймон в «Науках об искусственном» , «если вы примете эвристический вывод как достоверный, вы можете быть обмануты и разочарованы; но если вы полностью пренебрегаете эвристическими выводами, вы вообще не добьетесь прогресса».

История [ править ]

В середине 20-го века вопрос "могут ли машины думать?" стал интригующим и популярным среди ученых, прежде всего для того, чтобы добавить гуманистические характеристики к поведению машин. Джон Маккарти , который был одним из ведущих исследователей в этой области, во время Дартмутского лета 1956 года назвал эту концепцию машинного интеллекта « искусственным интеллектом » (ИИ). аналогично когнитивным способностям человека. [5] В 20 веке было проведено много исследований по созданию ИИ.

Также примерно в середине 20 века наука, особенно биология, столкнулась с быстро растущей потребностью в развитии «симбиоза человека и компьютера», чтобы помочь ученым в решении проблем. [6] Например, структурный анализ миогоблина , гемоглобина и других белков безжалостно нуждался в разработке инструментов из-за своей сложности.

В начале 1960-х годов Джошуа Ледерберг начал работать с компьютерами и быстро заинтересовался созданием интерактивных компьютеров, которые помогли бы ему в его исследованиях экзобиологии . [1] В частности, он интересовался разработкой компьютерных систем, которые помогли бы ему изучать инопланетные органические соединения. [1] Поскольку он не был экспертом ни в химии, ни в компьютерном программировании, он сотрудничал с химиком из Стэнфорда Карлом Джерасси, чтобы помочь ему с химией, и Эдвардом Фейгенбаумом с программированием, чтобы автоматизировать процесс определения химических структур по необработанным данным масс-спектрометрии. [1] Фейгенбаум был экспертом в языках программирования.и эвристики, и помог Ледербергу разработать систему, которая копировала способ, которым Джерасси решал задачи выяснения структуры. [1] Они разработали систему под названием Dendritic Algorithm (Dendral), которая могла генерировать возможные химические структуры, соответствующие данным масс-спектрометрии в качестве выходных данных. [1]

Тогда Дендраль еще очень неточно оценивал спектры кетонов , спиртов и изомеров химических соединений. [1] Таким образом, Джерасси «обучил» Dendral общим правилам, которые могут помочь устранить большинство «химически неправдоподобных» структур и создать набор структур, которые теперь могут быть проанализированы «неспециалистом» для определения правильной структуры. . [1]

Команда Dendral наняла Брюса Бьюкенена для расширения программы Lisp, изначально написанной Джорджией Сазерленд. [1] У Бьюкенена были идеи, подобные Фейгенбауму и Ледербергу, но его особые интересы заключались в научных открытиях и формировании гипотез. [1] Как сказал Джозеф Ноябрь в своей книге «Оцифровка жизни: введение компьютеров в биологию и медицину» , «(Бьюкенен) хотел, чтобы система (Dendral) делала открытия сама по себе, а не просто помогала людям делать их». Бьюкенен, Ледерберг и Фейгенбаум разработали «Мета-Дендрал», который был «создателем гипотез». [1] Эвристический дендрал «послужит шаблоном для аналогичных систем, основанных на знаниях в других областях», а не просто сосредоточится на области органической химии. Meta-Dendral был моделью для образовательных систем, богатых знаниями, которая позже была кодифицирована во влиятельной модели пространства версий Тома Митчелла . [1]

Заметки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r Ноябрь 2006 г.
  2. ↑ Устное интервью истории с Брюсом Г. Бьюкененом , Институт Чарльза Бэббиджа , Университет Миннесоты.
  3. ^ Ледерберг, 1987
  4. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q Линдси и др., 1980
  5. ^ Берк, 1985
  6. ^ Ледерберг, 1963

Ссылки [ править ]

  1. Берк, А. А. LISP: язык искусственного интеллекта. Нью-Йорк: Компания Van Nostrand Reinhold, 1985. 1-25.
  2. Ледерберг, Джошуа. Инструментальный кризис в биологии . Медицинская школа Стэнфордского университета. Пало-Альто, 1963 год.
  3. Ледерберг, Джошуа. Как был зачат и родился Дендрал . Симпозиум ACM по истории медицинской информатики, 5 ноября 1987 г., Рокфеллеровский университет. Нью-Йорк: Национальная медицинская библиотека, 1987.
  4. Линдси, Роберт К., Брюс Г. Бьюкенен, Эдвард А. Фейгенбаум и Джошуа Ледерберг. Применение искусственного интеллекта в органической химии: проект Dendral . Книжная компания Макгроу-Хилл, 1980.
  5. Линдси, Роберт К., Брюс Г. Бьюкенен, Е. А. Фейгенбаум и Джошуа Ледерберг. DENDRAL: пример первой экспертной системы для формирования научных гипотез . Искусственный интеллект 61, 2 (1993): 209-261.
  6. Ноябрь, Джозеф А. «Оцифровка жизни: внедрение компьютеров в биологию и медицину». Докторская диссертация, Принстонский университет, 2006 г.