Антология машинного обучения. Важнейшие исследования в области ИИ за последние 60 лет - Терренс Дж. Сейновски

перевесит: положительные качества партнера, такие как хорошее чувство юмора, или плохие качества, например неопрятность? При выборе супруга вы делаете сотни таких сравнений. Все эти рассуждения система вознаграждения сводит к единой «валюте» – кратковременным дофаминовым сигналам.

В алгоритме обучения с учетом временной разницы есть два параметра: скорость обучения α и коэффициент обесценивания γ (блок 6). У пчел высокая скорость обучения, и они могут научиться ассоциировать цветок с наградой после одного посещения. Скорость обучения у млекопитающих, которым обычно требуется много попыток, ниже. Коэффициент обесценивания также варьируется в широком диапазоне. Когда γ = 0, алгоритм жаден и решения принимаются только на основе немедленного вознаграждения; но когда γ = 1, вес всех будущих наград одинаков. В классическом эксперименте маленьким детям предоставили выбор: либо съесть зефир сразу, либо подождать 15 минут, чтобы получить дополнительную порцию зефира[263]. Возраст был важным фактором, и дети помладше не могли откладывать получение удовольствия. Ожидание большого вознаграждения в отдаленном будущем может привести к принятию решений с отрицательным вознаграждением в краткосрочной перспективе для достижения долгосрочной цели. Я вспоминаю об этом, когда учу студентов, которые большую часть своей жизни ходили в школу. Когда я был молод, мать говорила мне, что если я буду хорошим мальчиком, то получу свою награду на небесах – высшая мера отложенного вознаграждения.

Нейроны дофамина получают входные сигналы от части мозга, называемой базальными ганглиями (см. рис. 10.4), которые, как известно, важны для последовательного обучения и формирования привычного поведения. В нейроны в полосатом теле базальных ганглий приходят входные сигналы от всей коры мозга. Входные сигналы от задней половины коры больше связаны с изучением последовательности движений, необходимых для достижения цели. Входные сигналы от префронтальной коры – с планированием последовательности действий. Путь от коры до базальных ганглий и обратно занимает 100 миллисекунд, информация проходит по кругу 10 раз за секунду. Это позволяет принимать быстрые решения одно за другим для достижения цели. Нейроны в базальных ганглиях оценивают состояние корковых зон и присваивают им значение.

Базальные ганглии – сложная версия функции стоимости, которую Джерри Тезауро обучил в TD-Gammon предсказывать значимость позиций на доске. Удивительный успех AlphaGo, достигшей уровня чемпиона мира по го и описанной в главе 1, основан на той же архитектуре, что и TD-Gammon, но с большим размахом. Один слой скрытых элементов в оценочной сети TD-Gammon стал десятком слоев в AlphaGo, сыгравшей сотни миллионов игр. Но основные алгоритмы остались прежними. Это наглядно показывает, как хорошо алгоритмы обучения нейронных сетей масштабируются. Насколько выше будет производительность, если мы продолжим увеличивать размер сети и время обучения?

Игры – куда более простая среда, чем реальный мир. Ступенькой к более сложным и неопределенным условиям является мир видеоигр. Компания DeepMind в 2015 году показала, что обучение с учетом временной разницы способно научить играть в компьютерные игры от Atari, такие как Pong[264], на сверхчеловеческих уровнях, принимая пиксели экрана в качестве входных данных[265]. Следующий шаг – видеоигры в 3D-формате. StarCraft[266] – одна из лучших соревновательных видеоигр всех времен. Компания DeepMind использует ее для разработки автономных сетей глубокого обучения, которые могут хорошо развиваться в этом мире. Компания Microsoft Research купила права на Minecraft, еще одну популярную видеоигру[267], и сделала открытым ее исходный код, чтобы другие могли настраивать 3D-среду и ускорять развитие искусственного интеллекта.

Играть в нарды и выходить на чемпионский уровень – впечатляющее достижение, а играть в видеоигры – важный следующий шаг. Но как насчет решения проблем в реальном мире? Цикл восприятие – действие (рис. 10.2) применим к любой задаче, план решения которой строится на основе сенсорных данных. Результат этих действий можно сравнить с прогнозируемым результатом, а разницу затем использовать для обновления состояния системы, делающей прогнозы. Применяя память о предыдущих условиях, можно оптимизировать использование ресурсов и прогнозирование потенциальных проблем.

Саймон Хайкин из Университета Макмастера в Канаде использовал эту структуру для улучшения производительности нескольких важных инженерных систем[268], в том числе когнитивного радио, которое динамически распределяет каналы связи, когнитивного радара, который динамически смещает частотный диапазон для уменьшения помех, и когнитивной сетки, которая динамически выравнивает нагрузку в зависимости от энергопотребления электрической сети. Управлять рисками также можно в рамках цикла «восприятие – действие»[269]. Улучшения в каждой из этих областей выходят существенные, значительно повышается производительность и сокращаются расходы.

Учим парить

В 2016 году мы с Массимо Вергассола из Калифорнийского университета в Сан-Диего задались вопросом, можно ли использовать обучение с учетом временной разницы, чтобы научиться парить, как птицы, оставаясь на высоте в течение многих часов и не затрачивая много энергии[270]. Восходящий поток теплого воздуха может поднять птицу достаточно высоко, но внутри потока воздух прогрет неравномерно, и можно как подняться вверх, так и упасть. Ориентиры, которые птицы используют для поддержания своей восходящей траектории перед лицом столь мощной стихии, неизвестны. Первым шагом была разработка реалистичной с точки зрения физики модели воздушного потока, неравномерного (турбулентного) из-за конвекции, и модели аэродинамики планера. Затем мы симулировали траекторию полета планера в турбулентном потоке.

Рис. 10.6. Симуляция планера, учащегося парить в восходящем потоке теплого воздуха. Верхний ряд: снимки полей вертикальной скорости[271] (A) и распределения температур (B) в нашем трехмерной цифровой модели конвекции Рэлея – Бенара. Для поля вертикальной скорости светлым и темным цветами обозначены соответственно области большого восходящего и нисходящего потока. Для температурного поля светлый и темный цвета обозначают области высокой и низкой температур. Нижний ряд: (А) типичные траектории необученного и (В) обученного планера, летящего в турбулентном потоке Рэлея – Бенара. Оттенки указывают вертикальную скорость ветра, ощущаемую планером. Светлые и темные точки – начальная и конечная точки траектории. Нетренированный планер принимает случайные решения и спускается, в то время как обученный планер летит по характерным спиральным схемам в областях сильных восходящих течений, как птица парит в восходящих потоках теплого воздуха

Поначалу планер не смог воспользоваться преимуществом, которое давали столбы теплого воздуха, и скользил вниз (рис. 10.6). Получив вознаграждение за подъем, планер начал осваивать стратегию, и после нескольких сотен попыток траектории планера напоминали плотные петли, наблюдаемые у парящих птиц (см. рис. 10.6). Кроме того, были найдены различные стратегии для различных степеней турбулентности. Анализируя эти стратегии, мы можем разработать гипотезы и узнать, используют ли их парящие птицы. Мы также оснастили планер измерительной аппаратурой, чтобы увидеть, насколько хорошо алгоритм обучения выполняет полет в реальных условиях.