Исполнитель алгоритмов – человек

Исполнитель алгоритмов – человек

В.М. Казиев

При обучении, в качестве исполнителей алгоритмов рассматриваются часто лишь автоматы (Тьюринга, Поста, фон Неймана, различные роботы) или их комплексы. В ряде учебников и толковых словарей исполнитель понимается как «автомат, способный выполнять автоматически некоторые программные действия, в частности, ЭВМ». Такая трактовка понятия «Исполнитель» может привести как к непониманию роли и места человека и автомата в процессе целенаправленной обработки информации (в лучшем случае), но и к различным технократическим утопиям (в худшем случае).

Автор попытается рассмотреть это понятие применительно к основному исполнителю алгоритмов – человеку. Рассмотрение понятия «Исполнитель» в школьном (вузовском) курсе информатики должно опираться на базовые исполнители алгоритмов – Человек, Автомат, Природа (не ограничиваясь, как это бывает, только вторым из указанных типов) и на междисциплинарном подходе. Рассмотрение этого исполнителя важно еще и потому, что в информационном обществе актуальны когнитивные методы и процедуры (от простого восприятия до сложного понимания), переход от процесса обучения к процессу учения, самообучения и, таким образом, важно знать понятия и факты, лежащие в основе таких процедур и процессов.

Попытаемся подойти к изложению этой важной и непростой темы с помощью содержательных примеров. 

Исполнитель - это некоторая абстрактная, биологическая, техническая, организационная или смешанного типа система, способная преобразовывать информацию или сообщения из некоторого фиксированного множества, называемого операционным пространством. Работа исполнителя осуществляется в командном или программном режиме. Любой исполнитель состоит из устройства управления, “рабочего инструмента” исполнителя, имеет класс исполнимых алгоритмов.

Человек (специалист) - специфический исполнитель. Сообщения, которые выполняются и используются человеком, хранятся и передаются, как правило, в языковой форме (разговор, письмо, жесты, мимика и др.).

В качестве устройства управления исполнителя - человека или высшего животного выступает мозг (мозжечок) и нервная система, передающая и воспринимающая сигналы от окружающего  мира с помощью органов чувств.

Пример. Передающий орган человека (эффектор) - голосовой аппарат (орган речи) - передает сообщения с помощью физических носителей - звуковых волн (15-20000 Гц). Воспринимающий орган (рецептор) - слуховые мембраны - воспринимают эти сигналы. Способ восприятия – слуховой. Время реакции на сообщение составляет порядка 200 мс. до ответа или реакции, так как раздражение от сигналов проводится по нервным путям к мозгу, где они обрабатываются и затем ответ проводится к эффектору. Обработка сенсорных сигналов и выработка ответа на них происходит на четырех различных уровнях нервной системы: на уровне коры головного мозга, на уровне таламуса, на уровне продолговатого мозга, на уровне спинного мозга. Структура организации и функции головного мозга человека приведены ниже на рис. 1. Примечания: 1 - кора головного мозга (управление высшей нервной деятельностью); 2 - борозды коры головного мозга (преобразование входной информации в импульсы, передаваемые двигательной системе); 3 - таламус (управление вводом-выводом данных в кору головного мозга); 4 - средний мозг (ввод-вывод данных от органов чувств и импульсы управления мышцами); 5 - мозжечок (центр выработки выходных импульсов для двигательной системы); 6 - продолговатый мозг и мозговой мост (центр управления вводом-выводом данных в каналы связи спинного ствола); 7 - спинной ствол (канал связи для передачи данных от органов чувств и выходных импульсов управления мышцами).



Рис. 1. Структура мозга человека

Пример. Визуальные сигналы воздействуют на рецепторы сетчатки глаз, а затем поступают в мозг по зрительным нервам. В отличие от других сигналов (поступающих через другие рецепторы), визуальные сигналы минуют спинной мозг, т.е. зрительная реакция почти мгновенная.

Если рассматривать весь организм человека, то центром деятельности организма является нервная система, выполняющая две основные функции:

коммуникативную - передачу информации, получаемой от рецепторов кожи, глаз, ушей и других органов к нервным центрам и, наоборот, от нервных центров - к эффекторам, например, мышцам;

интеграцию и переработку получаемой информации, программирование наиболее адекватной реакции, начиная от простых рефлексов и до сложных мыслительных процессов.

Первая функция обеспечивается периферической нервной системой, состоящей из соматической системы (обеспечивающей связь с внешним миром) и вегетативной системы (обеспечивающей связь с внутренними органами). Вторая функция обеспечивается центральной нервной системой.

Рассмотрим структуру центральной нервной системы (рис. 2).



                                    Центральная  нервная  система







                 Головной  мозг                                             Спинной  мозг





     

 Мозжечок      Большой        Ствол               Соматическая      Вегетативная

                            мозг             мозга                    нервная                нервная

                                                                              система                система



         

 Передний      Промежу-     Средний      Продол-          Периферическая

     мозг            точный           мозг          говатый                 нервная

                    мозг                                  мозг                    система





                                                                         Эффекторы       Рецепторы

                                                                         

Рис. 2. Структура центральной нервной системы

Структурная единица нервной системы - нейрон, нервная клетка. Кора переднего мозга содержит около 103 – 104 нейронов, каждый из которых соединяется с другими нейронами синапсами, образуя кластеры нейронов, обменивающихся сообщениями типа «да - нет» (переключения).

Нейроны – микроскопические массы протоплазмы, заключённые в мембраны, выполняющие функции проводников сигнала от мозга и к мозгу. На конце каждого пучка нервных волокон есть рецепторы (клетки «ввода») и эффекторы (клетки «вывода»). Рецепторы посылают сигналы по нейронным цепям в головной мозг, где с помощью нервной системы ведётся поиск релевантной ситуации информации, его распознавание и обработка.

Пример. При прикосновении, например, к горячему рукой, рецепторы кончиков палец, передают возбуждение через нервные окончания и цепочки нейронов в мозг, где определяется релевантное в этой ситуации действие – сигнал мышечной системе рук о необходимости сделать судорожное движение – отдернуть руку от горячего.

Пример. При произнесении слова, как показывают опыты, необходимо управление около 50 мышцами (лица, гортани), участвующими в процессе произношения слова и для этого требуется около 250 обращений к образу этого слова в памяти человека.

Нейроны бывают различного типа: сенсорные (от рецептора кожи к спинному мозгу); сетчатки (от рецепторов сетчатки глаза - к зрительному нерву); двигательные (от рецепторов мышц к двигательной коре). Они образуют своеобразные регистры (зрительные, слуховые, тактильные и др.).

Нейрон служит для передачи информации за счет нервных импульсов. Расшифровка нервных импульсов (информации) происходит в соответствующих областях коры головного мозга. Нейроны коры мозга функционируют параллельно. Это их важное свойство и достоинство.

Пример. В коре переднего мозга около 50 млрд. нейронов. Они организованы, примерно, в 600 млн. функционирующих параллельно систем. Производительность такого типа “процессора” (распределённого матричного или нейроподобной системы) очень впечатляет (оцените примерно её!). 

Особенностью мозга является высокие качество и скорость обработки  информации. Нейроны выполняют обработку со скоростью всего около  100 инструкций в сек. (сравнить с ЭВМ, выполняющей миллионы инструкций в сек.), но они быстрее и эффективнее решают наиболее сложные (для ЭВМ, в частности) задачи распознавания и классификации, принятия решений и другие плохо формализуемые и структурируемые проблемы.

Человеческий мозг – это система параллельно работающих подсистем, структур, самоорганизующихся с помощью ассоциативных связей для выработки, принятия логических (алгоритмических, рациональных) решений. Там где невозможно принять такое решение (т.е. не удаётся ассоциировать такие связи), принимается эвристическое решение.

Каждая проблема имеет свой порог формализуемости.

Пример. Такая «простая» для человека задача, как нахождение решения квадратного уравнения имеет свой порог формализации. Если ищем вещественные корни, то порог определяется известной формулой для корней. За порогом этой формализации, если необходимо находить «очень точные» рациональные корни, эта задача неразрешима для человеческого мозга, как и бесконечен итерационный процесс вычисления корня из дискриминанта.

В каждом нейроне коры головного мозга одновременно  обрабатываются возбуждения: мотивации, целеполагания, внешние возбуждения - отражения текущего состояния управляемого объекта, возбуждения памяти (опыта). Их согласованная обработка дает картину объекта и позволяет принимать решения. Так, мозг, непрерывно перебирая результаты всех прошлых действий в аналогичных ситуациях и сравнивая их с текущей ситуацией, выбирает вариант, наиболее подходящий, целесообразный и эффективный в данной конкретной ситуации. Если при этом не найдется такая ситуация, то выбирается (прогнозируется многокритериально) такое состояние, результат которого будет наиболее адекватен;  этот результат и запоминается далее.

Обработка информации, как естественная, так и искусственная (с помощью ЭВМ) - составная часть нашего чувственного восприятия (рис. 3).



                                      ПОЗНАВАЕМАЯ  СИСТЕМА      

    

                                                                                                                                 З

     С          Получение          Эмпирические  методы           Получение,     

                     данных                                                                обработка             Н

     Р                                                 Эмпирико-                      сообщений      

                                              теоретические  методы                                           А

     Е                                                                                                                

                  Получение                                                            Получение,            Н

     Д         информации       Теоретические   методы            хранение    

                                                                                               информации            И

     А                                                                                   

                                        ПОЗНАЮЩАЯ СИСТЕМА                                      Я

Рис. 3. Структура познания системы

Отметим, что процесс обработки информации в мозге до сих пор недостаточно раскрыт, изучен и предоставляет собой одну из сложнейших и интереснейших проблем (не только нейрофизиологии, нейропсихологии, но и нейроматематики и нейроинформатики - в связи с актуальностью разработки нейрокомпьютеров и нейроподобных вычислительных сред и систем). 

У человека существует самостоятельная потребность в информации. Нормальная жизнедеятельность возможна лишь тогда, когда из внешней среды имеется приток не только вещества, энергии, но и информации, когда нет явлений "информационного голода". 

Пример. Когда у человека наблюдается ослабление переработки информации, соответственно, ослабляется и потребность в энергетическом и материальном ресурсах. Человек в состоянии апатии – малоподвижен, теряет аппетит, плохо спит, ему снятся плохие сны.

Потребность в информации удовлетворяется человеком двумя основными способами:

поиском нового в окружающей среде, включая и людей как источников информации;

обработкой ранее полученных впечатлений, т.е. в процессе творчества.

Память человека бывает:

сенсорная - на уровне рецепторов;

кратковременная - с момента передачи сигналов от рецепторов до момента их интерпретации;

долговременная - от кратковременной задержки информации в памяти до ее сжатия, передачи на долговременное хранение, т.е. её структурирования и архивации.

Важная характеристика сенсорной и кратковременной памяти - их способность к забыванию, очистке "ячеек памяти".

Пример. Эксперименты показывают, что информация из слуховой памяти утрачивается примерно за 15-30 сек. Для зрительной памяти это время составляет несколько сотен мсек.

В непосредственную память (сенсорную память) человека поступает информация от органов чувств, далее она переводится в оперативную память (память сознания), а затем она пересылается в долговременную память с помощью подсознания. В долговременной памяти, в частности, хранятся: формы поведения (генетически заложенные или приобретённые); объекты и образы, приобретенные в процессе обучения правилам и процедуры обнаружения и идентификации объектов; правила выборки и организации информации; сведения (сообщения) из жизненного опыта; бытовые и профессиональные навыки и умения.

Человеческая память - это среда, которая обладает способностью хранить, запоминать, актуализировать информацию, приобретенную ранее мозгом и управляющую поведением  человека  (см.  рис. 4).



               Система                Система  обработки                  Система            Р

  C       восприятия                     информации                     исполнения     

                                                                                                                                Е

  Т                                          Долго-                                                                

                Органы              временная                                        Буферная          А

  И           чувств                   память                                                зона         

                                                                         Система                                        К

  М                                                                 управления                                      

                                              Кратко-                                                                    Ц

  У          Буферная            временная                                         Мышцы         

                   зона                   память                                                                      И

  Л                                                                                                                     

                                                                                                                                Я





            Утраченное                       Утраченная                        Утраченная

             восприятие                      информация                          функция



Рис. 4.  Структура обработки  информации человеком

Стимулы сенсорных регистров (например, рецептора) передают поступающую извне информацию в кратковременную память, а из неё – в долговременную. Из долговременной памяти информация может пересылаться в кратковременную память.

Пример. При взгляде на (конкретный) стол у человека может из долговременной памяти ассоциироваться понятие «Стол» (абстрактное), а также  информация, связанная (ассоциативно-интуитивными связями) с этим понятием, например, сведения о потребительских качествах стола.

Извлечение информации из кратковременной памяти занимает очень мало времени.

Пример. Эксперименты в лаборатории Белл показали, что время извлечения из кратковременной памяти одной буквы (цифры) равно 10-30 мсек.

Извлечение информации из долговременной памяти требует достаточно сложных процедур. Вначале выполняется процедура восприятия информации. Подходящее («пробное») множество сканируется с помощью процедуры выбора стратегии в кратковременную память, затем из долговременной памяти с помощью процедуры ассоциации (эвристики) определяется «поисковый набор», соответствующий данному пробному множеству который передаётся в кратковременную память, а далее используется процедура принятия решения о соответствии. Этот процесс может быть итерационным: продуктивным (успешный поиск) или непродуктивным (безуспешный поиск). 

Информация представляется в виде информационных кодов – упорядоченных признаков, которые определяют объект (связь, понятие). Коды связываются (ассоциируются) между собой образуя структуры памяти.

Новая информация удерживается в памяти образованием связей между копиями кодов объектов (событий), т.е. образованием структур памяти вначале в кратковременной, а затем и в долговременной памяти. Так образуются хранилища знаний. Поиск нужного знания (хранилища, где оно находится) осуществляется направленно. Для нахождения соответствующей структуры памяти используются признаки определённых кодов, определяющих нужную структуру. Каждая структура имеет свой адрес, по которому она извлекается из памяти в нужной ситуации.

Пример. На таком принципе основывается задание номера телефона некоторых служб: 03 – «третья по важности служба», 911 – «номер, о котором часто рассказывали родители на случай чрезвычайной ситуации».

В живом организме, в отличие от автомата, машины, передача, хранение или обработка информации, в конечном счёте, происходит с помощью химических (биохимических) реакций. Сообщениями, передающими информацию, служат при этом молекулярные системы.

Пример. Белок - фермент, являющийся катализатором определенной биохимической реакции, есть преобразователь сигнала, превращающий одни сигнальные молекулы в другие. Любой организм живет за счет химических балансовых реакций, разностей концентрации химических веществ. Основа живого - белок,  он  синтезируется  из  аминокислот,  молекул  вида (рис. 5):

                                                    

                                                                  Н



 

                                                 H2N          С            COOH              

                                    

                                                                   

R

Рис. 5.  Молекула белка

где R - различные радикалы. Белковая цепь - некоторое слово (состояние) в алфавите, состоящем из 20 аминокислот (букв). Память человека или мозг человека имеет возможность запоминать за счёт обмена веществ, метаболизма (анаболизма).

Обмен информацией между нейронами (на биохимическом уровне) осуществляется с помощью нейромедиаторов – специальных веществ, активизирующих другие нейроны через синапсы (зоны контакта нейронов). Когда нейромедиаторы воздействуют на рецепторы нейрона, внутри него активизируются белковые структуры и происходит переработка информации.

Пример. Для срабатывания кратковременной памяти достаточны слабые и кратковременные импульсы, для активизации долговременной памяти нужны более мощные и длительные стимулы. В первом случае выделяется меньше нейромедиаторов, а во втором, – больше и они воздействуют на синапсы, увеличивая их.

У живых организмов потенциалы действий (электрические сигналы) проводят нервные волокна, а у растений роль нервных волокон выполняют “жилки” - проводящие пучки, пронизывающие все ткани и органы. По этим жилкам проводятся вода, минеральное питание и электрические сигналы. В  живых организмах (в отличие от растений) имеется “диспетчерская”, откуда управляющие сигналы от внешних раздражителей поступает к различным органам. “Диспетчерская” – это центральная нервная система, связанная с помощью аксонов с нейронами (кластерами, группами нейронов) различного  типа: зрительными, обонятельными, слуховыми и др.

Пример. Рассмотрим такое явление (состояние), как жажда. Импульсы от рецепторов слизистой оболочки ротовой полости, желудка поступают при уменьшении концентрации воды в организме, при уменьшении объёма циркулирующей крови (известное явление жажды при ранениях). Эти импульсы передаются в промежуточный мозг и затем поступают в “центр реакции на жажду” - кластер нейронов в различных зонах гипоталамуса, объединённых друг с другом межнейронными связями. Затем они интегрируются и в “центре реакции на жажду” вырабатывается интегральный сигнал “тяга к воде”. При этом интегральная информация анализируется с целью коррекции регулируемых параметров организма (например, содержание воды и соли в клетках), вырабатывая адекватную работу почки, гормонального и нервного механизма (рис. 6).

 

                Вода                                        Центр  реакции  на  жажду





            Рецепторы                                Центральная  нервная  система





               Кровь                                   Симпатическая  нервная  система





                                  Перераспределение  крови



Рис. 6. Структура информационных и управляющих сигналов при жажде



Физико-химические реакции (клеточного метаболизма) осуществляются под управлением ферментов, структура которых записана в ДНК генов. Генетическая запись (информация) передаётся от ДНК к РНК, от РНК к белку, регулируя, помогая самоорганизовываться белковой структуре. Информация, записанная в виде последовательности нуклеотидов в ДНК гена, перезаписывается на молекулу РНК, а затем генерируется последовательность аминокислотных остатков, осуществляется синтез белка, создаётся первичная структура будущей молекулы белка и, наконец, определяется белковая структура, её функции. Синтез белка, клетки, клеточных структур - центральное событие в жизни организма. Считывание сообщений информационной РНК и их трансляция приводит к появлению в клетке молекул белка; информационные РНК  способны кодировать белки.

Задачи и упражнения

ДНК человека можно представить себе как некоторое слово в алфавите Х={A, B, C, D}, где букве соответствует звено цепи ДНК (нуклеотид). Среднее число их равно примерно 1.51023. Считая, что ядро каждой из примерно 1013 клеток человеческого тела является хранителем генетической информации, оценить объем информации в теле человека.

Ресурсы человеческого мозга рассчитаны на переработку информации в 16 бит в сек. Какое количество информации перерабатывает человек за свою жизнь, если переработка информации идёт непрерывно в течение средней продолжительности жизни, которую принять равной 70 лет.

Человек способен различать примерно 130 градаций яркости. Определить, сколько бит необходимо, чтобы их закодировать, т.е. какой минимальной разрядности комбинации битов нужны для этого?  

Время t реакции испытуемого на выбор предмета из имеющихся  N  предметов линейно зависит от log2N: t=200+180log2N (мс). По аналогичному закону изменяется и время передачи информации в живом организме. Один из опытов по определению психофизиологических реакций человека состоял в том, что перед испытуемым большое количество раз зажигалась одна из  n лампочек, которую он должен был указать. Оказалось, что среднее время, необходимое для правильного ответа испытуемого, пропорционально не числу  n  лампочек, а именно величине I определяемой по формуле Шеннона, где  pi - вероятность зажечь лампочку номер  i.  Проанализируйте этот факт и сделайте выводы о том, как можно использовать этот факт для понимания процесса передачи и количества передаваемой информации.

Для выживания человека необходимо условно 1030 – 1040 бит информации. Рост наследственной информации условно оценим в 1010 – 1020 бит. Как и откуда может человек черпать недостающую информацию?

Мозг человека содержит около 1030 синапсов. Чему равно примерно количество различных состояний мозга? Сравните его с числом всех атомов в наблюдаемой части Вселенной, оцениваемой как 1080.

Исполнитель “Вычислитель” может выполнять следующие 4 команды: сложить(a,b,c) - найти сумму a+b и результат присвоить переменной c; вычесть(a,b,c) - выполнить c:=a—b; умножить(a,b,c) - c:=a*b; разделить(a,b,c) - c:=a/b. Записать наименьшую последовательность команд “Вычислителя” для того, чтобы вычислить значение функции  y=[(x+2)2(x—2)—(x3— 6x2+12x—8)](x2+5x+6)/(x—2)+5/(x—4) в точках x=1 и x=5. Составить другую задачу для этого исполнителя. Модифицировать операционную среду исполнителя.

Исполнитель “Художник” имеет следующие команды: отрезок(a,b,c,d) - начертить отрезок соединяющий точку А(a;b) с точкой B(с;d) на плоскости; окружность(a,b,r) - начертить окружность радиуса  r с центром в точке А(a;b); поднять - поднять (от бумаги) карандаш для рисования (закончить рисование); опустить - опустить карандаш на бумагу (начать рисование); раскрасить(a,b,s) - раскрасить внутреннюю фигуру  (до ее границ), в которую попадает  А(a;b)  цветом номер  s  (s=1 - красный, s=2 - зеленый, s=3 - голубой, s=4 - желтый). Составить наименьшую последовательность команд для рисования квадрата (сторона - а см., левый нижний угол в О(0;0)) и окружности, вписанной в данный квадрат (его центр совпадает с центром квадрата), которые разделены на одинаковые четыре части и закрашиваются так, что два одинаковых цвета не соседствуют по некоторой протяжённой границе фигуры. Начальное положение “Художника” - начало координат, а его начальный “взгляд” в направление луча Оx (x>0). Составить задачу для этого исполнителя, модифицировать его операционную среду.

Исполнитель “Чертежник” может выполнять команды построения графиков: парабола(a,b,c) - параболы y=ax2+bx+c; прямая(a,b) – прямой y=ax+b. Составить наименьшую последовательность команд “Чертежника” для построения графиков функции  y=x4+7x2+14,  u=3t2+6, w=5s—6. Начальное положение “Чертежника” - начало координат, а его начальный “взгляд” - в направление луча Оx (x>0). Какую команду можно включить в операционную среду для решения этой задачи?

Исполнитель “Железнодорожник” может выполнить команды: расцепить(a,b,n,m,k) - расцепить поезд номер  n  в поезд номер m  из  a  вагонов и в поезд номер  k  из  b вагонов; удалить(n) - удалить поезд номер n, причем это возможно только тогда, когда в нем всего один вагон;  определить(n,a) - определить число а вагонов поезда номер  n. Записать минимум команд “Железнодорожника”, для удаления со станции поезда номер 23 состоящего из 11 вагонов.

Список литературы

Аткинсон Р. Человеческая память и процесс обучения. М.: Прогресс, 1980.

Амамия М., Танака Ю. Архитектура ЭВМ и искусственный интеллект. –М.: Мир, 1993.

Годфруа Ж. Что такое психология. В 2- томах. М.: Мир, 1992.

Информатика. Энциклопедический словарь для начинающих. Под ред. Поспелова Д.А., - М.: Педагогика-Пресс, 1994.

Казиев В.М. http://www.kaziev.by.ru.

Пекелис В. Маленькая энциклопедия о большой кибернетике. – М.: ДЛ, 1970.

Саган К. Драконы Эдема. М.: Знание, 1986.