КОНСТРУКЦИЯ ВИРТУАЛЬНОГО МИРА

Конструкция виртуального мира.
Предлагаемая конструкция виртуального мира (ВМ) относится к системам искусственного интеллекта, к кибернетическим системам для автоматизации управления, к робототехнике, и представляет собой многомерную информационную модель реального мира (РМ)- его объектов, процессов и явлений, происходящих в микро- и макроструктурах Вселенной, с описанием методологии их исследования и использования. Ясно, что описать тот или иной процесс или явление одной моделью или использовать один метод исследования недостаточно, лучше использовать несколько моделей и методов исследования, применительно к конкретному типу явления, имеющего природный или техногенный характер. А еще лучше создать одну комплексную модель путем композиции или синтеза нескольких моделей и разработать один системно-структурный подход к ее исследованию. Эта композитная или синтезированная информационная модель РМ должна отражать всю разнородность строения и множество внутренних к внешних дискретно-континуумных отношений. Такую модель можно назвать виртуальной. Для создания такой модели желательно использовать весь информационный ресурс реального мира, независящий от нас, но к которому мы можем приблизиться математически или мысленно (образно) на основе накопленных веками знаний или вновь полученной информации с помощью современных аэрокосмических средств зондирования РМ и геоинформационных технологий обработки данных.
Областипримененияискусственногоинтеллекта,
кибернетических систем и робототехники безграничны - от компьютерных тренажеров, машин-роботов и автоматизированных систем управления промышленными и военными комплексами до мониторинга всех процессов и явлений, происходящих во Вселегшой. Методом познания и отображения реального мира как предмета исследования является практика - критерий истины, четко проявляющийся при сравненрш реального мира с его моделью виртуальным миром.
Наиболее близким аналогом предложенной конструкцни виртуального мира, которая предусматривает создание картографоматематических трехмерных моделей местности по результатам интегрированной обработки данных аэрокосмических и наземных съемок с помощью геоинформационных технологий для целей управления территориальными объектами, процессами и явлениями, является конструкции и технологии их создания, описанные в статьях
/ 11 Л  Т It  г
(: 1-чкива ii.A.  1;лимат CCuP , изд.-., ia. , I9dj;
Основной недостаток описанных ранее конструкций и технологий использования заключается в том, что эти модели рассчитаны на диалоговый режим решения задач, т.е. их анализатором является система «человек-компьютер, в то время как конструкция виртуального мира рассчитана на то, что анализатором может быть не только система «человек-компьютер, но и радар, лазерный сканер, фотосканер и другие специальные технические устройства с их особенностями восприятия РМ, распознавания объектов, процессов и явлений и их идентификации с ВМ. Именно в этом заключается основные преимущества предлагаемой конструкции виртуального мира.
Поставленная задача решена за счет того, что предложенная конструкция виртуального мира предусматривает его «многоликость каким собственно и является РМ. Это достигается благодаря тому, что в зависимости от типа анализатора подключаются только те модели, которые наиболее полно и однозначно представляют виртуальный Мир в соответствующих диапазонах его восприятия и которые необходимы для решения конкретной в данный момент задачи.
Создание такой конструкции ВМ стала возможным благодаря созданию информационно-аналитической системы (рис.1), которая имеет блок интегрированной обработки данных о территориальных объектах управления, соединенный с блоками обработки данных аэрокосмических и наземных съемок, информация поступает в блоки экспертных систем - блок моделирования природных структур, соединенный с блоком моделирования топографических структур и геологических структур, а также в блок моделирования техногенных структур, соединенный с блоком моделирования инженерных сооружений и блоком создания образно-семантических моделей объектов, результаты поступают в блок синтеза моделей природных и техногенных структур и в блок виртуального мира, параллельно в блок пространственного отображения виртуального мира и анализатор, результаты передаются в блок экспертного анализа виртуального мира, который формирует блок знаний, а после повторного экспертного анализа, используя блок метазнаний, формируются знания 2-го уровня в блоке, которые передаются в блок обновления виртуального мира, результаты обновления совершенствуют ВМ.
Таким образом, конструкция ВМ предусматривает применение Искусственного интеллекта, включающий создание:
1.Информаг иоило-аиа-штическойсистемы,
обеспечивающей сбор, кодирование, хранение, поиск, обработку, анализ информации и создание баз данных.
2.Экспертных систем, создающих картографоматематические модели природно-техногенных структур, базы знаний и виртуальный Мир в целом.
3.Кибернетических систем для автоматизации управления объектами и процессами, транспортными средствами, кризисными и чрезвычайными ситуациями с формированием и применением метазнаний.
4.Компьютерных тренажеров и робототехники. Каждая система имеет:
1.Техническое обеспечение, состоящее из графических
станций на базе компьютеров типа SGI 550 с операционной системой Windows NT или суперкомпьютеров Опух-2 с операционной системой UNIX , систем пространственного отображения ВМ, электронного архива и других устройств.
2.Прогриммпое обеспечение, состоящее из базовых ГИСпрограмм типа ERDAS Imagine, Virtual GIS, комплекса специальных программ для решения прикладных задач и комплекса служебных программ, совместимых между собой.
3.Ииформаг иоииое обеспечение, состоящее из баз данных, баз знаний и метазнаний.
Мощные потоки информации, поступающие в результате дистанционного зондирования в разных диапазонах спектра и с высокой разрешающей способностью получаемых изображений РМ требуют новых технологий их обработки и прежде всего новых алгоритмов кодирования и декодирования данных, создания информационнокодовых структур для различных природных и техногенных объектов. Разработка информационных неотехнологий непосредственно связана с созданием ВМ.
Конструкция ВМ создается методом композиции и синтеза моделей природных и техногенных структур (объектов, процессов и явлений), построенных с сохранением их внешнего образа и внутреннего строения с учетом динамики развития и возможности отображения на экране в режиме «реального времени с сохранением возможности декомпозиции отдельных моделей, имеющих уже новые качественные свойства, приобретенные в результате их синтеза и анализа. Природные структуры описываются пространственными моделями рельефа местности, ландшафтными моделями, моделями геологических и гидрологических структур. Техногенные структуры описываются пространственными моделями инженерных сооружений, существующих в реальном мире.
Конструкция ВМ предусматривает полный или частичный синтез и анализ этих моделей по методу картографической генерализации, что значительно повышает информативность ВМ. Повышение информативности происходит также благодаря анализу структур, который необходимо выполнить для построения ВМ, что дает новые знания о реальном мире. Таким образом, в процессе создания ВМ идет процесс более глубокого познания реального мира. Поэтому основная особенность конструкции ВМ - возможность получать новые знания о реальном мире уже в процессе его создания.
Вторая особенность конструкции ВМ заключается в том, что как в процессе создания ВМ, так и в процессе его анализа и использования возможны все операции композиции и декомпозиции моделей отдельных структур и их элементов. Это дает возможность, как бы упростить сложный ВМ для решения узкоспециализированных задач управления и его восприятия анализаторами, например, при отождествлении ВМ с результатами радарного сканирования реальной местности при автономной аэронавигации.
Третья особенность конструкции ВМ - неограниченная глубина моделируемого пространства при полной имитации реального мироощущения. ВМ обладает способностью имитации происходящих в РМ динамических процессов относительно неподвижного наблюдателя или, наоборот, пилотирования транспортных средств в пространствевремени ВМ.
Четвертая особенность - имеет строго определенную картографоматематическую основу и может отображаться на экране в любой проекции и системе пространственных координат. Поэтому ВМ используется там, где нужна автономная ориентировка в пространствевремени, например, в робототехнике, компьютерных тренажерах, системах автономной аэронавигации и управления, при решении задач проектирования, планирования, прогнозирования, контроля, анализа, оценки и принятия решений, а также в системах управления чрезвычайными ситуациями и проигрывания сценариев будущих специальных операций.
Основные отличия конструкции ВМ от других известных
моделей природных и техногенных структур следующие:
1.Полная имитация реального мироощущения (зрительного, слухового, вибрационного, вестибулярного), которая достигается специально разработанными методами и приемами конструирования, использования и пространственного отображения ВМ для анализатора типа «человек-компьютер.
2.Неограниченная глубина моделируемого пространства ВМ (наличие всего масщтабного ряда моделей). ВМ может быть отображен на экране в масштабах космических и земных (глобальных, региональных, локальных), используя лишь кнопку увеличения изображения на экране.
3.ВМ может иметь неограниченное число двух-, трех- и четырехмерных моделей, совмещенных или синтезированных с моделью местности, что позволяет в автоматизированном режиме решать те же задачи, которые решаются в РМ.
4.ВМ это не просто своеобразная картографическая база данных, но и база знаний, информация с которых вызываются на экран путем концентрации внимания на определенный объект, устным указанием или нажатием правой кнопки мышки компьютера. В этом случае включается режим параллельного просмотра моделей в виде звукового и гипертекстового сопровождения ВМ с показом образцов, эталонов или моделей решения тех или иных задач определенной тематики.
Таким образом, eupmycvibuhiii мир - это созданный человеком с помощью систем Искусственного интеллекта комплекс высоко информативных пространственных картографо-математических моделей микро- и макроструктур, являющихся естественнонаучным и
чрезвычайно многогранным обобщением реального мира. ВМ идеальной конструкции - понятие фундаментальное, такое как основа мироздания, вещество или энергия. В подтверждении возможности существования такого понятия приведем следующие рассуждения. Высокая информативность ВМ говорит о том, что ВМ - это своеобразный сгусток ииформм ии и знаний, где с помощью технического и программного обеспечения происходят процессы материализации и дематериализации информации о реальном мире. Это значит, что ВМ может обладать определенной энергией и иметь свойства вещества. Как вещество и энергия ВМ может передавать, принимать, накапливать и использовать информацию и знания. Как и у физических объектов и явлений, у ВМ есть однотипные характеристикиразмеры (длина, высота, объем, масщтаб), а благодаря наличию качественных характеристик, присущим только материальным телам (подобие, цвет, текст ра и др.) - способность к восприятию (идентификации, сравнению) анализатором. Первые опыты создания ВМ, говорят о том, что, аналогично закону сохранения массы и энергии, ВМ возможно имеет закон сохранения информации, а также закон взаимодействия двух объектов, обладающих информацией, представленной в виде синтезированных моделей природнотехногенных структур. Так, например, при крупномасщтабных исследованиях локальных объектов ВМ, требуется одновременно активизировать почти все картографо-математические модели с предельной точностью и детальностью, что невозможно сделать из-за ограничения виртуальной памяти компьютера. В таких случаях модели других достаточно удаленных объектов как бы теряют свою информационную емкость, передавая свой информационный ресурс и энергию рассматриваемому объекту ВМ.
Информация регистрируется, обрабатывается и накапливается в информационно-аналитической системе в результате интегрированной обработки данных дистанционного зондирования, контактной съемки и данных диагностики объектов реального мира. Эти данные получают с помощью специальных технических средств зондирования в различных диапазонах спектра, с различной детализацией, но строго ориентированной в пространстве-времени. Информация используется
для составления топографических, тематических и специальных карт различного содержания, масштаба и точности, которые формируют картографические базы данных в информационно-аналитических системах. Параллельно им создаются электронные архивы семантических баз данных, имеющие пространственно-временную привязку к картографо-математическим моделям. Это описание картографических объектов в текстовой или звуковой форме, традиционные легенды к картам, материалы изученности территории, библиотеки, геофонды, энциклопедии и словари. ВМ создает особое информационное поле- уникальное по охвату явлений и процессов от метастабильных до экстремально нестабильных состояний, от бесконечно малых до бесконечно больших расстояний, времен, энергий, температур, скоростей, взаимоотношений, связей, взаимопреврашений и других факторов.
Приведенные выше определения ВМ основополагаюшие, но не окончательные. Они будут уточняться по мере использования ВМ в физике, химии, математике, кибернетике, астрономии, геологии, океанологии, картографии и в других дисциплинах.
Объект - абстракция множества предметов РМ, в котором все предметы имеют одни и те же характеристики (свойства), устойчивые связи и согласовываются с одними и теми же правилами поведения. В качестве природных объектов могут выступать однотипные топографические объекты, геологические структуры, грунты, растительность; а в качестве техногенных - однотипные инженерные сооружения, их сборочные единицы, узлы, детали и их элементы. Состояние объекта характеризуется его характерными свойствами и их текущими значениями, а поведение - набором правил, формализованных в виде метазнаний. В качестве природных могут выступать однотипные эндогенные и экзогенные процессы и явления а в качестве техногенных технологические процессы, сопровождающие сборку инженерных сооружений или их поведение в процессе эксплуатации. Описание и .моделирование природных и техногенных объектов осуществляется по результатам их инвентаризации (классификации и паспортизации), а процессов и явлений - по результатам мониторинга. По результатам инвентаризации и мониторинга выполняется анализ и оценка состояния объектов.
Моделирование, композиция, синтез и аначиз составляют методологическую основу изучения всех без исключения объектов, процессов и явлений природы. Поэтому для автоматизации рещения любых исследовательских и прикладных задач РМ должен быть описан, с одной стороны, математически точно, с другой - достаточно образно с целью зрительного восприятия объектов, процессов и явлений, происходящих в РМ, но так, чтобы не было принципиальных
разночтений при их распознавании или идентификации. Наиболее полно этим требованиям отвечают картографо-математические модели, создаваемыеметодамиматематическогомоделирования,
ортофототрансформирования, геокодирования, стереомоделирования и имитационного моделирования. Картографо-математические модели создаются с помощью геоинформационных технологий по результатам интегрированной обработки данных дистанционного зондирования природных и техногенных объектов и данных наземных съемок. Метод имитационного моделирования, как правило, применяется при создании моделей диналшческого равновесия природно-техногенных структур и моделей динамических процессов и явлений. Существует два типа имитационного моделирования  по времени и событиям. В первом случае непрерывная шкала времени разбивается на участки стандартной длинь(, во втором - на моменты критических событий, фиксируемых моделью. Картографо-математические модели имеют пространственные структурные, содержательные и качественные характеристики объектов и явлений. Модели динамики распространения (развития) явлений имеют дополнительный параметр - время. В результате построения пространственно-временных моделей и их анализа появляется возможность получить новые знания о РМ и автоматизировать рещение задач на новом более высоком уровне точности, достоверности, глубины проработки и оперативности решения.
Модели ВМ. Комплексная модель природных структур включает модели геологического строения и ресурсов недр, геофизические, рельефа земной поверхности и дна океанов, метеорологические и климатические, гидрологические и океанографические, почвенные и инженерно-геологические, геоботанические, зоогеографические, ландшафтные, геоэкологические и другие. Каждая из этих моделей состоит из субмоделей. Например, геофизическая модель включает субмодели магнитных и гравитационных полей, модели тектонических и сейсмических явлений и вулканизма, а гидрографические модели подразделяются на субмодели поверхностных вод, ледового и снежного режима, стока вод. Инженерно-геологические модели содержат субмодели почв и земельных ресурсов, модели эрозионных процессов, засоления, подтопления, карстовых и оползневых явлений, мерзлотных моделей и т.д. Особая роль в ВМ отводится моделям ландщафта.
Комплексная модель техногенньо: структур включает модели промышленных объектов с разделением на нефтегазовые, угольные, деревообрабатывающие, металлообрабатывающие, химические и другие субмодели. Модели сельскохозяйственных объектов включают субмодели земельных, водных и лесных фондов и их использования, субмодели земледелия и животноводства. Модели транспортных систем состоят из субмоделей железнодородных и автомобильных дорог, трубопроводных систем, а также других моделей жизнеобеспечения.
Основной принцип изучения РМ через виртуальную реальность
заютючается в том, что вначале производится моделирование, синтез и анализ не самих объектов, явлений и процессов, а отношений внутри них и их отношений между собой и внешним окружающим миром. После классификации внутренних отношений свойств и их внешних связей по признакам последних синтезируются и анализируются свойства и
характеристики самих объектов. Этот принцип хорошо знаком дешифровщикам аэрокосмических снимков. Чтобы распознать и классифицировать новый объект, явление или процесс, когда нет прямых признаков их присутствия, но следы которых как-то проявляются на фотоизображении, эксперт-дешифровщик ищет косвенные признаки например, дорога не должна вести в никуда, тип растительности характеризует грунты, а факт заболачивания территории - признак повышения уровня грунтовых вод и т.д. Поэтому процесс создания ВМ есть ничто иное как классификация, моделирование, синтез и анализ глубинной сущности природы, закономерных микро- и макроотнощений пространства и времени в РМ. Эти отнощения, как и сами объекты и процессы, существуют в природе независимо от нашего сознания, но познавая эти закономерности и искусственно изменяя их в ВМ мы можем построить модель динамического равновесия природных и техногенных структур при разных внешних условий их существования, а значит реализовать мечту об устойчивом развитии региона или планеты в целом.
Анализатор ВМ - человек, компьютер или специальное техническое устройство,   осуществляющие восприятие ВМ и его подготовку для решения прикладных задач.
Восприятие ВМ - сложный процесс обработки информации анализаторами о ВМ в процессе решения задач вдентификации картографо-математических моделей природных и техногенных структур, их композиции или декомпозиции.
Ощущение ВМ - результат воздействия отражательных свойств ВМна. органы чувств (зрительные, слуховые, вибрационные или другие).
Образное представление ВМ помогает не только лучшему
восприятию информации и знаний о реальном мире, но и стимулировать процесс получеьше новых знаний (знаний 2-го уровня), развивать воображение и философию мышления.
На разных этапах развития человечества формировались различные мифологические, религиозные и философские мировоззрения о процессе познания и отображения РМ во всем многообразии предметов (объектов), процессов и явлений, событий и закономерностей. В основе единства этого многообразия стали понимать интеллетст человека, проявляюшийся различными формами и видами представления информации и знаний о РМ. Мыслители, философы, ученые и священнослужители всегда интересовались проблемами достоверности описания реального мира не только с познавательной целью, но и практической, например, с целью прогнозирования опасных процессов и явлений для предупреждения населения или использования этой информации и полученных знаний отнюдь не для благородных
целей. Однако оставалась проблема выявления взаимосвязей объектов, процессов и явлений в природе, корреляционных связей между их свойствами, качественными особенностями, отдельными факторами, эффектами, признаками и другими характеристиками. А вся тайна кроется именно в этом, в единстве информационного пространства всех видов и форм РМ. Связи и отношения между объектами, процессами и явлениями в микро- и макроструктурах, порой невидимые для глаз человека, могут распознаваться, моделироваться и изучаться по результатам интегрированной обработки данных, полученных методами дистанционного зондирования и контактной диагностики природных и техногенных структур; примерно также, как диагностируется человекпо его внешнему облику или фотографии, результатам дешифрирования и интерпретации рентгеновского снимка, кардиограмм, данных анализа.
Легенды глубокой древности подтверждают, что человек может управлять на расстоянии- видеть не видимое (ощущать виртуальный мир), предсказать и предотвратить беду (моделировать и управлять чрезвычайными ситуациями), видеть и контролировать опасные явления на расстоянии (аэрокосмический мониторинг). Человек может погрузиться в бездну мироздания, когда по его команде расступаются скалы или морские глубины, рассеивается туман, раскрывает свои тайны Земля и космос, что сегодня означает погружение в виртуальный мир.
Образное (зрительное) восприятие ВМ, самонакопление и обновление знаний для совершенствования его образа и внутреннего содержания - основное условие создания кибернетических систем для решения задач управления в автоматизированном режиме. В зависимости от вида анализаторов восприятие информации может быть зрительное, акустическое, тактильное и др. Важным этапом подготовки информации для восприятия является интегрированная обработка исходных данных, поступаюпщх из различных источников или анализаторов в пределах одного и того же объекта исследования. При этом важно не столько статическое восприятие, сколько динамическое, когда системы восприятия функционируют в том же темпе или, как говорят, в режиме «реального времени, в каком происходят изменения в реальном мире. Скорость вербального (речевого) восприятия информации человеком без вмешательства компьютера около 500 бит/сек, а образного восприятия до 500 мегабит/сек, т.е. в миллион раз быстрее. Основной недостаток речевого или текстового восприятия информации в том, что тексты и речь линейны, события описаны последовательно. Если же эти события экранизировать, т.е. осушествить их зрительное восприятие, то линейные события будут происходить параллельно во времени, будет видна пространственно-временная связь объектов, происходящих процессов и явлений, что значительно упрошает процесс восприятия информации и последующей формализации представления знаний о ВМ. В процессе отображении на экране ВМ может сопровождать гипертекст, который можно читать с разным уровнем подробности изложения, что позволяет сформировать образно-семантическую модель и быстро понять смысл прочитанного и увиденного.
уровне восприятия информации происходит процесс распознавания образов - с помощью специально разработанных алгоритмов происходит идентификация объектов в описании всей сцены (изображения) и его разбиение на значимые сегменты. При этом часто используются пространственные изображения с эффектами освещения, дымки, текстуры поверхности. Этот процесс - наиболее сложный этап представления знаний, который невозможно осуществить без знания законов построения ВМ.
Базы знаний в ВМ делятся на формализуемые (моделируемые) и экспертные, не поддающиеся пока моделированию. Они имеют строгую пространственно-временн)то ориентировку и привязку к семантике (базам данных). Математические модели формируются с помощью входных и выходных формальных переменных без семантики, то есть без привязки к конкретной прикладной области или базам данных. Поэтому для создания на их основе интеллектуальных систем создаются метасистема знаний или метазнания, то есть формализованная система правил пользования этими моделями или базами знаний продукционного типа.