Искусственный интеллект в ядерной энергетике

Развитие искусственного интеллекта (ИИ) — важнейший тренд цифровой и информационной индустрии последних десятилетий. Технологии машинного обучения, глубинного анализа данных и интеллектуальные компьютерные системы постепенно проникают во все сферы человеческой деятельности, и нам начинает казаться, что искусственный интеллект присутствует повсеместно.

Даже смартфоны и планшетные компьютеры могут распознавать речь и лица, не говоря уж о суперкомпьютерах спецслужб и крупнейших корпораций. Беспилотные автомобили и грузовики готовятся завоевать автомагистрали и улицы городов. Совершенствуются автоматизированные системы управления технологическими процессами, создаются промышленные сети. Машинные нейросети внедрены в процессы биржевой торговли и в банковскую деятельность. Платформы социальных сетей отслеживают предпочтения пользователей, маркируют их лица и географическое местоположение.

То, что уже создано в области машинного интеллекта, меняет не только бизнес-среду, но и научные исследования, помогая ученым выявлять скрытые закономерности и объединять междисциплинарные знания и опыт тысяч исследователей.

Но все это пока нельзя назвать искусственным интеллектом, созданы лишь его отдельные фрагменты, методы и технологии.

Искусственного интеллекта до сих пор нет, поскольку не решена главная задача создания машины, сравнимой с человеческим мозгом по мощности, по возможностям и в какой-то степени — по архитектуре процессоров и сетей, состоящих из миллиардов нейронов. ИИ еще только предстоит создать. Областей применения у него действительно будет очень много, и ядерная энергетика, как одна из наиболее интеллектуальных сфер человеческой деятельности, станет одной из них.

Что такое искусственный интеллект?
Необходимо понимать, что искусственный интеллект — это не суперкомпьютер, он будет работать по абсолютно иным принципам, нежели процессоры обычных компьютеров. Вычислительные машины и современные роботы действуют по программным алгоритмам, то есть выполняют наборы последовательных команд. В одних и тех же условиях работа по алгоритму приводит к одному результату.

Искусственные нейронные сети — это уже первый шаг к принципиально иной системе анализа информации. Искусственные нейроны представляют собой математические и компьютерные модели, имитирующие работу биологических нейронов; по сути, это система взаимодействующих процессоров, построенная по принципу соединения нервных клеток человеческого мозга. От обычных машинных алгоритмов искусственные нейронные сети отличаются умением обучаться, запоминать и воссоздавать образы, выявлять закономерности, анализировать информацию и выдавать результаты.

Процессоры искусственных нейронов с помощью нелинейных функций и алгоритмов активации преобразуют входящие сигналы в исходящие, они поступают к следующему процессору и преобразуются дальше. Искусственные нейроны образуют сети и слои, в которых с помощью сигналов создаются, восстанавливаются и разрушаются связи.

Устоявшегося стандартного определения для ИИ нет, поэтому можно сказать, что это машинная система, способная обучаться, использовать объективные знания и опыт, решать творческие задачи наподобие человеческого мозга и изобретательские задачи без перебора вариантов, выстраивать стратегии и применять абстрактные концепции.

Существующие системы машинного интеллекта, искусственные нейронные сети и суперкомпьютеры пока на такое не способны. К концу второго десятилетия XXI века сделаны только первые шаги, решены лишь отдельные задачи по анализу данных и распознаванию образов, переводу текстов, обмену информацией между роботизированными агентами и пр.

Искусственный интеллект — стратегический проект XXI века
Искусственный интеллект — это стратегический проект ближайшего будущего, сравнимый по сложности и важности с ядерными проектами в СССР и США середины ХХ века.

Для создания настоящего ИИ, способного решать творческие задачи, потребуются десятилетия работы тысяч лабораторий и институтов, принципиально иная элементная база и, возможно, новые фундаментальные открытия.

Геополитические тренды и санкционное давление Запада на Россию, признание того факта, что на глобальном рынке у США не партнеры, с которыми нужно сотрудничать, а соперники, с которыми придется конкурировать, торговые войны США с Китаем и Евросоюзом — все это и многое другое свидетельствует о том, что мир погружается в острую конкурентную борьбу с малопредсказуемыми последствиями.

Становится очевидным, что в ближайшие несколько лет все ведущие державы будут втянуты в гонку инновационных технологий, ведь техническое отставание ухудшает экономические и политические перспективы страны. И напротив, широкое внедрение ИИ способно обеспечить существенные экономические преимущества через повышение эффективности промышленности и рост производительности труда, дает дополнительную безопасность в производственной, информационной сферах и определенное превосходство в военно-технической области.

Наши противники и конкуренты запомнили слова президента В. В. Путина, сказанные 1 сентября 2017 года на открытом уроке в Ярославле: «Искусственный интеллект — это будущее не только России, это будущее всего человечества. Здесь колоссальные возможности и трудно прогнозируемые сегодня угрозы. Тот, кто станет лидером в этой сфере, будет властелином мира».

Разработки в области ИИ во всем мире продемонстрировали значительный технический прогресс за последние пять лет. Технологии развиваются гораздо быстрее, чем ожидалось. Прогресс И И сделает его преобразующей технологией для национальной безопасности.

Следует отметить, что Россия находится в числе тех немногих стран, где уже несколько десятилетий активно ведется разработка технологий ИИ, а также нейронных сетей. Конференция «Искусственный интеллект: проблемы и пути решения», организованная по инициативе Российской академии наук при содействии министерства образования и науки и поддержке министерства обороны, прошедшая 14−15 марта 2018 года в подмосковном парке «Патриот ЭКСПО», продемонстрировала, что наша страна остается одним из мировых лидеров в этой сфере и работы будут активно продолжаться.

Ядерная энергетика — одна из высокотехнологичных отраслей, где наша страна также сохраняет лидирующие позиции. Внедрение технологий ИИ в российской атомной отрасли позволит нам сохранить лидерство на десятилетия.

Однако и конкуренты не дремлют. Во всем мире разработчиков технологий ИИ мотивируют и государства, для которых развитие ИИ — важный аспект национальной безопасности и сохранения суверенитета, и крупные корпорации, для которых ИИ — способ обретения конкурентных преимуществ и новый источник прибылей.

Руководство КНР неоднократно заявляло, что Китай собирается к 2030 году стать мировым лидером в области технологий ИИ, крупнейшим центром инноваций, поскольку Поднебесной для поддержания высоких темпов экономического роста необходимо научно-технологическое лидерство. Правительство КНР последовательно проводит политику технологического развития и снижает зависимость экономики от иностранных технологий.

Успехи России и Китая в развитии технологий воспринимаются Соединенными Штатами как вызов их превосходству. США стремятся контролировать политические, экономические и информационные пространства через выстроенную систему отношений и механизмов распределения ресурсов и факторов производства. Это, в свою очередь, предполагает максимальный контроль передовых технологий и интеллектуальной собственности со стороны США и американских корпораций, технологическую монополию в ряде ключевых сфер, установление собственных стандартов в качестве международных. Технологии И И не станут исключением. Американские IT-гиганты, такие как Alphabet (Google), Apple, Microsoft, IBM, Facebook, Amazon, давно уже работают в этом направлении.

Параллельно гонке технологий Соединенные Штаты и их сателлиты запускают процессы, призванные затормозить развитие ИИ в странах, которые США рассматривают в качестве геополитических соперников и конкурентов.

Знаменитый бизнесмен Илон Маск, чья ракетно-космическая компания SpaceX получает прямую поддержку американского правительства и технологическую помощь NASA и DARPA (специальное управление министерства обороны США), называет ИИ «самым большим риском, с которым мы (человечество) сталкиваемся как цивилизация», а также причиной Третьей мировой войны. Заявления Маска о том, что ИИ в конечном итоге уничтожит человечество, поддержали миллиардеры Билл Гейтс и Джек Ма, а также ныне покойный британский физик Стивен Хокинг.

Задачи искусственного интеллекта в сфере ядерной энергетики
Мировая гонка технологий в обозримом будущем приведет к внедрению самых современных инноваций в атомную сферу. Это касается не только новых типов реакторов, но и совершенствования ядерного оружия.

Его разработкой будут заниматься все ведущие мировые державы, потому что любое отставание от соперников не просто уменьшит конкурентоспособность в энергетике, оно сделает уязвимой национальную оборону, которую без дальнейшей модернизации стратегических и нестратегических ядерных сил будет очень сложно обеспечить обычными, конвенциональными видами вооружений.

Автоматизация в ядерной энергетике остается на высоком уровне с момента ее зарождения. Автоматизированные системы управления процессами необходимы для того, чтобы исключить как технологические риски, так и угрозу жизни и здоровью специалистов. ИИ расширит возможности автоматизации и контроля, поможет понять отдельные процессы в ядерной физике и создать новые типы реакторов.

Перечислим первоочередные задачи ИИ в сфере ядерной энергетики.

1. Безопасность реакторов. Задача распознавания образов уже решена. Это позволяет разработать систему определения трещин и дефектов в реакторах с помощью нейронных сетей, анализирующих видеоизображения со специальных камер. Эффективность И И в определении дефектов и трещин способна превзойти все известные методы.

2. Контроль состояния АЭС. Проверка и контроль всех составных частей реакторов, узлов, агрегатов и помещений атомных электростанций требуют огромных ресурсов. ИИ способен намного быстрее проанализировать поток данных, приходящих с датчиков, систем наблюдения и контроля, сравнить их с эталонными данными информационной базы с помощью алгоритмов слияния данных и констатировать наличие или отсутствие проблемы. Таким же образом можно анализировать состояние окружающей среды в районе АЭС, вести мониторинг загрязнений и выбросов.

3. Управление катастрофическими рисками. Технологии И И применимы для управления катастрофическими рисками, включая риски неконтролируемых реакций и атак на атомные станции, для их предотвращения или снижения уровня опасности.

4. Создание цифровых моделей АЭС. МАГАТЭ ставит перед атомщиками задачу качественного управления атомными станциями на всем протяжении их жизненного цикла с учетом модификаций, замен и модернизаций узлов и агрегатов. Создание цифровых моделей АЭС с элементами ИИ позволит накапливать информацию обо всех технических, технологических и эксплуатационных процессах и контролировать их в реальном времени, обеспечивая безопасность работы АЭС.

5. ИИ + АСУ ТП на предприятиях атомной отрасли. Системы промышленного контроля и управления на базе ИИ на предприятиях атомной отрасли будут эффективнее обычных машинных АСУ ТП. Работа в связке ИИ + АСУ ТП обеспечит автоматизацию основных операций технологического процесса на производстве, повысит его эффективность за счет оптимального распределения материальных, энергетических и информационных ресурсов предприятия, гарантирует бóльшую надежность изделий.

6. Проектирование. Технологии нейронных сетей уже помогают разработчикам в решении сложных инженерных и научных задач. ИИ способен сократить цикл проектирования новых типов изделий и снизить общие затраты на НИР.

7. Развитие науки. База научных знаний, накопленная в российской атомной отрасли, огромна. Требуется не просто ее систематизация и анализ, но активное использование в исследованиях, при постановке задач для новых экспериментов и выявлении закономерностей в уже имеющихся экспериментальных данных. И это тоже актуальная задача для ИИ, способного, сэкономив колоссальное количество человеко-часов, проводить качественный анализ и моделирование. ИИ будет полезен при проведении дополнительных фундаментальных исследований в области термодинамики ядерного горючего и водородной плазмы, нейтронной физики и магнитной гидродинамики. Использование И И, технологий машинного обучения будет иметь колоссальное значение для функционирования комплексов обработки данных научных экспериментов. ИИ, получив доступ ко всей научной, политической, военной и прочей информации, которую человечество накопило за весь период существования цивилизации, сможет творчески подойти к этим данным, обнаружить скрытые смыслы, объединить знания и помочь нам совершить прорыв в ядерной физике, квантовой химии и пр.

8. Технологический прогресс. ИИ может стать технологией, трансформирующей всю экономику, поскольку он обладает потенциалом для резкого ускорения темпов инноваций и роста производительности. Прогресс в создании ИИ может привести к новой промышленной революции. Автоматизация труда выйдет на такой уровень, на котором изменятся, как предсказывал Карл Маркс, отношения между трудом и капиталом. Сейчас уже всем очевидно, что передовые цифровые технологии дают огромное экономическое преимущество перед конкурентами. Страна, обладающая значительным преимуществом в анализе на основе ИИ, сможет формировать новые отрасли экономики и достигать стратегического преимущества в различных направлениях.

9. Кибербезопасность. Достижения в области ИИ важны для кибербезопасности, ИИ обладает исключительными возможностями в киберпространстве. Кибербезопасность и отслеживание постоянно возникающих угроз требуют большого количества высококвалифицированных специалистов. ИИ мог бы взять часть их работы на себя, ведь он способен быстро находить уязвимости, писать коды и машинные алгоритмы. Считается, что уже в следующем десятилетии масштабы охоты за «слабостями» окажутся значительными, а кибератаки усложнятся и станут очень опасными; это создаст серьезные проблемы для средств обороны, контролируемых человеком.

Разработка технологий и их внедрение
У российской науки есть хорошие перспективы стать частью глобального процесса получения новых знаний в физике, химии, математике, продолжить работу над созданием ИИ. Говоря об атомной отрасли в этом аспекте, стоит выделить деятельность МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт». Там уже проделана огромная научная работа в области развития этих технологий.

Деятельность названных научных центров носит закрытый характер, но то, что попадает в открытый доступ, впечатляет специалистов. Участники конференции «Искусственный интеллект: проблемы и пути решения» высоко оценили доклады представителей Курчатовского института и выступление ректора МФТИ, члена-корреспондента РАН Н. Н. Кудрявцева на итоговом пленарном заседании.

На базе МФТИ создается Центр Национальной технологической инициативы по сквозной технологии «Искусственный интеллект». В НИЦ «Курчатовский институт» развивается направление робототехники и проводятся исследования в области искусственных нейронных сетей.

Развитием цифровых технологий в области АСУ ТП занимаются также АО «РАСУ», ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю. Е. Седакова», ФГУП «ВНИИА», ФГУП «ПСЗ», ООО «Московский физприбор», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. Е. И. Забабахина», АО «СНИИП», НИЦ «Курчатовский институт», и другие научные центры.

А это значит, что и у ядерной энергетики, и у технологий искусственного интеллекта в России есть перспективы развития. Безусловно, ученым, инженерам, IT-специалистам и научным центрам, в которых они трудятся, необходимо значительное целевое финансирование для достижения значимых результатов. Очень важно взаимодействие научных институтов и университетов с бизнесом, где также развиваются технологии ИИ. Необходимы внимание власти и общества, понимание ими важности стоящих перед страной задач.