Na Západočeské univerzitě v Plzni řeší problémy řízení technických i netechnických procesů

Katedra kybernetiky Fakulty aplikovaných věd Západočeské univerzity v Plzni je známa svými výbornými vědeckými výsledky, ale i velmi dobrou spoluprací s průmyslovými podniky a softwarovými firmami. O těchto aktivitách jsme hovořili s vedoucím katedry prof. Ing. Josefem Psutkou, CSc. Pane profesore, čím se vaše pracoviště zabývá? Z hlediska vědeckého zaměření se samozřejmě zabývá typicky kybernetickou problematikou, tedy automatizací řídicích a rozhodovacích procesů. Z velkého množství zatím nevyřešených problémů, které před kybernetickými odborníky stojí a zajímají průmyslovou a společenskou praxi, se zaměřujeme na taková vysoce aktuální témata, při jejichž řešení má naše katedra dlouholetou tradici a naši pracovníci dosahují výborných výsledků v mezinárodním nebo národním kontextu. Aby nové nápady nezůstaly "pouze na papíře, jsou v rámci navázaných aplikačních projektů i spoluprací s průmyslovými podniky nebo softwarovými firmami rychle aplikovány v praxi. Při řešení mnoha zcela konkrétních problémů jsme si mnohokrát potvrdili známou pravdu, že kvalitu teoretických metod návrhu lze v konečném důsledku měřit nejlépe jejich mírou aplikovatelnosti v průmyslové a společenské praxi. Automatizace nových stále složitějších řídicích a rozhodovacích procesů přináší jistě pro vědecké pracovníky a konstruktéry nové výzvy. Jak se s nimi vyrovnáváte? Při snaze automatizovat procesy (namáhavé, monotónní práce apod.) je konstruktér obvykle nucen nalézt nejprve tzv. matematický model tohoto procesu. Čili hledá rovnice, jež daný proces popisují. Tyto postupy se dobře hodí pro řešení úloh, v nichž mají být například automaticky udržovány fyzikální veličiny na konstantních úrovních anebo mají tyto veličiny sledovat předepsaný průběh. Pro nalezení odpovídajících modelů chování zde odborníci obvykle využívají propracovaných a velmi důmyslných metod matematického modelování a stanovují model s využitím exaktních fyzikálních principů a hluboké teoretické znalosti zkoumaného problému. Tento postup je velmi náročný a často vede k neúnosně složitým modelům, jež nelze při řešení dané úlohy využít. Proto důležitou alternativou, jak získat model reálného systému rozhodování nebo řízení, je využít metod identifikace systému a matematický model určit z reálných dat a často v reálném čase. Právě v této oblasti identifikace systémů navrhli pracovníci naší katedry pod vedením prof. Miroslava Šimandla mnoho nových teoreticky propracovaných postupů, které měly ohlas i na posledním světovém kongresu IFAC, konaném letos v Praze. Určitě však existují úlohy, kdy konstruktér nebude schopen nalézt matematický popis procesu, který chce automatizovat. Je pak nějaká šance úlohu vyřešit? Takové situace nastávají velmi často a bývají způsobeny enormní složitostí daného procesu nebo nedostatkem informací o řešené úloze. Zdá se pak, že úlohy nejsou řešitelné, a nelze je automatizovat. Přitom ale velmi často existují lidé, kteří to řešit umí. Z velkého množství úloh tohoto typu uveďme jako příklad skupinu úloh, jež nyní nabývá na mimořádné důležitosti. Jde o ochranu obyvatel a státu před terorismem a kriminalitou. Obrovský nárůst kamerových, ale i hlasových, monitorovacích systémů znamená potřebu zpracovat neuvěřitelné množství informací. Takové analýzy ještě nedávno dělali pouze lidé, kteří se dívali na desítky obrazovek a poslouchali stovky promluv. Geometrický nárůst těchto monitorovacích systémů by však znamenal nepředstavitelný nárůst odpovídající obsluhy, přičemž monitorovací práce nejsou nikterak zajímavé, člověka unavují a při postupné ztrátě pozornosti klesá i výsledná kvalita lidského přístupu. Pro kybernetické odborníky je proto velkou výzvou automatizovat monitorovací procesy, bez pomoci lidské obsluhy, hledat např. tváře podezřelých osob, odložená zavazadla, kriminální chování, podezřelé hlasy, témata hovoru nebo vyslovená slova vypovídající o možné kriminální nebo teroristické činnosti. Chceme-li však vyloučit člověka z procesu monitorování a rozhodování a nahradit jeho schopnosti automatem (počítačem), pak narazíme na mnoho zásadních problémů. Zcela jistě nebudeme schopni matematicky exaktně popsat proces vnímání obrazu nebo řeči. Klasické postupy, které se opírají o exaktní matematické modely, zde selhávají. Člověk však takové úlohy umí řešit poměrně snadno. Využívá jednak informací získaných svými smyslovými orgány a dále schopností usuzovat, myslet, pamatovat si, učit se apod. Tyto schopnosti, spolu s dalšími vlastnostmi lidského uvažování jako projevu intelektu, se staly středem zájmu nové vědní disciplíny - umělé inteligence. Moderní metody kybernetiky proto využívají přístupů umělé inteligence a usilují o náhradu funkcí typických pro člověka "strojovými" prostředky. Proto, pokud je cílem automatizovat opravdu složité procesy, je běžné, že se klasické přístupy kybernetiky i přístupy s podporou metod umělé inteligence vzájemně doplňují. Současnou praxi v oblasti automatického řízení lze charakterizovat poptávkou po stále dokonalejších algoritmech řízení, které umožňují optimálním způsobem automatizovat stále komplikovanější procesy, stroje a zařízení. Přitom se požaduje, aby metody návrhu byly pokud možno rutinně aplikovatelné, měly by být implementovatelné na různorodé cílové platformy a měly by umožňovat jednoduché uvádění do provozu. Právě v této oblasti dosahují pracovníci naší katedry pod vedením doc. Miloše Schlegela skutečně originálních a průkopnických výsledků v mezinárodním měřítku. Každý rok se ve světě vyrobí miliony kompaktních procesních regulátorů, které pak v průmyslu řídí nejrůznější technologické veličiny, jako je teplota, tlak, koncentrace atd. Řádné zprovoznění regulátorů v průmyslových podmínkách však není jednoduché a vyžaduje účast zkušeného experta a navíc je časově velmi náročné. Současné regulátory však mají dostatek paměti i výpočetního výkonu k tomu, aby do nich byla kromě vlastního algoritmu řízení zabudována procedura automatického seřízení parametrů - tedy postup pro automatické zprovoznění regulátorů na daném procesu. Celá instalace regulátoru potom, zjednodušeně řečeno, spočívá v připojení vstupů a výstupů regulátoru k procesu a stisknutí příslušného tlačítka "NASTAV SE", po němž zařízení samočinně nastaví svoje parametry tak, aby daný proces byl řízen optimálně. Tato metoda byla implementována v nedávné době do řídicích systémů českých výrobců regulační techniky ZAT Příbram a Teco Kolín a do kompaktních regulátorů světově uznávaného výrobce PMA. Můžete uvést ještě nějaké další příklady řízených strojů a zařízení, které vaši spolupracovníci řešili nebo se na řešení jako specialisté podíleli? Takových řešení je celá řada a některá jsou opravdu unikátní. Pod vedením doc. Miloše Schlegela byl vyvinut a firmou ZAT Příbram dodán unikátní distribuovaný systém řízení kráčejícího pontonu, nesoucího veškerou technologii poháněcí stanice pásové dopravy. Řídicí systém se skládá z pěti procesních stanic a řídicí hydraulické kráčející jednotky (nohy pontonu). Každá noha má tři stupně volnosti. Systém umožňuje kráčení pontonu v libovolném směru, otáčení kolem svého středu a speciální přesné ustavení. Nasadili jej na třech pontonech v Severočeských povrchových dolech, důl Bílina. Jiným příkladem může být opět speciálně vyvinutý řídicí systém mykajícího stroje. Je to složitá mechatronická soustava, vyžadující vysokou kvalitu a extrémní rychlost řízení v reálném čase. Vývoj vloženého řídicího systému byl dotažen až do konečné podoby vhodné pro sériovou výrobu, včetně ověření v provozních podmínkách. Dosažené parametry vyráběného pramene předstihují údaje udávané špičkovými světovými dodavateli mykajících strojů. Mohu uvést i další velmi zajímavé a prospěšné úlohy, které řešíme pro průmyslové podniky a společenskou praxi. Například jednou ze systémových služeb, kterou ze zákona zajišťuje provozovatel přenosové soustavy (ČEPS), je udržování výkonové rovnováhy mezi výrobou a spotřebou elektrické energie v každém okamžiku. Cílem této služby je mimo jiné udržet velikost exportu/importu do sousedních soustav na předepsané, tj. sjednané hodnotě. Při provozu v soustavách Evropského společenství se musí velikost salda předávaných výkonů, tj. rozdíl mezi plánem a skutečností, udržovat v mezích, které vyplývají z uzavřených mezinárodních dohod. Provozovatel přenosové soustavy k tomu jež používat širokou škálu prostředků, zejména podpůrných služeb, které nakupuje od výrobců. Aby mohl provozovatel přenosové soustavy provést optimalizaci objemu a skladby těchto podpůrných služeb v rámci přípravy provozu, potřebuje znát jaká je velikost a dynamika odchylek, které bude pokrývat. Ve spolupráci s FEL ČVUT se naši pracovníci pod vedením doc. Eduarda Janečka podílejí na řešení rozsáhlého projektu Spolehlivost a ekonomika systémových služeb, který je zaměřen na optimalizaci nákladů na podpůrné služby při dodržení spolehlivostních kritérií vyplývajících z mezinárodních závazků. Řešení úlohy je teoreticky dosti náročné a vyžaduje důkladnou analýzu celého problému. Protože je zde konečným cílem opět automatizace procesů pro udržování uvedené rovnováhy, byl pro tyto účely navržen a následně ověřen tzv. odchylkový bilanční model, který na základě jednak statistického vyhodnocení provozu elektrizační sítě v České republice za období několika let, modelu trhu se silovou elektřinou a dále modelu výpadků, generuje hodnoty tzv. regulační odchylky a umožňuje určit základní velikosti jednotlivých regulačních a rezervních výkonů. Mluvil jste o uplatnění metod umělé inteligence při automatizaci složitých rozhodovacích procesů. Máte i v této oblasti nějaké konkrétní výsledky? Jak jsem již řekl výzkum realizovaný pracovníky a doktorandy naší katedry je cíleně zaměřen do takových oblastí, ve kterých má katedra tradici a dlouhodobě zde dosahujeme prokazatelně výborných výsledků, a to v mezinárodním nebo alespoň národním kontextu. To se týká i výzkumných a aplikačních prací, ve kterých jsou využívány metody umělé inteligence. Zde je výzkum zaměřen zejména do oblasti návrhu technologií, tj. do oblasti počítačové analýzy, syntézy a rozpoznávání řeči a do oblasti návrhu a konstrukce hlasových dialogových systémů včetně rozvoje metod porozumění řeči a multimediálních metod zpracování řeči a jazyka. Sám se touto výzkumnou oblastí zabývám více než 25 let. V národním kontextu je naše katedra v současnosti pracoviště, které asi jako jediné v České republice řeší problematiku řečových technologií komplexně a prakticky v celé šíři záběru. Znamená to tedy, že váš výzkum je zaměřen do takových oblastí, kde je pro automatizaci rozhodovacích procesů zapotřebí strojově modelovat schopnosti člověka mluvit, poslouchat a rozumět lidské řeči? Také v této oblasti jsou naše nové výzkumné poznatky rychle uplatňovány v praxi, a to opět prostřednictvím aplikačních projektů a nebo se spolupracujícími softwarovými firmami. Jako příklad bych uvedl dva zajímavé projekty, které jsou řešeny pod vedením doc. Luďka Müllera a jejichž výstupem jsou konkrétní aplikace. Naši pracovníci vyvinuli unikátní metodiku pro vysoce kvalitní počítačovou syntézu české řeči. Jde o sadu speciálních algoritmů, které provádějí automatický převod psaného českého textu na řeč. Tato technologie byla ve spolupráci s firmami SpeechTech a Fincom Materna Communication dodána pro technické řešení posílání SMS zpráv po telefonní síti na pevnou linku. Uživatelem této služby je Český Telecom a zprávy lze zasílat z každého mobilního telefonu všech tří operátorů působících v České republice. V minulých měsících byla tato služba rozšířena o možnost zasílání MMS zpráv. Text zaslaný uživatelem je automaticky konvertován audiovizuální počítačovou syntézou na audiovizuální signál mluvící hlavy, který je následně zaslán jako MMS na uživatelem volený mobilní telefon. Technologie počítačové syntézy řeči společně s automatickým rozpoznáváním řeči jsou využívány v hlasových dialogových systémech. Názorným příkladem může být hlasový dialogový informační systém naší Západočeské univerzity přístupný po telefonu, který právě zmíněnými technologiemi zpřístupňuje informace o výsledcích přijímacího řízení uložené na webových stránkách univerzity. Ve stručném a velmi zběžném výčtu aplikací hlasových technologií nesmím samozřejmě zapomenout ani na systémy pokrývající aplikace z oblasti bezpečnosti. Jde zejména o systémy automatického vyhledávání klíčových slov v proudu řeči nebo systémy identifikující automaticky hlas hledané osoby. Naše katedra získala akreditaci jako soudní znalec v oboru řečových technologií. Využití řečových technologií se přímo nabízí pro podporu handikapovaným osobám... Ano, a opět jde o náhradu některých lidských činností strojovými prostředky, tedy o jejich automatizaci. Takové služby velmi ocení jak zrakově nebo sluchově postižení lidé, tak i lidé handikapovaní pohybově. Příkladem mohou být systémy, které na povel přečtou textová data uvedená na obrazovce počítače nebo naopak pro sluchově postižené mluvenou řeč rozpoznají, převedou do textové podoby a zobrazí. Tělesně postižení ocení systémy ovládání přístrojů a zařízení hlasovými povely, možnost zadávat údaje do počítače hlasem a podobně. Zde bych rád uvedl dva příklady výzkumných projektů, na kterých naši pracovníci v současné době pracují a které se bezprostředně dotýkají problematiky handikapovaných lidí. Jedním z nich je úloha automatického on-line titulkování televizních pořadů, jako podpora sluchově postižených spoluobčanů. Navržený systém je založen na automatickém rozpoznávání souvislé řeči a je schopen v reálném čase titulkovat "živé" vysílání televizních pořadů. Realizace takového systému je velmi náročná úloha, a to jak z teoretického, tak z praktického programátorského hlediska. Protože zde jde o zcela nové výsledky, o jejich praktickém uplatnění se v současné době jedná. Dalším projektem, který je řešen společně s MFF UK, je automatické rozpoznávání a syntéza znakové řeči. Zde jsou vyvíjeny techniky, které se snaží na základě znakového vyjádření dané zprávy tuto zprávu rozpoznat a převést ji do zvukové podoby a naopak, v opačném směru, na základě konkrétní promluvy tuto promluvu rozpoznat, převést do textové podoby a syntetizovat jí znakovou řečí s podporou trojrozměrné přirozeně artikulující hlavy. Váš tým se podílí na řešení velmi prestižního mezinárodního projektu, který nějak souvisí s filmem režiséra Stevena Spielberga Schindlerův seznam... Ano, to je další velmi zajímavé uplatnění metod rozpoznávání mluvené řeči při automatizaci rozhodovacích procesů. V digitální knihovně v Hollywoodu, kterou založil režisér Spielberg, je uloženo více než 100 000 h svědeckých výpovědí lidí, kteří přežili holocaust. Tyto výpovědi byly namluveny ve 30 různých jazycích. Je v podstatě nemožné, aby je někdo poslechl a zapsal, co je v nich obsaženo. Proto vznikl pětiletý projekt financovaný americkou grantovou agenturou, jehož cílem je mít možnost metodami počítačového rozpoznávání řeči nalézt automaticky (bez přímé účasti člověka) ve svědeckých výpovědích úseky výpovědí, ve kterých se mluví o nějakém tématu nebo jsou zmiňovány jména konkrétních lidí, názvy měst, vesnic atd. Při řešení uvedeného projektu spolupracujeme s firmou IBM, Johns Hopkins Univerzity v Baltimore a Univerzity of Maryland. Naše pracoviště společně s MFF UK se stalo zodpovědné za zpracování slovanských jazyků, konkrétně češtiny, ruštiny, slovenštiny a polštiny. Během řešení projektu se na našem pracovišti podařilo vyvinout systémy pro automatické rozpoznávání spontánních výpovědí pro všechny čtyři zmíněné jazyky. Naši zahraniční partneři velmi ocenili, že funkcionalita vyvinutých systémů je zcela srovnatelná se systémy rozpoznávání mluvené angličtiny, na jejímž vývoji pracovala firma IBM, která je špičkovým světově uznávaným pracovištěm v oblasti řečových technologií. Zatím jsme nemluvili o studentech a doktorandech, kteří studují váš obor - kybernetiku. Daří se vám též předávat nejnovější výzkumné poznatky do vyučovaných předmětů a studijních plánů? Bez našich studentů, doktorandů a mladých vědeckých pracovníků bychom vůbec nemohli řešit takové množství náročných projektů. Abych ale odpověděl na vaši otázku, dám vám dva příklady zcela konkrétních výstupů vědecké práce, které jsou nebo v krátké době budou využity při výuce studentů v magisterském a doktorském studiu. Prvním z nich je vzdálená a virtuální laboratoř pro výuku automatického řízení, která je založena na průmyslových standardech a na kompatibilitě řídicího systému REX se systémem Matlab-Simulink. Oba systémy byly vyvinuty na našem pracovišti. V laboratoři lze po internetu pracovat 24 hodin denně, studenti zde mohou řešit zadané úlohy a ověřovat svoje znalosti. Zde musím uvést ještě jednu zajímavost. Novou metodu návrhu parametrů robustních regulátorů, o kterých jsme již hovořili, jsme též prostřednictvím internetu zpřístupnili. Za velmi krátkou dobu provozování dosáhla tato aplikace nečekaně vysokého využití - v současné době applet navštěvuje denně kolem 100 uživatelů z celého světa. Druhým příkladem využití nejnovějších poznatků naší vědecké práce je nově připravená rozsáhlá (750 stran) monografie s názvem Mluvíme s počítačem česky. Tato kniha vznikla v autorském kolektivu pracovníků naší katedry, který jsem vedl. Kniha vyjde v nejbližších týdnech v nakladatelství Academia a podává ucelený pohled na současné řešení podstatných problémů, které se objevují v systémech hlasové komunikace s počítačem a klade specifických důraz na české národní prostředí. Kniha je určena zejména studentům, doktorandům a absolventům vysokých škol technického a přírodovědného zaměření, ale i všem ostatním zájemcům, jež chtějí porozumět, případně si konkrétně osvojit základní i pokročilé techniky analýzy, syntézy a rozpoznávání mluvené řeči včetně metod návrhu a konstrukce hlasových dialogových systémů. Jak vidíte budoucnost vašeho oboru? Automatické systémy zbavují člověka nejen fyzické a duševní dřiny, ale zajišťují velmi často i mnohem rychlejší a přesnější zpracování, než kdyby stejnou činnost prováděl člověk. Jejich nasazování ve výrobní nebo společenské praxi proto přináší jak nemalé úspory energie a času, tak i vyšší kvalitu finálních produktů. Cílem automatizace procesů proto není zbavit člověka práce, ale povýšit jeho činnost na jakéhosi "dohlížitele" automatizovaného procesu. Kybernetické systémy budoucnosti budou ještě více integrovat tradiční metody s přístupy podporovanými inteligentními metodami řízení a rozhodování. Procesů, které se dají automatizovat, je v našem okolí velké množství. V podstatě lze uvažovat o automatizaci jakékoli namáhavé či nezajímavé činnosti, kterou člověk během dne provádí. Mnohé z těchto úloh jsou již dnes řešitelné, jiné stále čekají na nové nápady a jejich realizaci. Jde jen o priority, to je o ochotu investovat um a peníze do jejich řešení. /sed/