Университет ИТМО — вуз, где в большей степени развиваются информационные и фотонные технологии. Как здесь оказалась математическая геология?
Действительно, геология для Университета ИТМО — наука довольно экзотическая. Это я понял еще в отделе кадров, когда специалист подразделения не нашел в базе пункта «кандидат геолого-минералогических наук» при указании моей научной степени. Насколько я знаю, после меня специалистов такого профиля здесь не появлялось. Однако Университет ИТМО проявляет себя во многих областях знаний, затрагивая не только технические, но и гуманитарные и естественные науки, работая на их стыке. Собственно, ради этого я и пришел сюда — ради возможности сочетать несколько сфер своих интересов: геологию и информационные технологии, искусственный интеллект, инженерию знаний, которые развиваются в том числе на базе лаборатории «Интеллектуальные методы обработки информации и семантические технологии», которой руководит Дмитрий Муромцев.
Зачем в геологии нужен искусственный интеллект?
Одна из классификаций наук подразумевает их разделение на описательные и точные. К первой группе относится геология, а вместе с ней и история, экономика, медицина, большой раздел биологических и других наук. Методологические проблемы, с которыми сталкиваются описательные науки, довольно схожи. Ключевая загвоздка состоит в невозможности организации и объективизации описательного знания. Из-за этого нередко афоризм «сколько людей, столько и мнений» можно применить к описательным наукам: два геолога могут по-разному описать одно увиденное ими явление и сделать разные выводы, два врача, основываясь на одном перечне симптомов, могут поставить два разных диагноза. В точных науках такое если и возможно, то установить причины расхождения очень легко. В какой-то момент мне стало интересно, почему, например, мой коллега, глядя в микроскоп на тонкий срез горной породы, делает вывод, что это минерал группы пироксена, а не амфиболы. Меня заинтересовала логика принятия решения: желание найти ответ на вопрос «как я пришел к такому выводу?» начал преобладать над желанием сформулировать сам вывод. Так начался мой еще не осознанный дрейф в сторону искусственного интеллекта. Чтобы понять «как», я начал рисовать «квадратики» и «стрелочки» — узлы и связи направленных графов, пытаясь внедрить методы математической логики в геологию. Такие же цели преследовал Андрей Борисович Вистелиус — основатель математической геологии, человек фантастического ума. В некоторых природных явлениях, например циклических, он сходу видел математические формализмы, которых он знал великое множество. Примечательно, что наиболее продуктивный период работы Вистелиуса выпал на годы его пребывания в Ленинградском отделении Математического института им. В. А. Стеклова. До него геологов там не было. Но математическая геология предъявляет не просто высокие требования к геологическому знанию, а требования, которые зачастую ему просто-напросто не свойственны. Всё-таки число — это одно, а слово — это другое. Чтобы связать одно с другим, необходим методологический «мост». Так вот, инженерия знаний — это не только «мост» между экспертом и компьютером, как принято считать, но и мост между словом, которым оперируют описательные науки, и цифрой. Андрей Борисович пытался очистить геологическое знание, отбросить «мясо» — описательные образы — и оставить «скелет», который будет соответствовать какому-либо формализму. По сути, это и есть прямая задача инженерии знаний.
Какое наследие оставил Вистелиус?
Андрей Борисович потрясающе решил несколько задач математической геологии, установил ее фундамент, показав в своей книге «Основы математической геологии», как на специфическом математическом языке выразить те или иные представления геолога о геологическом явлении. Также он представил возможности внедрения стохастического моделирования в теории формирования нефтяных залежей или анализа соотношений в структурах силикатов и многое другое. Вистелиус построил небоскреб на голом месте и предполагал, что по мере разработки его идей вокруг вырастет город. Но город-то не вырос. Потому что его идеи не были подкреплены работами по инженерии геологических знаний. Геология продолжает в большей степени полагаться не на математику, а на опыт исследователя, его знания о предмете.
Где может пригодиться математическая геология?
Как говорил один из лучших геоморфологов, который первым стал применять математические подходы в своей науке, Юрий Гаврилович Симонов, не нужно применять математические подходы, чтобы установить, что Кавказские горы выше Крымских. Если же нас интересует, что из этого следует, вот тогда нам нужны математические модели. Математическая геология может быть полезна при исследовании динамических процессов, движущихся сущностей в геологии — вулканических извержений, эволюции рек и речных долин, движении ледника или тектонических смещений. Для этих целей можно, например, использовать расширение теории множеств или технику анализа случайных последовательностей. Многие примеры геологических явлений могут вдохновить на создание того или иного формализма — их можно по аналогии с бионическими системами (bio-inspired, или «вдохновленными природой) назвать геоническими.
Кто продолжает дело Вистелиуса и какую роль в этом играет Университет ИТМО?
Вистелиусу исполнилось бы сто лет в 2015 году. Его ученикам в лучшем случае лет шестьдесят. Из тех, кто трудится в России, могу назвать Юрия Войтеховского из Геологического института Кольского научного центра РАН, специалиста по геологии алмазов Владимира Зинченко. В Германии работает наш соотечественник Сергей Котов. В Британии живет Стивен Хенли, разработавший приложения теории эволюционных баз данных для геологии, он же является автором одной из первых версий той программы математического моделирования месторождений, которая используется при экономической оценке практически всех рудных месторождений в мире. Трудом Хенли пользуются все полиметаллические и золоторудные компании.
Если говорить об Университете ИТМО, то на базе вуза существует проект «Геогнозис», который не первый год объединяет людей, занимающихся разработкой специфических средств инженерии знаний для наук о Земле. Если быть более точным, с одной стороны для решений задач науки о Земле, а с другой — для испытания этих средств и в других областях описательных наук. В частности мы занимаемся разработкой метода куста событий, который как раз позволяет уменьшить субъективность рассуждений, выводов и оценок, присущих описательным наукам, извлечь полезную информацию из существующих ресурсов. Этот новый метод искусственного интеллекта представляет собой направленный граф, основанный на определенном видении предметной области и состоящий из «квадратиков» и «стрелочек». Они, в свою очередь, жестко связаны между собой, и эта связь между структурой куста и его семантикой принципиально отличает его от аналогичных методов искусственного интеллекта — деревьев событий, байесовских сетей и других, что не занимаются проблемой формулирования знаний. Куст событий же может дать как качественный результат в виде сценария, последствий, спектра потенциальных решений, так и количественные оценки.
Например, мы составляли куст событий по нескольким извержениям Этны. Реконструируя несколько нетипичных извержений этого вулкана, произошедших в 2006 году, мы теоретически получили еще несколько сценариев, по которым может идти дальнейшая активность Этны. Во время написания статьи, ближе к завершению работы, произошло новое извержение. Не дождавшись публикации, вулкан доказал наш прогноз: описанный в статье сценарий совпал с реально произошедшим извержением. На данный момент мы построили уже десятки кустов событий по разнообразным объектам. С 2013 года мы работаем на юге Индии, в штате Тамил-Наду. С помощью куста событий мы хотим доказать гипотезу одного местного геолога о том, что там, где сейчас строится атомная станция, очень необычно проявляется современное тектоническое движение. Если гипотеза подтвердится, электростанцию нужно строить с большой опаской. Еще несколько подобных проектов не только в геологии, но и экономике, менеджменте и других науках сейчас в работе.
Повлияло ли развитие информационных технологий на математическую геологию?
Безусловно, с развитием информационных технологий математическая геология получила новый виток развития. Об этом еще в начале века писал один из пионеров новой геологии Виктор Лаудон (T.V. Laudon) в своей книге «Geoscience after IT». Он говорил, что даже применение доступных программных продуктов, того же майкрософт офиса, трансформирует восприятие геологолов, в том числе восприятие исследуемого объекта. Информационные технологии — это, по сути, компьютерное выражение того, что живет у нас в голове. В некотором смысле они повлияли на формирование нового мировоззрения и нового способа мышления. Это тем более относится к инженерии знаний.
Что планируете делать дальше для развития математической геологии?
На данный момент мы думаем о создании специфического программного обеспечения — редактора куста событий. Но сначала необходимо решить теоретическую проблему. Было уже несколько попыток приступить к написанию программы, однако всякий раз результат нас не удовлетворял. И все потому, что фундамент науки до конца не проработан. Мы каждый раз сталкиваемся с необходимостью разработать единую, общую, формальную основу — я бы назвал ее логико-математико-лингвистической — для всех методов описания динамического знания, текущего, меняющегося. Почувствовав твердую «почву» теории под ногами, можно будет двигаться дальше — возможно, даже создать магистерскую программу по математической геологии в Университете ИТМО. Тогда дело Вистелиуса точно будет жить.
Редакция новостного портала Университета ИТМО
