یادگیری ماشین

شرکت نوین ایلیا صنعت ربات

یادگیری ماشین زیر مجموعه ای از هوش مصنوعی است که این تعریف، به توانایی سیستم های IT در یافتن راه حل های مستقل برای مسائل از طریق شناخت الگوهای موجود در بانک های اطلاعاتی اشاره می کند. به عبارت دیگر، یادگیری ماشین سیستم های IT را قادر می سازد الگوها را بر اساس الگوریتم های موجود و مجموعه داده ها تعریف کنند و راه حل مناسب را ارائه دهند. بنابراین در سیستم های ماشین یادگیری، دانش بر اساس تجربه تولید می شود. داشتن اقدامات قبلی افراد، برای ایجاد راه حل ها به صورت مستقل توسط نرم افزار، ضروری است. الگوریتم ها و داده های مورد نیاز باید از قبل در سیستم ها وارد شده و قوانین آنالیز مربوطه برای شناخت الگوهای موجود در مجوعه داده ها تعریف شوند. پس از اتمام این دو مرحله، سیستم می تواند اقدامات زیر را توسط الگوریتم های ماشین یادگیری انجام دهد:

  • یافتن، استخراج و جمع بندی داده های مربوطه
  • پیش بینی بر اساس تحلیل داده ها
  • محاسبه احتمالات برای نتایج خاص
  • بهینه سازی فرایندها بر اساس الگوهای شناخته شده

ماشین یادگیری به صورت ساده کار می کند، کامپیوتر از طریق داده های ورودی و دستورات خاص، قادر به یادگیری برای شناسایی اشیاء (اشخاص، اشیاء و غیره) می شود. به عنوان مثال، برنامه نویس می تواند به سیستم دستور دهد که یک شیء خاص انسان است و یک شیء دیگر انسان نیست. این نرم افزار از برنامه نویس بازخورد مداوم دریافت می کند. این سیگنال های بازخورد توسط الگوریتم برای تطبیق و بهینه سازی مدل ها همچون بینایی ماشین استفاده می شود. با استفاده از هر مجموعه داده جدید که به سیستم وارد شده است، این مدل بهتر بهینه می شود به گونه ای که در پایان به وضوح می تواند میان انسان و غیر انسان تمایز قائل شود. الگوریتم ها نقش مهمی را در یادگیری ماشین ایفا می کنند. از یک طرف، وظیفه شناخت الگوها را بر عهده دارند و از طرفی دیگر راه حل هایی را می توانند ارائه دهند. الگوریتم ها را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

  • یادگیری تحت نظارت
  • یادگیری بدون نظارت
  • یادگیری تقویتی

یادگیری ماشین چگونه کار می کند؟

سیستم یادگیری یک الگوریتم یادگیری ماشین به سه بخش اصلی تقسیم می شود:

فرآیند تصمیم گیری: به طور کلی، الگوریتم های یادگیری ماشین برای پیش بینی یا طبقه بندی استفاده می شود. بر اساس برخی از داده های ورودی، که می توانند دارای برچسب یا بدون برچسب باشند، الگوریتم شما تخمینی در مورد یک الگو در داده ها ایجاد می کند.
یک تابع خطا: یک تابع خطا پیش بینی مدل را ارزیابی می کند. اگر نمونه های شناخته شده وجود داشته باشد، یک تابع خطا می تواند مقایسه ای برای ارزیابی دقت مدل انجام دهد.
یک فرآیند بهینه سازی مدل: اگر مدل بتواند بهتر با نقاط داده در مجموعه آموزشی تناسب داشته باشد، وزن ها برای کاهش اختلاف بین مثال شناخته شده و برآورد مدل تنظیم می شوند. الگوریتم این فرآیند "ارزیابی و بهینه سازی" را تکرار می کند و وزن ها را به طور مستقل تا رسیدن به آستانه دقت به روز می کند.

مدل های یادگیری ماشین

مدل های یادگیری ماشین به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

یادگیری ماشینی تحت نظارت

یادگیری نظارت شده، همچنین به عنوان یادگیری ماشین نظارت شده شناخته می شود، با استفاده از مجموعه داده های برچسب گذاری شده برای آموزش الگوریتم ها برای طبقه بندی داده ها یا پیش بینی دقیق نتایج تعریف می شود. همانطور که داده های ورودی به مدل وارد می شود، مدل وزن خود را تا زمانی که به طور مناسب برازش داده شود تنظیم می کند. این به عنوان بخشی از فرآیند اعتبار سنجی متقاطع برای اطمینان از اینکه مدل از برازش بیش از حد یا عدم تناسب اجتناب می کند، رخ می دهد. یادگیری تحت نظارت به سازمان ها کمک می کند تا انواع مشکلات دنیای واقعی را در مقیاسی حل کنند، مانند طبقه بندی هرزنامه ها در یک پوشه جداگانه از صندوق ورودی شما. برخی از روش‌های مورد استفاده در یادگیری نظارت شده عبارتند از: شبکه‌های عصبی، خلیج‌های ساده، رگرسیون خطی، رگرسیون لجستیک، جنگل تصادفی و ماشین بردار پشتیبان (SVM).

یادگیری ماشینی بدون نظارت

یادگیری بدون نظارت، همچنین به عنوان یادگیری ماشین بدون نظارت شناخته می شود، از الگوریتم های یادگیری ماشین برای تجزیه و تحلیل و خوشه بندی مجموعه داده های بدون برچسب استفاده می کند. این الگوریتم ها الگوهای پنهان یا گروه بندی داده ها را بدون نیاز به دخالت انسان کشف می کنند. توانایی این روش در کشف شباهت‌ها و تفاوت‌ها در اطلاعات، آن را برای تجزیه و تحلیل داده‌های اکتشافی، استراتژی‌های فروش متقابل، تقسیم‌بندی مشتری، و تشخیص تصویر و الگو ایده‌آل می‌کند. همچنین برای کاهش تعداد ویژگی های یک مدل از طریق فرآیند کاهش ابعاد استفاده می شود. تجزیه و تحلیل مؤلفه اصلی (PCA) و تجزیه ارزش منفرد (SVD) دو رویکرد رایج برای این کار هستند. سایر الگوریتم‌های مورد استفاده در یادگیری بدون نظارت شامل شبکه‌های عصبی، خوشه‌بندی k-means و روش‌های خوشه‌بندی احتمالی است.

یادگیری نیمه نظارتی

یادگیری نیمه‌نظارتی واسطه‌ای شاد بین یادگیری تحت نظارت و بدون نظارت است. در طول آموزش، از یک مجموعه داده برچسب‌دار کوچک‌تر برای هدایت طبقه‌بندی و استخراج ویژگی از یک مجموعه داده بزرگ‌تر و بدون برچسب استفاده می‌کند. یادگیری نیمه نظارت شده می تواند مشکل نداشتن داده های برچسب گذاری شده کافی برای الگوریتم یادگیری نظارت شده را حل کند. همچنین اگر برچسب گذاری داده های کافی بسیار پرهزینه باشد کمک می کند.

موارد استفاده یادگیری ماشین در صنایع و بخش‌های مختلف چیست؟

یادگیری ماشین توانسته به بهبود شرایط، روند کار و بهینه شدن هزینه‌ها در بسیاری از بخش‌های مختلف جامعه کمک کند. از جمله مهم‌ترین کاربردهای ماشین لرنینگ عبارت‌اند از:

Agricultural-Icon

تشخیص تصویر

تشخیص تصویر یکی از رایج ترین کاربردهای یادگیری ماشینی است. برای شناسایی اشیا، افراد، مکان‌ها، تصاویر دیجیتالی و غیره استفاده می‌شود.

Aerospace-Icon

تشخیص گفتار

تشخیص گفتار فرآیندی است برای تبدیل دستورالعمل‌های صوتی به متن، و همچنین به عنوان «گفتار به متن» یا «تشخیص گفتار رایانه‌ای» نیز شناخته می‌شود. در حال حاضر، الگوریتم های یادگیری ماشین به طور گسترده توسط برنامه های مختلف تشخیص گفتار استفاده می شود. دستیار گوگل، سیری، کورتانا و الکسا از فناوری تشخیص گفتار برای پیروی از دستورالعمل‌های صوتی استفاده می‌کنند.

Car-Icon

خودرو

  • توسعۀ خودروهای بدون سرنشین
  • مدل‌های یادگیری عمیق بی‌شماری در دوربین‌ها و دستگاه‌های مورد استفاده در صنایع حمل‌ونقل استفاده می‌شود ازجمله مواردی برای تشخیص علائم راهنمایی‌ورانندگی، وسایل نقلیه دیگر، عابران پیاده و غیره.
Financial-Icon

خدمات مالی

  • معاملات: تخمین قیمت‌های آینده بازار سهام.
  • تشخیص تقلب: شناسایی فعالیت‌های کلاهبرداری با دقت بالاتر و مثبت کاذب کمتر.
  • سنجش اعتبار مشتری با تجزیه‌وتحلیل اطلاعات از چندین منبع و پاسخ سریع‌تر به درخواست‌های وام.
Health-Cares-Icon

مراقبت‌های بهداشتی

  • تشخیص بیماری‌ها با استفاده از راه‌حل‌های تصویربرداری پزشکی، به‌عنوان‌مثال شناسایی ضایعات سرطانی بالقوه در تصاویر رادیولوژی.
Personalization-Of-Medical-Treatments-Icon

شخصی‌سازی درمان‌های پزشکی

  • تعیین بیماران در معرض خطر در سیستم مراقبت‌های بهداشتی.
Insurance-Icon

بیمه

  • مکانیزه کردن شکایات و تجزیه‌وتحلیل خسارت از گزارش‌ها یا تصاویر.
  • پیش‌بینی خطرات مبتنی بر تصویر برای بیمۀ خانه.
  • محاسبه قیمت برای تعیین حق بیمه.
Production-Icon

ساخت و تولید

شرکت‌های تولیدی ازجمله تولیدات گسسته مانند خودرو یا سایر شرکت‌های صنعتی (به‌عنوان‌مثال نفت و گاز) به دلایل زیر به الگوریتم‌های یادگیری‌عمیق اعتماد می‌کنند:

  • ارائۀ ابزارهای پیشرفته تجزیه‌وتحلیل برای پردازش داده‌های بزرگ درمورد تولید.
  • ایجاد هشدارهای خودکار با استفاده از داده‌های حسگر درمورد مسائل خطوط تولید به‌عنوان‌مثال درمورد تضمین کیفیت یا ایمنی (به‌منظور اطلاع‌رسانی به‌موقع به تیم‌های مرتبط).
  • خطوط بازرسی فنی، بازرسی کیفی، کنترل بسته‌بندی و …
  • حمایت از سیستم‌های تعمیرات قابل پیش‌بینی با استفاده از تجزیه‌وتحلیل تصاویر و سایر داده‌های حسگر.
  • توانمند‌سازی ربات‌های صنعتی با حسگرها و مهارت‌های بینایی رایانه‌ای (کامپیوتری).
  • کنترل محیط کار اطراف ماشین‌آلات سنگین به طور خودکار تا این اطمینان حاصل شود که افراد و اقلام در یک فاصله ایمن قرار دارند.
Pharmaceutical-Products-Icon

محصولات دارویی و پزشکی

  • کشف دارو- پیش‌بینی اثرات دارویی، نظارت بر مصرف دارو و شناسایی عوارض جانبی آن و تجویز داروی دقیق بر اساس روش‌های درمانی مبتنی بر عوامل ژنتیکی، محیطی یا سبک زندگی.

ما تکنولوژی را به خدمت درمی آوریم

مدل‌های مولد عمیق

مدل افتراقی

مدل افتراقی، مرز تصمیم‌گیری بین گونه‌ها را شکل می‌دهد و توزیع احتمال شرطی را می‌آموزد.

مدل‌های مولد عمیق

مدل‌های مولد عمیق یا (DGM) شبکه‌های عصبی با بسیاری از لایه‌های پنهان آموزش دیده برای تقریب توزیع‌های احتمال پیچیده هستند. می‌توانیم از DGM‌ها برای تخمین احتمال هر مشاهده و ایجاد نمونه‌های جدید از توزیع اساسی استفاده کنیم.

مدل ترکیبی

رویکرد ترکیبی یک شبکه عصبی عمیق پیچیده برای تجزیه‌وتحلیل همکاری، حفظ حریم خصوصی است. برای این منظور، به‌جای انجام کل عملیات روی فضای ابری، به اینترنت اشیاء اجازه می‌دهیم تا لایه‌های اولیه شبکه عصبی را اجرا کند و سپس خروجی را به فضای ابری ارسال می‌کند تا لایه‌های باقیمانده را تغذیه کند و نتیجه نهایی را تولید کند.

تفاوت یادگیری عمیق و یادگیری ماشینی

ازنظر عملی، یادگیری عمیق فقط زیرمجموعه‌ای از یادگیری ماشین است. در حقیقت یادگیری‌عمیق یادگیری ماشینی است و به روشی مشابه عمل می‌کند (ازاین‌رو گاهی اوقات این اصطلاحات به‌راحتی به‌جای یکدیگر استفاده می‌شوند). بااین‌حال، قابلیت‌های آن متفاوت است.

درحالی‌که مدل‌های ابتدایی یادگیری ماشین مدام در حال بهبود هستند، اما هنوز به آموزش و یادگیری نیاز دارند. اگر الگوریتم هوش مصنوعی پیش‌بینی نادرستی را بازگرداند، یک مهندس باید وارد عمل شود و تنظیمات را انجام دهد. با استفاده از مدل یادگیری عمیق، یک الگوریتم با استفاده از شبکۀ عصبی‌اش می‌تواند به‌تنهایی تشخیص دهد که آیا پیش‌بینی انجام شده دقیق است یا خیر.

بیایید به مثالی در مورد چراغ‌قوه بیندیشیم: این وسیله می‌تواند به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی شود تا وقتی شخصی کلمۀ «تاریک» را می‌گوید، روشن شود. با ادامه یادگیری، ممکن است در نهایت با هر عبارتی که حاوی آن کلمه است روشن شود. حال اگر چراغ‌قوه این مدل یادگیری داشته باشد، متوجه می‌شود که باید با عباراتی چون «نمی‌توانم ببینم» یا «کلید برق کار نمی‌کند» و شاید هم‌زمان با یک حس‌گر نور هم روشن شود. یک مدل یادگیری‌عمیق قادر به یادگیری از طریق روش محاسبه خود است – روشی که باعث می‌شود طوری وانمود کند که گویی مانند انسان درک دارد.

درحالی‌که مدل‌های ابتدایی یادگیری ماشین مدام در حال بهبود هستند، اما هنوز به آموزش و یادگیری نیاز دارند. اگر الگوریتم هوش مصنوعی پیش‌بینی نادرستی را بازگرداند، یک مهندس باید وارد عمل شود و تنظیمات را انجام دهد. با استفاده از مدل یادگیری عمیق، یک الگوریتم با استفاده از شبکۀ عصبی‌اش می‌تواند به‌تنهایی تشخیص دهد که آیا پیش‌بینی انجام شده دقیق است یا خیر.

final-mask

مثالی از تفاوت یادگیری عمیق و یادگیری ماشینی

بیایید به مثالی در مورد چراغ‌قوه بیندیشیم: این وسیله می‌تواند به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی شود تا وقتی شخصی کلمۀ «تاریک» را می‌گوید، روشن شود. با ادامه یادگیری، ممکن است در نهایت با هر عبارتی که حاوی آن کلمه است روشن شود. حال اگر چراغ‌قوه مدل یادگیری عمیقی داشته باشد، متوجه می‌شود که باید با عباراتی چون «نمی‌توانم ببینم» یا «کلید برق کار نمی‌کند» و شاید هم‌زمان با یک حس‌گر نور هم روشن شود. یک مدل یادگیری عمیق قادر به یادگیری از طریق روش محاسبه خود است – روشی که باعث می‌شود طوری وانمود کند که گویی مانند انسان درک دارد.

برای بیان تفاوت‌های این دو همین موارد بس که بگوییم:

  • یادگیری ماشینی از الگوریتم‌ها برای تجزیه داده‌ها، یادگیری از آن داده‌ها و تصمیم‌گیری آگاهانه بر اساس آموخته‌های خود استفاده می‌کند.
  • یادگیری عمیق الگوریتم‌هایی به‌صورت لایه‌لایه ایجاد می‌کند تا «شبکه عصبی مصنوعی‌ای» بسازد که بتواند به‌تنهایی یاد بگیرد و هوشمندانه تصمیم بگیرد.
  • یادگیری‌عمیق زیرمجموعۀ یادگیری ماشین است. درحالی‌که هر دو زیرمجموعه‌ای از هوش مصنوعی هستند، یادگیری عمیق بیشترین شباهت را به هوش مصنوعی همانند انسان دارد.

تفاوت بین شبکه‌های عصبی و یادگیری عمیق

ازآنجاکه شبکه‌های عصبی و یادگیری عمیق بسیار عمیق درهم‌آمیخته‌اند، تشخیص آن‌ها از یکدیگر در سطح ظاهری دشوار است. درحالی‌که شبکه‌های عصبی از سلول‌های عصبی برای انتقال داده‌ها به شکل مقادیر ورودی و مقادیر خروجی از طریق اتصالات استفاده می‌کنند، یادگیری‌عمیق با تغییر شکل و استخراج ویژگی‌ای همراه است که سعی در ایجاد ارتباط بین محرک‌ها و پاسخ‌های عصبی مرتبط در مغز دارد.

Deep-Learning-Img2

نرم‌افزارها و سخت‌افزارهای یادگیری عمیق

نرم‌افزارها

تنسور فلو Tensor Flow
این برنامه به یادگیری عمیق کمک شایانی می‌کند. این نوع داده، یک آرایۀ چندبعدی است و با استفاده از جعبه ابزار متن‌باز به یادگیری ماشین کمک می‌کند و می‌توان با کمک آن سیستم‌های قابل ارتقا ساخت.

پایتون
نرم‌افزار دیگری که در این زمینه می‌توان استفاده کرد، نرم‌افزار پایتون است. به‌منظور کار با این نرم‌افزار لازم است که پایتون 2.7. روی سیستم خود نصب کنید. کتابخانه‌های نامپی Numpy، مَت پلات لیب Matplotlib، کِراس Keras و … نیز باید روی پایتون شما نصب شده باشد.

سخت‌افزارها

پردازندۀ گرافیکیGPU
برای یادگیری عمیق به GPU نیاز خواهیم داشت. GPU قلب برنامه‌های یادگیری‌عمیق است و نقش آن را نمی‌توان آن را نادیده گرفت. با استفاده از یک GPU می‌توان زمان انجام آزمایش‌ها را از چندین ماه به چند ساعت، از چند روز به چند ساعت و از چندین ساعت به چند دقیقه کاهش داد.

واحد منبع تغذیه (PSU)
PSU یا همان منبع تغذیه، دستگاهی است که انرژی مورد نیاز سخت‌افرازهای یک سیستم بینایی ماشین را فراهم می‌کند. این دستگاه جریان متناوب ورودی را به جریان مستقیم قابل استفاده در قطعات کامپیوتر تبدیل می‌کند.

در پایان باید یادآور شد که دیپ لرنینگ «یادگیری عمیق» روزبه‌روز در حال گسترش و پیشرفت است و در اکثر تکنولوژی‌های روز نیز قابل‌ِاستفاده است. در این مورد البته باید مراقب تشخیص درست و غلط‌کار ماشین نیز باشیم. به طور مثال در یکی از زیرشاخه‌های آن به نام دیپ‌فیک (Deep fake) به‌راحتی عکس و صدای شخصی را می‌توان به‌جای شخصی دیگر قرار داد و این موضوع تبعات خودش را دارد. دیپ لرنینگ یکی از بازوهای مهم بینایی ماشین، یادگیری ماشین و علم هوش مصنوعی است.

سوالات متداول درباره یادگیری ماشین

یادگیری عمیق چیست؟

دیپ لرنینگ روشی است که مبتنی بر برنامه‌های شبکه عصبی مصنوعی (ANN) می‌باشد و از الگورتیم‌هایی برای پردازش داده‌ها و تقلید از روند تفکر و یا گسترش انتزاعیات استفاده می‌کند.

آخـــرین مقالات یادگیری ماشین