هوش مصنوعی

شبکه عصبی چیست؟

بازدید: 229 آخرین به‌روزرسانی: 16 خرداد 1403

مقدمه

شبکه‌های عصبی مدل‌های محاسباتی و از ارکان اصلی هوش مصنوعی هستند که از ساختار نورون‌های مغز انسان الهام گرفته شده‌‌اند. این سیستم‌های پیشرفته برای شناسایی الگوها، یادگیری از داده‌ها، و تصمیم‌گیری به شکلی شبیه به شناخت انسانی طراحی شده‌اند. با ما همراه باشید تا به معرفی این سیستم‌ها بپردازیم.

شبکه عصبی چیست؟

شبکه‌های عصبی زیرمجموعه‌ای از یادگیری ماشین محسوب می‌شوند و به‌ویژه برای کارهایی که شامل تشخیص الگو هستند، مانند تشخیص تصویر و گفتار، قدرتمند هستند. ساختار یک شبکه عصبی شامل یک لایه ورودی، لایه‌های پنهان و یک لایه خروجی است که هر کدام نقش مهمی در پردازش داده‌ها ایفا می‌کنند. این لایه‌ها از لایه‌های به هم پیوسته گره‌ها یا نورون‌ها تشکیل شده است. هر ارتباط بین نورون‌ها دارای وزن مرتبطی است که در طول فرآیند یادگیری تنظیم می‌شود تا خطاهای پیش‌بینی به حداقل برسد.

عمق (تعداد لایه‌ها) و عرض (تعداد نورون‌ها در هر لایه) می‌تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد و بر ظرفیت شبکه برای یادگیری و تعمیم داده‌ها تأثیر بگذارد. شبکه‌های عصبی کانولوشنال (Convoloutional Neural Network) و شبکه‌های عصبی تکراری (Repetitive Neural Network) نمونه‌هایی از معماری‌های تخصصی هستند که به ترتیب برای انواع خاصی از داده‌ها و وظایف، مانند پردازش تصویر و توالی طراحی شده‌اند.

آموزش شبکه عصبی چگونه است؟

آموزش یک شبکه عصبی شامل تنظیم وزن اتصالات بین نورون‌ها برای به حداقل رساندن تفاوت بین نتایج پیش‌بینی شده و واقعی است. این فرآیند از الگوریتم‌هایی مانند پس انتشار (Backpropagation) استفاده می‌کند که گرادیان تابع تلفات (تابع تلفات یا تابع ضرر میزان خطا در هر بار اجرای شبکه‌ عصبی را برای داده‌های آموزشی نمایش می‌دهد) را محاسبه می‌کند و وزن‌ها را برای کاهش خطاها به‌روزرسانی می‌کند. آموزش نیاز به مجموعه داده بزرگ و قدرت محاسباتی قابل توجهی که اغلب نیاز به استفاده از پردازنده گرافیکی یا سخت‌افزار تخصصی دارد.

آیا می‌دانستید ابررایانه سیمرغ جدیدترین و قدرتمندترین پردازنده‌های گرافیکی را در اختیار شما می‌گذارد؟

فرآیند آموزش شبکه عصبی را می‌توان به چند مرحله کلیدی تقسیم کرد:

مقداردهی اولیه: وزن‌های شبکه با مقادیر تصادفی کوچک مقداردهی اولیه می‌شوند.
انتشار رو به جلو: داده‌های ورودی از طریق شبکه، لایه به لایه تغذیه می‌شوند. یعنی هر نورون یک مجموع وزنی از ورودی‌ها و یک تابع فعال‌سازی را برای تولید یک خروجی اعمال می‌کند.
محاسبه تلفات: خروجی شبکه با مقادیر هدف واقعی با استفاده از یک تابع ضرر (مثلاً میانگین مربعات خطا برای رگرسیون، آنتروپی متقاطع برای طبقه‌بندی) برای محاسبه خطا مقایسه می‌شود.
پس انتشار: خطا از طریق شبکه به عقب منتشر می‌شود تا وزن‌ها به‌روز شوند. این امر با محاسبه گرادیان تابع تلفات با توجه به هر وزن و تنظیم وزن‌ها برای کاهش خطا به دست می‌آید.
بهینه‌سازی: یک الگوریتم بهینه‌سازی (به عنوان مثال، نزول گرادیان تصادفی (Stochastic Gradient Descent, Adam)) وزن‌ها را بر اساس گرادیان‌های محاسبه‌شده به‌روزرسانی می‌کند. این فرآیند در چندین دوره تکرار می‌شود تا زمانی که کارایی شبکه رضایت بخش باشد.

برای تجسم این فرآیند، یک دیاگرام ساده از یک شبکه عصبی با یک لایه پنهان و یک نود خروجی را رسم می‌کنیم. این شکل نشان می‌دهد که ورودی‌ها از طریق وزن‌ها به نودهای لایه پنهان منتقل می‌شوند، تابع فعال‌سازی اعمال می‌شود و خروجی‌های لایه پنهان مجدداً از طریق وزن‌ها به نود خروجی منتقل می‌شوند. خطا محاسبه می‌شود و سپس با استفاده از پس‌انتشار و بهینه‌سازی، وزن‌ها به‌روزرسانی می‌شوند.

مثال از آموزش شبکه عصبی

کاربرد شبکه‌های عصبی

شبکه‌های عصبی کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف دارند. در مراقبت‌های بهداشتی و در تشخیص بیماری‌ها و شخصی‌سازی برنامه‌های درمانی کمک می‌کنند. در امور مالی، شبکه‌های عصبی برای کشف تقلب و تجارت الگوریتمی استفاده می‌شود. آن‌ها نقش مهمی در وسایل نقلیه خودران ایفا می‌کنند و آن‌ها را قادر می سازند اشیاء را تشخیص دهند و در محیط‌ها حرکت کنند. علاوه بر این، شبکه‌های عصبی برای پیشرفت در پردازش زبان طبیعی، تقویت برنامه‌های کاربردی مانند ترجمه زبان و تجزیه و تحلیل احساسات، اساسی هستند. تطبیق‌پذیری و توانایی آن‌ها در انجام وظایف پیچیده آن‌ها را در حل مشکلات دنیای واقعی ارزشمند می‌کند.

تفاوت بین شبکه عصبی و هوش مصنوعی چیست؟

در حالی که هوش مصنوعی بستری است که بر ایجاد سیستم‌های هوشمند متمرکز شده است، شبکه‌های عصبی زیرمجموعه‌ای خاص در هوش مصنوعی هستند که از طریق یادگیری از داده‌ها در تشخیص الگو و وظایف پیش‌بینی برتری دارند. شبکه‌های عصبی ابزار قدرتمندی در مجموعه ابزارهای هوش مصنوعی گسترده‌تر هستند، اما تنها یک رویکرد را در میان بسیاری از حوزه‌های مختلف هوش مصنوعی نشان می‌دهند.

هدف اصلی هوش مصنوعی ایجاد سیستم‌هایی است که می‌توانند وظایف هوشمند را به طور مستقل انجام دهند. این می‌تواند از سیستم‌های ساده مبتنی بر قوانین تا محاسبات شناختی پیشرفته متغیر باشد. سیستم‌های هوش مصنوعی را می‌توان برای کارهای خاص (هوش مصنوعی باریک: Narrow AI) یا برای حل مشکلات گسترده‌تر و با هدف کلی (هوش مصنوعی عمومی) طراحی کرد. ولی، شبکه‌های عصبی به طور خاص برای تشخیص الگو و کارهای پیش‌بینی طراحی شده‌اند. آن‌ها به ویژه در مدیریت روابط پیچیده و غیر خطی در داده‌ها موثر هستند.

توسعه سیستم‌های هوش مصنوعی می‌تواند از سطح نسبتاً ساده (به عنوان مثال درخت‌های تصمیم) تا سطح بسیار پیچیده (مانند سیستم‌های درک زبان طبیعی) متغیر باشد. پیچیدگی سیستم‌های هوش مصنوعی به وسعت و عمق وظایف هوشمندی که برای انجام آن‌ها طراحی شده‌اند بستگی دارد. ولی ساخت و آموزش شبکه‌های عصبی اغلب به مجموعه داده‌های بزرگ و منابع محاسباتی قابل توجهی نیاز دارد، به‌ویژه برای مدل‌های یادگیری عمیق با لایه‌های زیاد. پیچیدگی شبکه‌های عصبی در طراحی معماری، فرآیند آموزش و روش‌های بهینه‌سازی آن‌ها نهفته است.

ابزارهای مورد استفاده برای پیاده‌سازی شبکه عصبی

برای پیاده‌سازی شبکه‌های عصبی، از ابزارها و کتابخانه‌های مختلفی استفاده می‌شود که هر یک امکانات و قابلیت‌های خاصی برای تسهیل فرآیند توسعه و آموزش مدل‌های هوش مصنوعی فراهم می‌کنند. در اینجا چند نمونه از معروف‌ترین و پرکاربردترین ابزارها و کتابخانه‌ها را معرفی می‌کنیم:

TensorFlow

تنسورفلو یکی از محبوب‌ترین و قدرتمندترین کتابخانه‌های متن‌باز برای یادگیری عمیق است که امکانات گسترده‌ای برای ساخت و آموزش مدل‌های شبکه عصبی فراهم می‌کند. این کتابخانه از هر دو پردازنده مرکزی و واحد پردازش گرافیکی پشتیبانی می‌کند. برای آشنایی با تنسورفلو این مقاله را بخوانید.

PyTorch

PyTorch نیز یک کتابخانه متن‌باز است که به دلیل انعطاف‌پذیری و سادگی استفاده، در جامعه تحقیقاتی و صنعتی بسیار محبوب است. PyTorch به خصوص برای تحقیقات در زمینه یادگیری عمیق مناسب است.

Keras

کراس یک کتابخانه سطح بالا برای یادگیری عمیق است که بر روی TensorFlow، Microsoft Cognitive Toolkit (CNTK) یا Theano اجرا می‌شود. کراس به دلیل رابط کاربری ساده و قابل فهم خود مشهور است و برای افراد مبتدی مناسب می‌باشد.

Caffe

Caffe یک کتابخانه متن‌باز با تمرکز بر سرعت و ماژولار بودن است. این کتابخانه به خصوص برای کاربردهای بینایی کامپیوتر و مدل‌های از پیش آموزش‌دیده معروف است.

جمع‌بندی

شبکه‌های عصبی با الهام از عملکرد پیچیده مغز انسان، انقلابی در زمینه هوش مصنوعی ایجاد کرده‌اند که به ماشین‌ها امکان می‌دهد از داده‌ها یاد بگیرند و تصمیم‌های پیچیده بگیرند. معماری لایه‌ای به آن‌ها اجازه می‌دهد تا در کارهایی که نیاز به تشخیص الگو دارند، مانند تشخیص تصویر و گفتار، پردازش زبان طبیعی و سیستم‌های مستقل، برتر باشند. علیرغم چالش‌های نیاز به مجموعه داده‌های بزرگ و قدرت محاسباتی قابل توجه، پیشرفت‌های مستمر در تحقیقات و فناوری شبکه‌های عصبی پتانسیل بسیار زیادی برای نوآوری‌های بیشتر دارد. با تکامل آن‌ها، شبکه‌های عصبی به پیشرفت در صنایع مختلف ادامه می‌دهند و نحوه تعامل و بهره‌مندی ما از سیستم‌های هوشمند را تغییر می‌دهند.

سوالات متداول

شبکه‌های عصبی چگونه کار می‌کنند؟

شبکه‌های عصبی با عبور داده‌های ورودی از لایه‌های گره‌های به هم پیوسته کار می‌کنند و اتصالات را بر اساس به حداقل رساندن خطا در طول آموزش تنظیم می‌کنند.

انواع شبکه‌های عصبی کدام‌اند؟

انواع متداول عبارتند از شبکه‌های عصبی کانولوشنال (CNN) و شبکه های عصبی تکراری (RNN).

تابع فعال‌سازی چیست؟

توابع فعال‌سازی، توابع ریاضی هستند که برای خروجی‌های نورون‌ها اعمال می‌شوند و غیرخطی بودن شبکه را معرفی می‌کنند و آن را قادر می‌سازند الگوهای پیچیده را یاد بگیرند.