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Automated and emerging technologies · ⁨自動化された技術と新技術⁩

IGCSE Computer Science · ⁨IGCSE コンピューター科学⁩ · Topic 6 · ⁨トピック 6⁩

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10:22

自動制御システム

夜明け前の午前三時の温室を想像してください。そこには誰もいません。空気は少し暖まり、窓が勝手にスライドして開きます。一時間後には閉まります…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

6.1

Automated systems · ⁨自動化システム⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Candidates should be able to: Notes and guidance
1 Describe how sensors, microprocessors and actuators can be used in collaboration to create automated systems
2 Describe the advantages and disadvantages of an automated system used for a given scenario • Including scenarios from: – industry – transport – agriculture – weather – gaming – lighting – science
日本語
受験者は以下的能力を備えているべきである: メモおよびガイドライン
1 センサー、マイクロプロセッサ、およびアクチュエータが連携して自動化システムを作成するためにどのように使用されるかを説明する
2 特定のシナリオに用いられる自動化システムの利点と欠点を説明する • 以下からのシナリオを含む: 産業、輸送、農業、気象、ゲーム、照明、科学

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

An automated system 自动化系统 is a mix of software and hardware that senses and responds to data in its environment 环境, with no need for human intervention 人工干预. In other words, it works on its own.

Examples of automated systems:

  • a central heating 中央供暖 system;
  • a chemical process 化学过程 in a factory;
  • a greenhouse 温室 (for growing plants);
  • a car park barrier 停车场道闸.

Sensors, microprocessors and actuators

Three parts work together in an automated system.

Part Job
sensor 传感器 measures a physical quantity (such as temperature or light) and sends the data
microprocessor 微处理器 compares the data with stored values and makes decisions
actuator 执行器 receives a signal and causes movement or action (such as opening a valve)

The cycle works like this:

  1. The sensor sends data to the microprocessor.
  2. The microprocessor compares this data with stored values 存储值 and makes a decision.
  3. The microprocessor sends signals to the actuators to take action.

For example, in a greenhouse: a temperature sensor reads the heat; the microprocessor compares it with the wanted value; if it is too hot, the microprocessor signals an actuator to open a window.

The syllabus names many sensor types 传感器类型, each reading one physical quantity – for example an accelerometer 加速度计 (movement or tilt), a humidity 湿度 sensor (water in the air), and a proximity 接近 sensor (a nearby object):

Sensor Measures Typical use
temperature heat ovens, greenhouses, heating
light brightness automatic lights, cameras
pressure force on a surface alarm floor mats, touchscreens
infra-red / proximity a nearby object automatic doors, parking sensors
acoustic (sound) sound level noise monitors
humidity / moisture water in air or soil greenhouses, irrigation
gas a gas being present smoke and CO alarms
pH acidity pools, fish tanks
accelerometer movement or tilt phones, airbag triggers
magnetic field magnetism door contacts, compasses
flow / level fluid flow or depth pipes, tanks

To pick a sensor for a scenario, choose the one that reads the right physical quantity: a fish tank needs pH and temperature sensors; an automatic door needs an infra-red / proximity sensor.

Advantages and disadvantages

Automated systems are used in many situations, such as industry, transport, agriculture 农业 (farming), weather (gathering data), gaming and lighting.

Advantages Disadvantages
work all day and night, without rest cost a lot to buy and set up
faster and more consistent 一致的 than people can break down and need expert repair
can work in places unsafe for people may replace people's jobs
fewer human mistakes cannot easily react to a situation they were not built for

Worked example. Describe how an automatic greenhouse holds the temperature at 25 °C. A temperature sensor continuously measures the temperature and sends its reading, converted to digital by an ADC, to the microprocessor. The microprocessor compares the reading with the stored value of 25 °C. If the temperature is above it, the microprocessor signals an actuator to open a window or switch on a fan; if it is below, it switches on a heater. The whole loop then repeats continuously. Two marks nearly always sit on the words "compares with a stored (pre-set) value" and "the process repeats" - a description that stops at "the sensor tells the computer" leaves them behind.

日本語

自動化システム は、環境 のデータを感知して反応するソフトウェアとハードウェアの組み合わせであり、人間の介入 が不要です。つまり、単独で動作します。

自動化システムの例:

  • 中央暖房システム;
  • 工場の化学プロセス;
  • 温室(植物栽培用);
  • 駐車場ゲート。

センサ、マイクロプロセッサ、アクチュエータ

自動化システムでは、3つの部品が連携して機能します。

部位 役割
センサ 物理量(温度や光など)を測定し、データを送信する
マイクロプロセッサ データを格納された値と比較し、意思決定を下す
アクチュエータ シグナルを受け取り、移動や作用(バルブの開閉など)を引き起こす

このサイクルは以下のように機能します:

  1. センサーはマイクロプロセッサにデータを送信する。
  2. マイクロプロセッサはこのデータを記憶された値と比較し、判断を下す。
  3. マイクロプロセッサはアクチュエータに信号を送り、動作を行う。

例えば、温室の場合:温度センサーが熱を測定し、マイクロプロセッサがそれを目的の値と比較します。暑すぎる場合は、マイクロプロセッサがアクチュエータに信号を出して窓を開けます。

ループ:温度センサーがマイクロプロセッサにデータを送り、それがアクチュエータに窓を開けるよう信号を出し、温室が冷却され、センサーが再度測定する
センサーがマイクロプロセッサにデータを送り、読み取り値が記憶された値と比較され、アクチュエータに信号が出されます;ループは繰り返される

カリキュラムでは多くのセンサーの種類が挙げられており、それぞれが異なる物理量を測定します。例えば、加速度計(動きや傾き)、湿度センサー(空気中の水分)、近接センサー(近くの物体)などです:

センサー 測定物 一般的な用途
温度 熱 オーブン、温室、暖房装置
光 明るさ 自動照明、カメラ
圧力 表面にかかる力 警報用敷物、タッチスクリーン
赤外線 / 近接 近くの物体 自動ドア、駐車センサー
音響(音声) 音のレベル ノイズモニター
湿度 / 湿気 空気または土壌中の水分 温室、灌漑
ガス ガスの存在 煙探知器、CO警報器
pH 酸性度 プール、水槽
加速度計 動きや傾き 携帯電話、エアバッグ作動
磁場 磁力 ドア接触センサー、コンパス
流量 / レベル 流体の流れや深さ パイプ、タンク

特定のシナリオに適したセンサーを選ぶ際は、適切な物理量を測定できるものを選びます。例えば、水槽にはpHと温度センサーが必要であり、自動ドアには赤外線/近接センサーが必要です。

メリットとデメリット

自動化システムは、工業、交通、農業(耕作)、気象観測(データ収集)、ゲーム、照明など、多くの分野で用いられています。

自動化システムの利点(24/7での稼働や一貫性)と欠点(高いセットアップコストや失業)を比較した図
自動化システムのメリットとデメリット
海の上の空を飛ぶ、小型カメラ付きの白い4ロータードローン
カメラ付きドローン: 指定されたルートに沿って自律飛行し、データを収集する。
利点 欠点
昼夜を問わず作業可能、休憩不要 購入および設定コストが高い
人間より速く、一貫性が高い 故障する可能性があり、専門的な修理が必要
人間にとって危険な場所でも作業可能 人間の仕事を取代する可能性がある
人為的ミスの減少 設計されていない状況への対応が容易ではない

** worked example.** 自動温室が温度を 25 °C に保つ仕組みを説明してください。温度センサーが連続的に温度を測定し、ADCによってデジタル変換されたその値をマイクロプロセッサに送信します。マイクロプロセッサは、この値が格納されている 25 °C の値と比較します。温度がそれより高い場合、マイクロプロセッサはアクチュエータに信号を送って窓を開けたりファンを回したりします;低い場合はヒーターを点灯させます。このループは常に繰り返されます。2点配分問題は通常、「格納された(事前設定)値と比較する」と「プロセスが繰り返される」の語句に当てられます。「センサーがコンピュータに知らせる」だけで記述を止めてしまうと、これらのポイントを得ることができません。

Explore · ⁨探索⁩

An automated control loop · ⁨自動制御ループ⁩

Tap round the loop. An automated system senses, compares against a target, then acts — and because the action changes what it senses, it keeps correcting itself with no human needed. · ⁨ループをタップします。自動システムは、環境を検知し、目標値と比較して動作します。この動作が検知内容を変化させるため、システムは人間の介入なしに自らを修正し続けます。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
automated system/ˈɔːtəmeɪtɪd ˈsɪstəm/ 自動化システム
environment/enˈvaɪrənmənt/ 環境
human intervention/ˈhjuːmən ˌɪntəˈvenʃn/ 人的介入
greenhouse/ˈɡriːnhaʊs/ 温室効果
car park barrier/kɑː pɑːk ˈbærɪə/ 駐車場バリア
sensor/ˈsensə/ センサー
microprocessor/ˌmaɪkrəʊˈprəʊsesə/ マイクロプロセッサ
actuator/ˈæktʃuːeɪtə/ アクチュエータ
stored values/stɔːd ˈvæljuːz/ 記憶値
sensor types/ˈsensə taɪps/ センサータイプ
accelerometer/əkˌseləˈrɒmɪtə/ 加速度計
humidity/hjuːˈmɪdɪti/ 湿度
proximity/prɒkˈsɪmɪti/ 近接
consistent/kənˈsɪstənt/ 一貫した
Robotics/rəʊˈbɒtɪks/ ロボット工学
robots/ˈrəʊbɒts/ ロボット
physical structure/ˈfɪzɪkl ˈstrʌktʃə/ 物理構造
electrical components/ɪˈlektrɪkl kəmˈpəʊnənts/ 電気部品
programmable instructions/ˈprəʊɡrəməbl ɪnˈstrʌkʃnz/ プログラム可能な指令
factory equipment/ˈfæktəri ɪˈkwɪpmənt/ 工場設備
domestic appliances/dəˈmestɪk əˈplaɪənsɪz/ 家庭用家電
vacuum cleaner/ˈvækjuːm ˈkliːnə/ 掃除機
lack of independent decision-making/læk ɒv ˌɪndɪˈpendənt dɪˈsɪʒn ˈmeɪkɪŋ/ 自律的な意思決定の欠如
Artificial intelligence/ˌɑːtɪˈfɪʃl ɪnˈtelɪdʒəns/ 人工知能
simulation/ˌsɪmjʊˈleɪʃn/ シミュレーション
rules/ruːlz/ 制限する
reason/ˈriːzn/ 理性
draw conclusions/drɔː kənˈkluːʒnz/ 結論を導き出す
approximate/əˈprɒksɪmət/ 近似
definite/ˈdefɪnət/ 明確な
learn/lɜːn/ 学習
adapt/əˈdæpt/ 適応する
expert systems/ˈekspɜːt ˈsɪstəmz/ エキスパートシステム
natural language processing/ˈnætʃərəl ˈlæŋɡwɪdʒ ˈprəʊsesɪŋ/ 自然言語処理
self-driving cars/self ˈdraɪvɪŋ kɑːz/ 自動運転車
knowledge base/ˈnɒlɪdʒ beɪs/ 知識ベース
rule base/ruːl beɪs/ ルールベース
inference engine/ˈɪnfərəns ˈendʒɪn/ 推論エンジン
user interface/ˈjuːzə ˈɪntəfeɪs/ ユーザーインターフェース
Machine learning/məˈʃiːn ˈlɜːnɪŋ/ 機械学習
narrow AI/ˈnærəʊ ˌeɪ ˈaɪ/ 狭義AI
general AI/ˈdʒenərəl ˌeɪ ˈaɪ/ 汎用AI
strong AI/strɒŋ ˌeɪ ˈaɪ/ 強力AI
central heating/ˈsentrəl ˈhiːtɪŋ/ 集中暖房
chemical process/ˈkemɪkl ˈprəʊses/ 化学プロセス
agriculture/ˈæɡrɪkʌltʃə/ 農業
mechanical/mɪˈkænɪkl/ 機械的
6.2

Robotics · ⁨ロボティクス⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Candidates should be able to: Notes and guidance
1 Understand what is meant by robotics • Robotics is a branch of computer science that incorporates the design, construction and operation of robots • Examples include factory equipment, domestic robots and drones
2 Describe the characteristics of a robot • Including: – a mechanical structure or framework – electrical components, such as sensors, microprocessors and actuators – programmable
3 Understand the roles that robots can perform and describe the advantages and disadvantages of their use • Robots can be used in areas including: – industry – transport – agriculture – medicine – domestic settings – entertainment
日本語
受験者は以下的能力を備えているべきである: メモおよびガイドライン
1 ロボティクスの意味を理解する • ロボティクスは、ロボットの設計、構築、運用を統合するコンピュータ科学の分野である • 例として、工場設備、家庭用ロボット、ドローンがある
2 ロボットの特徴を説明する • 以下を含む: – 機械的構造またはフレームワーク – センサー、マイクロプロセッサ、アクチュエータなどの電気部品 – プログラマブル性
3 ロボットが果たす役割を理解し、その使用における利点と欠点を説明する • ロボットは以下の分野で使用される: – 産業 – 輸送 – 農業 – 医療 – 家庭環境 – エンターテインメント

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Robotics 机器人技术 is the branch of technology that deals with the design, building and operation of robots 机器人.

A robot has these characteristics:

  • a physical structure 物理结构 (a mechanical 机械的 body, such as arms);
  • electrical components 电子元件 (motors, sensors and wiring);
  • programmable instructions 可编程指令 — it follows a program that can be changed.

What robots do

Robots can perform many roles, for example:

  • factory equipment 工厂设备 — building cars, welding, moving heavy parts;
  • domestic appliances 家用电器 — such as a robotic vacuum cleaner 吸尘器.
Advantages Disadvantages
do dull or dangerous jobs expensive to buy and maintain
work quickly and accurately can replace human workers
do not get tired or bored a robot has a lack of independent decision-making 缺乏独立决策 — it only does what it is programmed to do

A key limit of a robot is that it cannot think for itself. It cannot make its own choices when something unexpected happens.

日本語

ロボティクスとは、ロボットの設計、製造、運用を取り扱う技術の分野です。

ロボットには以下の特徴があります:

  • 物理構造(腕などの機械的身体);
  • 電気部品(モーター、センサー、配線);
  • プログラム可能な指示 — 変更可能なプログラムに従います。

ロボットの役割

ロボットは多様な役割を果たせます。例えば:

  • 工場設備 — 自動車の組立、溶接、重部品の移動;
  • 家庭用家電 — 例: robotic 掃除機。
工場の生産ラインにある白いロボットアーム、周囲にケーブルや金属フレームが見える
産業用ロボットアーム。プログラムに従って動作し、新しい作業に再プログラムできる
上から見た丸い平型灰色のロボット掃除機、上面にS、M、Lボタンがある
ロボット掃除機:床を掃除するために自ら移動する家庭用ロボット
利点 欠点
単調または危険な作業を行う 購入および保守コストが高い
迅速かつ正確に動作する 人間労働者を取代する可能性がある
疲れず、退屈しない ロボットには自律的な意思決定の欠如がある — プログラムされたことしか行わない

ロボットの重要な限界は、自ら考えることができない点にあります。予期せぬ事態发生时に、自分自身の選択を下すことはできません。

Explore · ⁨探索⁩

Computing concept lab · ⁨コンピューティング概念ラボ⁩

Classify concrete examples by the computing idea they demonstrate. · ⁨具体的な例を、それが示すコンピューティングのアイデアに基づいて分類せよ。⁩

6.3

Artificial intelligence · ⁨人工知能⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Candidates should be able to: Notes and guidance
1 Understand what is meant by artificial intelligence (AI) • AI is a branch of computer science dealing with the simulation of intelligent behaviours by computers
2 Describe the main characteristics of AI as the collection of data and the rules for using that data, the ability to reason, and it can include the ability to learn and adapt
3 Explain the basic operation and components of AI systems to simulate intelligent behaviour • Limited to: – expert systems – machine learning • Expert systems have a knowledge base, a rule base, an inference engine and an interface • Machine learning is when a program has the ability to automatically adapt its own processes and/or data
日本語
受験者は以下的能力を備えているべきである: メモおよびガイドライン
1 **人工知能(AI)**の意味を理解する • AIは、コンピュータによる知的行動のシミュレーションを取り扱うコンピュータ科学の分野である
2 AIの主な特徴を説明する。データとその使用方法のルール、推論能力の集まりであり、学習や適応能力を含むことがある
3 知的行動をシミュレートするためのAIシステムの基本的な動作および構成要素を説明する • 以下に限定: – エキスパートシステム – マシンラーニング • エキスパートシステムには、知識ベース、ルールベース、推論エンジン、インターフェースがある • マシンラーニングとは、プログラムが自身のプロセスや/またはデータを自動的に適応できる能力を持つことである

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Artificial intelligence 人工智能 (AI) is the simulation 模拟 of human intelligence by computer systems. This means a computer doing tasks that normally need human thinking.

Characteristics of AI

AI systems usually have these features:

  • they collect data and the rules 规则 for using that data;
  • they have the ability to reason 推理 (work things out using the rules);
  • they have the ability to draw conclusions 得出结论, which may be approximate 近似的 (a best guess) or definite 确定的 (certain);
  • they have the ability to learn 学习 from data;
  • they have the ability to adapt 适应 — to change their behaviour as they get new data.

Examples of AI

  • expert systems 专家系统 — software that gives advice like a human expert (for example, helping a doctor with a diagnosis);
  • natural language processing 自然语言处理 — understanding human speech or text;
  • self-driving cars 自动驾驶汽车.

Inside an expert system

An expert system stores human expertise and reasons from it. It has four parts:

  • a knowledge base 知识库 – the stored facts about the subject;
  • a rule base 规则库 – the "if… then…" rules a human expert would apply;
  • an inference engine 推理引擎 – applies the rules to the facts to reach a conclusion;
  • a user interface 用户界面 – asks the user questions and shows the result.

The interface collects facts from the user; the inference engine runs the rule base against the knowledge base; and the system outputs a diagnosis or a probability – as used to help a doctor diagnose an illness or to find a car fault.

Machine learning

Machine learning 机器学习 is a program that improves its own performance from experience, without being explicitly reprogrammed. It finds patterns in data and adapts: a search engine gets better at ranking results, a voice assistant recognises spoken commands more accurately, and a robot vacuum gradually learns the layout of a room.

Narrow, general and strong AI

Type What it means
narrow AI 弱人工智能 can do only one task or a small set of tasks (for example, a chess program). All AI today is narrow AI.
general AI 通用人工智能 could do any task a human can do, switching between many different tasks.
strong AI 强人工智能 would think and be aware like a real human mind. This does not exist yet.
日本語

人工知能(AI)とは、コンピューターシステムによる人間の知能のシミュレーションのことです。つまり、通常は人間の思考を必要とするタスクをコンピューターが行うことを意味します。

AIの特徴

AIシステムは通常、以下の特徴を持ちます:

  • データを収集し、そのデータを利用するためのルールを持ちます;
  • 推論する能力(ルールを用いて問題を解く力)があります;
  • 結論を導き出す能力があります。これはおおよそ(最大の推測)または確定的(確定)であることがあります;
  • データから学習する能力があります;
  • 適応する能力があります — 新しいデータを得るにつれて行動を変化させます。
AIシステムをループとして描いた図:データを収集し、ルールを適用しパターンを検出し、決定に基づいて行動し、結果から学習・改善を行い、さらにデータを収集する
AIシステムはデータを収集し、ルールを適用し、行動し、その後学習して改善する

AIの例

  • 専門家システム — 人間の専門家のようにアドバイスを提供するソフトウェア(例:医師の診断支援);
  • 自然言語処理 — 人間の音声やテキストを理解すること;
  • 自律走行車(自動運転車)。
道路を走る小さな白色の自律走行車で、屋根に回転するセンサーが備わっている
自動運転車:車載センサーによりコンピュータがドライバーなしで操縦する

エキスパートシステムの中身

エキスパートシステムは人間の専門知識を格納し、そこから推論を行います。以下の4つの要素で構成されています:

  • 知识ベース(知識基盤) — その分野に関する保存された事実;
  • ルールベース(規則基盤) — 人間が専門家が適用する「if… then…」(もし…なら)のルール;
  • 推論エンジン — ルールと事実を適用して結論に至ります;
  • ユーザーインターフェース — ユーザーに質問を行い、結果を表示します。

インターフェースはユーザーから事実を収集し、推論エンジンはルールベースを知识ベースに対して実行し、診断または確率を出力します。これは医師が病気を診断したり、車の故障を特定したりするのに使用されます。

機械学習

機械学習とは、明示的に再プログラムされることなく、経験によって自身の性能を向上させるプログラムです。データ内のパターンを発見し適応します。検索エンジンは結果の順位付けが改善され、音声アシスタントは音声コマンドの認識精度が高まり、ロボット掃除機は部屋のレイアウトを段階的に学習します。

限定AI、汎用AI、強力AI

3つの上昇階段:限定AI(現在のすべてのAI)、汎用AI、強力AI。汎用AIと強力AIは現在存在しないとラベル付けされている
限定AIは1つのタスクを行う(現在のすべてのAI);汎用AIはあらゆる人間のタスクを行うことができます;強力AIは自己意識を持つ——いずれもまだ存在しない
タイプ 意味
限定AI 1つのタスクのみ、または少数のタスクセットを行うこと(例:チェスプログラム)。現在のすべてのAIは限定AIである。
汎用AI 人間が行えるあらゆるタスクを行うことができ、多くの異なるタスク間で切り替えることができる。
強力AI 実際の人間の心のように考え、自覚するもの。これはまだ存在しない。
Explore · ⁨探索⁩

Computing concept lab · ⁨コンピューティング概念ラボ⁩

Classify concrete examples by the computing idea they demonstrate. · ⁨具体的な例を、それが示すコンピューティングのアイデアに基づいて分類せよ。⁩

6.3

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Learn the control loop: a sensor measures a quantity → the microprocessor compares it with a stored value → an actuator takes action; then the loop repeats.
  • Do not confuse the parts: a sensor sends data in; an actuator causes movement out.
  • A robot follows programmable instructions and cannot make its own decisions when something unexpected happens.
  • AI simulates human thinking: it collects data and rules, reasons, draws conclusions, and can learn and adapt.
  • Know the AI levels: narrow (one task; all AI today), general (any human task), strong (self-aware; does not exist yet).
日本語
  • コントロールループを学ぶ:センサーが数量を測定する → マイクロプロセッサが保存された値と比較する → アクチュエータが作用する;その後ループが繰り返される。
  • 部品を混同しない:センサーはデータを入力し、アクチュエータは動きを出力させる。
  • ロボットはプログラム可能な指示に従い、予期せぬことが起きた場合は独自の判断を下せない。
  • AIは人間の思考をシミュレートする:データを收集し、ルールを解析し、推論を行い、結論を導き出し、学習および適応できる。
  • AIのレベルを知る:限定(1つのタスク;現在のすべてのAI)、汎用(あらゆる人間のタスク)、強力(自己意識;まだ存在しない)。

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Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨一歩ずつ進め、即時チェック付きの問題で学習します。⁩

Past Papers · ⁨過去問⁩

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