第1章人工智能.

2019/12/20人工智能1第1章绪论1.1什么是人工智能1.2人工智能的研究内容1.3人工智能的研究目标1.4人工智能的研究途径和方法1.5人工智能的研究领域1.6人工智能的发展概况1.1什么是人工智能人工智能（ArtificialIntelligence”，AI），人工智能技术成功的代表：1997年５月11日，IBM超级电脑“深蓝”（DeeperBlue）战胜了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫；2011年2月17日，在美国最受欢迎的智力竞猜电视节目《危险边缘》（Jeopardy）中，IBM超级电脑“沃森”（Watson）击败该节目历史上两位最成功的选手肯-詹宁斯和布拉德-鲁特.人工智能技术成功的代表还有很多。2019/12/20人工智能22019/12/20人工智能31.1.1人工智能人工智能概念的一般描述:人工智能（ArtificialIntelligence），简称AI，又称机器智能（MachineIntelligence，MI），主要研究用人工的方法和技术开发智能机器或智能系统，以模仿、延伸和扩展人的智能、生物智能、自然智能，实现机器的智能行为。学者们从不同的角度、不同的层面给出了各自的定义:（1）人工智能是那些与人的思维相关的活动，诸如决策、问题求解和学习等的自动化（Bellman，1978）。（2）人工智能是研究怎样让电脑模拟人脑从事推理、规划、设计、思考、学习等思维活动，解决至今认为需要由专家才能处理的复杂问题（ElaineRich，1983）。（3）人工智能是研究如何让计算机做现阶段只有人才能做得好的事情（RichKnight，1991）。2019/12/20人工智能5（4）人工智能是那些使知觉、推理和行为成为可能的计算的研究（Winston,1992）。（5）广义地讲，人工智能是关于人造物的智能行为，而智能行为包括知觉、推理、学习、交流和在复杂环境中的行为（Nilsson，1998）。（6）StuartRussell和PeterNorvig则把已有的一些人工智能定义分为4类：像人一样思考的系统、像人一样行动的系统、理性地思考的系统、理性地行动的系统。这里“行动”应广义地理解为采取行动，或制定行动的决策，而不是肢体动作（2003）。2019/12/20人工智能6涂序彦教授概括了“广义人工智能GAI”的涵义：（1）“广义人工智能”是兼容多学派的“多学派人工智能”，模拟、延伸与扩展“人的智能”及其他动物智能，既研究“机器智能”，也研究“智能机器”。（2）“广义人工智能”是多层次结合的“多层次人工智能”，如：自推理、自联想、自学习、自寻优、自协调、自规划、自感知、自识别、自辨识、自诊断、自预测、自聚焦、自融合、自适应、自组织、自整定、自校正、自稳定、自修复、自繁衍、自进化等。（3）“广义人工智能”不仅研究个体的、单机的、集中式的人工智能，而且研究群体的、网络的、多智能体、分布式人工智能。研究如何使分散的“个体人工智能”形成协同的“群体人工智能”，模拟、延伸与扩展人类或其他动物的群体智能。2019/12/20人工智能71.从微观和宏观的角度认识智能微观上，考虑的是智能产生的根源或机理:人的智能产生于人的大脑，人在思维时，大脑中的不同部位的神经元分工、协作，产生或传递各种信号，并产生相应的输出结果，支配人的具体行为。而人脑是一个由1011~1012个神经元连接形成的巨系统，结构和活动规律都极其复杂，受相关学科发展的限制。1.1.2智能2019/12/20人工智能81.1.2智能宏观上：从智能产生的认知过程来理解：人脑的智能都是某种心理活动或思维过程的结果；从智能的外在表现来理解：智能是人类和一些动物所特有的在解决具体问题时所表现出的智力或行为能力。智能系统通常包括感知、记忆与思维、效应三大部分。甚至更狭义的理解认为：智能系统主要完成思维活动。2019/12/20人工智能92.从知识工程的角度认识智能人们常说“知识是人类智慧的结晶”，也常说“知识是智慧的源泉”。总之，知识和智慧或智能密不可分：从内涵上：智能=知识＋思维；从外延上：智能就是发现规律、运用规律的能力和分析问题、解决问题的能力（或者说获取知识、处理知识、运用知识的能力）。1.1.2智能2019/12/20人工智能101.1.2智能3.广义智能观何华灿教授认为：“广义智能是信息系统感知环境及其变化，通过自身结构和功能的改变，恰当而有效地对其做出反映，以适应环境，达到系统生存目标的能力”；钟义信教授则认为：“广义智能是一切可以把信息转化为知识，把知识转化为智力的机制”。2019/12/20人工智能111.1.2智能何华灿教授对存在于自然界中的自然智能的表现进行了较为全面的概括：（1）系统发育层面：在生物的系统发育过程中，存在一种自然智能——进化机制，它一般都能使生命不断适应生存环境的时空变化，最大限度地保存自己。如，生物通过遗传、变异、和选择等过程使物种得以生存下来等。（2）个体发育层面：生物个体发育过程中，存在一种自然智能——生长机制，它一般都能使一个生物个体适应生存环境进行生长发育，达到最佳的生存状态。如，植物的根系必须绕开石头向着有水肥的地方生长等。2019/12/20人工智能12（3）个体免疫层面：在生物的免疫系统中，存在一种自然智能——免疫机制，它一般都能保证一个生物个体在存在大量有害微生物入侵的环境中平安地生存下去。如，种牛痘可以预防感染天花等。（4）神经网络层面：在动物的大脑存在一种自然智能——神经机制，它一般都能认识生存环境，对环境的变化做出恰当地反映，保证自身更好地生存下去。如，动物认识巢穴和伙伴联合捕捉猎物、巧妙地趋利避害等。2019/12/20人工智能13（5）抽象思维层面：人类的抽象思维能力是一种自然智能——思维机制，它的基本功能是记忆、联想、问题求解、学习和发现等。思维机制的模拟导致了人工智能的诞生和早期发展，然而，经典数理逻辑无法解决现实中不良结构问题，是导致狭义人工智能出现理论危机的直接原因。（6）群体协作层面：在生物的群体行为中，存在一种自然智能——协作机制，它一般能保证生物群体的能力高于任何单一个体的能力，使整个群体能够更好地生存繁衍下去，如，蚁群、蜂群、猴群和人类社团等。（7）生态系统层面：在生态系统中，存在一种自然智能——平衡机制，它一般能保证整个生态系统相对于其生存环境处在一个最佳的平衡状态中。如，生物群落间的相互制约、相互依存关系，使生态系统处于相对平衡状态。2019/12/20人工智能141.1.3人工智能的测试1.图灵测试”（TuringTest）2019/12/20人工智能152.中文屋子2019/12/20人工智能16人工智能的争论：神学认为：“思维是人类不朽灵魂的一种机能，上帝把不朽的灵魂给了每个男人和女人，而没有给任何动物和机器。所以，任何动物和机器都不能有思维”；“把头埋在沙中”：“机器思维的后果太可怕了，我们希望并且相信机器做不到这点”。1950年10月，图灵发表了一篇题为《机器能思考吗？》的论文，成为划时代之作。在这篇论文里，图灵第一次提出“机器思维”的概念。2019/12/20人工智能17人工智能的研究与进展几乎涉及并影响到自然科学和社会科学的所有学科，大体来看：社会科学的相关理论和方法为人工智能的研究提供方法论的指导；自然科学为人工智能的研究提供理论和技术的指导。1.2人工智能的研究内容2019/12/20人工智能181.2.1人工智能的学科结构常识性推理演绎、问题求解逻辑心理学知识的模型化和表示认识论心理学AI系统和语言系统程序设计计算机语言启发式搜索现代控制理论图论运筹学基本方法和技术近期主要应用领域近期主要应用领域信息处理心理学逻辑控制理论心理学语言学自然语言系统声学语音学机器视觉光学模式识别心理学图示学机器人工业自动化控制理论空间研究自动程序设计系统程序设计算法分析计算原理逻辑自动定理证明数学逻辑学教学、科学和工程辅助博弈管理科学有关学科符号操作图示学2019/12/20人工智能19（1）知识表示技术：研究各种知识的形式化方法，并要求所采用的形式化方法能够便于知识在计算机中进行存贮、组织，便于问题求解中的检索、推理等操作。（2）知识推理、计算和搜索技术：研究各种问题的求解规律，设计可机械执行的智能算子，用以实现问题求解过程。（3）系统实现技术：它研究如何实现相关知识的计算机内部表示，将各种智能算子或求解过程转换为程序，对智能应用系统，还要特别考虑人机交互及界面的实现。1.2.2人工智能的基本技术2019/12/20人工智能20（1）从人工智能的定义出发，或者说，从人工智能是对人类智能、生物智能或自然智能产生过程进行模拟的角度出发，人工智能的基本内容可包括：感知与交流的模拟，记忆、联想、计算、思维的模拟，输出效应或行为模拟等。（2）对人类来说，智能和知识密不可分。实际上，人工智能系统就是一个知识处理系统。所以，从知识工程的角度出发，人工智能的基本内容是:知识的获取、知识的处理以及知识的运用。1.2.2人工智能的基本内容2019/12/20人工智能21近期目标人工智能的近期目标是实现机器智能。即先部分地或某种程度地实现机器智能，从而使现有的计算机更灵活好用和更聪明有用。远期目标人工智能的远期目标是要制造智能机器。具体讲就是使计算机具有看、听、说、写等感知和交互能力，具有联想、学习、推理、理解、学习等高级思维能力，还要有分析问题解决问题和发明创造的能力。1.3人工智能的研究目标2019/12/20人工智能22随着人工智能的不断发展，人工智能的研究出现了许多种途径和方法，也称为人工智能的学派或流派。基于不同的划分方法可分为许多学派或流派。1.4人工智能的研究途径和方法2019/12/20人工智能231.4.1传统划分方法1.符号主义学派（Symbollisism）2.连接主义学派（Connectionism）3.行为主义学派（Actionnism）1.符号智能流派（Symbollisism）符号主义学派也称心理学派、计算机学派、功能学派、逻辑学派、宏观结构学派。符号主义是以人脑的心理模型为依据，将问题或知识表示成某种符号，采用符号推演的方法，宏观上模拟人脑的推理、联想、学习、计算等功能，实现人工智能。2019/12/20人工智能242.连接主义学派（Connectionism连接主义学派也称生理学派、仿生学派、微观结构学派。连接主义学派不仅要求机器产生的智能和人相同，产生的过程和机理也应该相同。人或某些动物所具有的智能皆源自于大脑，通过对大脑微观结构的模拟达到对智能的模拟，这是一条很自然的研究人工智能的途径。2019/12/20人工智能253.行为主义学派（Actionnism）行为主义学派也称进化主义学派、控制论学派、实用技术学派。行为模拟是模拟人在控制过程中的智能活动和行为特性，如自适应，自寻优、自学习、自组织等，以此来研究和实现人工智能。2019/12/20人工智能262019/12/20人工智能271.4.2现代划分方法1.符号智能流派2.计算智能流派3.群体智能流派1.符号智能流派由心理学派、认知学派、语言学派、计算机学派、逻辑学派、和数学学派等汇集而成。本流派的共同特征是对智能和人工智能持狭义的观点，侧重于研究任何利用计算机软件来模拟人的抽象思维过程，并把思维过程看成是一个抽象的符号处理过程。50多年来符号主义在人工智能中一直占有霸主地位。2019/12/20人工智能282.计算智能流派是连接主义、行为主义、进化计算、免疫计算和模糊计算等学派的统称。它们与符号流派完全不同，计算机智能又重新回到依靠数值计算解决问题的轨道上来，它是对符号智能中符号推演的再次否定。连接主义学派的复兴大有夺取人工智能霸主地位之势。但人脑的神经元内部结构及构成的网络的超复杂结构，使得完全利用简单的人工神经网络来模拟人脑的高级功能的局限性暴露出来，还有很长的一段路要走。2019/12/20人工智能293.群体智能流派由多智能体系统、生态平衡