1 人工智能与专家系统(GIS)

人工智能与专家系统黄解军教材及参考资料人工智能及其应用，王万良，高等教育出版社，2005年ArtificialIntelligence人工智能NilssonN.J.尼尔逊（美），《机械工业出版社》人工智能及应用.傅京孙.北京：清华大学出版社，1989；计算机决策支持系统，孟波，武汉：武汉大学出版社，2003年；据挖掘原理与技术，张云涛、龚玲，北京：电子工业出版社，2004年；●什么是人工智能？●人工智能研究的目标●人工智能研究途径●人工智能研究的内容人工智能研究中的学派人工智能研究的内容●人工智能研究领域第一章绪论第二章知识表示●知识与知识表示●对知识表示的要求●知识表示方法第三章基本的问题求解方法●基本概念●状态空间搜索●与/或树搜索●博弈树的启发式搜索第四章基本推理方法●推理的基本概念●推理方式和分类●推理控制策略●归结反演●基于规则的演绎系统第五章不确定性推理●不确定性推理的基本概念●确定因子法●主观Bayes方法●证据理论●可能性理论第六章专家系统●专家系统的基本概念●专家系统的一般结构●专家系统的建造与评价●专家系统开发工具●专家系统开发环境●新一代专家系统的研究●几个著名的专家系统第七章机器学习●机器学习的概念●学习系统模型●机器学习分类●机器学习研究历史●机器学习的研究目标●几个著名的学习系统第八章人工神经网络●神经元与神经网络●神经网络学习算法●神经网络应用第九章进化计算●遗传算法●粒子群算法●蚁群算法●具有感知能力●具有记忆与思维能力●具有学习能力●具有行为能力智能的特征1.1人工智能人的智能与人工智能智能问题人工智能要研究的主要问题人工智能常用的方法计算机可以有智能吗?人工智能已经进入我们的生活，人类正在迈入智能社会无人驾驶飞机、扫雷机器人、卫星评估粮食产量、医学专家系统、、购物篮分析、信息过滤、人脸的识别、人机搏弈、机器人足球、……人工智能是高科技竞争的前沿阵地–人工智能与空间技术,原子能技术一起被誉为20世纪的三大科学技术成就。–有预言家说：–“掌握了人工智能，就能征服整个世界。”智能时代正向我们走来大环境目前世界经济正面临新的结构调整，先进发达的国家将领先进入知识经济时代，其特点是工业生产和社会生活全球化、信息化和知识化。知识就是第一生产力，高科技是知识发现的结晶，也是第一生产力，高科技需要高智能的开发与应用和高智力投入新知识的产出知识经济时代的发展必然依赖于电子信息产业的网络化、信息化、智能化。智能时代正向我们走来21世纪将拥抱智能计算智能计算（IntelligentComputing）——一种使机器更聪明地去获取和处理信息的计算。它是覆盖计算的所有领域，具有广泛应用价值的计算技术。如神经计算、遗传算法、模糊数学、粗糙集理论、统计与概率、分布式计算……——人类基因组计划：人类免疫系统的识别和预测；后基因工程的实施；分子药物制造与新药研究……——金融、证券每天产生的海量数据中评估的预测……——网络安全、网络搜索、电子商务和电子政务的决策分析……智能时代正向我们走来微电子技术的发展将推动第三次产业革命——智能计算机普遍认为未来15－20年内摩尔定理仍然有效，即CPU的速度每18个月翻一番。目前芯片直径从200mm硅圆片向300mm过渡，0.13~0.15微米线宽工艺已批量生产，正向纳米线宽迈进，预计2010年可以实现100亿个管子／芯片、2亿条指令／秒的水平，即比目前水平提高两个数量级以上。数据传输从1000M相10G～100G发展，无线网、以太网将大行其道。智能时代正向我们走来最伟大的挑战项目从起步到成功几乎都经历了50年左右的历史，如——从1903年莱特兄弟最初飞行成功至1966年阿波罗登月花了66年；——从1946年数字计算机发明至1997年计算机打败象棋世界冠军花了51年；——从1953年DNA发现至2003年绘出人类基因排列图需要50年；人工智能从1956年至今已经47年，预计未来3至5年内，在智能计算、机器人足球打败真正的世界冠军等方面会有突破。人的智能与人工智能人的智能：人类思维活动表现出来的能力（解决智能问题的能力）–感知和理解能力–思维与演绎能力–学习能力与适应环境能力–行为能力人工智能：通过某些方法使机器有类似于人的智能。–研究如何使机器能听、会说、能看、会写、能思考推理、会学习，能解决各种实际问题。人工智能是研究知识的一门科学，即如何表示知识，如何获取知识和如何利用知识的科学。智能问题重排九宫问题（拼图游戏）旅行商问题（travellingsalesmanproblem,TSP问题）梵塔”问题(TowerofHanoiProblem):寻宝问题博弈问题重排九宫问题2831647■5初始状态1238■4765目标状态请用尽可能少的棋步从初始状态达到目标状态。九宫重排问题的求解传教士和野人问题（MissionariesandCannibals)(简称M-C问题）有个N传教士和N个野人来到河边准备渡河，河岸有一条船，每次至多可供K(N)个人乘坐，传教士为了安全起见，考虑在任何情况下（河两岸和船上）和任何时刻都不允许野人数目超过传教士的人数,请给出摆渡方案.2个野人去，1个野人回2个野人去，1个野人回2个传教士去，1个野人与1个传教士回2个传教士去，1个野人回2个野人去，1个野人回2个野人去，完成旅行商问题（travellingsalesmanproblem,TSP问题）销售员到几个城市去推销商品，城市之间的距离是已知的，他现在从某一个城市出发，经过每个城市一次，最后又回到出发的城市。要求归划好一条最短路线。7710101013656ABEDC“梵塔”问题(TowerofHanoiProblem)3阶“梵塔”问题(TowerofHanoiProblem):–有三个柱子(1，2和3)和两个不同尺寸的圆盘(A，B，C)。在每个圆盘的中心有个孔，所以圆盘可以堆叠在柱子上,最初,全部三个圆盘都堆在柱子1上(最大的在底部,最小的在顶部)。要求把所有圆盘都移到另一个柱子上，搬动规则为：(1)一次只能搬一个圆盘(2)不能将大圆盘放在小圆盘上(3)可以利用空柱子。图梵塔132C123AB123ABABCC3阶“梵塔”问题分解(1,1,1)(3,3,3)(1,1,1)(1,2,2)(1,2,2)(3,2,2)(3,2,2)(3,3,3)(1,1,1)(1,1,3)(1,2,3)(1,2,2)(1,1,3)(1,2,3)(3,2,2)(3,3,3)(3,2,2)(3,2,1)(3,3,1)(3,3,3)寻宝问题有三个盒子（金,银,铜）其中一个盒子里放有一颗宝石，每个盒子外写有一句话，其中只有一句是真话，问宝石在哪里。–金盒：宝石在这只金盒子里。–银盒：宝石不在这只银盒子里–铜盒：宝石不在金盒子里推理方法–正向推理–反向推理推理过程：–假设：分别假定宝石在三盒子里–前题：一句对，其它两句错误金盒：宝石在这只金盒子里。–银盒：宝石不在这只银盒子里–铜盒：宝石不在金盒子里假设集合宝石在金盒子里假设1宝石在铜盒子里宝石在银盒子里假设2假设3宝石在这只金盒子里宝石不在金盒子里宝石不在这只银盒子里正确不正确正确矛盾123第一句第二句第三句第三句第二句第一句不正确正确正确矛盾不正确正确不正确满足前提条件宝石在银盒子里博弈问题分钱币游戏：有一堆数目为的钱币，两个选手轮流将它一分为二，规则是无论哪个选手分币时，一次只能挑选其中的一堆把它分为两小堆，而且必须满足分堆后两小堆的钱数不能相等，直到哪个选手无法再分时，即碰到每堆钱币数为1或2的情况，他即为输家问题表示：.设N=6,选手MAX，MIN，数字序列x1,x2…xn为n堆钱币不同的个数。例（6，MAX）表示甲从一堆（6个）钱币开始分（5，1，MIN）MIN要分的状态分钱币的搜索树S0(6,MAX)S1(5,1,MIN)S4(3,2,1,MAX)S2(4,2,MIN)S6(2,2,1,1,MIN)S3(4,1,1,MAX)S7(2,1,1,1,1,MAX)S5(3,1,1,1,MIN)MIN输MAX输你体验过“芝麻开门”的感觉吗？阿里巴巴对着山洞的门一念“芝麻开门”，山洞的门就打开了，再念“芝麻关门”，山洞的门又自动关上了。科幻片《X战警》中，X教授只要在实验室门口一站，实验室的门就会自动打开，并且发出声音欢迎X教授的到来，而其他人则没法进去。国内某些厂家生产的个人数字助理（PDA），给人们提供了一个微型书写板和笔，让信息的输入更符合人们的自然习惯。……机器人图片欣赏▲咱们握握手！机器人图片欣赏▲来一段舞怎样？机器人图片欣赏▲我是家用机器人！电影《人工智能》AI是普遍的研究领域–和人类智能活动的所有范畴都潜在相关人vs.理性–人：经验科学，涉及许多假设和实验证实–理性：数学和工程相结合。一个系统如果能够在它所知的范围内“正确行事”，它就是理性的。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像人一样行动:图灵测试图灵预测，2000年之前计算机有30%的概率蒙骗一个普通人达5分钟。然而，AI研究者相信研究智能的根本原则远比复制样本更重要。Source:lecturenotesbyDr.HweeTouNg,Singapore图灵（人工智能之父）的梦想图灵测试：人通过特殊的方式，在不知情的条件下，和机器进行问答，如果在相当长时间内，分辨不出与他交流的对象是人还是机器，那么，就可以认为这台机器是能思维的。人工智能：简称AI，是一门研究机器智能的学科。研究人工智能的目的就是让计算机能够像人一样思考。人工智能涉及到的学科与领域：计算机科学、认知心理学、哲学等，包括模式识别、自然语言处理、智能机器人、机器证明、神经网络、博弈与符号运算等领域。图灵测试对计算机的要求自然语言处理知识表示自动推理机器学习完全图灵测试–计算机视觉–机器人技术像人一样思考：认知模型方法确定人是怎样思考的–通过内省–通过心理测试（blackbox）通过计算机程序来表达关于思维的结论–比较计算机输入/输出以及timingbehavior和人类行为，例子：GeneralProblemSolverbyNewell&Simon。认知科学：把AI的计算机模型和心理学的实验相结合，试图创立一种精确且可检验的人类思维工作方式理论。理性地思考：“思维法则”方法“正确思考”是不能辩驳的推理过程（Aristotle）–三段论：前提正确结论正确描述世界上一切事物及其彼此之间关系的精确的命题符号（19世纪）求解任何用逻辑符号描述的可解问题的程序（1965）逻辑的方法的两个障碍：–难以获得非形式化的知识并得到逻辑符号表示所需的形式化表达，尤其当知识不可靠时。–“原则上”可以解决一个问题与实际解决问题这两者之间存在巨大的差异：如果推理步骤不合适，会耗尽计算机的资源。理性地行动：理性智能体方法智能体是某种能够行动的东西，区别于简单“程序”–自主控制的操作–感知环境–持续能力–适应变化–有能力承担其它智能体的目标–通过自己的行动获得最佳结果做出正确的推论是理性智能体的部分功能，但不是理性的全部内容。图灵测试中需要的所有技能都是为了做出理性行为AI的基础:为AI贡献想法、观点和技术的学科的简史哲学（公元前428年至今）数学（约800年至今）经济学（1776年至今）神经科学（1861年至今）心理学（1879年至今）计算机工程（1940年至今）控制论（1948年至今）语言学（1957年至今）哲学形式化规则能用来抽取合理的结论吗？–Aristotle的三段论：在初始前提的条件下机械地推导出结论。–用机械装置进行推理RamonLull,LeonardodaVinci,WilhelmSchickard精神的意识是如何从物质的大脑产生出来？–Descartes给出了第一个关于意识和物质之间的区别及由此引起的问题的清晰讨论：–二元论vs.唯物主义描述意识的形式化