第1讲人工智能概述

2019/8/11人工智能及其应用主讲：文志强博士计算机与通信学院2019/8/12《人工智能及其应用》课程内容第1讲人工智能概述第2讲产生式系统及搜索方法第3讲人工神经网络第4讲进化计算及人工生命第5讲机器学习第6讲分类方法简介第7讲贝叶斯决策论第8讲参数估计方法2019/8/13教材和参考教材参考教材：1蔡自兴等，人工智能及其应用，清华大学出版社，2003.2StuartRussell,PeterNorvig,ArtificialIntelligence：AModernApproach(SecondEdition),2003.3人工智能及其应用,李长河主编，北京：机械工业出版社,2006。4.RichardO.Duda,李宏东等译.《模式分类》,机械工业出版社.2003.2019/8/14考核方法最后成绩=平时成绩*30%+期末考试(开卷)*70%。2019/8/151.前言——智能2.什么是人工智能？其在现代科学中的地位如何？3.人工智能的研究目标及其研究内容4.人工智能研究的方法与发展过程5.人工智能与现代计算机科学技术6.人工智能应用领域及其分支学科第1讲高级人工智能概述2019/8/161.1什么是智能？智能：智慧与能力。智商：感觉、去记、回忆、思维的能力。能商：语言、行为的能力。情商：智商和能商发挥的程度。1.前言——智能2019/8/171.2智能技术智能手机（Smartphone)：类似个人电脑。2019/8/18智能家居：利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务管理系统。目的：家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，环保节能2019/8/19智能电视像智能手机一样，具有全开放式平台，搭载了操作系统。可以由用户自行安装和卸载软件、游戏等第三方服务商提供的程序。通过程序来不断对彩电的功能进行扩充，并可以通过网线、无线网络来实现上网冲浪。2019/8/110智能电网使用先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术。实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全等目标。提供高质量电能、容许各种不同发电形式的接入等。2019/8/111智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。有效应器，能使手、脚、长鼻子、触角等动起来。能分析出现的情况，完成相应的动作。2019/8/112智能交通系统集成了先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等。可以有效地利用现有交通设施、减少交通负荷和环境污染、保证交通安全、提高运输效率。ETC不停车收费系统2019/8/113工程机械的智能化使用智能技术，使得工程机械在没有操作人员的参与的情况下能通过安装各种复杂的传感器获取环境的信息，做出决策。智能化工程机械具有自我感知、自主决策、自动控制的功能，是智能机器人的一类。国家863计划重大专项：机群智能化工程机械(三一重工)2019/8/114人工智能，顾名思义，即用人工制造的方法，实现智能机器或在机器上实现的智能系统。人工智能，译自英文ArtificialIntelligence,简称AI。从学科的角度去认识，AI是一门研究构造智能机器或实现机器智能的学科，是研究模拟、延伸和扩展人类智能的科学。2.什么是人工智能？其在现代科学中的地位如何？2019/8/115其他定义：定义1智能机器能够在各类环境中自主地或交互地执行各种拟人任务的机器。定义2人工智能(学科)人工智能(学科)是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支。它的近期主要目标在于研究用机器来模仿和执行人脑的某些智力功能，并开发相关理论和技术。定义3人工智能(能力)人工智能(能力)是智能机器所执行的通常与人类智能有关的智能行为，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、通信、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。2019/8/116自然智能与人工智能2019/8/117什么是人工智能研究？“ArtificialIntelligenceistheartofcreatingmachinesthatperformfunctionsthatrequireintelligenceperformedbypeople.”“AIisthestudyofhowtomakecomputersdothingsatwhich,atthemoment,peoplearebetter.”——fromTheAgeofIntelligenceMachines,R.Kurzwell,MITPress,1990.2019/8/118TuringTest机器是否具有智能？2019/8/119那么，人工智能在现代科学中的地位如何呢？实际上，AI是一个大学科，其特点可概括为：前沿学科：人工智能从其诞生起，就一直是当代科学技术的前沿学科；新兴学科：是一门新思想、新理论、新技术、新成就不断涌现的新兴学科。边缘学科：人工智能的研究，是在计算机科学、信息论、控制论、心理学、生理学、数学、物理学、化学、生物学、医学、哲学、语言学、社会学等多学科的基础上发展起来的。因此，它又是一门综合性极强的边缘学科。2019/8/1203.人工智能的研究目标及其研究内容当前，正处于信息科学革命时代；与前三次工业革命的目标不同；（哪三次？即动力工业革命、能源工业革命、电子工业革命）人工智能的研究目标是：不仅在于实现人的肢体功能、体力工具的替代与延伸，而更重要的是——实现人的大脑功能和智慧能力的替代与延伸。2019/8/121人工智能的研究内容——机器思维机器感知、决策与行为其目的即实现人的智能！2019/8/122其中，对照人类智能，则人工智能研究的基本问题还有：常识的表达与理解情感的描述感知能力2019/8/123例如，自然感知能力有：视觉听觉嗅觉触觉2019/8/1244.人工智能研究的方法与发展过程三种不同的认知观符号主义（Symbolicism）连接主义（Connectionism）行为主义（Actionism）2019/8/125又称逻辑主义、心理学派或计算机学派，可简称为逻辑派或功能派。采用“黑盒”研究法。认为AI源于数理逻辑。人类智能的基本单元是符号，认知过程是符号表示下的符号运算。符号主义——功能模拟的方法2019/8/126代表性成果：50年代的LT（逻辑理论家）60年代的GPS(GeneralProblemSolver)70年代的专家系统80年代的KIPS（日本的第五代计算机研究计划）90年代的人机博弈21世纪之初的现代演绎战争符号主义——功能模拟的方法2019/8/127存在局限性及可能解决的途径：①形式化方法对于非逻辑的推理过程，经验式模糊推理，形象思维推理，往往难以用符号系统表示；②符号形式化方法的有效性取决于符号概念的精确性。当把有关信息转换成符号化的推理机制时，将会丢失一些重要的信息；③对于带有噪声的信息以及不完整的信息往往也难以进行恰当的表达和处理。解决局限性的可能途径是：可采用互连技术的方法——即结构派采用技术思路，则具有很好的互补作用。符号主义——功能模拟的方法2019/8/128又称仿生学派或生理学派，其原理主要为人工神经元网络（NeuralNetwork）及神经网络间的连接机制与学习算法。采用“白盒”研究法；又称为网络互连（NetworkConnection）的技术研究方法。认为AI源于仿生学，特别是人脑模型的研究。连接主义——结构模拟的方法2019/8/129①1943年初次提出神经元模型②80年代中后期各种ANN模型如雨后春笋，脱颖而出③90年代前后，世界欣起ANN研究热潮，研究成果成千上万，例如感知机、BP(BackPropagation)算法等④神经网络计算机：多达数百个以上微处理器互连而成⑤计算智能，遗传算法研究兴起与发展⑥现代ANN技术结合图像处理，动目标识别，对于局部畸变不敏感，常常能获得意外效果。连接主义——结构模拟的方法代表性成果2019/8/130存在局限性及其解决思路：难以用因果分析关系解释其活动过程。而这恰恰是符号化逻辑处理的优势，二者互补。其发展与展望是：随着进化计算（EC）理论开拓和生物医学工程技术进步，尤其克隆技术的发展，前景十分诱人。连接主义——结构模拟的方法2019/8/131又称进化主义或控制论学派，其原理为控制论及感知-动作型控制系统。认为AI源于控制论。代表性成果智能控制和智能机器人系统。Brooks等人实现了具有多腿脚协调行走、并可上下楼梯的机器蝗虫；EmbodiedAI（具体的人工智能装置）行为主义——行为模拟的方法2019/8/132主要特点：适应性强，难度较低，易于物理实现；行为模拟的“小前提”思想——即采用层次式处理手法的逐个前提条件“满足－实现→小有成功；再进行第二层次…依次推进装置完善、成功。直觉式感知模拟，便于实现经验式智能。局限性：缺乏系统理论指导，必须加强规划决策指导与体系结构分析。行为主义——行为模拟的方法2019/8/133人工智能信息系统理论及其层次结构的研究人工智能的三种研究方法：即功能模拟方法、结构模拟方法和行为模拟方法。为了寻求一种统一的AI理论体系，以涂序彦教授为代表的中国学者提出了一种广义智能信息系统论，其主要组成如下图所示。2019/8/134广义智能信息系统论智能信息论广义智能论智能系统论感知信息论思维信息论行为信息论智能普存论智能层次论智能进化论感知系统论思维系统论行为系统论涂序彦：广义智能信息系统论构成框架2019/8/1355.人工智能与现代计算机科学技术人工智能或者说智能科学，是当代信息社会的大学科，是知识信息经济时代的主战场。智能化：是现代计算机科学技术的主流方向，而人工智能科学发展水平又与现代计算机科学技术发展基础密切相关。因此，二者发展相辅相成。人工智能则可否在现代计算机系统的环境下，通过各种研究学习活动而获得呢？2019/8/1365.人工智能与现代计算机科学技术人类智能是自然发生的，而人工智能需要人类归纳综合各种智能发生规律，并变换为机器的计算方法来实现其智能。人类智能指标，诸如智商水平、文化、素养和修德水准等，有人又把后者称为情商。人工智能只能通过计算机的“计算”来实现。显然，这里的“计算”具有广义含意。2019/8/1372019/8/138结论：实现人工智能的本质，就是让现代计算机完成某种特定的计算。计算机的计算粗略可分为简单计算和复杂计算两类；而哪些计算可称为智能计算，则解释不一。智能计算：诸如搜索、推理、分布式AI计算、神经计算、视觉计算、模式识别计算、遗传及其进化计算等；另外还提出所谓情感计算等。在复杂的机器计算中，人们曾经发展了网络计算、网格（Grid）计算等。一种新的智能计算近年来已经被提出，这就是——普适计算（PervasiveComputing）5.人工智能与现代计算机科学技术2019/8/139普适计算计算模式（ComputingParadigm）对计算技术的发展有着至关重要的作用。综观计算发展史，计算模式已经历了主机计算（MainframeComputing）和桌面计算（DesktopComputing）两个时代。进入计算模式第三时代——普适计算中各种具有计算和联网能力的设备将变得像现在的水、电、纸、笔一样，随手可得；人与计算机的关系将发生革命性的改变，变成一对多、一对数十甚至数百，同时，计算机的使用者也将从必须具有一定计算机知识的人员普及到普通百姓。计算机不再局限于桌面，它将被嵌入到我们的工作、生活空间中，变为手持或可穿戴的设备，甚至与我们日常生活中使用的各种器具融合在一起，从而使信息空间与物理空间融合一体。2019/8/140普适计算带来的新课题、新机会课题一：开发针对