第8章：人工智能与专家系统92

第8章人工智能与专家系统Nothingisimpossibleforawillingheart.心之所愿，无所不成。本章主要内容人工智能的基本原理专家系统原理与产生式规则专家系统遗传算法的决策支持一、人工智能的基本原理什么是智能?请说出3种你身边或你所知道的智能化事物什么是智能?智能（Intelligence)即智力功能，是人类大脑所具有的感知、认识、学习、理解、分析、综合、判断、推理、创造……等局部功能的总和与它们的有机综合的统称；因此，完善的智能中还应包含有人类的情感、意识、意志等这种高级因素。计算机与智能例子：IBM超级计算机通常我们用计算机，不仅要告诉计算机，要做什么，还必须详细地、正确地告诉计算机怎么做。也就是说，人们要根据任务的要求，以适当的计算机语言，编制针对该任务的应用程序，才能应用计算机完成此项任务。这样实际上是人完全控制计算机完成的，是谈不上计算机有真正的“智能”。一个例子---IBM超级计算机“深蓝”1997年5月11日，世界国际象棋棋王卡斯帕罗夫与美国IBM公司的RS／6000（深蓝）计算机系统进行了六局“人机大战”，结果“深蓝”以3.5比2.5的总比分获胜。一个例子---IBM超级计算机“沃森”2011年，IBM超级计算机Watson在《危险边缘》竞赛节目中击败了该节目历史上最成功的两位人类选手，继“深蓝”之后，聪明的人脑再一次败给了智慧程序。视频“诀窍”是什么？返回2、什么是人工智能(AI,ArtificialIntelligence)？就是研究怎样让计算机做一些通常认为需要智能才能做的事情，又称机器智能。虽然是计算机科学的一个分支，但并不只涉及到计算机科学，而且还涉及到脑科学、神经生理学、心理学、语言学、逻辑学、认知（思维）科学、行为科学和数学以及信息论、控制论和系统论等许多学科领域。21世纪三大尖端技术基因工程纳米科学人工智能关于人工智能问题是一个古老的但又十分新颖的研究课题各国在人工智能的研究上都已经获得巨大的进展各种传统的或新颖的智能模型迄今还不能完全而圆满地对大脑思维活动的过程进行解释和模拟人们还不十分了解信息在大脑中的底层结构和编码方法；象人们的概念、意识、情感和创造性思维过程等，还根本无从着手；在哲学上、自然科学以及社会学科上还有很大的争论，还不能得到一致认同。谷歌无人驾驶汽车内华达州是美国对公共道路无人驾驶立法的第一个州。截至2012年6月，谷歌的无人驾驶汽车已经在该州行进了25万英里。谷歌无人驾驶汽车的构造示意图及其描绘的3D地形图关于无人驾驶汽车的争议话题如果无人驾驶汽车因为避让行人而损害了其他车辆或给车内人员带来危险，它应该避让吗？为什么要研究人工智能？Peopleliketomakemachinesthatcandowhatwecan.BecausewearecuriousBecausewearelazyBecausewearenotsoable人工智能研究的目标如果说现在有一台电脑，其运算速度非常快、记亿容量和逻揖单元的数目也超过了人脑，而且还为这台电脑编写了许多智能化的程序，并提供了合适种类的大量数据，使这台电脑能够做一些人性化的事情，如简单地听或说。回答某些问题等。那么，我们是否就能说这台机器具有思维能力了呢?或者说，我们怎样才能判断一台机器是否具存了思维能力呢?1950年英国数学家图灵（A.M.Turing,1912—1954）发表了”计算机与智能”的论文中提出著名的“图灵测试”，形象地提出人工智能应该达到的智能标准。图灵测试即一个人在不接触对方的情况下，通过一种特殊的方式，和对方进行一系列的问答，如果在相当长时间内，他无法根据这些问题判断对方是人还是计算机，那么，就可以认为这个计算机具有同人相当的智力，即这台计算机是能思维的。如果由你来提问，你会问哪些问题呢？图灵测试－－示范性问题问：请给我写出有关“第四号桥”主题的十四行诗。答：不要问我这道题，我从来不会写诗。问：34957加70764等于多少？答：（停30秒后）105721问：你会下国际象棋吗？答：是的。问：我在我的K1处有棋子K；你仅在K6处有棋子K，在R1处有棋子R。现在轮到你走，你应该下那步棋？答：（停15秒钟后）棋子R走到R8处，将军！可以通过编制特殊的程序来实现。从表面上看，要使机器回答按一定范围提出的问题似乎没有什么困难，可以通过编制特殊的程序来实现。然而，如果提问者并不遵循常规标准，编制回答的程序是极其困难的事情。图灵测试的示范性问题－－不按常规的提问(1)问：你会下国际象棋吗？答：是的。问：你会下国际象棋吗？答：是的。问：请再次回答，你会下国际象棋吗？答：是的。你多半会想到，面前的这位是一部笨机器!问：你会下国际象棋吗？答：是的。问：你会下国际象棋吗？答：是的，我不是已经说过了吗？问：请再次回答，你会下国际象棋吗？答：你烦不烦，干嘛老提同样的问题。图灵测试的示范性问题－－不按常规的提问(2)那么，你面前的这位，大概是人而不是机器!“图灵梦想”的对话在这段对话中“询问者”代表人，“智者”代表机器，并且假定他们都读过狄更斯（C.Dickens）的著名小说《匹克威克外传》，对话内容如下：询问者：在14行诗的首行是“你如同夏日”，你不觉得“春日”更好吗？智者：它不合韵。询问者：“冬日”如何？它可完全合韵的。智者：它确是合韵，但没有人愿意被比作“冬日”。询问者：你不是说过匹克威克先生让你想起圣诞节吗？智者：是的。询问者：圣诞节是冬天的一个日子，我想匹克威克先生对这个比喻不会介意吧。智者：我认为您不够严谨，“冬日”指的是一般冬天的日子，而不是某个特别的日子，如圣诞节。能满足这样的要求，要求计算机不仅能模拟而且可以延伸、扩展人的智能，达到甚至超过人类智能的水平，在目前是难以达到的！人工智能的应用减少密集型劳动强度，提高可靠性。提高自动化程度，降低对人员质量，数量的需求，降低成本。人工智能技术应用于机器人，可以代替人类完成危险的、不适于人来完成的工作。人工智能的应用－人脸识别她是谁?人工智能的应用－机器翻译翻译句子“Thespiritiswillingbutthefleshisweak”翻译工具谷歌在线翻译爱词霸英语翻译……如何实现智能？专家系统神经网络机器学习遗传算法自然语言理解……等.二、人工智能的基本原理知识的分类事实对客观事物属性的值或状态的描述如：今天很热、我今年50岁、大海是蓝色的等规则如果A则B如果今天下雨，我就留在家里规律同一类现象的本质关系或本质之间的稳定联系自然规律：水加热后会变成水蒸气知识：是经过提炼加工的信息，是一个或多个信息之间的关联。知识的推理方法演绎推理从一般现象到个别现象的推理“苏格拉底之死”归纳推理从大量个别现象到一般现象的推理金受热后体积膨胀，银受热后体积膨胀，铜受热后体积膨胀，铁受热后体积膨胀，…，因此，金属受热后都体积膨胀。类比推理从个别现象到个别现象的推理如汽车：运输；鱼网：捕鱼知识的表示就是对知识的一种描述，或者说是一组约定，一种计算机可以接受的用于描述知识的数据结构。对知识进行表示的过程就是把知识编码成某种数据结构的过程。知识的表示方法直接表示计算机对直接表示的信息难以处理。直接表示难以表示定量信息（语言设计失败）直接表示不能描述自然世界的全部信息逻辑表示：一阶谓词逻辑是谓词逻辑中最直观的一种逻辑。它以谓词形式来表示动作的主题、客体。客体可以多个。如：张三与李四打网球（ZhangandLiplaytennis），可写为：play(Zhang,Li,tennis)这里谓词是play，动词主体是Zhang和Li，而客体是tennis。产生式规则表示法语义网络表示法如何选择知识表示方法？表示知识的范围是否广泛例如，数理逻辑表示是一种广泛的知识表示办法，如果单纯用数字表示，则范围就有限制。是否适于推理人工智能只能处理适合推理的知识表示，因此所选用的知识表示必须适合推理。数学模型（拉格朗日插值法）适合推理，普通的数据库只能供浏览检索，但不适合推理。是否适于计算机处理计算机只能处理离散的、量化的byte字节流。因此，用文字表述的知识和连续形式表示的知识（如微分方程）不适合计算机处理。是否有高效的求解算法考虑到实用的性能，必须有高效的求解算法，知识表示才有意义。能否表示不精确知识自然界的信息具有先天的模糊性和不精确性，能否表示不精确知识也是考虑的重要因素。知识和元知识能否用统一的形式表示知识和元知识是属于不同层次的知识，使用统一的表示方法可以使知识处理简单。三、专家系统原理与产生式规则专家系统知识就是力量,而积累了知识的计算机会全面增强我们的力量。--费根鲍姆(斯坦福大学教授)一个实例：智能农业专家系统实例（续）实例（续）专家系统的概念什么是专家？专家系统（ES，ExpertSystem）人类之所以能求解问题，是因为人类具有知识。定义专家系统是利用大量的领域专家知识，运用知识推理方法解决特定领域实际问题的计算机程序系统。学科代表人物爱德华·费根鲍姆（EdwardFeigenbaum）1968年世界上第一个专家系统DENDRAL问世。用于诊断传染病和提供治疗建议的著名专家系统MYCIN专家系统的特点专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。具有大量的专门知识与经验根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断需要解决的问题要足够的复杂专家系统的优点具体地说，包括下列几个方面：(1)专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。(2)专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。(3)可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。(4)专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力。第一个商用专家系统：R1世界上第一个成功的商用专家系统，1982年开始正式在DEC公司使用。该程序帮助为新计算机系统配置订单；到1986年为止，估计它为公司每年节省了4千万美元。在1991年的海湾危机中，美国军队使用专家系统用于自动的后勤规划和运输日程安排。这项工作同时涉及到50000个车辆、货物和人，而且必须考虑到起点、目的地、路径以及解决所有参数之间的冲突。AI规划技术使得一个计划可以在几小时内产生，而用旧的方法需要花费几个星期。海湾战争中的专家系统专家系统的主要构成“系统”？体系结构？知识库结果解释器知识推理机知识获取器人机接口用户知识工程师领域专家专家系统的核心部件4.2.3基于规则的表达方法规则是什么？IF（条件）THEN（结论）例子：IF（动物有毛发）THEN（动物是哺乳动物）IF（动物有奶）THEN（动物是哺乳动物）IF（动物有羽毛）THEN（动物是鸟）IF（动物会飞）并且（动物会产蛋）THEN（动物是鸟）产生式规则表示法美国数学家Post，1943年提出了一种计算形式体系里所使用的术语。主要是使用类似文法的规则，对符号串做替换运算。这就是最早的一个产生式系统。到了60年代，产生式系统成为认知心理学研究人类心理活动中信息加工过程的基础，由此心理学家认为，人脑对知识的存储就是产生式形式。因此，用它来建立人类认知模型。到目前为止，产生式系统已发展成为人工智能系统中最典型最普遍的一种结构。产生式表示方法是专家系统的第一选择的知识表达方式。产生式规则知识的表示表示形式ifAthenB或表示为“如果A成立则B成立”，简化为A→B举例规则1：如果发动机在抽油而且发动机会旋转那么火花塞有故障规则2：如果发动机不旋转而且灯不亮那么电池或电缆有故障规则3：如果发动机不旋转而且灯