智能科学技术导论 第01讲 引论

智能科学技术导论第01讲引论主讲:周昌乐教授福建省仿脑智能系统重点实验室厦门大学智能科学与技术系周昌乐教授教学课件[e-mail]题记夫天下险能生妙，非天下妙能生险也；险故妙，险绝故妙绝；不险不能妙，不险绝不能妙绝也。游山亦犹是矣。不梯而上，不缒而下，未见其能穷山川之窈窕，洞壑之秘隐也。——（清）金圣叹福建省仿脑智能系统重点实验室3第1.1节学科概述任何一个学科，都有自己研究的对象、任务与历史，作为智能科学技术导论课程的第一讲，我们首先就这一学科的基本概况、研究的对象以及发展历史，做简要的论述，使得同学们一开始就对本学科有一个比较整体的把握。福建省仿脑智能系统重点实验室4第1.1节学科概述1、学科基本描述智能概念界定：神经、认知与智能，研究问题的角度与目标不同可以有完全不同的界定。可选的智能定义（对于情境有很灵活的反应；充分利用机遇；弄懂含糊不清或彼此矛盾的信息；分清重要和次要；发现不同事物的相似性；从相似之处找出差异；用旧概念综合新概念；提出全新的观念。）请诸位同学，也给出自己心目中的“智能”定义。福建省仿脑智能系统重点实验室5第1.1节学科概述1、学科基本描述学科目标性界定：将人类智能（部分地）植入机器，使其更加“聪明”灵活地服务于人类社会。根据这个定义，智能科学技术专业的学科内涵将涉及到智能哲学、智能科学、智能技术、智能服务等多个方面。下面我们分别简要加以论述。福建省仿脑智能系统重点实验室6第1.1节学科概述1、学科基本描述（1）智能哲学：其中“部分地”：涉及心灵哲学，人工智能哲学讨论：人类具有美妙绝伦的智慧，机器能否也可以拥有与之相媲美的智能呢？也就是说，机器真的也会拥有人类的心智、机器也能够像我们一样会哭会笑并意识到自己的情感波动、像我们一样具有创造性能力并会不断自我完善、创造出更加聪明的机器后代吗？福建省仿脑智能系统重点实验室7第1.1节学科概述1、学科基本描述（2）智能科学：涉及狭义认知科学，人工智能理论研究。所谓狭义的认知科学就是“心智计算理论”，其核心假设就是：“对思维昀恰当的理解，是将其视为心智中的表征结构以及在这些结构上进行操作的计算程序。”（参见萨伽德，《心智：认知科学导论》，上海辞书出版社，2012年版，第11页）这样智能科学涉及的范围，就可以用下面示意图来说明了。福建省仿脑智能系统重点实验室8第1.1节学科概述①神经计算建模②认知程序模拟③自然语言处理智能科学涉及的学科示意图福建省仿脑智能系统重点实验室9第1.1节学科概述1、学科基本描述（3）智能技术：涉及综合信息技术，人工智能方法研究。智能科学与技术学科的奇异之处就是试图将一长串严格形式化的规则放在一起，用这些规则教给不灵活的机器如何能灵活起来。此时，就涉及到具体的技术实现问题，包括智能计算技术、智能控制技术、智能交互技术，甚至脑机融合技术等。福建省仿脑智能系统重点实验室10第1.1节学科概述1、学科基本描述（4）智能服务：涉及智能产品研发，人工智能应用研究。我们处于一个信息化的时代，支撑这个时代的技术就是信息技术，而信息技术的前沿技术就是智能技术。因此信息化不可能停留在电子化、数字化之上，而是要不断走向智能化。应该说，智能技术不仅仅是信息技术发展的驱动力，而且其本身也越来越成为信息技术的主流。福建省仿脑智能系统重点实验室11第1.1节学科概述1、学科基本描述学科所处的地位：信息科学与技术学科主要包括电子科学与技术、通信科学与工程、控制科学与工程、计算机科学与技术以及智能科学与技术等五个本科专业。为了学生们大略了解不同学科在整体信息学科群的地位与相互之间的关系，我特意给出了一个“信息类学科ICE关系图”。福建省仿脑智能系统重点实验室12第1.1节学科概述智能I控制C计算C通信C电子E升华层面运作层面基础层面信息冰山：信息类学科ICE关系图福建省仿脑智能系统重点实验室13第1.1节学科概述1、学科基本描述对社会进步的作用：21世纪的社会是信息社会，而信息社会的高级阶段就是智能社会。就像信息技术是信息社会的核心支撑技术一样，智能社会的核心支撑技术就是智能技术。我们这个时代也称为第二轴心时代，而从技术层面昀终表现形式，就是智能社会。从历史发展的趋势看，未来的社会必将是智能社会。福建省仿脑智能系统重点实验室14第1.1节学科概述2、厦门大学智能学科概况厦门大学是全国第三个建立智能科学与技术系的大学（2007年建系，目前全国有7个大学建有智能系，近20所高校设有智能科学与技术本科专业），主要优势研究方向包括仿脑智能系统、自然语言处理、智能媒体技术。建有福建省仿脑智能系统重点实验室，是中国人工智能学会理事单位，福建省人工智能学会理事长单位。福建省仿脑智能系统重点实验室15第1.1节学科概述2、厦门大学智能学科概况目前,全系拥有教授5名（博士生导师4名，闽江特聘教授1名，福建省百千万人才1名）、副教授10余名。先后承担20余项国家级各类科研项目，学院惟有5项国家973、863项目均出自智能系。清华大学张钹院士为我系双聘院士，并担任福建省仿脑智能系统重点实验室学术委员会主任。福建省仿脑智能系统重点实验室16第1.1节学科概述2、厦门大学智能学科概况建系以来，与国际学术界开展广泛学术合作与交流，联合培养本科、硕士、博士20余名，具有海外学习或访问一年以上经历的教师占50%。本科教学包括课堂教学、课外竞赛、课程实践、社会实习、毕业设计等环节，我校实施本科生导师制。智能系本科生配备昀优秀的教师担任本科指导老师。福建省仿脑智能系统重点实验室17第1.1节学科概述3、本门课程基本介绍课程的培养目标：（1）了解学科的基本内容，包括概念、思想、方法、前沿及难题等；（2）拓展学生的知识面，介绍主要相关学科的基本情况；（3）提高学生的思维能力，转变学生的思想境界。毛泽东指出:“学校的全部工作在于转变学生的思想。”福建省仿脑智能系统重点实验室18第1.1节学科概述3、本门课程基本介绍课程内容及进度安排：除了第一讲引论与昀后一讲展望外，整个课程内容分为三个部分：计算基础知识、智能科学研究、智能技术应用。具体进度安排如下。福建省仿脑智能系统重点实验室19第1.1节学科概述导论课程内容及其进度安排表讲课第次周序讲座内容备注第01讲引论第4周学科概述、人类大脑、智能简史第02讲机器系统第5周数据存储、数据操作、操作系统计算基础第03讲算法设计第6周算法概说、算法构造、算法结构计算基础第04讲程序编制第7周编程语言、程序结构、软件开发计算基础第xx讲学习适应轮空不讲知识表示、学习类型、机器学习智能科学第05讲视觉感知第8周视觉机制、视觉计算、知觉困境智能科学第06讲意义理解第9周诗歌解读、语言处理、意义领悟智能科学第07讲思维能力第10周智力游戏、难倒深蓝、模式转绎智能科学福建省仿脑智能系统重点实验室20第1.1节学科概述导论课程内容及其进度安排表（续）讲课第次周序讲课内容备注第08讲情思表达第11周诗文创作、传情达意、情感审美智能科学第09讲行为展现第12周行为表征、行为控制、机器歌舞智能科学第xx讲意识反思轮空不讲意识科学、机器意识、心识自明智能科学第10讲智能接口第13周人机会话、情感交流、脑机接口技术应用第11讲智能系统第14周专家系统、智能机器、智能武器技术应用第12讲智能社会第15周智能家居、智能交通、智慧城市技术应用第13讲展望第16周机器困境、智能哲学、学科前景闭卷笔试期末考试第17周福建省仿脑智能系统重点实验室21第1.1节学科概述3、本门课程基本介绍关于教材问题：由于智能科学与技术专业是一个新兴学科，目前暂无比较理想的教材。名义上我们的教材是：钟义信，《智能科学技术导论》，智能科学与技术本科专业系列教材,北京邮电大学出版社，2006年。实际上，则以我的课件为主，主要参考书为：周昌乐，《无心的机器》，湖南科学技术出版社，2000[美]布罗克契尔（J.GlennBrookshear），《计算机科学概论》（第七版），王保江等译，人民邮电出版社，2003年版[加]保罗·萨伽德，《心智：认知科学导论》（第二版），朱菁等译，上海辞书出版社，2012年板。福建省仿脑智能系统重点实验室22第1.1节学科概述3、本门课程基本介绍深度专业读物：为了满足同学们不断增长的求知欲，建议参考如下进一步的专业读物：周昌乐，《心脑计算举要》，清华大学出版社，2003[美]侯世达，《哥德尔、艾舍尔、巴赫——集异璧之大成》，商务印书馆，1996史忠植，《智能科学》，清华大学出版社，2006韩济生主编，《神经科学原理》第二版，北京医科大学出版社，1999年版[日]艉田秀司，《仿人机器人》，管贻生译，清华大学出版社，2007年版。福建省仿脑智能系统重点实验室23第1.2节人类大脑为了理解智能科学技术的主要研究策略，首先我们需要对人类智能产生的脑机制进行考察，理解心智是如何工作的。从根本上讲，无论我们所讨论的智能现象和行为多么复杂、多么难以为机器所拥有，都不过是人脑的产物。也就是说：心无非就是脑活动，是活动的脑，而机器能否拥有人类的心智能力，说到底也就是要看，人脑活动机制能否从根本上可以化解为可机器执行的算法？为了弄清这一根本问题，让我们先从人脑的神组织结构开始说起。福建省仿脑智能系统重点实验室24第1.2节人类大脑1、人脑结构与功能定位人脑很像一只放大尺寸、剥开硬壳的山西核桃，被包裹在头颅骨里面。如图所示，紧靠上面的是布满皱纹沟回的大脑，其下便是间脑（丘脑及周边组织）、脑干（中脑、脑桥、延脑）和小脑。脑干的延脑部分与脊髓相接，联络外周神经组织。福建省仿脑智能系统重点实验室25第1.2节人类大脑这就是类似核桃的人脑福建省仿脑智能系统重点实验室26第1.2节人类大脑人脑系统结构图福建省仿脑智能系统重点实验室27第1.2节人类大脑大脑结构定位福建省仿脑智能系统重点实验室28第1.2节人类大脑1、人脑结构与功能定位呈显灰色的大脑皮层是高级神经活动的物质基础，约含有1012左右的神经细胞，它们都以自内向外分层方式排列（一般６-８层），形态相似的细胞聚成一定的层次。皮层下呈显白色的是神经元之间相互连接的神经纤维。福建省仿脑智能系统重点实验室29第1.2节人类大脑1、人脑结构与功能定位通常沟通半球内神经元的神经纤维称为联络纤维、沟通两半球之间联系的神经纤维称为连合纤维，而负责与外周神经联系的神经纤维称为投射纤维。这些神经纤维的纵横交错，将皮层神经细胞聚集为一个不可分割的有机整体。一般可以依据皮层中各部细胞和纤维联系，将全部皮层分成若干区，其反映一定的心理功能。福建省仿脑智能系统重点实验室30第1.2节人类大脑大脑功能区划分福建省仿脑智能系统重点实验室31第1.2节人类大脑大脑边缘叶结构福建省仿脑智能系统重点实验室32第1.2节人类大脑1、人脑结构与功能定位实际上脑叶或脑区的功能似乎首先由输入、输出的神经投射相关联，然后才是由各区之间的联络纤维以及跨半球叶区之间的连合纤维相关联。因此，任何叶区的功能划分都不会是绝对明确的，确切的功能性叶区边界也是不存在的；并因人而异的。对于特定成熟大脑的脑区功能定位分布，完全应看作是长期神经活动彼此消长相互作用的结果，是整体神经活动中各输入激活刺激源相互作用、争奇的产物。福建省仿脑智能系统重点实验室33第1.2节人类大脑1、人脑结构与功能定位总之，脑功能是分布搭配式的，因此某个功能消失并不一定引起所有功能的丧失，这同基因的组合搭配类似。但机器则不同，在集中式逻辑控制下，CPU任意部分的损伤无疑会引起整个CPU的瘫痪。这便是我们考察人脑所获得的第一个结论。福建省仿脑智能系统重点实验室34第1.2节人类大脑2、神经细胞及其连接网格神经细胞在结构上通常由一个细胞体及其众多漫延开来的突起构成，如图所示。在神经细胞的突起中，唯一一根长长的突起称为轴突，是神经细胞输出信号的主通道；剩余众多较短的、树状枝叉突起则称为树突，是神经细胞输入信号的各通道，有些神经细胞的树突表面会漫生出多种形状的细小突起，称为