華理陳志華人工智能綜述

人工智能及應(yīng)用,陳志華,聯(lián)系方式,電話mail:czh辦公室：八教403歡迎同學們多聯(lián)系，多交流！,主要參考書,人工智能及其應(yīng)用王宏生國防工業(yè)出版社人工智能及其應(yīng)用本科生用書蔡自興徐光佑清華大學出版社人工智能原理與應(yīng)用張仰森，高等教育出版社人工智能：回顧與展望涂序彥科學出版社,課程介紹,內(nèi)容可分兩大部分人工智能的基本理論人工智能的主要應(yīng)用內(nèi)容盡量簡化，選自多本教材，以王宏生版為主,內(nèi)容介紹,基本理論主要包括：各種推理方法機器學習計算智能,主要應(yīng)用包括：圖象處理光學字符識別漢語自然語言處理,課程特點概念繁多理論性強內(nèi)容廣泛具有爭議,學時：48考核平時成績30%考勤、課堂練習考試成績70%筆試,第一講：人工智能概論,主要內(nèi)容：人工智能的概念人工智能的研究途徑與方法人工智能的分支領(lǐng)域人工智能的基本技術(shù)人工智能的發(fā)展概況,一人工智能的概念,什么是人工智能,人工智能：即人造智能，英文表示ArtificialIntelligence，簡稱I，指用機器（計算機）模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的智能。,人類智能：人類所具有的智力和行為能力。包括感知能力、記憶能力、思維能力、歸納與演繹能力、學習能力、行為能力。,爭議,肯定論否定論恐慌論阿西莫夫提出機器人三定律,機器人三定律,第一定律：機器人不得傷害人類個體，或者目睹人類個體將遭受危險而袖手不管,第二定律：機器人必須服從人給予它的命令，當該命令與前面的定律沖突時例外。,第三定律：機器人在不違反前面定律的情況下，要盡可能保護自己的生存,定律的擴充,死刑問題？,第零定律：機器人必須保護人類的整體利益不受傷害。,人工智能的判斷標準,圖靈：AlanMathisonTuring，1912.6.231954.6.7英國數(shù)學家、邏輯學家，計算機科學之父、人工智能之父,圖靈認為讓一個人在不接觸對方的情況下，通過一種特殊的方式，和對方進行一系列的問答如果在相當長時間內(nèi)，他無法根據(jù)這些問題判斷對方是人還是計算機那么，就可以認為這個計算機具有同人相當?shù)闹橇?，即這臺計算機是能思維的。,圖靈測試采用“問”與“答”模式，即觀察者通過控制打字機向兩個測試對象通話其中一個是人，另一個是機器。要求觀察者不斷提出各種問題，從而辨別回答者是人還是機器。,典型問答,問：請給我寫出有關(guān)“第四號橋”主題的十四行詩。答：不要問我這道題，我從來不會寫詩。問：34957加70764等于多少？答：（停30秒后）105721問：你會下國際象棋嗎？答：是的。,典型問答2,問：你會下國際象棋嗎？答：是的。問：你會下國際象棋嗎？答：是的。問：請再次回答，你會下國際象棋嗎？答：是的。,典型問答3,問：你會下國際象棋嗎？答：是的。問：你會下國際象棋嗎？答：是的，我不是已經(jīng)說過了嗎？問：請再次回答，你會下國際象棋嗎？答：你煩不煩，干嘛老提同樣的問題。,人工智能學科,人工智能學科：是計算機科學中涉及研究、設(shè)計和應(yīng)用智能機器（智能計算機）的一個分支。即研究如何使機器（計算機）具有智能的科學和技術(shù)，或者說使機器模擬和執(zhí)行人腦的某些智力功能，并探索相關(guān)的理論和技術(shù)。,智能機器：能在各類環(huán)境中執(zhí)行各種擬人任務(wù)的機器，即擬人機器。,人工智能學科雖然是計算機科學的一個分支，但它涉及到數(shù)學、思維科學、生命科學、哲學，以及信息論、控制論、系統(tǒng)論等許多學科，因此也是一門綜合性的交叉學科和邊緣學科。,AI的歷史回顧,第一階段（40年代中50年代末）神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)時代雙層網(wǎng)絡(luò)M-P模型、感知器模型等問題：XOR問題不能解決Minsky的著作：Perceptions（感知器）,第二階段（50年代中60年代中）通用方法時代物理符號系統(tǒng)主要研究的問題：GPS、游戲、翻譯等對問題的難度估計不足，陷入困境,一個笑話（英俄翻譯）：Thespiritiswillingbutthefleshisweak.（心有余而力不足）Thevodkaisstrongbutmeatisrotten.（伏特加酒雖然很濃，但肉是腐爛的）,出現(xiàn)這樣的錯誤的原因：Spirit：1）精神2）烈性酒,結(jié)論：必須理解才能翻譯，而理解需要知識,第三階段（60年代中80年代初）知識工程時代專家系統(tǒng)知識工程知識工程席卷全球各國發(fā)展計劃：美國星球大戰(zhàn)計劃日本五代機計劃中國“863”計劃,第四階段（80年代中90年代初）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時代BP網(wǎng)（算法）Hopfield網(wǎng)存在問題：理論依據(jù)解決大規(guī)模問題的能力新的動向構(gòu)造化方法,第五階段（90年代初現(xiàn)在）數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)時代網(wǎng)絡(luò)給AI帶來無限的機會知識發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘AI走向?qū)嵱没?AI的研究內(nèi)容,推理技術(shù)知識表示規(guī)劃方法機器學習認知科學,為什么要研究人工智能,1.現(xiàn)在計算機的智能還相當?shù)拖?，人們研究人工智能的初衷是為了讓計算機（電腦）同人腦一樣具有智能。,2.讓計算機具有智能是人類智能的擴展和延伸。智能機器人的出現(xiàn)，標志著人類社會進入了一個新的時代。,3.研究人工智能是當前信息化社會的迫切要求。,4.智能化是自動化發(fā)展的必然趨勢。因為自動化發(fā)展到一定程度就要向智能化邁進。,5.研究人工智能對探索人類自身智能的奧秘很有幫助。,人工智能的目標,遠期目標：是要制造智能機器。使計算機具有1.聽、說、寫等感知和交互功能2.聯(lián)想、推理、理解、學習等高級思維能力3.分析問題、解決問題和發(fā)明創(chuàng)造的能力。就是使計算機象人類一樣具有自動發(fā)現(xiàn)規(guī)律、自動獲取知識并利用知識的能力，從而擴展和延伸人類的智能。,近期目標：是實現(xiàn)機器智能。即通過部分地或某種程度地實現(xiàn)機器的智能，從而使現(xiàn)有的計算機更靈活，更好用和更有用，成為人類的智能化信息的處理工具。,人工智能的表現(xiàn)形式,1.智能軟件：范圍較廣，可以是一個完整的智能軟件系統(tǒng)，也可以是一個具有一定智能的程序模塊，還可以是具有一定知識或智能的應(yīng)用軟件。,2.智能設(shè)備：指具有一定智能的儀器、儀表、機器、設(shè)施等，也就是指被嵌入了某種智能軟件的設(shè)備。,3.智能網(wǎng)絡(luò)：指智能化的網(wǎng)絡(luò)。,4.智能計算機：指智能化的計算機。,5.（智能體）：指一種具有智能的實體，這種實體具有自主性、反應(yīng)性、適應(yīng)性和社會性等基本特性。它可以以軟件形式也可以以軟硬件結(jié)合的形式出現(xiàn)。,二人工智能的研究途徑與方法,1符號主義,功能模擬、符號推演人類認知的基本元素是符號，認知的過程就是符號處理的過程?；诠δ苣M的符號推演是人工智能研究中最早使用也是現(xiàn)在還在使用的主要方法。這種方法一般是利用顯式的知識和推理來解決問題的。,2聯(lián)結(jié)主義,結(jié)構(gòu)模擬、神經(jīng)計算結(jié)構(gòu)模擬就是模擬人腦的生理結(jié)構(gòu)和工作機理，實現(xiàn)計算機的智能。人腦是一個動態(tài)的、開放的、高度復(fù)雜的龐大信息系統(tǒng)。一時還不能對它做到真正和完全模擬，只是對它的局部或近似模擬。,結(jié)構(gòu)模擬法是基于人腦的生理模型，采用數(shù)值計算的方法，從微觀上模擬人腦，實現(xiàn)機器智能；一般通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習獲得知識，再利用知識來解決問題。具體地說，就是用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為信息和知識的載體，用神經(jīng)計算的方法實現(xiàn)學習、聯(lián)想、識別和推理等功能，從而來模擬人腦的智能行為，使計算機表現(xiàn)出某種智能。,行為主義,行為模擬、控制進化行為模擬法基于感知-行為模型，模擬人在控制過程中的智能活動和行為特性，如自尋優(yōu)、自適應(yīng)、自學習、自組織等來研究和實現(xiàn)人工智能。,行為主義強調(diào)智能系統(tǒng)與環(huán)境的交互，認為智能取決于感知和行動，人的智能、機器智能可以逐步進化，但只能在現(xiàn)實世界中與周圍環(huán)境的交互中體現(xiàn)出來。,智能只能放在環(huán)境中才是真正的智能，智能的高低主要表現(xiàn)在對環(huán)境的適應(yīng)性上。,三人工智能的分支領(lǐng)域,基于腦功能模擬的領(lǐng)域劃分,機器感知就是計算機直接“感覺”周圍世界。具體地說就是計算機象人一樣通過“感覺器官”直接從外界獲取信息。如通過視覺器官獲取圖形、圖像信息，通過聽覺器官獲取聲音信息。機器感知可分為機器視覺、機器聽覺等分支課題，屬于模式識別學科領(lǐng)域。,模式：本意是指完美無缺的供模仿的一些標本。模式識別：識別出給定物體所模仿的標本。,計算機模式識別：就是使一個計算機系統(tǒng)具有模擬人類通過感官接受外界信息、識別和理解周圍環(huán)境的感知能力。,模式識別的主要目標：就是用計算機來模擬人的各種識別能力，當前主要對視覺能力和聽覺能力的模擬，并主要集中于圖形識別和語音識別上。,圖形識別：主要是研究各種圖形（如文字、符號、圖形、圖像和照片等）的分類，這方面的技術(shù)已經(jīng)進入到使用階段。典型應(yīng)用：1.辦公自動化2.門禁系統(tǒng)3.交通自動管理系統(tǒng),語音識別：主要是研究各種語音的分類。近年來發(fā)展很快，已經(jīng)有商品化的產(chǎn)品面市。典型應(yīng)用：1.語音撥號2.語音自動導(dǎo)游系統(tǒng)3.電腦控制文檔輸入4.智能汽車,模式識別的過程,將攝像機、送話器或其他傳感器接受到外界信息轉(zhuǎn)變成電信號；,計算機再對這些電信號進行處理得到輸入信號模式P；,將輸入信號模式P與計算機中原有的各個標準模式進行比較，完成對輸入信息的分類識別工作。,機器聯(lián)想,人腦的聯(lián)想指對事情的一種記憶和想象力。如當聽到一首歌曲時會浮現(xiàn)往事等場景，就是一種聯(lián)想。,人腦的聯(lián)想是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的按內(nèi)容記憶方式進行的。即只要內(nèi)容相關(guān)的事情，不論在哪里，均可由其相關(guān)內(nèi)容而被想起。,機器聯(lián)想也是利用按內(nèi)容記憶原理來實現(xiàn)的，具體是采用“聯(lián)想存儲”的技術(shù)來實現(xiàn)聯(lián)想功能的。,聯(lián)想存儲可分為矩陣聯(lián)想存儲、全息聯(lián)想存儲、alsh聯(lián)想存儲和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)想存儲等。,機器推理,機器推理就是計算機推理，也稱自動推理。,成功實例：數(shù)學原理的定理證明(1959，王浩)四色問題(1976，哈肯等),機器推理按形式邏輯中的推理規(guī)則，主要用符號演算的方法進行推理。形式邏輯中推理分為演繹推理、歸納推理、類比推理等基本類型。,機器推理除了經(jīng)典的二值推理外，還有非經(jīng)典邏輯的推理，如：模糊邏輯、多值邏輯、動態(tài)邏輯等。,不同的知識表示形式有不同的推理方式。如基于語義網(wǎng)絡(luò)和框架知識表示的推理是一種繼承推理。,機器推理按可靠性可分為確定性推理和不精確推理。,機器推理傳統(tǒng)上均是串行推理，現(xiàn)在正致力于研究并行推理，以提高推理速度。,機器學習,機器學習就是機器自己獲得知識,包括,對人類已有知識的獲?。愃朴谌祟悤局R學習）；對客觀規(guī)律的發(fā)現(xiàn)（類似于人類的科學發(fā)現(xiàn)）；對自身行為的修正（類似于人類的技能訓(xùn)練和對環(huán)境的適應(yīng)）。,機器學習可分為機械學習、指導(dǎo)學習、解釋學習、類比學習、歸納學習、數(shù)據(jù)挖掘等。,機器理解,機器理解主要是指自然語言理解和圖形理解。,自然語言理解就是計算機理解人類的自然語言，如英語、漢語等，包括口語與文字語言。,計算機如果能理解人類的自然語言，機器翻譯將真正成為現(xiàn)實。,圖形理解是圖形識別的延伸，也是計算機視覺的組成部分。,機器行為,機器行為主要是指機器人行動規(guī)劃。它是智能機器人的核心技術(shù)。,機器人要依靠規(guī)劃功能擬定行動步驟和動作序列。規(guī)劃功能的強弱反映了智能機器的智能水平。,基于研究途徑與實現(xiàn)技術(shù)的領(lǐng)域劃分,符號智能符號智能就是以符號知識為基礎(chǔ)，通過符號推理進行問題求解而實現(xiàn)的智能。,符號智能研究的主要內(nèi)容包括知識工程和符號處理技術(shù)。,知識工程涉及知識獲取、知識表示、知識管理、知識運用以及知識庫系統(tǒng)等一系列知識處理技術(shù)。,符號處理技術(shù)指基于符號的推理和學習技術(shù)，它主要研究經(jīng)典邏輯和非經(jīng)典邏輯理論以及相關(guān)的程序設(shè)計技術(shù)。,符號智能基于人腦的心理模型，運用傳統(tǒng)的程序設(shè)計方法實現(xiàn)人工智能，是傳統(tǒng)人工智能或經(jīng)典人工智能。,計算智能,計算智能以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)值計算進行問題求解而實現(xiàn)的智能。計算智能研究的主要內(nèi)容包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進化計算（包括遺傳算法、遺傳程序算法、進化規(guī)劃、進化策略等）、模糊技術(shù)及人工生命等。計算智能主要模擬自然智能系統(tǒng)，研究其數(shù)學模型和相關(guān)算法，并實現(xiàn)人工智能。計算智能是當前人工智能學科中一個十分活躍的分支領(lǐng)域。,基于應(yīng)用領(lǐng)域的劃分,難題求解主要是指那些沒有算法解，或雖有算法解但在現(xiàn)有機器上無法實施或完成的困難問題。如路徑規(guī)劃、運輸調(diào)度、電力調(diào)度、地質(zhì)分析、測量數(shù)據(jù)解釋、天氣預(yù)報、市場預(yù)測、股市分析、疾病診斷、故障診斷、軍事指揮、機器人行動規(guī)劃、機器博弈等。,自動定理證明,就是機器定理證明。這是人工智能的一個重要的且是最早的研究方面，是最典型的邏輯推理問題之一。自動定理證明的方法主要有四類：自然演繹法：即依據(jù)推理規(guī)則，從前提和公理中可以推出許多定理，如待證的定理恰在其中，則定理得到證明。,定理證明器：研究一切可判定問題的證明方法。計算機輔助證明：指以計算機為輔助工具，利用機器的高速度和大容量，幫助人完成手工證明中難以完成的大量計算、推理和窮舉。,判定法：即對一類問題找出統(tǒng)一的計算機上可實現(xiàn)的算法解。,自動程序設(shè)計,就是讓計算機自動設(shè)計程序。它包括二方面：程序的自動綜合：就是人只要給出關(guān)于某程序要求的非常高級的描述，計算機就會自動生成一個能完成這個要求目標的具體程序。程序的自動驗證：即自動證明所設(shè)計的程序的正確性。,自動翻譯,即機器翻譯，就是完全用計算機作為兩種語言之間的翻譯。難點在于：意譯時很難理解透徹句子的意思。,智能控制,就是把人工智能技術(shù)引入控制領(lǐng)域，建立智能控制系統(tǒng)。智能控制主要有以下途徑：基于專家系統(tǒng)的專家智能控制；基于模糊推理和計算的模糊控制；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；綜合上述三種方法的綜合型智能控制。,智能管理,就是把人工智能技術(shù)引入管理領(lǐng)域，建立智能管理系統(tǒng)。智能管理研究如何提高計算機管理系統(tǒng)的智能水平，以及智能管理信息系統(tǒng)的設(shè)計理論、方法與實現(xiàn)技術(shù)。智能管理是現(xiàn)代管理科學技術(shù)發(fā)展的新動向。,智能決策,智能決策就是把人工智能技術(shù)引入決策過程，建立智能決策支持系統(tǒng)。智能決策支持系統(tǒng)是在20世紀80年代初提出來的。它是決策支持系統(tǒng)與人工智能，特別是專家系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。,8其它,智能通信：把人工智能技術(shù)引入通信領(lǐng)域，建立智能通信系統(tǒng)。智能通信系統(tǒng)就是在通信系統(tǒng)的各個層次和環(huán)節(jié)上實現(xiàn)智能化。智能仿真：把人工智能技術(shù)引入仿真領(lǐng)域，建立智能仿真系統(tǒng)。智能：把人工智能技術(shù)引入計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域，建立智能CAD系統(tǒng)。,智能：把人工智能技術(shù)引入計算機輔助教學領(lǐng)域，建立智能CAI系統(tǒng)（ICAI）。ICAI的特點是能對學生因才施教地進行指導(dǎo)，提高教學效果。智能檢索：把人工智能技術(shù)引入信息檢索領(lǐng)域，建立智能信息檢索系統(tǒng)。如基于“概念”的檢索比基于“詞”檢索更有智能性。,基于應(yīng)用系統(tǒng)的領(lǐng)域劃分,專家系統(tǒng)：是指基于人類專家知識的程序系統(tǒng)。能模擬專家的思維方式，像專家一樣解決實際問題。知識庫系統(tǒng)：是指擁有某一領(lǐng)域廣泛知識及常識的知識咨詢系統(tǒng)。智能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：是指傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫加上智能成分。如演繹數(shù)據(jù)庫、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫、主動數(shù)據(jù)庫等。智能機器人系統(tǒng)：智能機器人是第三代機器人，具備感知環(huán)境、思維能力和運動機能。,基于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域劃分,智能操作系統(tǒng)：就是把人工智能技術(shù)引入計算機的操作系統(tǒng)中，從本質(zhì)上提高操作系統(tǒng)的性能和效率。智能多媒體系統(tǒng)：就是把人工智能技術(shù)引入多媒體系統(tǒng)中，使其功能和性能得到進一步發(fā)展和提高。智能計算機系統(tǒng)：就是正在開發(fā)的新一代計算機系統(tǒng)，它全面支持智能應(yīng)用，且自身就具有智能。智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：就是把人工智能技術(shù)引入計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。,基于實現(xiàn)工具與環(huán)境的領(lǐng)域劃分,智能軟件工具：包括開發(fā)建造智能系統(tǒng)的程序語言和工具環(huán)境。如LISP、PROLOG、Smalltalk、C+、Java、FRL（框架表示語言）、OPS5（產(chǎn)生式語言）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計語言、Agent設(shè)計語言、專家系統(tǒng)工具等。智能硬件平臺：指直接支持智能系統(tǒng)開發(fā)和運行的機器硬件。如LISP機、PROLOG機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機、知識信息處理機、模糊推理計算機、面向?qū)ο笥嬎銠C等。,基于體系結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域劃分,基于人工智能的體系結(jié)構(gòu)，人工智能可以分為集中式和分布式人工智能。前者研究個體智能，后者研究群體智能。個體智能是指個體的推理、學習、理解等智能行為。分布式人工智能主要研究在邏輯上或物理上分散的智能個體或智能系統(tǒng)如何并行地、相互協(xié)作地實現(xiàn)大型復(fù)雜問題的求解。,分布式人工智能分為兩個方向：分布式問題求解、多Agent系統(tǒng)。分布式問題求解：先把問題分解成任務(wù)，再為之設(shè)計相應(yīng)的任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)。多Agent系統(tǒng)：是由多個Agent組成的一個系統(tǒng)，系統(tǒng)中的多個Agent相互協(xié)作，聯(lián)合起來解決問題。,四人工智能的基本技術(shù),推理技術(shù)：推理技術(shù)是人工智能的基本技術(shù)之一。邏輯是人腦思維的規(guī)律，從而也是推理的理論基礎(chǔ)。搜索技術(shù)：所謂搜索就是為了達到某一目標，而連續(xù)地進行推理的過程。搜索技術(shù)就是對推理進行引導(dǎo)和控制的技術(shù)，也是人工智能的基本技術(shù)之一。,知識表示與知識庫技術(shù)：知識表示是指知識在計算機中的表示方法和表示形式，涉及到知識的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)。知識庫類似于數(shù)據(jù)庫，知識庫技術(shù)包括知識的組織、管理、維護、優(yōu)化等技術(shù)。歸納技術(shù)：歸納技術(shù)就是指機器自動提取概念、抽取知識、尋找規(guī)律的技術(shù)。聯(lián)想技術(shù)：聯(lián)想的前提是聯(lián)想記憶或聯(lián)想存儲。,五人工智能的發(fā)展概況,人工智能學科的產(chǎn)生,人工智能學科正式誕生于1956年,Dartmouth大學。人工智能學科的誕生是邏輯學、心理學、計算機科學、腦科學、神經(jīng)生理學、信息科學等學科發(fā)展的必然趨勢和必然結(jié)果。,符號主義途徑發(fā)展概況,1956年，A.Newell等的邏輯機理論的計算機程序編制成功。1956年，A.L.Samuel研制成功了具有自學習、自組織、自適應(yīng)能力的跳棋程序。1959年，籍勒洛特發(fā)表了證明平面幾何問題的程序。1960年，A.Newell等通過心理學試驗總結(jié)出了人們求解問題的思維規(guī)律，編制了通用問題求解程序（GeneralProblemSolving,GPS）。,1960年，J.McCarthy研制成功了面向人工智能程序設(shè)計的LISP語言。1965年，Robinson提出了歸結(jié)原理，為定理的機器證明作出了突破性的貢獻。1965年，E.A.Feigenbaum研制的化學結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)DENDRAL問世。后來又出現(xiàn)了醫(yī)學專家系統(tǒng)MYCIN、地質(zhì)勘探