《工學(xué)自然計(jì)算》ppt課件

1、自然計(jì)算計(jì)算機(jī)學(xué)院制 孫磊 匡乃亮自然計(jì)算1.自然計(jì)算研究的內(nèi)容和特點(diǎn)2.自然計(jì)算的興起及其特征3.自然計(jì)算的改進(jìn)映射模型4.自然計(jì)算的新應(yīng)用數(shù)字墨水5.總結(jié)和展望自然計(jì)算1.自然計(jì)算研究的內(nèi)容和特點(diǎn)2.自然計(jì)算的興起及其特征3.自然計(jì)算的改進(jìn)映射模型4.自然計(jì)算的新應(yīng)用數(shù)字墨水5.總結(jié)和展望自然計(jì)算 自然計(jì)算是一種表示受自然界啟發(fā)的計(jì)算。 包括：從理論上和經(jīng)歷上對(duì)受自然啟發(fā)的計(jì)算的理解。 自然計(jì)算具有模擬自然界的特點(diǎn)，通常是一類具有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)才能的模型與算法，可以解決傳統(tǒng)計(jì)算方法難于解決的各種復(fù)雜問題。自然計(jì)算的應(yīng)用領(lǐng)域包括復(fù)雜優(yōu)化問題求解、智能控制、形式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)平安、硬件設(shè)計(jì)

2、、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等方面的應(yīng)用。自然計(jì)算的興起 近年來，隨著信息技術(shù)，生物技術(shù)，光量子技術(shù)等尖端技術(shù)的開展，計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科不斷穿插和演化，產(chǎn)生和開展的一批嶄新的，生命力強(qiáng)，功能強(qiáng)大的計(jì)算分支，如DNA計(jì)算，量子計(jì)算，免疫計(jì)算，進(jìn)化計(jì)算等。 1994年美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家阿德勒曼博士第一次利用現(xiàn)代分子生物技術(shù), 成功地在溶液中完成了哈密爾頓有向路問題的試管中進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)。 1997年美國(guó)的艾薩克莊等人率先研制成功兩個(gè)量子比特的核磁共振量子邏輯門。 1997年開場(chǎng)興起的免疫計(jì)算,并不斷有國(guó)際會(huì)議或期刊專題討論免疫計(jì)算機(jī)制。人工免疫系統(tǒng)最初是由免疫學(xué)理論和觀察到的免疫功能、原理和模型啟發(fā)而產(chǎn)生的適

3、應(yīng)性系統(tǒng)。1990年伯西尼Bersini首次使用免疫算法來解決實(shí)際問題。20世紀(jì)末福雷斯特Forrest等人開場(chǎng)將免疫算法應(yīng)用于計(jì)算機(jī)平安領(lǐng)域；同期亨特Hunt等人開場(chǎng)將免疫算法應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域。自然計(jì)算1.自然計(jì)算研究的內(nèi)容和特點(diǎn)2.自然計(jì)算的興起及其特征3.自然計(jì)算的改進(jìn)映射模型4.自然計(jì)算的新應(yīng)用數(shù)字墨水5.總結(jié)和展望自然計(jì)算的興起產(chǎn)生的必要性1.人工智能缺乏堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)根底。人工智能研究者需要一個(gè)諸如信息論、概率論、和優(yōu)化的之類的數(shù)學(xué)主題作為背景。2.自然計(jì)算研究的是如何使用數(shù)學(xué)工具模擬人腦的表示、推理、學(xué)習(xí)等功能。 因此，近年來自然計(jì)算正成為人工智能最重要的數(shù)學(xué)根底之一。自然計(jì)算的特

4、征1.一般系統(tǒng)的體系構(gòu)造2.自然計(jì)算的特征一般系統(tǒng)可又底層、中間層、高層三層構(gòu)成底層包括執(zhí)行模塊和監(jiān)視模塊，其功能是執(zhí)行和監(jiān)視結(jié)果與異常。中間層包括控制模塊和計(jì)算模塊，其功能是控制和計(jì)算信息。高層包括智能模塊，其功能是模擬人類智能行為。 如圖2所示：計(jì)算模塊控制模塊監(jiān)視模塊智能模塊執(zhí)行模塊自然計(jì)算1.自然計(jì)算研究的內(nèi)容和特點(diǎn)2.自然計(jì)算的興起及其特征3.自然計(jì)算的改進(jìn)映射模型4.自然計(jì)算的新應(yīng)用數(shù)字墨水5.總結(jié)和展望自然計(jì)算的特征自然計(jì)算伴隨著一些新的計(jì)算分支的產(chǎn)生。他們都具有如下的新特征：1自然性： 在自然界存在著自然的計(jì)算形式。例如人腦，生物進(jìn)化等等。2穿插性： 自然計(jì)算可以描繪成所有新興

5、計(jì)算分支的交集的映射集合。3革命性： 基于當(dāng)前開展的計(jì)算技術(shù)的共同計(jì)算機(jī)制，已提出自然計(jì)算來統(tǒng)一這些新的分支。4復(fù)雜性： 由于自然計(jì)算是新興的、復(fù)雜的，并且其復(fù)雜性與自然界的許多機(jī)制都有關(guān)。所以很難確定其復(fù)雜性。對(duì)于自然計(jì)算問題，其信息是部分的?；谌斯ぶ悄芊椒?，可以分析自然計(jì)算的復(fù)雜性，并允許精度比常規(guī)分析低一些的分析方法。自然計(jì)算的映射模型按照與人腦的關(guān)系，自然計(jì)算可以分為兩種：大腦的自然計(jì)算和其他的自然對(duì)象的自然計(jì)算?？梢酝ㄟ^大腦電化反響的建模和計(jì)算來獲得對(duì)大腦的根本理解，換句話說，可以把電腦理解為一個(gè)圖靈機(jī)。非人腦自然對(duì)象的自然計(jì)算可以通過大腦功能映射到模擬計(jì)算。自然計(jì)算的改進(jìn)映射模型

6、T表示映射，它將集合NCno中的元素自然對(duì)象no不是腦元素映射到集合SCco中的機(jī) 器元素co，并且co表示no的像，即計(jì)算機(jī)元素，no成為原像。那么T可以描繪成大腦中的兩個(gè)映象操 作的乘積，極為下式T: no-co,Tno=coT=T1T2T1表示大腦的輸入映象，而其功能就是再組織、理解和學(xué)習(xí)自然計(jì)算的信息。T2表示大腦的輸出映象 ，而其功能就是創(chuàng)造和設(shè)計(jì)人工機(jī)器的模擬計(jì)算，包括計(jì)算機(jī)和人工智能機(jī)器。最初，大腦再組織、理解和學(xué)習(xí)從自然計(jì)算的自然對(duì)象搜集的信息，產(chǎn)生了第1個(gè)映象T1。然后，這 個(gè)大腦創(chuàng)造和設(shè)計(jì)人工機(jī)器的模擬計(jì)算，用來模擬自然計(jì)算，產(chǎn)生了第2個(gè)映射T2。因此產(chǎn)生從自然 計(jì)算到模擬

7、計(jì)算的映射T=T1T2。運(yùn)行人工機(jī)器之后，人工機(jī)器的一些輸出結(jié)果就反響給大腦，即大腦再次獲取一些新的信息，并產(chǎn)生一個(gè)新的映射T1，用以改變T。如今TT1T2或者TT1T2T1 自然對(duì)象自然對(duì)象人工機(jī)器人工機(jī)器大腦大腦T T：no-co,Tno-co,Tnono=co=coT=T1T=T1* *T2T2圖3 自然計(jì)算的改進(jìn)映射模型自然計(jì)算算法首先，搜集系統(tǒng)的控制任務(wù)信息，用來設(shè)置系統(tǒng)的目的然后該系統(tǒng)需要選擇控制策略、計(jì)算算法和智能機(jī)制。最后，運(yùn)行這個(gè)系統(tǒng)并獲得一些結(jié)果。如圖4的一般系統(tǒng)圖4 系統(tǒng)算法框圖自然計(jì)算的編碼模擬計(jì)算的編碼結(jié)果就是一個(gè)形式對(duì)象序列，例如二進(jìn)制數(shù)字、種群等。令oi,oi i

8、s an object是一個(gè)對(duì)象集合，f*是對(duì)象的編碼函數(shù)，而S是一個(gè)條形或其他形狀的無(wú)限存儲(chǔ)器，那么自然計(jì)算的編碼如下：fo1 fo2 foi fon S自然計(jì)算的外部特征是多變的，但卻具有與模擬計(jì)算一樣的計(jì)算機(jī)制。不同的控制策略和不同的計(jì)算算法導(dǎo)致自然計(jì)算的不同特征。自然計(jì)算1.自然計(jì)算研究的內(nèi)容和特點(diǎn)2.自然計(jì)算的興起及其特征3.自然計(jì)算的改進(jìn)映射模型4.自然計(jì)算的新應(yīng)用數(shù)字墨水5.總結(jié)和展望數(shù)字墨水 今天，雖然計(jì)算技術(shù)已得到了飛躍式的開展，但紙和筆的便利性與極強(qiáng)的表現(xiàn)才能仍無(wú)法取代 數(shù)字墨水希望找到一種比現(xiàn)有人機(jī)技術(shù)更加簡(jiǎn)單化和人性化的自然人機(jī)交互途徑，實(shí)現(xiàn)“在任一時(shí)間、任一地點(diǎn)、以任

9、一設(shè)備與任何人溝通，讓個(gè)人計(jì)算在每時(shí)每刻幫助每一個(gè)普通用戶。微軟亞洲技術(shù)院 王堅(jiān)博士 2004.4.7數(shù)字墨水，開啟自然計(jì)算的新時(shí)代數(shù)字墨水?dāng)?shù)字墨水是一種新的人機(jī)界面技術(shù)，它借鑒了 “手寫識(shí)別方面的研究成果，超越了“手寫識(shí)別技術(shù)的許多局限。數(shù)字墨水的處理包括了數(shù)字墨水的表示、壓縮和顯示、智能的墨水分析技術(shù)、墨水標(biāo)記和注解技術(shù)、墨水的智能操作以及墨水存儲(chǔ)和搜索等一系列有關(guān)技術(shù)。數(shù)字墨水?dāng)?shù)字墨水中的關(guān)鍵技術(shù)之一數(shù)字墨水分析技術(shù)可以對(duì)記錄下來的“數(shù)字墨水進(jìn)展構(gòu)造化和深度分析，其分析目的不是要去解決“寫的是什么字，而是要解決用戶到底在寫什么是字還是“涂鴉以及是如何寫的。 數(shù)字墨水?dāng)?shù)字墨水可以用墨水格式

10、保存，將手寫的筆跡以墨水的形式保存，不會(huì)喪失任何信息。用戶不再需要利用其它的Windows應(yīng)用程序，來把手繪、手寫的筆跡轉(zhuǎn)換為別的格式來保存、發(fā)送和編輯。同樣，由于Windows 平臺(tái)將“數(shù)字墨水定義為“根本數(shù)據(jù)類型之一，這就如同文本得到操作系統(tǒng)這一級(jí)別上的支持一樣，數(shù)字墨水在不同應(yīng)用軟件之間的交換已變得非常容易。 數(shù)字墨水2005年3月29日，微軟亞洲研究院在“研究成果開放日活動(dòng)上，展示了這項(xiàng)針對(duì)平板電腦開發(fā)的一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)：數(shù)字墨水技術(shù)。開發(fā)人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)展了演示： 在Tablet PC上隨意的畫一個(gè)表格計(jì)算機(jī)可以識(shí)別這個(gè)表格，用戶還可以進(jìn)展調(diào)整。文字和表格的相對(duì)位置可以類似文字處理軟件中一樣，左對(duì)齊或者右對(duì)齊 假如你需要計(jì)算機(jī)甚至按照你的要求生成數(shù)據(jù)圖表 實(shí)時(shí)墨水仿真 這是香港理工大學(xué)的學(xué)者S.-H. Chu和Chiew-Lan Tai共同研究的一種用于藝術(shù)創(chuàng)作的模擬墨水在吸水紙