人工智能及其應用1課件

1、引言AI：起源、內容、意義、研究領域（研）任課教師：學習方法：理論實踐考核方法：60（報告實驗到課）40（期末考試）教材：人工智能及其應用（研究生生用書）蔡自興徐光佑參考書：（1）NilsJNilsson:人工智能（英文版），機械工業(yè)出版社（或中文版）（2）GeorgrF.Luger：人工智能：復雜問題求解的結構和策略（英文版），機械工業(yè)出版社（或中文版）（3）張仰森：人工智能原理與應用，教育出版社（4）人工智能，史忠植（5）人工智能，王文杰ArtificialIntelligence1第1頁，共31頁。關于課程面向不同階段：本科生必修課程：人工智能引論碩士學位課程：（高級）人工智能 博士學位

2、課程：智能系統(tǒng)原理及其應用面向不同專業(yè)：計算機：人工智能、模式識別、機器人自動控制：智能控制、模式識別、機器人信息處理：智能信息處理、數(shù)據(jù)挖掘通信工程：圖像處理與識別土木工程：智能建筑Artificial Intelligence2第2頁，共31頁。第一章 緒論1.1 人工智能的定義和發(fā)展1.2 人類智能和人工智能1.3 人工智能的各種認知觀1.4 人工智能的研究與應用領域1.5 課程概要Artificial Intelligence3第3頁，共31頁。1.1 人工智能的定義和發(fā)展1.1.1 人工智能的定義幾種定義 智能機器（intelligent machine） 人工智能（學科） 人工智能

3、（能力） 人工智能（擬人思維、行為 ） 人工智能（理性思維、行為 ）1.1 定義和發(fā)展Artificial Intelligence4第4頁，共31頁。 斯坦福大學的Nilsson提出人工智能是關于知識的科學（知識的表示、知識的獲取以及知識的運用） 人工智能（學科）是計算機科學中涉及研究、設計和應用智能機器的一個分支。它的近期主要目標在于研究用機器來模仿和執(zhí)行人腦的某些智能功能，并開發(fā)相關理論和技術。 人工智能（能力）是智能機器所執(zhí)行的通常與人類智能有關的功能，如判斷、推理、證明、識別、感知、理解、設計、思考、規(guī)劃、學習和問題求解等思維活動。幾種定義1.1 定義和發(fā)展Artificial In

4、telligence5第5頁，共31頁。1.1.2 人工智能的起源與發(fā)展 孕育期（1956年前） 數(shù)理邏輯學科（弗雷治、維納等 ） 計算的新思想（丘奇、圖靈 等） 形成期（1956-1970年） 1956年，第一次人工智能的研討會 1969年，第一屆國際人工智能聯(lián)合會議 1970年，人工智能國際雜志創(chuàng)刊1.1 定義和發(fā)展Artificial Intelligence6第6頁，共31頁。發(fā)展期（1970年） 進一步研究AI基本原理方法和技術 進行實用化研究智力測驗、下棋、機器翻譯（人工智能程序） 專家系統(tǒng)與知識工程 智能機器人、智能控制機器學習、計算智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、行為主義 從“一枝獨秀”到

5、“百花齊放”智能系統(tǒng)智能機器人智能信息處理（模式識別）智能控制吳文俊院士（幾何定理證明的“吳氏方法”）1.1 定義和發(fā)展Artificial Intelligence7第7頁，共31頁。 符號主義(Symbolicism)：認為人類的智能的基本單元是符號，認知過程是符號表示下的符號運算，從而思維就成了符號運算。大多數(shù)比較成功的專家系統(tǒng)是建立在符號主義的基礎上（知識的表示）。 聯(lián)結主義（Connectionism）：認為人工神經(jīng)網(wǎng)絡的基本單元是神經(jīng)元，而不是符號處理過程。認知過程是由神經(jīng)網(wǎng)絡構成的，是并行分布的。 行為主義（Actionism）：認為人工智能源于控制論。智能取決于感知和行動，提出

6、智能行為的“感知動作”模式。行為主義者認為智能不需要知識、不需要表示、不需要推理。三種觀點1.1 定義和發(fā)展Artificial Intelligence8第8頁，共31頁。1.1.3 中國的AI研究學術組織 1978年 把“智能模擬”列入國家科學發(fā)展規(guī)劃 1980年4月 中國自動化學會模式識別與人工智能專業(yè)委員會成立 1980年8月 “高校人工智能研討會” 1981年9月 成立CAAI 1986年5月 中國軟件行業(yè)協(xié)會人工智能協(xié)會成立 1986年11月中國計算機學會人工智能與模式識別專業(yè)委員會成立 1987年6月中國計算機學軟件專業(yè)委員會智能學組（知識工程） 1993年 智能機器人委員會成立

7、 1995年 智能自動化委員會成立1.1 定義和發(fā)展Artificial Intelligence9第9頁，共31頁。 學術刊物計算機學報 J. of Computer 自動化學報 J. of Automation 控制理論與應用 Control Theory & Application 計算機研究與發(fā)展 Research & Development of Computer 模式識別與人工智能 Pattern Recognition & AI 機器人 Robot 信息與控制 Information & Control 控制與決策 Control & Decision 計算機世界 Compute

8、r World 計算機科學 Computer Science1.1 定義和發(fā)展Artificial Intelligence10第10頁，共31頁。AI學科的某些問題1. AI研究目標 近期目標：建造智能機器，以代替人類的部分智力勞動 遠期目標：用自動機模仿人類的思維過程和智能行為2. AI主題-通用問題求解1.1 定義和發(fā)展Artificial Intelligence11第11頁，共31頁。人工智能的基本技術 知識表示（Knowledge Representation）狀態(tài)空間法、問題歸約法、謂詞邏輯法 推理搜索（Searching & Reasoning）啟發(fā)式搜索、消解原理、不確定性推

9、理 計算智能（Computational Intelligence）模糊計算、神經(jīng)計算、進化計算 構成技術（系統(tǒng)與語言）產(chǎn)生式系統(tǒng)、LISP語言、Prolog語言1.1 定義和發(fā)展Artificial Intelligence12第12頁，共31頁。1.2 人類智能和人工智能1.2 人類智能和人工智能思維策略初級信息處理生理過程計算機軟件機器指令計算機硬件(a) 人類(b) 計算機Artificial Intelligence13第13頁，共31頁。1.2.1 智能信息處理系統(tǒng)的假設人是一種智能信息處理系統(tǒng) 物理符號系統(tǒng)的六種基本功能輸入符號、輸出符號、存儲符號、復制符號、建立符號結構、條件性

10、遷移 物理符號系統(tǒng)的假設：任何一個系統(tǒng)，如果具有智能，必定能執(zhí)行上述6種功能；反之，任何系統(tǒng)如果具有上述6種功能，它就能夠表現(xiàn)出智能。 推論一：人具有智能，人是一個物理符號處理系統(tǒng)；其智能是基于其自身的信息處理過程；（人類智能假設） 推論二：計算機是一個物理符號處理系統(tǒng)，它一定能表現(xiàn)出智能；（人工智能的基本條件） 推論三：既然人與計算機都是物理符號處理系統(tǒng)，所以可以用計算機模擬人的智能。（人工智能假設）1.2 人類智能和人工智能Artificial Intelligence14第14頁，共31頁。1.2.2 人類智能的計算機模擬 機器智能可以模擬人類智能 智能計算機 下棋 定理證明 語言翻譯

11、新型智能計算機 神經(jīng)計算機量子計算機1.2 人類智能和人工智能Artificial Intelligence15第15頁，共31頁。 1.2.3 人工智能的研究目標 近期目標建造智能計算機代替人類的部分智力勞動 遠期目標用自動機模仿人類的思維過程和智能行為1.2 人類智能和人工智能Artificial Intelligence16第16頁，共31頁。1.3 人工智能的各種認知觀 符號主義（Symbolicism）基于物理符號系統(tǒng)假設和有限合理性原理 連接主義（Connectionism）基于神經(jīng)網(wǎng)絡及其間的連接機制與學習算法 行為主義（Actionism）基于控制論及感知動作型控制系統(tǒng) 1.3

12、 各學派的認知觀Artificial Intelligence17第17頁，共31頁。 人類的認知行為具有不同層次 認知生理學（生理過程神經(jīng)系統(tǒng)） 認知心理學（心里活動思維策略） 認知信息學（初級信息處理生理心里） 認知工程學（信息加工處理人工信息處理系統(tǒng)）1.3 各學派的認知觀Artificial Intelligence18第18頁，共31頁。1.4.1 問題求解 廣義上說，問題求解包括AI中所有問題。這里指的是研究求解難題的程序，如下棋的程序，有時稱為博弈，是最早的AI研究領域。（搜索解答空間，尋找較優(yōu)解）1.4.2 邏輯推理與定理證明 此類問題與邏輯推理的研究有關。通過對事實數(shù)據(jù)庫的操

13、作來證明定理。證明方法有：自然演繹法、判定法、定理證明器、計算機輔助證明。（邏輯推理；四色定理，吳氏方法）1.4 AI的研究及應用領域1.4 研究與應用領域Artificial Intelligence19第19頁，共31頁。1.4.3 自然語言的理解 自然語言：人類語言集團的本族語，如漢語、英語、日語 人造語言：世界語，計算機語言 機器語言：把一種語言翻譯成另一種語言 “理解”有四個標準 問答：機器能正確地回答輸入文本中的有關問題； 文摘生成：機器有能力產(chǎn)生輸入文本的摘要 ； 釋譯：機器能用不同的語言和句型來復述其輸入文本； 翻譯：機器具有把一種語言翻譯為另一種語言（目標語言）的能力。1.4

14、 研究與應用領域Artificial Intelligence20第20頁，共31頁。1.4.4 自動程序設計不是固定的（預定）程序，而是隨情況變化的。采用高級描述（一句話或語句）。Task PGSL script PGBinder任務初稿裝訂 Program Evolution PTFinal program調試1.4 研究與應用領域Artificial Intelligence21第21頁，共31頁。1.4.5 機器學習 1. 機器學習是指機器自動獲取新的事實和新的推理算法以達到具有智能的行為。2. 機器學習模型環(huán)境學習知識庫執(zhí)行提供信息修改反饋1.4 研究與應用領域Artificial

15、Intelligence22第22頁，共31頁。3. 學習方法的分類 機械式學習（Rote learning） 導師完成全部的轉換工作，系統(tǒng)只負責存儲。 講授式學習（Learning from instruction）外界輸入與內部不完全一致，需要推理、翻譯、轉化等工作。 類比學習（Learning by analogy）完成相似任務的有關知識的學習。 歸納學習（Learning from induction）通過事例學習，工作經(jīng)驗觀察發(fā)現(xiàn)式學習（Learning by observation &discovery）1.4 研究與應用領域Artificial Intelligence23第23

16、頁，共31頁。1.4.6 專家系統(tǒng) 1. 專家系統(tǒng)是一個智能化的計算機程序系統(tǒng)，其內部具有大量的專家水平在某個領域的知識和經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決領域的問題。2. 專家系統(tǒng)和傳統(tǒng)的計算機程序之間的本質區(qū)別專家系統(tǒng)所要解決的問題一般沒有算法解，并且經(jīng)常在不完全、不精確、不確定的基礎上得出結論。3. 新一代專家系統(tǒng)（分布式專家系統(tǒng)與協(xié)同式專家系統(tǒng)），不但采用基于規(guī)則的方法，而且采用基于框架的技術與基于模型的原理。1.4 研究與應用領域Artificial Intelligence24第24頁，共31頁。1.4.7 人工神經(jīng)網(wǎng)絡1. 傳統(tǒng)計算機與邏輯推理方法，無法處理不完整

17、、不確定、模糊性的問題，不具有學習能力，不能模擬人類直覺、頓悟智能行為；2. 神經(jīng)計算機（Hopfield、Rumelhart：BP算法）3. 神經(jīng)網(wǎng)絡已在模式識別、圖象處理、組合優(yōu)化、自動控制、信息處理、機器人學和人工智能的其它領域獲得日益廣泛的應用。1.4.8 機器人學機器人 智能機器人（感知、規(guī)劃、決策）星際探索、海洋、外科手術、微型、機器人足球賽、軍事機器人、網(wǎng)絡機器人等；1.4 研究與應用領域Artificial Intelligence25第25頁，共31頁。1.4.9 模式識別計算機能有效地感知聲音、文字、圖象、溫度、震動等人類賴以發(fā)展自身，改造環(huán)境所運用的信息資料。當前熱點：活

18、動目標識別與分析應用：手寫體識別，汽車牌照識別、指紋識別、語音識別1.4.10 機器視覺可分為低層視覺與高層視覺；低層視覺：邊緣檢測、動目標檢測、紋理分析、高層視覺：理解所觀察的形象研究領域：并行處理、主動定性視覺、動態(tài)時變視覺、三維景物建模、實時圖像壓縮與復原、彩色圖像處理；應用：機器人裝配、衛(wèi)星圖像處理、工業(yè)過程監(jiān)控、飛行器跟蹤與制導、電視實況轉播1.4 研究與應用領域Artificial Intelligence26第26頁，共31頁。1.4.11 智能控制 智能控制是同時具有以知識表示的非數(shù)學廣義世界模型和數(shù)學公式模型表示的混合控制過程，也往往是含有復雜性、不完全性、模糊性或不確定性以

19、及不存在已知算法的非數(shù)學過程，并以知識進行推理，以啟發(fā)來引導求解過程。1.4.12 智能檢索 包括圖書資料、人事資料和其它情報。目前國內使用的各種管理系統(tǒng)，一般都不具有智能。1.4 研究與應用領域Artificial Intelligence27第27頁，共31頁。1.4.13 智能調度與指揮 尋找最佳調度和組合（TSP、八皇后問題） NP完全類問題的求解 應用領域：運輸調度、編組與指揮、空中交通、軍事指揮；1.4.14 分布式人工智能與Agent 是傳統(tǒng)人工智能的延伸和擴展，DAI是分布式計算與AI結合的結果； 其研究目標是創(chuàng)建一種能描述自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的精確概念模型：分布式問題求解與多Agent系統(tǒng)；MAS社會智能：靈活性與適應性，開放性與動態(tài)性；1.4 研究與應用領域Artificial Intelligence28第28頁，共31頁。1.4.15 計算智能與進化計算 計算智能包括神經(jīng)計算、模糊計算、進化計算等 進化計算的理論基礎是生物進化