人工智能及其應(yīng)用1課件

1、引言AI：起源、內(nèi)容、意義、研究領(lǐng)域（研）任課教師：學(xué)習(xí)方法：理論實(shí)踐考核方法：60（報(bào)告實(shí)驗(yàn)到課）40（期末考試）教材：人工智能及其應(yīng)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(jī)械工業(yè)出版社（或中文版）（2）GeorgrF.Luger：人工智能：復(fù)雜問題求解的結(jié)構(gòu)和策略（英文版），機(jī)械工業(yè)出版社（或中文版）（3）張仰森：人工智能原理與應(yīng)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(guān)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(xué)位課程：（高級）人工智能 博士學(xué)位

2、課程：智能系統(tǒng)原理及其應(yīng)用面向不同專業(yè)：計(jì)算機(jī)：人工智能、模式識別、機(jī)器人自動控制：智能控制、模式識別、機(jī)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(rèn)知觀1.4 人工智能的研究與應(yīng)用領(lǐng)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(jī)器（intelligent machine） 人工智能（學(xué)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(xué)的Nilsson提出人工智能是關(guān)于知識的科學(xué)（知識的表示、知識的獲取以及知識的運(yùn)用） 人工智能（學(xué)科）是計(jì)算機(jī)科學(xué)中涉及研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用智能機(jī)器的一個分支。它的近期主要目標(biāo)在于研究用機(jī)器來模仿和執(zhí)行人腦的某些智能功能，并開發(fā)相關(guān)理論和技術(shù)。 人工智能（能力）是智能機(jī)器所執(zhí)行的通常與人類智能有關(guān)的功能，如判斷、推理、證明、識別、感知、理解、設(shè)計(jì)、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)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(xué)科（弗雷治、維納等 ） 計(jì)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(jìn)一步研究AI基本原理方法和技術(shù) 進(jìn)行實(shí)用化研究智力測驗(yàn)、下棋、機(jī)器翻譯（人工智能程序） 專家系統(tǒng)與知識工程 智能機(jī)器人、智能控制機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、行為主義 從“一枝獨(dú)秀”到

5、“百花齊放”智能系統(tǒng)智能機(jī)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(rèn)為人類的智能的基本單元是符號，認(rèn)知過程是符號表示下的符號運(yùn)算，從而思維就成了符號運(yùn)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(chǔ)上（知識的表示）。 聯(lián)結(jié)主義（Connectionism）：認(rèn)為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元是神經(jīng)元，而不是符號處理過程。認(rèn)知過程是由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，是并行分布的。 行為主義（Actionism）：認(rèn)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(rèn)為智能不需要知識、不需要表示、不需要推理。三種觀點(diǎn)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(xué)術(shù)組織 1978年 把“智能模擬”列入國家科學(xué)發(fā)展規(guī)劃 1980年4月 中國自動化學(xué)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(jì)算機(jī)學(xué)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(jì)算機(jī)學(xué)軟件專業(yè)委員會智能學(xué)組（知識工程） 1993年 智能機(jī)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(xué)術(shù)刊物計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào) J. of Computer 自動化學(xué)報(bào) J. of Automation 控制理論與應(yīng)用 Control Theory & Application 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展 Research & Development of Computer 模式識別與人工智能 Pattern Recognition & AI 機(jī)器人 Robot 信息與控制 Information & Control 控制與決策 Control & Decision 計(jì)算機(jī)世界 Compute

8、r World 計(jì)算機(jī)科學(xué) Computer Science1.1 定義和發(fā)展Artificial Intelligence10第10頁，共31頁。AI學(xué)科的某些問題1. AI研究目標(biāo) 近期目標(biāo)：建造智能機(jī)器，以代替人類的部分智力勞動 遠(yuǎn)期目標(biāo)：用自動機(jī)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(shù) 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(jì)算智能（Computational Intelligence）模糊計(jì)算、神經(jīng)計(jì)算、進(jìn)化計(jì)算 構(gòu)成技術(shù)（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(jì)算機(jī)軟件機(jī)器指令計(jì)算機(jī)硬件(a) 人類(b) 計(jì)算機(jī)Artificial Intelligence13第13頁，共31頁。1.2.1 智能信息處理系統(tǒng)的假設(shè)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(fù)制符號、建立符號結(jié)構(gòu)、條件性

10、遷移 物理符號系統(tǒng)的假設(shè)：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(shè)） 推論二：計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)都是物理符號處理系統(tǒng)，所以可以用計(jì)算機(jī)模擬人的智能。（人工智能假設(shè)）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(jì)算機(jī)模擬 機(jī)器智能可以模擬人類智能 智能計(jì)算機(jī) 下棋 定理證明 語言翻譯

11、新型智能計(jì)算機(jī) 神經(jīng)計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)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(biāo) 近期目標(biāo)建造智能計(jì)算機(jī)代替人類的部分智力勞動 遠(yuǎn)期目標(biāo)用自動機(jī)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(rèn)知觀 符號主義（Symbolicism）基于物理符號系統(tǒng)假設(shè)和有限合理性原理 連接主義（Connectionism）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其間的連接機(jī)制與學(xué)習(xí)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(xué)派的認(rèn)知觀Artificial Intelligence17第17頁，共31頁。 人類的認(rèn)知行為具有不同層次 認(rèn)知生理學(xué)（生理過程神經(jīng)系統(tǒng)） 認(rèn)知心理學(xué)（心里活動思維策略） 認(rèn)知信息學(xué)（初級信息處理生理心里） 認(rèn)知工程學(xué)（信息加工處理人工信息處理系統(tǒng)）1.3 各學(xué)派的認(rèn)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(shí)稱為博弈，是最早的AI研究領(lǐng)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(guān)。通過對事實(shí)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(jì)算機(jī)輔助證明。（邏輯推理；四色定理，吳氏方法）1.4 AI的研究及應(yīng)用領(lǐng)域1.4 研究與應(yīng)用領(lǐng)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(tuán)的本族語，如漢語、英語、日語 人造語言：世界語，計(jì)算機(jī)語言 機(jī)器語言：把一種語言翻譯成另一種語言 “理解”有四個標(biāo)準(zhǔn) 問答：機(jī)器能正確地回答輸入文本中的有關(guān)問題； 文摘生成：機(jī)器有能力產(chǎn)生輸入文本的摘要 ； 釋譯：機(jī)器能用不同的語言和句型來復(fù)述其輸入文本； 翻譯：機(jī)器具有把一種語言翻譯為另一種語言（目標(biāo)語言）的能力。1.4

14、 研究與應(yīng)用領(lǐng)域Artificial Intelligence20第20頁，共31頁。1.4.4 自動程序設(shè)計(jì)不是固定的（預(yù)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(wù)初稿裝訂 Program Evolution PTFinal program調(diào)試1.4 研究與應(yīng)用領(lǐng)域Artificial Intelligence21第21頁，共31頁。1.4.5 機(jī)器學(xué)習(xí) 1. 機(jī)器學(xué)習(xí)是指機(jī)器自動獲取新的事實(shí)和新的推理算法以達(dá)到具有智能的行為。2. 機(jī)器學(xué)習(xí)模型環(huán)境學(xué)習(xí)知識庫執(zhí)行提供信息修改反饋1.4 研究與應(yīng)用領(lǐng)域Artificial

15、Intelligence22第22頁，共31頁。3. 學(xué)習(xí)方法的分類 機(jī)械式學(xué)習(xí)（Rote learning） 導(dǎo)師完成全部的轉(zhuǎn)換工作，系統(tǒng)只負(fù)責(zé)存儲。 講授式學(xué)習(xí)（Learning from instruction）外界輸入與內(nèi)部不完全一致，需要推理、翻譯、轉(zhuǎn)化等工作。 類比學(xué)習(xí)（Learning by analogy）完成相似任務(wù)的有關(guān)知識的學(xué)習(xí)。 歸納學(xué)習(xí)（Learning from induction）通過事例學(xué)習(xí)，工作經(jīng)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)（Learning by observation &discovery）1.4 研究與應(yīng)用領(lǐng)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(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部具有大量的專家水平在某個領(lǐng)域的知識和經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決領(lǐng)域的問題。2. 專家系統(tǒng)和傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序之間的本質(zhì)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(chǔ)上得出結(jié)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(shù)與基于模型的原理。1.4 研究與應(yīng)用領(lǐng)域Artificial Intelligence24第24頁，共31頁。1.4.7 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1. 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(xué)習(xí)能力，不能模擬人類直覺、頓悟智能行為；2. 神經(jīng)計(jì)算機(jī)（Hopfield、Rumelhart：BP算法）3. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在模式識別、圖象處理、組合優(yōu)化、自動控制、信息處理、機(jī)器人學(xué)和人工智能的其它領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用。1.4.8 機(jī)器人學(xué)機(jī)器人 智能機(jī)器人（感知、規(guī)劃、決策）星際探索、海洋、外科手術(shù)、微型、機(jī)器人足球賽、軍事機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人等；1.4 研究與應(yīng)用領(lǐng)域Artificial Intelligence25第25頁，共31頁。1.4.9 模式識別計(jì)算機(jī)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(yùn)用的信息資料。當(dāng)前熱點(diǎn)：活

18、動目標(biāo)識別與分析應(yīng)用：手寫體識別，汽車牌照識別、指紋識別、語音識別1.4.10 機(jī)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(biāo)檢測、紋理分析、高層視覺：理解所觀察的形象研究領(lǐng)域：并行處理、主動定性視覺、動態(tài)時(shí)變視覺、三維景物建模、實(shí)時(shí)圖像壓縮與復(fù)原、彩色圖像處理；應(yīng)用：機(jī)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(dǎo)、電視實(shí)況轉(zhuǎn)播1.4 研究與應(yīng)用領(lǐng)域Artificial Intelligence26第26頁，共31頁。1.4.11 智能控制 智能控制是同時(shí)具有以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義世界模型和數(shù)學(xué)公式模型表示的混合控制過程，也往往是含有復(fù)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(xué)過程，并以知識進(jìn)行推理，以啟發(fā)來引導(dǎo)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(bào)。目前國內(nèi)使用的各種管理系統(tǒng)，一般都不具有智能。1.4 研究與應(yīng)用領(lǐng)域Artificial Intelligence27第27頁，共31頁。1.4.13 智能調(diào)度與指揮 尋找最佳調(diào)度和組合（TSP、八皇后問題） NP完全類問題的求解 應(yīng)用領(lǐng)域：運(yùn)輸調(diào)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(kuò)展，DAI是分布式計(jì)算與AI結(jié)合的結(jié)果； 其研究目標(biāo)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(yīng)性，開放性與動態(tài)性；1.4 研究與應(yīng)用領(lǐng)域Artificial Intelligence28第28頁，共31頁。1.4.15 計(jì)算智能與進(jìn)化計(jì)算 計(jì)算智能包括神經(jīng)計(jì)算、模糊計(jì)算、進(jìn)化計(jì)算等 進(jìn)化計(jì)算的理論基礎(chǔ)是生物進(jìn)化