第0章-人工智能與知識工程

人工智能與知識工程華北電力大學計算機系劉麗

2/3/20231教材及參考書籍參考教材：《人工智能》，馬少平、朱小燕，清華大學出版社，2004年?！度斯ぶ悄芘c知識工程》，王永慶編著，西安交通大學出版社，1998年?！度斯ぶ悄芙坛蹋ǖ诙妫?，王士同，電子工業(yè)出版社，2006。主要參考文獻：

《人工智能技術導論(第三版)》，廉師友，西安電子科技大學出版社，2007年?！度斯ぶ悄堋?，史忠植，王文杰，清華大學出版社，2007年?！度斯ぶ悄茉砑捌鋺谩?，王萬森，電子工業(yè)出版社，2007年。

《人工智能：智能系統指南(原書第2版)》，(澳)MICHAELNEGNEVITSKY編著，顧力栩等譯，機械工業(yè)出版社，2007年?！度斯ぶ悄埽簭碗s問題求解的結構和策略(原書第5版)》，(美)GEORGEF.LUGER編著，史忠植等譯，機械工業(yè)出版社，2006年。2/3/20232華北電力大學考試方法考試開卷百分比：50%大作業(yè)課程總結百分比：40%平時成績出勤百分比：10%2/3/20233華北電力大學大作業(yè)題目人工生命人工免疫系統人工神經網絡進化計算（遺傳算法、進化策略、進化規(guī)劃）多智能體系統分形方式每題8～9人，獨立完成，形成書面學習筆記、研究綜述等綜合報告成果，口頭報告（定義、原理、研究進展、程序實例等），學術交流2/3/20234華北電力大學主要內容緒論知識表示搜索技術回溯策略、無信息圖搜索、啟發(fā)式圖搜索，與或圖搜索謂詞邏輯與歸結原理人工智能的程序設計語言不確定性推理方法機器學習人工智能新技術2/3/20235華北電力大學第0章緒論0.1什么是人工智能0.2圖靈測試0.3中文屋子問題0.4人工智能的研究目標0.5人工智能發(fā)展簡史0.6人工智能研究課題2/3/20236華北電力大學0.1什么是人工智能很早人類就有制造機器人的幻想黃帝的“指南車”諸葛亮的“木牛流馬”亞里士多德的形式邏輯萊布尼茨的關于數理邏輯的思想“機器人”一詞的來源2/3/20237華北電力大學萊布尼茨

手搖計算機(LeibnizWheel)整個機器由齒輪系統傳動重要部件是階梯形軸便于實現簡單的四則運算第一個認識到二進制記數法重要性的人，系統地提出了二進制數的運算法則2/3/20238華北電力大學現代人工智能的興起現代人工智能（ArtificialIntelligence，AI）一般認為起源于美國1956年的一次夏季討論（達特茅斯會議），在這次會議上，第一次提出了“ArtificialIntelligence”這個詞與會者：McCarthy、Minsky、Locheseter、Shannon、Samuel、Newell、Simon等AI至今沒有統一的定義2/3/20239華北電力大學什么是人工智能？J.McCarthyAI使一部機器的反應方式就像是一個人在行動時所依據的智能2/3/202310華北電力大學約翰?麥卡錫（JohnMcCarthy）人工智能之父LISP語言的發(fā)明人首次提出AI的概念2/3/202311華北電力大學約翰?麥卡錫（JohnMcCarthy）1927年出生于美國波士頓1956年發(fā)起達特茅斯會議，并提出“人工智能”的概念1958年與明斯基一起創(chuàng)建世界上第一個人工智能實驗室發(fā)明α－β剪枝算法1959年開發(fā)LISP語言開創(chuàng)邏輯程序研究，用于程序驗證和自動程序設計1971年獲得圖靈獎2/3/202312華北電力大學什么是人工智能？J.NilssonAI是關于知識的科學，即怎樣表示知識、獲取知識和使用知識的科學P.Winston（PatrickHenryWinston：美國人工智能協會前主席,美國麻省理工學院（MIT）人工智能和計算機科學教授，美國Ascent技術公司總裁和創(chuàng)始人之一）AI研究如何使計算機去做過去只有人才能做的富有智能的工作2/3/202313華北電力大學邏輯學派的奠基人之一，對AI的發(fā)展做出了重大的貢獻P.E.Hart,N.J.Nilsson,andB.Raphael.Aformalbasisfortheheuristicdeterminationofminimumcostpathsingraphs.IEEETrans.Syst.Sci.andCybernetics,SSC-4(2):100-107,1968”---A*算法斯坦福大學終身的工程學KUMAGAI教授

曾任《ARTIFICIALINTELLIGENCE》、《MACHINELEARNING》雜志的編輯、斯坦福大學計算機科學系系主任、SRT人工智能中心主任及美國人工智能協會理事長J.Nilson2/3/202314華北電力大學什么是人工智能？M.MinskyAI是讓機器做本需要人的智能才能做到的事情的一門學科A.FeigenbaumAI是一個知識信息處理系統2/3/202315華北電力大學馬文?明斯基（MarnivLeeMinsky） 人工智能之父 框架理論的創(chuàng)立者首位獲得圖靈獎的人工智能學者2/3/202316華北電力大學馬文?明斯基（MarnivLeeMinsky）1927年出生于美國紐約1951年提出思維如何萌發(fā)并形成的基本理論1956年達特茅斯會議的發(fā)起人之一1958年在MIT創(chuàng)建世界上第一個AI實驗室1969年獲得圖靈獎1975年首創(chuàng)框架理論2/3/202317華北電力大學愛德華?費根鮑姆（EdwardA.Feigenbaum） 知識工程的提出者 大型人工智能系統的開拓者2/3/202318華北電力大學愛德華?費根鮑姆（EdwardA.Feigenbaum）1936年出生于美國的新澤西州通過實驗和研究，證明了實現智能行為的主要手段是知識1977年提出知識工程，使人工智能從理論轉向應用名言：知識蘊藏著力量1994年和勞伊?雷迪共同獲得圖靈獎2/3/202319華北電力大學1963年主編《計算機與思想》，被認為是世界上第一本有關人工智能的經典性專著1965年開發(fā)出世界上第一個專家系統Dendral

開發(fā)出著名的專家系統MYCIN80年代合著了四卷本的《人工智能手冊》開設Teknowledge和IntelliGenetics兩個公司，是世界上最早以開發(fā)和將專家系統商品化的公司愛德華?費根鮑姆（EdwardA.Feigenbaum）2/3/202320華北電力大學勞伊?雷迪（RajReddy） 大型人工智能系統的開拓者2/3/202321華北電力大學勞伊?雷迪（RajReddy）1937年出生于印度，1966年在美國獲得博士1994年與費根鮑姆共同獲得圖靈獎主持過一系列大型AI系統的開發(fā)Navlab

能在道路行駛的自動車輛項目LISTEN用于掃盲的語音識別系統以詩人但丁命名的火山探測機器人項目自動機工廠項目，提出“白領機器人學”2/3/202322華北電力大學什么是人工智能像人一樣思考的系統理性地思考的系統“要使計算機能夠思考..….意思就是：有頭腦的機器”（Haugeland,1985）“與人類的思維相關的活動，諸如決策、問題求解、學習等活動”（Bellman,1978）“通過利用計算模型來進行心智能力的研究”（Chamiak和McDermott,1985）“對使得知覺、推理和行為成為可能的計算的研究”（Winston,1992）像人一樣行動的系統理性地行動的系統“一種技藝，創(chuàng)造機器來執(zhí)行人需要智能才能完成的功能”（Kurzweil,1990）“研究如何讓計算機能夠做到那些目前人比計算機做得更好的事情”（Rich和Knight,1991）“計算智能是對設計智能化智能體的研究”（Poole等，1998）“AI..….關心的是人工制品中的智能行為”（Nilsson,1998）2/3/202323華北電力大學什么是人工智能AI研究的是如何運用知識，以便像人類一樣完成富有智能的工作就AI的本質來說，可以認為人工智能是一門研究如何制造出人造的智能機器或智能系統，來模擬人類智能活動的能力，以延伸人們智能的科學2/3/202324華北電力大學人工智能和通常程序的比較人工智能

通常計算機程序主要是符號處理 主要是數字處理啟發(fā)式搜索 依靠算法控制結構和知識域相分離 信息和控制聯結在一起易于修改、更新和改變 難以修改允許不正確的答案 要求正確的回答AI程序：干什么 傳統程序：干些什么及如何干2/3/202325華北電力大學智能和智力“智能”源于拉丁“Legere”，意思是收集、匯集，智能通常用來表示從中進行選擇、理解和感覺自然智能人類和一些動物所具有的智力和行為能力

智力是針對具體情況的，根據不同的情況有不同的含義“智力”是指學會某種技能的能力，而不是指技能本身2/3/202326華北電力大學智能和智力智能的定義和描述：（1）善于判斷、理解和推理（2）綜合智力——主要是指“相互關系的訓練”（3）形成要領和掌握含義的能力（4）全面考試的能力或思維的效率（5）先天的、綜合的和認知的能力（6）智力活動包括在某一情況下抓住本質并對他們作出適當的反應（7）適當地行動、理智地思考、有效地適應環(huán)境的總體能力。（8）身體和社會環(huán)境的適應性

判斷、理解、推理、形成概念、適當的反應和適應性等2/3/202327華北電力大學0.2圖靈測試如何知道一個系統是否具有智能呢？1950年，計算機科學家圖靈提出了著名的“圖靈測試”2/3/202328華北電力大學測試的設置測試的參與者：測試人被測試人一個人一個聲稱自己有人類智力的機器測試過程：測試人與被測試人是分開的，測試人只有通過一些裝置（如鍵盤）向被測試人問一些問題，這些問題隨便是什么問題都可以2/3/202329華北電力大學測試的設置2/3/202330華北電力大學問過一些問題后測試人能正確地分出誰是人誰是機器——機器沒有通過圖靈測試測試人沒有分出誰是機器誰是人——機器通過了圖靈測試，具有了圖靈測試意義下的智能計算機為了通過圖靈測試，要很好地模擬人類的優(yōu)點和不足不能比人類愚蠢，也不能比人類聰明在某些方面變得愚蠢并不是很難的事情困難的是一些常識性的問題人類可以非常輕松的處理常識性的問題，但對于計算機來說卻非常困難測試的設置2/3/202331華北電力大學圖靈測試——示范1問：請給我寫出有關“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。問：我在我的K1處有棋子K；你僅在K6處有棋子K，在R1處有棋子R。現在輪到你走，你應該下那步棋？答：（停15秒鐘后）棋子R走到R8處，將軍！2/3/202332華北電力大學圖靈測試——示范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。一部笨機器!!!2/3/202333華北電力大學圖靈測試——示范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。大概是人而不是機器!!!2/3/202334華北電力大學圖靈測試——示范4很多人研究過計算機對話程序，如J.Weizenbaum寫的Eliza（扮演心理醫(yī)生），模仿心理醫(yī)生和女病人的對話P：所有男人都一個樣。E：這從何說起呢？P：他們總是這樣和那樣的找我們的麻煩。E：你能舉一個例子嗎？P：好吧，你瞧，我的男朋友叫我的這兒來。E：哦，你的男朋友叫你到這兒來。P：他說我顯得精神沮喪已經很長時間了。E：聽到你說你精神沮喪，我很同情。P：說真的，我很不高興。E：你認為到這兒來能幫助你高興起來嗎？P：那當然，我需要幫助。E：如果你得到了幫助，那將意味著什么？2/3/202335華北電力大學圖靈測試對人類來說容易求解的問題，對計算機來說并不一定容易解決對人類來說困難的問題，計算機處理起來不一定困難利用計算機難以通過圖靈測試的特點，逆向使用圖靈測試，解決復雜問題防止利用程序對網絡系統進行惡意攻擊，在登錄界面上，除了要輸入用戶名、密碼之外，還要識別出系統隨機產生的一些在復雜背景上的變形文字2/3/202336華北電力大學人工智能碰上人工智能？康奈爾大學大學的創(chuàng)意機器實驗室進行了這樣一個實驗：把兩個對話型的AI-Cleverbot連到一塊去，看看它們倆會聊些什么http:///為了更方便直觀地還原對話的過程，他們把AI之間的文字對話用CG人物的形式表現出來，顯示在屏幕上人工智能遇上人工智能.flv2/3/202337華北電力大學0.3希爾勒的中文屋子羅杰?施安克的故事理解程序（舉例）機器是否真的理解了呢？希爾勒的中文屋子問題：通過了圖靈測試就具有了智能嗎？思考題：如何理解希爾勒的中文屋子？該程序可以在“閱讀”一個英文故事之后，回答和故事有關的問題來自反對者的聲音，即便通過了圖靈實驗，也不認為就是理解了2/3/202338華北電力大學0.4AI的研究目標AI是研究如何制造出人造的智能機器或智能系統，來模擬人類智能活動的能力，以延伸人們智能的科學人類智能活動的能力：人類在認識世界和改造世界的活動中，由腦力勞動表現出來的能力認識和理解世界環(huán)境的能力提出概念、建立方法，進行演繹和歸納推理、作出決策的能力學習的能力自我適應的能力2/3/202339華北電力大學0.4AI的研究途徑 心理學（符號主義）：人工智能源于數理邏輯。認識的基本元素是符號，智能和知識可用符號表示、擅長抽象思維人工智能的主流學派，代表有紐厄爾、肖、西蒙和尼爾遜等生理學（聯結主義）：原理主要為神經網絡及神經網絡間的連接機制與學習算法認為認識的基本元素是神經元，認識過程是大量神經元的并行活動，擅長形象思維生物進化（行為主義）行為主義：原理為控制論及感知論認為人工智能源于控制論。代表人物有布魯克斯2/3/202340華北電力大學0.5AI的歷史回顧（1）階段1：萌芽期（1956年以前）神話傳說：幫助人勞動的機器人，歌舞機器人法國物理學家和數學家B·Pascal的機械加法器Leibniz在機械加法器基礎上制造了四則運算器英國數學家和力學家C·Babbage對差分機和分析機的研究圖靈的圖靈機模型1938德國工程師Zuse的累計數字計算機Z-11945

JohnVonNeu-mann

馮·諾依曼結構1946年Mauchly等的第一臺計算機ENIACWiener的控制論和Shannon的信息論等2/3/202341華北電力大學0.5AI的歷史回顧（2）階段2：人工智能基礎技術的研究和形成(1956—1970)Dartmouth聚會后，在美國開始形成了以人工智能為研究目標的幾個研究組：Newell和Simon的Carnegie-RAND協作組Samuel和Gelernter的IBM公司工程課題研究組Minsky和McCarthy的MIT研究組等主要工作2/3/202342華北電力大學0.5AI的歷史回顧（3）方面1：A.Newell、J.Shaw和H.Simon等人編制出邏輯理論機LT，當時該程序證明了“數學原理”一書第二章中的38個定理1960年編制了能解十種類型不同課題的通用問題求解程序GPS，和LT是首次在計算機上運行的啟發(fā)式程序Newell關于自適應象棋機的論文Simon關于問題求解和決策過程中合理選擇和環(huán)境影響的行為理論的論文人的口語學習和記憶的EPAM模型（1959年）、早期自然語言理解程序SAD-SAM2/3/202343華北電力大學赫伯特?西蒙（HerbertA.Simon）符號主義學派的創(chuàng)始人愛好廣泛的全能科學家中國科學院外籍院士2/3/202344華北電力大學1916年出生于美國的威斯康辛州1943年在匹茲堡大學獲政治學博士學位1969年因心理學方面的貢獻獲得杰出科學貢獻獎1975年和他的學生艾倫?紐厄爾共同獲得圖靈獎1978年獲得諾貝爾經濟學獎1986年因行為學方面的成就獲得美國全國科學家獎章赫伯特?西蒙（HerbertA.Simon）2/3/202345華北電力大學50年代至60年代初開發(fā)了世界上最早的啟發(fā)式程序“邏輯理論家”LT57年開發(fā)了IPL(InformationProcessingLanguage)語言，是最早的AI語言60年開發(fā)了“通用問題求解系統”GPS66年開發(fā)了最早的下棋程序之一MATER70年發(fā)展與完善了語義網絡的概念和方法70年代提出了“物理符號系統假說”70年代提出決策過程模型赫伯特?西蒙（HerbertA.Simon）2/3/202346華北電力大學艾倫?紐厄爾（AllenNewell）符號主義學派的創(chuàng)始人之一西蒙的學生與同事1975年與西蒙同獲圖靈獎2/3/202347華北電力大學0.5AI的歷史回顧（4）方面21956年Samuel的西洋跳棋程序，1959年這個程序曾戰(zhàn)勝設計者本人，1962年還擊敗了美國一個州的跳棋大師方面31959年McCarthy發(fā)明的表處理語言LISP，成為人工智能程序設計的主要語言，至今仍被廣泛采用1958年McCarthy建立的行動計劃咨詢系統以及1960年Minsky的論文“走向人工智能的步驟”，對人工智能的發(fā)展都起了積極的作用1956年N.Chomsky的文法體系，1958年Selfridge等人的模式識別系統程序等2/3/202348華北電力大學0.5AI的歷史回顧（5）階段3：發(fā)展和實用化階段(1971—1980)

各種新的知識表示技術和各種專家系統的出現知識表示1968Quillian

語義網絡知識表示法

（Simmon等人用語義網絡表達自然語言理解）

1974Minsky

框架(Frame)理論

非精確性推理

1976R．O．Duda

主觀貝葉斯理論---Prospector重大成果

1965Robinson歸結原理

1965R．Kowalski

Prolog思想，1972A．Colmerauer實現Prolog2/3/202349華北電力大學0.5AI的歷史回顧（6）階段3：發(fā)展和實用化階段(1971—1980)

各種新的知識表示技術和各種專家系統的出現專家系統1965E·Feigenbaum與化學家C.Djerassi，J.Leberberg

化學專家系統DENRAL，根據分子式及其質譜數據推斷分子結構

1971MIT的C.Engleman，W.Martin和J.Moses

數學專家系統MACSYMA

，幫助人們解決多種數學問題1972

紹特里夫醫(yī)療專家MYCIN系統，診斷和治療感染性疾病

1976斯坦福大學R.O.Duda

地質勘探PROSPECTOR2/3/202350華北電力大學0.5AI的歷史回顧（7）階段3：發(fā)展和實用化階段(1971—1980)

各種新的知識表示技術和各種專家系統的出現專家系統、計算機視覺和機器人、自然語言理解和機器翻譯等1973（1977）L.D.Erman語言理解系統

HEARSAY-I，HRSAY-Ⅱ60年代后期機器定理證明對規(guī)劃問題研究

1960美商用工業(yè)機器人UNIMATE和VERSATRAN1977第5屆人工智能聯合會議，Feigenbaum“人工智能的藝術：知識工程課題及實例研究”提出知識工程的概念2/3/202351華北電力大學0.5AI的歷史回顧（8）階段4——知識工程與專家系統(1980年至今)商業(yè)性的應用計劃

自然語言處理系統開始商業(yè)化：人工智能公司的INTELLECT系統

計算機視覺系統的研制

LISP機

日本的第五代計算機計劃；美國、英國的新一代電子計算機計劃等

70年代末人工智能研究在我國

自然語言處理、計算機視覺和機器人學以及知識工程等更迅速的發(fā)展

2/3/202352華北電力大學0.5AI的歷史回顧（9）IBM的“深藍”：以3.5：2.5的總比分戰(zhàn)勝卡斯帕羅夫“深藍”的技術指標：32個CPU每個CPU有16個協處理器每個CPU有256M內存每個CPU的處理速度為200萬步/秒1969年國際人工智能聯合會成立，每兩年召開一次會議2/3/202353華北電力大學Watson北京時間2011年2月18日消息，由IBM和美國德克薩斯大學聯合研制的超級電腦“沃森”(Watson)昨日在美國最受歡迎的智力競猜電視節(jié)目《危險邊緣》中擊敗該節(jié)目歷史上兩位最成功的選手肯-詹寧斯和布拉德-魯特，成為《危險邊緣》節(jié)目新的王者2/3/202354華北電力大學Waston如何與人對決智力競賽沃森超級電腦概況“沃森”是按IBM的創(chuàng)始人托馬斯·沃森的名字命名的，它利用一個龐大的并聯網絡，與2000到3000個Power7計算核心相連，這些計算核心被放置在7個冰箱大小的容器里。IBM已經為“沃森”上傳了所有得到許可和公開的知識內容，以便打造一個巨大的語義索如何與人智力競答？在比賽過程中，當主持人閱讀線索時，它們會以電子內容的形式傳輸給“沃森”，然后這臺超級電腦會對接收到的信息進行分析，并做出各種構想，接著搜索所有信息檢驗構想的正誤，得出5個最佳答案，并對每個答案設定信心級別，最終決定選用哪個答案2/3/202355華北電力大學0.5AI的歷史回顧（10）各國對AI的研究美國——人工智能的發(fā)源地英國——60年代就起步人工智能的研究日本和西歐——起步較晚，但發(fā)展較快蘇聯——對人工智能研究比較重視我國——從1978年才開始，主要在定理證明、漢語自然語言理解、機器人及專家系統方面設立課題，并取得一些初步成果重大的AI研究機構：MIT、斯坦福大學、卡內基梅隆大學、IBM公司、日立中央研究所電氣技術綜合研究所(ELT)、早稻田大學、愛丁堡大學、前蘇聯的控制問題研究所等2/3/202356華北電力大學0.5AI的歷史回顧（11）足球機器人

兩個組織：RoboCup和FIRA設有仿真組、小型組、中型組和有腿組控制方式：FIRA采用集中控制，而RoboCup采用分布式控制2/3/202357華北電力大學AI的歷史回顧（12）小型組有腿組2/3/202358華北電力大學AI的研究課題具有一般意義的核心課題：知識的模型化和表示方法啟發(fā)式搜索理論各種推理方法（演繹推理、規(guī)劃、常識性推理、歸納推理等）人工智能系統結構和語言其他一些主要的應用領域2/3/202359華北電力大學AI的研究課題（續(xù)1）專家系統一個智能的計算機程序，它運用知識和推理步驟來解決只有專家才能解決的復雜問題自然語言理解書面語的理解口語(又稱聲音)的理解1970Winograd

靈活的人機對話手書文字識別機器學習分布式人工智能(DAI)70年代后期AgentA