37人工智能概述

第1章绪论：人工智能概述第1章绪论：人工智能概述1.1人工智能的概念1.2人工智能的研究途径与方法1.3人工智能的基本技术1.4人工智能的分支领域1.5人工智能的发展概况第1章绪论：人工智能概述1.1人工智能的概念1.1.1什么是人工智能顾名思义，人工智能就是人造智能，其英文表示是“ArtificialIntelligence”，简称AI。当然，这只是人工智能的字面解释或广义解释。目前的“人工智能”一词是指用计算机模拟或实现的智能，同时，人工智能又是一个学科名称。第1章绪论：人工智能概述人机大战：97年深蓝战胜卡斯帕罗夫与其说是人工智能战胜了卡斯帕罗夫，不如说是并行处理战胜了卡斯帕罗夫第1章绪论：人工智能概述本书中的定义1、人工智能学科是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支。所谓的智能机器就是能够在各类环境中自主地或交互地执行各种拟人任务的机器。所谓人类智能就是人类所具有的智力和行为能力，而这种智力能力是以知识为基础的。智力行为的目的是获取知识，并运用知识去求解问题。第1章绪论：人工智能概述其它文献中的定义2、MIT的Winston教授认为：“人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能的工作。”3、Turing测试的一个变种实验：裁判员通过某种接口（如视频终端）向程序提问，如果程序能欺骗裁判员，让他以为回答问题的是人而不是计算机，那么就认为此程序具有智能。4、人工智能及其应用，蔡自兴，一书中给出了人工智能的11种定义。第1章绪论：人工智能概述作为学科，人工智能研究的是如何使机器（计算机）具有智能的科学和技术，特别是自然智能如何在计算机上实现或再现的科学和技术。因此，从学科角度讲，当前的人工智能是计算机科学的一个分支。人工智能虽然是计算机科学的一个分支，但它的研究却不仅涉及到计算机科学，而且还涉及到脑科学、神经生理学、心理学、语言学、逻辑学、认知(思维)科学、行为科学、生命科学和数学，以及信息论、控制论和系统论等许多学科领域。第1章绪论：人工智能概述1.1.2为什么要研究人工智能我们知道，计算机是迄今为止最有效的信息处理工具，以至于人们称它为“电脑”。但现在的普通计算机系统的智能还相当低下，譬如缺乏自适应、自学习、自优化等能力，也缺乏社会常识或专业知识等，而只能是被动地按照人们为它事先安排好的工作步骤进行工作。因而它的功能和作用就受到很大的限制，难以满足越来越复杂和越来越广泛的社会需求。既然计算机和人脑一样都可进行信息处理，那么是否也能让计算机同人脑一样也具有智能呢？这正是人们研究人工智能的初衷。第1章绪论：人工智能概述研究人工智能也是当前信息化社会的迫切要求。我们知道，人类社会现在已经进入了信息化时代。信息化的进一步发展，就必须有智能技术的支持。例如，当前迅速发展着的国际互联网(Internet)就强烈地需要智能技术。特别是当我们要在Internet上构筑信息高速公路时，其中有许多技术问题就要用人工智能的方法去解决。这就是说，人工智能技术在Internet和未来的信息高速公路上将发挥重要作用。第1章绪论：人工智能概述智能化也是自动化发展的必然趋势。自动化发展到一定水平，再向前发展就是智能化，即智能化是继机械化、自动化之后，人类生产和生活中的又一个技术特征。另外，研究人工智能，对探索人类自身智能的奥秘也可提供有益的帮助。因为我们可以通过电脑对人脑进行模拟，从而揭示人脑的工作原理，发现自然智能的渊源。第1章绪论：人工智能概述1.1.3人工智能的目标人工智能的研究目标可分为远期目标和近期目标。远期目标是要制造智能机器。具体来讲，就是要使计算机具有看、听、说、写等感知和交互功能，具有联想、推理、理解、学习等高级思维能力，还要有分析问题、解决问题和发明创造的能力。简言之，也就是使计算机像人一样具有自动发现规律和利用规律的能力，或者说具有自动获取知识和利用知识的能力，从而扩展和延伸人的智能。第1章绪论：人工智能概述从目前的技术水平来看，要全面实现上述目标，还存在很多困难。人工智能的近期目标是实现机器智能，即先部分地或某种程度地实现机器的智能，从而使现有的计算机更灵活、更好用和更有用，成为人类的智能化信息处理工具。第1章绪论：人工智能概述1.1.4人工智能的表现形式人工智能的表现形式至少有这么几种：智能软件、智能设备、智能网络、智能计算机、智能机器人和更一般的Agent等。智能软件的范围比较广泛，譬如：它可以是一个完整的智能软件系统，如专家系统、知识库系统等；也可以是具有一定智能的程序模块，如推理程序、学习程序等，这种程序可以作为其它程序系统的子程序；智能软件还可以是有一定知识或智能的应用软件，如字处理软件Word就有一定的英语语法知识，所以在英文文稿的录入、编辑过程中，Word就表现出一定的智能。第1章绪论：人工智能概述智能设备包括具有一定智能的仪器、仪表、机器、设施等。如采用智能控制的机床、汽车、武器装备、家用电器等。这种设备实际上是被嵌入了某种智能软件的设备。智能网络也就是智能化的信息网络。具体来讲，从网络的构建、管理、控制、信息传输，到网上信息发布和检索以及人机接口等，都是智能化的。智能计算机如前所述，而智能机器人则是一种拟人化的智能机器。第1章绪论：人工智能概述1.2人工智能研究的方法和途径形成了多学派：逻辑学派、知识工程学派、联结学派、分布式学派、进化论学派从研究途径看，主要分三种观点：符号主义、联结主义、行为主义第1章绪论：人工智能概述1.2.1符号主义：功能模拟，符号推演由于人脑的奥秘至今还未彻底揭开，所以，人们就在当前的数字计算机上，对人脑从功能上进行模拟，实现人工智能。这种途径称为功能模拟法。具体来讲，功能模拟法就是以人脑的心理模型，将问题或知识表示成某种逻辑网络，采用符号推演的方法，实现搜索、推理、学习等功能，从宏观上来模拟人脑的思维，实现机器智能。第1章绪论：人工智能概述1.2.2联结主义：结构模拟，神经计算联结主义学派又称仿生学学派，它认为人工智能可以通过仿生人脑的结构来实现。所谓结构模拟，就是根据人脑的生理结构和工作机理，实现计算机的智能，即人工智能。我们知道，人脑的生理结构是由大量神经细胞组成的神经网络。人脑是由大约1011个神经细胞组成的一个动态的、开放的、高度复杂的巨系统，以致于人们至今对它的生理结构和工作机理还未完全弄清楚。第1章绪论：人工智能概述1.2.3行为主义：行为模拟，控制进化除了上述两种研究途径和方法外，还有一种基于感知-行为模型的研究途径和方法。该学派认为智能行为只能在与现实世界的环境交互作用中表现出来。我们称其为行为模拟法。这种方法是模拟人在控制过程中的智能活动和行为特性，如自寻优、自适应、自学习、自组织等，来研究和实现人工智能。基于这一方法研究人工智能的典型代表要算MIT的R.Brooks教授，他研制的六足行走机器人(亦称为人造昆虫或机器虫)，曾引起人工智能界的轰动。这个机器虫可以看作是新一代的“控制论动物”，它具有一定的适应能力，是一个运用行为模拟即控制进化方法研究人工智能的代表作。第1章绪论：人工智能概述1.3人工智能的基本技术1.3.1推理技术几乎所有的人工智能领域都要用到推理，因此，推理技术是人工智能的基本技术之一。需指出的是，对推理的研究往往涉及到对逻辑的研究。逻辑是人脑思维的规律，从而也是推理的理论基础。机器推理或人工智能用到的逻辑，主要包括经典逻辑中的谓词逻辑和由它经某种扩充、发展而来的各种逻辑。后者通常称为非经典或非标准逻辑。第1章绪论：人工智能概述1.3.2搜索技术所谓搜索，就是为了达到某一“目标”，而连续地进行推理的过程。搜索技术就是对推理进行引导和控制的技术，它也是人工智能的基本技术之一。事实上，许多智能活动的过程，甚至所有智能活动的过程，都可看作或抽象为一个“问题求解”过程。而所谓“问题求解”过程，实质上就是在显式的或隐式的问题空间中进行搜索的过程。即在某一状态图，或者与或图，或者一般地说，在某种逻辑网络上进行搜索的过程。第1章绪论：人工智能概述搜索技术也是一种规划技术。因为对于有些问题，其解就是由搜索而得到的“路径”。搜索技术是人工智能中发展最早的技术。在人工智能研究的初期，“启发式”搜索算法曾一度是人工智能的核心课题。截至目前，对启发式搜索的研究，人们已取得了不少成果。如著名的A*算法和AO*算法就是两个重要的启发式搜索算法。但至今，启发式搜索仍然是人工智能的重要研究课题之一。第1章绪论：人工智能概述1.3.3知识表示与知识库技术知识表示是指知识在计算机中的表示方法和表示形式，它涉及到知识的逻辑结构和物理结构。知识库类似于数据库，所以知识库技术包括知识的组织、管理、维护、优化等技术。对知识库的操作要靠知识库管理系统的支持。显然，知识库与知识表示密切相关。需说明的是，知识表示实际也隐含着知识的运用，知识表示和知识库是知识运用的基础，同时也与知识的获取密切相关。第1章绪论：人工智能概述1.3.4归纳技术所谓归纳技术，是指机器自动提取概念、抽取知识、寻找规律的技术。显然，归纳技术与知识获取及机器学习密切相关，因此，它也是人工智能的重要基本技术。归纳可分为基于符号处理的归纳和基于神经网络的归纳。这两种途径目前都有很大发展。第1章绪论：人工智能概述1.3.5联想技术如前面1.3节所述，联想是最基本、最基础的思维活动，它几乎与所有的AI技术息息相关。因此，联想技术也是人工智能的一个基本技术。联想的前提是联想记忆或联想存储，这也是一个富有挑战性的技术领域。以上我们介绍了人工智能的一些基本理论和技术，因为这些理论和技术仍在不断发展和完善之中，所以，它们同时也是人工智能的基本课题。第1章绪论：人工智能概述1.4人工智能的分支领域1.4.1基于脑功能模拟的领域划分1.机器感知机器感知就是计算机直接“感觉”周围世界。具体来讲，就是计算机像人一样通过“感觉器官”直接从外界获取信息。如通过视觉器官获取图形、图像信息，通过听觉器官获取声音信息。所以，要使机器具有感知能力，就首先必须给机器配置各种感觉器官，如视觉器官、听觉器官、嗅觉器官等等。于是，机器感知还可以再分为机器视觉、机器听觉等分支课题。第1章绪论：人工智能概述要研究机器感知，首先要涉及图像、声音等信息的识别问题。为此，现在已发展了一门称为“模式识别”的专门学科。模式识别的主要目标就是用计算机来模拟人的各种识别能力，当前主要是对视觉能力和听觉能力的模拟，并且主要集中于图形识别和语音识别。图形识别主要是研究各种图形（如文字、符号、图形、图像和照片等）的分类。例如识别各种印刷体和某些手写体文字，识别指纹、白血球和癌细胞等等。这方面的技术已经进入实用阶段。第1章绪论：人工智能概述语音识别主要是研究各种语音信号的分类。语音识别技术近年来发展很快，现已有商品化产品(如汉字语音录入系统)上市。模式识别的过程大体是先将摄像机、送话器或其它传感器接受的外界信息转变成电信号序列，计算机再进一步对这个电信号序列进行各种预处理，从中抽出有意义的特征，得到输入信号的模式，然后与机器中原有的各个标准模式进行比较，完成对输入信息的分类识别工作。第1章绪论：人工智能概述2.机器联想仔细分析人脑的思维过程，可以发现，联想实际是思维过程中最基本、使用最频繁的一种功能。例如，当听到一段乐曲，我们头脑中可能会立即浮现出几十年前的某一个场景，甚至一段往事，这就是联想。第1章绪论：人工智能概述当前，对机器联想功能的研究中，人们就是利用这种按内容记忆原理，采用一种称为“联想存储”的技术实现联想功能。联想存储的特点是：(1)可以存储许多相关（激励，响应）模式对;(2)通过自组织过程可以完成这种存储;(3)以分布、稳健的方式（可能会有很高的冗余度）存储信息;(4)可以根据接收到的相关激励模式产生并输出适当的响应模式;(5)即使输入激励模式失真或不完全时，仍然可以产生正确的响应模式;(6)可在原存储中加入新的存储模式。第1章绪论：人工智能概述3.机器推理机器推理就是计算机推理，也称自动推理。它是人工智能的核心课题之一。因为，推理是人脑的一