人工智能及其应用1关于课程v面向不同阶段：v本科生必修课程：人工智能引论v硕士学位课程：（高级）人工智能v 博士学位课程：智能系统原理及其应用v面向不同专业：v计算机：人工智能、模式识别、机器人v自动控制：智能控制、模式识别、机器人v信息处理：智能信息处理、数据挖掘v通信工程：图像处理与识别v土木工程：智能建筑vArtificial Intelligence2第一章 绪论1.1 人工智能的定义和发展1.2 人类智能和人工智能1.3 人工智能的各种认知观1.4 人工智能的研究与应用领域1.5 课程概要Artificial Intelligence31.1 人工智能的定义和发展1.1.1 人工智能的定义几种定义 智能机器（intelligent machine） 人工智能（学科） 人工智能（能力） 人工智能（拟人思维、行为 ） 人工智能（理性思维、行为 ）1.1 定义和发展Artificial Intelligence41.1.2 人工智能的起源与发展 孕育期（1956年前） 数理逻辑学科（弗雷治、维纳等 ） 计算的新思想（丘奇、图灵 等） 形成期（1956-1970年） 1956年，第一次人工智能的研讨会 1969年，第一届国际人工智能联合会议 1970年，人工智能国际杂志创刊1.1 定义和发展Artificial Intelligence6发展期（1970年） 进一步研究AI基本原理方法和技术 进行实用化研究智力测验、下棋、机器翻译（人工智能程序） 专家系统与知识工程 智能机器人、智能控制机器学习、计算智能、人工神经网络、行为主义 从“一枝独秀”到“百花齐放”智能系统智能机器人智能信息处理（模式识别）智能控制吴文俊院士（几何定理证明的“吴氏方法”）1.1 定义和发展Artificial Intelligence7v 符号主义(Symbolicism)：认为人类的智能的基本单元是符号，认知过程是符号表示下的符号运算，从而思维就成了符号运算。大多数比较成功的专家系统是建立在符号主义的基础上（知识的表示）。v 联结主义（Connectionism）：认为人工神经网络的基本单元是神经元，而不是符号处理过程。认知过程是由神经网络构成的，是并行分布的。v 行为主义（Actionism）：认为人工智能源于控制论。智能取决于感知和行动，提出智能行为的“感知动作”模式。行为主义者认为智能不需要知识、不需要表示、不需要推理。三种观点1.1 定义和发展Artificial Intelligence81.1.3 中国的AI研究学术组织v 1978年 把“智能模拟”列入国家科学发展规划v 1980年4月 中国自动化学会模式识别与人工智能专业委员会成立v 1980年8月 “高校人工智能研讨会”v 1981年9月 成立CAAIv 1986年5月 中国软件行业协会人工智能协会成立v 1986年11月中国计算机学会人工智能与模式识别专业委员会成立v 1987年6月中国计算机学软件专业委员会智能学组（知识工程）v 1993年 智能机器人委员会成立v 1995年 智能自动化委员会成立1.1 定义和发展Artificial Intelligence9 学术刊物v计算机学报 J. of Computer v 自动化学报 J. of Automationv 控制理论与应用 Control Theory & Applicationv 计算机研究与发展 Research & Development of Computerv 模式识别与人工智能 Pattern Recognition & AIv 机器人 Robotv 信息与控制 Information & Controlv 控制与决策 Control & Decisionv 计算机世界 Computer Worldv 计算机科学 Computer Science1.1 定义和发展Artificial Intelligence10AI学科的某些问题1. AI研究目标v 近期目标：建造智能机器，以代替人类的部分智力劳动v 远期目标：用自动机模仿人类的思维过程和智能行为2. AI主题-通用问题求解1.1 定义和发展Artificial Intelligence11人工智能的基本技术 知识表示（Knowledge Representation）状态空间法、问题归约法、谓词逻辑法 推理搜索（Searching & Reasoning）启发式搜索、消解原理、不确定性推理 计算智能（Computational Intelligence）模糊计算、神经计算、进化计算 构成技术（系统与语言）产生式系统、LISP语言、Prolog语言1.1 定义和发展Artificial Intelligence121.2 人类智能和人工智能1.2 人类智能和人工智能思维策略初级信息处理生理过程计算机软件机器指令计算机硬件(a) 人类(b) 计算机Artificial Intelligence131.2.1 智能信息处理系统的假设人是一种智能信息处理系统 物理符号系统的六种基本功能输入符号、输出符号、存储符号、复制符号、建立符号结构、条件性迁移 物理符号系统的假设：任何一个系统，如果具有智能，必定能执行上述6种功能；反之，任何系统如果具有上述6种功能，它就能够表现出智能。 推论一：人具有智能，人是一个物理符号处理系统；其智能是基于其自身的信息处理过程；（人类智能假设） 推论二：计算机是一个物理符号处理系统，它一定能表现出智能；（人工智能的基本条件） 推论三：既然人与计算机都是物理符号处理系统，所以可以用计算机模拟人的智能。（人工智能假设）1.2 人类智能和人工智能Artificial Intelligence141.2.2 人类智能的计算机模拟 机器智能可以模拟人类智能 智能计算机 下棋 定理证明 语言翻译 新型智能计算机 神经计算机量子计算机1.2 人类智能和人工智能Artificial Intelligence15 1.2.3 人工智能的研究目标 近期目标建造智能计算机代替人类的部分智力劳动 远期目标用自动机模仿人类的思维过程和智能行为1.2 人类智能和人工智能Artificial Intelligence161.3 人工智能的各种认知观 符号主义（Symbolicism）基于物理符号系统假设和有限合理性原理 连接主义（Connectionism）基于神经网络及其间的连接机制与学习算法 行为主义（Actionism）基于控制论及感知动作型控制系统 1.3 各学派的认知观Artificial Intelligence17 人类的认知行为具有不同层次 认知生理学（生理过程神经系统） 认知心理学（心里活动思维策略） 认知信息学（初级信息处理生理心里） 认知工程学（信息加工处理人工信息处理系统）1.3 各学派的认知观Artificial Intelligence181.4.1 问题求解v 广义上说，问题求解包括AI中所有问题。这里指的是研究求解难题的程序，如下棋的程序，有时称为博弈，是最早的AI研究领域。（搜索解答空间，寻找较优解）1.4.2 逻辑推理与定理证明v 此类问题与逻辑推理的研究有关。通过对事实数据库的操作来证明定理。证明方法有：自然演绎法、判定法、定理证明器、计算机辅助证明。（逻辑推理；四色定理，吴氏方法）1.4 AI的研究及应用领域1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence191.4.3 自然语言的理解v 自然语言：人类语言集团的本族语，如汉语、英语、日语v 人造语言：世界语，计算机语言v 机器语言：把一种语言翻译成另一种语言v “理解”有四个标准v 问答：机器能正确地回答输入文本中的有关问题；v 文摘生成：机器有能力产生输入文本的摘要 ；v 释译：机器能用不同的语言和句型来复述其输入文本；v 翻译：机器具有把一种语言翻译为另一种语言（目标语言）的能力。1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence201.4.4 自动程序设计v不是固定的（预定）程序，而是随情况变化的。采用高级描述（一句话或语句）。Task PGSL script PGBinder任务任务初稿初稿装订装订 Program Evolution PTFinal program调试调试1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence211.4.5 机器学习v 1. 机器学习是指机器自动获取新的事实和新的推理算法以达到具有智能的行为。v2. 机器学习模型环境环境学习学习知识库知识库执行执行提供提供信息信息修改修改反馈反馈1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence22v3. 学习方法的分类v 机械式学习（Rote learning） 导师完成全部的转换工作，系统只负责存储。v 讲授式学习（Learning from instruction）外界输入与内部不完全一致，需要推理、翻译、转化等工作。v 类比学习（Learning by analogy）完成相似任务的有关知识的学习。v 归纳学习（Learning from induction）通过事例学习，工作经验v观察发现式学习（Learning by observation &discovery）1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence231.4.6 专家系统v 1. 专家系统是一个智能化的计算机程序系统，其内部具有大量的专家水平在某个领域的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决领域的问题。v2. 专家系统和传统的计算机程序之间的本质区别专家系统所要解决的问题一般没有算法解，并且经常在不完全、不精确、不确定的基础上得出结论。v3. 新一代专家系统（分布式专家系统与协同式专家系统），不但采用基于规则的方法，而且采用基于框架的技术与基于模型的原理。1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence241.4.7 人工神经网络1. 传统计算机与逻辑推理方法，无法处理不完整、不确定、模糊性的问题，不具有学习能力，不能模拟人类直觉、顿悟智能行为；2. 神经计算机（Hopfield、Rumelhart：BP算法）3. 神经网络已在模式识别、图象处理、组合优化、自动控制、信息处理、机器人学和人工智能的其它领域获得日益广泛的应用。1.4.8 机器人学1.机器人 智能机器人（感知、规划、决策）2.星际探索、海洋、外科手术、微型、机器人足球赛、军事机器人、网络机器人等；1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence251.4.9 模式识别1.计算机能有效地感知声音、文字、图象、温度、震动等人类赖以发展自身，改造环境所运用的信息资料。2.当前热点：活动目标识别与分析3.应用：手写体识别，汽车牌照识别、指纹识别、语音识别1.4.10 机器视觉1.可分为低层视觉与高层视觉；2.低层视觉：边缘检测、动目标检测、纹理分析、3.高层视觉：理解所观察的形象4.研究领域：并行处理、主动定性视觉、动态时变视觉、三维景物建模、实时图像压缩与复原、彩色图像处理；5.应用：机器人装配、卫星图像处理、工业过程监控、飞行器跟踪与制导、电视实况转播1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence261.4.11 智能控制v 智能控制是同时具有以知识表示的非数学广义世界模型和数学公式模型表示的混合控制过程，也往往是含有复杂性、不完全性、模糊性或不确定性以及不存在已知算法的非数学过程，并以知识进行推理，以启发来引导求解过程。1.4.12 智能检索v 包括图书资料、人事资料和其它情报。目前国内使用的各种管理系统，一般都不具有智能。1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence271.4.13 智能调度与指挥 寻找最佳调度和组合（TSP、八皇后问题） NP完全类问题的求解 应用领域：运输调度、编组与指挥、空中交通、军事指挥；1.4.14 分布式人工智能与Agent 是传统人工智能的延伸和扩展，DAI是分布式计算与AI结合的结果； 其研究目标是创建一种能描述自然系统和社会系统的精确概念模型：分布式问题求解与多Agent系统；MAS社会智能：灵活性与适应性，开放性与动态性；1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence281.4.15 计算智能与进化计算 计算智能包括神经计算、模糊计算、进化计算等 进化计算的理论基础是生物进化论 进化计算：遗传算法、进化规划、进化策略1.4.16 数据挖掘与知识发现 知识获取 数据库知识挖掘 数据库中知识发现的四个特征：知识表现为高级语言、知识是对数据的精确描述、知识是用户感兴趣的、发现的过程是高效的；1.4 研究及应用1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence291.4.17 人工生命 人工生命概念的提出：Langton ，1987 理论基础与研究方法：计算机仿真生命现象；通过构造“生命之所能（life as it could be）”，研究“生命之所知（life as we know it）” 研究内容：仿生系统、人工建模与仿真、进化动力学、计算理论、进化与学习综合系统；应用领域：计算机病毒、进化机器人、自催化网络、细胞自动机、人工脑、人工核苷酸1.4.18 系统与语言工具 开发人工智能的新方法，新的知识表达方法与新的计算机技术在人工智能中得到发展与应用； 新的编程语言与专用开发工具取得进展；1.4 研究与应用领域Artificial Intelligence301.5 课程概要 简述人工智能的起源与发展（1） 概括地论述知识表示的各种主要方法（2） 讨论常用的搜索原理和推理求解技术（3） 介绍近期人工智能技术和方法的热点（4、5） 详细地分析人工智能的主要应用领域（6、7、8、9、10） 叙述人工智能的争议与展望 （11）Artificial Intelligence31