1、主讲教师：李昕 Email： QQ: 6253915 计算机与通信工程学院,人工智能原理,1、人工智能原理、方法、应用 王永庆 西交大 2、人工智能原理 石纯一等 清华大学出版社 3、人工智能技术导论 廉师友 西安电子科技大学出版社 4、人工智能一种现代方法 Stuart Russell（美），姜哲等译 人民邮电出版社,人工智能参考书,1 人工智能学科诞生的时代背景分析 1、智力工具的出现是工具系统发展的历史必然,机械工具-突破人类肢体的局限 动力工具-突破人类体力的局限； 智力工具-突破人类智力的局限。,2、算法危机促进了人工智能学科的诞生传统的计算机应用是“数学+程序”，计算机解决问题需三
2、个前提 （1）建立数学模型 （2）找到算法解 （3）实际可计算。,但思维中 （1）绝大部分问题无法建立数学模型 （2）绝大部分数学问题不存在算法解 （3）绝大部分算法解实际不可计算 -这就是算法危机 人们希望通过对人脑快速高效解决问题规律的研究和模拟，克服算法危机，使计算机更聪明、更有用。,关于人工智能的强定义和弱定义： 强：可以让机器THINKING、ACTING LIKE HUMAN 弱 让计算机成为有效的TOOLS FOR SIMULATING AND MODELING,远期目标，探讨智能的基本机理，研究如何用自动机来模拟和实现人的行为和过程。 近期目标，用计算机软硬件系统来模拟人的智能
3、的原理和技术、方法。,2 人工智能及其发展,一、人工智能定义人工智能Artificial Intelligence人工智能是计算机应用的一个广阔新领域，它同原子能技术和空间技术一起被誉为二十世纪的三大尖端科技。,2 人工智能及其发展,人工智能（AI）-是一门研究如何构造智能机器（智能计算机）或智能系统，使它能模拟、延伸、扩展人类智能的学科。,二、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
4、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。,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。,2 人工智能及其发展,三、人工智能（AI）的发展历史人工智能（AI）的发
5、展可划分为三个阶段1、 孕育期（1956年以前）,2 人工智能及其发展,亚里士多德 Aristotle 古希腊的哲学家、思想家 演绎法。,2 人工智能及其发展,培根 Bacon 英国哲学家 归纳法。,2 人工智能及其发展,.莱布尼兹 Leibnitz 德国数学家、哲学家提出了数理逻辑的思想，把形式逻辑符号化，从而能对人的思维进行运算和推理。,2 人工智能及其发展,布尔 Bool 英国数学家 创立了布尔代数。 奠定了智能机器的思维结构与方法，以及现代计算机的逻辑基础。,帕斯卡 Pascal 法国物理学家、数学家制造了第一台机械加法器，计算机领域的许多发明都有影响。,2 人工智能及其发展,图灵 T
6、uring 英国数学家1936年，年仅24岁的图灵就提出了理论计算机模型（图灵机），创立了自动机理论。,2 人工智能及其发展,1950年，图灵在“计算机器与智能？”一文中，明确提出了“机器能思维”的观点，并提出和设计了一种测试机器智能的“图灵实验”：让人和计算机分处两个不同房间，并相互对话，如果作为人的一方不能判断对方是人还是计算机，则那台计算机就达到了人的智能。,2 人工智能及其发展, 维纳 Wiener 控制论创始人渗透到人工智能领域后，形成了人工智能的行为主义学派。控制论：感知动作模型,2 人工智能及其发展, 香农 Shannon 信息论创始人规定用二进制位作为通用信息单位。,2 人工智
7、能及其发展,2、形成期（19561975年）这个时期的标志是56年的达特蒙斯（Dartmouth)会议，麦卡锡第一次提出“人工智能”这一术语,2 人工智能及其发展,通用问题求解（GPS）程序，解决了“猴子摘香蕉”等十多种类型问题。第一次将知识表示理论化，明确了推理在问题求解中的核心作用，使用了启发式搜索过程。跳棋程序，通过自身不断学习，击败了州冠军。,2 人工智能及其发展,解数学难题的程序。如求不定积分的程序，达到了大学优等生和专家的水平。定理证明程序，使用了归结法出现了Lisp（表处理语言，麦卡锡）和Prolog（基于一阶谓词逻辑）等人工智能（AI）程序设计语言。,2 人工智能及其发展,3、
8、 发展时期（1961年以后）1965年 J. A. Robinson 提出的归结（消解）原理70年代初Winograd提出的积木世界 理解自然语言的程序1965年研制的DENDRAL专家系统第一个能演示具体领域知识的重要程序 根据所提供的化学分子式和质普分析图来预测有机物分子结构的系统,2 人工智能及其发展,四、 人工智能发展中的低潮70年代早期，人工智能的发展进入低潮。形成期理论研究上的一连串胜利，使人们兴奋起来，觉得人工智能（AI）可以使机器产生智能，达到专家的水平和超人的能力，于是人们盲目乐观，说了一些大话如“到2000年， 机器的智能将超过人。不出十年，计算机能发明和证明重要的数学定理
9、，等等。”,2 人工智能及其发展,另一个著名的例子 “The spirit is willing but the flesh is weak” 译俄又回译英成了 “The wine is good but the meat is spoiled”“out of sight out of mind” 译成“又瞎又疯”,2 人工智能及其发展,消解能力有限。用消解法证明两个连续函数之和也是连续函数，推了十万步还推不出来。,2 人工智能及其发展,与此同时，专家系统的研究却悄悄兴起，出现了医学诊断、地质探矿、分子结构等各种ES，并带来很大的经济效益。,2 人工智能及其发展,1977年，在日本召开了第五届
10、国际人工智能（AI）会议上，费根鲍姆（ E. A. Feigenbaum）正式提出“知识工程”的概念，并形成了以ES为特点的应用人工智能（AI）时期。,2 人工智能及其发展,由于知识工程和ES的产生及迅速发展，在使用中产生了巨大效益，使人工智能（AI）研究再次掀起热潮。,五、 当前发展趋势(1)传统的符号处理与神经计算各取所长，联合作战。 (2)一批新思想、新理论、新技术不断涌现。 (3)以Agent（称为“主体”或“智能主体”、“智能体”等）技术和分布式人工智能(DAI）正异军突起，蓬勃发展。(4)应用研究愈加深入而广泛。当今的人工智能研究与实际应用的结合越来越紧密。,六、 我国人工智能的发
11、展20世纪70年代末，我国有一批学者认真地开始了人工智能的研究。1977年，涂序彦（现任中国人工智能学会理事长）和郭荣江在自动化第1期上发表了国内首篇关于AI的论文智能控制及其应用，拉开了我国人工智能研究的序幕。从此，我国在人工智能方面的研究便蓬勃兴起。,2001年北京举办了中国人工智能学会第九届全 国学术年会中国人工智能学会成立20周年大会报道说“我国人工智能已经摆脱了跟在外国人后面小修小补的状况，从学习国外为主的时期进入自主研究时期。例如，在人工智能（AI）的理论研究方法方面，提出了机器定理证明的吴氏方法，广义智能信息理论，泛逻辑学，可拓学，全信息论等创新特色的理论和方法。,2 人工智能及
12、其发展,在人工智能（AI）的应用技术开发方面，开发了中医专家诊断系统（98%），农业专家系统，汉字识别系统，汉英机译系统等具有重要使用价值的应用系统,3 人工智能（AI）的基本技术及特征,一、用数据驱动代替程序驱动传统程序中，在处理任何一步时，下一步做什么是事先预定好的，而人工智能（AI）系统则在处理每一步时，下一步需做什么要根据当时采集的数据的具体内容而决定。这更符合人类分析问题、解决问题的习惯。 自适应，自学习，自优化,二、技术 （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
13、，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。,（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。,（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
14、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。,（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。,（5） 联想技术联想是最基本、最基础的思维活动，它几乎
15、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。,4人工智能的分支领域,一、 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。语音识别图形识别模式识别：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，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，
16、完成对输入信息的分类识别工作。,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。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：,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，推理是人脑的一个基本功能和重要功能。事实上，几乎所有的人工智能领域都与推理有关。因此，要实现人工智能，就必须将推理的功能赋予机器，实现机器推理。,4.机器学习机器
17、学习就是机器自己获取知识。具体来讲，机器学习主要有这几层意思：(1)对人类已有知识的获取（这类似于人类的书本知识学习）；(2)对客观规律的发现（这类似于人类的科学发现）；(3)对自身行为的修正（这类似于人类的技能训练和对环境的适应）。,5.机器理解机器理解主要包括自然语言理解和图形理解等。自然语言理解就是计算机理解人类的自然语言，如汉语、英语等，并包括口头语言和文字语言两种形式。试想，计算机如果能理解人类的自然语言，那么计算机的使用将会变得十分方便和简单，而且机器翻译也将真正成为现实。,6.机器行为机器行为主要指机器人行动规划。它是智能机器人的核心技术，规划功能的强弱反映了智能机器人的智能水平
18、。因为，虽然感知能力可使机器人认识对象和环境，但解决问题，还要依靠规划功能拟定行动步骤和动作序列。,二、 基于研究途径与实现技术的领域划分1.符号智能符号智能就是以符号知识为基础，通过符号推理进行问题求解而实现的智能。这也就是所说的传统人工智能或经典人工智能。符号智能研究的主要内容包括知识工程和符号处理技术。知识工程涉及知识获取、知识表示、知识管理、知识运用以及知识库系统等一系列知识处理技术。符号处理技术指基于符号的推理和学习技术，它主要研究经典逻辑和非经典逻辑理论以及相关的程序设计技术。简而言之，符号智能就是基于人脑的心理模型，运用传统的程序设计方法实现的人工智能。,2. 计算智能计算智能是
19、以数据为基础，通过数值计算进行问题求解而实现的智能。计算智能研究的主要内容包括人工神经网络、进化计算(包括遗传算法、遗传程序设计、进化规划、进化策略等)、模糊技术以及人工生命等。计算智能主要模拟自然智能系统，研究其数学模型和相关算法，并实现人工智能。计算智能是当前人工智能学科中一个十分活跃的分支领域。,一、基于应用领域的领域划分1. 难题求解这里的难题，主要指那些没有算法解，或虽有算法解但在现有机器上无法实施或无法完成的困难问题。例如：路径规划、运输调度、电力调度、地质分析、测量数据解释、天气预报、市场预测、股市分析、疾病诊断、故障诊断、军事指挥、机器人行动规划、机器博弈等等。,4人工智能的分
20、支领域,2. 自动定理证明自动定理证明就是机器定理证明，这也是人工智能的一个重要的研究领域，也是最早的研究领域之一。定理证明是最典型的逻辑推理问题之一，它在发展人工智能方法上起过重大作用。,3.自动程序设计自动程序设计就是让计算机设计程序。具体来讲，就是人只要给出关于某程序要求的非常高级的描述，计算机就会自动生成一个能完成这个要求目标的具体程序。所以，这相当于给机器配置了一个“超级编译系统”，它能够对高级描述进行处理，通过规划过程，生成所需的程序。但这只是自动程序设计的主要内容，它实际是程序的自动综合。自动程序设计还包括程序自动验证，即自动证明所设计程序的正确性。,4. 自动翻译自动翻译即机器
21、翻译，就是完全用计算机作为两种语言之间的翻译。机器翻译由来已久。早在电子计算机问世不久，就有人提出了机器翻译的设想。随后就开始了这方面的研究。当时人们总以为只要用一部双向词典及一些语法知识就可以实现两种语言文字间的机器互译，结果遇到了挫折。,9. 智能仿真10.智能CAD 11.智能CAI,5.智能控制 6.智能管理 7.智能决策 8.智能通信,二、基于应用系统的领域划分1.专家系统所谓专家系统，就是基于人类专家知识的程序系统。专家系统的特点是拥有大量的专家知识（包括领域知识和经验知识），能模拟专家的思维方式，面对领域中复杂的实际问题，能作出专家水平级的决策，像专家一样解决实际问题。,4人工智
22、能的分支领域,2.知识库系统所谓知识库系统，从概念来讲，它可以泛指所有包含知识库的计算机系统（这是广义理解）；也可以仅指拥有某一领域广泛知识以及常识的知识咨询系统（这是一种狭义理解）。按广义理解，专家系统、智能数据库系统等也都是知识库系统。这里我们对知识库系统按狭义理解。,3.智能数据库系统智能数据库系统就是给传统数据库系统中再加上智能成分。例如：演绎数据库、面向对象数据库、主动数据库等等，都是智能数据库系统。4.智能机器人系统智能机器人是这样一类机器人：它能认识工作环境、工作对象及其状态，能根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立地决定工作方法，实现任务目标，并能适应工作环境的变化。,
23、五、 基于计算机系统结构的领域划分1.智能操作系统2. 智能多媒体系统3. 智能计算机系统4.智能网络系统,五、 基于计算机系统结构的领域划分1.智能操作系统智能操作系统就是将人工智能技术引入计算机的操作系统之中，从质上提高操作系统的性能和效率。智能操作系统的基本模型，将以智能机为基础，并能支撑外层的AI应用程序，以实现多用户的知识处理和并行推理。,2. 智能多媒体系统多媒体技术是当前计算机最为热门的研究领域之一。多媒体计算机系统就是能综合处理文字、图形、图像和声音等多种媒体信息的计算机系统。智能多媒体就是将人工智能技术引入多媒体系统，使其功能和性能得到进一步发展和提高。事实上，多媒体技术与人
24、工智能所研究的机器感知、机器理解等技术也不谋而合。,3. 智能计算机系统智能计算机系统就是人们正在研制的新一代计算机系统。这种计算机系统从基本元件到体系结构，从处理对象到编程语言，从使用方法到应用范围，同当前的诺依曼型计算机相比，都有质的飞跃和提高，它将全面支持智能应用开发，且自身就具有智能。,4.智能网络系统智能网络系统就是将人工智能技术引入计算机网络系统。如在网络构建、网络管理与控制、信息检索与转换、人机接口等环节，运用AI的技术与成果。研究表明，AI的专家系统、模糊技术和神经网络技术可用于网络的连接接纳控制、业务量管制、业务量预测、资源动态分配、业务流量控制、动态路由选择、动态缓冲资源调
25、度等许多方面。,5、人工智能研究存在的问题,一、存在的问题但是目前智能科学的发展水平尚处于幼年时期，还存在许多问题 1、宏观与微观的分离 哲学、思维科学研究的智能层次太高，而人工智能（AI）神经网络、行为主义研究层次太低，中间隔层太多，无法结合。 大脑的实际工作，从宏观上讲，虽然知道不少，但变化莫测，难于理出头绪，从微观过程来讲还知之甚少、似是而非，难以找出规律。目前的智能理论，有些是人们主观猜想的。,9、人工智能研究存在的问题和发展趋势,2、全局与局部的割裂人类智能是脑系统的整体效应有丰富的层次和侧面，而目前人工智能（AI）的研究只是抓住某一特征、某一侧面，有明显的局限性，只能部分模拟人类智能。人脑的结构、功能远比人们想象的要复杂的多，有1011个神经细胞，每一个又与大约104个其它的神经细胞互联可构成1015个互联网，可见它的复杂性，针对这些存在的问题，人工智能（AI）的发展策略和未来道路应该是“统一理论，综合研究，集成技术，实现机器智能，创造新的智能机”。,
