智能科学导论第2章.ppt

1 2 1智能 自然智能 人工智能 第2章智能科学技术的初步概念 2 1 智能的概念 自然界四大奥秘 物质的本质 宇宙的起源 生命的本质 智能的发生 3 1 智能的定义 定义智能的困难 从结构上 人脑有1011 12量级的神经元 广泛分布并行的巨复杂系统 从功能上 人脑具有记忆 思维 观察 分析等能力 有待于人脑奥秘的揭示 进一步认识 4 对智能还没有确切的定义 主要流派有 1 思维理论 智能的核心是思维 2 知识阈值理论 智能取决于知识的数量及一般化程度 3 进化理论 用控制取代知识的表示 5 智能是知识与智力的总和 知识是一切智能行为的基础 获取知识并应用知识求解问题的能力 6 具体指 给定问题 约束 目标的条件下 有针对性地获取相关信息 从中提取必要的知识 生成正确的策略 成功地解决问题 满足给定约束 达到预定目的的能力 7 新环境 新问题 新目标 环境 问题 目标 提炼知识 生成策略 引导行为 目的 获取信息 一个典型的智能过程 8 感知能力 通过视觉 听觉 触觉 嗅觉等感觉器官感知外部世界的能力 是人类获得外界信息的基本途径 80 以上信息通过视觉得到 10 信息通过听觉得到 2 智能的特征 其处理方式有以下两种 感知 动作方式 对简单 紧急信息感知 思维 动作方式 对复杂信息 9 对感知到的外界信息和由思维产生的内部知识的存储过程 对记忆的信息的认识过程 记忆与思维能力 10 逻辑思维 抽象思维 根据逻辑规则对信息和知识进行处理的理性思维方式 例如 逻辑推理等特点 思维过程是串行的 容易形式化 思维过程具有严密性 可靠性 11 形象思维 直感思维 基于形象概念 根据感性形象认识材料对客观现象进行处理的一种思维方式 例如 图像 景物识别等 特点 依据直觉 12 顿悟思维 灵感思维 是一种显意识和潜意识相互作用的思维方式 例如 因灵感而顿时开窍 特点不定期的突发性 独创性及模糊性 穿插于形象思维与逻辑思维之中 13 学习能力 是一个具有特定目的的知识获取过程是人的一种本能 不同人的学习方法 能力不同 学习既可能是自觉的 有意识的 也可能是不自觉的 无意识的 既可以是有教师指导的 也可以是通过自己实践的 自适应能力 是一种通过自我调节适应外界环境的过程是人的一种本能 不同人的适应能力不同 学习能力和自适应能力 14 行为能力 表达能力 含义 是人们对感知到的外界信息作出动作反应的能力 信息来源 由感知直接获得的外界信息经过思维加工后的信息 实现过程 通过脊髓来控制由语言 表情 体姿等来实现 15 人类的自然智能 简称智能 指人类在认识客观世界中 由思维过程和脑力活动所表现出的综合能力 自然智能 指人类和一些动物所具有的智力和行为能力 2 自然智能 16 智能 自然智能 问题 1 人是怎样思考问题的 例如 树上还有几只鸟 常识推理 2 人是怎样横穿马路的 常识推理和逻辑问题的形象处理 3 人是怎样识别景物的 例如 小孩的妈妈是谁 形象思维 4 人是怎样实现感知 学习 思维等的 神经系统的心智活动 5 人是怎样产生情绪 情感的 神经系统的心理过程 智能的现象 17 自然智能系统 指 自然进化所造就的智能系统 人 地球上智能程度最高的自然智能系统 动物 智能程度较高的自然智能系统 植物 智能系统较低的自然智能系统 非生命系统 低智能系统 某些材料 18 人类 高等动物 动物 植物 无机物 智能等级和智能空间 19 3 人工智能 ArtificialIntelligence AI 1956年正式提出人工智能 artificialintelligence AI 这个术语并把它作为一门新兴科学的名称 20 2006年人机中国象棋大战 21 2007年台北国际发明暨技术交易展览上 第三代智能机器人DOC现场表演下棋 22 人工智能的定义 典型的4种定义方法 类人 理性 思维 行为 行为 思维 类人 理性 23 类人思维方法也称为认知模型方法 它是一种基于人类思维工作原理来定义智能的方法 典型代表是贝尔曼 Bellman 于1978年提出的定义 人工智能是那些与人的思维 决策 问题求解和学习等有关活动的自动化 1 类人思维方法 认知科学 24 认知科学 研究人类感知和思维信息处理过程 它把来自人工智能的计算机模型和来自心理学的实验技术结合起来 试图创立一种精确而且可检测的人脑思维过程的工作模型 25 如果能把上述所得到关于思维的足够精确的模型用计算机程序表示出来 并且该程序的输入 输出和实时行为能够与人类相一致 那就说明该程序的某些机制可能是按照人脑思维模式运行的 26 2 类人行为方法 类人行为方法也称为图灵测试方法 它是一种基于人类自身的智能去定义一个机器或系统是否具有智能的方法 典型代表是库兹韦勒 Kurzweil 于1990年提出的定义 人工智能是一种创建机器的技艺 这种机器能够执行需要人的智能才能完成的功能 27 按照图灵测试要求 一台计算机要能够通过 至少应该具有以下能力 自然语言处理 实现用自然语言与计算机的交流 知识表示 存储它所知道的或听到的知识或信息 自动推理 运用存储的知识或信息来回答问题 并提取新的结论 机器学习 能适应新的环境 并能自我获取新的知识 28 如果还需要测试被测对象利用视频信号的感知能力和传递接受物体的行为能力 即所谓的完全图灵测试 则计算机还应该具有如下能力 计算机视觉 可以感知物体 机器人技术 可以操纵和移动物体 29 类人行为方法 测试主持人 被测机器 被测人 能分辨出来的概率小于50 吗 Turing测试 30 3 理性思维方法 理性思维方法亦称为思维法则方法 它是一种基于逻辑推理定义智能的方法 典型代表是查尼艾克 E Charniak 和麦克德莫特 D McDermott 于1985年提出的定义 人工智能是通过计算模型的使用来进行心智能力研究的 31 计算模型主要是指能 正确思维 的逻辑学模型 古希腊哲学家亚里士多德 Aristotle 是首先严格定义 正确思维 的人之一 他将其定义为 不能辩驳的推理过程 例如 三段论推理方法 理性思维方法正是人工智能领域中所谓的逻辑主义观点 他们希望通过编制逻辑程序来建造智能系统 32 这种方法存在两个主要问题 第一 非形式的知识用形式的逻辑符号表示不易实现 尤其是对不确定的知识 第二 原则上可以解决的问题与实际解决问题之间存在较大差异 需要考虑推理过程的控制 33 4 理性行为方法 理性行为方法亦称为理性智能体方法 它是一种基于智能体定义智能的方法 典型代表是尼尔森 N J Nilsson 于1998年提出的定义 人工智能关心的是人工制品中的智能行为 这里的人工制品主要是指能够感知环境 适应变化 自主操作 执行动作的理性智能体 Agent 34 理性行为方法与理性思维方法的关系 首先 理性行为和理性思维强调的重点不同 理性思维方法强调的是正确思维 而理性行为方法强调的则是理性行动 35 其次 理性行为可以依据理性思维进行 例如 对一些能够通过理性思维能够做出正确结论的事情 实现理性行为的途径往往是先通过逻辑推理得出该行为能达到的目标和结论 然后再付诸实施 36 再其次 理性行为不一定要依据理性思维进行 例如 对有些事情 即使理性思维无法证明哪些行为是正确的 而其它行为是错误的 理性行为也必须有所行动 37 何谓人工智能总结 上述4种方法人们都有人做了很多工作 当然在以人为中心的方法和以理性为中心的方法之间也存在着一定的争议 例如 以人为中心的方法是一种经验科学 它需要涉及到很多假设和实验证实 以理性为中心的方法则涉及到把数学与工程相结合 38 人工智能的一般解释 从能力的角度 人工智能是指用人工的方法在机器 计算机 上实现的智能 从学科的角度 人工智能是一门研究如何构造智能机器或智能系统 去模拟 延伸和扩展人类智能的学科 39 人工智能系统 指 人造的智能系统 也称为 智能机器 人工智能系统举例 医疗专家 博弈机 智能机器人 智能系统 具有上述能力的系统 40 3 人工智能与自然智能的关系是什么 自然智能系统 原型系统 人工智能系统 模拟系统 模拟 照猫画虎 青出于蓝而胜于蓝 研究自然系统的奥妙 可启示人工系统的模拟方法 研究人工系统的实现 可以深化对原型系统地认识 两者紧密结合 可以相互促进 41 重点 智能 人工智能与自然智能 42 智能的载体 2 2脑与认知科学是智能科学的基础 人类智能基础 脑和神经系统 43 脑的涵义从狭义方面 脑是指中枢神经系统 有时特指大脑 从广义方面 脑可泛指整个神经系统 人工智能是从广义角度来理解脑科学的 脑的复杂度 人脑是由巨量神经元经其突触的广泛并行互联所形成的一个巨复杂系统 是自然界中最复杂 最高级的智能系统 1 脑 44 脑科学 是一门研究脑与心智现象及规律的科学 其主要目标就是要揭示脑功能的本质 认识脑与智能的规律 保护脑和创造脑 脑科学是AI的基础 其任何研究进展都将对人工智能的研究起到积极的推动作用 45 2 认知 认知 可一般地认为是和情感 动机 意志相对应的理智或认识过程 或者是为了一定的目的 在一定的心理结构中进行的信息加工过程 46 美国心理学家浩斯顿 Houston 等人把认知归纳为以下5种主要类型 1 认知是信息的处理过程 2 认知是心理上的符号运算 3 认知是问题求解 4 认知是思维 5 认知是一组相关的活动 如知觉 记忆 思维 判断 推理 问题求解 学习 想象 概念形成及语言使用等 47 认知科学 认知科学 思维科学 是研究人类感知和思维信息处理过程的一门学科 其主要研究目的就是要说明和解释人类在完成认知活动时是如何进行信息加工的认知科学也是人工智能的重要理论基础 对人工智能发展起着根本性的作用 从认知观点看 AI应同时开展对逻辑思维 形象思维和灵感思维的研究 48 脑 思维器官 神经系统 传导网络 眼耳鼻舌身 感觉器官 手脚语言系统 效应器官 脑与认知 的作用 举例 49 脑与认知 的作用 原理 感官 感测 神经 通信 认知 动官 控制 问题 环境 谋略 目的 神经 通信 信息 知识 智能策略 头脑 狭义智能 行为 信息 50 人作为一个整体 具有认识世界和改造世界的能力 这是一个不可分割的有机整体 各个部分缺一不可 有机整体 的意思 整体不是各个部分的简单相加 而是各个部分之间相互联系相互作用和协同的结果 然而 这也不等于说 各个部分在整体中的作用都是完全平等的 显然的结论 51 显然的结论 脑与认知 图中的 认知与谋略 是整个人体系统这个 万物之灵 的核心 52 研究认知过程的任务探求高层次思维决策与初级信息处理的关系 并用计算机程序来模拟人的思维策略水平 而用计算机语言模拟人的初级信息处理过程 思维策略 初级信息处理 生理过程 计算机程序 计算机语言 计算机硬件 人类认知活动 计算机 软件系统 简单程序 人类认知活动与计算机的比较 53 人类认知过程的工作原理当外界刺激作用于某一个特定状态的机体时 就会发生变化 T T 1 x f S R x x x T表示时间变量x表示认知操作S表示机体状态R表示外界刺激 54 在得到外界输入后 计算机进行相应的操作 使得其内部状态随时间发生变化 计算机的工作原理 55 计算机存储的内容 人类机体的状态 机体施加的某种刺激 计算机的输入 人类认知过程的工作原理 计算机的工作原理 这种以人的思维方式为模型的信息处理系统可以称为智能信息处理系统 56 2 3机器智能 就是要让计算机具有类似于人的感知能力 如视觉 听觉 触觉 嗅觉 味觉 机器感知的专门的研究领域 计算机视觉 模式识别 自然语言理解 机器思维 让计算机能够对感知到的外界信息和自己产生的内部信息进行思维性加工 57 这些人是谁 你是怎样识别的 机器会怎样识别 差别在哪 习以为常的智能 58 机器视觉 或叫计算机视觉 就是给计算机配上能看的视觉器官 如摄像机等 使它可以识别并理解文字 图像 景物等机器听觉 或叫计算机听觉 就是给计算配上能听的听觉器官 如话筒等 使计算机能够识别并理解语言 声音等 机器感知相当于智能系统的输入部分 59 机器学习 机器学习 让计算机能够像人那样自动地获取新知识 并在实践中不断地完善自我和增强能力 机器学习方法 机械学习 类比学习 归纳学习 发现学习 遗传学习和连接学习等 60 机器行为 让计算机能够具有像人那样地行动和表达能力 如走 跑 拿 说 唱 写画等 相当于智能系统的输出部分 61 智能系统与智能机器 智能机器是一种能够呈现人类智能行为的机器 无论是人工智能的近期目标还是远期目标 都需要建立智能系统或构造智能机器 需要开展对系统模型 构造技术 构造工具及语言环境等研究 62 总结 智能 Intelligent 人的智能是他们理解和学习事务的能力 智能是思考和理解能力而不是本能的做事能力 认知科学 思维科学 说明人类在认知过程中是如何进行信息加工的 63 人工智能 Nilsson 人工智能是关于知识的科学 知识的表示 知识的获取以及知识的运用 人工智能 学科 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 它的近期主要目标在于研究用机器来模仿和执行人脑的某些智力功能 并开发相关理论和技术 64 人工智能 能力 人工智能 能力 是智能机器所执行的通常与人类智能有关的智能行为 如判断 推理 证明 识别 感知 理解 通信 设计 思考 规划 学习和问题求解等思维活动 智能机器 IntelligentMachine 智能机器是一种能够呈现人类智能行为的机器 65 2 4AI研究中的不同学派 不同的学派对AI的基本问题 比如 定义 基础 核心 要素 认知过程 学科体系以及人工智能与人类智能的关系等 均有不同观点 它们的研究方法也不同 66 不同学科背景的学者对人工智能有不同的观点 目前主要分成三大学派 符号主义 逻辑学派 主要来自于数理逻辑连接主义 仿生学派 主要来源于仿生学行为主义 控制论学派 主要来源于控制论 67 1 符号主义 physicalsymbolsystemhypothesis 智能的基础是知识 其核心是知识表示和知识推理 知识可用符号表示 也可用符号进行推理 因而可以建立基于知识的人类智能和机器智能的统一的理论体系 代表人物 赫伯特 西蒙 HerbertAlexanderSimon 和艾伦 纽厄尔 AllenNewell 68 处理对象 符号 不是连续变化的数值 基本任务和功能 辨认相同的符号和不同的符号 69 人是物理符号系统 输入信号 视觉 听觉 触觉 眼睛看 耳朵听 手摸 输出信号 说话 触觉 计算机是物理符号系统 输入 键盘 鼠标 话筒等 输出 屏幕 耳机等 70 完整物理符号系统的六大基本功能 输入符号输出符号存储符号复制符号建立符号结构 通过找出各符号之间的关系 形成符号结构 条件性转换 根据已有符号 在一定条件下实现符号之间的转换 71 物理符号系统的假设 任何一个系统 如果它能够表现出智能 那么它就必定能够执行上述六种功能 反之 任何系统如果具有上述六种功能 那么它就能够表现出智能 即人类具有的智能 72 推论1 既然人具有智能 那么他一定就是一个物理符号系统 人之所以能够表现出智能 就是基于他的信息处理过程 推论2 既然计算机是一个物理符号系统 它就一定能够表现出智能 这是人工智能的基本条件 推论3 既然人和计算机都是物理符号系统 那么就能够用计算机来模拟人的活动 73 结论 能够用计算机来模拟人的 思维 活动 即能够用机器智能来模拟人类智能 人工智能的实现手段 包括硬件和软件 其中软件就是一个计算机程序 74 成功的人工智能的例子 国际象棋人机大战 前苏联国际象棋世界冠军卡斯帕洛夫 IBM超级计算机 75 热身赛 1996年2月计算机 深蓝 DeepBlue AS 6000SP大规模多用途并行处理机 含32个处理器 每秒能分析2亿步棋 比赛结果 4 人 2 机 正式交锋 1997年2月比赛结果 2 5 人 3 5 机 正式交锋 2003年2月计算机 小深蓝比赛结果 3 3 76 比赛时间 2003年11月比赛结果 2 人 2 机 前苏联国际象棋世界冠军卡斯帕洛夫 德国X3D 弗里茨 77 各种下棋程序 人机对垒 计算机方就是一个人工智能程序 中国象棋 五子棋 人机大战其实是展示人工智能的研究水平与成果 78 传统程序就是告诉机器干什么及任何干 而如何干则要靠人来设计方法 给出算法并写出程序来实现的 AI程序只要求机器知道干什么 我们只要把问题描述清楚 机器就能自动实现求解 AI程序 79 人工智能 符号主义 与传统程序的差异 80 在研究方法上 功能模拟方法 通过分析人类认知系统所具备的功能和机能 然后用计算机模拟这些功能 实现人工智能 鸟会飞 飞机也会飞 符号主义的主要研究方法 81 2 联结主义 在基本理论上 认为人的思维基元是神经元 而不是符号处理过程 提出了连接主义的大脑工作模式 来取代符号主义的大脑工作模式 核心 智能的本质是联接机制 82 这种观点认为 AI起源于仿生学 特别是人脑模型 人类认知的基元是神经元 认知过程是神经元的连接活动过程思维的基元是神经元 而不是符号 思维过程是神经元的联结活动过程 而不是符号运算过程 反对符号主义关于物理符号系统的假设 83 在研究方法上 着重于结构模拟 即模拟人的生理神经网络结构 并认为功能 结构和智力行为是密切相关的 不同的结构表现出不同的功能和行为 84 其目的是要模拟人类的大脑结构 构造人造的神经网络系统 人类神经网络 人工神经网路 模拟方法 结构模拟 85 人工神经网络是由大量处理单元组成的非线性 大规模 自适应的动力系统 它是在现代神经科学研究成果的基础上提出的 试图通过模拟大脑神经网络处理 记忆信息的方式 设计出一种新的机器使之具有像人脑那样的信息处理能力 86 行为模拟方式亦称进化主义 控制论学派 这种观点认为 人工智能起源于控制论 智能取决于感知和行为 取决于对外界复杂环境的适应 而不是推理 提出了智能行为的 感知 动作 模型 智能不需要知识 不需要表示 不需要推理 人工智能可以像人类智能那样逐步进化 3 行为主义 87 1948年Wiener 维纳 提出了控制论 它分析和模拟自控制的生物和人工系统 从而建立根据动物心理学和行为来研究和分析具体的计算机系统的基础 N Wiener 1894 1964 88 维纳 控制论 的历史渊源 1845年 著名的法国物理学家和数学家安培在 论科学的哲学 中给关于国务管理的科学取了一个名字 控制论 Cybernetics 在第二次世界大战期间 各国之间的战争大大促进了另一个科学部门的发展 这就是关于机械系统和电气系统的控制与操纵的科学 维纳就借用安培所创造的名称 控制论 来称呼这门新的科学 89 维纳的 控制论 是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学 这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量 热量和效率等因素 但在其它各门自然科学中 这些因素是十分重要的 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质 以及整个系统的总体运动状态 90 30年代 奈奎斯特 玻德等人建立了反馈放大器理论 1932 著名的奈奎斯特稳定判据和波德图为控制系统的分析与设计提供了有效的理论工具 然而 维纳在 控制论 中把人和机器并列甚至等同的提法却在其问世后的前些年中遭到了前苏联及东欧等国家的攻击和批判 被诬为发动的伪科学和为帝国主义服务的战争工具等 91 从维纳的 控制论 到钱学森的 工程控制论 1954年钱学森所著 工程控制论 一书英文版问世 第一次用这一名词称呼在工程设计和实验中能够直接应用的关于受控工程系统的理论 概念及方法 92