人工智能导论

1、北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 1人人 工工 智智 能能 导导 论论北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 2本课程目的本课程目的n开阔眼界，扩大视野；开阔眼界，扩大视野；n了解人工智能常用的成熟技术；了解人工智能常用的成熟技术；n学习科学研究方法。学习科学研究方法。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 3通过本课程学习了解通过本课程学习了解n 为什么要研究人工智能，其主要用于解决什为什么要研究人工智能，其主要用

2、于解决什么类型的问题。么类型的问题。n 人工智能（机器智能）程序与普通的软件程人工智能（机器智能）程序与普通的软件程序主要有什么不同。序主要有什么不同。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 4教材及有关参考文献教材及有关参考文献n教材教材: :w 人工智能及其应用第三版，本科生用书；蔡自兴等编著，清华大学出版,2003，北航教材发行科购买。n主要参考文献：主要参考文献：w人工智能导论人工智能导论，王勋等编著，科学出版社，2005；w人工智能人工智能,Rob Callan著,黄厚宽等译,电子工业出版社,2004 w 人工智能，陆汝钤编著

3、，科学出版社，1989w人工智能教程，王士同主编，电子工业出版社，2001年。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 5教材涉及的主要内容教材涉及的主要内容n 前续课程前续课程:w 自我复习：自我复习：数理逻辑、集合论、图论数理逻辑、集合论、图论等等n 重点内容：重点内容：w 1 - 31 - 3章章, 6-7, 6-7章，章，1111章。章。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 6 第第 一一 章：章： 绪绪 论论 北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软

4、件开发环境国家重点实验室 Slide 7n 人工智能的研究目标n 主要研究领域n 主要研究途径n 几个重要研究阶段及研究学派n 几种主要的知识表示表示方法本章本章重点重点掌握内容掌握内容北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 8第一章第一章 人工智能概论人工智能概论n人工智能与人类智能（关系及研究目标）人工智能与人类智能（关系及研究目标）n人工智能的主要研究内容及研究途径人工智能的主要研究内容及研究途径n人工智能研究历史人工智能研究历史 n人工智能研究进展、难点及发展趋势人工智能研究进展、难点及发展趋势n研究人工智能的研究人工智能的必要

5、性必要性北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 9研究人工智能的研究人工智能的必要性必要性n信息信息技术：技术：w 感测技术：感测技术： 获取获取信息的技术；信息的技术；w 通信技术：通信技术： 传输传输信息的技术；信息的技术；w 计算机技术：计算机技术：处理处理信息的技术；信息的技术；w 控制技术：控制技术： 应用应用信息的技术。信息的技术。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 10研究人工智能的研究人工智能的必要性必要性n信息技术的发展方向是信息技术的发展方向是智能化智能化

6、 智能信息技术智能信息技术 智能智能计算机技术计算机技术例：例：u体系结构体系结构-“神经网络计算机神经网络计算机”：存储存储-分布式、分布式、处理处理-并行、并行、应用组织应用组织-自自适应学习；适应学习；（冯诺依曼机：冯诺依曼机：存储存储-集中式、集中式、处理处理-串行、串行、应用组织应用组织-写程序写程序）u智能人机接口：文字识别（智能人机接口：文字识别（OCR、联机手写识别）；语音识别（非、联机手写识别）；语音识别（非特定人特定人语音语音打字打字）；图像识别（指纹鉴别、手语识别、表情识别）、）；图像识别（指纹鉴别、手语识别、表情识别）、机器翻译等；机器翻译等；n 智能智能通信通信技术技

7、术例例：w智能网技术智能网技术；智能化网络管理与控制技术智能化网络管理与控制技术； w网络智能信息搜索技术网络智能信息搜索技术。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 11研究人工智能的研究人工智能的必要性必要性智能智能控制技术控制技术例：例：u复杂系统：智能机器人（复杂系统：智能机器人（足球、智能机器宠物足球、智能机器宠物）、通信网）、通信网管系统、工业过程控制等管系统、工业过程控制等u控制对象不确定控制对象不确定 模型结构未知、参数非线性变化，模型结构未知、参数非线性变化，u控制任务复杂控制任务复杂 - 机器人机器人任务、行为、路径

8、任务、行为、路径的动态自行规划。的动态自行规划。w 机器人发展的三个阶段：机器人发展的三个阶段：有有“手手”： 固定程序工作；固定程序工作；有有“感觉感觉”：视觉、触觉、：视觉、触觉、有有“能力能力”：学习、推理、决策、：学习、推理、决策、北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 12研究人工智能的研究人工智能的必要性必要性 智能信息技术中的智能信息技术中的核心技术核心技术： 模糊控制技术模糊控制技术 模式识别模式识别神经网络技术神经网络技术专家系统专家系统 机器学习机器学习 . 属于属于人工智能理论和技术人工智能理论和技术范畴范畴。北京

9、航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 13第一章第一章 人工智能概论人工智能概论n人工智能与人类智能（关系及研究目标）人工智能与人类智能（关系及研究目标）n人工智能的主要研究内容及研究途径人工智能的主要研究内容及研究途径n人工智能研究历史人工智能研究历史 n人工智能研究进展、难点及发展趋势人工智能研究进展、难点及发展趋势n研究人工智能的研究人工智能的必要性必要性北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 14 Bellman ( 1978 ) 人工智能是那些与人的思维、决策、问题求解和

10、学习等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。有关活动的自动化。 Kurzwell ( 1990 ) 人工智能是一种能够执行需要人的智能的创造性机器的人工智能是一种能够执行需要人的智能的创造性机器的技术。技术。 P.H.Winston ( 1992 ): 人工智能是研究那些使理解、推理和行为成为可能的计算人工智能是研究那些使理解、推理和行为成为可能的计算。何为何为人工智能人工智能北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 15w Rich & Knight ( 1991 ):Rich & Knigh

11、t ( 1991 ):人工智能研究如何通过使计算机做事而让人过得更好。人工智能研究如何通过使计算机做事而让人过得更好。w Schalkoff ( 1990 ):Schalkoff ( 1990 ):人工智能是一门通过计算过程使机器力图理解和模仿智能人工智能是一门通过计算过程使机器力图理解和模仿智能行为的学科。行为的学科。w Luger & Stubblefield ( 1993 ):Luger & Stubblefield ( 1993 ):人工智能是计算机科学中与智能行为自动化有关的一个分人工智能是计算机科学中与智能行为自动化有关的一个分支。支。何为人工智能何为人工智能北京航

12、空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 16n 需要研究需要研究人类智能人类智能，以便为人工智能：，以便为人工智能：建立学科体系；界定研究范围确定研究内容。何为何为人工智能人工智能北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 17何为何为人工智能人工智能w 通过视觉、听觉、触觉等感官感官活动认识世界环境的感知能力感知能力w 通过人脑的生理与心理活动以及有关的信息处理信息处理过程，进行演绎演绎和归归纳推理纳推理并作出决策的思维能力思维能力。w 通过教育、培训等过程，日益丰富和更新自身的知识和技

13、能的学习能力学习能力w 对变化多端的外界环境条件，如干扰、刺激等作用，能灵活地做出反应的自我适应能力。自我适应能力。w .表现为表现为多层次多层次 思维、感知、行为等；思维、感知、行为等； 多方面多方面 - - 学习、分析综合、判断决策、适应、协调、直觉、顿悟学习、分析综合、判断决策、适应、协调、直觉、顿悟 智能智能是人类在认识客观世界和改造世界的活动中，表现出来的解决实际问题的能力解决实际问题的能力：北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 18何为何为人工智能人工智能 可表示为 AI( Info, K, S, Exe / E, P,

14、G )AI( Info, K, S, Exe / E, P, G ) 人工智能人工智能：机器系统在设计者设计者给定环境环境、问题问题、目标目标的前提下，获取相关的信息信息，把信息提炼成知识知识，把知识激活为合理的策略策略，在策略引导下解决问题、达到目标的能力。 相比较而言，相比较而言， 一般来说，人工智能人工智能可泛指机器系统具有的智能。机器机器只有显智能显智能而无隐智能，隐智能，不具有自觉能力，只能按设计者赋予的目的、方式行事。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 19n远期研究目标：远期研究目标： 研究智能的理论，解释人类的智能行

15、为及其构件，制造具有人类智能的系统和机器，使得系统或机器具有看、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，具有分析问题、解决问题和发明创造的能力以及有自动获取知识和利用知识的能力，能够象人一样自动发现规律和利用规律，从而可用以扩展和延伸人的智能。n近期研究目标：近期研究目标： 先部分地或在某种程度地实现机器智能，使现有的计算机更灵活、更好用和更有用，成为人类进行信息智能化处理的工具。人工智能人工智能研究目标研究目标北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 20是一门综合性的边缘交叉学科综合性的边缘交叉学科。不仅

16、限于计算机科学范围之内，还涉及脑科学、神经生理学、心理学、语言学、逻辑学、认知科学、行为科学等学科；何为何为人工智能人工智能人工智能的人工智能的研究特征：研究特征：是一门技术科学技术科学，其理论方法研究和应用技术开发通常是在工程技术领域进行。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 21n人工智能与人类智能（人工智能与人类智能（关系关系及及研究目标研究目标）n人工智能研究历史人工智能研究历史 n人工智能研究进展、难点及发展趋势人工智能研究进展、难点及发展趋势第一章第一章 人工智能概论人工智能概论n研究人工智能的研究人工智能的必要性必要性

17、人工智能的主要研究内容及研究途径人工智能的主要研究内容及研究途径北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 22nAIAI基础研究基础研究：认知科学中有逻辑思维学、形象思维学及神经生理学等；数学包括离散数学、应用逻辑学、模糊学及突变论等n AIAI原理研究：原理研究：知识的表示、知识的处理与知识的获取的基本技术，包括经验型、正规型、常识性知识。n AIAI应用研究应用研究：专家系统、搜索和推理技术对网上信息搜集、网络路径优化，多媒体信息的表示和处理，快速信息检索等。n 认认知知结构及语言研究结构及语言研究： 认知模型(Soar) 人工神经网

18、络; LISP 函数程序语言、PROLOG逻辑程序语言。人工智能的主要人工智能的主要研究内容研究内容北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 23人工智能的主要人工智能的主要应用领域应用领域 n问题求解 - 计算机为解决问题自动寻找一个合适的操作步骤序列n自然语言求解 - 计算机进行声音文字识别、自动文摘及机器翻译等n自动定理证明 - 谓词演算、几何证明、信息检索等的自动化。n机器视觉 - 计算机进行图片、图像处理与解释以及景物分析等n专家系统 - 计算机代替领域专家完成部分或全部专家的工作n机器学习 - 死记硬背、概念归纳、数据挖掘等n

19、博 弈 “ 深蓝 ” 计算机进行国际象棋对弈n人工神经网络 - 根据生物神经系统分布式存储和处理特征，构造的低层次的智能系统n模式识别 - 对物体、图像、语音、字符的信息模式进行机器识别 n。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 24人工智能的主要人工智能的主要研究途径研究途径n联接主义途径联接主义途径（Connectionism)- 结构模拟、神经计算结构模拟、神经计算思想：思想：大脑是人类智能活动的物质基础，要揭示人类智能的奥秘，必须首先弄清大脑的结构，即要从大脑的神经元模型着手，搞清楚大脑信息处理过程的机理。代表学派：代表学派：

20、认知学派、神经生理学派等。 n 符号主义途径符号主义途径（Symbolism) - 功能模拟、符号推演功能模拟、符号推演 思想：思想：基于现有的计算机，从模拟人脑功能角度，从认知过程及行为效果等方面实现人工智能。代表学派：代表学派：心理学派、逻辑学派、知识工程学派等。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 25人工智能的主要人工智能的主要研究途径研究途径n行为主义途径行为主义途径（ Actionism ) 感知感知- -动作型控制动作型控制思想：思想：不需要知识和推理，可以通过感知感知- -行动模式行动模式与外部世界交互，不断接受反馈，

21、以可增长方式，从系统的功能、结构和行为上表现智能。代表学派：代表学派：进化主义学派、控制论学派。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 26第一章第一章 人工智能概论人工智能概论n研究人工智能的研究人工智能的必要性必要性n人工智能与人类智能（人工智能与人类智能（关系关系及及研究目标研究目标）n人工智能的主要人工智能的主要研究内容研究内容及及研究途径研究途径n人工智能发展历史人工智能发展历史 n人工智能研究进展、难点及发展趋势人工智能研究进展、难点及发展趋势北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验

22、室 Slide 27人工智能研究的人工智能研究的发展历史发展历史n奠定基础奠定基础：数理逻辑、控制论、信息论的创立、计算机的出现、计算机科学、数学、神经生理学、心理学、语言学等多种学科的相互渗透。nAIAI学科成立学科成立：1956年夏季，美国达特莫斯（Dartmouth）大学，当时的年青数学助教、现斯坦福大学教授麦卡锡麦卡锡（J. McCarthy）发起，许多AI先驱者加盟，探讨机器模拟人类智能问题，会议历时两个月。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 28第一阶段（第一阶段（50s 7050s 70初）初） 智能模拟普适理论研究时

23、代智能模拟普适理论研究时代n提出研究思想提出研究思想：v 研究和总结人类思维的普遍规律，并用计算机模拟它。v 物理符号系统假设及其推论v 计算机智能模拟的关键是建立一个通用的、万能的一个通用的、万能的符号符号逻辑运算体系逻辑运算体系。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 29智能模拟普适理论研究时代智能模拟普适理论研究时代- - 主要成果主要成果 -n数学定理证明系统数学定理证明系统（A.Newell & H.A.Simon，王浩, Robinson）n模式识别与机器视觉模式识别与机器视觉（O.Selfridge MITMIT

24、, Roberts )n国际跳棋程序国际跳棋程序（A.L.Samuel- 62年 IBM）n自然语言理解自然语言理解 (IBM 公司,MIT) 能正确回答问题能正确回答问题 - 人机对话、人机对话、自动摘要； 机器翻译 语音识别、文本翻译。n通用问题求解程序通用问题求解程序 GPSGPS（A.Newell & H.A.Simon) 智能测验难题求解 猴子摘香蕉问题、推销员五城市最短距离问题；逻辑或数学定理求证 命题逻辑定理自动证明。n。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 30存在问题：n只根据抽象思维原则，纯粹使用搜索技术进

25、行问题求解，解决不了组合爆炸的问题。 第一阶段第一阶段（50s 7050s 70初）初） 智能模拟普适理论研究时代智能模拟普适理论研究时代83152743BACDE14推销员五五城市路线问题推销员年 n 城市路线问题算法的时间计算复杂性 为指数指数时间 属于穷举搜索穷举搜索北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 31第二阶段第二阶段（7070s s 80 80s s） AIAI个性化设计时代个性化设计时代n代表人物：代表人物：Prof.Feigenbaum - Univ. of Stanford;n主要观点：主要观点：w人类的智能活动(

26、即理解与解决问题的能力、学习的能力)完全依靠知识。w人工智能研究要发生变化，要由探索广泛普遍的思维规律转向探索智能行为，其中要解决的核心问题：如何表现特定知识以及如何运用知识知识和经验经验进行启发式搜索启发式搜索。w世界已进入了第二个计算机时代，计算机的作用发生了根本的改变 即要从以数据为处理对象转变为以知识为处理对象，从以计算为主要任务转变为以推理为主要任务。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 32第二阶段第二阶段（7070s s 80 80s s） 主要成果主要成果著名的专家系统：著名的专家系统：nDENDRALDENDRAL（

27、 Feigenbaumun ):由质谱仪数据分析物质的分子结构；nPROSPECTORPROSPECTOR（ ): 探矿专家系统；nXCONXCON（或 R1 DEC ): 计算机配置专家系统；nMYCINMYCIN（Stanford Unv.）：细菌感染疾病咨询专家系统；nEMYXINEMYXIN(Stanford Unv.): 咨询专家系统的骨架系统。n.北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 33第二阶段第二阶段（7070s s 80 80s s） 主要成果主要成果n 提出了知识工程知识工程概念；n 知识工程方法渗透到各个领域，人

28、工智能从实验室走向实际应用，使社会看到了研究AI的意义及其商业价值；n 丰富了AI研究的学术价值：w提出了知识表示方法研究；w提出了不确定性推理、求合理解的概念；北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 34第一章第一章 人工智能概论人工智能概论n研究人工智能的研究人工智能的必要性必要性n人工智能与人类智能（人工智能与人类智能（关系关系及及研究目标研究目标）n人工智能的主要人工智能的主要研究内容研究内容及及研究途径研究途径n人工智能人工智能发展历史发展历史 n人工智能研究进展、难点及发展趋势人工智能研究进展、难点及发展趋势北京航空航天大学

29、软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 35人工智能研究人工智能研究进展进展、难点难点及及发展趋势发展趋势n专家系统、知识工程引发的问题与难点：w专家系统基本上都是在一个相当狭窄的领域中结局问题，对常识或其他领域知之甚少甚至一无所知；w智能系统受到计算机计算能力的限制而少有实用价值。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 36人工智能研究人工智能研究进展进展、难点难点及及发展趋势发展趋势n人工智能各大研究学派的研究特点及反思w 逻辑学派w 知识工程学派w 联接主义学派 w 认知学派w 分布式 A

30、I 学派 w 进化论学派北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室 Slide 37人工智能研究人工智能研究进展进展、难点难点及及发展趋势发展趋势难点问题：难点问题：n 宏观与微观的隔离宏观与微观的隔离 认知、心理认知、心理 vs vs 符号、神经元符号、神经元; ;n 全局与局部的割裂全局与局部的割裂 w人脑整体智能 vs 抽象思维(符号)、形象思维（连接）、行为特性研究n需要建立需要建立新的人工智能框架和理论体系新的人工智能框架和理论体系和测试标准；和测试标准；w “ Turing TestTuring Test ” 检验AI成果。北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验