人工智能概述

人工智能原理张永奎张永奎简介

山西大学教授、博士生导师。

1981年在航空部北京621研究所获工学硕士学位。1984至1989年担任

山西大学计算机科学系副系主任、副教授。1990－1992年赴英国Stirling大学进行了自然语言处理领域的合作研究。1992年3月回国后筹建了山西大学计算中心，并担任主任。1992年9月－2001年8月担任山西大学计算机科学系主任、教授。1997年在美国NewOrleans大学进行了智能信息检索与Java软件开发等方面的访问研究。1994年起担任学术刊物《Comm.COLIPS》的国际编委。2000年起担任刊物《计算机研究与发展》的第四届编委。1992年以来，主持了国家级和省部级项目18项，获得省部级科技进步奖7项(一等奖2项，二等奖1项，三等奖4项)，发表论文90余篇，出版著作、教材8部。1991、1996年两次被山西省委、省政府评为山西省优秀专家，1992年被国务院批准为享受政府特殊津贴的专家。1学习目标通过对本课程的学习，突破传统思想的束缚，领略人工智能思想的精髓，对人工智能的思想和方法有比较深刻的认识，从人工智能的角度出发去思考问题，解决问题。了解人工智能的发展历史，国内外人工智能相关领域的发展动态，掌握人工智能的基本理论、技术及其应用方法。在学习基本的原理和方法基础上，讨论一些新的和正在研究中的人工智能方法与技术，有重点地研究人工智能的相关领域，跟踪人工智能的研究热点，做到点面结合，既扩大了知识面，又能够抓住研究重点，并能够应用相应的人工智能技术解决实际应用问题。2课程要求学员要求：

要求学员有离散数学、数理逻辑等数学基础，具有谓词演算等基本逻辑计算能力。同时最好能够先修过人工智能基础等课程，掌握搜索方法等人工智能最基础的原理和方法。课程要求：

了解什么是人工智能，什么是知识表示，什么是不确定性推理，什么是机器学习，什么是自然语言处理，什么是智能体。主要掌握多种知识表示的特点及应用领域；不确定性推理的基本方法；机器学习的传统方法与神经网络方法；自然语言处理理论及其应用；智能体及其体系结构。在学习书本知识的同时，利用网络资源，观察人工智能研究发展新动向，了解新成果。一个积木世界的谓词演算描述

on(c,a).on(b,d).ontable(a).ontable(d).clear(b).clear(c).hand_empty.定义何时积木顶上为空的规则下面的规则描述了何时积木顶上为空。X(～Yon(Y,X)clear(X)).这就是说,对任何积木X,如果在其顶上不存在Y,则X顶上为空。将一个积木堆放在另一个积木顶上的规则根据何时积木顶上为空的规则,可以增加一个能描述将一个积木堆放在另一个积木顶上的规则。例如,为了将X堆放到Y上,首先机械臂的手是空的,并且X与Y顶上为空,则拿起X将X放到Y上,规则如下:XY(hand_empty∧clear(X)∧clear(Y)∧pick_up(X)∧put_down(X,Y)

stack(X,Y)).3重点难点最大的难点就在于从知识、假设、推理的角度出发去思考问题，解决问题。另一个难点在于人工智能的内容非常浩繁，深入地了解人工智能的各个方向是非常困难的。因此最主要的是掌握人工智能思想，对人工智能的各个领域有一定了解的同时，有重点地理解某些人工智能的相关问题。4参考书籍《人工智能原理》，石纯一等，1993年，清华大学出版社

《人工智能及其应用》，蔡自兴徐光佑，1996年，清华大学出版社

《人工智能》，J.Nilsson著，郑扣根等译，2000年，机械工业出版社

《人工智能》上、下，陆汝钤，1989年科学出版社

《机器定理证明》刘叙华，1989年，科学出版社

《人工智能技术导论》，廉师友，2000年，西安电子科技大学出版社

《高级人工智能》，史忠植，1998年，科学出版社

《模式识别》，边肇祺等，1999年，清华大学出版社

《NatureLanguageUnderstanding》，JamesAllen，1995年，TheBenjamin/CummingsPublishCompany,Inc.知识结构推理方法法：归结结推理和和不确定定性推理理知识表示示机器学习习神经网络络学习自然语言言处理智能体第一章人人工智智能概述述1.1人人工智智能的定定义1.2人人工智智能的发发展史1.3人人工智智能的研研究内容容1.4人人工智智能研究究的特点点1.5人人工智智能相关关文献及及网站介介绍1.1人人工智智能的定定义（从狭义的的概念上上来讲））计算机科科学的一一个分支支，是对对智能计计算机系系统的研研究，涉涉及研究究、设计计和应用用智能机机器。（思维科科学：研研究用机机器来模模仿和执执行人脑脑的某些些智力功功能，并并开发相相关理论论和技术术。）智能机器器：能自自主地或或交互的的执行各各种拟人人任务，，与人智智力相当当或相近近的机器器。（对人类类语言能能理解、、能学习习、能推推理）1.1人人工智智能的定定义（从广义的的概念上上来讲））从广义上上来讲，，人工智智能是指指人类智智能行为为规律、、智能理理论方面面的研究究。狭义方面面已经做做了一些些工作，，如专家家系统的的研究与与开发。。广义的理理解至今今还没有有做出令令人兴奋奋的结果果。1.2人人工智智能的发发展史人工智能能的研究究不仅与与对人的的思维研研究直接接相关，，而且和和许多其其它学科科领域关关系密切切。因此此说到人人工智能能的历史史，应当当上溯到到历史上上一些伟伟大的科科学家和和思想家家所作的的贡献，，他们为为人工智智能研究究积累了了充分的的条件和和基础理理论。这这里仅列列举几位位重要的的代表人人物。1.2人人工智智能的发发展史（（1）◆古希腊的的ristotle（（亚里士士多德））（公元元前384-322）），为形形式逻辑辑奠定了了基础。。形式逻逻辑是一一切推理理活动的的最基本本的出发发点。◆英国国的哲学学家、自自然科学学家Bacon（培根根）（1561-1626）），系统统地给出出了归纳纳法。Bacon的著著名警句句是“知知识就是是力量””。◆德国国数学家家、哲学学家Leibnitz（莱布布尼茨））（1646-1716），，提出了了关于数数理逻辑辑的思想想，把形形式逻辑辑符号化化，从而而能对人人的思维维进行运运算和推推理。他他曾经做做出了能能进行四四则运算算的手摇摇计算机机1.2人人工智智能的发发展史（（2）◆英国数学学家、逻逻辑学家家Boole（（布尔））（1815-1864），，实现了了布莱尼尼茨的思思维符号号化和数数学化的的思想，，提出了了一种崭崭新的代代数系统统--布布尔代数数。◆美籍籍奥地利利数理逻逻辑学家家Godel（（哥德尔尔）（1906-1978）），证明明了一阶阶谓词的的完备性性定理；；任何包包含初等等数论的的形式系系统，如如果它是是无矛盾盾的，那那么一定定是不完完备的。。此定理理的意义义在于，，人的思思维形式式化和机机械化的的某种极极限，在在理论上上证明了了有些事事是做不不到的。。1.2人人工智智能的发发展史（（3）◆英国国数学家家Turing(图灵灵)（1912-1954））,1936年年提出了了一种理理想计算算机的数数学模型型（图灵灵机），，1950年提提出了图图灵试验验，发表表了“计计算机与与智能””的论文文。“图图灵奖””。◆美国数学学家Mauchly，1946发明明了电子数字字计算机ENIAC◆美国神经经生理学家McCulloch，建建立了第一个个神经网络数数学模型。（（从某种意义义上可以说近近代人工智能能的发展，首首先是从人工工神经网络研研究开始的。。）◆美国数学学家Shannon（香香农）,1948年发表表了《通讯的的数学理论》》，代表了"信息论"的的诞生。1.2人工工智能的发展展史（4）◆1956年提出了““人工智能””。创始人中有：：McCarthy，，Minsky,Rochester,Shannon,Moore,Samuel,Selfridge,Solomonff,Simon,Newell等等数学家、信信息学家、心心理学家、神神经生理学家家、计算机科科学家。McCarthy（麦卡卡锡）——被被尊为"人工工智能之父"。◆50年代代初开始有了了符号处理，，搜索法。（人工智能的的基本方法是是逻辑法和搜搜索法。最初初的搜索应用用于机器翻译译、机器定理理证明、跳棋棋程序等。））1.2人工工智能的发展展史（5）◆60年代代Simon由试验得到到结论：人类类问题的求解解是一个搜索索的过程，效效果与启发式式函数有关。。叙述了智能能系统的特点点：智能表示示、智能推理理、智能搜索索。◆Nilson发表了了A*算法法（搜索方法法）◆McCarthy建建立了人工智智能程序设计计语言Lisp◆1965年Robinson提提出了归结原原理。（归结原理是是与传统的自自然演绎法完完全不同的消消解法。是第第一个也是目目前唯一的一一个具有完备备性（半完备备性）的推理理方法。曾轰轰动整个科学学界。但该方方法本身也有有计算爆炸等等问题。））1.2人工工智能的发展展史（6）◆1968年Quillian提提出了语义网网络的知识表表示方法◆1969年Minsky出了一一本书“感知知机”，给当当时的神经网网络研究结果果判了死刑。。（人工神经网网络的研究由由此进入低潮潮时期，而人人工智能、专专家系统的研研究进入高潮潮。）◆70年代代，人工智能能开始从理论论走向实践，，解决一些实实际问题。同同时很快就发发现问题：归归结法费时、、下棋赢不了了全国冠军、、机器翻译一一团糟。1.2人工工智能的发展展史（7）以Feigenbaum为首的一批批年轻科学家家改变了战略略思想，1977年提出出了知识工程程的概念，开开展了以知识识为基础的专专家咨询系统统研究与应用用。著名的专家系系统有：DENDRAL化学分析析专家系统（（斯坦福大学学1968））；MACSYMA符号数学学专家系统（（麻省理工1971）；；

MYCIN诊断断和治疗细菌菌感染性血液液病的专家咨咨询系统（斯斯坦福大学1973）；；

CASNET(CausalASsciationalNetwork)诊断断和治疗青光光眼的专家咨咨询系统（拉特格尔斯斯（Rutgers）大大学70年代代中）；CADUCEUS(原名INTERNIST)医疗咨咨询系统（匹匹兹堡大学））；HEARSAYI和和II语音理理解系统（卡卡内基-梅隆隆大学）；PROSPECTOR地质勘勘探专家系统统（斯坦福大大学1976）；XCON计计算机配置专专家系统（卡卡内基-梅隆隆大学1978）。1.2人工工智能的发展展史（8）◆80年代，人人工智能发展展达到阶段性性的顶峰。87,89年年世界大会有有6－7千人人参加。硬件件公司有上千千个。Lisp硬件、Lisp机形形成产品。在专家系统及及其工具越来来越商品化的的过程中，国国际软件市场场上形成了一一门旨在生产产和加工知识识的新产业--知识产业业。应该说，，知识工程和和专家系统是是近十余年来来人工智能研研究中最有成成就的分支之之一。同年代，1986年Rumlhart领导的并并行分布处理理研究小组提提出了神经元元网络的反向向传播学习算算法，解决了了神经网络分分类能力有限限这一根本问问题。从此，，神经网络的的研究进入新新的高潮。1.2人工工智能的发展展史（9）90年代，计计算机发展趋趋势为小型化化、并行化、、网络化、智智能化。人工智能技术术逐渐与数据据库、多媒体体等主流技术术相结合，并并融合在主流流技术之中，，旨在使计算算机更聪明、、更有效、与与人更接近。。日本政府于1992年结结束了为期十十年的，称为为"知识信息息处理体统"的第五代计计算机系统研研究开发计划划。并开始了了为期十年的的实况计算（（RealWorldComputing）计划。今天的AI（（1）计算机智能化化技术的主攻攻方向体现在在：◆并行与分布式式处理技术。。包括大规模并并行机和机群群的体系结构构、并行操作作系统与并行行数据结构，，分布式Client/Server计算模型型及其处理技技术，多专机机系统的合作作与知识共享享技术等。◆知识的获取、、表示、更新新和推理新机机制。包括新的知识识获取方法，，常识性知识识的表示、更更新与推理，，大型知识库库的组织与维维护，新一代代逻辑处理机机制等。◆多功能的感知知技术。包括对语音文文字、图形与与图像等信号号的获取、识识别、压缩与与转化，以及及多媒体输出出和VR技术术等。今天的AI（（2）计算机智能化化技术的主攻攻方向体现在在：◆智能Agent。智能体的交互互、通讯和多多智能体体系系结构。智能能体是智能体体程序和智能能体结构的结结合。◆数据挖掘。其中包括数据据挖掘、数据据查询。该方方面的研究主主要是信息时时代的需求，，面对海量的的信息，人类类必须有一整整套的信息检检索、处理手手段，才能够够从中得到有有效的知识。。今天的AI（（3）人工智能发展展的历史和现现在：人工智能从以以往的追求自自主的系统，，改变为人机机结合的系统统。以前的是基于于逻辑的深思思熟虑的智能能；现在是研研究直觉、顿顿悟、形象思思维与模式识识别、SituatedAI,SensingandActing的的结合，并且且引入了概率率论、遗传算算法等理论。。计算机的定量量与人的定性性信息处理相相结合，取长长补短，从以以前单一的mind到现现在mindandbody。。甚至提出出了没有知识识表示、没有有推理的智能能（六脚爬虫虫）。1.3人工工智能的研究究内容（1））基础理论方面面包括：

◆启发式搜索理理论搜索的方法很很多，如回溯溯、图搜索、、启发式等等等，主要是给给定一些经验验做指导提高高搜索效率。。◆各种推理方法法常识推理有知知识不完全、、不够用等问问题，如鸟会会飞，但是鸵鸵鸟不会飞。。◆知识的模型化化和表示方法法知识表示方法法主要有逻辑辑、产生式、、语义网络、、框架等。◆人工智能系统统结构及语言言Lisp语言言主要在美国国，Prolog语言主主要在欧洲使使用比较广泛泛。◆机器学习当前系统大多多用归纳的学学习、依赖知知识库的学习习，没有很成成熟的方法。。神经网络、、遗传算法等等理论的应用用也在探讨之之中。1.3人工工智能的研究究内容（2））应用方面：◆自然语言言理解主要体现于机机器翻译、自自动文摘、全全文检索等应应用中。◆数据库的的智能检索研究如何在海海量的知识中中准确的找到到自己需要的的东西。◆专家系统统七十年来开始始的人工智能能领域的古老老话题，有一一些系统做得得比较好，如如下棋、探矿矿等。◆机器定理理证明取得了很多可可以证明人工工智能技术进进步的成就。。但不是当今今的热点话题题。◆博弈主要问题是机机器学习和搜搜索。◆机器人学学涉及的知识领领域广泛，已已取得了很多多实质性的成成果，是应用用前景最好的的分支之一。。◆自动程序序设计所有学计算机机的人都希望望该研究分支支有实质性的的成果。◆组合调度度对于浩繁的任任务，可以给给出完成任务务的最佳（局局部最优）的的任务序列。。如机器人搬搬运。◆感知现代人工智能能的课题。是是“notonlyBODYbutalsoSENSER”理论的需需要。◆视觉除机器人学外外，现今多媒媒体、视频检检索等多个分分支对视觉研研究也提出了了大量的需求求。人工智能研究究分类符号主义和连连结主义是人人工智能研究究的主要观点点。符号主义传统的人工智智能相对于神神经网络研究究而言的统称称。连结主义主要是指从生生物、人类神神经网络的结结构、信息传传输、网络设设计（学习））的角度分析析、模拟智能能的形成与发发展的研究。。从发展历史上上看这两个方方面是相辅相相成的，从不不同角度讨论论智能的形成成与发展。人工智能的瓶瓶颈问题瓶颈问题◆知识获取（知识表示、机机器学习）◆实现时的规模模扩大问题◆应用前景（封闭的专家系系统--机器器学习问题）主攻：利用计算机模模拟人的行为为（研究鸟））；利用计算机构构造智能系统统（研究飞机机）成功事例：国际象棋程序序；平面几何何定理证明1.4人工工智能研究的的特点（1））人工智能是一一门知识的科科学。以知识识为对象，研研究知识的获获取、表示和和使用。人工智能的系系统过程：数数据处理->知识处理，，数据->符符号。符号表示的是是知识而不是是数值、数据据。问题求解过程程有启发，有有推导。人工智能是引引起争论最多多的科学之一一焦点：当前人工智能能的研究应该该以人类的普普遍思维规律律为主，还是是以特定知识识的处理和运运用为主？智智能的本质是是什么？机器器能达到人的的水平吗？结论：人工智智能研究是非非常困难的。。1.4人工工智能研究的的特点（2））人工智能研