人工智能与专家系统GIS

人工智能与专家系统黄解军教材及参考资料人工智能及其应用，王万良，高等教育出版社，2005年ArtificialIntelligence人工智能NilssonN.J.尼尔逊（美），《机械工业出版社》人工智能及应用.傅京孙.北京：清华大学出版社，1989；计算机决策支持系统，孟波，武汉：武汉大学出版社，2003年；据挖掘原理与技术，张云涛、龚玲，北京：电子工业出版社，2004年；●什么是人工智能？●人工智能研究的目标●人工智能研究途径●人工智能研究的内容

人工智能研究中的学派

人工智能研究的内容●人工智能研究领域第一章绪论第二章知识表示●知识与知识表示●对知识表示的要求

●知识表示方法

第三章基本的问题求解方法●基本概念

●状态空间搜索●与/或树搜索●博弈树的启发式搜索第四章基本推理方法●推理的基本概念

●推理方式和分类

●推理控制策略

●归结反演

●基于规则的演绎系统

第五章不确定性推理●不确定性推理的基本概念

●确定因子法

●主观Bayes方法

●证据理论

●可能性理论

第六章专家系统●专家系统的基本概念

●专家系统的一般结构

●专家系统的建造与评价

●专家系统开发工具

●专家系统开发环境●新一代专家系统的研究

●几个著名的专家系统

第七章机器学习●机器学习的概念

●学习系统模型

●机器学习分类

●机器学习研究历史

●机器学习的研究目标

●几个著名的学习系统

第八章人工神经网络●神经元与神经网络

●神经网络学习算法

●神经网络应用

第九章进化计算●遗传算法

●粒子群算法

●蚁群算法

●具有感知能力●具有记忆与思维能力●具有学习能力●具有行为能力智能的特征1.1人人工智智能人的智智能与与人工工智能能智能问问题人工智智能要要研究究的主主要问问题人工智能能常用的的方法计算机可可以有智智能吗?人工智能能已经进进入我们们的生活活，人类正在在迈入智智能社会会无人驾驶驶飞机、、扫雷机机器人、、卫星评评估粮食食产量、、医学专专家系统统、、购物篮篮分析、、信息过过滤、人脸的识识别、人人机搏弈弈、机器人足足球、………人工智能能是高科科技竞争争的前沿沿阵地人工智能能与空间技技术,原原子能技技术一起起被誉为为20世世纪的三三大科学学技术成成就。有预言家家说：“掌握了了人工智智能，就就能征服服整个世世界。””智能时代代正向我我们走来来大环境目前世界界经济正正面临新新的结构构调整，，先进发发达的国国家将领领先进入入知识经经济时代代，其特特点是工业生产产和社会会生活全全球化、、信息化化和知识识化。知识就是是第一生生产力，，高科技技是知识识发现的的结晶，，也是第第一生产产力，高科技需需要高智智能的开开发与应应用和高高智力投投入新知知识的产产出知识经济济时代的的发展必必然依赖赖于电子子信息产产业的网络化、、信息化化、智能能化。智能时代代正向我我们走来来21世纪纪将拥抱抱智能计计算智能计算算（IntelligentComputing）———一种种使机器器更聪明明地去获获取和处处理信息息的计算算。它是覆盖盖计算的的所有领领域，具具有广泛泛应用价价值的计计算技术术。如神经计计算、遗遗传算法法、模糊糊数学、、粗糙集集理论、、统计与与概率、、分布式式计算………——人类基基因组计划划：人类免免疫系统的的识别和预预测；后基基因工程的的实施；分分子药物制制造与新药药研究………——金融、、证券每天天产生的海海量数据中中评估的预预测……——网络安安全、网络络搜索、电电子商务和和电子政务务的决策分分析……智能时代正正向我们走走来微电子技术术的发展将将推动第三三次产业革革命——智智能计算机机普遍认为未未来15－－20年内内摩尔定理理仍然有效效，即CPU的速度度每18个个月翻一番番。目前芯芯片直径从从200mm硅圆片片向300mm过渡渡，0.13~0.15微米米线宽工艺艺已批量生生产，正向向纳米线宽宽迈进，预预计2010年可以以实现100亿个管管子／芯片片、2亿条条指令／秒秒的水平，，即比目前前水平提高高两个数量量级以上。。数据传输从从1000M相10G～100G发展展，无线网网、以太网网将大行其其道。智能时时代正正向我我们走走来最伟大大的挑挑战项项目从从起步步到成成功几几乎都都经历历了50年年左右右的历历史，，如——从从1903年莱莱特兄兄弟最最初飞飞行成成功至至1966年阿阿波罗罗登月月花了了66年；；——从从1946年数数字计计算机机发明明至1997年年计算算机打打败象象棋世世界冠冠军花花了51年年；——从从1953年DNA发现现至2003年年绘出出人类类基因因排列列图需需要50年年；人工智智能从从1956年至至今已已经47年年，预预计未未来3至5年内内，在在智能能计算算、机机器人人足球球打败败真正正的世世界冠冠军等等方面面会有有突破破。人的智智能与与人工工智能能人的智智能：：人类类思维维活动动表现现出来来的能能力（（解决决智能能问题题的能能力））感知和和理解解能力力思维与与演绎绎能力力学习能能力与与适应应环境境能力力行为能能力人工智智能：：通过过某些些方法法使机机器有有类似似于人人的智智能。。研究如如何使使机器器能听听、会会说、、能看看、会会写、、能思思考推推理、、会学学习，，能解解决各各种实实际问问题。。人工智智能是是研究究知识识的一一门科科学，，即如如何表表示知知识，，如何何获取取知识识和如如何利利用知知识的的科学学。智能问问题重排九九宫问问题（（拼图图游戏戏）旅行商商问题题（travellingsalesmanproblem,TSP问题题）梵塔””问题题(TowerofHanoiProblem):寻宝问问题博弈问问题重排九九宫问问题83647■■5初始状状态1238■■4765目标状状态请用尽尽可能能少的的棋步步从初初始状状态达达到目目标状状态。。九宫重重排问问题的求解解传教士士和野野人问问题（（MissionariesandCannibals)(简称称M-C问问题））有个N传教教士和和N个个野人人来到到河边边准备备渡河河，河河岸有有一条条船，，每次次至多多可供供K(<N)个个人乘乘坐，，传教教士为为了安安全起起见，，考虑虑在任任何情情况下下（河河两岸岸和船船上））和任任何时时刻都都不允允许野野人数数目超超过传传教士士的人人数,请给给出摆摆渡方方案.2个野野人去去，1个野野人回回2个个野人人去，，1个个野人人回2个传传教士士去，，1个个野人人与1个传传教士士回2个传传教士士去，，1个个野人人回2个野野人去去，1个野野人回回2个个野人人去，，完成成旅行商商问题题（travellingsalesmanproblem,TSP问题题）销售员员到几几个城城市去去推销销商品品，城城市之之间的的距离离是已已知的的，他他现在在从某某一个个城市市出发发，经经过每每个城城市一一次，，最后后又回回到出出发的的城市市。要要求归归划好好一条条最短短路线线。7710101013656ABEDC“梵塔塔”问问题(TowerofHanoiProblem)3阶““梵塔塔”问问题(TowerofHanoiProblem):有三个个柱子子(1，2和3)和和两个个不同同尺寸寸的圆圆盘(A，，B，，C)。在在每个个圆盘盘的中中心有有个孔孔，所所以圆圆盘可可以堆堆叠在在柱子子上,最初初,全全部三三个圆圆盘都都堆在在柱子子1上上(最最大的的在底底部,最小小的在在顶部部)。。要求求把所所有圆圆盘盘都移移到另另一个个柱子子上，，搬动动规则则为：：(1)一一次次只只能能搬搬一一个个圆圆盘盘(2)不不能能将将大大圆圆盘盘放放在在小小圆圆盘盘上上(3)可可以以利利用用空空柱柱子子。。图梵塔塔132C123AB123ABABCC3阶阶““梵梵塔塔””问问题题分分解解(1,1,1)(3,3,3)(1,1,1)(1,2,2)(1,2,2)(3,2,2)(3,2,2)(3,3,3)(1,1,1)(1,1,3)(1,2,3)(1,2,2)(1,1,3)(1,2,3)(3,2,2)(3,3,3)(3,2,2)(3,2,1)(3,3,1)(3,3,3)寻宝问问题有三个个盒子子（金金,银银,铜铜）其其中一一个盒盒子里里放有有一颗颗宝石石，每每个盒盒子外外写有有一句句话，，其中中只有有一句句是真真话，，问宝宝石在在哪里里。金盒：：宝石石在这这只金金盒子子里。。银盒：：宝石石不在在这只只银盒盒子里里铜盒：：宝石石不在在金盒盒子里里推理方方法正向推推理反向推推理推理过过程：：假设：：分别别假定定宝石石在三三盒子子里前题：：一句句对，，其它它两句句错误误金盒：：宝石石在这这只金金盒子子里。。银盒：：宝石石不在在这只只银盒盒子里里铜盒：：宝石石不在在金盒盒子里里假设集集合宝石在在金盒盒子里里假设1宝石在在铜盒盒子里里宝石在在银盒盒子里里假设2假设3宝石在在这只只金盒盒子里里宝石不在在金盒子子里宝石不在在这只银银盒子里里正确不正确正确矛盾123第一句第二句第三句第三句第二句第一句不正确正确正确矛盾不正确正确不正确满足前提提条件宝石在银银盒子里里博弈问题题分钱币游游戏：有有一堆数数目为的的钱币，，两个选选手轮流流将它一一分为二二，规则则是无论论哪个选选手分币币时，一一次只能能挑选其其中的一一堆把它它分为两两小堆，，而且必必须满足足分堆后后两小堆堆的钱数数不能相相等，直直到哪个个选手无无法再分分时，即即碰到每每堆钱币币数为1或2的的情况，，他即为为输家问题表示示：.设N=6,选选手MAX，MIN，，数字序序列x1,x2…xn为n堆堆钱币不不同的个个数。例（6，MAX）表表示甲从从一堆（（6个））钱币开开始分（5，1，MIN）MIN要要分的状状态分钱币的的搜索树树S0(6,MAX)S1(5,1,MIN)S4(3,2,1,MAX)S2(4,2,MIN)S6(2,2,1,1,MIN)S3(4,1,1,MAX)S7(2,1,1,1,1,MAX)S5(3,1,1,1,MIN)MIN输MAX输你体验过““芝麻开门门”的感觉觉吗？阿里巴巴对对着山洞的的门一念““芝麻开门门”，山洞洞的门就打打开了，再再念“芝麻麻关门”，，山洞的门门又自动关关上了。科幻片《X战警》中中，X教授授只要在实实验室门口口一站，实实验室的门门就会自动动打开，并并且发出声声音欢迎X教授的到到来，而其其他人则没没法进去。。国内某些厂厂家生产的的个人数字字助理（PDA），，给人们提提供了一个个微型书写写板和笔，，让信息的的输入更符符合人们的的自然习惯惯。……机器人图片片欣赏▲咱们握握手手！机器人图片片欣赏▲来一段舞怎怎样？机器人图片片欣赏▲我是家用机机器人！电影《人工工智能》AI是普遍遍的研究领领域和人类智能能活动的所所有范畴都都潜在相关关人vs.理理性人：经验科科学，涉及及许多假设设和实验证证实理性：数学学和工程相相结合。一一个系统如如果能够在在它所知的的范围内““正确行事事”，它就就是理性的的。像人一样思考的系统像人一样行动的系统理性地思考的系统理性地行动的系统像人一样行行动:图灵灵测试图灵预测，，2000年之前计计算机有30%的概概率蒙骗一一个普通人人达5分钟钟。然而，AI研究者相相信研究智智能的根本本原则远比比复制样本本更重要。。Source:lecturenotesbyDr.HweeTouNg,Singapore图灵（人工智能能之父）的梦想图灵测试：：人通过特特殊的方式式，在不知知情的条件件下，和机机器进行问问答，如果果在相当长长时间内，，分辨不出出与他交流流的对象是是人还是机机器，那么么，就可以以认为这台台机器是能能思维的。。人工智能：：简称AI，是一门门研究机器器智能的学学科。研究究人工智能能的目的就就是让计算算机能够像像人一样思思考。人工智能涉涉及到的学学科与领域域：计算机机科学、认认知心理学学、哲学等等，包括模模式识别、、自然语言言处理、智智能机器人人、机器证证明、神经经网络、博博弈与符号号运算等领领域。图灵测试对对计算机的的要求自然然语语言言处处理理知识识表表示示自动动推推理理机器器学学习习完全全图图灵灵测测试试计算算机机视视觉觉机器器人人技技术术像人人一一样样思思考考：：认认知知模模型型方方法法确定定人人是是怎怎样样思思考考的的通过过内内省省通过过心心理理测测试试（（blackbox））通过过计计算算机机程程序序来来表表达达关关于于思思维维的的结结论论比较较计计算算机机输输入入/输输出出以以及及timingbehavior和和人人类类行行为为，，例例子子：：GeneralProblemSolverbyNewell&Simon。。认知知科科学学：：把把AI的的计计算算机机模模型型和和心心理理学学的的实实验验相相结结合合，，试试图图创创立立一一种种精精确确且且可可检检验验的的人人类类思思维维工工作作方方式式理理论论。。理性地地思考考：““思维维法则则”方方法“正确确思考考”是是不不能辩辩驳的的推理理过程程（Aristotle））三段论论：前前提正正确结论论正确确描述世世界上上一切切事物物及其其彼此此之间间关系系的精精确的的命题题符号号（19世世纪））求解任任何用用逻辑辑符号号描述述的可可解问问题的的程序序（1965））逻辑的的方法法的两两个障障碍：：难以获获得非非形式式化的的知识识并得得到逻逻辑符符号表表示所所需的的形式式化表表达，，尤其其当知知识不不可靠靠时。。“原则则上””可以以解决决一个个问题题与实实际解解决问问题这这两者者之间间存在在巨大大的差差异：：如果果推理理步骤骤不合合适，，会耗耗尽计计算机机的资资源。。理性地地行动动：理理性智智能体体方法法智能体体是某某种能能够行行动的的东西西，区区别于于简单单“程程序””自主控控制的的操作作感知环环境持续能能力适应变变化有能力力承担担其它它智能能体的的目标标通过自自己的的行动动获得得最佳佳结果果做出正确的的推论是理理性智能体体的部分功能，但不不是理性的的全部内容容。图灵测试中中需要的所所有技能都都是为了做做出理性行行为AI的基础础:为AI贡献想法法、观点和和技术的学学科的简史史哲学（公元元前428年至今））数学（约800年至至今）经济学（1776年年至今）神经科学（（1861年至今））心理学（1879年年至今）计算机工程程（1940年至今今）控制论（1948年年至今）语言学（1957年年至今）哲学形式化规则则能用来抽抽取合理的的结论吗？？Aristotle的三段论论：在初始始前提的条条件下机械械地推导出出结论。用机械装置置进行推理理RamonLull,LeonardodaVinci,WilhelmSchickard精神的意识识是如何从从物质的大大脑产生出出来？Descartes给出了第第一个关于于意识和物物质之间的的区别及由由此引起的的问题的清清晰讨论：：二元论vs.唯唯物主义描述意识的的形式化、、理性的部部分二元论vs.唯唯物主义二元论意识的一部部分是超脱脱于自然之之外的，不不受物理定定律影响。。动物不拥有有这种二元元属性，可可以被当作作机器看待待。唯物主义大脑依照物物理定律运运转而构成成意识自由意志是是对出现在在选择过程程中的可能能选择的感感受方式哲学：知知识从哪里里来？Bacon“NovumOrganum”开开启经验主主义运动：：“无物非先先感而后知知”Hume““ATreatiseofHumanNature”提提出归纳原原理:一般规则是是通过揭示示形成规则则的元素之之间的重复复关联而获获得逻辑实证主主义学说所有的知识识都可以用用最终与（（对应于传传感器输入入的）观察察语句相联联系的逻辑辑理论来刻刻画Carnap“TheLogicalStructureoftheWorld”定义一一个用于从从基本实验验中抽取知知识的计算算过程哲学：知识识是如何导导致行动的的？对AI来说说是至关重重要的Aristotle:行动是是通过目标标与关于行行动结果的的知识之间间的逻辑联联系来判定定的。2300年年后Newell&Simon在GPS程序中中实现Aristotle的的算法（回回归规划系系统）当多个行动动可以达到到目标时或或根本无法法到达目标标时，如何何行事？Arnauld正确确地表述了了一个定量量规则（17世纪））JohnMill“Utilitarianism””把理性决决策规范的的思想发扬扬推广到人人类行为的的各个层面面(19世世纪）哲学家们标标志出了AI的大部部分思想，，但实现成成为一门规规范科学的的飞跃就要要求在三个个基础领域域完成一定定程度的数数学形式化化：逻辑、、计算和概概率。心理学：人人类和动物物是如何思思考的？研究方法：：内省vs.心理测测量行为主义者者只研究对对动物的感感知和它所所引发的行行动的度量量，排斥精精神的结构构，包括知知识、信念念、目标和和推理步骤骤。认知心理学学把大脑当当作信息处处理装置。。基于知识识的智能体体的三个步步骤：把刺激翻译译成内部表表示表示经过认认知过程处处理→新的表示示表示被翻译译回到行动动计算机模型型的发展导导致认知科科学的创建建普遍的观点点：“认知知理论就应应该像计算算机程序””计算机工程程：如何制制造能干的的计算机？？AI需要智智能和人工工制品，即即计算机。。AI对主流流计算机科科学的影响响分时技术交互式翻译译器使用窗口和和鼠标的个个人计算机机面向对象的的编程…控制论：人人工制品怎怎样才能在在自己控制制下运转现代控制论论和AI的的共同点：：设计出出能随时间间变化使目目标函数最最大化的系系统。控制论的主主要工具是是微积分和和线性代数数其主要研究究对象是用用固定的连连续变量集集描述的（（线性）系系统AI的的部分分起因因是寻寻求摆摆脱控控制论论的数数学方方法局局限性性的途途径不同的的工具具：逻逻辑推推理和和计算算不同的的问题题：语语言、、视觉觉、规规划…语言学学：语语言和和思维维是怎怎样联联系起起来的的？现代语语言学学的诞诞生：：Chomsky理理论形式化化，可可以编编程实实现。。知识表表示的的许多多早期期工作作和语语言紧紧密联联系哲学：：标出出了AI的的大部部分重重要思思想数学：：使AI成成为一一门规规范科科学经济学学：决决策理理论神经科科学：：网络络，并并行处处理…心理学学：认认知理理论计算机机工程程：AI的的“载载体””控制论论：反反馈的的思想想语言学学：知知识表表示、、语法法为什么么AI有必必要成成为一一个单单独的的领域域？和控制论、运运筹学、决策策理论的目标标类似为什么不是数数学的一个分分支？AI从一开始始就承载着复复制人的才能能的思想方法论的不同同AI属于计算算机科学的分分支AI试图建造造在复杂和变变化的环境中中自动发挥功功能的机器孕育期（1943－1955）McCulloch&Pitts提提出人工神经经元模型基础生理学知知识和脑神经经元的功能对命题逻辑的的形式化分析析Turing的计算理论论Turing第一个清晰晰地描绘出AI的完整图图景在“ComputingMachineryandIntelligence”中提提出了图灵测测试、机器学学习、遗传算算法和增量学学习。诞生：DartmouthCollege，，1956Dartmouthworkshop，1956夏天与会者的背景景：自动机、、神经网络和和智能研究Impact：在随后的的20年中，，AI被与会会者和他们在在MIT、CMU、Stanford及IBM的学生和同同事所统治。。人工智能的诞诞生1956年的的Dartmouth会会议，一个长长达2个月的的暑期研讨班班，与会者有有数学家、逻逻辑学家、认认知学家、心心理学家、神神经生理学家家、计算机科科学家10人人。会上MarvinMinsky的神经网络模拟拟器、JohnMccarthy的搜索法、以及HerbertSimon和AllenNewell的“逻辑理论家””成为3个亮点点，分别讨论论如何穿过迷迷宫、如何搜搜索推理和如如何证明数学学定理。在Dartmouth会会议上，JohnMccarthy提出用用“人工智能能”作为这一一交叉学科的的名称。杰出人物20世纪40位图灵奖获获得者中有6位人工智能能学者：MarvinMinsky（1969年）JohnMccarthy（1971年）HerbertSimon和AllenNewell（1975年）EdwardFeigenbaum和RajReddy（1994年）可见人工智能能学科在信息息科学中的地地位。时间国家姓名主要贡献1904俄国巴甫洛夫（Pavlov.I.P.1849~1936）提出了条件反射和信号学说1906意大利高基(Golgi.C.1843～1926)神经系统的构造西班牙卡哈尔(Cajal.S.R.1852～1934)1932英国谢灵顿（Sherrington.C.S.1857～1952）关于神经元的功能的研究英国阿德里安（Adrian.E.D.1889～1977）1936英国代尔(Dale.H.H.1875～1968)神经冲动的化学传递奥地利洛伊(Loewi.O．1873～1961)1944美国厄兰格(Erlanger.J．1874～1965)单根神经纤维功能的研究美国伽塞尔(Gasser.H.S．1888～1963)1949瑞士赫斯(Hess.W．R．1881～1973)间脑的机能，特别是对内脏活动的调节获得诺贝尔奖奖的脑科学与与神经生物学学家1963