第0章-人工智能与知识工程

人工智能与知识工程华北电力大学计算机系刘丽

2/3/20231教材及参考书籍参考教材：《人工智能》，马少平、朱小燕，清华大学出版社，2004年。《人工智能与知识工程》，王永庆编著，西安交通大学出版社，1998年。《人工智能教程（第二版）》，王士同，电子工业出版社，2006。主要参考文献：

《人工智能技术导论(第三版)》，廉师友，西安电子科技大学出版社，2007年。《人工智能》，史忠植，王文杰，清华大学出版社，2007年。《人工智能原理及其应用》，王万森，电子工业出版社，2007年。

《人工智能：智能系统指南(原书第2版)》，(澳)MICHAELNEGNEVITSKY编著，顾力栩等译，机械工业出版社，2007年。《人工智能：复杂问题求解的结构和策略(原书第5版)》，(美)GEORGEF.LUGER编著，史忠植等译，机械工业出版社，2006年。2/3/20232华北电力大学考试方法考试开卷百分比：50%大作业课程总结百分比：40%平时成绩出勤百分比：10%2/3/20233华北电力大学大作业题目人工生命人工免疫系统人工神经网络进化计算（遗传算法、进化策略、进化规划）多智能体系统分形方式每题8～9人，独立完成，形成书面学习笔记、研究综述等综合报告成果，口头报告（定义、原理、研究进展、程序实例等），学术交流2/3/20234华北电力大学主要内容绪论知识表示搜索技术回溯策略、无信息图搜索、启发式图搜索，与或图搜索谓词逻辑与归结原理人工智能的程序设计语言不确定性推理方法机器学习人工智能新技术2/3/20235华北电力大学第0章绪论0.1什么是人工智能0.2图灵测试0.3中文屋子问题0.4人工智能的研究目标0.5人工智能发展简史0.6人工智能研究课题2/3/20236华北电力大学0.1什么是人工智能很早人类就有制造机器人的幻想黄帝的“指南车”诸葛亮的“木牛流马”亚里士多德的形式逻辑莱布尼茨的关于数理逻辑的思想“机器人”一词的来源2/3/20237华北电力大学莱布尼茨

手摇计算机(LeibnizWheel)整个机器由齿轮系统传动重要部件是阶梯形轴便于实现简单的四则运算第一个认识到二进制记数法重要性的人，系统地提出了二进制数的运算法则2/3/20238华北电力大学现代人工智能的兴起现代人工智能（ArtificialIntelligence，AI）一般认为起源于美国1956年的一次夏季讨论（达特茅斯会议），在这次会议上，第一次提出了“ArtificialIntelligence”这个词与会者：McCarthy、Minsky、Locheseter、Shannon、Samuel、Newell、Simon等AI至今没有统一的定义2/3/20239华北电力大学什么是人工智能？J.McCarthyAI使一部机器的反应方式就像是一个人在行动时所依据的智能2/3/202310华北电力大学约翰•麦卡锡（JohnMcCarthy）人工智能之父LISP语言的发明人首次提出AI的概念2/3/202311华北电力大学约翰•麦卡锡（JohnMcCarthy）1927年出生于美国波士顿1956年发起达特茅斯会议，并提出“人工智能”的概念1958年与明斯基一起创建世界上第一个人工智能实验室发明α－β剪枝算法1959年开发LISP语言开创逻辑程序研究，用于程序验证和自动程序设计1971年获得图灵奖2/3/202312华北电力大学什么是人工智能？J.NilssonAI是关于知识的科学，即怎样表示知识、获取知识和使用知识的科学P.Winston（PatrickHenryWinston：美国人工智能协会前主席,美国麻省理工学院（MIT）人工智能和计算机科学教授，美国Ascent技术公司总裁和创始人之一）AI研究如何使计算机去做过去只有人才能做的富有智能的工作2/3/202313华北电力大学逻辑学派的奠基人之一，对AI的发展做出了重大的贡献P.E.Hart,N.J.Nilsson,andB.Raphael.Aformalbasisfortheheuristicdeterminationofminimumcostpathsingraphs.IEEETrans.Syst.Sci.andCybernetics,SSC-4(2):100-107,1968”---A*算法斯坦福大学终身的工程学KUMAGAI教授

曾任《ARTIFICIALINTELLIGENCE》、《MACHINELEARNING》杂志的编辑、斯坦福大学计算机科学系系主任、SRT人工智能中心主任及美国人工智能协会理事长J.Nilson2/3/202314华北电力大学什么是人工智能？M.MinskyAI是让机器做本需要人的智能才能做到的事情的一门学科A.FeigenbaumAI是一个知识信息处理系统2/3/202315华北电力大学马文•明斯基（MarnivLeeMinsky） 人工智能之父 框架理论的创立者首位获得图灵奖的人工智能学者2/3/202316华北电力大学马文•明斯基（MarnivLeeMinsky）1927年出生于美国纽约1951年提出思维如何萌发并形成的基本理论1956年达特茅斯会议的发起人之一1958年在MIT创建世界上第一个AI实验室1969年获得图灵奖1975年首创框架理论2/3/202317华北电力大学爱德华•费根鲍姆（EdwardA.Feigenbaum） 知识工程的提出者 大型人工智能系统的开拓者2/3/202318华北电力大学爱德华•费根鲍姆（EdwardA.Feigenbaum）1936年出生于美国的新泽西州通过实验和研究，证明了实现智能行为的主要手段是知识1977年提出知识工程，使人工智能从理论转向应用名言：知识蕴藏着力量1994年和劳伊•雷迪共同获得图灵奖2/3/202319华北电力大学1963年主编《计算机与思想》，被认为是世界上第一本有关人工智能的经典性专著1965年开发出世界上第一个专家系统Dendral

开发出著名的专家系统MYCIN80年代合著了四卷本的《人工智能手册》开设Teknowledge和IntelliGenetics两个公司，是世界上最早以开发和将专家系统商品化的公司爱德华•费根鲍姆（EdwardA.Feigenbaum）2/3/202320华北电力大学劳伊•雷迪（RajReddy） 大型人工智能系统的开拓者2/3/202321华北电力大学劳伊•雷迪（RajReddy）1937年出生于印度，1966年在美国获得博士1994年与费根鲍姆共同获得图灵奖主持过一系列大型AI系统的开发Navlab

能在道路行驶的自动车辆项目LISTEN用于扫盲的语音识别系统以诗人但丁命名的火山探测机器人项目自动机工厂项目，提出“白领机器人学”2/3/202322华北电力大学什么是人工智能像人一样思考的系统理性地思考的系统“要使计算机能够思考..….意思就是：有头脑的机器”（Haugeland,1985）“与人类的思维相关的活动，诸如决策、问题求解、学习等活动”（Bellman,1978）“通过利用计算模型来进行心智能力的研究”（Chamiak和McDermott,1985）“对使得知觉、推理和行为成为可能的计算的研究”（Winston,1992）像人一样行动的系统理性地行动的系统“一种技艺，创造机器来执行人需要智能才能完成的功能”（Kurzweil,1990）“研究如何让计算机能够做到那些目前人比计算机做得更好的事情”（Rich和Knight,1991）“计算智能是对设计智能化智能体的研究”（Poole等，1998）“AI..….关心的是人工制品中的智能行为”（Nilsson,1998）2/3/202323华北电力大学什么是人工智能AI研究的是如何运用知识，以便像人类一样完成富有智能的工作就AI的本质来说，可以认为人工智能是一门研究如何制造出人造的智能机器或智能系统，来模拟人类智能活动的能力，以延伸人们智能的科学2/3/202324华北电力大学人工智能和通常程序的比较人工智能

通常计算机程序主要是符号处理 主要是数字处理启发式搜索 依靠算法控制结构和知识域相分离 信息和控制联结在一起易于修改、更新和改变 难以修改允许不正确的答案 要求正确的回答AI程序：干什么 传统程序：干些什么及如何干2/3/202325华北电力大学智能和智力“智能”源于拉丁“Legere”，意思是收集、汇集，智能通常用来表示从中进行选择、理解和感觉自然智能人类和一些动物所具有的智力和行为能力

智力是针对具体情况的，根据不同的情况有不同的含义“智力”是指学会某种技能的能力，而不是指技能本身2/3/202326华北电力大学智能和智力智能的定义和描述：（1）善于判断、理解和推理（2）综合智力——主要是指“相互关系的训练”（3）形成要领和掌握含义的能力（4）全面考试的能力或思维的效率（5）先天的、综合的和认知的能力（6）智力活动包括在某一情况下抓住本质并对他们作出适当的反应（7）适当地行动、理智地思考、有效地适应环境的总体能力。（8）身体和社会环境的适应性

判断、理解、推理、形成概念、适当的反应和适应性等2/3/202327华北电力大学0.2图灵测试如何知道一个系统是否具有智能呢？1950年，计算机科学家图灵提出了著名的“图灵测试”2/3/202328华北电力大学测试的设置测试的参与者：测试人被测试人一个人一个声称自己有人类智力的机器测试过程：测试人与被测试人是分开的，测试人只有通过一些装置（如键盘）向被测试人问一些问题，这些问题随便是什么问题都可以2/3/202329华北电力大学测试的设置2/3/202330华北电力大学问过一些问题后测试人能正确地分出谁是人谁是机器——机器没有通过图灵测试测试人没有分出谁是机器谁是人——机器通过了图灵测试，具有了图灵测试意义下的智能计算机为了通过图灵测试，要很好地模拟人类的优点和不足不能比人类愚蠢，也不能比人类聪明在某些方面变得愚蠢并不是很难的事情困难的是一些常识性的问题人类可以非常轻松的处理常识性的问题，但对于计算机来说却非常困难测试的设置2/3/202331华北电力大学图灵测试——示范1问：请给我写出有关“第四号桥”主题的十四行诗。答：不要问我这道题，我从来不会写诗。问：34957加70764等于多少？答：（停30秒后）105721问：你会下国际象棋吗？答：是的。问：我在我的K1处有棋子K；你仅在K6处有棋子K，在R1处有棋子R。现在轮到你走，你应该下那步棋？答：（停15秒钟后）棋子R走到R8处，将军！2/3/202332华北电力大学图灵测试——示范2问：你会下国际象棋吗？答：是的。问：你会下国际象棋吗？答：是的。问：请再次回答，你会下国际象棋吗？答：是的。一部笨机器!!!2/3/202333华北电力大学图灵测试——示范3问：你会下国际象棋吗？答：是的。问：你会下国际象棋吗？答：是的，我不是已经说过了吗？问：请再次回答，你会下国际象棋吗？答：你烦不烦，干嘛老提同样的问题。大概是人而不是机器!!!2/3/202334华北电力大学图灵测试——示范4很多人研究过计算机对话程序，如J.Weizenbaum写的Eliza（扮演心理医生），模仿心理医生和女病人的对话P：所有男人都一个样。E：这从何说起呢？P：他们总是这样和那样的找我们的麻烦。E：你能举一个例子吗？P：好吧，你瞧，我的男朋友叫我的这儿来。E：哦，你的男朋友叫你到这儿来。P：他说我显得精神沮丧已经很长时间了。E：听到你说你精神沮丧，我很同情。P：说真的，我很不高兴。E：你认为到这儿来能帮助你高兴起来吗？P：那当然，我需要帮助。E：如果你得到了帮助，那将意味着什么？2/3/202335华北电力大学图灵测试对人类来说容易求解的问题，对计算机来说并不一定容易解决对人类来说困难的问题，计算机处理起来不一定困难利用计算机难以通过图灵测试的特点，逆向使用图灵测试，解决复杂问题防止利用程序对网络系统进行恶意攻击，在登录界面上，除了要输入用户名、密码之外，还要识别出系统随机产生的一些在复杂背景上的变形文字2/3/202336华北电力大学人工智能碰上人工智能？康奈尔大学大学的创意机器实验室进行了这样一个实验：把两个对话型的AI-Cleverbot连到一块去，看看它们俩会聊些什么http:///为了更方便直观地还原对话的过程，他们把AI之间的文字对话用CG人物的形式表现出来，显示在屏幕上人工智能遇上人工智能.flv2/3/202337华北电力大学0.3希尔勒的中文屋子罗杰•施安克的故事理解程序（举例）机器是否真的理解了呢？希尔勒的中文屋子问题：通过了图灵测试就具有了智能吗？思考题：如何理解希尔勒的中文屋子？该程序可以在“阅读”一个英文故事之后，回答和故事有关的问题来自反对者的声音，即便通过了图灵实验，也不认为就是理解了2/3/202338华北电力大学0.4AI的研究目标AI是研究如何制造出人造的智能机器或智能系统，来模拟人类智能活动的能力，以延伸人们智能的科学人类智能活动的能力：人类在认识世界和改造世界的活动中，由脑力劳动表现出来的能力认识和理解世界环境的能力提出概念、建立方法，进行演绎和归纳推理、作出决策的能力学习的能力自我适应的能力2/3/202339华北电力大学0.4AI的研究途径 心理学（符号主义）：人工智能源于数理逻辑。认识的基本元素是符号，智能和知识可用符号表示、擅长抽象思维人工智能的主流学派，代表有纽厄尔、肖、西蒙和尼尔逊等生理学（联结主义）：原理主要为神经网络及神经网络间的连接机制与学习算法认为认识的基本元素是神经元，认识过程是大量神经元的并行活动，擅长形象思维生物进化（行为主义）行为主义：原理为控制论及感知论认为人工智能源于控制论。代表人物有布鲁克斯2/3/202340华北电力大学0.5AI的历史回顾（1）阶段1：萌芽期（1956年以前）神话传说：帮助人劳动的机器人，歌舞机器人法国物理学家和数学家B·Pascal的机械加法器Leibniz在机械加法器基础上制造了四则运算器英国数学家和力学家C·Babbage对差分机和分析机的研究图灵的图灵机模型1938德国工程师Zuse的累计数字计算机Z-11945

JohnVonNeu-mann

冯·诺依曼结构1946年Mauchly等的第一台计算机ENIACWiener的控制论和Shannon的信息论等2/3/202341华北电力大学0.5AI的历史回顾（2）阶段2：人工智能基础技术的研究和形成(1956—1970)Dartmouth聚会后，在美国开始形成了以人工智能为研究目标的几个研究组：Newell和Simon的Carnegie-RAND协作组Samuel和Gelernter的IBM公司工程课题研究组Minsky和McCarthy的MIT研究组等主要工作2/3/202342华北电力大学0.5AI的历史回顾（3）方面1：A.Newell、J.Shaw和H.Simon等人编制出逻辑理论机LT，当时该程序证明了“数学原理”一书第二章中的38个定理1960年编制了能解十种类型不同课题的通用问题求解程序GPS，和LT是首次在计算机上运行的启发式程序Newell关于自适应象棋机的论文Simon关于问题求解和决策过程中合理选择和环境影响的行为理论的论文人的口语学习和记忆的EPAM模型（1959年）、早期自然语言理解程序SAD-SAM2/3/202343华北电力大学赫伯特•西蒙（HerbertA.Simon）符号主义学派的创始人爱好广泛的全能科学家中国科学院外籍院士2/3/202344华北电力大学1916年出生于美国的威斯康辛州1943年在匹兹堡大学获政治学博士学位1969年因心理学方面的贡献获得杰出科学贡献奖1975年和他的学生艾伦•纽厄尔共同获得图灵奖1978年获得诺贝尔经济学奖1986年因行为学方面的成就获得美国全国科学家奖章赫伯特•西蒙（HerbertA.Simon）2/3/202345华北电力大学50年代至60年代初开发了世界上最早的启发式程序“逻辑理论家”LT57年开发了IPL(InformationProcessingLanguage)语言，是最早的AI语言60年开发了“通用问题求解系统”GPS66年开发了最早的下棋程序之一MATER70年发展与完善了语义网络的概念和方法70年代提出了“物理符号系统假说”70年代提出决策过程模型赫伯特•西蒙（HerbertA.Simon）2/3/202346华北电力大学艾伦•纽厄尔（AllenNewell）符号主义学派的创始人之一西蒙的学生与同事1975年与西蒙同获图灵奖2/3/202347华北电力大学0.5AI的历史回顾（4）方面21956年Samuel的西洋跳棋程序，1959年这个程序曾战胜设计者本人，1962年还击败了美国一个州的跳棋大师方面31959年McCarthy发明的表处理语言LISP，成为人工智能程序设计的主要语言，至今仍被广泛采用1958年McCarthy建立的行动计划咨询系统以及1960年Minsky的论文“走向人工智能的步骤”，对人工智能的发展都起了积极的作用1956年N.Chomsky的文法体系，1958年Selfridge等人的模式识别系统程序等2/3/202348华北电力大学0.5AI的历史回顾（5）阶段3：发展和实用化阶段(1971—1980)

各种新的知识表示技术和各种专家系统的出现知识表示1968Quillian

语义网络知识表示法

（Simmon等人用语义网络表达自然语言理解）

1974Minsky

框架(Frame)理论

非精确性推理

1976R．O．Duda

主观贝叶斯理论---Prospector重大成果

1965Robinson归结原理

1965R．Kowalski

Prolog思想，1972A．Colmerauer实现Prolog2/3/202349华北电力大学0.5AI的历史回顾（6）阶段3：发展和实用化阶段(1971—1980)

各种新的知识表示技术和各种专家系统的出现专家系统1965E·Feigenbaum与化学家C.Djerassi，J.Leberberg

化学专家系统DENRAL，根据分子式及其质谱数据推断分子结构

1971MIT的C.Engleman，W.Martin和J.Moses

数学专家系统MACSYMA

，帮助人们解决多种数学问题1972

绍特里夫医疗专家MYCIN系统，诊断和治疗感染性疾病

1976斯坦福大学R.O.Duda

地质勘探PROSPECTOR2/3/202350华北电力大学0.5AI的历史回顾（7）阶段3：发展和实用化阶段(1971—1980)

各种新的知识表示技术和各种专家系统的出现专家系统、计算机视觉和机器人、自然语言理解和机器翻译等1973（1977）L.D.Erman语言理解系统

HEARSAY-I，HRSAY-Ⅱ60年代后期机器定理证明对规划问题研究

1960美商用工业机器人UNIMATE和VERSATRAN1977第5届人工智能联合会议，Feigenbaum“人工智能的艺术：知识工程课题及实例研究”提出知识工程的概念2/3/202351华北电力大学0.5AI的历史回顾（8）阶段4——知识工程与专家系统(1980年至今)商业性的应用计划

自然语言处理系统开始商业化：人工智能公司的INTELLECT系统

计算机视觉系统的研制

LISP机

日本的第五代计算机计划；美国、英国的新一代电子计算机计划等

70年代末人工智能研究在我国

自然语言处理、计算机视觉和机器人学以及知识工程等更迅速的发展

2/3/202352华北电力大学0.5AI的历史回顾（9）IBM的“深蓝”：以3.5：2.5的总比分战胜卡斯帕罗夫“深蓝”的技术指标：32个CPU每个CPU有16个协处理器每个CPU有256M内存每个CPU的处理速度为200万步/秒1969年国际人工智能联合会成立，每两年召开一次会议2/3/202353华北电力大学Watson北京时间2011年2月18日消息，由IBM和美国德克萨斯大学联合研制的超级电脑“沃森”(Watson)昨日在美国最受欢迎的智力竞猜电视节目《危险边缘》中击败该节目历史上两位最成功的选手肯-詹宁斯和布拉德-鲁特，成为《危险边缘》节目新的王者2/3/202354华北电力大学Waston如何与人对决智力竞赛沃森超级电脑概况“沃森”是按IBM的创始人托马斯·沃森的名字命名的，它利用一个庞大的并联网络，与2000到3000个Power7计算核心相连，这些计算核心被放置在7个冰箱大小的容器里。IBM已经为“沃森”上传了所有得到许可和公开的知识内容，以便打造一个巨大的语义索如何与人智力竞答？在比赛过程中，当主持人阅读线索时，它们会以电子内容的形式传输给“沃森”，然后这台超级电脑会对接收到的信息进行分析，并做出各种构想，接着搜索所有信息检验构想的正误，得出5个最佳答案，并对每个答案设定信心级别，最终决定选用哪个答案2/3/202355华北电力大学0.5AI的历史回顾（10）各国对AI的研究美国——人工智能的发源地英国——60年代就起步人工智能的研究日本和西欧——起步较晚，但发展较快苏联——对人工智能研究比较重视我国——从1978年才开始，主要在定理证明、汉语自然语言理解、机器人及专家系统方面设立课题，并取得一些初步成果重大的AI研究机构：MIT、斯坦福大学、卡内基梅隆大学、IBM公司、日立中央研究所电气技术综合研究所(ELT)、早稻田大学、爱丁堡大学、前苏联的控制问题研究所等2/3/202356华北电力大学0.5AI的历史回顾（11）足球机器人

两个组织：RoboCup和FIRA设有仿真组、小型组、中型组和有腿组控制方式：FIRA采用集中控制，而RoboCup采用分布式控制2/3/202357华北电力大学AI的历史回顾（12）小型组有腿组2/3/202358华北电力大学AI的研究课题具有一般意义的核心课题：知识的模型化和表示方法启发式搜索理论各种推理方法（演绎推理、规划、常识性推理、归纳推理等）人工智能系统结构和语言其他一些主要的应用领域2/3/202359华北电力大学AI的研究课题（续1）专家系统一个智能的计算机程序，它运用知识和推理步骤来解决只有专家才能解决的复杂问题自然语言理解书面语的理解口语(又称声音)的理解1970Winograd

灵活的人机对话手书文字识别机器学习分布式人工智能(DAI)70年代后期AgentA