第讲计算智能概论

计算智能（ComputationalIntelligence,CI）第1讲概论本讲要点1.1关于计算智能1.2人工神经网络1.3模糊系统1.4进化计算1.5人工神经网络、模糊系统和进化计算的相互融合1.1关于计算智能（ComputationalIntelligence,CI）1.1.1什么是计算智能1.1.2计算智能所包含的领域1.1.1关于计算智能92年，美国学者James首次提出：计算智能(CI)是依靠生产者提供的数字、数据材料进行加工处理，而不是依赖于知识；人工智能（ArtificialIntelligence,AI）则是须用知识进行处理。94年，James在Florida,Orlando,94IEEEWCCI会议上又阐述他的观点，智能有三个层次：InstituteofElectricalandElectronicsEngineers生物智能（BiologicalIntelligence,BI）由人脑的物理化学过程反映出来的，人脑是有机物，它是智能的基础。人工智能（ArtificialIntelligence,AI）是非生物的，人造的，常用符号来表示，AI的来源是人类知识的精华。计算智能（ComputationalIntelligence,CI）是由数学方法和计算机实现的，CI的来源是数值计算的传感器。关系：

a)从复杂性来看：BI>AI>CI；b)从所属关系来看：CI是AI的一个子集，AI是CI到BI的过渡，因为AI中除计算算法之外，还包括符号表示及数值信息处理。也有些人认为CI不属于AI，仅有部分重合。

1.1.2计算智能所包含的领域人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork,ANN）模糊系统（FuzzySystem,FS）进化计算（EvolutionComputing,EC）1.2人工神经网络1.2.1什么是神经网络1.2.2人工神经网络研究的历史1.2.3神经网络的研究概况1.2.4人工神经网络的应用领域1.2.1什么是神经网络人工神经网络(简称神经网络)是由大量的、功能比较简单的形式神经元（Neurons）互相连接而构成的复杂网络系统，用它可以模拟大脑的许多基本功能和简单的思维方式。

神经网络理论突破了传统的、线性处理的数字电子计算机的局限，是一个非线形动力学系统，并以分布式存储和并行协同处理为特色，虽然单个神经元的结构和功能极其简单有限，但是大量的神经元构成的网络系统所实现的行为却是极其丰富多彩的。两种人工智能技术的比较

1.2.2人工神经网络研究的历史

第一阶段初始发展期（40年代－60年代）1．1943年，美国心理学家McCulloch和数学家Pitts合作提出了形式神经元的数学模型，即M-P模型。能完成有限的逻辑运算。2．1949年，心理学家Hebb提出了改变神经元间连接强度的Hebb规则。3．1957年，计算机科学家Rosenblatt用硬件完成了最早的神经网络模型，称之为感知器（Perceptron）用来模拟生物的感知和学习能力。4．1962年，电机工程师Windrow和Hoff提出了自适应线形元件Adaline是一个连续取值的线形网络，在信号处理系统中用于抵消通讯中的回波和噪声，应用十分广泛。第二阶段低谷期（60年代末－70年代末）原因：1.69年，人工智能之父Minskey和Papert发表了《Perceptron》一书指出了Perceptron无科学价值而言，连XOR逻辑分类都做不到，只能作线性划分。2.Von.Neumann机的兴盛期，陶醉在成功的喜悦之中，掩盖了新型计算机的发展的必然。但是仍然有不少有识之士不断努力：1.Boston大学的Grossberg和Carpenter提出了自适应共振理论ART网络。2.芬兰的Heisinki大学的Kohonen提出了自组织映射网络。3.日本的大坂大学的Fukushima提出了神经认知机网络模型。4.日本东京大学的Amari对神经网络进行了数学理论的研究，为神经网络的研究奠定了理论基础。第三阶段兴盛期（80年代以后）原因：1.70年代末期研究和试图模拟视听觉的人工智能专家遇到了挫折，人们习以为常的知识难能教给计算机。2.计算机的科学家发现前面有不可逾越的鸿沟，线路微型的物理极限,人们思考Von.Neumann机到底还能走多远。3.脑科学、生物学、光学的进步为人工神经网络的发展打下了基础。兴盛期的代表人物：1.1982年，加州大学的物理学家Hopfield提出了Hopfield网络模型，并用电路实现。2.1985年，Rumelhart提出了BP算法。3.Hinton等人提出了Boltzman机模型。4.1988年，蔡少堂提出了细胞神经网络模型。1.2.闪3神经壁网络碍的研框究概遍况神经潜网络渴的研绘究主升要可荡分为堤以下呜三个累方面彩：1）拜大脑倒和神腥经系壁统的撒信息皮处理后原理饶。2）魔构造桑能实减现信包息处态理的雾神经垒网络威模型将。3）纯能实稻现信才息处谅理基康本原骡理的根技术播研究玻一神驻经计怜算机幼。美国长军方嘉认为钳神经耀网络宪技术费是比菌原子赞弹工虹程更座重要月的技沸术。俭美国洽国防哪部(DA成RP侦A)曾宣洒布执虏行一桂项总滤投资裁为4亿美盐元的桃八年拢计划微，其悉主要凝研究想目标误为：夸连续尽语音可信号盾识别叨、声沿纳信气号识第别、数目标棉识别烧及跟愚踪等已。日本淹通产咐省早煎在19掩88年也蜜提出爆了所任谓人押类尖贸端科虑学计帖划(Hu铸ma数n况Fr勺on心ti膛er哪S门ci滴en按ce北P珍ro瓜gr降am强)，即所伟谓的强第六筋代计吊算机肆计划兆，研斩制能万模拟哥人类总智能摊行为忍的计昂算机厕系统货。到目携前为厦止，锈已经杰发表巡寿了多肃达几扑十种誉的神乎经网舌络模该型，叙它们引具备疑不同诞的信瓜息处畅理能力，咐典型倍的神累经网巡寿络模倍型如酬表1.兴2所示楚。1.2.慌3神经穴网络位的研菜究概起况神经偷网络用的相己关会盼议19恩87年6月21至24日在挪美国府加州街圣地模亚哥(Sa肿n偷Di撑eg命o)召开愉的第猫一届群神经合网络续国际称会议;19降88年，蛋我国晌在北脖京召耐开了损神经饱网络笛的国姥际研诊究工诊作会浮议，鲜并出利版了驶论文踏集。19捏89年10月在膀北京葱又召污开了显神经挥网络逆及其块应用侦讨论交会。19心90年12月在均北京畏召开奇了我转国首扁届神定经网展络学尝术大跨会，菠并决睛定以存后每稿年召唤开一米次年简会。19欧91年冬狼在南歼京召肠开的摘第二棒届中瞎国神互经网系络学伸术大泻会上有，宣疤布成输立中响国神掉经网嘉络学冤会。1.2.宾3神经住网络捞的研渡究概伯况神经坟网络罪的主爽要国年际性筒杂志(1蒜)Ne冬ur孩al寄N震et岭wo总rk烂s(国际南神经帮网络仙协会蹦会刊)(2渴)IE扯EE钉T棉ra塌ns饮ac部ti涛on川s绒on赖N斜eu康ra货l肌Ne看tw悄or早ks(3爪)I个EE档E猜Tr滋an垄sa主ct黄io扯ns升o存n柜Pa远ra珠ll没el碍Di状st阳ri凤bu桑te闹d饥Sy激st踏em(4航)C材on筐ne纹ct勤io怖ns齿S亏ci重en刚ce(5敌)N讨eu呆ro辅co砖mp董ut毛in最g(6梁)N武eu饭ra脖l全Co渔mp而ut何at交io锣n(7尽)I斧nt显er竿na妙ti铲on残al绵J甘ou欺rn途al颗o熊f养Ne岔ur轰al称S惧ys翻te填ms1.2.恰4人工环神经忆网络揪的应棍用领窄域模式涝识别、分类用于渗语言速，文详字，钉图像醋的识串别，眯用于帽医学虚特征晕的分肃类，方诊断泰指纹灾鉴别均等函数质逼近雄（曲搏线拟护合）用于性非线页性控施制的姿函数仙建模救，拟虽和非约线性林曲线稀，机榴器人亲的轨骆迹控连制等数据慕压缩在通盏信中氧的编耗码压孔缩和供恢复去，图捧像数译据的狮压缩站和存陪储以破及图绸像特胡征的外抽取惩等预测股市欠预测迟，天低气预请测等1.诸3模糊穗系统1.瓶3.迹1模糊鸦系统陵理论岩的起依源和周发展1.岗3.蜘2模糊脖系统蹲的研涨究范找畴1.差3.甘1模糊丈系统财理论简的起熔源和岭发展1.绞1如96洁5年，药美国层控制幅论专短家、确加利垮福尼始亚大宁学教但授扎呆德(L.昆A.下Za烤de服h)首先对提出画模糊砍集合爽概念,发表忠了开节创性留论文《模糊涉集合爱论(F队uz损zy球s敌et卵s)昨》。他竭提出,模糊通数学沸的核趁心思缝想就坊是运贺用数绸学手铅段,仿效必人脑稿思维绸，对希复杂役事物膝进行壳模糊疾处理拾。模屈糊数医学在施基础我理论企和实帖际应喘用等剑方面垫引起蒙了各眼国学爹者的打极大蜜兴趣,并产叉生了旷许多剑有价贯值的呼应用测和惊烟人的稠成果艺。2.诱1趣97粪3年，丹扎德杂教授贯又提垒出模壳糊逻爹辑(F抵uz锯zy销L迷og卸ic堪)的理单论，羡并积永极倡示导将昨模糊毫理论矿向人丘工智携能方炊向发末展。掠模糊咬逻辑悼的研仅究虽毯然时戴间还研不长符，但窗在智役能模络拟和浅智能范控制倡等领尤域却毙已有甲了飞妹快的雪发展速。3.般19称74年，坦印度责裔英谦国学裕者马侍德尼(E.共H.帆Ma嗓md淡an绝i)首先带将模姓糊理喘论用腿于锅昂炉和亿蒸汽患机的扯控制姨，并冲实验风成功茧，开秒创了讲模糊助控制爷的新春领域鸟。4.威80年代浑后期幼以来颜，在午日本坛采用爬模糊诉控制租技术咱的家输电产滴品大图量上狐市，仪模糊敢技术罚在图恒像识语别、番自动某控制蛇、市脸场预剧测、生人工痰智能嘉等领划域普列遍应魂用，极掀起小了一青股模蛙糊热背。日届本、热美国片和我笋国都钥成功毅地研黄制出联了智右能化扫的模诱糊推竹理机蔽，这导表现常了模泡糊理敢论的忧强大达生命演力和缺伟大锋意义挣。5.另一过方面芬，模慕糊理港论在完学术倚界也肉得到丈了普房诚遍的缝认同虽和重效视。19眨92年，IE词EE召开太了第锦一届殊关于筑模糊殃系统货的国膨际会副议（FU停ZZ－IE舞EE），肥并决荣定以洞后每扁年举洋行一妹次。19荡93年IE互EE创办宅了专歇刊IE禽EE日Tr煌an亚sa险ct恶io限n星on窗F树uz亏zy妙S甩ys安te被m。6.当前混，模蹲糊理侦论和备应用只正向倍深度珍和广警度进莲一步牲发展蹈，发渠展的藏速度插越来伸越快悄，研道究成搬果大删量涌售现，率已经劳成为驱世界野各国蒸高科叹技竞将争的无重要溜领域障之一冒。1.判3.兆2模糊蛙系统傍的研番究范摧畴模糊逐系统两基于衬模糊类数学敏理论费，能旧对复步杂事伐物进软行模守糊处敏理。常模糊流数学短的理芹论基抓础包督括模防糊逻歪辑、彼模糊隐规则崇、模近糊推凡理、胃隶属软度和挎模糊初集合遭等。1.梁4进化送计算进化倚计算港（Ev浊ol速ut那io铺n拉Co辛mp猪ut诸in译g）是燥采用坏简单慌的编冈码技撕术来禁表示圆各种衡复杂浇的结帮构，筒并通眼过简验单的订遗传目操作许和优矩胜劣洒汰的某自然合选择引来指铁导学幅习和绸确定姻搜索碍的方召向。明由于即它采叛用种今群（孕即一祸组表掉示）红的方顿式组骨织搜邮索，椅这使喂得它菌可以域同时斯搜索层解空升间内捐的多诉个区煌域，陵特别来适合雕大规联模并愿行计铅算。疏进化采计算油具有轧自组品织、目自适惜应、听自学继习的巾特点兔，并盛且不鞋受其爆搜索缘瑞空间炭限制眯性条园件（淡如可拳微、趴单峰的等）曾的约须束，鸽不需糕要其盐它辅走助信掉息（允如导祝数）邻。这那使得吃进化渴计算街不仅宇能获泼得较堪高的睁效率六，而括且操土作简提单、叠通用枕性强息。1.厕4.每1进化凑计算修的发油展过唤程1.舅4.膊2进化腾计算笨的主这要分食支1.龟4.躲3进化陪计算套的主沾要特座点1.昼4.挺1进化孟计算虎的发器展过租程进化都计算踪蝶在20世纪军六七写十年题代并冤未受混到普垄遍的笨重视解。其吉主要月原因课：1）因瘦为这魄些方堵法本汗身还错不够捧成熟慌；2）由嘉于这匹些方思法需斜要较心大的观计算悉量，蔽而当荡时的顶计算类机还替不够该普及胸且速锐度较搏慢，采这样崇便限治制了酿它们昏的应想用；3）当乏时基妹于符括号处塘理的放人工宗智能趟方法头正处衫于其鸽顶峰透时期隐，使膊得人朋们难趣以认提识到寸其它做方法反的有恢效性沈及适拢应性母。2.到了80年代振，人翠工智挤能方疲法的句局限浮性越侄来越苦突出济，并加且随苹着计溜算机巩速度处的提类高和粱并行稿计算肤机的阿普及投，已巨使得虑进化程计算道对机替器速博度的谨要求砖不再寸是制润约其接发展会的因珍素。袄进化略计算残的不夏断发图展及战其在狠一些易应用辩领域去内取夸得的尼成功盗，已费表现胳出了瞎良好错的应控用前妹景。3.由于碧进化后计算传在机呜器学缺习、酒过程彩控制板、经它济预搅测、车工程定优化庙等领雨域取遵得的斯成功隐，引邮起了贝各领氧域科娃学家跟们的惕极大站兴趣鹊，自80年代易中期屡以来吼，世柱界上商许多断国家依都掀骡起了末进化孟计算鞠的研率究热锡潮。挖目前挠，有者数种腾以进子化计妙算为榴主题劲的国尽际会店议在潜世界骆各地庆定期絮召开旷，并跌已出吨版了西两种亩以上脂专门尽关于材进化势计算澡的杂逆志。躁可以顿预料素，随兴着进牛化计劝算理厌论研垄究的衡不断镰深入昌和应茂用领至域的净不断扶拓广哑，进楚化计伙算必茫将取忘得更意大的给成功腿。1.漆4.蚕2进化味计算捞的主中要分哥支进化暑计算种的三纪大分袖支包扒括：遗传乳算法(G呢en留et袭ic赠A按lg浪or芒it忧hm结,简称GA但)进化熔规划石（Ev传ol洁ut舅io浆n臣Pr祝og纳ra岩mm蜻in卧g毯,简称EP）进化棒策略慕（Ev垃ol亩ut添io赴n削St荣ra床te久gi找es术,简ES）。这三婚个分信支在课算法商实现拍方面捷具有讯一些德细微排的差余别，蒙但它殊们具饮有一纳个共止同的逝特点觉，即心都是黄借助历生物填进化编的思投想和英原理扫来解圆决实鞭际问畅题。①遗传母算法遗传局算法导是一逢类通刘过模炊拟生佳物界劝自然害选择白和自始然遗惕传机康制的凡随机疲化搜村索算目法，改由美刘国J.谁Ho翼la卷nd教授仓于19称75年首承次提芳出。寒它是雾利用讨某种猎编码唐技术晕作用型于称偏为染渴色体乌的二搏进制陵数串睡，其腔基本粥思想矛是模扔拟由替这些盆串组宰成的泛种群拦的进倘化过给程，众通过颗有组拨织地冻然而要是随射机地梁信息众交换继来重据新组搜合那鸦些适苏应性蝇好的秆串。挖遗传扰算法搂对求疾解问菌题的绑本身脱一无粒所知训，它牙所需乎要的张仅是舅对算勒法所颈产生慢的每哀个染别色体语进行骆评价做，并迎根据价适应位性来扯选择际染色教体，攀使适州应性方好的金染色签体比光适应郊性差予的染茫色体怨有更培多的算繁殖才机会挠。遗传易算法残尤其吉适用委于处岛理传丑统搜恼索方留法难喜于解彻决的贪复杂脚的非配线性厘问题乏，可叙广泛嫌用于奶组合伟优化森、机途器学记习、虚自适躲应控摊制、它规划猫设计腔和人妈工生克命等堡领域,是21世纪栋有关紫智能员计算秤中的际关键摊技术绍之一书。②进祝化策体略19根64年，屈由德懒国柏滴林工腰业大沉学的I.碎Re仁ch匠en罗be奔rg等人废提出富。在央求解废流体滋动力耗学柔坦性弯婆曲管万的形总状优肝化问坛题时握，用轨传统检的方贤法很堪难优占化设贸计中蔬描述喷物体壶形状信的参踩数，邮从而折利用饮生物屡变异彩的思嘴想来鹊随机团地改屑变参泥数值怒并获辞得了局较好响的结凳果。狡随后屋，他究们便臣对这湿种方轧法进竞行了织深入赶的研废究和税发展垦，形供成了条进化极计算词的另奥一个雨分支―进化含策略跳。进化想策略朱与遗华传算吵法的晌不同铅之处顶在于岭：进碎化策裹略直森接在钢解空症间上订进行华操作秒，强戴调进袭化过千程中筛从父贞体到拣后代锯行为纸的自驼适应香性和胜多样盈性，天强调冲进化纷过程勿中搜动索步碑长的件自适暴应性挑调节膏；而烛遗传缸算法鲜是将峡原问郑题的凳解空创间映拖射到师位串岔空间灭之中蒜，然奖后再杏施行选遗传滨操作挽，它神强调岔个体编基因策结构记的变立化对绿其适枣应度菜的影臭响。进化导策略粮主要桃用于阳求解侍数值鞠优化昂问题锤。③进化期规划进化捉规划饼的方悉法最贼初是道由美诱国人L.酱J.躺Fo班ge旅l等人窝在20世纪60年代曲提出猫的。度他们营在人症工智敏能的旦研究秘中发沫现，梦智能野行为棋要具亲有能纳预测镜其所占处环抓境的部状态亩，并胆按照承给定头的目验标作趁出适拆当的爽响应拥的能忌力。策在研坦究中宾，他距们将筋模拟葱环境准描述正成是剥由有丘限字命符集苏中符伍号组搬成的柄序列农。1.和4.伐3进化狂计算务的主覆要特可点进化焦算法抄与传懂统的狠算法应具有其很多妹不同粘之处芝，但坚其最甜主要珠的特杜点体搞现在厚下述咱两个厉方面戏：①深智能团性进化趁计算汽的智灭能性菌包括妹自组锋织、积自适卵应和亚自学似习性浅等。挨应用栏进化急计算四求解坏问题父时，链在确董定了杂编码羞方案壤、适疏应值形函数绩及遗陆传算暂子以惧后，翼算法盒将根冠据“妄适者火生存略、不雄适应痛者淘伪汰”少的策涌略，镇利用党进化竟过程倍中获糖得的竞信息剂自行险组织义搜索裂，从来而不冤断地笨向最秒佳解家方向调逼近搜。自然寇选择叠消除秘了传跳统算湾法设荒计过传程中胜的一曲个最秒大障撞碍：钞即需姐要事绝先描净述问佣题的子全部妖特点库，并倦说明焦针对覆问题洲的不价同特雀点算温法应稳采取睡的措蚕施。矮于是粗，利仔用进索化计袖算的封方法情可以飘解决量那些帐结构驳尚无时人能未理解伐的复轧杂问陕题。②捞本搏质并银行性进化资计算珠的本忠质并嫌行性新表现湾在两防个方店面：劣一是挪进化犹计算锐是内紧在并喘行的灯，即录进化皱计算端本身划非常合适合乐大规料模并丝式行。徒二是锐进化扒计算尖的内导含并喝行性坡，由惭于进鸦化计落算采郊用种氧群的坟方式鸭组织抄搜索土，从钢而它季可以要同时捎搜索夜解空友间内宗的多盛个区慰域，冷并相忘互交悔流信翼息，搜这种费搜索协方式攀使得挪进化痕计算务能以痛较少营的计下算获套得较答大的桶收益赔。1.仓5人工钳神经隆网络发、逗模糊珠系统好、进托化计盆算的端相互词融合人工嘴神经铲网络坐能够估通过诞学习改和训迅练获品得用除数据适表达法的知纹识，乒除了乏可以务记忆到已知踩的信圈息之召外，尖神经暂网络落还具筹有较闻强的挨概括妥能力炎和联拖想记赠忆能库力。仅但神邮经网娘络的企推理惨知识辞表示织体现狱在网冷络连识接权遮值上千，表厘达比苏较难尊以理却解，似这是圣它的朝一个喇缺点龟。模糊肌系统忆的显招著特月点是缺能够板直接坡地表余示逻根辑，缎适于泪直接闭的或盗高级乓的知杆识表透达，附具有询较强吗的逻辛辑功再能。照但它也没有琴本质锻的获临取知薪识的君能力米，模糊规声则的胳确定孟也比宁较困戒难，捷通常迅需要档领域膊专家肢知识骆的指兼导。蹄因此谈如何钟构造溜可自疑动处熔理模套糊信较息的凳模糊蝴系统烦，即鸣实现吗模糊愉规则售的自份动提塔取和斤模糊牙变量贞隶属文度函主数的坑自动厉生成扇及优访化，恢一直租是困裕扰模