1、11.2 人工智能的学科范畴 人工智能的位置 人工智能的研究目标 人工智能的研究方法 人工智能的核心问题 2人工智能的位置v以思维与智能为核心。以思维与智能为核心。v 是计算机科学、逻辑学、是计算机科学、逻辑学、思维学、生理学、心理学、思维学、生理学、心理学、电子学、语言学、教育学电子学、语言学、教育学等多学科相互渗透的结果。等多学科相互渗透的结果。v 诞生在控制论、信息论与诞生在控制论、信息论与系统论基础之上，也随着系统论基础之上，也随着突变论、耗散结构理论、突变论、耗散结构理论、协同论的发展而进入到新协同论的发展而进入到新的阶段。的阶段。 哲学哲学数学数学自然自然科学科学社会社会科学科学3
2、人工智能的研究目标n人类智能活动的能力人类智能活动的能力 ：v认识和理解世界环境的能力认识和理解世界环境的能力v进行演绎和归纳推理的能力进行演绎和归纳推理的能力v学习的能力学习的能力v自适应的能力自适应的能力4人工智能的研究目标n近期研究目标近期研究目标v研究用计算机软件、硬件系统模拟人类某些智能行研究用计算机软件、硬件系统模拟人类某些智能行为的基本理论、技术和方法。为的基本理论、技术和方法。n远期研究目标远期研究目标v探讨智能的基本机理；探讨智能的基本机理；v研究如何利用各种自动机来模拟人的某些思维过程研究如何利用各种自动机来模拟人的某些思维过程和智能行为。和智能行为。5人工智能的研究方法n
3、脑模型研究脑模型研究 特点是利用仿生学的观点和方法，把脑的微观结特点是利用仿生学的观点和方法，把脑的微观结构与宏观功能统一起来，制成类大脑的智能机器或控构与宏观功能统一起来，制成类大脑的智能机器或控制论机器。制论机器。n人工智能研究人工智能研究 特点是用计算机科学的观点和方法，撇开脑的微特点是用计算机科学的观点和方法，撇开脑的微观结构，单纯进行脑的宏观功能模拟观结构，单纯进行脑的宏观功能模拟 。6人工智能的研究方法n仿生学方法仿生学方法 特点是利用仿生学的观点和方法，把脑的微观结特点是利用仿生学的观点和方法，把脑的微观结构与宏观功能统一起来，制成类大脑的智能机器或控构与宏观功能统一起来，制成类
4、大脑的智能机器或控制论机器。制论机器。n计算机方法计算机方法 特点是用计算机科学的观点和方法，撇开脑的微特点是用计算机科学的观点和方法，撇开脑的微观结构，单纯进行脑的宏观功能模拟观结构，单纯进行脑的宏观功能模拟 。在利用计算机在利用计算机方法求解智能问题时，又有两种方法方法求解智能问题时，又有两种方法 ： 数学建模法数学建模法 心理学方法心理学方法 7人工智能的研究方法数学建模法数学建模法 依靠建立数学模型并利用算法来求解问题依靠建立数学模型并利用算法来求解问题心理学方法心理学方法 依靠心理学模型，把人在解决各种问题时所使用的依靠心理学模型，把人在解决各种问题时所使用的经验、方法、策略、窍门都
5、编进程序，这种程序称为经验、方法、策略、窍门都编进程序，这种程序称为启发式程序。启发式程序。 计算机科学与心理学的相互渗透、相互促进，是人计算机科学与心理学的相互渗透、相互促进，是人工智能发展的重要途径。工智能发展的重要途径。8人工智能的核心问题n人工智能基础的研究主要是认知科学和数学方人工智能基础的研究主要是认知科学和数学方法的研究法的研究v认知科学包括：逻辑思维学、形象思维学、灵感思认知科学包括：逻辑思维学、形象思维学、灵感思维学、认识心理学、认识生理学。维学、认识心理学、认识生理学。v数学方法包括：离散数学、模糊数学、突变论等。数学方法包括：离散数学、模糊数学、突变论等。 9人工智能的核
6、心问题尼尔逊的人工智能学科结构尼尔逊的人工智能学科结构 博弈基本的技术与方法主要应用领域常识性推理演绎与问题求解逻辑心理学现代控制理论运筹学图论AI系统及语言系统程序设计计算机语言知识的模型化和表示认识论数学、科学 和工程辅助符号操作管理科学图示学有关学科自动定理证明逻辑学数学自动程序设计系统程序设计逻辑计算原理算法分析控制理论空间研究工业自动化机器人机器视觉心理学图示学模式识别光学自然语言系统声学语音学心理学 语言学信息处理心理学控制理论逻辑主要应用领域启发式搜索心理学10人工智能的核心问题n人工智能原理的四大问题人工智能原理的四大问题 v知识表示，人工智能研究的最基本问题知识表示，人工智能
7、研究的最基本问题 v问题求解，人工智能的根本问题问题求解，人工智能的根本问题 v机器学习，人工智能产生的核心问题机器学习，人工智能产生的核心问题 v系统构成，人工智能的中心问题系统构成，人工智能的中心问题 11人工智能的核心问题n 知识表示知识表示v知识表示研究机器表示知识的可行、有效、通用的知识表示研究机器表示知识的可行、有效、通用的原则与方法，使知识能够合理地储存在机器中，便原则与方法，使知识能够合理地储存在机器中，便于应用、修改、增删和更换。于应用、修改、增删和更换。v已有的知识表示法：谓词逻辑表示法、模糊逻辑表已有的知识表示法：谓词逻辑表示法、模糊逻辑表示法、产生式表示法、状态空间表示
8、法、与示法、产生式表示法、状态空间表示法、与/ /或图或图表示法、语义网络表示法，框架表示法等表示法、语义网络表示法，框架表示法等。12人工智能的核心问题n问题求解问题求解v包含推理与规划两大过程包含推理与规划两大过程 v与问题的知识表示形式密切相关与问题的知识表示形式密切相关 (1) 问题问题用谓词公式表示，用演绎推理来求解。用谓词公式表示，用演绎推理来求解。 (2) 问题问题用状态空间法表示，用搜索法求解。用状态空间法表示，用搜索法求解。13人工智能的核心问题n机器学习机器学习v研究让机器具有解决具体问题的本领；研究让机器具有解决具体问题的本领；v研究使机器具有自学习的能力；研究使机器具有
9、自学习的能力；v机器学习常用方法有：死记硬背法、参数修正法、机器学习常用方法有：死记硬背法、参数修正法、问题求解法、概念法、发现法等问题求解法、概念法、发现法等。14人工智能的核心问题n系统构成系统构成 人工智能的工作需要硬件、软件、接口等多方面人工智能的工作需要硬件、软件、接口等多方面的支持与配合。的支持与配合。 解题推理硬件知识库硬件关系代数关系数据库人机接口软件硬件超大规模集成电路体系结构智能接口硬件逻辑程序设计语言逻辑机智能接口软件解题推理软件知识库管理软件使用自然语言、专门语言、图象的人机对话接口15人工智能的核心问题 系统构成包括以下五个方面系统构成包括以下五个方面：v 人工智能语
10、言人工智能语言v 智能应用软件智能应用软件v 软件开发环境与工具软件开发环境与工具v 硬件支持环境硬件支持环境v 人机智能接口人机智能接口16 1.3 人工智能的研究领域专家系统 自然语言理解 智能决策支持系统 模式识别 数据库的智能检索博弈 自动定理证明 自动程序设计 自然语言生成 机器人17人工智能的研究领域n专家系统专家系统 专家系统是一种以知识为基础的计算机软件系统，专家系统是一种以知识为基础的计算机软件系统，事先将有关专家的知识、经验总结出来、形成规则，事先将有关专家的知识、经验总结出来、形成规则，并将它们存入计算机，然后采用适当的控制策略，按并将它们存入计算机，然后采用适当的控制策
11、略，按输入的原始数据选择合适的规则进行推理、演绎，作输入的原始数据选择合适的规则进行推理、演绎，作出判断和决策，并能根据用户的要求显示判断决策的出判断和决策，并能根据用户的要求显示判断决策的过程。过程。 18人工智能的研究领域n自然语言理解自然语言理解 自然语言理解可看成是模式识别研究的自然延伸。自然语言理解可看成是模式识别研究的自然延伸。n智能决策支持系统智能决策支持系统v分为确定情况下的决策、不确定情况下的决策。分为确定情况下的决策、不确定情况下的决策。 v主要由三大部分组成：语言系统、知识系统、问题主要由三大部分组成：语言系统、知识系统、问题处理系统。处理系统。19人工智能的研究领域n模
12、式识别模式识别 狭义研究目标是为计算机配置各种感觉器官，以狭义研究目标是为计算机配置各种感觉器官，以便直接接受外界的各种信息。便直接接受外界的各种信息。 n数据库的智能检索数据库的智能检索 最终目标是：建立一个类似人类联想记忆的数据最终目标是：建立一个类似人类联想记忆的数据库系统，用户通过自然语言描述问题，数据库系统即库系统，用户通过自然语言描述问题，数据库系统即可把相关信息检索出来。可把相关信息检索出来。20人工智能的研究领域n博弈博弈 博弈即对策。博弈为人工智能提供了很好的试验博弈即对策。博弈为人工智能提供了很好的试验场所，人工智能中的许多概念和方法都是从博弈程序场所，人工智能中的许多概念
13、和方法都是从博弈程序中提炼出来的中提炼出来的。n自动定理证明自动定理证明 自动定理证明的方法有：自然演绎法自动定理证明的方法有：自然演绎法、判定法判定法、定定理证明器理证明器、计算机辅助证明。计算机辅助证明。21人工智能的研究领域n自动程序设计自动程序设计 程序验证程序验证、程序综合。程序综合。n自然语言生成自然语言生成 研究内容包括语音合成系统研究内容包括语音合成系统、书面自然语言生成系统。书面自然语言生成系统。 n机器人机器人 划分为四种类型：遥控机器人、程序机器人、示划分为四种类型：遥控机器人、程序机器人、示教教再现机器人、智能机器人。再现机器人、智能机器人。221.4 人工智能系统结构
14、及特点人工智能系统结构及特点计算机问答系统 规划与问题求解专家系统 人工智能系统的特点 23计算机问答系统v机器已存放的信息，无论是已知事实还是推理规机器已存放的信息，无论是已知事实还是推理规则都是明确的，要求解的目标则都是明确的，要求解的目标( (即答案即答案) )也是明确也是明确的。的。v求解问题的方法不是一个固定的过程，而是多条求解问题的方法不是一个固定的过程，而是多条路线推理，因此，答案也不一定唯一，这是人工路线推理，因此，答案也不一定唯一，这是人工智能系统有别于一般系统的特点之一。智能系统有别于一般系统的特点之一。 24规划与问题求解v人们常需要根据周围环境的条件以及所要达到的目标人
15、们常需要根据周围环境的条件以及所要达到的目标计划自己的行为，即产生一个合适的动作序列，或者计划自己的行为，即产生一个合适的动作序列，或者给出一个解决问题的步骤，这类问题被称为规划。给出一个解决问题的步骤，这类问题被称为规划。v启发式知识启发式知识、启发式程序启发式程序。25专家系统v专家系统是指一专家系统是指一类计算机智能程类计算机智能程序，可从事特定序，可从事特定的、难度较高的的、难度较高的专业工作。专业工作。 v基本结构：如右基本结构：如右图。图。 专专家家用用户户知知识识获获取取设设施施（工工具具）输输入入/ /输输出出系系统统知知 识识 库库建建议议说说明明具具体体事事实实与与数数据据
16、推推理理系系统统知知 识识 工工 程程 师师26人工智能系统特点n人工智能应用系统的结构特征是：人工智能应用系统的结构特征是：(1)(1)系统要有智能就必须拥有知识。系统要有智能就必须拥有知识。(2)(2)系统应具备某种推理的能力。系统应具备某种推理的能力。(3)(3)具备某种继续获取知识的功能。具备某种继续获取知识的功能。n与其它程序设计方法的差异与其它程序设计方法的差异 系统结构系统结构 知识表示方法知识表示方法 适用范围适用范围 系统功能系统功能27人工智能系统特点n系统结构系统结构v 在传统程序方法中，程序和数据是严格分离，需建在传统程序方法中，程序和数据是严格分离，需建立数学物理模型
17、，利用提前设计的算法让计算机求立数学物理模型，利用提前设计的算法让计算机求解答案。解答案。v 在智能系统中，解决问题所需的知识同使用知识的在智能系统中，解决问题所需的知识同使用知识的方法性知识是相互独立的，计算机通过方法性知识是相互独立的，计算机通过“智能化智能化”搜索求解问题答案。搜索求解问题答案。v 在面向对象方法中在面向对象方法中，程序和数据被统一到一个可重程序和数据被统一到一个可重用的类中用的类中。28人工智能系统特点n知识表示方法知识表示方法v传统程序方法中解题的全部知识是隐含在整个程传统程序方法中解题的全部知识是隐含在整个程序中。序中。v人工智能方法的知识，则显式地表示在机器的知人
18、工智能方法的知识，则显式地表示在机器的知识库中。识库中。v面向对象方法的知识却都被封装在该对象类的定面向对象方法的知识却都被封装在该对象类的定义中义中 。 29人工智能系统特点n适用范围适用范围 v传统程序原则上只能解决那些已经形成科学体系，传统程序原则上只能解决那些已经形成科学体系，具有严格规律的问题。具有严格规律的问题。v人工智能技术能解决传统程序所不能解决的问题。人工智能技术能解决传统程序所不能解决的问题。v面向对象方法主要用现实世界的概念抽象地思考问面向对象方法主要用现实世界的概念抽象地思考问题，从而自然地解决一般性、规律性问题，是传统题，从而自然地解决一般性、规律性问题，是传统程序的
19、扩展和更高层次的运用。程序的扩展和更高层次的运用。30人工智能系统特点n系统功能系统功能v智能系统具有一定功能的抽象对象模块方法。智能系统具有一定功能的抽象对象模块方法。v智能系统的解题过程是一种推理过程，具有自我解智能系统的解题过程是一种推理过程，具有自我解释的能力。释的能力。v人工智能系统的知识库有自学习的能力。人工智能系统的知识库有自学习的能力。311.那么，人工智能在现代科学中那么，人工智能在现代科学中的地位如何呢？的地位如何呢？ 实际上，实际上，AIAI是一个大学科，其特点可概括为：是一个大学科，其特点可概括为： 人工智能从其诞生起，就一直是当代科学技人工智能从其诞生起，就一直是当代
20、科学技术的术的；它它又是一门新思想、新理论、新技术、新成又是一门新思想、新理论、新技术、新成就不断涌现的就不断涌现的。人工智能的研究，是在计算机科学、信息论、人工智能的研究，是在计算机科学、信息论、控制论、心理学、生理学、数学、物理学、化学、生物控制论、心理学、生理学、数学、物理学、化学、生物学、医学、哲学、语言学、社会学等多学科的基础上发学、医学、哲学、语言学、社会学等多学科的基础上发展起来的。因此，它又是一门综合性极强的展起来的。因此，它又是一门综合性极强的。 32n 智能现象本质是人类尚未完全探索明白的智能现象本质是人类尚未完全探索明白的之一。之一。尽管如此，人类在对脑科学和智能尽管如此
21、，人类在对脑科学和智能 认识的研究中，逐渐形成了许多不同的研究观点。认识的研究中，逐渐形成了许多不同的研究观点。 其中，最著名并具代表性的理论有三种其中，最著名并具代表性的理论有三种n 不不同的研究观点：即同的研究观点：即33又称作认知科学，它认为智能的核心是思维，又称作认知科学，它认为智能的核心是思维，一切智慧及其知识均源于活体大脑的思维。因此，通过研究一切智慧及其知识均源于活体大脑的思维。因此，通过研究思维规律与思维方法，有望揭示智能的本质。思维规律与思维方法，有望揭示智能的本质。强调知识对智能的重要影强调知识对智能的重要影响和作用，认为知识集聚到某种满意程度时，将会触发智慧响和作用，认为
22、知识集聚到某种满意程度时，将会触发智慧大门的开启。知识阈值理论把智能定义为：大门的开启。知识阈值理论把智能定义为：这一理论曾经深刻这一理论曾经深刻地影响了人工智能的发展进程：专家系统、知识工程等就是地影响了人工智能的发展进程：专家系统、知识工程等就是在该理论的影响下而发展起来的。在该理论的影响下而发展起来的。34n三种不同的认知观三种不同的认知观n符号主义（符号主义（SymbolicismSymbolicism）n连接主义（连接主义（ConnectionismConnectionism）n行为主义（行为主义（ActionismActionism）35n又称逻辑主义、心理学派或计算机学派，可简又
23、称逻辑主义、心理学派或计算机学派，可简称为逻辑派或功能派。其原理主要为称为逻辑派或功能派。其原理主要为和和n采用采用“黑盒黑盒”研究法。研究法。n认为认为AIAI源于数理逻辑。源于数理逻辑。n人类的智能的基本单元是符号，认知过程是人类的智能的基本单元是符号，认知过程是符号表示下的符号运算。符号表示下的符号运算。 36 37n存在局限性及可能解决的途径：存在局限性及可能解决的途径：n 形式化方法对于非逻辑的推理过程，经验式模糊形式化方法对于非逻辑的推理过程，经验式模糊推理，形象思维推理，往往难以用符号系统表示；推理，形象思维推理，往往难以用符号系统表示；n 符号形式化方法的有效性取决于符号概念的
24、精确符号形式化方法的有效性取决于符号概念的精确性。当把有关信息转换成符号化的推理机制时，将会丢性。当把有关信息转换成符号化的推理机制时，将会丢失一些重要的信息；失一些重要的信息；n 对于带有噪声的信息以及不完整的信息往往也难对于带有噪声的信息以及不完整的信息往往也难以进行恰当的表达和处理。以进行恰当的表达和处理。可采用互连技术的方法可采用互连技术的方法即结构派采用技术思路，则具有很好的互补作用。即结构派采用技术思路，则具有很好的互补作用。 38n又称仿生学派或生理学派，其原理主要为又称仿生学派或生理学派，其原理主要为人工神经元网络（人工神经元网络（ Neural NetworkNeural N
25、etwork）及及神经网络间的连接机制与学习算法神经网络间的连接机制与学习算法。n采用采用“白盒白盒”研究法；又称为研究法；又称为（Network ConnectionNetwork Connection）的技术研究方法的技术研究方法 n认为认为AIAI源于仿生学，特别是人脑模型的研究。源于仿生学，特别是人脑模型的研究。39代表性成果代表性成果40n难以用因果分析关系解释其活动过程。而难以用因果分析关系解释其活动过程。而这恰恰是符号化逻辑处理的优势，二者互这恰恰是符号化逻辑处理的优势，二者互补，可否扩大研究成果呢？补，可否扩大研究成果呢？n其发展与展望是：随着进化计算（其发展与展望是：随着进化
26、计算（ECEC）理理论开拓和生物医学工程技术进步，尤其克论开拓和生物医学工程技术进步，尤其克隆技术的发展，前景十分诱人。隆技术的发展，前景十分诱人。 41n又称进化主义或控制论学派，其原理为又称进化主义或控制论学派，其原理为控制论及控制论及- -控制系统控制系统。n认为认为AIAI源于控制论。源于控制论。n代表性成果代表性成果42n“激励响应激励响应”模式，很实用；模式，很实用；n代表性典型装置实现，适应性强，难度较低，易于物代表性典型装置实现，适应性强，难度较低，易于物理实现；理实现；n行为模拟的行为模拟的“小前提小前提”思想思想即采用层次式处理手即采用层次式处理手法的逐个前提条件法的逐个前
27、提条件“满足实现满足实现小有成功；再进行小有成功；再进行第二层次第二层次依次推进装置完善、成功依次推进装置完善、成功n直觉式感知模拟，便于实现经验式智能直觉式感知模拟，便于实现经验式智能n局限性：局限性：缺乏系统理论指导，必须加强规划决策指导缺乏系统理论指导，必须加强规划决策指导与体系结构分析。与体系结构分析。 43n人工智能的三种研究方法：即人工智能的三种研究方法：即方法、方法、方法和方法和方法。方法。 n为了寻求一种统一的为了寻求一种统一的AIAI理论体系，以涂理论体系，以涂序彦教授为代表的中国学者提出了一种序彦教授为代表的中国学者提出了一种广义智能信息系统论，其主要组成如下广义智能信息系
28、统论，其主要组成如下图所示。图所示。 44广 义广 义智 能智 能信 息信 息系 统系 统论论感知信息论感知信息论思维信息论思维信息论 行为信息论行为信息论智能普存论智能普存论智能层次论智能层次论智能进化论智能进化论感知系统论感知系统论思维系统论思维系统论行为系统论行为系统论涂序彦：涂序彦：广义智能信息系统论构成框架广义智能信息系统论构成框架 452.2.一些一些AIAI研究者主张人工智能的目标是建造能研究者主张人工智能的目标是建造能“帮助帮助”人人们进行智能任务的机器，而不是去们进行智能任务的机器，而不是去“完成完成”那些任务，不那些任务，不严格地讲，去严格地讲，去“帮助帮助”有时被称为有时
29、被称为“弱人工智能（弱人工智能（weak weak AIAI）”，而去，而去“完成完成”有时被称为有时被称为“强人工智能（强人工智能（strong strong AIAI）”，你怎样认为？为什么？，你怎样认为？为什么？3.3.请列举用蛋白质而不是硅片制造思维机器的实验好处。请列举用蛋白质而不是硅片制造思维机器的实验好处。4 4LoebnerLoebner奖每年颁发给最接近于通过某个版本图灵测试奖每年颁发给最接近于通过某个版本图灵测试的程序。查找和汇报的程序。查找和汇报LoebnerLoebner奖最近的得主。它使用了什奖最近的得主。它使用了什么技术？它对么技术？它对AIAI目前的发展水平有什么推动？目前的发展水平有什么推动？第二次作业
