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科学、技术与社会系列课程现代科学技术概论：人工智能现代科学技术概论：人工智能An Introduction to Modern Science and TechnologyAn Introduction to Modern Science and Technology：Artificial IntelligenceArtificial Intelligence目录 content一、何谓人工智能 WhatisArtificialIntelligence?一、何谓人工智能 WhatisArtificialIntelligence?研究人类智能如何以人工方法来实现。研究人类智能如何以人工方法来实现。目目前前，用用计计算算机机模模拟拟人人类类的的某某些些智智能能活活动动，如如推推理、决策、规划、设计和学习等。理、决策、规划、设计和学习等。一、何谓人工智能：智能 WhatisArtificialIntelligence：intelligence自然智能：自然智能：指人类和一些动物所具有的智力和行为能力指人类和一些动物所具有的智力和行为能力人类的自然智能（简称智能）：人类的自然智能（简称智能）：指人类在认识客观世界中，由思维过程和指人类在认识客观世界中，由思维过程和脑力活动所表现出的综合能力。脑力活动所表现出的综合能力。人类大脑是如何实现智能的人类大脑是如何实现智能的 两大难题之一：宇宙起源、人脑奥秘两大难题之一：宇宙起源、人脑奥秘 对人脑奥秘知之甚少对人脑奥秘知之甚少对人脑奥秘知道什么对人脑奥秘知道什么 结构：结构：1011-12 量级的神经元，分布并行量级的神经元，分布并行 功能：记忆、思维、观察、分析功能：记忆、思维、观察、分析 等等对智能的严格定义对智能的严格定义 有待于人脑奥秘的揭示，进一步认识有待于人脑奥秘的揭示，进一步认识一、何谓人工智能：智能的观点 WhatisArtificialIntelligence：viewpointsonintelligence思维理论思维理论智能来源于思维活动，智能的核心是思维，人的一切知智能来源于思维活动，智能的核心是思维，人的一切知识都是思维的产物。可望通过对思维规律和思维方法的研识都是思维的产物。可望通过对思维规律和思维方法的研究，来揭示智能的本质。究，来揭示智能的本质。知识阈值理论知识阈值理论智能取决于知识的数量及其可运用程度。一个系统所具智能取决于知识的数量及其可运用程度。一个系统所具有的可运用知识越多，其智能就会越高。有的可运用知识越多，其智能就会越高。进化理论进化理论是美国是美国MIT的的Brooks在对人造机器虫研究的基础上提出在对人造机器虫研究的基础上提出来的。智能取决于感知和行为，取决于对外界复杂环境的来的。智能取决于感知和行为，取决于对外界复杂环境的适应，智能不需要知识、不需要表示、不需要推理，智能适应，智能不需要知识、不需要表示、不需要推理，智能可由逐步进化来实现。可由逐步进化来实现。不一致，从层次结构再认识不一致，从层次结构再认识一、何谓人工智能：智能的层次结构 WhatisArtificialIntelligence：levelsandstructuresofintelligence高层智能高层智能 以大脑皮层（抑制中枢）为主，主要完成记忆、思维以大脑皮层（抑制中枢）为主，主要完成记忆、思维等活动。等活动。中层智能中层智能 以丘脑（感觉中枢）为主，主要完成感知活动。以丘脑（感觉中枢）为主，主要完成感知活动。低层智能低层智能 以小脑、脊髓为主，主要完成动作反应活动。以小脑、脊髓为主，主要完成动作反应活动。不同观点在层次结构中的对应关系不同观点在层次结构中的对应关系 思维理论思维理论 知识阈值理论知识阈值理论 进化理论进化理论 中层智能和低层智能中层智能和低层智能包含哪些能力？包含哪些能力？一、何谓人工智能：智能包含的能力 WhatisArtificialIntelligence：intelligenceandabilities感知能力感知能力 通过感知器官感知外界的能力。是人类获得外界信息的基本途径，其通过感知器官感知外界的能力。是人类获得外界信息的基本途径，其处理方式有以下两种：处理方式有以下两种：感知感知-动作方式：动作方式：对简单、紧急信息对简单、紧急信息 感知感知-思维思维-动作方式：动作方式：对复杂信息对复杂信息 记忆和思维能力记忆和思维能力 记忆：记忆：对感知到的外界信息和由思维产生的内部知识的存储过程对感知到的外界信息和由思维产生的内部知识的存储过程 思维：思维：对已存储信息或知识的本质属性、内部知识的认识过程对已存储信息或知识的本质属性、内部知识的认识过程 思维方式：思维方式：抽象思维（逻辑思维）：抽象思维（逻辑思维）：根据逻辑规则对信息和知识进行处理的根据逻辑规则对信息和知识进行处理的理性思维方式。例如，逻辑推理等理性思维方式。例如，逻辑推理等 形象思维（直感思维）：形象思维（直感思维）：基于形象概念，根据感性形象认识材料基于形象概念，根据感性形象认识材料对客观现象进行处理的一种思维方式。例如，图像、景物识别等对客观现象进行处理的一种思维方式。例如，图像、景物识别等 灵感思维（顿悟思维）：灵感思维（顿悟思维）：是一种显意识和潜意识相互作用的思维是一种显意识和潜意识相互作用的思维方式。例如，因灵感而顿时开窍方式。例如，因灵感而顿时开窍一、何谓人工智能：智能包含的能力 WhatisArtificialIntelligence：intelligenceandabilities学习和自适应能力学习和自适应能力 学习：学习：是一个具有特定目的的知识获取过程是一个具有特定目的的知识获取过程 是人的一种本能。不同人的学习方法、能力不同是人的一种本能。不同人的学习方法、能力不同 自适应：自适应：是一种通过自我调节适应外界环境的过程是一种通过自我调节适应外界环境的过程 是人的一种本能。不同人的适应能力不同是人的一种本能。不同人的适应能力不同行为能力行为能力 含义：含义：是人们对感知到的外界信息作出动作反应的能力是人们对感知到的外界信息作出动作反应的能力 信息来源：信息来源：由感知直接获得的外界信息由感知直接获得的外界信息 经过思维加工后的信息经过思维加工后的信息 实现过程：实现过程：通过脊髓来控制通过脊髓来控制 由语言、表情、体姿等来实现由语言、表情、体姿等来实现一、何谓人工智能：智能 WhatisArtificialIntelligence：intelligence综合各种不同观点，可从能力和学科两个方面讨论综合各种不同观点，可从能力和学科两个方面讨论能力方面能力方面 人工智能就是用人工的方法在机器（计算机）上实现的人工智能就是用人工的方法在机器（计算机）上实现的智能，或称机器智能智能，或称机器智能学科方面学科方面 是一门研究如何构造智能机器或智能系统，以模拟、延是一门研究如何构造智能机器或智能系统，以模拟、延伸和扩展人类智能的学科伸和扩展人类智能的学科Turing测试测试 如下图所示。能分辨出人和机器的概率小于如下图所示。能分辨出人和机器的概率小于50%Turing测试存在的问题测试存在的问题 仅反映了结果的比较，没涉及思维过程仅反映了结果的比较，没涉及思维过程 没指出是什么人没指出是什么人测试主持人测试主持人被测机器被测机器被测人被测人小于小于50%？Turing测试，测试，1950一、何谓人工智能：图灵测试 WhatisArtificialIntelligence：TheTuringTest测试主持人测试主持人被测机器被测机器被测人被测人小于小于50%？Turing测试，测试，1950一、何谓人工智能：中文屋 WhatisArtificialIntelligence：theChineseroomargument一、何谓人工智能：中文屋 WhatisArtificialIntelligence：theChineseroomargument一个对中文一窍不通的，以英语作母语的人被关闭在一只有两个通口的封闭房间中。房间里有一本用英文写成，从形式上说明中文文字句法和文法组合规则的手册，以及一大堆中文符号。房外的人不断向房间内递进用中文写成的问题。房内的人便按照手册的说明，将中文符号组合成对问题的解答，并将答案递出房间。一、何谓人工智能：中文屋 WhatisArtificialIntelligence：theChineseroomargument一、何谓人工智能：目标 WhatisArtificialIntelligence：goals远期目标远期目标 揭示人类智能的根本机理，用智能机器去模拟、延伸和揭示人类智能的根本机理，用智能机器去模拟、延伸和扩展人类的智能扩展人类的智能 涉及到脑科学、认知科学、计算机科学、系统科学、控涉及到脑科学、认知科学、计算机科学、系统科学、控制论等多种学科，并依赖于它们的共同发展制论等多种学科，并依赖于它们的共同发展近期目标近期目标 研究如何使现有的计算机更聪明，即使它能够运用知识研究如何使现有的计算机更聪明，即使它能够运用知识去处理问题，能够模拟人类的智能行为。去处理问题，能够模拟人类的智能行为。相互关系相互关系 远期目标为近期目标指明了方向远期目标为近期目标指明了方向 近期目标则为远期目标奠定了理论和技术基础近期目标则为远期目标奠定了理论和技术基础一、何谓人工智能：历史上的尝试 WhatisArtificialIntelligence：HistoricalAttemptsMary Shelley，1818年，描述了一个科学家弗兰肯斯坦创造生命的故事。Frankensteincreatesthefiend-illustrationbyBernieWrightson(1977)Frankenstein，后被改编为电影，弗兰肯斯坦人造人的故事http:/en.wikipedia.org/wiki/The_Turk一、何谓人工智能：历史上的尝试 WhatisArtificialIntelligence：HistoricalAttempts1770年,The Turk土耳其行棋傀儡http:/一、何谓人工智能：历史上的尝试 WhatisArtificialIntelligence：HistoricalAttemptsJoseph Fabers Amazing Talking Machine(1830-40s)The Euphonia（塔纳格拉雀，美声裸鼻雀）Talking Head，聊天的机器，会说话的头（聊天之脑）The EuphoniaFrom http:/www.haskins.yale.edu/haskins/HEADS/SIMULACRA/euphonia.html一、何谓人工智能：历史上的尝试 WhatisArtificialIntelligence：HistoricalAttempts1920年捷克作家卡佩克（Karel Capek）的剧本RossumS Universal Robots，罗萨姆的万能机器人。剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。Robot：机器人CHEAPLABOR.ROSSUMSROBOTS.ROBOTSFORTHETROPICS.150DOLLARSEACH.EVERYONESHOULDBUYHISOWNROBOT.DOYOUWANTTOCHEAPENYOUROUTPUT?ORDERROSSUMSROBOTS一、何谓人工智能：历史上的尝试 WhatisArtificialIntelligence：HistoricalAttempts技术发展5thc B.C.亚里士多德，演绎逻辑1642，帕斯卡，加法机1694，莱布尼兹，计算机器一、何谓人工智能：历史上的尝试 WhatisArtificialIntelligence：HistoricalAttempts技术发展1834，巴贝奇，分析机（差分机）一、何谓人工智能：历史上的尝试 WhatisArtificialIntelligence：HistoricalAttempts逻辑发展1848 布尔，逻辑运算 chocolate and nuts and mint一、何谓人工智能：计算机的发明 WhatisArtificialIntelligence：computer1945ENIACElectronicNumericalIntegratorandComputer一、何谓人工智能：计算机的发明 WhatisArtificialIntelligence：computer1949EDVACElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer一、何谓人工智能：人工智能的提出 WhatisArtificialIntelligence：A.I.AI诞生于一次历史性的聚会诞生于一次历史性的聚会时间：时间：1956年夏季年夏季地点：地点：达特莫斯达特莫斯(Dartmouth)大学大学目的：目的：为使计算机变得更为使计算机变得更“聪明聪明”，或者说使计算机具有智能，或者说使计算机具有智能发起人：发起人：麦卡锡麦卡锡(J.McCarthy），Dartmouth的年轻数学家、计算机专家，的年轻数学家、计算机专家，后为后为 MIT教授教授 明斯基明斯基(M.L.Minsky），哈佛大学数学家、神经学家，后为），哈佛大学数学家、神经学家，后为MIT教授教授 洛切斯特洛切斯特(N.Lochester)，IBM公司信息中心负责人公司信息中心负责人 香农香农(C.E.Shannon)，贝尔实验室信息部数学研究员，贝尔实验室信息部数学研究员参加人：参加人：莫尔莫尔(T.more)、塞缪尔、塞缪尔(A.L.Samuel)，IBM公司公司 塞尔夫里奇塞尔夫里奇(O.Selfridge)、索罗蒙夫、索罗蒙夫(R.Solomonff)，MIT 纽厄尔纽厄尔(A.Newell)，兰德，兰德(RAND)公司公司 西蒙西蒙(H.A.Simon)，卡内基，卡内基(Carnagie)工科大学工科大学会议结果会议结果：由麦卡锡提议正式采用了由麦卡锡提议正式采用了“Artificial Intelligence”这一术语这一术语一、何谓人工智能：早期研究 WhatisArtificialIntelligence：earlyresearchonA.I.心理学小组：心理学小组：1957年，纽厄尔、肖年，纽厄尔、肖(J.Shaw)和西蒙等人的心理学小组研制和西蒙等人的心理学小组研制了称为逻辑理论机了称为逻辑理论机(简称简称LT)的数学定理证明程序。的数学定理证明程序。1960年研制了通用问题求解程序。该程序当时可解决年研制了通用问题求解程序。该程序当时可解决11种类型的问种类型的问题，如不定积分、三角函数、代数方程、猴子摘香蕉、河内梵塔、人题，如不定积分、三角函数、代数方程、猴子摘香蕉、河内梵塔、人羊过河等。羊过河等。IBM工程小组：工程小组：1956年，塞缪尔在年，塞缪尔在IBM704计算机上研制成功了具有自计算机上研制成功了具有自学习、自组织和自适应能力的西洋跳棋程序。这个程序可以从棋谱中学习、自组织和自适应能力的西洋跳棋程序。这个程序可以从棋谱中学习，也可以在下棋过程中积累经验、提高棋艺。通过不断学习，该学习，也可以在下棋过程中积累经验、提高棋艺。通过不断学习，该程序程序1959年击败了塞缪尔本人，年击败了塞缪尔本人，1962年又击败了一个州的冠军。年又击败了一个州的冠军。MIT小组：小组：1958年，麦卡西建立了行动规划咨询系统。年，麦卡西建立了行动规划咨询系统。1960年，麦卡西又研制了人工智能语言年，麦卡西又研制了人工智能语言LISP。1961年，明斯基发表了年，明斯基发表了“走向人工智能的步骤走向人工智能的步骤”的论文，推动了人的论文，推动了人工智能的发展。工智能的发展。其他方面：其他方面：1965年，鲁宾逊年，鲁宾逊(J.A.Robinson)提出了归结（消解）原理。提出了归结（消解）原理。1965年，费根鲍姆开始研究化学专家系统年，费根鲍姆开始研究化学专家系统DENDRAL。一、何谓人工智能：挫折 WhatisArtificialIntelligence：frustration失败的预言：失败的预言：60年代初，西蒙预言：年代初，西蒙预言：10年内计算机将成为世界冠军、将证明一个年内计算机将成为世界冠军、将证明一个未发现的数学定理、将能谱写出具有优秀作曲家水平的乐曲、大多数未发现的数学定理、将能谱写出具有优秀作曲家水平的乐曲、大多数心理学理论将在计算机上形成。心理学理论将在计算机上形成。挫折和教训挫折和教训在博弈方面，在博弈方面，塞缪尔的下棋程序在与世界冠军对弈时，塞缪尔的下棋程序在与世界冠军对弈时，5局败了局败了4局。局。在定理证明方面，在定理证明方面，发现鲁宾逊归结法的能力有限。当用归结原理证发现鲁宾逊归结法的能力有限。当用归结原理证明两个连续函数之和还是连续函数时，推了明两个连续函数之和还是连续函数时，推了10万步也没证出结果。万步也没证出结果。在问题求解方面，在问题求解方面，对于不良结构，会产生组合爆炸问题。对于不良结构，会产生组合爆炸问题。在机器翻译方面，在机器翻译方面，发现并不那么简单，甚至会闹出笑话。例如，把发现并不那么简单，甚至会闹出笑话。例如，把“心有余而力不足心有余而力不足”的英语句子翻译成俄语，再的英语句子翻译成俄语，再翻译回来时竟变成了翻译回来时竟变成了“酒是好的，肉变质了酒是好的，肉变质了”在神经生理学方面，在神经生理学方面，研究发现人脑有研究发现人脑有1011-12以上的神经元，在现有技以上的神经元，在现有技术条件下用机器从结构上模拟人脑是根本不可能的。术条件下用机器从结构上模拟人脑是根本不可能的。在其它方面，在其它方面，人工智能也遇到了不少问题。在英国，剑桥大学的詹人工智能也遇到了不少问题。在英国，剑桥大学的詹姆教授指责姆教授指责“人工智能研究不是骗局，也是庸人自扰人工智能研究不是骗局，也是庸人自扰”。从此，形势。从此，形势急转直下，在全世界范围内人工智能研究陷入困境、落入低谷。急转直下，在全世界范围内人工智能研究陷入困境、落入低谷。一、何谓人工智能：以知识为中心的研究 WhatisArtificialIntelligence：knowledge-orientedresearches以知识为中心的研究：以知识为中心的研究：专家系统专家系统实现了人工智能从理论研究走向实际应用，从一般思维规实现了人工智能从理论研究走向实际应用，从一般思维规律探讨走向专门知识运用的重大突破，是律探讨走向专门知识运用的重大突破，是AI发展史上的一次重要转折。发展史上的一次重要转折。1972年，费根鲍姆开始研究年，费根鲍姆开始研究MYCIN专家系统，并于专家系统，并于1976年研制成年研制成功。从应用角度看，它能协助内科医生诊断细菌感染疾病，并提供最功。从应用角度看，它能协助内科医生诊断细菌感染疾病，并提供最佳处方。从技术角度看，他解决了知识表示、不精确推理、搜索策略、佳处方。从技术角度看，他解决了知识表示、不精确推理、搜索策略、人机联系、知识获取及专家系统基本结构等一系列重大技术问题。人机联系、知识获取及专家系统基本结构等一系列重大技术问题。1976年，斯坦福大学的杜达年，斯坦福大学的杜达(R.D.Duda)等人开始研制地质勘探专家等人开始研制地质勘探专家系统系统PROSPECTOR 这一时期，与专家系统同时发展的重要领域还有计算机视觉和机器这一时期，与专家系统同时发展的重要领域还有计算机视觉和机器人，自然语言理解与机器翻译等。人，自然语言理解与机器翻译等。新的问题：新的问题：专家系统本身所存在的应用领域狭窄、缺乏常识性知识、知识获取专家系统本身所存在的应用领域狭窄、缺乏常识性知识、知识获取困难、推理方法单一、没有分布式功能、不能访问现存数据库等问题困难、推理方法单一、没有分布式功能、不能访问现存数据库等问题被逐渐暴露出来。被逐渐暴露出来。一、何谓人工智能：从学派分立到综合 WhatisArtificialIntelligence：synthesis20世纪世纪80年代到本世纪初人工智能研究形成了三大学派：年代到本世纪初人工智能研究形成了三大学派：随着人工神经网络的再度兴起和布鲁克（随着人工神经网络的再度兴起和布鲁克（R.A.Brooks）的机器虫的）的机器虫的出现，人工智能研究形成了符号主义、连接主义和行为主义三大学派。出现，人工智能研究形成了符号主义、连接主义和行为主义三大学派。符号主义学派符号主义学派是指基于符号运算的人工智能学派，他们认为知识可以用符号来表是指基于符号运算的人工智能学派，他们认为知识可以用符号来表示，认知可以通过符号运算来实现。例如，专家系统等。示，认知可以通过符号运算来实现。例如，专家系统等。连接主义学派连接主义学派是指神经网络学派，在神经网络方面，继鲁梅尔哈特研制出是指神经网络学派，在神经网络方面，继鲁梅尔哈特研制出BP网络网络之后，之后，1987年，首届国际人工神经网络学术大会在美国的圣迭戈年，首届国际人工神经网络学术大会在美国的圣迭戈（San-Diego）举行，掀起了人工神经网络的第二次高潮。之后，随着）举行，掀起了人工神经网络的第二次高潮。之后，随着模糊逻辑和进化计算的逐步成熟，又形成了模糊逻辑和进化计算的逐步成熟，又形成了“计算智能计算智能”这个统一的这个统一的学科范畴。学科范畴。行为主义学派行为主义学派是指进化主义学派，在行为模拟方面，麻省理工学院的布鲁克教授是指进化主义学派，在行为模拟方面，麻省理工学院的布鲁克教授1991年研制成功了能在未知的动态环境中漫游的有年研制成功了能在未知的动态环境中漫游的有6条腿的机器虫。条腿的机器虫。三大学派的综合集成三大学派的综合集成随着研究和应用的深入，人们又逐步认识到，三个学派各有所长，随着研究和应用的深入，人们又逐步认识到，三个学派各有所长，各有所短，应相互结合、取长补短，综合集成。各有所短，应相互结合、取长补短，综合集成。一、何谓人工智能：智能科学技术 WhatisArtificialIntelligence：intelligentscienceandtechnology本世纪初以来本世纪初以来：一个以人工智能为核心，以自然智能、人工智能、集成智能一个以人工智能为核心，以自然智能、人工智能、集成智能为一体的新的智能科学技术学科正在逐步兴起，并引起了人为一体的新的智能科学技术学科正在逐步兴起，并引起了人们的极大关注。们的极大关注。该学科研究的主要特征包括以下几个方面：该学科研究的主要特征包括以下几个方面：(1)由对人工智能的单一研究走向以自然智能、人工智能、由对人工智能的单一研究走向以自然智能、人工智能、集成智能为一体的协同研究；集成智能为一体的协同研究；(2)由人工智能学科的独立研究走向重视与脑科学、认知由人工智能学科的独立研究走向重视与脑科学、认知科学、等学科的交叉研究；科学、等学科的交叉研究；(3)由多个不同学派的独立研究走向多学派的综合研究；由多个不同学派的独立研究走向多学派的综合研究；(4)由对个体、集中智能的研究走向对群体、分布智能的由对个体、集中智能的研究走向对群体、分布智能的研究。研究。