ArtificialIntelligence(第11章人工智能).ppt

Chapter11ArtificialIntelligence,人工智能,刘志明SoftwareEngineeringLabE-Mail:nhdxlzm,中英术语表,Agent：智能体,对环境的刺激作出响应的装置Perception：感知Imitation：模仿Robots：机器人Game：博弈Eight-puzzle:八数码游戏Turingtest：图灵测试Imageprocessing：图像处理Informationretrieval：信息检索Expertsystem：专家系统SymbolicComputation：符号计算LanguageProcessing：语言处理Artificialneuralnetworks：人工神经网络,剧情介绍,CybertronicsManufacturing公司制造了第一个具有感情的机器人：大卫David作为第一个被输入情感程序的机器男孩，大卫是这个公司的员工和他的妻子的一个试验品，他们夫妻俩收养了大卫。而他们自己的孩子却最终因病被冷冻起来，以期待有朝一日，有一种能治疗这种病的方法会出现。尽管大卫逐渐成了他们的孩子，拥有了所有的爱，成为了家庭的一员。但是，一系列意想不到的事件的发生，使得大卫的生活无法进行下去。人类与机器最终都无法接受他，大卫只有唯一的一个伙伴机器泰迪(Teddy)-他的超级玩具泰迪熊，也是他的保护者。大卫开始踏上了旅程，去寻找真正属于自己的地方。他发现在那个世界中，机器人和机器之间的差距是那么的巨大，又是那么的脆弱。他要找寻自我、探索人性，成为一个真正意义上的人.,人工智能（AI）的应用之一,（1）机器人（Robots）,“木牛流马”三国诸葛亮,指南车东汉张衡,机器人定义与分类,机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。分类：工业机器人、服务机器人、水下机器人、机器人警察、军用机器人、娱乐机器人、航天机器人.,焊接机器人,弧焊机器人,120公斤点焊机器人:以红旗车身焊装生产线为应用背景,流水线机器人,CR-02：1995年8月，中科院沈阳自动化所、哈工大等单位联合研制，对洋底微地形地貌进行探测和对洋底地形的跟踪能力和爬坡。项目组研制了“CR-02”半物理数字虚拟仿真平台，测深侧扫声纳系统等。,水下6000米无缆自治机器人,嫦娥一号登月车模型,航天机器人：月球车,美国阿波罗,退役治理中的辐射强度数据采集及现场环境三维重建,通过装载有像机（或测试仪）和数字像机的自主机器人，测量退役核设施剂量分布，采集核设施实景图像，记录采集点的世界坐标，构建核设施辐射强度分布图和现场三维图。,中国智能机器人网：http:/www.e-,日本本田公司展示最新研制的“Asimo”智能机器人,（2）Game博弈（IBM沃森）,2011年2月14日，IBM的“沃森”超级计算机将正式登上美国最受欢迎的智力问答节目危险边缘(Jeopardy)，挑战该节目的两名总冠军肯-詹宁斯和布拉德-鲁特尔，实现有史以来首次人机智力问答对决，并赢取高达100万美元的奖金。“沃森”是按IBM的创始人托马斯沃森”(Watson)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。,深度问答项目（DeepQA）：问：“当(哥伦比亚广播公司)60分钟节目首次播出时，当时的美国总统是谁？对于计算机来说，这是一个相当复杂的问题。它首先必须要理解首次播出是什么意思，以及与首次播出相关的日期。其次，它必须要弄清楚具体的60分钟节目首次播出的日期。然后，它才能搜索到当时的美国总统是谁。简而言之，它需要大量的上下文联系，然后交由两个不同的搜索模块，一是搜索日期，一是搜索总统。当沃森得到一个可能答案的列表时，它必须要计算出哪一个最有信心符合标准。所有这些步骤都发生于3秒之内。”,（2）Game博弈,国际象棋、跳棋、五子棋、中国象棋IBM的“深蓝”和“小深”VS国际象棋世界冠军卡斯派罗夫1997年5月12日2胜1负3平，总比分3.5:2.52003年1月26日1胜1负4平，平局深蓝技术指标:32个CPU，每个CPU有12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。“在某些类型的局面里，电脑看得如此之深以致它弈得象上帝。”加里卡斯帕罗夫AI成功的标志之一，计算机可以有智能；计算机要完全战胜人类象棋大师并非易事。问题求解：搜索解答空间，寻找较优解答。,计算机博弈：,（3）人工生命（ArtificialLife）,“晓媛的鱼”：1996年获国际计算学会ACM最佳博士论文奖，论文题目“人工动物的计算机动画”(artificialanimalsforcomputeranimation:biomechanics,locomotion,perceptionandbehavior)。ACM（AssociationofComputingMachinery）：计算机科学领域的国际性权威学术机构，颁发“图灵奖”、“最佳博士论文奖”等奖励。涂晓媛，1989年毕业于清华大学自动化系，1996年：加拿大多伦多大学获博士学位，目前是intel公司的图形研究小组的专家，出版人工鱼计算机动画的人工生命方法。,（4）信息检索（Informationretrieval）,网络爬虫（Spider）：WebCrawler，是一个沿着链接漫游Web文档集合的程序。原理：假定从一家门户网站的首页出发，先下载这个网页，然后分析这个网页，找到所有超链接，也就知道了这家网站首页所直接连接的全部网页，诸如雅虎邮件、雅虎财经、雅虎新闻等。接下来，访问、下载并分析这家网站的邮件等网页，又能找到其他相连的网页。如此循环，就下载整个互联网。在网络爬虫中，使用一个称为“哈希表”(HashTable)的列表而不是一个记事本纪录网页是否下载过的信息。,何谓人工智能:Turing测试,测试主持人,被测机器,被测人,小于50%？,Turing测试,能分辨出人和机器的概率小于50%，图灵预测，2000年之前计算机有30%的概率蒙骗一个普通人达5分钟。,图灵测试对计算机的要求,自然语言处理知识表示自动推理机器学习完全图灵测试计算机视觉机器人技术,阿伦.图灵(AlanM.Turing),图灵是英国著名的数学家和逻辑学家，被称为计算机科学之父、人工智能之父，是计算机逻辑的奠基者，提出了“图灵机”和“图灵测试”等重要概念。ACM在1966年纪念计算机诞生20周年(世界第一台电子计算机ENIAC)的时候,决定设立一个奖项,称为”图灵奖”,以纪念奠定了现代计算机理论和模型的伟大科学家,这个奖被认为是计算机学科的诺贝尔奖.,图灵奖获得者（AI）,华裔图灵奖得主：姚期智,姚期智，1946年出生，2000年图灵奖得主，是目前唯一一位获得此奖项的华人及亚洲人。目前是清华大学理论计算机科学研究中心教授及香港中文大学博文讲座教授。曾获得美国工业与应用数学学会波利亞奖（PlyaPrize），美国计算机协会算法与计算理论分会（ACMSIGACT）高德纳奖（DonaldE.KnuthPrize）等荣誉。2000年，因为姚期智对计算理论，包括伪随机数生成，密码学与通信复杂度的诸多贡献，美国计算机协会（ACM）授予他该年度的图灵奖。2007年3月29日，姚期智领导成立了清华大学理论计算机科学研究中心。主页：,ArtificialIntelligence学科,人工智能是一门广泛的交叉和前沿科学，从1956年正式提出人工智能学科算起，已有40多年历史。目前人工智能在发展过程中既有突破但也面临很大的困难研究目标：计算机VS人脑人脑可以通过自学习、自组织、自适应来不断提高信息处理能力；而存储程序式计算机的所有能力都是人们通过编制程序赋予它的，与人脑相比是机械的、死板的和无法自我提高的。,AI学科位置,AI是一门新兴的边缘学科，是自然科学与社会科学的交叉学科AI的交叉包括：逻辑、思维、生理、心理、计算机、电子、语言、自动化、光、声等AI的核心是思维与智能，构成了自己独特的学科体系AI的基础学科包括：数学（离散、模糊）、思维科学（认知心理、逻辑思维学、形象思维学）和计算机（硬件、软件）等,AIRelatedFields,Philosophy,ArtificialIntelligence,ComputerScience,Linguistics,Psychology,Biology,Mathematics,语言学,哲学,心理学,智能科学与技术本科专业,专业智能科学技术专业是一个多学科交叉的跨应用领域的新专业。国内智能科学与技术本科教育的现状自2004年北京大学申报的“智能科学与技术”本科专业经教育部正式批准以来，截至2007年底，国内已有北京大学、北京邮电大学、南开大学、西安电子科技大学、首都师范大学、武汉工程大学、西安邮电学院、北京信息工程学院、北京科技大学、厦门大学、湖南大学、河北工业大学，桂林电子科技大学共13所院校经教育部批准，正式设立“智能科学与技术”本科专业。,人工智能基本内容,人工智能基本概念、方法和技术基本技术：知识表示、推理、搜索、规划人工智能的主要研究、应用领域机器感知：机器视觉；机器听觉；自然语言理解；机器翻译机器思维：机器推理机器学习：符号学习；连接学习机器行为：智能控制智能机器：智能机器人；机器智能智能应用：博弈；自动定理证明；自动程序设计；专家系统；智能决策；智能检索；智能CAD；智能CAI；智能交通；智能电力；智能产品；智能建筑等人工智能新技术计算智能：神经计算；模糊计算；进化计算；自然计算人工生命：人工脑；细胞自动机分布智能：多Agent,群体智能数据挖掘：知识发现；数据挖掘,人工智能应用1SymbolicComputation符号计算,符号计算：又称代数运算,是一种智能化的计算,处理的是符号。符号可以代表整数、有理数、实数和复数,也可以代表多项式,函数,集合等。可以进行符号计算的计算机软件系统,计算机代数系统软件：Mathematica和Maple。计算机代数系统能进行大规模的代数运算。通常用笔和纸进行代数运算只能处理符号较少的算式,当算式的符号上升到百位数后,手工计算就很困难了,这时用计算机代数系统进行运算就可以做到准确,快捷,有效。,2PatternRecognition模式识别,模式识别是通过计算机用数学技术方法来研究模式的自动处理和判读,把环境与客体统称为“模式”，用计算机实现模式（文字、声音、人物、物体等）的自动识别。常用的有光学信息（通过视觉器官来获得）和声学信息（通过听觉器官来获得）的识别。代表性产品：光学字符识别系统(OpticalCharacterRecognition，OCR)、语音识别系统等。计算机识别的特点是速度快、准确性和效率高。“汉字识别”：将汉字图象进行处理，抽取主要表达特征并将其特征与汉字的代码存在计算机中。就象把老师教我们这个字叫什么、如何写的知识记忆在大脑中。这一过程叫做“训练”。识别过程就是将输入的汉字图像经处理后与计算机中所保存的全部汉字进行比较，找出最相近的字作为识别结果。语音识别就是让计算机能听懂人说的话，如七国语言（英、日、意、韩、法、德、中）口语自动翻译系统。,3ExpertSystem专家系统,专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统内部含有大量的某个领域的专家水平的知识与经验，能够运用人类专家的知识和解决问题的方法进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，来解决该领域的复杂问题。例如血液凝结疾病诊断系统、电话电缆维护专家系统、花布图案设计和花布印染专家系统等等。,专家系统结构,专家系统是一种基于知识的智能系统，为了实现专家系统，必须要存储有该专门领域中经过事先总结、分析并按某种模式表示的专家知识(组成知识库)，以及拥有类似于领域专家解决实际问题的推理机制(构成推理机)。系统能对输入信息进行处理，并运用知识进行推理，做出决策和判断，其解决问题的水平达到或接近专家的水平，因此能起到专家或专家助手的作用。随着计算网络、多Agent、计算智能等技术的发展，出现了模糊专家系统、神经网络专家系统、基于Web的专家系统、协同式专家系统和分布式专家系统等。,中医专家系统,中医专家系统是在严格筛选古今临床医家切实有效经验的基础上编制成数字化的数据库，遵循中医辨证施治原理，再现古代名医的诊治特点，让一般的中医医生，有一个高级助手，医生借助该系统，让患者真正体验到中医高水平的治疗。,4MachineTranslation机器翻译,机器翻译是利用计算机把一种自然语言转变成另一种自然语言的过程，完成这一过程的软件系统叫机器翻译系统。目前，国内的机器翻译软件大致分为三类：词典翻译类、汉化翻译类和专业翻译类。词典类翻译软件：金山词霸；汉化翻译软件：东方快车；专业翻译系统：“译星”、“雅信译霸”,5人工智能思想的应用：在家里寻找外星人,“在家里寻找外星人”（SETIhome）项目：利用人工智能的神经网络和网格计算思想的一个成功案例。SETIhome是SearchforExtraTerrestrialIntelligenceatHome的缩写，意为：在家里寻找外星文明。该项目由美国行星学会和美国加州大学伯克利分校于1999年5月17日开始启动，它利用特定的PC机屏幕保护程序，来调用全球上网的个人计算机的闲置能力，分析世界上最大的射电望远镜获得的数据，帮助科学家探索外星生物。其计算模式的实质就是网格计算。SETIhome项目的大致流程是这样的：1.政府或者研究部门将一项需要巨大运算量的任务以程序和数据的形式提交给服务器。2.服务器将数据和程序代码分成更小的部分，也称“子任务”。3.在志愿者的PC机上安装一种特殊的客户程序（事实上是一个屏幕保护程序），它能自动同服务器联络，自动下载和处理子任务。4.子任务处理完后的结果被送回服务器。然后，客户程序下载新的子任务，继续处理。5.一旦所有的子任务处理完毕，服务器就将各种结果汇总，生成最后的报告，并把最终结果发回提交人。,计算机科学典型课题,计算机程序能做什么及不能做什么（可计算性）如何使程序更高效的运行（算法和复杂性理论）程序应该如何存取不同类型的数据（数据结构和数据库）程序如何显得更具有智能（人工智能）人类如何与程序有效沟通（人机互动和人机界面）图灵奖与人工智能计算机科学技术发展趋势之一是智能化基于网络(普适计算)并行化智能化（以知识为中心）人性化,图11-2八数码游戏装置：APuzzle-SolvingMachine,夹具,摄像机,指杆,橡皮头,（1）UnderstandingImages图像识别-智能体感知（AgentPerception）,Imageprocessing图像处理标识特征Identifyingcharacteristics字符识别：几何特征匹配Edgeenhancement轮廓加强：边界线清晰Regionfinding区域查找：标识具有共同的亮度、颜色、纹理的区域黑白电影上彩（人）Smoothing滤波：图像缺陷去除，可能导致重要信息丢失Imageanalysis图像分析特征理解Understandingwhatthesecharacteristicsmean,（2）LanguageProcessing语言处理,人工智能语言特点：具有符号处理能力（即非数值处理能力）；适合于结构化程序设计，编程容易；具有递归功能和回溯功能；具有人机交互能力；适合于推理；既有把过程与说明式数据结构混合起来的能力，又有辨别数据、确定控制的模式匹配机制。典型的人工智能语言：LISP、Prolog、Smaltalk、C+等语言处理：编译器（语法分析、语义分析、上下文分析）,例谁是john的朋友？（TurboProlog2.0）,predicates/*谓词段，对要用的谓词名和参数进行说明*/likes(symbol,symbol)friend(symbol,symbol)clauses/*子句段，存放所有的事实和规则*/likes(bell,sports)./*前4行是事实*/likes(mary,music).likes(mary,sports).likes(jane,smith).friend(john,X):-likes(X,sports),likes(X,music)./*规则*/运行，如输入目标：friend(john,X)即询问john的朋友是谁，运行结果为：X=mary（mary是john的朋友）1Solution（得到了一个结果）,（3）Reasoning推理（产生式系统）-数码问题求解过程,状态空间就是问题全部可能的状态考虑8数码问题的状态空间（布局）:用8个数字的位置来表示状态,=9！,Portion（部分）ofthe8-PuzzlesStateGraph,产生式集合（规则、移动）,产生式：在应用环境中的一个操作，并使系统从一个状态转移到另一个状态。用空格的移动表示操作：LeftRightUpDown移动条件：一个方块每次移动的条件是其相邻的位置必须要有空位。,Left,Right,Up,Down,Up,Down,移动规则定义,控制程序,控制程序：从开始状态变换到目标状态的逻辑组成。每一步都要决定，在满足先决条件的那些产生式中，下一步该执行哪一个。8数码游戏：给定一个特定状态，在空位旁会有几个方块，因而存在几个可用的产生式，控制程序必须决定移动哪一个方块。状态处理瓶颈：每一步可能状态的数量，穷举法。如象棋38种可能的棋子走法，走棋方式总数是10的150次方，这么多的可能性即使计算到地球毁灭也计算不出一步棋的走法。,ASampleSearchTree,控制：启发式（Heuristic）,测算每个方块离其终点的距离，并把这些值加起来得到一个量。如一个直接邻近其终点的方块可伴有距离值1，而一个角与其终点方块相接触的方块可伴有距离值2。如方块2/5/8为1，方块3/6为2。,Heuristicvalue:7(sumofdistances),AHeuristicAlgorithm启发式算法,Summary小结,其它人工智能方法和应用：人工神经网络、仿生学（蚁群算法、遗传算法）、自然语言处理研究的不足：世界的复杂性、计算能力的局限性、理论的突破道德问题：如人工智能电影所描述的结果.,AI参考资源,1、人工智能（上、下册）,陆汝钤,科学出版社，19962、高级人工智能，史忠植,科学出版社，19983、多Agent系统引论，MWooldridge著,石纯一译，电子工业出版社，20034、ArtificialIntelligenceAModernApproach,SRussel,人民邮电出版社，20025、美国人工智能协会(AmericanAssociationforArtificialIntelligence网址：http:/www.aaai.org/）6、人工智能研究者俱乐部（网址：,本章实验安排,下棋程序研习（课外）解析常用软件，如QQ、网页游戏及日常生活动遇到的人工智能技术（课外）,