76人工智能原理及其應(yīng)用.pptx

1、人工智能原理及其應(yīng)用Artificial Intelligence （AI）人工智能是一門廣泛的交叉和前沿科學(xué)，從1956年正式提出人工智能學(xué)科算起，已有40多年歷史。目前人工智能在發(fā)展過程中既有突破但也面臨很大的困難1第一章 人工智能概述研究目標(biāo)研究應(yīng)用領(lǐng)域人工智能的特點人工智能的簡單發(fā)展史2第一章 人工智能概述一、研究目標(biāo)計算機(jī)與人腦（硅腦與碳腦） 人腦可以通過自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)來不斷提高信息處理能力；而存儲程序式計算機(jī)的所有能力都是人們通過編制程序賦予它的，與人腦相比是機(jī)械的、死板的和無法自我提高的。3第一章 人工智能概述人工智能的定義什么是智能 “智能”一詞可以用作名詞，也可以用作

2、形容詞。 哲學(xué)和科學(xué)4第一章 人工智能概述智能科學(xué) 人工智能 人的智能智能機(jī)腦模型腦科學(xué)思維科學(xué)（工程技術(shù)途徑）（生命科學(xué)途徑）智能：感知、思維、行為知識：獲取、處理、運用5第一章 人工智能概述人工智能 強(qiáng)定義： 可以讓機(jī)器THINKING 、ACTING LIKE HUMAN ；（遠(yuǎn)期目標(biāo)） 弱定義： 讓計算機(jī)成為有效的TOOLS FOR SIMULATING AND MODELING HUMAN THINKING AND HUMAN ACTIVITIES；（近期目標(biāo)）6第一章 人工智能概述 AI是探討HUMAN THINKING AND HUMAN ACTIVITIES中那些尚未算法化的功

3、能行為。7第一章 人工智能概述不同流派符號主義 源于數(shù)學(xué)邏輯，最早采用“人工智能”這一術(shù)語，后來又發(fā)展了啟發(fā)式算法-專家系統(tǒng)-知識工程理論與技術(shù)，其重要應(yīng)用是專家系統(tǒng)。主流學(xué)派。 連接主義 起源于仿生學(xué)，特別是人腦模型的研究。從神經(jīng)元開始進(jìn)而研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和腦模型，目前比較熱門。8第一章 人工智能概述行為主義 源于控制論。早期的研究工作重點是模擬人在控制過程中的智能行為和作用，后來偏重于智能控制和智能機(jī)器人系統(tǒng)的研究。代表作是布魯克斯(Brooks)的六足機(jī)器人。 9第一章 人工智能概述二、研究應(yīng)用領(lǐng)域理論研究自然智能理論 對智能的產(chǎn)生、形成和工作的機(jī)制的直接研究 人工智能理論 研究如何用人

4、工的方法模擬、延伸和擴(kuò)展智能 10第一章 人工智能概述 自然智能理論并沒有搞清一些基本智能活動的機(jī)制和結(jié)構(gòu)，總體進(jìn)展十分有限。因而人工智能理論的主流已經(jīng)從結(jié)構(gòu)模擬的道路走向了功能實現(xiàn)的道路。 廣義的人工智能理論包含基于符號推理的經(jīng)典人工智能，也包含基于結(jié)構(gòu)演化的計算智能，還包含模式識別等其他智能理論。 11第一章 人工智能概述經(jīng)典人工智能 應(yīng)用符號邏輯的方法模擬人的問題求解、推理、學(xué)習(xí)等方面能力。知識表示、知識獲取、知識利用是經(jīng)典人工智能理論的研究重點。 計算智能 以生物進(jìn)化的觀點認(rèn)識和模擬智能。主要方法有：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。12第一章 人工智能概述其他智能理論 如數(shù)據(jù)采掘和知識發(fā)現(xiàn)、

5、以智能體概念為核心的分布式人工智能、模式識別等。 13第一章 人工智能概述人工智能的DNA？ Nilsson,1974知識的模型化和表示；常識性推理、演繹和問題求解；啟發(fā)式搜索；人工智能系統(tǒng)和語言。 14第一章 人工智能概述 我們認(rèn)為，一般來說，人工智能可以分為三個基礎(chǔ)性領(lǐng)域：知識表示。研究各種適合在計算機(jī)上表示各類知識的形式化方法，求解問題需要的各種知識，概括起來分為三類：敘述性知識、過程性知識、控制性知識。 知識獲取。包括推理技術(shù)、啟發(fā)式搜索技術(shù)、類比推理技術(shù)等等。主要研究各種問題的求解規(guī)律，設(shè)計可機(jī)械地執(zhí)行的智能算子用以實現(xiàn)問題求解過程。 15第一章 人工智能概述知識應(yīng)用。研究如何把各種

6、有關(guān)的知識組織成一個有效的問題求解系統(tǒng)，以便在計算機(jī)中實現(xiàn)問題的自動解決。包括人工智能語言和人工智能應(yīng)用系統(tǒng)。 16第一章 人工智能概述應(yīng)用領(lǐng)域 問題求解、邏輯推理與定理證明、自然語言理解、自動程序設(shè)計、專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人學(xué)、模式識別、機(jī)器視覺、智能控制、智能檢索、智能調(diào)度指揮等。（p1218） 17第一章 人工智能概述三、人工智能的特點人工的智能：使計算機(jī)具有和人相類似的，對事件和環(huán)境的反應(yīng)和行動的理性反映能力。研究如何用計算機(jī)解決需要人的復(fù)雜智慧才能解決的問題；難解問題的近似解決算法 。研究方法的是：邏輯，數(shù)學(xué)和工程方法。18第一章 人工智能概述困難：知識的復(fù)雜性;

7、表達(dá)不完整知識; 推理的時空爆炸性; 學(xué)習(xí); 規(guī)劃; 多主體通信等。沒有可靠的理論。 19第一章 人工智能概述四、人工智能的簡單發(fā)展史孕育期（1956年前） 圖靈測試 馮.諾依曼 ENIAC 維納 香農(nóng)20第一章 人工智能概述輝煌期（1956至1965年） 1956年夏季，在美國的達(dá)特茅斯Dartmouth大學(xué)，麥卡錫（MacCarthy） 、明斯基（Minsky）、朗徹斯特（Lochester ）、香農(nóng) （Shannon） 低潮期（1965至1977） 組合爆炸迅速地吞噬掉計算機(jī)的有限資源。21第一章 人工智能概述知識期（1977至1990） 美國斯坦福大學(xué)的費根鮑姆（Feigenbaum）

8、第一個專家系統(tǒng)DENDRAL ；1977年，知識工程（Knowledge Engineering）的概念 。知識是人類智慧的源泉。人工智能系統(tǒng)應(yīng)該是一個知識信息處理系統(tǒng)。 1990年至今：又一個低潮期 樂觀派和反對派 挑戰(zhàn)22第二章 知識表示 知識是一切智能行為的基礎(chǔ)。知識表示方法是人工智能的中心內(nèi)容之一。知識、知識表示的概念各種知識表示方法及其特點 1、狀態(tài)空間法 2、謂詞表示法 3、產(chǎn)生式表示法 4、語義網(wǎng)絡(luò)法 5、框架表示法 6、腳本表示法 7、過程表示法 8、面向?qū)ο蟊硎痉?3第二章 知識表示問題的解答 搜索 表示方法步驟：定義問題分析問題選擇最佳技術(shù)求解24第二章 知識表示一、知識的

9、概念知識的定義 知識是對信息進(jìn)行智能性加工所形成的對客觀世界規(guī)律性的認(rèn)識。也可以把有關(guān)信息關(guān)聯(lián)在一起所形成的信息結(jié)構(gòu)稱為知識。知識的屬性 真假性與相對性、不確定性、矛盾性和相容性、可表示性與可利用性25第二章 知識表示知識的類型按知識的性質(zhì)按知識的作用范圍按知識的作用敘述性知識如問題當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)等 過程性知識如引起狀態(tài)改變的操作、算子等 控制性知識如從多個操作中選擇最佳操作的知識等 26第二章 知識表示敘述性知識、過程性知識、控制性知識例：南京 北京 by air or train27第二章 知識表示按知識的層次按知識的確定性按知識的等級按知識的結(jié)構(gòu)及表示形式28第二章 知識表示二、知識

10、表示的概念知識表示的定義 實際上就是對知識的一種描述，即用一些約定的符號把知識編碼成一組計算機(jī)可以接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。知識表示的要求 難點：知識太龐大；特征的刻劃難于精確；知識經(jīng)常變化.29第二章 知識表示 知識是一切智能行為的基礎(chǔ)。知識表示方法是人工智能的中心內(nèi)容之一。知識、知識表示的概念各種知識表示方法及其特點 1、狀態(tài)空間法 2、謂詞表示法 3、產(chǎn)生式表示法 4、語義網(wǎng)絡(luò)法 5、框架表示法 6、腳本表示法 7、過程表示法 8、面向?qū)ο蟊硎痉?0第二章 知識表示問題的解答 搜索 表示方法步驟：定義問題分析問題選擇最佳技術(shù)求解31第二章 知識表示一、知識的概念知識的定義 知識是對信息進(jìn)行智能性加

11、工所形成的對客觀世界規(guī)律性的認(rèn)識。也可以把有關(guān)信息關(guān)聯(lián)在一起所形成的信息結(jié)構(gòu)稱為知識。知識的屬性 真假性與相對性、不確定性、矛盾性和相容性、可表示性與可利用性32第二章 知識表示知識的類型按知識的性質(zhì)按知識的作用范圍按知識的作用敘述性知識如問題當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)等 過程性知識如引起狀態(tài)改變的操作、算子等 控制性知識如從多個操作中選擇最佳操作的知識等 33第二章 知識表示敘述性知識、過程性知識、控制性知識例：南京 北京 by air or train34第二章 知識表示二、知識表示的概念知識表示的定義 實際上就是對知識的一種描述，即用一些約定的符號把知識編碼成一組計算機(jī)可以接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。知識表

12、示的要求 難點：知識太龐大；特征的刻劃難于精確；知識經(jīng)常變化35第二章 知識表示表示能力可利用性可組織性與可維護(hù)性可實現(xiàn)性自然性與可理解性36第二章 知識表示知識表示觀點陳述性觀點過程性觀點37第二章 知識表示表示能力可利用性可組織性與可維護(hù)性可實現(xiàn)性自然性與可理解性38第二章 知識表示知識表示觀點陳述性觀點過程性觀點39第二章 知識表示三、知識表示方法狀態(tài)空間法(p169) 基于解答空間的問題表示和求解方法就是狀態(tài)空間法，它是以狀態(tài)和操作為基礎(chǔ)來表示和求解問題的。 狀態(tài)（state）：是為描述某類不同事物間的差別而引入的一組最少變量Sk0,Sk1,Skn的有序集合，其矢量形式如下:Sk= S

13、k0,Sk1,Skn 40第二章 知識表示 操作（算符）：使問題從一種狀態(tài)變化為另一種狀態(tài)的手段。 狀態(tài)空間：用以描述該問題的全部可能狀態(tài)及其關(guān)系。三元狀態(tài)（S,F,G）：初始狀態(tài)集合S，操作符集合F，目標(biāo)狀態(tài)集合G。 問題求解過程：用適當(dāng)?shù)摹盃顟B(tài)”及“操作”描述問題；從初始狀態(tài)出發(fā)，每次使用一個“操作” ，直到目標(biāo)狀態(tài)為止；從初始到目標(biāo)狀態(tài)所使用的算符序列就得到該問題的一個解。41第二章 知識表示例：八數(shù)碼難題（p178）283147651238476542第二章 知識表示謂詞邏輯法 一階謂詞演算是一種形式語言，其根本目的在于把數(shù)學(xué)中的邏輯論證符號化。它是命題邏輯的擴(kuò)展。邏輯基礎(chǔ) 命題：一個

14、陳述句稱為一個斷言。凡有真假意義的斷言稱為命題。 優(yōu)點：簡單、明確； 缺點：無法描述事物結(jié)構(gòu)、邏輯特征、共性。43第二章 知識表示 謂詞演算：語法和語義 問題的狀態(tài)就是一批事實，它可以用一組語句來描述。 謂詞邏輯的基本組成部分：謂詞符號、變量符號、函數(shù)符號和常量符號，并用園括弧、方括弧、花括弧和逗號隔開，以表示論域內(nèi)的關(guān)系。 44第二章 知識表示 謂詞+客體（常量變量或函數(shù)） 例：INROOM(robot,r1) MARRIED(father(li),mother(li) 謂詞與函數(shù)的區(qū)別：謂詞具有真值，而函數(shù)值是論域中的某個個體。45第二章 知識表示連詞和量詞 連詞： 真值表（p29） 量詞

15、：謂詞公式（合式公式） 項 原子謂詞公式 合式公式46第二章 知識表示自由變元和約束變元 量詞的轄域謂詞表示舉例 猴子摘香蕉問題（p35）acb47第二章 知識表示根據(jù)問題，定義所需謂詞： AT(x,y)、ONBOX、HB 其中x的個體域是 monkey,box,bannana， y的個體域是a,b,c用謂詞描述初始和目標(biāo)狀態(tài)： 初始：AT(monkey,a)、AT(box,b)、 ONBOX、 HB48第二章 知識表示 目標(biāo)： AT(monkey,c)、AT(box,c)、 ONBOX、 HB用謂詞定義引起狀態(tài)改變的操作 GOTO(u,v)、PUSHBOX(v,w)、 CLIMEBOX、GR

16、ASP 這些操作有相應(yīng)的先決條件以及動 作后的結(jié)果49第二章 知識表示應(yīng)用謂詞公式求解該問題 這里只給出結(jié)果。具體求解的方法， 可以是狀態(tài)空間搜索或是問題歸約 求解等。50第二章 知識表示謂詞邏輯表示的特點 優(yōu)點：自然、明確、精確、靈活、模塊 缺點：知識表示能力差、知識庫管理困 難、存在組合爆炸、系統(tǒng)效率低51第二章 知識表示產(chǎn)生式表示法基本組成：事實庫 它含有與具體任務(wù)有關(guān)的信息。 事實的表示：確定性知識和非確定性知識（p37）規(guī)則集 它對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作運算。 52第二章 知識表示 產(chǎn)生式規(guī)則：左部（前件）右部（后件） 與蘊含式的區(qū)別控制器 它確定應(yīng)該采用哪一條適用規(guī)則。工作過程控制系統(tǒng)規(guī)則

17、庫綜合數(shù)據(jù)庫53第二章 知識表示事實庫初始化若存在規(guī)則前提能與事實庫相匹配則轉(zhuǎn)c，否則轉(zhuǎn)e使用規(guī)則，更新事實庫事實庫是否包含解。否則轉(zhuǎn)b要求更多的關(guān)于問題的信息，更新，轉(zhuǎn)b。否則失敗。54第二章 知識表示控制策略（沖突消解）不可撤回方式 優(yōu)點：控制過程簡單 缺點：有多個解時不一定能找到最優(yōu)解。試探方式 回溯方式與圖搜索方式55第二章 知識表示系統(tǒng)分類按推理方向正向推理產(chǎn)生式系統(tǒng)逆向推理產(chǎn)生式系統(tǒng)雙向推理產(chǎn)生式系統(tǒng)按規(guī)則庫性質(zhì)及結(jié)構(gòu)可交換產(chǎn)生式系統(tǒng)可分解產(chǎn)生式系統(tǒng)可恢復(fù)產(chǎn)生式系統(tǒng)56第二章 知識表示產(chǎn)生式系統(tǒng)的特點 優(yōu)點：自然、模塊性、有效性、一致性 缺點：效率較低、不能表示結(jié)構(gòu)性知識57第二章

18、 知識表示語義網(wǎng)絡(luò)表示法概念：語義網(wǎng)絡(luò)是一種用實體及其語義關(guān)系來表達(dá)知識的有向圖。其中，結(jié)點代表實體；弧線代表結(jié)點間語義關(guān)系。語義基元：（結(jié)點1，弧，結(jié)點2） 與二元謂詞的比較 ABR58第二章 知識表示 基本語義關(guān)系：類屬關(guān)系包含關(guān)系屬性關(guān)系時間關(guān)系位置關(guān)系相近關(guān)系推論關(guān)系59第二章 知識表示事物和概念的表示（p47 ） 一元關(guān)系 二元關(guān)系 多元關(guān)系情況和動作的表示（p49） 情況的表示 事件和動作的表示60第二章 知識表示邏輯關(guān)系的表示（p51） 合取、析取（DIS）、否定(NEG)、蘊涵(ANTE/CONSE) 量化（存在量詞與全稱量詞）語義網(wǎng)絡(luò)的推理過程 值繼承的一般過程（例p50圖2-26） 匹配61第二章 知識表示語義網(wǎng)絡(luò)法的特點 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)性、聯(lián)想性、自索引性、自然性 缺點：非嚴(yán)格性、復(fù)雜性62第二章 知識表示框架表示法 用以表示某種事物的通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？蚣艿幕窘Y(jié)構(gòu)：槽、側(cè)面 . 63第二章 知識表示框架系統(tǒng) 框架之間的橫向聯(lián)系 槽值、側(cè)面值 框架之間的縱向聯(lián)系 繼承槽框架系統(tǒng)的推理 事實證據(jù) 候選框架 具體化實例 64第二章 知識表示框架表示的特點 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)性、深層性、繼承性、自然性 缺點：缺乏框架的形式理論、清晰性難以保證65第二章 知識表示腳本表示法（劇本） 它是框架的一種特殊形式，