人工智能论文_4.pdf

1 1 人工智能描述人工智能描述 人工智能 Artificial Intelligence 英文缩写为 AI 它是研究 开发用于模拟 延伸和扩展人的智能的理论 方法 技术及应用系统的一门新的技术科学 人工智能是 计算机科学的一个分支 它企图了解智能的实质 并生产出一种新的能以人类智能相似 的方式作出反应的智能机器 该领域的研究包括机器人 语言识别 图像识别 自然语 言处理和专家系统等 人工智能 一词最初是在 1956 年 Dartmouth 学会上提出的 从 那以后 研究者们发展了众多理论和原理 人工智能的概念也随之扩展 人工智能是一门 极富挑战性的科学 从事这项工作的人必须懂得计算机知识 心理学和哲学 人工智能 是包括十分广泛的科学 它由不同的领域组成 如机器学习 计算机视觉等等 总的说 来 人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的 复杂工作 但不同的时代 不同的人对这种 复杂工作 的理解是不同的 例如繁重的 科学和工程计算本来是要人脑来承担的 现在计算机不但能完成这种计算 而且能够比 人脑做得更快 更准确 因之当代人已不再把这种计算看作是 需要人类智能才能完成 的复杂任务 可见复杂工作的定义是随着时代的发展和技术的进步而变化的 人工智 能这门科学的具体目标也自然随着时代的变化而发展 它一方面不断获得新的进展 一 方面又转向更有意义 更加困难的目标 目前能够用来研究人工智能的主要物质手段以 及能够实现人工智能技术的机器就是计算机 人工智能的发展历史是和计算机科学与技 术的发展史联系在一起的 除了计算机科学以外 人工智能还涉及信息论 控制论 自 动化 仿生学 生物学 心理学 数理逻辑 语言学 医学和哲学等多门学科 人工智 能学科研究的主要内容包括 知识表示 自动推理和搜索方法 机器学习和知识获取 知识处理系统 自然语言理计算机视觉 智能机器人 自动程序设计等方 2 2 人工智能的研究发展阶段人工智能的研究发展阶段 第一阶段 50 年代人工智能的兴起和冷落 人工智能概念首次提出后 相继出现了一批 显著的成果 如机器定理证明 跳棋程序 通用问题 s 求解程序 LISP 表处理语言等 但由于消解法推理能力的有限 以及机器翻译等的失败 使人工智能走入了低谷 这一 阶段的特点是 重视问题求解的方法 忽视知识重要性 第二阶段 60 年代末到 70 年代 专家系统出现 使人工智能研究出现新高潮 DENDRAL 化学质谱分析系统 MYCIN 疾病诊断和治疗系统 PROSPECTIOR 探矿系统 Hearsay II 语音理解系统等专家系统的研究和开发 将人工智能引向了实用化 并且 1969 年成立 了 国 际 人 工 智 能 联 合 会 议 International Joint Conferences on Artificial Intelligence 即 IJCAI 第三阶段 80 年代 随着第五代计算机的研制 人工智能得到了很大发展 日本 1982 年开始了 第五代计算机研制计划 即 知识信息处理计算机系统 KIPS 其目的是 使逻辑推理达到数值运算那么快 虽然此计划最终失败 但它的开展形成了一股研究人 工智能的热潮 第四阶段 80 年代末 神经网络飞速发展 1987 年 美国召开第一次神经网络国际会 议 宣告了这一新学科的诞生 此后 各国在神经网络方面的投资逐渐增加 神经网络 迅速发展起来 第五阶段 90 年代 人工智能出现新的研究高潮 由于网络技术特别是国际互连网的技术 发展 人工智能开始由单个智能主体研究转向基于网络环境下的分布式人工智能研究 不仅研究基于同一目标的分布式问题求解 而且研究多个智能主体的多目标问题求解 将人工智能更面向实用 另外 由于 Hopfield 多层神经网络模型的提出 使人工神经网 络研究与应用出现了欣欣向荣的景象 人工智能已深入到社会生活的各个领域 3 3 目前人工智能应用目前人工智能应用 人工智能是在计算机科学 控制论 信息论 心理学 语言学等多种学科相互渗透 的基础发展起来的一门新兴边缘学科 主要研究用用机器 主要是计算机 来模仿和实 现人类的智能行为 经过几十年的发展 人工智能应用在不少领域得到发展 在我们的 日常生活和学习当中也有许多地方得到应用 本文就符号计算 模式识别 专家系统 机器翻译等方面的应用作简单介绍 籍此使读者对我们身边的人工智能应用有一个感性 的认识 1 符号计算 计算机最主要的用途之一就是科学计算 科学计算可分为两类 一类是纯数值的计算 例 如求函数的值 方程的数值解 比如天气预报 油藏模拟 航天等领域 另一类是符号计 算 又称代数运算 这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 长期以来 人们一直盼望有一个可以进行 符号计算的计算机软件系统 早在 50 年代末 人们就开始对此研究 进入 80 年代后 随着计算机的普及和人工智能的发展 相继出现了多种功能齐全的计算机代数系统软件 其中 Mathematica 和 Maple 是它们的代表 由于它们都是用 C 语言写成的 所以可以在绝 大多数计算机上使用 Mathematica 是第一个将符号运算 数值计算和图形显示很好地结 合在一起的数学软件 用户能够方便地用它进行多种形式的数学处理 计算机代数系统的优越性主要在于它能够进行大规模的代数运算 通常我们用笔和纸 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 现在符号计算软件有 一些共同的特点就是在可以进行符号运算 数值计算和图形显示等同时 还具有高效的可 编程功能 在操作界面上一般都支持交互式处理 人们通过键盘输入命令 计算机处理后 即显示结果 并且人机界面友好 命令输入方便灵活 很容易寻求帮助 尽管计算机代数系统在代替人繁琐的符号运算上有着无比的优越性 但是 计算机毕竟是 机器 它只能执行人们给它的指令 有一定的局限性 首先 多数计算机代数系统对计算 机硬件有较高的要求 在进行符号运算时 通常需要很大的内存和较长的计算时间 而精 确的代数运算以时间和空间为代价的 第二个问题是用计算机代数系统进行数值计算 虽 然计算精度可以到任意位 但由于计算机代数系统是用软件本身浮点运算代替硬件算术 运算 所以在速度要比用 Fortran 语言算同样的问题慢百倍甚至千倍 另外 虽然计算机 代数系统包含大量的数学知识 但这仅仅是数学中的一小部分 目前仍有许多数学领域未 能被计算机代数系统涉及 计算机代数系统仍在不断地发展 完善之中 2 模式识别 模式识别就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 这里 我们 把环境与客体统称为 模式 随着计算机技术的发展 人类有可能研究复杂的信息处理 过程 用计算机实现模式 文字 声音 人物 物体等 的自动识别 是开发智能机器 的一个最关键的突破口 也为人类认识自身智能提供线索 信息处理过程的一个重要形 式是生命体对环境及客体的识别 对人类来说 特别重要的是对光学信息 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 这是模式识别的两个重要方面 市场上可见到的代表性产品有光学字符识别系统 Optical Character Recognition OCR 语音识别系统等 计算机识别的显著特点是速度快 准确性和效率高 识别过程与人类的学习过程 相似 以 汉字识别 为例 首先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 这一过程叫做 匹配 语音识别就是让计算机能听懂人说的话 一个重要的例子就是七国语言 英 日 意 韩 法 德 中 口语自动翻译系统 其中 中文部分的实验平台设立在中国科学院自 动化所的模式识别国家重点实验室 这是口语翻译研究跨入世界领先水平的标志 该系 统实现后 人们出国预定旅馆 购买机票 在餐馆对话和兑换外币时 只要利用电话网 络和国际互联网 就可用手机 电话等与 老外 通话 指纹是人体的一个重要特征 具有唯一性 北京大学有关专家对数字图像的离散几何性 质进行了深入研究 建立了从指纹灰度图像精确计算纹线局部方向 进而提取指纹特征 信息的理论与算法 随后研究成功了适于民用身份鉴定的全自动指纹鉴定系统 以及适 于公安刑事侦破的指纹鉴定系统 从而开创了我国指纹自动识别系统应用的先河 北大 指纹自动识别系统的推出 使我国公安干警从指纹查对的繁重人工处理中解放出来 浙 江省从 1997 年开始使用北大指纹自动识别系统 采取省地 市 二级建库 省地 市 县三级查询的方式 形成了独特的 浙江模式 省公安厅现已建立了 100 多万人的指 纹库 是目前国内的第二大库 在 100 多万人的指纹库中 检索一枚现场指纹仅需 4 分 钟左右 2000 年浙江省用指纹自动识别系统直接破案 3063 起 连带破案 12000 多起 破 案率为全国第一 并遥遥领先于国内其它指纹识别系统 被公安部树为指纹系统建设应 用样板 这里介绍一个综合应用的例子 一汽集团公司与国防科技大学最近合作研制成功 红旗 轿车自主驾驶系统 即无人驾驶系统 它标志着我国研制高速智能汽车的能力已达 到当今世界先进水平 汽车自主驾驶技术是集模式识别 智能控制 计算机学和汽车操 纵动力学等多门学科于一体的综合性技术 代表着一个国家控制技术的水平 红旗车自 主驾驶系统采用计算机视觉导航方式 并采用仿人控制 实现了对红旗车的操纵控制 首先 摄像机将车前方的道路和车辆行驶情况输入到图像处理和图像识别系统 该系统 识别出道路状况 前方车辆的相对距离和相对车速 接着 路径规划系统根据这些信息 规划出一条合适路径 即决定如何开车 然后 路径跟踪系统根据需跟踪的路径 结合 车辆行驶状态参数和车辆驾驶动力学约束 形成控制命令 控制方向盘和油门开启机构 产生相应动作 使汽车按照规划好的路径前进 即按自主驾驶系统的规划路径前进 3 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 专家系统是人工智 能应用研究最活跃和最广泛的应用领域之一 涉及到社会各个方面 各种专家系统已遍布 各个专业领域 取得很大的成功 根据专家系统处理的问题的类型 把专家系统分为解 释型 诊断型 调试型 维修型 教育型 预测型 规划型 设计型和控制型等 10 种类 型 具体应用就很多了 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 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 开发专家系统的关键是表示和运用专家知识 即来自领域专家的己被证明对解决有关领 域内的典型问题有用的事实和过程 目前 专家系统主要采用基于规则的知识表示和推 理技术 由于领域的知识更多是不精确或不确定的 因此 不确定的知识表示与知识推 理是专家系统开发与研究的重要课题 此外 专家系统开发工具的研制发展也很迅速 这对扩大专家系统的应用范围 加快专家系统的开发过程 将起到积极地促进作用 随 着计算机科学技术整体水平的提高 分布式专家系统 协同式专家系统等新一代专家系 统的研究也发展很快 在新一代专家系统中 不但采用基于规则的推理方法 而且采用 了诸如人工神经网络的方法与技术 4 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 用以完成这一过 程的软件系统叫做机器翻译系统 几十年来 国内外许多专家 学者为机器翻译的研究 付出了大量的心血和汗水 虽然至今还没有一个实用 全面 高质量的自动翻译系统出 现 不过也取得了很大的进展 特别是作为人们的辅助翻译工具 机器翻译已经得到大 多数人的认可 目前 国内的机器翻译软件不下百种 根据这些软件的翻译特点 大致 可以分为三大类 词典翻译类 汉化翻译类和专业翻译类 词典类翻译软件代表是 金 山词霸 了 堪称是多快好省的电子词典 它可以迅速查询英文单词或词组的词义 并 提供单词的发音 为用户了解单词或词组含义提供了极大的便利 汉化翻译软件的典型 代表是 东方快车 2000 它首先提出了 智能汉化 的概念 使翻译软件的辅助翻译 作用更加明显 以 译星 雅信译霸 为代表的专业翻译系统 是面对专业或行业 用户的翻译软件 但其专业翻译的质量与人们的实用性还有不少差距 有人评价说 满 篇英文难不住 满篇中文看不懂 该说法虽然比较极端 但机译译文的质量确实却一 直是个老大难问题 这里 我们不妨对现有的机译和人译过程作一比较 从中可以看出 一些原因 机器翻译 1 一句一句处理 上下文缺乏联系 2 对源语言的分析只是求解句法关系 完全不是意义上的理解 3 缺乏领域知识 从计算机到医学 从化工到法律都通用 就换专业词典 4 译文转换是基于源语言的句法结构的 受源语言的句法结构的束缚 5 翻译只是句法结构的和词汇的机械对应 人工翻译 1 一般会先通读全文 会前后照应 2 对源语言是求得意义上的理解 3 只有专业翻译人员 而没有万能翻译人员 4 译文是基于他对源语言的理解 不受源语言的句法结构的束缚 5 翻译是一个再创造的过程 在目前的情况下 计算机辅助翻译应该是一个比较好的实际选择 事实上 在很多领域 中 计算机辅助人类工作的方式已经得到了广泛的应用 例如 CAD 软件 如果计算机辅 助技术用于语言的翻译研究 应该同样可以起到很大的辅助作用 这就是所谓的 计算 机辅助翻译 它集机器记忆式翻译 语法分析式翻译和人际交互式翻译为一体 把翻 译过程中机械 重复 琐碎的工作交给计算机来完成 这样 翻译者只需将精力集中在 创造性的思考上 有利于工作效率的提高 机器翻译研究归根结底是一个知识处理问题 它涉及到有关语言内的知识 语言间的知 识 以及语言外的世界知识 其中包括常识和相关领域的专门知识 随着因特网的普及 与发展 机器翻译的应用前景十分广阔 作为人类探索自己智能和操作知识的机制的窗 口 机器翻译的研究与应用将更加诱人 国际上有关专家分析认为机器翻译要想达到类 似人工翻译一样的流畅程度 至少还要经历 15 年时间的持续研究 但在人类对语言研究 还没有清楚 人脑是如何进行语言的模糊识别和判断 的情况下 机器翻译要想达到 100 的准确率是不可能的 4 4 人工智能研究展望人工智能研究展望 人工智能的近期研究目标在于建造智能计算机 用以代替人类从事脑力劳动 即使 现有的计算机更聪明更有用 正是根据这一近期研究目标 我们才把人工智能理解为计 算机科学的一个分支 人工智能还有它的远期研究目标 即探究人类智能和机器智能的 基本原理 研究用自动机 automata 模拟人类的思维过程和智能行为 这个长期目标远 远超出计算机科学的范畴 几乎涉及自然科学和社会科学的所有学科 在重新阐述我们的历史知识的过程中 哲学家 科学家和人工智能学家有机会努力 解决知识的模糊性以及消除知识的不一