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智能技术与系统研究进展 ProgressinResearchofIntelligentTechnology Systems刘红星2003年5月 1 智能 正在走来的时尚什么是智能 若干智能技术的原理简介智能技术与系统研究的现状智能技术与系统研究的展望结束语 2 一 智能 正在走来的时尚 3 据统计 国内2002年智能卡总发卡量达4 28亿张 总的销售金额达28 2亿元 相对2001年而言 总发行量增长33 8 智能卡按用途的种类 公用电话卡 SIM卡 公交卡 社保卡 银行卡 加油卡 工商企业卡 税务卡等 另据报道 中科院自动化研究所和一家高科技公司合作年内还将推出一种新的IC卡 指纹 卡 这种指纹卡将在银行 政府保密部门等找到用武之地 届时 去银行持卡取钱将不再怕忘记密码 智能卡 IC 4 智能发动机 天津一汽新推出一款装备了智能发动机的新款威姿轿车 CA7106型 所采用的技术 VVTI VariableValveTimingintake 即发动机根据实际需要自动调整配气正时 从而在所有速度范围内大大改善燃油经济性 减少废气排放 据测试 每百公里耗油仅4升 这一指标甚至比0 8升排量的微型汽车的油耗还低 4月14日 5 您是否有这样的梦想 夏天 在到家前几分钟 用手机打开家中空调降温 冬季 随时通过远程遥控提前启动家中独立供暖系统 睡觉前 您按一下 晚安 键 家庭主控系统会进入 晚间休息模式 此刻 家中的灯全部熄灭 窗帘落下 大门锁好 防盗报警与自动探头同时工作 它们对外防盗抢 对内为家人夜间生活服务 而今这些都已不是梦想 时尚的智能型家居可以把这些事情一一 摆平 智能小区 智能家居 3月26日 各地房产商争相打 智能 牌 内容 安保系统 远程抄表 宽带上网 电子公告等 6 2003 04 0911 04 ChinaByte 海尔集团4200万打造家电行业智能平台 商业智能 BI 据IDC提供的数据 在五年之内 商业智能市场规模将从现在的55亿美元扩大到157亿美元 一些IT服务提供商纷纷推出了自己的BI软件 如Oracle 微软 IBM公司 国内的金碟公司等均大力开发和推广BI软件 与此同时 一些商业企业 制造企业也在积极应用BI软件 为其决策提供有价值的服务 7 信息产业部通信科技委日前宣布 将于6月4日 5日召开 首届中国智能网业务研讨会 会议议题包括 智能网在电信网络发展中的地位 作用以及未来的走向 最新智能网解决方案与案例 智能网的标准化进程 智能网发展对服务器平台的新需求 智能网业务开发与推广模式 与智能网相关联的卡类业务的创新与管理等 智能网就是一种快速 灵活 方便地实现新业务的体系 它在不改变现有电信网络基本结构的条件下 通过开发集中数据库系统和集中的业务控制点 能使全网在最短的时间内以最低的代价向用户提供新业务 智能网 8 2002年11月 国家自然基金委组织21位院士级相关专家召开了 认知科学与智能信息处理 重大研究计划立项研讨会 会议认为 认知科学及智能信息处理 是我国目前迫切需要研究的重要科学问题 它具有前瞻性 交叉性 复杂性和巨大的潜在应用前景 基金委与 智能 9 2001年10月15日清华大学邀请何毓琦等6位国内外著名学者组建了 智能与网络化系统研究中心 该中心由美国哈佛大学讲座教授 美国工程院院士 中国科学院 中国工程院两院外籍院士 著名华裔科学家何毓琦教授和中国科学院 中国工程院两院院士 美国工程院外籍院士宋健教授担任首席科学家 西安交通大学特聘教授管晓宏教授担任中心主任 该中心的宗旨是在智能与网络化系统领域开展世界一流水平的科学研究 早在10年前 清华大学跨系建立了 智能技术与系统 国家重点实验室 其下设三个分室 智能图形图象处理分室 电子工程系 智能信息处理分室 自动化系 人机交互与多媒体分室 计算机系 等 清华与 智能 10 今后将针对国民经济 国家安全和科技进步的需求 集中力量优先开展国家急需的现代通信与空间信息技术 计算机体系设计和技术 电子商务与信息安全技术等方面的研究 开发和应用 加强智能信息通信与处理研究 空间信息技术研究 军事信息创新技术研究及跨学科的信息农业技术 生物医学工程研究 中国科学技术大学建设世界知名的高水平大学规划 节选 科大与 智能 11 复旦大学2002年4月成立智能信息处理开放实验室 由中科院院士陆汝钤带领一批来自国内外的科研人员在人工智能信息处理方面进行研究 复旦与 智能 12 中科院计算所在2000年12月组建 智能信息处理开放研究实验室 的基础上 又于2002年12月建立了 中俄智能信息处理联合实验室 联合实验室主要研究知识处理的数学基础和逻辑基础 研究大规模知识处理的计算模型和方法 研究大规模知识获取和管理的理论和技术 可视化与智能化人机接口技术 开发智能信息处理平台和工具等 中科院与 智能 13 智能控制 IntelligentControl 智能自动化 IntelligentAutomation 智能管理 IntelligentManagement 智能通信 IntelligentCommunication 智能CAD IntelligentCAD 智能机器人 IntelligentRobot 智能仪表 IntelligentInstrument 智能计算机 IntelligentComputer 智能网络 IntelligentNetwork 智能优化 IntelligentOptimization 智能玩具 Intelligentplaything 智能家电 IntelligentHomeElectronics 智能汽车 IntelligentAutomobile 智能材料 IntelligentMaterial 智能软件 IntelligentSoftware 智能仿真 IntelligentSimulation 智能商务 IntelligentBusiness 智能经济 IntelligentEconomy 等 智能系统工程 IntelligentSystemsEngineering 总之 智能化 是当前新技术 新产品 新产业的重要发展方向 开发策略和显著标志 14 二 什么是 智能 15 1947年 1950年英国的阿兰 图林 Turing 分别发表了 智能机器 计算机与智能 两文 提出了检验智能的一个标准 将问答双方互相隔开 问的一方为人 答的一方可以完全是计算机程序 也可以是人 如果提出的问题实际是由计算机程序来回答的 而在一定的范围内提问者又不能区分回答者是人还是机器 则可称这一机器是具有智能的 图林的检验标准不去关心机器内部如何运作 而是从 外部行为 来判断 16 人的智能 HumanIntelligence 指人在知识的获取 存储 更新等方面的杰出表现 及人在事物的判断 推理 识别等方面的杰出表现 是人有别于动物的属性 对人的智能行为的模拟产生了人工智能 模拟人智能行为的系统即为智能系统 IntelligentSystem 有关模拟人智能行为的技术即为智能技术 IntelligentTechnology 人工智能 ArtificialIntelligence 17 自适应性 adaptability 自学习性自组织性 橡皮泥 特性柔性 鲁棒性 Robustness 强壮性稳健性环境变化时能否正常工作 容错性 FaultTolerance 三大特性 泛化性 generalizationcapability 18 IC智能发动机智能网BIHP智能打印耗材 根据监测的耗材状态 自动使碳粉均匀 免摇碳粉盒 智能燃气检测仪 可与室内的抽油烟机和燃气阀门联动 一旦室内空气中燃气的含量达到一定浓度 就会报警 并自动切断气源 开启抽油烟机排出燃气 智能型灶具 使用时只要按下 煲饭 按钮 就可自动煮饭 而且灶眼还可根据水和米的量 自动调节火力 如果你是一个比较健忘的人 那么没关系 灶具会在连续使用超出一段时间 约2小时 后 自动熄火 实例分析 19 人工智能 AI 与自动化 Automation 人工智能是自动化 自动化未必是人工智能 电脑研究若达不到人工智能的水平 就跟程序控制器没什么区别了 人一步一步做的事让机器做了就是自动化 但并不是人做的事让机器做了都是人工智能 电脑 小区监视系统 20 人工智能与计算智能 机器智能 ComputationalIntelligenceMachineIntelligence ARTIFICIALINTELLIGENCE thestudyofhowtomakecomputersdothingsatwhich atthemoment peoplearebetter ElaineRich 1988 狭义的人工智能就是计算智能 图林的检验标准也是关于 计算智能 的 21 三 若干智能技术的原理简介 22 传统AI与专家系统 ES 传统AI 在宏观层面上 撇开人脑的内部结构和机制 仅从人脑外在表现出来的智能现象出发研究智能活动的规律 将知识的获取 更新 判断 推理等心理活动编制成规则 然后用计算机进行模拟 使计算机表现出智能 八十年代日本研究第五代计算机就是基于传统AI的 传统AI是属于认知科学的符号主义流派 它认识的基本元素是符号 认知过程又是用符号表示的运算 这种做法的依据 人类的语言文字均可用符号来描述 思维过程只不过是这些符号的存储 变换和输入 输出而已 传统AI实际体现了逻辑思维的基本特性 23 传统AI的前期努力把研究重点放在 寻求问题求解的通用方法 开发通用目的程序 这一努力取得了一些成果 但均难以达到实用水平 直到80年代初 AI科学家才认识到 程序智能化的关键是拥有大量的高质量的专业化知识 这一概念上的突破导致了特殊目的的智能计算机程序即专家系统的诞生 专家系统是传统AI的成功范例 建造一个专家系统的过程通常被称为 知识工程 知识工程师把一个或多个人类领域专家的知识变成规则融入系统 有了规则的系统就可以看作专家系统的原型了 完备的专家系统还包括人机接口 解释以及知识获取等功能子系统 ES的成功实例很多 如 1997年斯坦福大学研制成功的MYCIN医疗诊断系统 24 神经网络 ANN ES是成功的 但传统AI还是遇到了很大的挑战 表现在 连续的模拟信号无法直接处理 模糊信息的处理有较大的困难 程序的点滴错误可能造成不能正常执行 容错性差 从案例获取知识和更新知识的本领不强 可学习性差 噪声环境下的输入不易获得满意的解 鲁棒性差 在自然语言理解 图象模式识别 景物理解等方面显得力不从心 总之 传统AI在很多方面与人的智能无法比拟 ANN与传统AI相比是一个新的思路 属认知科学的联接主义流派 联接主义流派认为 人的大脑对符号的处理是看不见的 是不存在的 是大脑的结构决定了大脑的智能 对人脑智能的模拟不能撇开或绕开大脑的结构 ANN顾名思义 就是要人工从结构上模拟大脑以实现人工智能 它是从微观结构出发到宏观行为 25 脑科学 神经科学的研究表明 人的神经系统是由其基本元素神经细胞 神经元 相互联接而成 神经元既是信息存储的单元也是信息处理的单元 人的大脑有数不清的神经元 单个神经元简单 信息存储和处理能力有限 信息处理的速度也不快 但是整个神经网络的总体处理速度极快 神经系统是大规模的并行处理和分布式的信息存储 这与当今的冯 诺依曼计算机是截然不同的 神经系统的神经元本身和神经元间的连接强度是可变的 这使人的大脑之所以有很好的自适应性 自组织性 很强的学习功能 人的大脑通过学习把知识分布式地存储于各神经元中 表现为神经元本身的类型 参量和它们之间的连接强度的自适应变化 由于是大量神经元协同并行处理 故其容错性自然比较好 连续信号 模糊信息都可以处理 鲁棒性好 26 1943年美国心理学家McCulloch和数学家Pitts共同提出了一个神经元的数学模型 一个神经元对来自其他神经元的刺激依次在突触处和在细胞体处进行运算 首先在各突触处对其所有外部刺激进行运算 再将运算的结果作为内部刺激由树突传入细胞体做进一步处理 最后将最终响应结果由轴突输出 其数学描述如下图 该神经元模型由一个突触运算和一个细胞体运算构成 现在 突触运算模型具体有内积 距离等模型 细胞体模型具体有sigmoid purelin hardlimit等数十种模型 27 拓扑结构的模拟 前馈网络 反馈网络等 ANN的学习方法 各种BP算法 遗传算法等 28 进化计算 算法 EvolutionaryComputation EvolutionaryAlgorithms 一类模拟自然界生物进化过程的优化方法 一方面 由于 遗传变异 理论和达尔文的 自然选择 学说已被人们潜移默化地接受 成为了人们思维活动的特点之一 因此 模拟进化计算自然是人工智能 另一方面 作为一种优化方法 他可以优化各种智能系统的参数 如传统AI规则的学习和ANN权值参数的学习等 优点 并行计算 不易陷入局部最优 不必计算导数适应性广等 遗传算法GENETICALGORITHMs进化编程EVOLUTIONARYPROGRAMMING进化策略EVOLUTIONSTRATEGIEs遗传编程GENETICPROGRAMMING 29 根据问题定义目标函数和个体适应度函数在目标函数的定义空间随机给出一些点 个体 作为初始的父代群体通过对父代群体的交叉 crossover 突变 mutaion 选择 selection 等遗传操作产生新一代群体若新一代群体中有满足要求的优化解或迭代次数足够多则过程结束 否则将新一代群体置为父代群体又回到步骤3 进化计算 EC 求优的步骤 30 混沌理论 ChaosTheory 混沌理论是研究貌似无序而实际有序的复杂现象中所蕴藏规律的一门学科 早在七十年代 美国和欧洲的一些科学家 在生物脑神经系统中 从微观的神经膜电位到宏观的脑电波中都观察到了混沌的性态 证明混沌是神经系统的正常特性 九十年代开始 人们则更进一步将混沌和神经网络结合起来 提出了多种混沌神经网络模型 经过试验 由混沌神经网络模型所绘出的输出图形和脑电图极为相似 混沌理论的深入研究 有望提出新的神经计算模型或改进现有计算模型 31 模糊集理论 FuzzySets 1965年Zadeh提出了模糊集理论 它是经典集合理论的一种推广 在经典集合理论中 一个元素或者属于一个集合或者不属于一个集合 是一个二值逻辑 在模糊集合理论中 一个元素以一个0到1之间的一个数 即隶属度 表示隶属于一个集合或不隶属于一个集合 不是二值逻辑 是经典集合的推广 日常的不准确语言很多都是模糊集 如天热 青年等 模糊集理论 又叫模糊数学 模糊逻辑等 应用这些理论的技术称为模糊技术或模糊方法 如模糊推理 模糊控制技术等 相应的系统叫模糊系统 由于人能够存储 处理和响应模糊信息 模糊集理论和技术本身就是人工智能的一部分 模糊集理论还可以与ANN等技术结合 如输入量的模糊化或输出结果的模糊化等 32 支持向量机 SVM 92年以后才出现的一种新的人工智能智能方法 主要用于模式识别 支持向量机的基本思想可以概括为 首先通过非线性变换将输入空间变换到一个高维空间 然后在这个高维空间中求取最优线性分类面 这里的最优线性分类面只是针对输入空间个别样本点而言 这些个别样本点称为支持向量 非线性变换通过定义适当的内积函数实现 SVM也可以用于回归分析 regressionEstimation 等方面 33 数据挖掘 DataMining 知识发现 KDD KnowledgeDiscoveryinDatabase 有关从数据库 DataBase 或数据仓库 DataWarehouse 中获取知识的一类技术的总称 在该领域集中地应用着各种人工智能技术 它不是一项具体的人工智能技术 34 四 智能技术与系统研究的现状 35 各种文字输入法系统 键盘输入 手写输入 语音输入 印刷文字识别各种人体身份 生物 识别系统 指纹识别 虹膜识别 人脸识别 耳纹识别 掌纹识别 说话人语音识别等其他方面的各种系统 汽车牌照识别系统 医学诊断系统 机器人系统等等 如果说上个世纪50年代图林 智能 检验标准的提出标志着AI的诞生 那么70年代以来计算机软硬件技术的迅猛发展已使AI取得了长足的发展 在很多场合初步地进入了实用 36 近年来美国和日本的各大公司都纷纷推出各种模糊智能系统日本首先在模糊家电方面打开市场 带有模糊控制 甚至标以神经 模糊智能控制的洗衣机 电冰箱 空调器 摄象机等已成为新一代家电的时髦产品 我国目前市场上也有许多洗衣机 例如荣事达洗衣机就是采用模糊神经网络智能控制方式的洗衣机 37 1934年英国的查尔斯在制造机械计算机时就想用它下国际象棋 现在计算机不但可以下国际象棋 而且还可以下中国象棋 围棋 跳棋 打扑克 等等 当前 计算机下棋 打扑克的水平已经相当可以了 可以战胜一般的人类对手 这是人工智能在游戏体育中的应用 38 TheRobotWorldCupInitiative RoboCup isaninternationaljointprojecttopromoteAI robotics andrelatedfield ItisanattempttofosterAIandintelligentroboticsresearchbyprovidingastandardproblemwherewiderangeoftechnologiescanbeintegratedandexamined RoboCupchosetousesoccergameasacentraltopicofresearch aimingatinnovationstobeappliedforsociallysignificantproblemsandindustries Inorderforarobotteamtoactuallyperformasoccergame varioustechnologiesmustbeincorporatedincluding designprinciplesofautonomousagents multi agentcollaboration strategyacquisition real timereasoning robotics andsensor fusion RoboCupisataskforateamofmultiplefast movingrobotsunderadynamicenvironment AboutRoboCup 39 AboutSimulationLeague InRoboCup SimulationLeagueteamsof11autonomoussoftwareagentspersideplayeachother Therearenoactualrobotsinthisleaguebutspectatorscanwatchtheactiononalargescreen whichlookslikeagiantcomputergame Eachsimulatedrobotplayermayhaveitsownplaystrategyandcharacteristicandeverysimulatedteamactuallyconsistsofacollectionofprogrammes Manycomputersarenetworkedtogetherinorderforthiscompetitiontotakeplace Thegameslastforabout10minutes witheachhalfbeing5minutesduration 40 Ourteam namedTsinghuAeolus wasborninDec1999 ispartofStateKeyLabofIntellegentTechnologyandSystems DepartmentofComputerScienceandTechnology TsingHuaUniversity China TsinghuAeolusisoneofthebestteamsintheRoboCupSimulationLeague IthasalreadywontwoworldchampionsandthreenationalchampionsofChina WorldChampionofRoboCup2002SimulationLeague Fukuoka JapanChampionofChinaRoboCup2002SimulationLeague ShangHai ChinaChampionofChinaRoboCup2001SimulationLeague KunMing ChinaWorldChampionofRoboCup2001SimulationLeague Seattle USAChampionofChinaRoboCup2000SimulationLeague HeFei China AboutTsinghuaAeolus 41 TheultimategoaloftheRoboCupprojectisBy2050 developateamoffullyautonomoushumanoidrobotsthatcanwinagainstthehumanworldchampionteaminsoccer 总之 智能系统已经开始进入人们生活的方方面面 只要是用人的地方 就可能有智能系统的渗入 但是 目前的智能系统的智能化程度 和人类还无法比拟 与人们的需要还相去甚远 电脑围棋手与人类棋手相比还相差较多 各种模式识别系统的识别率 识别效率还有待提高 自然语言理解等面向内容的智能系统还有待进一步研发 42 国内外有关ANN的文献可能已达数万篇 但现在ANN技术还是很不完善 国内外在硬件实现ANN方面所做工作甚少 不硬件实现而用计算机仿真ANN 则分布式存储并行计算的优势无法体现 容错性强也无法体现 据说 我国中科院半导体所已做出了多达200多个节点的神经元网络硬件 计算时间可以很短 根本问题不在硬件好不好实现 而在实现了能不能解决问题 硬件实现解决的只是速度问题和容错性的问题 从ANN看智能技术的现状 43 学习不收敛问题原因 误差曲面复杂 收敛至误差曲面的局部最小或在曲面平坦区收敛过慢 结果会造成目标曲面的欠拟合现象 泛化能力差的问题原因 未收敛至全局最小 出现欠拟合现象 或者 误差曲面存在多个相等的全局最小 收敛至不为解的一个全局最小 而出现目标曲面过拟合现象 存在众多选择困惑的问题神经元的突触模型有 内积模型 距离模型等 神经元的细胞体模型有 logsig tansig hard lim s pos pure line satlin s radbas tribas compet softmax等 神经网络的拓扑结构模型 层数 各层神经元个数 前馈网络 反馈网络 全连接 部分连接等 ANN 三大 问题 44 图中 从一直线采9个样本点用一前馈ANN建模 以9个训练样本数据的实际输出和理想输出的均方误差最小作为训练目标 ANN结构1 20 1 隐层sigmoid函数 输出层为线性函数 用matlab中的trainlm快速学习算法 曲线2和3就是2次分别拟合的曲线 每次均训练至相当精度 如此简单的问题 也不是那么容易直接获得好的泛化特性 45 以分类问题为例 ANN规模是用三个指标来衡量的 特征的数量 通常在二三百个左右 训练样本数 通常是几千或几万 分类数 通常是几十个 当问题规模变大时 比如 特征数到几百 训练的样本数达到了几万甚至几十万 特别是分类数到几百 上千 那么神经元网络可能就有问题 比如我们国内也用它做了很多工作 如手写汉字的识别 据说没有很成功的 因为手写汉字至少有3700个类 一个字里如果有100个训练样本 总样本数就达几十万 特征数也在三五百范围内 这样一个大规模的计算在神经元网络里很难做成功 ANN性能与ANN规模 46 原因分析 神经元模型 模型不够好 问题简单时尚可以对付 47 五 智能技术与系统研究的展望 48 创新化 现有的智能系统的智能化水平是很低的 在21世纪 要想在 智能 科学上取得重大突破 现有的智能理论方法是不够的 需要革新 现实呼唤着智能技术的新思想 新理论 新方法 尤其是中国 49 与 网络 的结合 是人工智能技术与系统的发展方向和开发策略之一 其必要性 一方面体现在智能技术的研究和智能系统的发展依赖于大量数据 而这些数据的获得需要网络 另一方面 网络系统的智能化也是一个重要趋势 目前 相关的研究动向如 分布式人工智能系统 DAIDistributeArtificialIntelligence 群体专家系统 GESGroupExpertSystem 大型知识工程 LKELargeKnowledgeEngineering 分布式知识库 DKBDistributeKnowledgeBase 分布式推理机 DIEDistributeInfe