人工智能与教育

1、2021/3/131人工智能与教育人工智能与教育人工智能概述人工智能的研究领域人工智能教育应用概述人工智能被誉为人工智能被誉为20世纪的三大尖端科技成就之一。世纪的三大尖端科技成就之一。有预言家说有预言家说:“说掌握了人工智能说掌握了人工智能,说就能征服整个世界。说就能征服整个世界。”2021/3/132第一节第一节 人工智能的概述人工智能的概述p人工智能（人工智能（Artificial Intelligence, Artificial Intelligence, AIAI）是当前科学技术发展中的一门前沿）是当前科学技术发展中的一门前沿学科。人工智能是在计算机科学、控制学科。人工智能是在计算机

2、科学、控制论、信息论、神经心理学、哲学等多种论、信息论、神经心理学、哲学等多种学科研究的基础上发展起来的。学科研究的基础上发展起来的。无人驾驶飞机、扫雷机器人、卫星评估粮食产量、医学无人驾驶飞机、扫雷机器人、卫星评估粮食产量、医学专家系统、购物篮分析、信息过滤、人脸的识别、人专家系统、购物篮分析、信息过滤、人脸的识别、人机搏弈、机器人足球、机搏弈、机器人足球、2021/3/133一、一、 什么是人工智能什么是人工智能p谈到人工智能的定义谈到人工智能的定义, ,首先需要指出以下首先需要指出以下两点两点: :第一第一, ,人工智能和其他许多新兴学科一样人工智能和其他许多新兴学科一样, ,至今尚无一

3、个统一的定义至今尚无一个统一的定义, ,所谓人工智能的定所谓人工智能的定义义, ,只能是人工智能学者根据对它的已有认识只能是人工智能学者根据对它的已有认识所作的一些不同解释。所作的一些不同解释。第二第二, ,人工智能的定义依赖于智能的定义。人工智能的定义依赖于智能的定义。因此因此, ,要定义人工智能要定义人工智能, ,首先应该定义智能。首先应该定义智能。2021/3/134( (一一) ) 什么是智能什么是智能p通俗地说通俗地说, ,智能是一种认识客观事智能是一种认识客观事物和运用知识解决问题的综合能力物和运用知识解决问题的综合能力。至于其确切定义至于其确切定义, ,还有待于对人脑还有待于对人

4、脑奥秘的彻底揭示。奥秘的彻底揭示。2021/3/135 为了区分机器是否会“思考”,有必要给出“智能”的定义。究竟“会思考”到什么程度才叫智能?人工智能专家面临的最大挑战之一是:如何构造一个系统,可以模仿由上百亿个神经元组成的人脑的行为,去思考宇宙中最复杂的问题。2021/3/1361. 1. 智能的层次结构智能的层次结构p人类的智能总体上可分为高、中、低三个层次人类的智能总体上可分为高、中、低三个层次, ,不同层次智能的活动由不同的神经系统来完成。不同层次智能的活动由不同的神经系统来完成。高层智能以大脑皮层为主高层智能以大脑皮层为主, ,主要完成记忆和思主要完成记忆和思维等活动维等活动; ;

5、中层智能以丘脑为主中层智能以丘脑为主, ,主要完成感知活动主要完成感知活动; ;低层智能以小脑、脊髓为主低层智能以小脑、脊髓为主, ,主要完成动作反主要完成动作反应。应。2021/3/1372.2.智能所包含的能力智能所包含的能力p智能是一种综合能力。具体地说智能是一种综合能力。具体地说, ,它包含的各它包含的各种能力如下种能力如下: :智能具有感知能力智能具有感知能力智能具有记忆与思维能力智能具有记忆与思维能力智能具有学习和自适应能力智能具有学习和自适应能力智能具有行为能力智能具有行为能力2021/3/138( (二二) ) 什么是人工智能什么是人工智能p综合各种不同的人工智能观点,可以从“

6、能力”和“学科”两个方面对人工智能进行定义。 从能力的角度来看,人工智能是相对于人的自然智能而言的,所谓人工智能是指用人工的方法在机器（计算机）上实现的智能; 从学科的角度来看,人工智能是作为一个学科名称来使用的,所谓人工智能是一门研究如何构造智能机器或智能系统,使它能模拟、延伸和扩展人类智能的学科。2021/3/139 图灵测试图灵测试如何衡量机器是否具有智能如何衡量机器是否具有智能? ?2021/3/1310测试过程:让一个程序与一个人进行5分钟对话 ,然后人猜测交谈对象是程序还是人?如果在30%测试中程序成功地欺骗了询问人,则通过了测试图灵期待最迟2000年出现这样的程序,但是到目前为止

7、,面对训练有素的鉴定人,没有一个程序接近30%的标准2021/3/1311p要想程序通过图灵测试,还需要做大量工作,这些技能包括:自然语言处理, 使机器可以用人类语言交流知识表示, 存储机器获得的各种信息自动推理, 运用知识来回答问题和提取新结论机器学习, 适应新环境并检测和推断新模式以及(为了完全图灵测试)计算机视觉, 机器感知物体机器人技术, 操纵和移动物体2021/3/1312二、二、 人工智能的产生与发展人工智能的产生与发展p人工智能这个术语自1956年正式提出,并作为一个新兴学科的名称被使用以来,已经有四十多年的历史了。回顾其产生与发展过程,可大致分为四个阶段。孕育期形成期知识应用期

8、综合集成期 2021/3/13131. 1. 孕育期（孕育期（19561956年之前）年之前） 古希腊伟大的哲学家和思想家亚里斯多德（Aristotle）创立了演绎法。 英国哲学家和自然科学家培根（F.Bacon）创立了归纳法。 德国数学家和哲学家莱布尼茨（G.WLeibnitz）把形式逻辑符号化,奠定了数理逻辑的基础。使人们可以对人的思维进行运算和推理。 法国物理学家和数学家帕斯卡（B.Pascal）制造成功了世界上第一台加法器。2021/3/13142. 2. 形成期（形成期（19561956年年-1969-1969年）年） 人工智能诞生于一次历史性的聚会。 1O位杰出年轻科学家在美国达特

9、莫斯大学举行了一次为期两个月的夏季学术研讨会,共同学习和探讨了用机器模拟人类智能的有关问题。 由麦卡锡提议正式采用了“人工智能AI（Artifcial Intelligence）”这一术语。 从而,一个以研究如何用机器来模拟人类智能的新兴学科人工智能诞生了。2021/3/13153. 3. 知识应用期（知识应用期（19701970年年-80-80年代末）年代末）p人工智能遇到了许多麻烦:在博弈方面,塞缪尔的下棋程序在与世界冠军对弈时,5局中败了4局。在机器翻译方面,原来人们以为只要有一本双解字典和一些语法知识就可以实现两种语言的互译,但后来发现并不那么简单,甚至会闹出笑话。在神经生理学方面,研

10、究发现人脑有1011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。在人工智能的本质、理论、思想及机理方面,人工智能受到了来自哲学、心理学、神经生理学等社会各界的责难、怀疑和批评。2021/3/1316以知识为中心的研究以知识为中心的研究: :p 专家系统悄悄开始孕育,使得人工智能在后来出现的困难和挫折中能很快找到前进方向,迅速地再度兴起。p 专家系统（Expert System,简写为 ES）是一个具有大量的专门知识,并能够利用这些知识去解决特定领域中需要由专家才能解决的那些问题的计算机程序。p 专家系统实现了人工智能从理论研究走向实际应用,从一般思维规律探讨走向专门知识

11、运用的重大突破,是人工智能发展史上的一次重要转折。2021/3/1317专家系统1972年,费根鲍姆在继化学专家系统DENDRAL之后,又领导他的研究小组开始研究其他的项目。1976年,斯坦福大学国际人工智能中心杜达（R.D. Duda）等人开始研制地质勘探专家系统PROSPECTOR。MIT 1971年研制成功并投入使用数学专家系统MACSYMA。美国拉特格尔（Rutger）大学于1978年研制成功用于青光眼诊断和治疗的专家系统 CASNET。2021/3/1318p在这一时期,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。p此外,在知识表示、不精确推理、人工

12、智能语言等方面也有重大进展。2021/3/1319p1977年,在第五届国际人工智能联合会议上,费根鲍姆正式提出了知识工程（Knowledge Engineering,简称 KE）的概念。整个2O世纪8O年代知识工程和专家系统在全世界得到了迅速发展,其应用范围也扩大到了人类社会的各个领域,并产生了巨大的经济效益。专家系统的成功,说明了知识在智能系统中的重要性,使人们更清楚地认识到人工智能系统应该是一个知识处理系统,而知识表示、知识获取、知识利用是人工智能系统的三个基本问题。2021/3/1320p 随着专家系统应用的不断深入和计算机技术的飞速发展,专家系统本身所存在的问题逐渐暴露出来:应用领域

13、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p 人工智能又面临着一次考验。出路何在?人工智能需要走综合集成发展的道路。2021/3/13214. 4. 综合集成期（综合集成期（8080年代末至今）年代末至今）p在专家系统方面,从2O世纪8O年代末开始逐步向多技术、多方法的综合集成与多学科、多领域的综合应用型发展。p大型专家系统开发采用了多种人工智能语言（如LISP、Prolog和C十十等）、多种知识表示方法（如产生式规则、框架、逻辑、语义网络、面向对象等）、多种推理机制（如演绎推理、归纳推理、非精确推理和非单调推理等）和多种控制策略（如正向、逆向和双向等）相结合的

14、方式,并开始运用各种专家系统外壳、专家系统开发工具和专家系统开发环境等。2021/3/1322 p目前,人工智能技术正在向大型分布式人工智能、大型分布式多专家协同系统、广义知识表达、综合知识库（即知识库、方法库、模型库、方法库的集成）、并行推理、多种专家系统开发工具、大型分布式人工智能开发环境和分布式环境下的多智能体（Agent）协同系统等方向发展。p尽管如此,但从目前来看,人工智能仍处于学科发展的早期阶段,其理论、方法和技术都不太成熟,人们对它的认识也比较肤浅,甚至连人工智能能否归结、如何归结为一组基本原理也还是个问号。2021/3/1323p博弈:IBM公司的“深蓝”成为第一个在国际象棋比

15、赛中战胜世界冠军的计算机程序p1997年,一次公开赛中3.5/2.5比分战胜卡斯帕罗夫,他说从棋盘对面感到了“一种新智能”p（但是,连“深蓝”的设计者也不认为用了什么人工智能技术）2021/3/1324p自主控制:CMU研制的ALVINN计算机视觉系统安置在NAVLAB计算机控制微型汽车中,用于汽车导航行驶在高速公路上p全程2850英里(约4586.5公里), 其中98%时间由这个系统掌握方向盘, 2%时间由人驾驶, 几乎都在高速公路出入口处2021/3/1325p后勤规划:1991年海湾战争中美国军队配备了一个动态分析和重规划工具DART, 用于自动后勤规划与运输调度。该系统同时涉及5000

16、0个车辆、货物和人,而且要考虑起点、目的地、路径,解决所有参数之间的冲突。使用AI技术使规划在几小时内完成,而传统方法需要几个星期DARPA称就此一项投资足以补偿DARPA在AI方面30年的投资2021/3/1326第二节第二节 人工智能的研究领域人工智能的研究领域一、人工神经网络一、人工神经网络( (一）人工神经网络概述一）人工神经网络概述生物神经元及脑神经系统的结构与特征生物神经元及脑神经系统的结构与特征1 1生物神经元的结构生物神经元的结构 生物神经元（生物神经元（NeuronNeuron）即为神经细胞）即为神经细胞, ,它是生物神经系统的最基它是生物神经系统的最基本单元。从其形状和大小

17、来看本单元。从其形状和大小来看, ,神经元是多种多样的神经元是多种多样的, ,但从组成结构但从组成结构看看, ,各种神经元又具有共性。神经元的基本结构如图各种神经元又具有共性。神经元的基本结构如图6-46-4所示所示, ,它由它由细胞体（细胞体（SomaSoma）、轴突（）、轴突（AxonAxon）和树突（）和树突（DendriteDendrite）三个主要部分）三个主要部分组成。组成。2021/3/1327p细胞体细胞体是神经元的主体,用于处理由树突接受的其他神经元传来的信号。细胞体的内部是细胞核,外部是细胞膜,细胞膜的外面是许多向外延伸出的纤维。p轴突轴突是由细胞体向外延伸出的所有纤维中最

18、长的一条分枝,用来向外传递神经元产生的输出电信号。每个神经元都有一条轴突,其最大长度可达1cm以上。在轴突的末端形成了许多很细的分枝,这些分枝叫神经末梢。每一条神经末梢可以与其他神经元形成功能性接触,该接触部位称为突触。所谓功能性接触,是指非永久性的接触,这正是神经元之间传递信息的奥秘之一。p树突树突是指由细胞体向外延伸的除轴突以外的其他所有分支。树突的长度较短,但数量很多,它是神经元的输入端用于接受从其他神经元的突触传来的信号。2021/3/13282 2人脑神经系统的结构与特征人脑神经系统的结构与特征记忆和存储功能高度并行性分布式功能容错功能联想功能自组织和自学习功能2021/3/1329

19、（二）人工神经元及人工神经网络（二）人工神经元及人工神经网络1. 1. 人工神经元的结构人工神经元的结构图图 7-2 M-P神经元模型神经元模型x1x2xny12n在图在图7-2中中,x1,x2,xn表示某一神经元的表示某一神经元的n个个输入输入;i表示第表示第i个输入个输入的连接强度的连接强度,称为连接称为连接权值权值;为神经元的为神经元的阈值阈值;y为神经元的为神经元的输出输出。可可以看出以看出,人工神经元是一个具有多输入人工神经元是一个具有多输入,单输出的非线性器件。单输出的非线性器件。2021/3/13302 2人工神经网络人工神经网络 人工神经网络是对人类神经系统的一种模拟。尽管人类

20、神经系统规模宏大、结构复杂、功能神奇,但其最基本的处理单元却只有神经神经元元。人工神经系统的功能实际上是通过大量神经元的广泛互连,以规模宏伟的并行运算来实现的。 基于对人类生物系统的这一认识,人们也试图通过对人工神经元的广泛互连来模拟生物神经系统的结构和功能。人工神经元之间通过互连形成的网络称为人工神经网络。在人工神经网络中,神经元之间互连的方式称为连接模式或连接模型。它不仅决定了神经元网络的互连结构,同时也决定了神经网络的信号处理方式。2021/3/13313 3人工神经网络的分类人工神经网络的分类 目前,已有的人工神经网络模型至少有几十种,其分类方法也有多种。例如,按网络拓扑结构可分为无反

21、馈网络与有反馈网络;按网络的学习方法可分为有教师的学习网络和无教师的学习网络;按网络的性能可分为连续型网络与离散型网络,或分为确定性网络与随机型网络;按突触连接的性质可分为一阶线性关联网络与高阶非线性关联网络。2021/3/1332p （三）人工神经网络的（三）人工神经网络的特点和优越性特点和优越性, ,主要表现在三个方面主要表现在三个方面: : 第一,具有自学习功能。例如实现图像识别时,只在先把许多不同的图像样板和对应的应识别的结果输入人工神经网络,网络就会通过自学习功能,慢慢学会识别类似的图像。自学习功能对于预测有特别重要的意义。预期未来的人工神经网络计算机将为人类提供经济预测、市场预测、

22、效益预测,其前途是很远大的。 2021/3/1333 第二第二, ,具有联想存储功能。具有联想存储功能。人的大脑是具有联想功能的。如果有人和你提起你幼年的同学张某某,你就会联想起张某某的许多事情。用人工神经网络的反馈网络就可以实现这种联想。 第三第三, ,具有高速寻找优化解的能力。具有高速寻找优化解的能力。寻找一个复杂问题的优化解,往往需要很大的计算量,利用一个针对某问题而设计的反馈型人工神经网络,发挥计算机的高速运算能力,可能很快找到优化解。 2021/3/1334p（四）人工神经网络的局限性（四）人工神经网络的局限性 人工神经网络是一个新兴学科人工神经网络是一个新兴学科, ,还存在许多问题

23、。还存在许多问题。其主要表现有。其主要表现有。 （1 1）受到脑科学研究的限制）受到脑科学研究的限制 由于生理实验的困难性由于生理实验的困难性, ,目前人类对思维和记忆机目前人类对思维和记忆机制的认识还很肤浅制的认识还很肤浅, ,还有很多问题需要解决。例如还有很多问题需要解决。例如, ,脑的脑的层次结构是怎样形成的层次结构是怎样形成的? ?脑是怎样学习的脑是怎样学习的? ?不同类型的知不同类型的知识在脑中是如何组织的识在脑中是如何组织的? ?脑神经元在思维记忆中起什么脑神经元在思维记忆中起什么作用作用? ?脑神经网络中神经元之间的突触联系强度是如何脑神经网络中神经元之间的突触联系强度是如何修正

24、、保持的修正、保持的? ?等等。这些问题如果能够得到解决等等。这些问题如果能够得到解决, ,将极将极大地促进人工神经网络的发展。大地促进人工神经网络的发展。 （2 2）还没有完整成熟的理论体系）还没有完整成熟的理论体系 虽然目前已有许多人工神经网络模型虽然目前已有许多人工神经网络模型, ,但这些模型但这些模型的学习策略却各不相同的学习策略却各不相同, ,还无法统一到一个完整的理论还无法统一到一个完整的理论框架中框架中, ,因而也无法形成一个成熟的理论体系。因而也无法形成一个成熟的理论体系。2021/3/1335 （3 3）还带有浓厚的策略和经验色彩）还带有浓厚的策略和经验色彩 对人工神经网络对

25、人工神经网络, ,一方面还没有完整、成熟的理论系统支持一方面还没有完整、成熟的理论系统支持, ,另一另一方面又需要用它分析和解决某些实际问题方面又需要用它分析和解决某些实际问题, ,因此使得人工神经网络的研因此使得人工神经网络的研究带有浓厚的策略和经验色彩。究带有浓厚的策略和经验色彩。 （4 4）与传统技术的接口不成熟）与传统技术的接口不成熟 人工神经网络虽然有它自己的优势人工神经网络虽然有它自己的优势, ,但又不可能全面替代传统的计但又不可能全面替代传统的计算技术算技术, ,它们之间只能是相互补充。然而它们之间只能是相互补充。然而, ,目前人工神经网络与传统计目前人工神经网络与传统计算技术之

26、间的接口还很不成熟。算技术之间的接口还很不成熟。 上述问题的存在上述问题的存在, ,制约了人工神经网络研究的发展。制约了人工神经网络研究的发展。2021/3/1336二、专家系统二、专家系统p （一）专家系统的基本概念（一）专家系统的基本概念 目前目前, ,对什么是专家系统还没有一个严格公认的形式化定义。作为一种对什么是专家系统还没有一个严格公认的形式化定义。作为一种一般的解释一般的解释, ,可以认为专家系统是一种具有大量专门知识与经验的智能可以认为专家系统是一种具有大量专门知识与经验的智能程序系统程序系统, ,它能运用领域专家多年积累的经验和专门知识它能运用领域专家多年积累的经验和专门知识,

27、 ,模拟领域专模拟领域专家的思维过程家的思维过程, ,解决该领域中需要专家才能解决的复杂问题。解决该领域中需要专家才能解决的复杂问题。从上述解释可以看出从上述解释可以看出, ,专家系统包括以下三个方面的含义专家系统包括以下三个方面的含义: : （1）专家系统是一种程序系统,但又具有智能,因此它不同于一般的程序系统,而是一种能运用专家知识和经验进行推理的启发式程序系统。2021/3/1337 （2）专家系统的智能来源于领域专家的知识、经验及解决问题的诀窍。为此,专家系统内部必须包含有大量专家水平的领域知识与经验,并且能够在运行过程中不断地增长新知识和修改原有知识。 （3）专家系统所要解决的问题一

28、般是那些本来应该由领域专家才能解决的问题。2021/3/1338（二）（二） 专家系统的分类专家系统的分类p 按求解问题的性质分类按求解问题的性质分类 海叶斯海叶斯- -罗斯（罗斯（F FHeyes-RothHeyes-Roth）按照求解问题的性质）按照求解问题的性质, ,将专家系统将专家系统分为以下分为以下10 10 种类型种类型: : （1 1）解释型专家系统）解释型专家系统 解释型专家系统的任务是通过对已知信息和数据的分析与解释解释型专家系统的任务是通过对已知信息和数据的分析与解释, ,确确定它们的含义。其主要特点有定它们的含义。其主要特点有: :第一第一, ,系统处理的数据量很大系统处

29、理的数据量很大, ,而且往往而且往往是不准确的、错误的或不完全的是不准确的、错误的或不完全的; ;第二第二, ,系统能够从不完全的信息中得系统能够从不完全的信息中得出解释出解释, ,并能对数据做出某些假设并能对数据做出某些假设; ;第三第三, ,系统的推理过程可能很复杂和系统的推理过程可能很复杂和很长很长, ,因而要求系统具有对自身推理过程做出解释的能力。因而要求系统具有对自身推理过程做出解释的能力。 作为解释型专家系统的例子有语音理解、图像分析、系统监视、作为解释型专家系统的例子有语音理解、图像分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等。例如化学结构分析和信号解释等。例如, ,卫星图像分析、集

30、成电路分析、石卫星图像分析、集成电路分析、石油测井数据分析、染色体分类等。油测井数据分析、染色体分类等。2021/3/1339 （2 2）预测型专家系统）预测型专家系统 预测型专家系统的任务是通过对过去或现在知识状况的分析预测型专家系统的任务是通过对过去或现在知识状况的分析, ,推断未来可能推断未来可能发生的情况。其主要特点有发生的情况。其主要特点有: :第一第一, ,系统处理的数据随时间变化系统处理的数据随时间变化, ,而且可能是不准而且可能是不准确或不完备的确或不完备的; ;第二第二, ,系统需要有适应时间变化的动态模型系统需要有适应时间变化的动态模型, ,能够从不完全和不准能够从不完全和

31、不准确的信息中得出预报确的信息中得出预报, ,并达到快速响应的要求。并达到快速响应的要求。 预测型专家系统的例子主要有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、预测型专家系统的例子主要有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、经济预测和作物产量预测等。经济预测和作物产量预测等。 （3 3）诊断型专家系统）诊断型专家系统 诊断型专家系统的任务是根据观察到的情况来推断出某个对象机能失常的诊断型专家系统的任务是根据观察到的情况来推断出某个对象机能失常的原因。其主要特点有原因。其主要特点有: :第一第一, ,能够了解被诊断对象和客体各组成部分的特性能够了解被诊断对象和客体各组成部分的特性, ,以及以及它

32、们之间的联系它们之间的联系; ;第二第二, ,能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象; ;第三第三, ,能够能够向用户提出测量的数据向用户提出测量的数据, ,并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断。并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断。 诊断型专家系统的例子特别多诊断型专家系统的例子特别多, ,有医疗诊断、电子或机械故障诊断以及材料有医疗诊断、电子或机械故障诊断以及材料失效诊断等。著名的血液病诊断专家系统失效诊断等。著名的血液病诊断专家系统MYCINMYCIN、青光眼治疗专家系统、青光眼治疗专家系统CASNETCASNET等等都属于这类专家系统。都属于这类专

33、家系统。 （4 4）设计型专家系统）设计型专家系统 设计型专家系统的任务是根据设计要求设计型专家系统的任务是根据设计要求, ,求出满足设计问题约束的目标配置。求出满足设计问题约束的目标配置。其主要特点有其主要特点有: :第一第一, ,善于从多方面的约束中得到符合要求的设计结果善于从多方面的约束中得到符合要求的设计结果; ;第二第二, ,系系统需要检索较大的可能解空间统需要检索较大的可能解空间; ;第三第三, ,善于分析各种子问题善于分析各种子问题, ,并处理好子问题间的并处理好子问题间的相互作用相互作用; ;第四第四, ,能够试验性地构造出可能设计能够试验性地构造出可能设计, ,并易于对所得设

34、计方案进行修改并易于对所得设计方案进行修改; ;第五第五, ,能够使用已被证明是正确的设计来解释当前的设计。能够使用已被证明是正确的设计来解释当前的设计。 设计型专家系统的例子主要有电路设计、土木建筑工程设计、机械产品设设计型专家系统的例子主要有电路设计、土木建筑工程设计、机械产品设计、生产工艺设计等。计、生产工艺设计等。2021/3/1340 （5 5）规划型专家系统）规划型专家系统 规划型专家系统的任务是要寻找出某个能够达到目标的动作序列或步骤。规划型专家系统的任务是要寻找出某个能够达到目标的动作序列或步骤。其主要特点有其主要特点有: :第一第一, ,所要规划的目标可能是动态的或静止的所要

35、规划的目标可能是动态的或静止的; ;第二第二, ,所涉及的问所涉及的问题可能很复杂题可能很复杂, ,要求系统能抓住重点要求系统能抓住重点, ,处理好各子目标间的关系和不确定的信息处理好各子目标间的关系和不确定的信息, ,并通过试验性动作得出可行的规划。并通过试验性动作得出可行的规划。 规划型专家系统可用于机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信规划型专家系统可用于机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物施肥方案规划等。与军事指挥以及农作物施肥方案规划等。 （6 6）监视型专家系统）监视型专家系统 监视型专家系统的任务在于对系统、对象或过程的行为进行不断观察监视型专家

36、系统的任务在于对系统、对象或过程的行为进行不断观察, ,并把并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较观察到的行为与其应当具有的行为进行比较, ,以发现异常情况以发现异常情况, ,发出警报。监视发出警报。监视专家系统的主要特点有专家系统的主要特点有: :第一第一, ,系统应具有快速反应能力系统应具有快速反应能力, ,在造成事故之前及时发在造成事故之前及时发出警报出警报; ;第二第二, ,系统发出的警报要有很高的精确性系统发出的警报要有很高的精确性; ;第三第三, ,系统能够随时间和条件系统能够随时间和条件的变化而动态地处理其输入信息。的变化而动态地处理其输入信息。 监视型专家系统可用于核电站的

37、安全监视、防空监视与报警、国家财政的监视型专家系统可用于核电站的安全监视、防空监视与报警、国家财政的监控及农作物病虫害的监视与报警等。监控及农作物病虫害的监视与报警等。 （7 7）控制型专家系统）控制型专家系统 控制型专家系统的任务是自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为控制型专家系统的任务是自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为, ,使使其满足预期要求。这类专家系统的主要特点是其满足预期要求。这类专家系统的主要特点是: :能够解释当前情况能够解释当前情况, ,预测未来可预测未来可能发生的情况能发生的情况, ,诊断可能发生的问题及其原因诊断可能发生的问题及其原因, ,不断修正计划不断修正计

38、划, ,并控制计划的执行。并控制计划的执行。也就是说也就是说, ,控制型专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。控制型专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。 控制型专家系统可用于空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战控制型专家系统可用于空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和生产质量控制等许多方面。管理、生产过程控制和生产质量控制等许多方面。2021/3/1341 （8 8）调试型专家系统）调试型专家系统 调试型专家系统的任务是对失灵的对象给出处理意见和方法。它要求专家系统须具有规调试型专家系统的任务是对失灵的对象给出处理意见和方法。它要

39、求专家系统须具有规划、设计、预报和诊断等功能。划、设计、预报和诊断等功能。 调试专家系统可用于新产品或新系统的调试调试专家系统可用于新产品或新系统的调试, ,也可用于被维修设备的调整、测试与试验。也可用于被维修设备的调整、测试与试验。 （9 9）教学型专家系统）教学型专家系统 教学型专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识教学型专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识, ,以最适当的教学方案和教学以最适当的教学方案和教学方法对学生进行教学和辅导。这类专家系统的主要特点有方法对学生进行教学和辅导。这类专家系统的主要特点有: :第一第一, ,同时具有诊断和调试功能同时具有诊断和调试功能

40、; ;第第二二, ,具有良好的人机界面。具有良好的人机界面。2021/3/1342p 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。不同应用领域和专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。不同应用领域和不同类型的专家系统不同类型的专家系统, ,其体系结构和功能也都不尽相同。通常其体系结构和功能也都不尽相同。通常, ,一个最基本的专家系一个最基本的专家系统应由统应由知识库知识库、数据库数据库、推理机推理机、解释机构解释机构、知识获取机构知识获取机构和和用户界面用户界面6 6个部分所组个部分所组成成, ,如图如图1 1所示。所示。用用 户户 界界 面面解释机构解释机构推

41、理机推理机知识获取机构知识获取机构知识库知识库数据库数据库用用 户户领域专家领域专家AI专家专家图图1 专家系统的组成专家系统的组成推理机和知推理机和知识库完全是识库完全是分开的分开的（四）（四） 专家系统的基本结构专家系统的基本结构2021/3/1343用用 户户 界界 面面解释机构解释机构推理机推理机知识获取机构知识获取机构知识库知识库数据库数据库用用 户户领域专家领域专家AI专家专家 知识库知识库是专家系统的知识存储是专家系统的知识存储器器, ,用来存放求解问题的领域知识。用来存放求解问题的领域知识。通常通常, ,知识库中的知识分为两大类知识库中的知识分为两大类型型: :一类是领域中的事

42、实一类是领域中的事实, ,称为事实称为事实性知识性知识, ,这是一种广泛公认的知识这是一种广泛公认的知识, ,即在书本上的知识及常识即在书本上的知识及常识; ;另一类另一类是启发性知识是启发性知识, ,它是领域专家在长它是领域专家在长期工作实践中积累起来的经验总结。期工作实践中积累起来的经验总结。专家系统开发中的一个重要任务就专家系统开发中的一个重要任务就是要十分认真细致地对专家的这类是要十分认真细致地对专家的这类经验知识进行分析。经验知识进行分析。1. 1. 知识库知识库2021/3/1344用用 户户 界界 面面解释机构解释机构推理机推理机知识获取机构知识获取机构知识库知识库数据库数据库用

43、用 户户领域专家领域专家AI专家专家 数据库数据库又称为全局数据又称为全局数据库或综合数据库库或综合数据库, ,用来存储用来存储有关领域问题的事实、数据、有关领域问题的事实、数据、初始状态（证据）和推理过初始状态（证据）和推理过程中得到的各种中间状态及程中得到的各种中间状态及目标等。实际上目标等。实际上, ,它相当于它相当于专家系统的工作存储器专家系统的工作存储器, ,用用它存放用户回答的事实、已它存放用户回答的事实、已知的事实和由推理得到的事知的事实和由推理得到的事实。实。2. 2. 数据库数据库2021/3/1345用用 户户 界界 面面解释机构解释机构推理机推理机知识获取机构知识获取机构

44、知识库知识库数据库数据库用用 户户领域专家领域专家AI专家专家 推理机推理机是一组用来控制、协是一组用来控制、协调整个专家系统的调整个专家系统的程序程序。它根据。它根据数据库当前输入的数据数据库当前输入的数据, ,利用知识利用知识库中的知识按一定的推理策略库中的知识按一定的推理策略, ,去去求解当前的问题、解释外部输入求解当前的问题、解释外部输入的事实和数据的事实和数据, ,推导出结论并向用推导出结论并向用户提出问题等。由于专家系统是户提出问题等。由于专家系统是模拟人类专家进行工作模拟人类专家进行工作, ,因此设计因此设计推理机时推理机时, ,应使它的推理过程和专应使它的推理过程和专家的推理过

45、程尽量相似家的推理过程尽量相似, ,并最好完并最好完全一致。推理机所采用的推理方全一致。推理机所采用的推理方法可以是正向推理、逆向推理、法可以是正向推理、逆向推理、或正逆向结合的双向推理或正逆向结合的双向推理, ,并且并且, ,在这三种推理方式中在这三种推理方式中, ,都包含有精都包含有精确推理和不确定推理。确推理和不确定推理。3. 3. 推理机推理机2021/3/1346 推理机和知识库相分离推理机和知识库相分离, ,是专家系统的一大是专家系统的一大特点。这不仅便于对知识库的管理特点。这不仅便于对知识库的管理, ,而且还可以而且还可以实现具有可塑性、通用性的系统。实现具有可塑性、通用性的系统

46、。2021/3/1347用用 户户 界界 面面解释机构解释机构推理机推理机知识获取机构知识获取机构知识库知识库数据库数据库用用 户户领域专家领域专家AI专家专家解释机构解释机构实际上也是一组程实际上也是一组程序序,它包括系统提示、人机对话、它包括系统提示、人机对话、能书写规则的语言以及解释部分能书写规则的语言以及解释部分程序程序,其主要功能是解释系统本其主要功能是解释系统本身的推理结果身的推理结果,回答用户的提问回答用户的提问,使用户能够了解推理的过程及所使用户能够了解推理的过程及所运用的知识和数据。因此运用的知识和数据。因此,在设在设计解释机构时计解释机构时,应预先考虑好应预先考虑好:在在系

47、统运行过程中系统运行过程中,应该回答哪些应该回答哪些问题问题,然后根据这些问题然后根据这些问题,设计好设计好如何回答。目前如何回答。目前,大多数专家系大多数专家系统的解释机构都采用人机对话的统的解释机构都采用人机对话的交互式解释方法。交互式解释方法。4. 4. 解释机构解释机构2021/3/1348 许多的人工智能领域的研究论文中Agent都是用的英文单词,据说中文的翻译有两种:智能代理和智能主体,到底哪一种更合适,各有各的理由。这也反映了人们对于Agent的不同理解,或者说对Agent的各个特征的重要性的不同理解。 三、智能代理三、智能代理2021/3/1349 有一种理解认为,Agent是

48、一类自动程序,它能够代替人完成某些任务。例如邮件Agent可以代替人对收到的邮件进行分类并处理。这种Agent不仅能够了解企业或人对于邮件处理的规则和习惯,而且在很多情况下比人做得还要好。它的作用就像是我们在日常生活中的旅行代理、税务代理、保险代理等,能够帮助我们完成一些特定的任务。很显然,在这类Agent中,强调的是程序的自治能力和学习能力,把这类Agent翻译成智能代理是合适的。2021/3/1350 另一种理解认为,Agent是功能单一的主体,换句话说,它只是解决某一方面的问题,但是,通过群体Agent的通信和协调,它们可以共同解决非常复杂的问题。在这类系统中,智能并不是体现在个体Age

49、nt上,而是体现在群体Agent上。从目前的研究来看,尽管第一种意义下的Agent也有广泛的应用,但是,从问题求解方法论的角度上讲,单纯的代理行为意义不大。而如果一些简单的Agent能够通过协作完成复杂的任务是我们非常希望的一种解决问题的方式,因此是Agent研究背后的真正动机 。2021/3/1351什么是什么是 Agent?Agent? 实际上并没有一个公认的定义实际上并没有一个公认的定义, ,这也充分说这也充分说明这还是一个发展中的学科。我比较认同下面的明这还是一个发展中的学科。我比较认同下面的定义定义:Agent:Agent是为了达到某个特定的目标是为了达到某个特定的目标, ,在与外在与外部环境的相互作用基础上部环境的相互作用基础上, ,通过对环境状态的认通过对环境状态的认识以及和其他识以及和其他AgentAgent的协作的协作, ,自律地推进问题解决自律地推进问题解决的处理单位。从这个定义来看的处理单位。从这个定义来看, ,AgentAgent应具有以下应具有以下四种基本特征。四种基本特征。2021/3/1352( (自律性自律性):): Agent Agent拥有内部自治机制和问题解决机制拥有内部自治机制和问题解决机制, ,能够能够控制自己的行为和内部状态。无需他人的干涉即可控制自己的行为和内部状态。无需他人的干涉即可根据自己的知识和捕