《工学自然计算》ppt课件

1、自然计算计算机学院制 孙磊 匡乃亮自然计算1.自然计算研究的内容和特点2.自然计算的兴起及其特征3.自然计算的改进映射模型4.自然计算的新应用数字墨水5.总结和展望自然计算1.自然计算研究的内容和特点2.自然计算的兴起及其特征3.自然计算的改进映射模型4.自然计算的新应用数字墨水5.总结和展望自然计算 自然计算是一种表示受自然界启发的计算。 包括：从理论上和经历上对受自然启发的计算的理解。 自然计算具有模拟自然界的特点，通常是一类具有自适应、自组织、自学习才能的模型与算法，可以解决传统计算方法难于解决的各种复杂问题。自然计算的应用领域包括复杂优化问题求解、智能控制、形式识别、网络平安、硬件设计

2、、社会经济、生态环境等方面的应用。自然计算的兴起 近年来，随着信息技术，生物技术，光量子技术等尖端技术的开展，计算机科学与其他学科不断穿插和演化，产生和开展的一批崭新的，生命力强，功能强大的计算分支，如DNA计算，量子计算，免疫计算，进化计算等。 1994年美国计算机科学家阿德勒曼博士第一次利用现代分子生物技术, 成功地在溶液中完成了哈密尔顿有向路问题的试管中进展了实验。 1997年美国的艾萨克庄等人率先研制成功两个量子比特的核磁共振量子逻辑门。 1997年开场兴起的免疫计算,并不断有国际会议或期刊专题讨论免疫计算机制。人工免疫系统最初是由免疫学理论和观察到的免疫功能、原理和模型启发而产生的适

3、应性系统。1990年伯西尼Bersini首次使用免疫算法来解决实际问题。20世纪末福雷斯特Forrest等人开场将免疫算法应用于计算机平安领域；同期亨特Hunt等人开场将免疫算法应用于机器学习领域。自然计算1.自然计算研究的内容和特点2.自然计算的兴起及其特征3.自然计算的改进映射模型4.自然计算的新应用数字墨水5.总结和展望自然计算的兴起产生的必要性1.人工智能缺乏坚实的数学根底。人工智能研究者需要一个诸如信息论、概率论、和优化的之类的数学主题作为背景。2.自然计算研究的是如何使用数学工具模拟人脑的表示、推理、学习等功能。 因此，近年来自然计算正成为人工智能最重要的数学根底之一。自然计算的特

4、征1.一般系统的体系构造2.自然计算的特征一般系统可又底层、中间层、高层三层构成底层包括执行模块和监视模块，其功能是执行和监视结果与异常。中间层包括控制模块和计算模块，其功能是控制和计算信息。高层包括智能模块，其功能是模拟人类智能行为。 如图2所示：计算模块控制模块监视模块智能模块执行模块自然计算1.自然计算研究的内容和特点2.自然计算的兴起及其特征3.自然计算的改进映射模型4.自然计算的新应用数字墨水5.总结和展望自然计算的特征自然计算伴随着一些新的计算分支的产生。他们都具有如下的新特征：1自然性： 在自然界存在着自然的计算形式。例如人脑，生物进化等等。2穿插性： 自然计算可以描绘成所有新兴

5、计算分支的交集的映射集合。3革命性： 基于当前开展的计算技术的共同计算机制，已提出自然计算来统一这些新的分支。4复杂性： 由于自然计算是新兴的、复杂的，并且其复杂性与自然界的许多机制都有关。所以很难确定其复杂性。对于自然计算问题，其信息是部分的。基于人工智能方法，可以分析自然计算的复杂性，并允许精度比常规分析低一些的分析方法。自然计算的映射模型按照与人脑的关系，自然计算可以分为两种：大脑的自然计算和其他的自然对象的自然计算。可以通过大脑电化反响的建模和计算来获得对大脑的根本理解，换句话说，可以把电脑理解为一个图灵机。非人脑自然对象的自然计算可以通过大脑功能映射到模拟计算。自然计算的改进映射模型

6、T表示映射，它将集合NCno中的元素自然对象no不是脑元素映射到集合SCco中的机 器元素co，并且co表示no的像，即计算机元素，no成为原像。那么T可以描绘成大脑中的两个映象操 作的乘积，极为下式T: no-co,Tno=coT=T1T2T1表示大脑的输入映象，而其功能就是再组织、理解和学习自然计算的信息。T2表示大脑的输出映象 ，而其功能就是创造和设计人工机器的模拟计算，包括计算机和人工智能机器。最初，大脑再组织、理解和学习从自然计算的自然对象搜集的信息，产生了第1个映象T1。然后，这 个大脑创造和设计人工机器的模拟计算，用来模拟自然计算，产生了第2个映射T2。因此产生从自然 计算到模拟

7、计算的映射T=T1T2。运行人工机器之后，人工机器的一些输出结果就反响给大脑，即大脑再次获取一些新的信息，并产生一个新的映射T1，用以改变T。如今TT1T2或者TT1T2T1 自然对象自然对象人工机器人工机器大脑大脑T T：no-co,Tno-co,Tnono=co=coT=T1T=T1* *T2T2图3 自然计算的改进映射模型自然计算算法首先，搜集系统的控制任务信息，用来设置系统的目的然后该系统需要选择控制策略、计算算法和智能机制。最后，运行这个系统并获得一些结果。如图4的一般系统图4 系统算法框图自然计算的编码模拟计算的编码结果就是一个形式对象序列，例如二进制数字、种群等。令oi,oi i

8、s an object是一个对象集合，f*是对象的编码函数，而S是一个条形或其他形状的无限存储器，那么自然计算的编码如下：fo1 fo2 foi fon S自然计算的外部特征是多变的，但却具有与模拟计算一样的计算机制。不同的控制策略和不同的计算算法导致自然计算的不同特征。自然计算1.自然计算研究的内容和特点2.自然计算的兴起及其特征3.自然计算的改进映射模型4.自然计算的新应用数字墨水5.总结和展望数字墨水 今天，虽然计算技术已得到了飞跃式的开展，但纸和笔的便利性与极强的表现才能仍无法取代 数字墨水希望找到一种比现有人机技术更加简单化和人性化的自然人机交互途径，实现“在任一时间、任一地点、以任

9、一设备与任何人沟通，让个人计算在每时每刻帮助每一个普通用户。微软亚洲技术院 王坚博士 2004.4.7数字墨水，开启自然计算的新时代数字墨水数字墨水是一种新的人机界面技术，它借鉴了 “手写识别方面的研究成果，超越了“手写识别技术的许多局限。数字墨水的处理包括了数字墨水的表示、压缩和显示、智能的墨水分析技术、墨水标记和注解技术、墨水的智能操作以及墨水存储和搜索等一系列有关技术。数字墨水数字墨水中的关键技术之一数字墨水分析技术可以对记录下来的“数字墨水进展构造化和深度分析，其分析目的不是要去解决“写的是什么字，而是要解决用户到底在写什么是字还是“涂鸦以及是如何写的。 数字墨水数字墨水可以用墨水格式

10、保存，将手写的笔迹以墨水的形式保存，不会丧失任何信息。用户不再需要利用其它的Windows应用程序，来把手绘、手写的笔迹转换为别的格式来保存、发送和编辑。同样，由于Windows 平台将“数字墨水定义为“根本数据类型之一，这就如同文本得到操作系统这一级别上的支持一样，数字墨水在不同应用软件之间的交换已变得非常容易。 数字墨水2005年3月29日，微软亚洲研究院在“研究成果开放日活动上，展示了这项针对平板电脑开发的一项创新性技术：数字墨水技术。开发人员在现场进展了演示： 在Tablet PC上随意的画一个表格计算机可以识别这个表格，用户还可以进展调整。文字和表格的相对位置可以类似文字处理软件中一样，左对齐或者右对齐 假如你需要计算机甚至按照你的要求生成数据图表 实时墨水仿真 这是香港理工大学的学者S.-H. Chu和Chiew-Lan Tai共同研究的一种用于艺术创作的模拟墨水在吸水纸