《人工智能及其应用》
教学讲义
第一章 人工智能概论
第一章 人工智能概论
一、人工智能的基本概念
人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）这一术语是1956年在美国的Dartmouth大学召开的世界第一次AI会议上由麻省理工学院的青年数学教师John McCarthy提议而使用的。AI这一学科至今已有50多年的历史，在国际上已确认AI是当代高科技的核心之一。
AI是一个广义词，各有说法，很难给出准确的定义或一般性的定义。其基本含义是：
AI是用机器（计算机或智能机）来模仿人类的智能行为。
AI也叫机器智能，是研究如何使机器具有认识问题与解决问题的能力，研究如何使机器具有感知功能（如视、听、嗅）、思维功能（如分析、综合、计算、推理、联想、判断、规划、决策）、行为功能（如说、写、画）及学习、记忆等功能。
所以，如果一个计算机系统具有某种学习能力，能够对有关问题给出正确的答案，而使用的方法与人类相似，还能解释系统的智能活动，那么，这种计算机系统便认为具有某种智能。
人工智能用计算机技术的概念和方法对智能进行研究，因此，它从根本上提供了一个全新的理论基础。作为一门学科，人工智能的目的是了解使智能得以实现的原理；作为一门技术，它的最终目的是设计出完全与人类智能相媲美的智能计算机系统。
到目前为止，计算机作为一种最有效的信息处理工具，人们已片刻离不开它。但是，与人脑相比，计算机的智能在许多方面还不及婴幼儿。如果计算机具有一定的智能，能够模拟人类的智能活动，成为人脑的延伸，那么计算机对人类的贡献和作用将产生不可估量的影响，人类将步入智能机器人的时代。
尽管科学家们尚未达到这个目的，但在使计算机更加智能化方面已经取得了很大的进展，许多AI计算机系统在不少领域实际上已超出了高水平的人类技艺，如计算机可以下出极高水平的象棋，用来诊断某种疾病，用来发现数学概念。
AI是使技术适应于人类的钥匙，是自动化技术向智能技术方向发展的关键，也是揭示人类智能和人脑奥秘的有力工具。
二、人工智能的研究内容
要了解人工智能的研究内容，必须先搞清楚什么是人类的智能。“智能”词源来自拉丁语Legere，字面意思是采集、收集和汇集，并由此进行选择。而Intellegere意思是从中进行选择，进而理解、领悟和认识。
因此，人工智能的研究内容应包括三个方面：
1．知识表达(Knowledge Representation)：
——研究如何在机器中表示知识，使知识形式化、模型化，用以建立合适的符号逻辑系统。
2．知识获取(Knowledge Acquisition)：
——研究机器如何从各种知识源获取知识。
3．知识处理(Knowledge Inference)或问题求解(Peoblem Solving)：
——运用存贮于机器中的知识进行相应知识处理，并推出结论。
三、人工智能的理论基础
人工智能的理论基础有三个方面：
1．数学理论：离散数学、模糊数学等。
2．思维科学理论：认知心理学、逻辑或抽象思维学、形象或直感思维学等。
3．计算机工程技术：软件技术和硬件技术。 四、人工智能的发展历史
人工智能学科诞生的标志是，在1956年夏季，由美国麻省理工学院的青年数学教师John McCarthy联合并邀请了几位心理学家、数学家、计算机科学家，在美国Dartmouth大学召开了一次学术讨论会，在会上第一次正式使用了“人工智能”这一术语。事实上，这次会议也只是把以往人们对机器智能的探讨和研究进行了总结分析，提出了一个规范、统一的术语，在此之前人们已经进行了大量的理论研究。
人工智能的产生和发展大致经历了三个阶段：
(1) 孕育期（1956年以前）
早在古希腊时代，人们就开始研究人类思维规律。经过几个世纪的努力，人们先后创立了数理逻辑、自动机理论、控制论、信息论和系统论，并发明了通用电子数字计算机，为人工智能的诞生准备了充足的思想、理论和物质技术条件。
从20世纪的30年代至50年代，是人工智能发展的初始阶段（也叫经典时期），主要以游戏和定理证明为特征。在人工智能的萌芽时期20世纪40年代，有两种研究人工智能的途径。1943年美国的神经生物学家W. McCulloch和Pitts建立了神经元的数学模型，根据神经心理学研究智能的微观结构。另一途径是，英国的数学家Turing提出了理想计算机的数学模型，即Turing机，不去考虑完成智能任务的机器是否与生物生命有相同的结构，而是强调建立一种判别机器具有智能的准则，关心的是智能行为的体现。美国贝尔实验室的C. Shannon开发了世界上第一个计算机下棋程序，使用了状态空间搜索法，成为人工智能的基本方法之一，同时也证明了计算机处理符号的能力。
(2) 形成期（1956年~1970年）
在这个时期，现代人工智能技术正式诞生，并很快在定理证明、问题求解、博弈和LISP语言及模式识别等关键领域取得了重大突破，人工智能作为一门新兴学科得到人们的关注。
1960年，J. McCarthy提出了符号处理语言原型LISP，成为计算机程序设计处理人工智能的基础。H. Simon夫妇用心理学实验证明了人类问题的求解是一个搜索过程，其效率与启发式函数关系很大，
A. Newell等人在此基础上编制了通用问题求解程序GPS，可用来求解11种不同类型的问题。1965年，J. Robinson提出了归结原理。1969年，M. Minsky和S. Papert出版了《感知机》，对感知机算法进行论证。1965年，斯坦福大学的E. Feigenbaum开发了专家系统DENDRAL，通过质谱仪获得的实验数据，DENDRAL可以帮助化学家辨认化学元素的分子结构。
专家系统的诞生，使人工智能开始从实验室走向实际应用，并且发挥了很大的作用。
1969年，由国际上许多团体共同发起，成立了国际人工智能联合会议，并决定每两年召开一次国际人工智能学术会议，报告论文，讨论和交流成果，探讨研究方向。
(3) 成长期（1970年至今）
在这个时期，人工智能研究开始向纵深发展，在更多的领域里取得了重大成就，并开始走向实际应用阶段，在学科上也开始形成了自己的理论体系。
五、人工智能的主要学派及其研究方法 在人工智能研究中有许多学派，如功能学派和结构学派、心理学派和生理学派、启发学派和算法学派等等。不同学派的研究方法、学术观点、工作重点有所不同。
从人工智能的中心内容（研究核心）来看，主要有两种研究方法或途径：
(1) 功能学派
这种学派从人的思维活动和智能行为的心理学特性出发，利用计算机软件与心理学方法，进行宏观功能模拟，也可称为计算机学派或心理学派。
这种研究不关心人的智能器官（大脑）的结构，只是模拟人的智能行为。这种方法的主要成功代表为基于知识表达和知识推理的专家系统。
(2) 结构学派
这种学派从人脑的生理结构原型出发，探讨思维活动的机理，进行结构模拟，也可称为仿生学派或生理学派。
结构派的观点是，要模拟人的智能就必须首先从研究人脑的结构和生理特点出发，制造出与人脑具有类似结构和功能的机器。这一研究的主要代表是人工神经网络、联想记忆、模式识别、图像分析。
从方法论的观点看，结构派采用“白箱”方法，功能派采用“黑箱”方法，但是结构是功能的基础，功能是结构的表现。因此，在人工智能研究中，结构与功能研究应相互促进，“白箱”方法与“黑箱”方法应相互结合，取长补短，才能取得更大的进展。
在功能学派的研究方法中，又分为两派：
(1) 启发派：主要依靠启发推理，利用启发程序进行问题求解。
(2) 算法派：主要依靠算法证明，利用算法程序进行问题求解。
六、人工智能的研究应用领域
1．问题求解
2．逻辑推理与定理证明
3．自然语言理解
4．自动程序设计
5．专家系统
6．机器学习
7．人工神经网络
8．机器人学
9．模式识别
10．机器视觉
11．智能控制
12．智能检索
13．智能调度与指挥
14．系统与语言工具
需要说明的是，各种应用领域不是孤立存在的，而是互相关联的。大多数人工智能研究课题都涉及多个智能领域。
七、人工智能语言 人工智能研究的一个主要任务是用机器来模拟人的智能活动，就是使计算机具有推理、理解、规划、决策、抽象、学习和创造等智能活动的能力。因此，建立一个人工智能系统就离不开程序设计。具有智能的程序与传统的程序有所不同，它所要解决的问题主要不是数值计算，而是大量的符号处理。广义地讲，任何语言都能实现人工智能程序设计，但问题是能否充分表现出人工智能的研究性能和目标。
可供使用的人工智能语言现有10多种，如LISP、SAIL、KRL、PROLOG、OPS5、OPS83等，应用较广泛的是LISP和PROLOG两种。
八、我国人工智能研究概况
50年代末60年代初，在计算机下棋和翻译等方面开展了不少工作。文革期间，停了下来。1978年，国家科学技术发展规划将“智能模拟”列为主要课题之一。1986年，将人工智能、模式识别、智能机器人列为我国“七五”期间重大科技攻关项目，并列入跟踪国际高科技计划。1993年，将智能控制和智能自动化等项目列入国家科技攀登计划。
1981年起，相继成立了许多学术团体：中国人工智能学会，全国高校人工智能研究会，中国计算机学会人工智能与模式识别专业委员会，中国自动化学会模式识别与机器智能专业委员会，中国软件行业协会人工智能协会，中国智能机器人专业委员会，中国计算机视觉与智能控制专业委员会，中国智能自动化专业委员会等。
1989年，召开了首届中国人工智能控制联合会议。1987年，《模式识别与人工智能》杂志创刊。已有多部国内自编的人工智能专著和教材公开出版。
已有数已万计的科技人员和大学师生从事不同层次的人工智能研究与学习，人工智能研究已在我国深入开展。
九、参考文献
1. 涂序彦．人工智能及其应用．电子工业出版社．
2. 李长河．人工智能及其应用．机械工业出版社．
3. 马宪民．人工智能的原理与方法．西北工业大学出版社．
4. 蔡自兴，徐光祜．人工智能及其应用．清华大学出版社．
5. 田盛丰．人工智能原理与应用．北京理工大学出版社．
6. 孙雅明．人工智能基础．水力电力出版社．
7. 杨以涵等．专家系统及其在电力系统中的应用．水力电力出版社．
《人工智能及其应用》
教学讲义
第一章 人工智能概论
第一章 人工智能概论
一、人工智能的基本概念
人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）这一术语是1956年在美国的Dartmouth大学召开的世界第一次AI会议上由麻省理工学院的青年数学教师John McCarthy提议而使用的。AI这一学科至今已有50多年的历史，在国际上已确认AI是当代高科技的核心之一。
AI是一个广义词，各有说法，很难给出准确的定义或一般性的定义。其基本含义是：
AI是用机器（计算机或智能机）来模仿人类的智能行为。
AI也叫机器智能，是研究如何使机器具有认识问题与解决问题的能力，研究如何使机器具有感知功能（如视、听、嗅）、思维功能（如分析、综合、计算、推理、联想、判断、规划、决策）、行为功能（如说、写、画）及学习、记忆等功能。
所以，如果一个计算机系统具有某种学习能力，能够对有关问题给出正确的答案，而使用的方法与人类相似，还能解释系统的智能活动，那么，这种计算机系统便认为具有某种智能。
人工智能用计算机技术的概念和方法对智能进行研究，因此，它从根本上提供了一个全新的理论基础。作为一门学科，人工智能的目的是了解使智能得以实现的原理；作为一门技术，它的最终目的是设计出完全与人类智能相媲美的智能计算机系统。
到目前为止，计算机作为一种最有效的信息处理工具，人们已片刻离不开它。但是，与人脑相比，计算机的智能在许多方面还不及婴幼儿。如果计算机具有一定的智能，能够模拟人类的智能活动，成为人脑的延伸，那么计算机对人类的贡献和作用将产生不可估量的影响，人类将步入智能机器人的时代。
尽管科学家们尚未达到这个目的，但在使计算机更加智能化方面已经取得了很大的进展，许多AI计算机系统在不少领域实际上已超出了高水平的人类技艺，如计算机可以下出极高水平的象棋，用来诊断某种疾病，用来发现数学概念。
AI是使技术适应于人类的钥匙，是自动化技术向智能技术方向发展的关键，也是揭示人类智能和人脑奥秘的有力工具。
二、人工智能的研究内容
要了解人工智能的研究内容，必须先搞清楚什么是人类的智能。“智能”词源来自拉丁语Legere，字面意思是采集、收集和汇集，并由此进行选择。而Intellegere意思是从中进行选择，进而理解、领悟和认识。
因此，人工智能的研究内容应包括三个方面：
1．知识表达(Knowledge Representation)：
——研究如何在机器中表示知识，使知识形式化、模型化，用以建立合适的符号逻辑系统。
2．知识获取(Knowledge Acquisition)：
——研究机器如何从各种知识源获取知识。
3．知识处理(Knowledge Inference)或问题求解(Peoblem Solving)：
——运用存贮于机器中的知识进行相应知识处理，并推出结论。
三、人工智能的理论基础
人工智能的理论基础有三个方面：
1．数学理论：离散数学、模糊数学等。
2．思维科学理论：认知心理学、逻辑或抽象思维学、形象或直感思维学等。
3．计算机工程技术：软件技术和硬件技术。 四、人工智能的发展历史
人工智能学科诞生的标志是，在1956年夏季，由美国麻省理工学院的青年数学教师John McCarthy联合并邀请了几位心理学家、数学家、计算机科学家，在美国Dartmouth大学召开了一次学术讨论会，在会上第一次正式使用了“人工智能”这一术语。事实上，这次会议也只是把以往人们对机器智能的探讨和研究进行了总结分析，提出了一个规范、统一的术语，在此之前人们已经进行了大量的理论研究。
人工智能的产生和发展大致经历了三个阶段：
(1) 孕育期（1956年以前）
早在古希腊时代，人们就开始研究人类思维规律。经过几个世纪的努力，人们先后创立了数理逻辑、自动机理论、控制论、信息论和系统论，并发明了通用电子数字计算机，为人工智能的诞生准备了充足的思想、理论和物质技术条件。
从20世纪的30年代至50年代，是人工智能发展的初始阶段（也叫经典时期），主要以游戏和定理证明为特征。在人工智能的萌芽时期20世纪40年代，有两种研究人工智能的途径。1943年美国的神经生物学家W. McCulloch和Pitts建立了神经元的数学模型，根据神经心理学研究智能的微观结构。另一途径是，英国的数学家Turing提出了理想计算机的数学模型，即Turing机，不去考虑完成智能任务的机器是否与生物生命有相同的结构，而是强调建立一种判别机器具有智能的准则，关心的是智能行为的体现。美国贝尔实验室的C. Shannon开发了世界上第一个计算机下棋程序，使用了状态空间搜索法，成为人工智能的基本方法之一，同时也证明了计算机处理符号的能力。
(2) 形成期（1956年~1970年）
在这个时期，现代人工智能技术正式诞生，并很快在定理证明、问题求解、博弈和LISP语言及模式识别等关键领域取得了重大突破，人工智能作为一门新兴学科得到人们的关注。
1960年，J. McCarthy提出了符号处理语言原型LISP，成为计算机程序设计处理人工智能的基础。H. Simon夫妇用心理学实验证明了人类问题的求解是一个搜索过程，其效率与启发式函数关系很大，
A. Newell等人在此基础上编制了通用问题求解程序GPS，可用来求解11种不同类型的问题。1965年，J. Robinson提出了归结原理。1969年，M. Minsky和S. Papert出版了《感知机》，对感知机算法进行论证。1965年，斯坦福大学的E. Feigenbaum开发了专家系统DENDRAL，通过质谱仪获得的实验数据，DENDRAL可以帮助化学家辨认化学元素的分子结构。
专家系统的诞生，使人工智能开始从实验室走向实际应用，并且发挥了很大的作用。
1969年，由国际上许多团体共同发起，成立了国际人工智能联合会议，并决定每两年召开一次国际人工智能学术会议，报告论文，讨论和交流成果，探讨研究方向。
(3) 成长期（1970年至今）
在这个时期，人工智能研究开始向纵深发展，在更多的领域里取得了重大成就，并开始走向实际应用阶段，在学科上也开始形成了自己的理论体系。
五、人工智能的主要学派及其研究方法 在人工智能研究中有许多学派，如功能学派和结构学派、心理学派和生理学派、启发学派和算法学派等等。不同学派的研究方法、学术观点、工作重点有所不同。
从人工智能的中心内容（研究核心）来看，主要有两种研究方法或途径：
(1) 功能学派
这种学派从人的思维活动和智能行为的心理学特性出发，利用计算机软件与心理学方法，进行宏观功能模拟，也可称为计算机学派或心理学派。
这种研究不关心人的智能器官（大脑）的结构，只是模拟人的智能行为。这种方法的主要成功代表为基于知识表达和知识推理的专家系统。
(2) 结构学派
这种学派从人脑的生理结构原型出发，探讨思维活动的机理，进行结构模拟，也可称为仿生学派或生理学派。
结构派的观点是，要模拟人的智能就必须首先从研究人脑的结构和生理特点出发，制造出与人脑具有类似结构和功能的机器。这一研究的主要代表是人工神经网络、联想记忆、模式识别、图像分析。
从方法论的观点看，结构派采用“白箱”方法，功能派采用“黑箱”方法，但是结构是功能的基础，功能是结构的表现。因此，在人工智能研究中，结构与功能研究应相互促进，“白箱”方法与“黑箱”方法应相互结合，取长补短，才能取得更大的进展。
在功能学派的研究方法中，又分为两派：
(1) 启发派：主要依靠启发推理，利用启发程序进行问题求解。
(2) 算法派：主要依靠算法证明，利用算法程序进行问题求解。
六、人工智能的研究应用领域
1．问题求解
2．逻辑推理与定理证明
3．自然语言理解
4．自动程序设计
5．专家系统
6．机器学习
7．人工神经网络
8．机器人学
9．模式识别
10．机器视觉
11．智能控制
12．智能检索
13．智能调度与指挥
14．系统与语言工具
需要说明的是，各种应用领域不是孤立存在的，而是互相关联的。大多数人工智能研究课题都涉及多个智能领域。
七、人工智能语言 人工智能研究的一个主要任务是用机器来模拟人的智能活动，就是使计算机具有推理、理解、规划、决策、抽象、学习和创造等智能活动的能力。因此，建立一个人工智能系统就离不开程序设计。具有智能的程序与传统的程序有所不同，它所要解决的问题主要不是数值计算，而是大量的符号处理。广义地讲，任何语言都能实现人工智能程序设计，但问题是能否充分表现出人工智能的研究性能和目标。
可供使用的人工智能语言现有10多种，如LISP、SAIL、KRL、PROLOG、OPS5、OPS83等，应用较广泛的是LISP和PROLOG两种。
八、我国人工智能研究概况
50年代末60年代初，在计算机下棋和翻译等方面开展了不少工作。文革期间，停了下来。1978年，国家科学技术发展规划将“智能模拟”列为主要课题之一。1986年，将人工智能、模式识别、智能机器人列为我国“七五”期间重大科技攻关项目，并列入跟踪国际高科技计划。1993年，将智能控制和智能自动化等项目列入国家科技攀登计划。
1981年起，相继成立了许多学术团体：中国人工智能学会，全国高校人工智能研究会，中国计算机学会人工智能与模式识别专业委员会，中国自动化学会模式识别与机器智能专业委员会，中国软件行业协会人工智能协会，中国智能机器人专业委员会，中国计算机视觉与智能控制专业委员会，中国智能自动化专业委员会等。
1989年，召开了首届中国人工智能控制联合会议。1987年，《模式识别与人工智能》杂志创刊。已有多部国内自编的人工智能专著和教材公开出版。
已有数已万计的科技人员和大学师生从事不同层次的人工智能研究与学习，人工智能研究已在我国深入开展。
九、参考文献
1. 涂序彦．人工智能及其应用．电子工业出版社．
2. 李长河．人工智能及其应用．机械工业出版社．
3. 马宪民．人工智能的原理与方法．西北工业大学出版社．
4. 蔡自兴，徐光祜．人工智能及其应用．清华大学出版社．
5. 田盛丰．人工智能原理与应用．北京理工大学出版社．
6. 孙雅明．人工智能基础．水力电力出版社．
7. 杨以涵等．专家系统及其在电力系统中的应用．水力电力出版社．