智能计算和计算智能简介-课件.ppt

1、1-2011年3月7日星期一2-2011年3月7日星期一3-2011年3月7日星期一p智能（智能（Intelligence）智能就是智慧和能力，是个体智能就是智慧和能力，是个体有目的的行为有目的的行为、合理合理的思维的思维以及以及有效地适应环境有效地适应环境的综合性能力的综合性能力理解知识是如何获得、表述和存储的理解知识是如何获得、表述和存储的理解智能行为是如何产生和学得的理解智能行为是如何产生和学得的理解动机、情感和优先级是如何逐渐形成和运用的理解动机、情感和优先级是如何逐渐形成和运用的理解感官信号是如何被转换为符号；符号又是如何被处理来进行逻辑活动，对过理解感官信号是如何被转换为符号；符号

2、又是如何被处理来进行逻辑活动，对过 去进行推理，为未来制定计划的去进行推理，为未来制定计划的理解智能的机制是如何产生幻觉、信仰、希望、恐惧和梦想等现象，甚至还有善理解智能的机制是如何产生幻觉、信仰、希望、恐惧和梦想等现象，甚至还有善 与爱与爱从基本层面上理解这些作用，将会是一个如核物理，相对论和分子遗传学那样级别从基本层面上理解这些作用，将会是一个如核物理，相对论和分子遗传学那样级别的科学成就的科学成就4-2011年3月7日星期一p人工智能（人工智能（Artificial Intelligence）n“前沿学科的最精彩成就前沿学科的最精彩成就”（宋健）（宋健）n定义（广义）：通过对人类智力活动

3、奥秘的探索定义（广义）：通过对人类智力活动奥秘的探索与记忆思维机理的研究，以实现两方面的目的：与记忆思维机理的研究，以实现两方面的目的：开发人类智力活动的潜能开发人类智力活动的潜能探讨用各种（电气的、光学的、生物的甚至机械的）机探讨用各种（电气的、光学的、生物的甚至机械的）机器模拟人类智力活动的途径，使人类的智能得以器模拟人类智力活动的途径，使人类的智能得以物化与物化与延伸延伸n定义（狭义）：用计算机模型定义（狭义）：用计算机模型模拟思维功能模拟思维功能的科的科学学5-2011年3月7日星期一p人工智能（人工智能（Artificial Intelligence）n三个关键部分三个关键部分表示（

4、表示（Representation）：表示问题域的知识）：表示问题域的知识推理（推理（Reasoning）：解决问题的能力）：解决问题的能力学习（学习（Learning）：即机器学习，改善系统性能，适应）：即机器学习，改善系统性能，适应环境环境n目前为止最成功的应用目前为止最成功的应用专家系统专家系统6-2011年3月7日星期一p人工智能（人工智能（）n创立创立夏，夏，Dartmouth Universityl J.McCarthy(Dartmouth U.)lM.L.Minsky(Harvard U.)lC.E.Shannon(Bell)lN.Lochester(IBM)lT.More(IB

5、M)lA.L.Samuel(IBM)lO.Selfridge(MIT)lR.Solomonff(MIT)lA.Newell(Carnagie)lH.A.Simon(Carnagie)7-2011年3月7日星期一p人工智能（人工智能（）n三大学派三大学派n符号主义学派（逻辑学派）符号主义学派（逻辑学派）起源：源于数学逻辑起源：源于数学逻辑原理：物理符号系统假设和有限合理性原理原理：物理符号系统假设和有限合理性原理基本理论：基本理论：认为人的认知基元是符号，认知过程即符号操作过程认为人的认知基元是符号，认知过程即符号操作过程 认为人是一个物理符号系统，计算机也是一个物理符认为人是一个物理符号系统，

6、计算机也是一个物理符号系统，因些，能用计算机来模拟人的智能行为号系统，因些，能用计算机来模拟人的智能行为认为知识是信息的一种形式，是构成智能的基础。人认为知识是信息的一种形式，是构成智能的基础。人工智能的核心问题是知识表示、知识推理和知识运用工智能的核心问题是知识表示、知识推理和知识运用代表性成果：启发式程序代表性成果：启发式程序LT逻辑理论家，证明了逻辑理论家，证明了38条数学条数学定理，表明了可以用计算机研究人的思维过程，模拟人类定理，表明了可以用计算机研究人的思维过程，模拟人类智能活动智能活动8-2011年3月7日星期一p人工智能（人工智能（）n三大学派三大学派n联接主义学派（仿生学派）

7、联接主义学派（仿生学派）起源：源于仿生学，特别是对人脑模型的研究起源：源于仿生学，特别是对人脑模型的研究原理：神经网络及神经网格间的连接机制与学原理：神经网络及神经网格间的连接机制与学习算法习算法基本理论基本理论认为思维基元是神经元，而不是符号处理过程认为思维基元是神经元，而不是符号处理过程 认为人脑不同于电脑，并提出联接主义的大脑工作认为人脑不同于电脑，并提出联接主义的大脑工作模式，用于取代符号操作的电脑工作模式模式，用于取代符号操作的电脑工作模式 代表性代表性成果：成果：MP模型（脑模型），开创了用模型（脑模型），开创了用电子装置模仿人脑结构和功能的新途径电子装置模仿人脑结构和功能的新途径

8、9-2011年3月7日星期一p人工智能（人工智能（）n三大学派三大学派n行为（进化）主义学派（控制论学派）行为（进化）主义学派（控制论学派）起源：源于控制论，人工智能的建立应采用对自然智能起源：源于控制论，人工智能的建立应采用对自然智能进化过程仿真的方法。进化过程仿真的方法。基本理论基本理论认为智能取决于感知和行动，提出认为智能取决于感知和行动，提出 智能行为的智能行为的“感感知知-动作动作”模式；模式；认为智能不需要知识、不需要表示、不需要推理；认为智能不需要知识、不需要表示、不需要推理；人工智能可以象人类智能一样逐步进行；智人工智能可以象人类智能一样逐步进行；智 能行为能行为只能在现实世界

9、中与周围环境只能在现实世界中与周围环境 交互作用而表现出来交互作用而表现出来代表性成果：机器虫（基于感知代表性成果：机器虫（基于感知-动作模式的模拟昆虫动作模式的模拟昆虫行为的控制系统）行为的控制系统）10-2011年3月7日星期一p计算智能（计算智能（）n定义定义借鉴仿生学思想借鉴仿生学思想，基于生物体系的生物进化、细胞网络等机制，基于生物体系的生物进化、细胞网络等机制，用数学语言用数学语言抽象描述的计算方法，用以抽象描述的计算方法，用以模仿生物体系和人类的模仿生物体系和人类的智能机制智能机制J.C.Bezdek：一个系统是计算智能的，当它仅处理：一个系统是计算智能的，当它仅处理低层次的低层

10、次的数据信息数据信息，具有模式识别元件，没有使用在，具有模式识别元件，没有使用在AI意义上的意义上的知识知识n软计算（软计算（Soft Computing,SC）与硬计算（）与硬计算（Hard Computing,HC）L.A.Zadehl软计算：人工神经网络、进化计算、模糊集理论软计算：人工神经网络、进化计算、模糊集理论非非精确算精确算法，法，即便是对象模型和边界条件不够精确和完整也能够得出即便是对象模型和边界条件不够精确和完整也能够得出合合理的解，理的解，CI本质上讲属于软计算（本质上讲属于软计算（L.Zadeh）l硬计算：硬计算：精确、严格的计算，精确、严格的计算，要求系统的要求系统的精

11、确模型参数精确模型参数和和严格严格的边界条件的边界条件11-2011年3月7日星期一p计算智能（计算智能（）n重要特征（重要特征（J.C.Bezdek）适应性运算能力适应性运算能力计算的容错能力计算的容错能力人脑的计算速度人脑的计算速度与人脑一样决策与思维的正确率与人脑一样决策与思维的正确率n重要特征（共识）重要特征（共识）lCI与与AI不同，不同，CI主要依赖的是生产者提供的主要依赖的是生产者提供的数字材料数字材料，而不是，而不是依赖于知识，主要借助于依赖于知识，主要借助于数字计算方法数字计算方法lCI的内容本身具有明显的的内容本身具有明显的数值计算信息处理数值计算信息处理特征特征lCI强调

12、用强调用“计算计算”的方法来研究和处理的方法来研究和处理智能问题智能问题lCI概念的积极意义在于促进了基于概念的积极意义在于促进了基于计算计算的或基于计算和基于符的或基于计算和基于符号物理相结合的各种智能理论、模型、方法的综合号物理相结合的各种智能理论、模型、方法的综合集成集成，解决，解决更复杂问题更复杂问题计算：在解空间进行搜索的过程12-2011年3月7日星期一p计算智能（计算智能（）n从硬件上看从硬件上看计算神经网络是低层次的计算神经网络是低层次的人工神经网络是中等层次的，人工神经网络是中等层次的，=由计算神经网络由计算神经网络+知识知识生物神经网络是高层次的，就是人脑生物神经网络是高层

13、次的，就是人脑n从软件上看从软件上看l计算智能是低层次的算法，计算地推理计算智能是低层次的算法，计算地推理l人工智能是中等层次的模型，人工智能是中等层次的模型，=计算智能计算智能+知识知识l生物智能是高层次的，是人脑中的思维生物智能是高层次的，是人脑中的思维13-2011年3月7日星期一p计算智能（计算智能（）n智能的三个层次（智能的三个层次（J.C.Bezdek）l第一层次：生物智能（第一层次：生物智能（Biological Intelligence,BI）,由大脑中的物理化学过程所反映出来的，由大脑中的物理化学过程所反映出来的，大脑大脑是是BI的的物质基础物质基础l第二层次：人工智能（第二

14、层次：人工智能（Aritificial Intelligence,AI）,非生物的、人造的，其基础是非生物的、人造的，其基础是符号系统及其处理符号系统及其处理，并并且来源于且来源于人的知识和有关数据人的知识和有关数据l第三层次：计算智能（第三层次：计算智能（Computational Intelligence,CI）,由计算机通过由计算机通过数学计算数学计算来实现，它的来源是来实现，它的来源是数值数值计算以及传感器所得到的数据计算以及传感器所得到的数据低低高高14-2011年3月7日星期一p计算智能（计算智能（）n三层次智能关系三层次智能关系AI是是CI到到BI的过渡环节的过渡环节模糊集表示和

15、模糊集表示和模糊逻辑技术模糊逻辑技术15-2011年3月7日星期一p计算智能（计算智能（）n三层次智能关系三层次智能关系另一种观点另一种观点AI和和CI是不同的范畴，虽然它们之间有部分重合，但是不同的范畴，虽然它们之间有部分重合，但CI是一个全新的学科领域是一个全新的学科领域无论是生物智能还是机器智能，无论是生物智能还是机器智能，CI都是最核心部分，而都是最核心部分，而AI是外层是外层nCI的根本性质的根本性质l对象特征：对象特征：非线性非线性和和不确定性不确定性的问题的问题l基石：基石：人工神经网络人工神经网络l实现途径：实现途径：数值计算数值计算MATLAB是一套高性能的数值计算是一套高性

16、能的数值计算和可视化数学软件。和可视化数学软件。由于使用由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，在求解诸如信号处理、达方式完全一致，在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。是攻这是其它高级语言所不能比拟的。是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。掌握的基本工具。MATLAB工具箱可用工具箱可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、来求解各类学

17、科的问题，包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等。图象处理、控制系统辨识、神经网络等。16-2011年3月7日星期一p计算智能（计算智能（）n创立创立1994.6-7,WCCI(World Congress on Computational Intelligence)lJ.C.Bezdek,What is Computational Intelligence?lL.Zadeh,模糊系统模糊系统lH.P.Schwefel,进化计算进化计算lS.K.Rogers,神经网络神经网络17-2011年3月7日星期一p计算智能的研究方法计算智能的研究方法n基础：模型、算法、实验基础：模型、算法、

18、实验n模型模型n符号系统及其上的操作，是三元组符号系统及其上的操作，是三元组(数据集，操作，规则数据集，操作，规则)nCI研究对象是具有以下特征的数学模型研究对象是具有以下特征的数学模型n符合模型的严格定义而又非常具体符合模型的严格定义而又非常具体n兼有生物学背景知识兼有生物学背景知识n描述某一智能行为描述某一智能行为18-2011年3月7日星期一p计算智能的研究方法计算智能的研究方法n算法算法n以计算理论、计算技术和计算工具研究以计算理论、计算技术和计算工具研究对象模型对象模型的核心的核心n特征：具有计算功能的算法，一般应具有特征：具有计算功能的算法，一般应具有数值构造性数值构造性、迭代性、

19、收敛性、稳定性和实效性迭代性、收敛性、稳定性和实效性n数值构造性：解是由数值量数值构造性：解是由数值量构造的构造的n迭代性：计算公式上表现为递推，理论上表现为动力学性迭代性：计算公式上表现为递推，理论上表现为动力学性质，算法实现上表现为循环质，算法实现上表现为循环n收敛性：算法结束于稳定的结果上（收敛性：算法结束于稳定的结果上（能够找到解能够找到解）n稳定性：初始误差在迭代过程中可以得到控制稳定性：初始误差在迭代过程中可以得到控制n实效性：在有限的存储空间和有效的运算时间内得到有意实效性：在有限的存储空间和有效的运算时间内得到有意义的计算结论义的计算结论19-2011年3月7日星期一p计算智能

20、的研究方法计算智能的研究方法n实验实验n对算法的对算法的有效性有效性、实效性实效性以及以及效果性能效果性能评价，在许多情评价，在许多情况下是借助于实验来进行的，甚至况下是借助于实验来进行的，甚至难以用理论分析来替难以用理论分析来替代的代的n程序设计程序设计是实验环境建设的是实验环境建设的核心问题核心问题n程序设计的依据是算法程序设计的依据是算法n数学算法：面向问题，数据在于表示数学算法：面向问题，数据在于表示n程序算法：面向计算机，数据在于存储程序算法：面向计算机，数据在于存储n经过数据存储逻辑结构的选择，由数学算法得到程序算法经过数据存储逻辑结构的选择，由数学算法得到程序算法n程序设计方法程

21、序设计方法n面向过程的程序设计方法面向过程的程序设计方法(Procedure-Oriented,C)n面向对象的程序设计方法面向对象的程序设计方法(Object-Oriented,C+)n面向目标的程序设计方法面向目标的程序设计方法(Goal-Oriented,Matlab)20-2011年3月7日星期一p智能计算（智能计算（）n智能计算是实现计算智能系统的智能计算是实现计算智能系统的计算方法计算方法lCI是学科范畴，研究领域是学科范畴，研究领域lIC是是CI的方法的方法21-2011年3月7日星期一p智能计算（智能计算（）n智能计算的特点智能计算的特点l能够处理一些能够处理一些真实世界的现实

22、信息真实世界的现实信息，这些信息可能是定性、定，这些信息可能是定性、定量描述，也可能是具有量描述，也可能是具有不完整、不精确或不确定性不完整、不精确或不确定性的数据的数据l以对观察和测量所得数据进行以对观察和测量所得数据进行分类的能力分类的能力为基础，依赖于强化为基础，依赖于强化数值计算，从中发现、推理知识或分辨、预测系统的某些特点、数值计算，从中发现、推理知识或分辨、预测系统的某些特点、过程或结果对象等过程或结果对象等l受感于生物的计算机理，受感于生物的计算机理，通过学习、自组织等方式对信息进行通过学习、自组织等方式对信息进行综合、归纳或推理综合、归纳或推理，从而建立符号主义（，从而建立符号

23、主义（Symbolism）、连）、连接主义（接主义（Connectionism）或行为主义（）或行为主义（Behaviourism）AI的三大学派的三大学派的数学模型的数学模型l建立的数学模型具有对信息进行建立的数学模型具有对信息进行综合或并行处理能力综合或并行处理能力，具有适，具有适应外部变化情况的应外部变化情况的自主控制能力自主控制能力、具有、具有自扩展性自扩展性和系统的和系统的稳健稳健性性22-2011年3月7日星期一p智能计算（智能计算（）n关于搜索（关于搜索（Searching）l搜索是对问题的一种求解方法、技术和过程搜索是对问题的一种求解方法、技术和过程l搜索是搜索是面向问题面向问

24、题的，将问题域的解集构造成一个解空间，的，将问题域的解集构造成一个解空间，搜索就是在解空间中找到满足问题条件的目标集（解集）搜索就是在解空间中找到满足问题条件的目标集（解集）l搜索关注的是搜索关注的是“找到找到”解集，而不仅仅是解集，而不仅仅是“证明证明”其其存存在性在性，搜索方法、技术和过程是，搜索方法、技术和过程是构造性的构造性的l搜索与学习、推理、优化搜索与学习、推理、优化l如果问题域的解集是如果问题域的解集是“新知识新知识”或或“新概念新概念”，那么搜索，那么搜索过程就是过程就是学习学习l如果问题域的解集是如果问题域的解集是“新结论新结论”，那么搜索过程就是，那么搜索过程就是推理推理l

25、如果问题域的解集是如果问题域的解集是“最优解最优解”，那么搜索过程就是，那么搜索过程就是优化优化23-2011年3月7日星期一p智能信息处理（智能信息处理（）n含义含义将将不完全、不可靠、不精确、不一致和不确定的知识和信息不完全、不可靠、不精确、不一致和不确定的知识和信息逐步改变为逐步改变为完全、可靠、精确、一致和确定的知识和信息完全、可靠、精确、一致和确定的知识和信息的的过程和方法，利用对不精确性、不确定性的容忍来达到问题过程和方法，利用对不精确性、不确定性的容忍来达到问题的可处理性和鲁棒性。的可处理性和鲁棒性。n涉及到的领域涉及到的领域l现代信号处理现代信号处理l人工神经网络人工神经网络l

26、模糊系统理论模糊系统理论l进化计算进化计算l人工智能理论和方法的综合应用人工智能理论和方法的综合应用24-2011年3月7日星期一p智能信息处理（智能信息处理（）n涉及到的理论、方法和工具有涉及到的理论、方法和工具有l人工神经网络人工神经网络利用非线性映射的思想和并行处理的方法，利用非线性映射的思想和并行处理的方法，用神经网络本身结构表达输入与输出关联知识的隐函数编码用神经网络本身结构表达输入与输出关联知识的隐函数编码l模糊理论模糊理论利用模糊推理规则，从数据中挖掘知识表达的逻利用模糊推理规则，从数据中挖掘知识表达的逻辑关系辑关系l进化计算进化计算l协同计算协同计算l信息融合信息融合l盲分离技

27、术盲分离技术l分形理论分形理论l粗糙集理论粗糙集理论基于不可分辨性的思想和知识简化的方法，从基于不可分辨性的思想和知识简化的方法，从数据中推理逻辑规则作为知识表达系统的数学模型数据中推理逻辑规则作为知识表达系统的数学模型l认知图及其应用认知图及其应用25-2011年3月7日星期一p智能信息处理（智能信息处理（）n利用智能计算来实现智能信息处理的过程利用智能计算来实现智能信息处理的过程l理解该领域知识和相关的先验知识，理解该领域知识和相关的先验知识，明确系统目标明确系统目标l创建相关数据库创建相关数据库，包括确定系统的特征参量、选择系统，包括确定系统的特征参量、选择系统的训练学习样本、选择系统的

28、测试样本的训练学习样本、选择系统的测试样本l数据整理和预处理数据整理和预处理，包括不完整、不精确数据或定量信，包括不完整、不精确数据或定量信息、语意定性描述以及信息离散化、模糊化、特征提取息、语意定性描述以及信息离散化、模糊化、特征提取等等l利用某种利用某种智能计算智能计算方法，进行数据简化，确定系统的有方法，进行数据简化，确定系统的有用特征参数或变量，化简系统，用特征参数或变量，化简系统，建立相应的数学模型或建立相应的数学模型或逻辑规则逻辑规则l测试测试从数据中挖掘或建立的数学模型或逻辑规则，并解从数据中挖掘或建立的数学模型或逻辑规则，并解释所得到的模式结果，进一步加工、综合系统，运用挖释所

29、得到的模式结果，进一步加工、综合系统，运用挖掘的知识掘的知识解决客观世界的实际问题解决客观世界的实际问题26-2011年3月7日星期一p智能信息处理（智能信息处理（）n通过智能计算，从数据中挖掘知识，产生的信息通过智能计算，从数据中挖掘知识，产生的信息类型类型l关联信息：若干个事件相关联的信息关联信息：若干个事件相关联的信息l时序模式：发生概率最高的模式时序模式：发生概率最高的模式l聚类信息：对数据进行聚类聚类信息：对数据进行聚类l分类信息：进行分类的特性描述分类信息：进行分类的特性描述l偏差信息：反映异常情况偏差信息：反映异常情况l预测信息：从现有的数据中建立数学模型，计算未来值预测信息：从

30、现有的数据中建立数学模型，计算未来值27-2011年3月7日星期一p本课程主要内容本课程主要内容n模糊逻辑模糊逻辑n智能的逻辑观点：仿生智能的逻辑观点：仿生行为行为，模拟智能的表现行为，模拟智能的表现行为n智能的表现：智能的表现：推理推理n模拟内容：模拟内容：逻辑思维能力逻辑思维能力n遗传算法（遗传算法（+模拟退火算法）模拟退火算法）n智能的演化观点：仿生智能的演化观点：仿生过程过程，模拟生命生成过程和智能进化过，模拟生命生成过程和智能进化过程程n智能的表现：智能的表现：搜索搜索n模拟内容：模拟内容：生命体的进化能力生命体的进化能力n人工神经网络人工神经网络n智能的结构观点：仿生智能的结构观点

31、：仿生结构结构，模拟智能产生与作用赖以存在的，模拟智能产生与作用赖以存在的结构结构n智能的表现：智能的表现：学习学习n模拟内容：模拟内容：形象思维能力形象思维能力n粗糙集粗糙集28-2011年3月7日星期一p理解人类认知与智能的机制是人理解人类认知与智能的机制是人类面临的最困难和最复杂的课题类面临的最困难和最复杂的课题之一之一p智能领域的研究永远是问题多于智能领域的研究永远是问题多于答案答案p智能信息处理方向富有创新的需智能信息处理方向富有创新的需求、创新的价值、创新的空间求、创新的价值、创新的空间p使命：刻苦积累、努力创新使命：刻苦积累、努力创新29-2011年3月7日星期一pReferen

32、cesn蔡自兴蔡自兴.人工智能及其应用（第三版，研究生用书）人工智能及其应用（第三版，研究生用书）.清华大学出清华大学出版社版社,2004n张颖张颖,刘艳秋刘艳秋.软计算方法软计算方法.科学出版社科学出版社,2002n高隽高隽.智能信息处理方法智能信息处理方法.机械工业出版社机械工业出版社,2004n增黄麟增黄麟.智能计算智能计算.重庆大学出版社重庆大学出版社,2004n周春光周春光,梁艳春梁艳春.计算智能计算智能.吉林大学出版社吉林大学出版社,2001n郭嗣琮郭嗣琮,陈刚陈刚.信息科学中的软计算方法信息科学中的软计算方法.东北大学东北大学,2001n计算机学报计算机学报n软件学报软件学报n计算机研究与发展计算机研究与发展n模式识别与人工智能模式识别与人工智能 30-2011年3月7日星期一