机器智能_李蕾，王小捷著_9787302423867

机器智能

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丛书名：全国高等学校智能科学与技术专业规划教材

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本书介绍了机器智能的基本概念、理论方法和应用情况，全书共10章，主要内容包括智能、信息、知识、决策等相关的基本概念，结构模拟方法（人工神经网络）的研究思路、基本模型、学习算法、工作原理、典型应用以及优势与困难，功能模拟方法（传统人工智能、专家系统）的知识表示、知识获取、知识应用以及困难所在，行为模拟方法（感知动作系统）的机器感知、模式分类、感知动作系统、机器学习、计算智能以及局限性，机制模拟方法（信息知识智能转换）的全信息理论、知识理论、知识生态模型、智能生成机制以及全信息自然语言理解等，并通过机制模拟把多年来相对独立发展的结构模拟、功能模拟和行为模拟三大学派有机地融为一体，介绍了智能统一理论。在此基础上，拓展介绍了智能与情感相互作用模型、机器智能的宏观应用（智能信息网络）和微观应用（智能机器人）以及机器智能领域的几个前沿未决问题，包括复杂系统理论、不确定性理论和智能数学。本书可作为高等院校智能科学与技术相关专业高年级本科生的教材以及计算机类、信息技术类与自动化类相关专业本科生的参考用书，也适合对智能科学技术有兴趣的广大读者阅读。

智能科学与技术是我国高等学校一个年轻的本科专业，从2004年北京大学开始设立至今，已经走过了十余个年头。专业建设不断取得进展，课程建设日益走向规范。2008年全国智能科学与技术教育学术研讨会形成共识，把“机器智能”确立为该专业的核心课程，但是目前尚未见到同类教材。
　　众所周知，传统的“人工智能”以及相关课程早已深入人心，国内外都出版了大量教材。遗憾的是，它们多数是以传统人工智能的基本概念和基本技术应用为主，随着科技的发展进步，再补充一些最新的技术或应用，并结合动手实践。这一方面说明了社会对于智能科学技术的需要和关注日益增强；另一方面，也暴露了智能科学技术领域课程及教材建设的局限性: 缺乏创新性的架构和融合，还是以分散的技术堆积为主要形式。这与当前智能科学技术领域飞速发展的现实是不相匹配的，亟须建设更加符合时代要求和领域特色的新课程和新教材。本教材就是在这种背景下，结合作者多年的教学实践经验编著完成的。
　　为什么要定名为“机器智能”？它的基本思路和内容体系是什么？它与“人工智能”课程有何区别与联系？为什么它会成为智能科学与技术专业的核心课程？这与科学技术的发展是否有紧密的关系？……相信读者一定会产生类似的诸多疑问。
　　这门课程不沿用“人工智能”的名称，而定名为“机器智能”，主要是因为“人工智能”这个术语的含义出现了明显的“二义性”问题: 1956年夏天达特茅斯会议首次定义的人工智能(Artificial Intelligence)概念是指“用计算机模拟人的逻辑思维”，这就是基于符号逻辑的物理符号系统(后来演变为专家系统)；但是，人工神经网络、感知动作系统显然也都是人工智能系统，然而都不符合“用计算机模拟人的逻辑思维”的定义，因此不被认可为“人工智能”，于是出现了基于符号逻辑的人工智能与基于并行计算的神经网络互相排斥的事件，致使神经网络与模糊逻辑和遗传算法结合起来共同另立了“计算智能”。感知动作系统是行为主义人工智能的代表，也加入了“计算智能”而没有加入“人工智能”。这样就发生了问题: “人工智能”究竟应不应当包含人工神经网络和感知动作系统？如果不包含，显然不合理；如果包含，又不符合“人工智能”的定义。如果启用“机器智能”的称谓，上述矛盾就被排除了。“机器智能”就是指一切机器所具有的智能，上述三者都可以包含在其中，表达了更完整的概念。按照上述分析，本教材将给学生提供比较完整的智能科学技术的概念和知识。
　　事实上，2008年全国智能科学与技术教育学术研讨会形成的共识很明确: 在智能科学与技术本科专业培养方案中设置“机器智能”这门课程，而非传统的“人工智能”，这样既可以融合传统研究的各方面研究成果，使其形成相辅相成的合力，又可以在更广泛的范畴内考察智能科学与技术，这与当前智能科学与技术在日益广泛的学科领域内发挥重要作用的现状和需求是非常契合的。
　　机器智能(Machine Intelligence)是智能科学与技术本科专业三年级的一门专业基础课，旨在从科学技术发展的宏观规律和智能科学技术发展的具体进展来给出智能科学技术的基本内容；通过机器智能基本概念和模拟方法的梳理把智能研究领域原先互相分离的结构模拟、功能模拟、行为模拟三大主流方法融为一体；同时，通过对各个主流方法的主要研究内容、研究思路和特色的讨论，继承与发展已有的优秀成果，为读者展示机器智能领域清晰而完整的脉络。此外，通过安排应用和前沿问题概览，包括机器情感、智能信息网络、智能机器人和智能研究中的未决问题和创新空间，激发读者对本学科领域的兴趣和热情，为后续各门专业课程的教学科研打好坚实的基础。
　　以往一般认为，人工智能是计算机学科的一个组成部分，这对1956年诞生的物理符号系统和其后的专家系统而言是正确的，因为物理符号系统/专家系统一直都是以计算机为硬件平台发展起来的。但是，对于人工神经网络和感知动作系统的研究而言却不贴切了，因为它们并不单纯以计算机为平台。
　　Brooks在20世纪80年代后期就曾经提出了对功能主义(专家系统)的批评，这也为他后来提出感知动作系统奠定了基础。Brooks认为: 物理符号系统/专家系统不能直接感知外部世界，也不能直接作用于外部世界，不是完整的智能系统。因此，他提出了感知动作系统，试图从感知到动作的过程全面地模拟人类的智能。
　　进入21世纪，信息科学、知识理论、智能统一理论等研究成果陆续出现，人们进一步认识到，智能研究应该是信息科学的分支，因为智能就蕴含在整个信息过程中，这将在本书中进行详细的阐释。
　　七十多年来，人工智能相关研究领域先后形成了三大主流方法，包括结构主义、功能主义和行为主义。多数人工智能教材都是以功能主义人工智能的基本理论和应用为基础，辅以一些新的成果或应用。如Russell等人编著的Artificial Intelligence: A Modern Approach是集大成之作，覆盖面很全，世界很多大学用它作为教材；Nilson编著的Artificial Intelligence: A New Synthesis也强调避免片面性。两者都是人工智能优秀教材的代表，它们用Agent为载体，使它从简单到复杂逐渐丰富，从而将传统人工智能、神经网络、感知动作系统包含进来，然而却没有真正有效地把它们统一起来。
　　客观上，人工智能研究存在三大主流方法。已有的人工智能教材和著作没有阐明它们之间的内在联系，因此被外界批评为“人工智能理论不成体系”。事实上，这也是“智能科学技术”没有被承认为一个独立的一级学科的重要原因。
　　当前，社会对于智能科学技术的需要和关注日益高涨，智能科学技术领域的研究也取得了重要进展，它的许多应用成果已经进入了人们的生活、学习和工作中，对人类社会的发展产生了重要影响，这些都形成了编写机器智能教材的客观需求。本书希望在“人工智能的统一理论”基础上，通过机制模拟研究方法把已有的智能科学技术成果融为一体，这是本书的最大特色。这样，以前人们关于“人工智能理论没有体系”的状况就有望得到改观。
　　本书强调应当为读者提供完整的知识和统一的理论，而不能只是局部的知识以及不和谐不统一的理论。这不但将大大提升读者在本领域的科学认知水平，而且能让读者直接触及智能生成的共性机制这一世界性前沿问题，培养读者善于分析地继承已有的科技进步成果，善于发现问题、分析问题和解决问题的科学创新精神；同时也能使智能科学与技术专业的建设更具有时代创新特色，从而为繁荣我国智能科学技术事业、培养自主创新能力、建设创新型国家做出应有的贡献。
　　读者可能会问，为什么对机器智能的四种研究方法采用结构模拟、功能模拟、行为模拟和机制模拟的顺序介绍？这里主要考虑了科学研究方法论和认识论的规律:
　　(1) 系统的结构是非常具体的，因此，20世纪40年代最先被提出来的智能模拟思路就是结构主义，这一方法认为把结构研究明白了，就把系统认识清楚了。这也是近代科学所强调的“结构决定论”。但是，结构只是系统的硬件基础，不能完全决定系统的能力。后来结构主义的研究果然遇到了困难: 人的智能系统不仅结构复杂，而且机制深奥。遭遇进退两难的局面: 前进？结构和机制都很困难；后退？智能水平就会降级。
　　(2) 20世纪50年代中期，随着数字计算机的发展，人们认为它具有人脑的功能(所以它被称为“电脑”)，于是可以用来模拟智力功能，而不必理会智能系统的具体结构。在结构主义遭遇困难的背景下，功能主义自然成为智能研究的出路。功能主义认为，只要具有了智能所需的功能，智能系统就模拟成功了，这就是“功能主导论”。用计算机模拟人类的逻辑思维的学科就是那时人们所理解的人工智能。这种方法的问题在于: 计算机模拟的智能既没有考虑意识功能，也没有考虑情感功能。而且，功能主义的发展此后也遇到了“知识瓶颈”的困难，说明功能模拟方法也不能完全解决问题。
　　(3) 在结构主义和功能主义都暴露出各自的缺陷后，从20世纪90年代开始出现了行为主义的思路，即“行为表现论”，行为主义认为，无论采用什么结构和具有什么功能，只要能表现出智能的行为(在受到外界刺激时能够产生恰当的行为响应)，就等于模拟了智能系统的能力。不过，行为主义模拟智能的方法存在一个重大的缺点，就是只有那些能用行为表现的智能才可以被模拟，但是还有很多智能过程是无法用行为直接表示的。
　　(4) 在全面考察了结构主义、功能主义和行为主义智能模拟方法的成就与不足的基础上，人们认识到，智能的生成机制才是智能系统的实质和灵魂。由此启迪了机制主义的智能模拟方法。这一方法认为，无论给定什么样的问题、环境、目标，智能系统的生成机制必然都是要首先获得“问题、环境约束、预设目标”的信息，然后据此提取和建立相关的知识，进而在目标的导控下利用上述信息和知识演绎出求解问题的智能策略，并把它转换为相应的智能行为作用于问题，从而解决问题。可见，机制主义智能模拟方法就是: 把关于“问题、约束知识和目标”的信息作为起点，把信息转化成为知识，进而在目标引导下把信息和知识激活成为智能策略，运用策略解决问题。因此，可以把智能生成机制和机制主义智能模拟方法简明地概括成为“信息知识智能转换”。本书后面的章节将阐明: 结构主义的人工神经网络方法所遵循的正是“信息经验知识经验策略转换”，功能主义的专家系统方法所遵循的乃是“信息规范知识规范策略转换”，而行为主义的感知动作系统方法所遵循的则是“信息常识知识常识策略转换”，它们都是机制主义智能模拟方法在特定知识条件下的特例；而经验知识、规范知识、常识知识之间则构成了知识本身的和谐生态系统。因此，可以得出结论: 机制模拟与结构模拟、功能模拟和行为模拟三种方法不是平行的，而是机制主义和谐地融合和统一了结构主义、功能主义、行为主义方法，成为了一个统一的理论体系。这就是本书内容组织的方法论和认识论根据。
　　本书可作为高等院校智能科学与技术相关专业高年级本科生的教材以及计算机类、信息技术类与自动化类相关专业本科生的参考用书，也适合对智能科学技术有兴趣的广大读者阅读。
　　在本书漫长的编写过程中，作者得到了很多专家、同事和朋友的大力支持和帮助。钟义信教授对本书的编写给予了极大的关注，在百忙之中反复审阅，提出了若干宝贵的建议，并多次亲自指导修改。周延泉副教授对本书第1章和第2章提出了很好的建议。李睿凡博士对本书第3章和第10章的编写提供了大力支持并提出了宝贵建议。袁彩霞副教授对本书第4章和第5章给出了很好的建议。鲁鹏博士对本书第5章的编写提供了宝贵的意见参考。刘咏彬博士对本书第9章的编写给出了极好的意见。张亚召同学为本书第8章和第9章的编写提供了丰富的素材。张玥编辑和王万森教授最初全力推动了本书的编写计划，先后对本书的思路和文字给出了特别好的意见和建议，并在作者情绪不振时多次给予鼓励和支持。在此谨向他们表示最诚挚的感谢！
　　特别感谢北京邮电大学智能科学与技术专业2007、2008、2009、2010、2011、2012级的所有同学们！是他们陪伴着这门课程、原始的讲义和这本书稿一路走来，他们倾听其中的内容，他们不断地给予宝贵的反馈和建议，坚持不懈地鼓励作者前行！
　　本书的编写工作得到了国家自然科学基金项目的资助(项目编号: 71231002，61202247，61202248， 61472046)。
　　由于作者知识水平和研究能力有限，本书的错误和缺点在所难免。在此恳请读者能够坦率地对本书的错误和缺点提出批评，使本书能够不断改进，也使作者不断进步。

最初，世界上既没有科学，也没有技术。后来，随着人类的进化和社会发展，才逐渐产生了科学和技术。为什么人类进化和人类社会发展过程中必然导致科学和技术出现呢？
　　人类制造了机器，机器有一天会超越人类，统治人类，主宰世界么？
　　《机器智能》告诉你————————————————
　　在人类自身能力与机器能力的融合共生体中，不存在统治与被统治的关系，只有人类与机器相互依赖、共同合作，才能确保人类社会与科学技术都沿着正确的方向发展。因此，未来人类与机器之间应该存在合理的角色分工，相互取长补短。例如，人类在创造性方面的能力是机器无法比拟的，于是可以由人类主要承担这一类工作，而机器在非创造性或常规性劳动方面的能力是人类自身难以实现的，于是可以由机器主要负责这方面的工作，这样各种能力都得到充分利用，人类综合能力才会不断增强。实际上，由于能力性质的不同，创造性的劳动更为重要，所以，还是人类处于主导地位，机器处于辅助的地位。这就是科学技术发展的人机共生律。
　　“智慧地球”和“物联网”都在强调智能服务和智能决策，智能科学技术的必要性和重要性体现在哪里？
　　《机器智能》告诉你————————————————
　　实际上，物联网被认为是继WWW和移动互联网之后的互联网革命的第三波。物联网相较于传统的互联网和传感网具有更透彻的感知，即利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程，便于立即采取应对措施和进行长期规划；更全面的互联互通，即将个人电子设备、组织和政府信息系统中储存的信息交互和共享，从而对环境和业务状况进行实时监控；更深入的智能化，即使用数据挖掘和分析工具、科学模型和功能强大的运算系统处理复杂的数据分析、汇总和计算，整合和分析海量的跨地域、跨行业的信息，以更好地支持决策和行动。
　　智能的生成机制是什么？
　　《机器智能》告诉你————————————————
　　智能的生成机制是“信息－知识－智能转换”；在基于“信息－知识－智能转换”的机制模拟基础上，结构模拟、功能模拟和行为模拟三者都将和谐地融入到机制模拟这个统一的理论体系中，从而实现机器智能理论和方法的统一。所以，智能生成机制的模拟才是机器智能的主轴。
　　机器有情感吗？什么样的机器才是名副其实的智能机器？
　　《机器智能》告诉你————————————————
　　目前应用领域的机器人缺乏意识、精神状态和感觉这些情感条件，机器人只是按照人类设定的程序进行遵循一定的规则行为。
　　人们希望，将来的智能机器不只是冷冰冰的工具，它们不仅能够在给定问题-环境-目标的条件下，把信息转换为知识（认知），并进一步转换为智能策略（行事），建立自己的“理智（智能）”能力，而且能够在给定问题-环境-目标的条件下，形成相应的“情感”能力，能够表达和交流情感。这种既有理智又有情感的系统才能成为名副其实的智能机器。
　　机器人在生活中的应用有哪些？在未来社会，机器人会像电视机一样，走入每个寻常百姓家吗？
　　《机器智能》告诉你————————————————
　　机器人在生活中的应用有很多，如医用机器人、餐饮服务机器人、美女机器人等。随着科技的不断发展和机器人智能化水平的不断提高，智能机器人必将越来越多地进入寻常百姓家，承担家庭中的主要劳动责任，充当保姆和智能管家。到那一天，机器人将会和电视机一样普及。
　　……

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