【正文】 /6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 8 腦智能和群智能 腦 （ 主要指人腦 ） 的宏觀心理層次的智能表現(xiàn)稱為 腦智能 （ Brain Intelligence, BI） 。遺傳算法 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2 人工智能導(dǎo)論 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 3 第 1章 人工智能概述 什么是人工智能 人工智能的研究意義 、 目標(biāo)和策略 人工智能的學(xué)科范疇 人工智能的研究內(nèi)容 人工智能的研究途徑與方法 人工智能的基本技術(shù) 人工智能的應(yīng)用 人工智能的分支領(lǐng)域與研究方向 人工智能的發(fā)展概況 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 4 什么是人工智能 ◆ 人工智能 （ Artificial Intelligence”， AI） 人工智能概念的一般描述 ◆ 部分學(xué)者對人工智能概念的描述 ： —— 人工智能是那些與人的思維相關(guān)的活動(dòng) ， 諸如決策 、 問題求解和學(xué)習(xí)等的自動(dòng)化 （ Bellman, 1978） ； —— 人工智能是一種計(jì)算機(jī)能夠思維 ， 使機(jī)器具有智力的激動(dòng)人心的新嘗試 （ Haugeland, 1985） ； —— 人工智能是研究如何讓計(jì)算機(jī)做現(xiàn)階段只有人才能做得好的事情 （ Rich Knight,1991） ； 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 5 —— 人工智能是那些使知覺 、 推理和行為成為可能的計(jì)算的研究 （ Winston, 1992） ； —— 廣義地講 ， 人工智能是關(guān)于人造物的智能行為 ， 而智能行為包括知覺 、 推理 、 學(xué)習(xí) 、 交流和在復(fù)雜環(huán)境中的行為 （ Nilsson， 1998） 。 —— Stuart Russell和 Peter Norvig則把已有的一些人工智能定義分為 4類：像人一樣思考的系統(tǒng) 、 像人一樣行動(dòng)的系統(tǒng) 、 理性地思考的系統(tǒng) 、理性地行動(dòng)的系統(tǒng) （ 2022） 。 由群體行為所表現(xiàn)出的智能稱為 群智能 （ Swarm Intelligence, SI） 。 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 9 符號智能和計(jì)算智能 1. 符號智能 符號智能就是符號人工智能 ， 它是模擬腦智能的人工智能 ， 也就是所說的傳統(tǒng)人工智能或經(jīng)典人工智能 。 符號智能的主要內(nèi)容包括知識(shí)獲取 （ knowledge acquisition） 、 知識(shí)表示（ knowledge representation） 、 知識(shí)組織與管理和知識(shí) 運(yùn) 用 等 技 術(shù) （ 這 些 構(gòu) 成 了 所 謂 的 知 識(shí) 工 程（ Knowledge Engineering, KE）） 以及基于知識(shí)的智能系統(tǒng)等 。 計(jì)算智能以數(shù)值數(shù)據(jù)為基礎(chǔ) ， 主要通過數(shù)值計(jì)算 ， 運(yùn)用算法進(jìn)行問題求解 。 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 11 人工智能的研究意義 、 目標(biāo)和策略 為什么要研究人工智能 ■ 使當(dāng)前的電腦更好用 ， 更有用 ， 以擴(kuò)大和延伸人類智能； ■ 信息化社會(huì)的迫切要求； ■ 自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢； ■ 有益于探索人類自身智能的奧秘 。 具體來講 ， 就是要使計(jì)算機(jī)不僅具有腦智能和群智能 ， 還要具有看 、 聽 、 說 、 寫等感知和交流能力 。 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 13 人工智能的學(xué)科范疇 人工智能已構(gòu)成信息技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要學(xué)科 。 還涉及到智能科學(xué) 、 認(rèn)知科學(xué) 、 心理科學(xué) 、 腦及神經(jīng)科學(xué) 、 生命科學(xué) 、 語言學(xué) 、 邏輯學(xué) 、 行為科學(xué) 、 教育科學(xué) 、 系統(tǒng)科學(xué) 、 數(shù)理科學(xué)以及控制論 、 科學(xué)方法論 、 哲學(xué)甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域 。 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 14 人工智能的研究內(nèi)容 搜索與求解 學(xué)習(xí)與發(fā)現(xiàn) 知識(shí)與推理 發(fā)明與創(chuàng)造 感知與交流 記憶與聯(lián)想 系統(tǒng)與建造 應(yīng)用與工程 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 15 人工智能的研究途徑與方法 心理模擬 ， 符號推演 生理模擬 ， 神經(jīng)計(jì)算 行為模擬 ， 控制進(jìn)化 群體模擬 ， 仿生計(jì)算 博采廣鑒 ， 自然計(jì)算 原理分析 ， 數(shù)學(xué)建模 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 16 人工智能的基本技術(shù) 表示 運(yùn)算 搜索 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 17 人工智能的應(yīng)用 難題求解 自動(dòng)規(guī)劃 、 調(diào)度與配置 機(jī)器定理證明 自動(dòng)程序設(shè)計(jì) 機(jī)器翻譯 智能控制 智能管理 智能決策 智能通信 智能仿真 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 18 智能 CAD 智能制造 智能 CAI 智能人機(jī)接口 模式識(shí)別 數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)庫中的知識(shí)發(fā)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新 計(jì)算機(jī)文藝創(chuàng)作 機(jī)器博弈 智能機(jī)器人 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 19 人工智能的分支領(lǐng)域與研究方向 從模擬的層次和所用的方法來看 ， 人工智能可分為符號智能和計(jì)算智能兩大主要分支領(lǐng)域 。 如符號智能中又有圖搜索 、 自動(dòng)推理 、 不確定性推理 、 知識(shí)工程 、 符號學(xué)習(xí)等 。 另外 ， 智能 Agent也是人工智能的一個(gè)新興的重要領(lǐng)域 。 從模擬的腦智能或腦功能來看 ， AI中有機(jī)器學(xué)習(xí) 、 機(jī)器感知 、 機(jī)器聯(lián)想 、 機(jī)器推理 、 機(jī)器行為等分支領(lǐng)域 。 機(jī)器感知又可分為計(jì)算機(jī)視覺 、 計(jì)算機(jī)聽覺 、模式識(shí)別 、 圖像識(shí)別與理解 、 語音識(shí)別 、 自然語言處理等領(lǐng)域和方向 。 從系統(tǒng)角度看 ， 有智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和智能應(yīng)用系統(tǒng)兩大類 。 智能應(yīng)用系統(tǒng)又可分為：基于知識(shí)的智能系統(tǒng) 、 基于算法的智能系統(tǒng)和兼有知識(shí)和算法的智能系統(tǒng)等 。 從基礎(chǔ)理論看 ， AI中有數(shù)理邏輯和多種非標(biāo)準(zhǔn)邏輯 、 圖論 、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 、 模糊集 、 粗糙集 、 概率統(tǒng)計(jì) （ 貝葉斯統(tǒng)計(jì)決策理論 ） 和貝葉斯網(wǎng)絡(luò) 、 統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論與支持向量機(jī) 、 形式語言與自動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域和方向 。 新思想 、 新技術(shù)不斷涌現(xiàn) ， 新領(lǐng)域 、 新方向不斷開拓 。 研究隊(duì)伍日益壯大 ， 社會(huì)影響越來越大 。 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 24 智能交通 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 25 圖像識(shí)別系統(tǒng) 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 26 云松 鑾仙玉骨寒 ， 松虬雪友繁 。 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 27 （ 無題 ） 白沙平舟夜?jié)?， 春日曉露路相逢 。 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 28 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 29 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 30 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 31 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 32 遺傳算法 主要內(nèi)容 一 、 遺傳算法入門 二 、 遺傳算法的主要特征 三 、 遺傳算法的運(yùn)行步驟 四 、 基本遺傳算法的構(gòu)成要素 五 、 遺傳算法的數(shù)學(xué)理論 六 、 遺傳算法的基本實(shí)現(xiàn)技術(shù) 七 、 遺傳算法的特點(diǎn) 八 、 遺傳算法的應(yīng)用 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 33 遺傳算法 (Geic Algorithm, GA)是近幾年發(fā)展起來的一種嶄新的全局優(yōu)化算法 ， 它借用了生物遺傳學(xué)的觀點(diǎn) ， 通過自然選擇 、 遺傳 、 變異等作用機(jī)制 ， 實(shí)現(xiàn)各個(gè)個(gè)體的適應(yīng)性的提高 。 1962年 Holland教授首次 提出了 GA算法的思想 ， 從而吸引了大批的研究者 ， 迅速推廣到優(yōu)化 、 搜索 、 機(jī)器學(xué)習(xí)等方 面 ， 并奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ) 。 但不可思議的是 ， 他沒有感到需要在計(jì)算機(jī)上實(shí)際試驗(yàn)出結(jié)果 ， 而寧愿利用筆和紙來作修修補(bǔ)補(bǔ)的工作 ！ 直到后來他的一名學(xué)生編寫出程序并在一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行后 ， 才使人們終于看到在軟件中利用他的思想能夠得到什么 。 遺傳算法也遵循同樣的方式 ， 需要隨著時(shí)間的推移不斷成長 、 演化 ， 最后才能收斂 ， 得到針對某類特定問題的一個(gè)或多個(gè)解 。 我們將扼要闡述自然演化的機(jī)制 （ 通常稱為 “ 濕 ” 演化算法 ） ，以及與之相關(guān)的術(shù)語 。 我想 ， 你也會(huì)和我一樣 ， 深深嘆服自然母親的令人著迷 ！ 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 35 本質(zhì)上說 ， 任何生物機(jī)體就是一大堆細(xì)胞的集合 。 染色體中包含的 DNA分為兩股 ， 這兩股 DNA鏈以螺旋狀絞合在一起 ， 如下面圖所示那樣 ， 這就是我們所熟悉的 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 。 核苷酸一共只有四種類型 ， 即：腺嘌呤 (thymine)、 鳥嘌呤 (adenine) 、 胞嘧啶 (cytocine) 、 胸腺嘧啶(guanine)。 這些核苷酸相互連接起來 ， 形成若干很長的基因鏈 ， 而每個(gè)基因編碼了生物機(jī)體的某種特征 ， 如頭發(fā)的顏色 ， 耳朵的樣子 ，等 。 一、遺傳算法入門 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 37 二進(jìn)制數(shù)速成（ A Quick Lesson in Binary Numbers） 16 8 4 2 個(gè)位 1 1 1 1 數(shù)字 15 如果要把 15寫成 8位的二進(jìn)制 ， 則要寫成下面這樣的形式 ， 其中高位都是０ ， 但也要把前面寫出來 ， 以使整個(gè)長度達(dá)到８： 00001111 2022/6/1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 38 計(jì)算機(jī)內(nèi)的進(jìn)化 （ Evolution Inside Your Computer ） 遺傳算法工作過程本質(zhì)上就是模擬生物的進(jìn)化過程 。 然后 ， 創(chuàng)建一個(gè)由隨機(jī)的染色體組成的初始群體 （ 每個(gè)染色體代表了一個(gè)不同的候選解 ） ， 并在一段時(shí)期中 ， 以培育適應(yīng)性最強(qiáng)的個(gè)體的辦法 ， 讓它們進(jìn)化 ， 在此期間 ， 染色體的某些位置上要加入少量的變異 。 遺傳算法不保證一定能得到解 ， 也不保證找到的是最優(yōu)解 ，但只要采用的方法正確 ， 通常都能為遺傳算法編出一個(gè)能夠很好運(yùn)行的程序 。 需要知道的僅是 ， 用怎么方式對可行解進(jìn)行