人工智能涉及的领域和技术有哪些方面?

智能
  • AIUST.Com
  • 2018-06-18 16:38

pexels-photo-188777.jpeg

人工智能(计算机科学的一个分支)主要研究用人工的方法和技术,模仿、延伸和扩展人的智能,实现机器智能。有人把人工智能分成两大类:一类是符号智能,一类是计算智能。符号智能是以知识为基础,通过推理进行问题求解。也即所谓的传统人工智能。计算智能是以数据为基础,通过训练建立联系,进行问题求解。人工神经网络、遗传算法、模糊系统、进化程序设计、人工生命等都可以包括在计算智能。

人工智能上世纪的发展情况

从1956年正式提出人工智能学科算起,50多年来,取得长足的发展,成为一门广泛的交叉和前沿科学。总的说来,人工智能的目的就是让计算机这台机器能够像人一样思考。

传统人工智能主要运用知识进行问题求解。从实用观点看,人工智能是一门知识工程学:以知识为对象, 研究知识的表示方法、知识的运用和知识获取。

人工智能从1956年提出以来取得了很大的进展和成功。1976年Newell 和Simon提出了物理符号系统假设, 认为物理符号系统是表现智能行为必要和充分的条件。 这样, 可以把任何信息加工系统看成是一个具体的物理系统, 如人的神经系统、计算机的构造系统等。20世纪80年代Newell 等又致力于SOAR系统的研究。SOAR系统是以知识块(Chunking)理论为基础, 利用基于规则的记忆,获取搜索控制知识和操作符,实现通用问题求解。Minsky从心理学的研究出发, 认为人们在他们日常的认识活动中,使用了大批从以前的经验中获取并经过整理的知识。 该知识是以一种类似框架的结构记存在人脑中。因此,在70年代他提出了框架知识表示方法。 到80年代,Minsky认为人的智能,根本不存在统一的理论。1985年,他发表了一本著名的书《Society of Mind(思维社会)》。 书中指出思维社会是由大量具有某种思维能力的单元组成的复杂社会。 以McCarthy和Nilsson等为代表,主张用逻辑来研究人工智能,即用形式化的方法描述客观世界。 逻辑学派在人工智能研究中,强调的是概念化知识表示、模型论语义、演绎推理等。 McCarthy主张任何事物都可以用统一的逻辑框架来表示,在常识推理中以非单调逻辑为中心。 传统的人工智能研究思路是“自上而下”式的,它的目标是让机器模仿人, 认为人脑的思维活动可以通过一些公式和规则来定义,因此希望通过把人类的思维方式翻译成程序语言输入机器, 来使机器有朝一日产生像人类一样的思维能力。这一理论指导了早期人工智能的研究。

近年来神经生理学和脑科学的研究成果表明,脑的感知部分,包括视觉、听觉、 运动等脑皮层区不仅具有输入/输出通道的功能,而且具有直接参与思维的功能。智能不仅是运用知识, 通过推理解决问题,智能也处于感知通道。

1990年史忠植提出了人类思维的层次模型,表明人类思维有感知思维、形象思维、 抽象思维,并构成层次关系。感知思维是简单的思维形态,它通过人的眼、耳、鼻、舌、身感知器官产生表象, 形成初级的思维。感知思维中知觉的表达是关键。形象思维主要是用典型化的方法进行概括,并用形象材料来思维, 可以高度并行处理。抽象思维以物理符号系统为理论基础,用语言表述抽象的概念。 由于注意的作用,使其处理基本上是串行的。

人工智能的技术应用领域

目前,人工智能在我国及欧美国家都属于热门的话题。我国更是有不少公司的产品动则加上“智能”2字。除了目前最热的机器学习,人工智能方向还有不少的技术应用,下面就简要介绍人工智能的技术应用领域。

主体技术

主体技术(agent technology)不仅是分布智能的研究热点,而且可能成为下一代软件开发的重要突破点。事实上,对主体的研究已经成为人工智能学科的核心内容,有人认为是人工智能研究的初始目标和最终目标       

主体(agent)也叫智能体,代理,或智能agent。在本书中将agent统一采用主体。在计算机和人工智能领域中, 主体可以看作是一个自动执行的实体,它通过传感器感知环境,通过效应器作用于环境。若主体是人,则传感器有眼睛、耳朵和其它器官,手、腿、嘴和身体的其它部分是效应器。若主体是机器人,摄像机等是传感器,各种运动部件是效应器。

机器学习

学习能力是人类智能的根本特征,人类通过学习来提高和改进自己的能力。学习的基本机制是设法把在一种情况下是成功的表现行为转移到另一类似的新情况中去。1983年西蒙(H. Simon)对学习定义如下:能够让系统在执行同一任务或同类的另外一个任务时比前一次执行得更好的任何改变[119]。这个定义虽然简洁,却指出了设计学习程序要注意的问题。学习包括对经验的泛化:不仅是重复同一任务,而且是域中相似的任务都要执行得更好。因为感兴趣的领域可能很大,学习者通常只研究所有可能例子中的一小部分;从有限的经验中,学习者必须能够泛化并对域中未见的数据正确的推广。这是个归纳的问题,这是学习的中心问题。在大多数学习问题中,不管用哪种算法,能用的数据不足以保证最优的泛化。学习者必须启发式的泛化,也就是说,他们必须选取经验中对未来更为有效的部分。这样的选择标准就是归纳偏置。

从事专家系统研究的人们认为,学习就是知识获取。因为在专家系统的建造中,知识的自动获取是很困难的。所以知识获取似乎就是学习的本质。也有的观点认为,学习是对客观经验表示的构造或修改。客观经验包括对外界事物的感受,以及内部的思考过程,学习系统就是通过这种感受和内部的思考过程来获取对客观世界的认识。其核心问题就是对这种客观经验的表示形式进行构造或修改。从认识论的观点看,学习是事物规律的发现过程。这种观点将学习看做从感性知识到理性知识的认识过程,从表层知识到深层知识的范化过程,也就是说,学习是发现事物规律,上升形成理论的过程。

总结以上观点,可以认为学习是一个有特定目的的知识获取过程,通过获取知识、积累经验、发现规律,使系统性能得到改进、系统实现自我完善、自适应环境。

自动推理

从一个或几个已知的判断(前提)逻辑地推论出一个新的判断(结论)的思维形式称为推理,  这是事物的客观联系在意识中的反映。人解决问题就是利用以往的知识,  通过推理得出结论。自动推理的理论和技术是程序推导、程序正确性证明、专家系统、智能机器人等研究领域的重要基础。

自动推理早期的工作主要集中在机器定理证明。机械定理证明的中心问题是寻找判定公式是否是有效的(或是不一致的)通用程序。对命题逻辑公式,由于解释的个数是有限的,总可以建立一个通用判定程序,使得在有限时间内判定出一个公式是有效的或是无效的。

从实际的观点来看,  每一种推理算法都遵循其特殊的、与领域相关的策略, 并倾向于使用不同的知识表示技术。从另一方面来说,如果能找到一个统一的推理理论, 当然是很有用的。人工智能理论研究的一个很强的推动力就是要设法寻找更为一般的、统一的推理算法。

数据挖掘

数据挖掘是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据集中识别有效的、新颖的、潜在有用的,以及最终可理解的模式的非平凡过程。它是一门涉及面很广的交叉学科,包括机器学习、数理统计、神经网络、数据库、模式识别、粗糙集、模糊数学等相关技术。

数据挖掘可粗略地理解为三部曲:数据准备(data preparation)、数据挖掘,以及结果的解释评估(interpretation and evaluation)。

由于数据挖掘是一门受到来自各种不同领域的研究者关注的交叉性学科,因此导致了很多不同的术语名称。其中,最常用的术语是"知识发现"和"数据挖掘"。相对来讲,数据挖掘主要流行于统计界(最早出现于统计文献中)、数据分析、数据库和管理信息系统界;而知识发现则主要流行于人工智能和机器学习界。

本体知识系统

20世纪70年代后期,专家系统、知识系统和知识密集型的信息系统的构建技术发展而形成知识工程,所建立的系统简称为知识系统(knowledge-based systems)。知识系统是人工智能学科最重要的工业化和商业化产物。知识系统用于辅助人们进行问题求解,如检测信用卡诈骗、加速船舶设计、辅助医疗诊断、使科学软件更加智能化、向全体决策人员提供金融服务、产品质量的评价和广告宣传、支持电子网络的服务恢复。

知识工程

1977年美国斯坦福大学计算机科学家费根鲍姆教授(B.A.Feigenbaum)在第五届国际人工智能会议—提出知识工程的新概念。他认为,“知识工程是人工智能的原理和方法,对那些需要专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段。恰当运用专家知识的获取、表达和推理过程的构成与解释,是设计基于知识的系统的重要技术问题。”这类以知识为基础的系统,就是通过智能软件而建立的专家系统。

 知识工程可以看成是人工智能在知识信息处理方面的发展,研究如何由计算机表示知识,进行问题的自动求解。知识工程的研究使人工智能的研究从理论转向应用,从基于推理的模型转向基于知识的模型,包括了整个知识信息处理的研究,知识工程已成为一门新兴的边缘学科。

专家系统

专家系统是一类具有专门知识和经验的计算机智能程序系统,通过对人类专家的问题求解能力的建模,采用人工智能中的知识表示和知识推理技术来模拟通常由专家才能解决的复杂问题,达到具有与专家同等解决问题能力的水平。这种基于知识的系统设计方法是以知识库和推理机为中心而展开的,即:

专家系统 = 知识库 + 推理机

它把知识从系统中与其他部分分离开来。专家系统强调的是知识而不是方法。很多问题没有基于算法的解决方案,或算法方案太复杂,采用专家系统,可以利用人类专家拥有丰富的知识,因此专家系统也称为基于知识的系统(Knowledge-Based Systems)。一般说来,一个专家系统应该具备以下三个要素:

(1)具备某个应用领域的专家级知识;

(2)能模拟专家的思维;

(3)能达到专家级的解题水平。

语义Web服务

语义Web是由WWW的创始人Tim Berners-Lee在2001年正式提出的,它是对万维网本质的变革,它的主要任务是使数据能被计算机自动的处理和理解,其最终目标是让计算机可以在这些海量信息中找到人所需要的任何信息,从而将万维网中现存的信息发展成一个巨大的全球信息库、知识库。它研究的主要目的就是扩展当前的万维网,使得网络中的信息具有语义,能够被计算机理解,便于人和计算机之间的交互与合作,其研究重点就是如何把信息表示为计算机能够理解和处理的形式,即带有语义。Tim Berners-Lee给出了语义Web中的层次结构关系,它主要基于XML和RDF/RDFS,并在此之上构建本体和逻辑推理规则,以完成基于语义的知识表示和推理,从而能够为计算机所理解和处理。

Web服务是当前最主要的一种服务实现技术,它为上述服务概念的落实提供了使能手段。Web服务最初是由Ariba、IBM和Microsoft等共同提出的,旨在为Internet上跨越不同地域、不同行业的应用提供更强大的互操作能力。Web服务是一种软件系统,被设计用于实现机器之间通过网络的互操作。Web服务拥有极其可处理的接口描述,外部系统可依据这个描述,通过SOAP消息与其交互。

语义网格

网格是一种新兴的技术,正处在不断发展和变化当中。简单地说,网格是一种信息社会的网络基础设施,是利用互联网把分散在不同地理位置上的多个资源,包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等全面连通和统一分配、管理及协调起来,通过逻辑关系组成一台“虚拟的超级计算机”。这台机器把每一台参与其中的、包括个人电脑在内的计算机都作为自己的一个“节点”,成千上万个这样的“节点”并联起来,就组成了“一张有超级计算能力的网格”。而每一位将自己的计算机连接到网格上的用户,也就“拥有了”这架超级计算机,可以随时随地调用其中的计算和信息资源,在获得一体化信息服务的同时,最大程度地实现资源共享。网格计算模式首先把要计算的数据分割,然后不同节点的计算机可以根据自己的处理能力下载一个或多个数据片断。只要位于某个节点的计算机的用户不使用计算机时,就会调动闲置的计算能力。网格的优势在于不但数据处理能力超强,而且能充分利用网上的闲置处理能力来节约计算成本,实现资源的共享,消除资源孤岛。

网格计算技术首先出现在科研领域的大型科学计算和项目研究中,医药、制造、气象、勘探等需要大型计算机功能的行业将首批成为这一技术的受益者,随着连接到网格系统上的计算资源的增加,网格计算技术也会造福于小企业和消费者,家庭PC用户也将能够用上公、私机构提供的更快、更廉价的服务,到那时任何设备可以在任何地方接入以享用某种层次的资源,而不必关心这些资源是从那里来的, 就像用现在的电网一样。

神经网络

神经网络在文献中也称为人工神经网络、神经计算,连接主义人工智能,并行分布处理等。一个神经网络是一个由简单处理元构成的规模宏大的并行分布处理器,具有存储经验知识和使之可用的特性。神经网络从两个方面上模拟大脑。

(1)神经网络获取的知识是从外界环境中学习得来的。

(2)内部神经元的连接强度,即突触权值,用于储存获取的知识。

用于完成学习过程的程序称为学习算法,其功能是以有序的方式改变系统权值以获得想要的设计目标。突触权值修改提供神经网络设计的传统方法。这种方法和线性自适应滤波器理论很接近,滤波器理论已经很好地建立起来并成功应用在很多不同领域。但是神经网络修改它的拓扑结构亦是可能的,这也和人的神经元会死亡和新的突触连接会建立等情况相适应。

决策支持系统

长期来信息系统的研究者以及技术人员不断研究 和构建决策支持系统(DSS)。DSS的大致发展历程是:60年代后期,面向模型的DSS的诞生,标志着决策 支持系统这门学科的开端;70年代,DSS的理论得到长足发展;80年代前期和中期,实现了金融规划系统 以及群体决策支持系统(Group DSS)。80年代中期,通过将DDS与知识系统相结合,我们提出并实现了 智能决策支持系统(IDSS)(参考:史忠植: 知识工程)。文献表明,在那以后开始出现了主管信息系统, 联机分析处理(OLAP)以及商业智能。90年代中期,发展基于Web的DSS成为了活跃的研究领域,并产生 了广泛的影响。

人工生命

人工生命是指用计算机和精密机械等生成或构造表现自然生命系统行为特点的仿真系统或模型系统。自然生命系统的行为特点表现为自组织、自修复、自复制的基本性质,以及形成这些性质的混沌动力学、环境适应和进化。

美国圣菲研究所非线性研究组的兰顿(C.G. Langton) 于1987年提出人工生命(artificial life)[61]。人工生命的独立研究领域的地位已被国际学术界所承认。在1994年创刊并在世界著名学府麻省理工学院出版的国际刊物Artificial Life,是该研究领域内的权威刊物。

为什么要研究人工生命?在这一领域研究时要支持哪些东西。从控制我们的生态环境的工程新应用到在自然界中为我们提供较好的前景这个广阔的范围,都可以找到它的应用。 人工生命的研究可使我们更好地理解涌现特征,个体在低级组织中的集合,通过我们的相互作用,常可产生特征。该特征不仅仅是个体的重叠,而且是总体上新的出现特征。这样的现象可见于自然界的所有领域,但在生命系统中更为明显。生命本身确实有涌现性质,当总体分解为它们的组成部分时,相互作用所产生的涌现性质将全部消失。归约科学,它的研究方法今天看来是最严肃的学术研究,其中大部分是分析的方法。归约科学在各个领域都已取得很大成功。但自然的很多特性都被忽略,这并不是因为这些特性是无趣的或不重要的,相反,人们研究这些特性,但缺乏适当的工具和有效的方法来研究,人工生命领域的研究必须是综合的,把所有的因素综合考虑以创造生命形式,而不是肢解。

自然语言理解

自然语言是指人类语言集团的本族语,如汉语、英语等,它是相对于人造语言而言的,如C语言、JAVA语言等计算机语言。语言是思维的载体,是人际交流的工具,人类历史上以语言文字形式记载和流传的知识占到知识总量的80%以上。就计算机应用而言,有85%左右的应用都是用于语言文字的信息处理。在信息化社会中,语言信息处理的技术水平和每年所处理的信息总量已成为衡量一个国家现代化水平的重要标志之一。

自然语言理解作为语言信息处理技术的一个高层次的重要研究方向,一直是人工智能领域的核心课题,也是困难问题之一,由于自然语言的多义性、上下文有关性、模糊性、非系统性和环境密切相关性、涉及的知识面广等原因,使得很多系统不得不采取回避的方法;另外,由于理解并非一个绝对的概念,它与所应用的目标相关,如是用于回答问题、执行命令,还是用于机器翻译。因此,关于自然语言理解,至今尚无一致的、各方可以接受的定义。从微观上讲,自然语言理解是指从自然语言到机器内部的一个映射;从宏观上看,自然语言是指机器能够执行人类所期望的某些语言功能。这些功能包括:

回答问题:计算机能正确地回答用自然语言输入的有关问题;

文摘生成:机器能产生输入文本的摘要;

释义:机器能用不同的词语和句型来复述输入的自然语言信息;

翻译:机器能把一种语言翻译成另外一种语言。

图像处理

 图像处理是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。图像处理最早出现于20世纪50年代,当时的电子计算机已经发展到一定水平,人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理作为一门学科大约形成于20世纪60年代初期。早期的图像处理的目的是改善图像的质量,它以人为对象,以改善人的视觉效果为目的。图像处理中,输入的是质量低的图像,输出的是改善质量后的图像,常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。首次获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室(JPL)。他们对航天探测器徘徊者7号在1964年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术,如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法进行处理,并考虑了太阳位置和月球环境的影响,由计算机成功地绘制出月球表面地图,获得了巨大的成功。随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行更为复杂的图像处理,以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图,获得了非凡的成果,为人类登月创举奠定了坚实的基础,也推动了数字图像处理这门学科的诞生。在以后的宇航空间技术,如对火星、土星等星球的探测研究中,数字图像处理技术都发挥了巨大的作用。 数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果。1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置,也就是我们通常所说的CT(Computer Tomograph)。CT的基本方法是根据人的头部截面的投影,经计算机处理来重建截面图像,称为图像重建。1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT装置,获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。1979年,这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖,说明它对人类作出了划时代的贡献。 与此同时,图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就,属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等,使图像处理成为一门引人注目、前景远大的新型学科。 随着图像处理技术的深入发展,从70年代中期开始,随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展,数字图像处理向更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像,实现类似人类视觉系统理解外部世界,这被称为图像理解或计算机视觉。很多国家,特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究,取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的视觉计算理论,这个理论成为计算机视觉领域其后十多年的主导思想。图像理解虽然在理论方法研究上已取得不小的进展,但它本身是一个比较难的研究领域,存在不少困难,因人类本身对自己的视觉过程还了解甚少,因此计算机视觉是一个有待人们进一步探索的新领域。

信息检索

信息检索(Information Retrieval),通常指文本信息检索,包括信息的存储、组织、表现、查询、存取等各个方面,其核心为文本信息的索引和检索。从历史上看,信息检索经历了手工检索、计算机检索到目前网络化、智能化检索等多个发展阶段。信息检索的对象从相对封闭、稳定一致、由独立数据库集中管理的信息内容扩展到开放、动态、更新快、分布广泛、管理松散的Web内容;信息检索的用户也由原来的情报专业人员扩展到包括商务人员、管理人员、教师学生、各专业人士等在内的普通大众,他们对信息检索从结果到方式提出了更高、更多样化的要求。适应网络化、智能化以及个性化的需要是目前信息检索技术发展的新趋势。 

模式识别

模式识别(Pattern Recognition)是指对表征事物或现象的各种形式的(数值的、文字的和逻辑关系的)信息进行处理和分析,以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程,是信息科学和人工智能的重要组成部分。

模式还可分成抽象的和具体的两种形式。前者如意识、思想、议论等,属于概念识别研究的范畴,是人工智能的另一研究分支。我们所指的模式识别主要是对语音波形、地震波、心电图、脑电图、图片、照片、文字、符号、生物的传感器等对象进行测量的具体模式进行分类和辨识。

模式识别研究主要集中在两方面,一是研究生物体(包括人)是如何感知对象的,属于认识科学的范畴,二是在给定的任务下,如何用计算机实现模式识别的理论和方法。前者是生理学家、心理学家、生物学家和神经生理学家的研究内容,后者通过数学家、信息学专家和计算机科学工作者近几十年来的努力,已经取得了系统的研究成果。

应用计算机对一组事件或过程进行鉴别和分类。所识别的事件或过程可以是文字、声音、图像等具体对象,也可以是状态、程度等抽象对象。这些对象与数字形式的信息相区别,称为模式信息。


来源:AIUST.Com

作者:

编辑:leilei

图片来源: 由pexels供图

本文链接: https://www.aiust.com/article/20180618/277.html

声明:除非注明,本站文章均为AIUST.Com原创或编译,转载时请注明文章作者和“来源:AIUST.Com”,AIUST.Com尊重行业规范,每篇文章都标有明确的作者和来源。文章为作者观点,不代表AIUST.Com立场。部份图片来自网络,如有侵权,请联系我们删除!

相关文章

资讯

原创

荐读

  • 智能手机竞争中失败,日本在联网汽车领域举步维艰 智能手机竞争中失败,日本在联网汽车领域举步维艰

    据外媒报道,在制造带有数字联网服务的汽车的竞争中,丰田汽车和日产汽车面临着被本土市场拖累的风险。与美国和欧洲的汽车消费者不同的是,日本消费者不愿意为这些联网功能和服务买单。结果就是:日本只有10%的汽车...

  • 2020年河南省将推广应用3万台工业机器人 2020年河南省将推广应用3万台工业机器人

    到2020年,推广应用3万台工业机器人,建设1000条智能生产线、300个智能车间、150个智能工厂……4月16日,在2018两岸智能装备制造郑州论坛上,河南省工信委发布了《2017年河南省智能制造白皮书》,河南智能制造的2020...

  • 全国首个获批建设国家技术标准(贵州大数据)创新基地 全国首个获批建设国家技术标准(贵州大数据)创新基地

    近日,国家标准委复函批准 , 同意贵州省建设国家技术标准 ( 贵州大数据 ) 创新基地,标志着贵州成为全国首个获批建设大数据国家技术标准创新基地的省份。按照国家标准委批复要求,国家技术标准 ( 贵州大数据 ) 创新...

热门标签