智能科学技术导论-周乐昌-第01讲 引论 - 图文

智能科学技术导论

周昌乐教授教学课件 dozero@xmu.edu.cn

www.bliss.xmu.edu.cn

第01讲引论 主讲:周昌乐教授

福建省仿脑智能系统重点实验室 厦门大学智能科学与技术系

题记

夫天下险能生妙，非天下妙能生险也；险故妙，险绝故妙绝；不险不能妙，不险绝不能妙绝也。游山亦犹是矣。不梯而上，不缒而下，未见其能穷山川之窈窕，洞壑之秘隐也。 ——（清）金圣叹

第1.1节学科概述

任何一个学科，都有自己研究的对象、任务与历史，作为智能科学技术导论课程的第一讲，我们首先就这一学科的基本概况、研究的对象以及发展历史，做简要的论述，使得同学们一开始就对本学科有一个比较整体的把握。

1、学科基本描述

智能概念界定：神经、认知与智能，研究问题的角度与目标不同可以有完全不同的界定。可选的智能定义（对于情境有很灵活的反应；充分利用机遇；弄懂含糊不清或彼此矛盾的信息；分清重要和次要；发现不同事物的相似性；从相似之处找出差异；用旧概念综合新概念；提出全新的观念。）请诸位同学，也给出自己心目中的“智能”定义。 第1.1节学科概述

学科目标性界定：将人类智能（部分地）植入机器，使其更加“聪明”灵活地服务于人类社会。

根据这个定义，智能科学技术专业的学科内涵将涉及到智能哲学、智能科学、智能技术、智能服务等多个方面。下面我们分别简要加以论述。

（1）智能哲学：其中“部分地”：涉及心灵哲学，人工智能哲学讨论：人类具有美妙绝伦的智慧，机器能否也可以拥有与之相媲美的智能呢？也就是说，机器真的也会拥有人类的心智、机器也能够像我们一样会哭会笑并意识到自己的情感波动、像我们一样具有创造性能力并会不断自我完善、创造出更加聪明的机器后代吗？ （2）智能科学：涉及狭义认知科学，人工智能理论研

究。所谓狭义的认知科学就是“心智计算理论”，其核心假设就是：“对思维最恰当的理解，是将其视为心智中的表征结构以及在这些结构上进行操作的计算程序。”（参见萨伽德，《心智：认知科学导论》，上海辞书出版社，2012年版，第11页）这样智能科学涉及的范围，就可以用下面示意图来说明了。 脑科学 ①神经计算建模 计算 理论 ②认知程序模拟③自然语言处理 心理学 语言学 智能科学涉及的学科示意图 （3）智能技术：涉及综合信息技术，人工智能方法研究。智能科学与技术学科的奇异之处就是试图将一长串严格形式化的规则放在一起，用这些规则教给不灵活的机器如何能灵活起来。此时，就涉及到具体的技术实现问题，包括智能计算技术、智能控制技术、智能交互技术，甚至脑机融合技术等。

（4）智能服务：涉及智能产品研发，人工智能应用研究。我们处于一个信息化的时代，支撑这个时代的技术就是信息技术，而信息技术的前沿技术就是智能技术。因此信息化不可能停留在电子化、数字化之上，而是要不断走向智能化。应该说，智能技术不仅仅是信息技术发展的驱动力，而且其本身也越来越成为信息技术的主流。

学科所处的地位：信息科学与技术学科主要包括电子科学与技术、通信科学与工程、控制科学与工程、计算机科学与技术以及智能科学与技术等五个本科专业。为了学生们大略了解不同学科在整体信息学科群的地位与相互之间的关系，我特意给出了一个“信息类学科ICE关系图”。 智能升华层面 I 通信计算控制运作层面 CCC 电子基础层面 E 信息冰山：信息类学科ICE关系图

对社会进步的作用：21世纪的社会是信息社会，而信息社会的高级阶段就是智能社会。就像信息技术是信息社会的核心支撑技术一样，智能社会的核心支撑技术就是智能技术。我们这个时代也称为第二轴心时代，而从技术层面最终表现形式，就是智能社会。从历史发展的趋势看，未来的社会必将是智能社会。 2、厦门大学智能学科概况

厦门大学是全国第三个建立智能科学与技术系的大学（2007年建系，目前全国有7个大学建有智能系，近20所高校设有智能科学与技术本科专业），主要优势研究方向包括仿脑智能系统、自然语言处理、智能媒体技术。建有福建省仿脑智能系统重点实验室，是中国人工智能学会理事单位，福建省人工智能学会理事长单位。目前,全系拥有教授5名（博士生导师4名，闽江特聘教授1名，福建省百千万人才1名）、副教授10余名。先后承担20余项国家级各类科研项目，学院惟有5项国家973、863项目均出自智能系。清华大学张钹院士为我系双聘院士，并担任福建省仿脑智能系统重点实验室学术委员会主任。

建系以来，与国际学术界开展广泛学术合作与交流，联合培养本科、硕士、博士20余名，具有海外学习或访问一年以上经历的教师占50%。本科教学包括课堂教学、课外竞赛、课程实践、社会实习、毕业设计等环节，我校实施本科生导师制。智能系本科生配备最优秀的教师担任本科指导老师。 3、本门课程基本介绍

课程的培养目标：（1）了解学科的基本内容，包括概念、思想、方法、前沿及难题等；（2）拓展学生的知识面，介绍主要相关学科的基本情况；（3）提高学生的思维能力，转变学生的思想境界。毛泽东指出:“学校的全部工作在于转变学生的思想。”

课程内容及进度安排：除了第一讲引论与最后一讲展望外，整个课程内容分为三个部分：计算基础知识、智能科学研究、智能技术应用。具体进度安排如下。

导论课程内容及其进度安排表

讲课第次周序讲座内容备注

第01讲引论第4周学科概述、人类大脑、智能简史 第02讲机器系统第5周数据存储、数据操作、操作系统计算基础

第03讲算法设计第6周算法概说、算法构造、算法结构计算基础

第04讲程序编制第7周编程语言、程序结构、软件开发计算基础

第xx讲学习适应轮空不讲知识表示、学习类型、机器学习智能科学

第05讲视觉感知第8周视觉机制、视觉计算、知觉困境智能科学

第06讲意义理解第9周诗歌解读、语言处理、意义领悟智能科学

第07讲思维能力第10周智力游戏、难倒深蓝、模式转绎智能科学

第08讲情思表达第11周诗文创作、传情达意、情感审美智能科学

第09讲行为展现第12周行为表征、行为控制、机器歌舞智能科学

第xx讲意识反思轮空不讲意识科学、机器意识、心识自明智能科学

第10讲智能接口第13周人机会话、情感交流、脑机接口技术应用

第11讲智能系统第14周专家系统、智能机器、智能武器技术应用

第12讲智能社会第15周智能家居、智能交通、智慧城市技术应用

第13讲展望第16周机器困境、智能哲学、学科前景 闭卷笔试期末考试第17周

关于教材问题：由于智能科学与技术专业是一个新兴学科，目前暂无比较理想的教材。名义上我们的教材是：钟义信，《智能科学技术导论》，智能科学与技术本科专业系列教材,北京邮电大学出版社，2006年。实际上，则以我的课件为主，主要参考书为：

周昌乐，《无心的机器》，湖南科学技术出版社，2000

[美]布罗克契尔（J.Glenn Brookshear），《计算机科学概论》（第七版），王保江等译，人民邮电出版社，2003年版

[加]保罗·萨伽德，《心智：认知科学导论》（第二版），朱菁等译，上海辞书出版社，2012年板。

深度专业读物：为了满足同学们不断增长的求知欲，建议参考如下进一步的专业读物：

周昌乐，《心脑计算举要》，清华大学出版社，2003 [美]侯世达，《哥德尔、艾舍尔、巴赫——集异璧之大成》，商务印书馆，1996

史忠植，《智能科学》，清华大学出版社，2006 韩济生主编，《神经科学原理》第二版，北京医科大学出版社，1999年版

[日]艉田秀司，《仿人机器人》，管贻生译，清华大学出版社，2007年版。

第1.2节人类大脑

为了理解智能科学技术的主要研究策略，首先我们需要对人类智能产生的脑机制进行考察，理解心智是如何工作的。从根本上讲，无论我们所讨论的智能现象和行为多么复杂、多么难以为机器所拥有，都不过是人脑的产物。也就是说：心无非就是脑活动，是活动的脑，而机器能否拥有人类的心智能力，说到底也就是要看，人脑活动机制能否从根本上可以化解为可机器执行的算法？为了弄清这一根本问题，让我们先从人脑的神组织结构开始说起。

1、人脑结构与功能定位

人脑很像一只放大尺寸、剥开硬壳的山西核桃，被包裹在头颅骨里面。如图所示，紧靠上面的是布满皱纹

沟回的大脑，其下便是间脑（丘脑及周边组织）、脑干（中脑、脑桥、延脑）和小脑。脑干的延脑部分与脊髓相接，联络外周神经组织。

这就是类似核桃的人脑

人脑系统结构图

大脑结构定位

呈显灰色的大脑皮层是高级神经活动的物质基础，

约含有1012

左右的神经细胞，它们都以自内向外分层方式排列（一般６-８层），形态相似的细胞聚成一定的层次。皮层下呈显白色的是神经元之间相互连接的神经纤维。

通常沟通半球内神经元的神经纤维称为联络纤维、沟通两半球之间联系的神经纤维称为连合纤维，而负责与外周神经联系的神经纤维称为投射纤维。这些神经纤维的纵横交错，将皮层神经细胞聚集为一个不可分割的有机整体。一般可以依据皮层中各部细胞和纤维联系，将全部皮层分成若干区，其反映一定的心理功能。

大脑功能区划分

大脑边缘叶结构

实际上脑叶或脑区的功能似乎首先由输入、输出的神经投射相关联，然后才是由各区之间的联络纤维以及跨半球叶区之间的连合纤维相关联。因此，任何叶区的功能划分都不会是绝对明确的，确切的功能性叶区边界也是不存在的；并因人而异的。对于特定成熟大脑的脑区功能定位分布，完全应看作是长期神经活动彼此消长相互作用的结果，是整体神经活动中各输入激活刺激源相互作用、争奇的产物。

总之，脑功能是分布搭配式的，因此某个功能消失并不一定引起所有功能的丧失，这同基因的组合搭配类似。但机器则不同，在集中式逻辑控制下，CPU任意部分的损伤无疑会引起整个CPU的瘫痪。这便是我们考察人脑所获得的第一个结论。 2、神经细胞及其连接网格

神经细胞在结构上通常由一个细胞体及其众多漫延开来的突起构成，如图所示。在神经细胞的突起中，唯一一根长长的突起称为轴突，是神经细胞输出信号的主通道；剩余众多较短的、树状枝叉突起则称为树突，是神经细胞输入信号的各通道，有些神经细胞的树突表面会漫生出多种形状的细小突起，称为树突棘，它们都可以成为输入信号的源点。

神经细胞结构图

神经细胞间的联结

突触结构图解

业已探明，人脑的各种心理功能和行为是由神经细胞集群构成的多级神经环路完成的。其中微环路是由突触组构的最初级形式，在此基础上再形成更高级的局部环路，并这样逐极扩展，直到一个脑区、脑叶和整个脑。从这个意义上讲，我们可以将人脑中的神经系统看作是由神经细胞及其突触联系所构成的一张巨大无比的神经网络。

视觉注意的神经通道

如果一定要将大脑比作是一架机器的话，那它也是一架非常特独的机器，它由1012个相当一致的物质基元，使用少数定型信号并通过基元之间1012 ×104量级的

广泛连接，赋予了其不同寻常的能力。而建筑在其活动信号组合模式之上的心智功能意义的产生，完全又是数以亿计的基元相互作用动力学行为的结果。 3、心脑行为的自组织

美国学者侯世达教授(D.R.Hofstadter)在他的《Godel,Escher,Bach--an EternalGolden Braid》一书中认为：“为阐明大脑中发生的思维过程，我们还剩下两个基本问题：一个是解释低层次的神经发射通讯是如何导致高层次的符号激活通讯的；另一个是自足地解释高层次的符号激活通讯－－建立一个不涉及低层神经事件的理论。”

很明显，心脑活动的复杂行为是建立在大量特异化神经组块相互作用的基础上的，因此侯世达所强调的正是指神经元集群如何自发（自组织）地产生宏观行为的问题。这便是一个心脑内部神经活动如何导致心脑整体性外在表现的自组织问题。为了对心脑这种自组织规律活动有个比较直观的认识，让我们从蚁群行为的比附说起。

蚂蚁是一种很不起眼的小生命，但却有着很多类似于人类活动的“神奇”行为。比如蚂蚁会种植、采集、畜牧、驱奴、缝纫、吸毒，甚至使用工具等。当然单个吗蚁是微不足道的，一旦离群，除了死，别无选择；但作为一个十几万个单元组成的蚁群，其表现出来的行为方式，就颇为壮观了。

蚂蚁放牧蚜虫

放牧目的是为了吸食蜜汁

切割蚁在采集途中

蚂蚁是通过接触提供的信息传递来协调其活动的，并用这种方式互相组队支援，去从事随便什么活动。当然，蚂蚁组队是有一定条件的，只有当聚集的蚂蚁的数量达到某一临界数量时，有条理的蚁群现象才会出现。并且一旦出现这种情况，就会象滚雪球一样，把越来越多的蚂蚁裹挟进来。这样为收集食物、营造蚁窝等目标而工作的完整的“蚁队”就形成了。

蚂蚁组队

信息交流：须须触须须

蚂蚁团队协作

比如，蚂蚁在预报天气时，先是派出侦察蚁四处活动，带回“搜寻”到的各种信息后，举行“碰头会”，他们围成一圈，须须碰须须地充分交换“意见”后，有意义的“气象情报”就突现出来，形成对气候的预报结果，并据此采取相应的群体行动，如是洪水来犯，就举家迁移。

蚁群天气预报

类似的，作为神经元个体，同单个蚂蚁一样，都要为自己的功能生效和生存而竞争，模块中的细胞群也一样要进行竞争，所以模块不是固定不变的实体，这也同蚁队一样是构成高级心智功能的基本彻块。由这些彻块可以构成更大规模的皮层区、叶和半球，直到整个神经

分布系统。而大多数由皮层媒介的行为同样也是依靠不

同皮层之间的相互作用实现的。

蚁群结构与神经系统对应表

序号蚁群结构层次大脑皮层结构层次 1蚁群分布结构神经分布系统

2高层蚁队多重皮层代表区：叶、半球 3中层蚁队皮层区

4 低层蚁队基本的皮层回路（皮层模块） 5 蚂蚁神经元

6 蚁队动态接触突触 7触须活联路离子通道 8 气味分子分子和离子

的确，由于在神经活动中，小到离子去极化、神经元之间的颉颃，大到神经功能区的竞争、神经系统与环境的相互作用，无不体现着非线性自组织规律：（１）心脑行为是一个多层次、特异过程的宏观动力学系统；（２）系统与环境进行连续交换，从而与环境共同演化；（３）跨层次整体效应的自涌现以及系统的自我超越，即演化过程本身的元演化。

毫无疑问，我们的确可肯定，心脑行为从根本上讲是神经系统自组织活动本身的外效表现。不过，由于自组织行为涉及到大量非线性科学的理论，特别是有关突变论、耗散理论、协同学、超循环论、混沌动力学以及分形几何等内容，其定量分析存在着非常巨大的困难。这便是需要我们不断去探索与解决的问题。

比起其他学科，智能学科正式的历史就显得十分短暂，但如果将古代思维机器的研究历史也包括进来，那么算起来也有很长的历程了。读史可以明智，通过回顾历史，也许我们对如何进一步推动人工智能进程有比较清醒的认识。

第1.3节智能简史

1、思维机器的发展史

最早尝试研制思维机，可以追溯到十三世纪中叶。当时，西班牙修道士卢禄（R.Lull，1237-1315）在写作《大艺术》的书中，设想了一种思维机器，试图用概念组合方法来代替思维，从而使思维成为一种计算。为此，卢禄还专门设计了一个由六个同心圆盘构成的运动机械装置，用以检验被研究场合所有可能元素组合的逻辑原则。

达·芬奇的手稿中，发现了关于机械式计算工具设计方案的记录。

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