淮北市第一中學(xué) 濮義龍 陳 思

1.概述

“人工智能”一詞最開(kāi)始是在1956 年Dartmouth學(xué)會(huì)上提出的。從此以后,研究者們發(fā)展了眾多理論和原理,人工智能的概念就此開(kāi)始擴(kuò)展。

人工智能（Artificial Intelligence，簡(jiǎn)稱AI）是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，它探討智慧的本質(zhì)，創(chuàng)造人類的智慧可以在類似智能機(jī)的目的的方式作出反應(yīng)。首先，出現(xiàn)和人工智能的發(fā)展，是一個(gè)革命性的科學(xué)思維，它依賴于生成和科學(xué)思維革命發(fā)展到一定程度，但它也是思維和方法產(chǎn)生了深刻的變革人類的方式。人工智能是最密切的科學(xué)和哲學(xué)主題之間的關(guān)系，其研究結(jié)果匯集了來(lái)自心理學(xué)，語(yǔ)言學(xué)，神經(jīng)科學(xué)，邏輯，數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)，機(jī)器人學(xué)，經(jīng)濟(jì)學(xué)，社會(huì)學(xué)等學(xué)科的認(rèn)知。隨著人工智能以人類認(rèn)識(shí)自身的方式在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里來(lái)改造世界，發(fā)揮重要作用。

人工智能的研究不僅是讓機(jī)器有解決問(wèn)題的能力，還應(yīng)該注重機(jī)器的研究具有自學(xué)習(xí)能力，使機(jī)器也能像智慧生物一樣積累生活經(jīng)驗(yàn)和智慧不斷總結(jié)教訓(xùn)，改正錯(cuò)誤，提高性能，適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，也要有發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的能力。這也成為人工智能和智能控制的主要內(nèi)容。特別是70年代以來(lái)，由于基于知識(shí)工程的人工智能的發(fā)展，人工智能的三個(gè)中心問(wèn)題已形成：知識(shí)表示（Represent）、知識(shí)應(yīng)用（Utieigation）和知識(shí)獲取（Acquisition）。知識(shí)獲取解決機(jī)器知識(shí)的來(lái)源和補(bǔ)充。所有先進(jìn)、完善的人工智能系統(tǒng)都必須具備學(xué)習(xí)能力。機(jī)器只能根據(jù)人類的“邏輯”或“傳授”的原始知識(shí)行事。它不能適應(yīng)環(huán)境變化和事物發(fā)展的需要。

2.人工智能的基本概念

2.1 人工智能的定義

“人工智能”一直是存在許多爭(zhēng)議的概念，甚至于沒(méi)有有個(gè)廣為接受的定義。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，即是“人工”與“智能”，也就是人工創(chuàng)造的具有擬人智能的系統(tǒng)。其智能包括諸如意識(shí)、自我、心靈等一系列只有生命具有的特質(zhì)?；镜娜斯ぶ悄芗词蔷哂袑W(xué)習(xí)能力的機(jī)器或系統(tǒng)。以實(shí)現(xiàn)某些機(jī)器思維[3]。

2.2 的應(yīng)用領(lǐng)域

每個(gè)學(xué)科都有自己獨(dú)特的研究課題和研究方法，在其研究領(lǐng)域中，還包括這更為詳細(xì)的分支。在人工智能中，這些分支包括自動(dòng)定理證明、問(wèn)題求解、自然語(yǔ)言處理、人工智能方法、編程語(yǔ)言和智能數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)以及自動(dòng)編程。在過(guò)去的幾十年中，已經(jīng)建立了一些人工智能的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。例如人工合成自然語(yǔ)言、飛機(jī)控制、疾病診斷、水下作業(yè)、太空操作、集成電路的設(shè)計(jì)與分析以及檢索情報(bào)等，都有各種新型人工智能軟件。它可以被稱為某種廣義的機(jī)器人。

2.3 人工智能的核心手段

而其中機(jī)器學(xué)習(xí)的能力無(wú)疑是人工智能研究方面最基本也最重要的課題。學(xué)習(xí)是獲得知識(shí)的根本手段，學(xué)習(xí)能力既代表著人工智能系統(tǒng)的之所以具備智能的重要標(biāo)志。機(jī)器學(xué)習(xí)是使微機(jī)具有機(jī)器智能的基本途徑，也是促進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)步的最根本手段。

3.機(jī)器學(xué)習(xí)

3.1 機(jī)器學(xué)習(xí)及其相關(guān)概念

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是目前自動(dòng)獲取知識(shí)的主要途徑。它主要用于專家指導(dǎo)和從所提供的數(shù)據(jù)中歸納有用的知識(shí)。

“學(xué)習(xí)”是什么，“學(xué)習(xí)”是一個(gè)流行的、被廣泛使用的概念，也是一個(gè)豐富、難以定義的術(shù)語(yǔ)。“學(xué)習(xí)”的概念對(duì)不同學(xué)科或不同發(fā)展階段有不同的定義。在人工智能中，西蒙稱之為“學(xué)習(xí)”過(guò)程，如“系統(tǒng)積累經(jīng)驗(yàn)和提高性能”?！皩W(xué)習(xí)系統(tǒng)”有五種不同的定義：

（1）一個(gè)系統(tǒng)，可以從某個(gè)過(guò)程或環(huán)境的未知特性中獲取信息，并將其用作未來(lái)評(píng)估、分類、決策或控制的經(jīng)驗(yàn)，以提高其性能，稱為學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

（2）若系統(tǒng)在其環(huán)境發(fā)生改變后的一段時(shí)間(T)內(nèi)，相對(duì)于性能函數(shù)(P)的響應(yīng)是令人滿意的，則可稱為“學(xué)習(xí)系統(tǒng)”。

（3）我們可以利用與環(huán)境交互時(shí)獲得的信息，在未來(lái)與環(huán)境的互動(dòng)中提高其性能，這就是所謂的“學(xué)習(xí)系統(tǒng)”。

（4）與環(huán)境相互作用，使知識(shí)庫(kù)完善的系統(tǒng)，稱為“學(xué)習(xí)系統(tǒng)”。

（5）在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，從外部環(huán)境中獲取知識(shí)，提高系統(tǒng)性能的系統(tǒng)稱為“學(xué)習(xí)系統(tǒng)”。

機(jī)器學(xué)習(xí)的目的是研究如何使計(jì)算機(jī)模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，從而獲得新的知識(shí)或技能，重組已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高學(xué)習(xí)績(jī)效。它是人工智能的核心，是計(jì)算機(jī)智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其應(yīng)用已遍及所有分支中的人工智能技術(shù)，如專家系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自動(dòng)推理、模式識(shí)別、自然語(yǔ)言理解、智能機(jī)器人等。這也是專家系統(tǒng)知識(shí)獲取中一個(gè)非常典型的瓶頸，研究人員一直試圖利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)克服這些困難。

3.2 機(jī)器學(xué)習(xí)的研究意義

一個(gè)沒(méi)有學(xué)習(xí)能力的智能系統(tǒng)很難稱之為真正的智能系統(tǒng)。當(dāng)它們錯(cuò)了時(shí)，它們不會(huì)自我糾正；它們不會(huì)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)提高他們的表現(xiàn)；它們不會(huì)自動(dòng)獲取和發(fā)現(xiàn)所需的知識(shí)。它們的推理僅限于演繹和歸納，所以至多只能證明現(xiàn)有的事實(shí)和定理，不能找到新的定理、法則和規(guī)則。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，這些局限性越來(lái)越突出。正是在這種情況下，機(jī)器學(xué)習(xí)逐漸成為人工智能研究的核心內(nèi)容之一。

本研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)生理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、人類認(rèn)知的學(xué)習(xí)機(jī)制，建立學(xué)習(xí)過(guò)程的計(jì)算模型和理解的人體模型，學(xué)習(xí)理論和學(xué)習(xí)，建立學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的應(yīng)用具體任務(wù)導(dǎo)向的發(fā)展分析的一般理論和學(xué)習(xí)算法。每一個(gè)研究目標(biāo)的突破可能導(dǎo)致其他領(lǐng)域的進(jìn)展。通過(guò)模擬人的學(xué)習(xí)過(guò)程，建立了知識(shí)學(xué)習(xí)模型。從而為認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展提供了依據(jù)。

3.3 機(jī)器學(xué)習(xí)的方法

機(jī)器學(xué)習(xí)的方法分為三個(gè)系統(tǒng)，分別是演繹學(xué)習(xí)系統(tǒng)、歸納學(xué)習(xí)系統(tǒng)和類比學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

（1）演繹學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要用于一般到特殊的推理，通過(guò)建立公理系統(tǒng)和推理定理法則，從之前可知的題目中推出相應(yīng)的結(jié)論。推理從公理出發(fā)，經(jīng)過(guò)邏輯變換推導(dǎo)出結(jié)論。這種推理是“保真”變換和特化(specialization)的過(guò)程，這樣學(xué)生便可以在推理過(guò)程中獲取有用的知識(shí)。這種學(xué)習(xí)方法包含宏操作(macro-operation)學(xué)習(xí)、知識(shí)編輯和組塊(Chunking)技術(shù)。

（2）歸納學(xué)習(xí)系統(tǒng)是演繹推理的逆過(guò)程，主要用于自特殊到一般的推理。在系統(tǒng)中歸納分為完全歸納和不完全歸納，因果關(guān)系歸納和簡(jiǎn)單枚舉歸納。

（3）類比學(xué)習(xí)系統(tǒng)又叫做模仿系統(tǒng)，一種自特殊到特殊的推理。包括相似的特征等目標(biāo)域的相應(yīng)知識(shí)推斷，使用兩種不同的字段、源域或目標(biāo)域的知識(shí)的相似性，通過(guò)類比前者的知識(shí)，以達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。類比學(xué)習(xí)系統(tǒng)允許現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)應(yīng)用到新的領(lǐng)域，以適應(yīng)和實(shí)現(xiàn)類似的功能不是最初設(shè)計(jì)。

3.4 機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)是建立在人工智能的學(xué)習(xí)原理和方法基礎(chǔ)上的。它是應(yīng)用知識(shí)表示、知識(shí)存儲(chǔ)、知識(shí)推理等技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的。該系統(tǒng)具有知識(shí)獲取功能，能夠逐步提高其性能，可以稱之為人工智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)或智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以進(jìn)行自學(xué)或教育，離線或在線學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，可以用實(shí)例，類比，指導(dǎo)學(xué)習(xí)懲罰的方法，歸納，演繹和聯(lián)想學(xué)習(xí)。根據(jù)所采用的學(xué)習(xí)方法，實(shí)際系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

在機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，需要建立知識(shí)庫(kù)來(lái)獲取知識(shí)和提高性能，需要知識(shí)庫(kù)進(jìn)行添加、刪除、修改、擴(kuò)展和更新等功能。在教學(xué)和學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，還有一個(gè)人機(jī)界面，用來(lái)向教師學(xué)習(xí)和獲取知識(shí)。

教學(xué)系統(tǒng)通常是離線學(xué)習(xí)、非實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)和在線學(xué)習(xí)?！霸诰€”指的是系統(tǒng)與學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的工作對(duì)象或環(huán)境的時(shí)間域之間的直接連接?！半x線”相反，是不在線的?！皩?shí)時(shí)”指的是學(xué)習(xí)系統(tǒng)的時(shí)間域與其工作對(duì)象或環(huán)境的時(shí)間域相同，即實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，而“非實(shí)時(shí)”指的是不同的時(shí)間域。

圖1顯示了機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)或智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖。

圖1 智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)監(jiān)控鏈接是教師時(shí)，圖1是一個(gè)教學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)視鏈接是監(jiān)視器時(shí)，圖1是一個(gè)自學(xué)習(xí)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有直接連接到環(huán)境時(shí)，圖1表示離線學(xué)習(xí)系統(tǒng)；當(dāng)環(huán)境和系統(tǒng)聯(lián)機(jī)時(shí)，圖1表示在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

3.5 機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基本功能

智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)分為環(huán)境、選例[8]、監(jiān)督、學(xué)習(xí)、知識(shí)庫(kù)、工作等六個(gè)部分。本段將分別介紹各個(gè)部分的功能。

3.5.1 知識(shí)庫(kù)

知識(shí)庫(kù)是用來(lái)存儲(chǔ)知識(shí)、積累知識(shí)、增加、減少、擴(kuò)充、修改和更新知識(shí)的管理系統(tǒng)。根據(jù)存儲(chǔ)知識(shí)的存儲(chǔ)穩(wěn)定性，可分為三類：

（1）長(zhǎng)期記憶知識(shí)：穩(wěn)定的知識(shí)。學(xué)習(xí)系統(tǒng)必須具有先驗(yàn)知識(shí)，不改變基本知識(shí)，如基本概念和定理、法律與正義、游戲基本規(guī)則等。

（2）中期記憶知識(shí)：通過(guò)研究，我們可以添加或刪除或修改特定環(huán)境中正在變化的知識(shí)部分，也就是知識(shí)庫(kù)。

（3）短期記憶：反映環(huán)境變化的信息和數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)過(guò)程中的中間結(jié)果，以及知識(shí)召喚的條件。它通常在“在線”學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)生變化，通常存儲(chǔ)在“普通數(shù)據(jù)庫(kù)”或“黑板”中。

3.5.2 學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)及其功能

學(xué)習(xí)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié),為接受監(jiān)督指導(dǎo)、采集環(huán)境信息、修改知識(shí)庫(kù)、進(jìn)行學(xué)習(xí)推理，其作用如下：

（1）接受監(jiān)督指導(dǎo)：接受來(lái)自監(jiān)督環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)信息或示教。

（2）采集環(huán)境信息：通過(guò)直接采集或選例環(huán)節(jié)有關(guān)環(huán)境變化的信息。

（3）修改知識(shí)庫(kù)：把學(xué)習(xí)推理所獲得的結(jié)果，輸入知識(shí)庫(kù)，對(duì)原有的知識(shí)進(jìn)行增減、修改。

（4）進(jìn)行學(xué)習(xí)推理：利用所采集的環(huán)境，根據(jù)監(jiān)督指導(dǎo)，通過(guò)示例類比、強(qiáng)記、指導(dǎo)等學(xué)習(xí)方法，進(jìn)行學(xué)習(xí)過(guò)程的知識(shí)推理，獲得有關(guān)問(wèn)題的解答和結(jié)論。

3.5.3 工作環(huán)節(jié)

工作環(huán)節(jié)就是利用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，進(jìn)行識(shí)別，直接引起環(huán)境的變化，如機(jī)器人行動(dòng)、生產(chǎn)過(guò)程控制、機(jī)器博弈等。那么就形成了“在線”學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

3.5.4 監(jiān)督環(huán)節(jié)及其功能

在教學(xué)體系中，監(jiān)督環(huán)節(jié)也是人，即教師；在自學(xué)制度中，監(jiān)督環(huán)節(jié)是監(jiān)督，即評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或檢查標(biāo)準(zhǔn)。其作用如下：

（1）工作效果評(píng)價(jià)：從工作環(huán)節(jié)接收反饋信息，測(cè)試和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的工作效果。

（2）全面評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：從不斷變化的環(huán)境中接受信息。制定和修訂檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

（3）學(xué)習(xí)與督導(dǎo)環(huán)節(jié)：根據(jù)測(cè)試的結(jié)果和評(píng)價(jià)對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)、培訓(xùn)或指導(dǎo)。

（4）選擇實(shí)例控制環(huán)節(jié)：根據(jù)鏈接變化信息和工作效果反饋，控制實(shí)例鏈接的選擇，選擇其他案例或樣本。

3.5.5 選擇程序

選擇案例的作用是從環(huán)境中選擇典型的樣例或樣例作為系統(tǒng)訓(xùn)練集或?qū)W習(xí)對(duì)象，以提高學(xué)習(xí)效率，加快學(xué)習(xí)過(guò)程。示例的選擇可以由一個(gè)人或一臺(tái)機(jī)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.5.6 環(huán)境

環(huán)境指的是知識(shí)和信息的來(lái)源、工作的對(duì)象和性質(zhì)。例如病人、醫(yī)生、病歷、診斷、文字、圖像、場(chǎng)景的模式識(shí)別系統(tǒng)、游戲系統(tǒng)、游戲?qū)κ?、被控?duì)象的智能控制系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程等。

3.6 代碼示例

列舉一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)的例子，例如通過(guò)環(huán)境影響來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

本程序?qū)⒏鶕?jù)您的評(píng)價(jià)判斷執(zhí)行結(jié)果"1+1=2"，實(shí)際上僅用了最簡(jiǎn)單的if else for語(yǔ)句。這就是一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)的例子，通過(guò)環(huán)境影響來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

通過(guò)本例我們可以看出，在人工錯(cuò)誤的引導(dǎo)下，機(jī)器會(huì)給出錯(cuò)誤的答案 1+1不等于2。所以這種學(xué)習(xí)方法，一定要在正確引導(dǎo)下實(shí)踐，否則會(huì)得到最壞的結(jié)果。學(xué)習(xí)完畢后，計(jì)算機(jī)會(huì)儲(chǔ)存本次學(xué)習(xí)結(jié)果，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，下次執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)時(shí)，再將結(jié)果調(diào)出執(zhí)行。

4.總結(jié)與展望

在現(xiàn)今的人工智能，推理，學(xué)習(xí)活動(dòng)，其中聯(lián)想是最重要的三大功能。這就需要推理和聯(lián)想功能，以增加通過(guò)改進(jìn)學(xué)習(xí)功能。機(jī)器學(xué)習(xí)占據(jù)了人工智能研究的重要地位，基礎(chǔ)是人工智能理論的發(fā)展，關(guān)鍵是要克服知識(shí)獲取技術(shù)，只是為了使人工人機(jī)界面系統(tǒng)完美的收購(gòu)機(jī)器學(xué)習(xí)研究和開(kāi)發(fā)智能發(fā)揮顯著的力量。

因此，我們需要加強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)的研究，不斷開(kāi)發(fā)新的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，促進(jìn)人工智能的發(fā)展。

知識(shí)獲取技術(shù)最近幾年發(fā)展迅速，但其畢竟屬于新興領(lǐng)域，發(fā)展時(shí)間比較短并且技術(shù)難題很多，一直以來(lái)，人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)能力是人工智能領(lǐng)域研究的一個(gè)“瓶頸”。一方面機(jī)器學(xué)習(xí)的在限制人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展；另一方面，鑒于與其他領(lǐng)域的密切關(guān)系，這要求研究人員工作機(jī)器學(xué)習(xí)的同時(shí)，其他領(lǐng)域的發(fā)展可以在新的學(xué)習(xí)算法和學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)的其他領(lǐng)域有所發(fā)現(xiàn)，從而推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的新發(fā)展。

致謝：

本論文是在陳思老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在論文的開(kāi)始時(shí)期，我有好多專業(yè)的知識(shí)不懂，去向老師請(qǐng)教，老師耐心地一一幫我解答了，從而能夠在接下來(lái)寫論文的過(guò)程中，能夠快速的知道論文該如何的去寫。老師和藹的教學(xué)思想、一絲不茍的態(tài)度、博學(xué)的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，使我收獲巨大，這一點(diǎn)永遠(yuǎn)值得我跟老師學(xué)習(xí)，不斷的完善自己，追求進(jìn)步，追求知識(shí)，從而使我能夠向著更遠(yuǎn)的方向不斷前進(jìn)。在此，我對(duì)老師表示衷心的感謝，并致以最崇高的敬意！

衷心感謝授課老師課上對(duì)我們的教導(dǎo)，你們豐富的授課內(nèi)容拓寬了我的視野，讓我能更順利的完成這篇文章；感謝同窗學(xué)友們，在與他們相處中，他們給予我諸多的鼓勵(lì)、啟發(fā)和幫助，使我感受到集體的溫暖和相互協(xié)作的快樂(lè)，得益非淺！最后，對(duì)審閱此論文的老師們表示衷心的感謝！

再次感謝所有關(guān)心、支持、幫助過(guò)我的人！

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