粤教版信息技术选修4【高清教材】.pdf

普 通 高 中 教 科 书选择性必修信息技术普通高中教科书信息技术4人工智能初步Rengong Zhineng Chubu选择性必修 4人工智能初步广东教育出版社广东教育出版社批准文号：粤发改价格2017434号 举报电话:12358定价：9.51元ook2020信息技术选择性必修-4封面.indd 42020/6/5 上午11:23信息技术广东教育出版社普 通 高 中 教 科 书徐福荫 主编广州人工智能初步Rengong Zhineng Chubu4选择性必修 ook2020信息技术-8扉页.indd 62020/5/28 下午2:5222目录图书在版编目(CIP)数据信息技术选择性必修4：人工智能初步/徐福荫主编广州：广东教育出版社，2019.12（2021.1重印）普通高中教科书ISBN 978-7-5548-3031-4.信.徐.计算机课高中教材.G634.671中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第202791号 编写单位 广东教育出版社 主 编 徐福荫 副 主 编 朱光明 黄国洪 本册主编 黄国洪 王 腾 核心编写人员（以姓氏笔画为序）王同聚 刘 毅 李建国 吴良辉 沈小锋 曹 萍 覃健诚 责任编辑 李敏怡 熊力闻 李杰静 责任技编 杨启承 陈 瑾 装帧设计 何 维信息技术 选择性必修4 人工智能初步XINXI JISHU XUANZEXING BIXIU 4 RENGONG ZHINENG CHUBU广 东 教 育 出 版 社 出 版（广州市环市东路472号12-15楼）邮政编码：510075网址：http:/广东新华发行集团股份有限公司发行广东新华印刷有限公司南海分公司印刷（佛山市南海区盐步河东中心路）890毫米1240毫米16开本8印张160 000字2019年12月第1版2021年1月第3次印刷ISBN 978-7-5548-3031-4定价：9.51元批准文号：粤发改价格2017434 号 举报电话：12315著作权所有请勿擅用本书制作各类出版物违者必究如有印装质量或内容质量问题，请与我社联系。质量监督电话：020-87613102 邮箱：gjs-购书咨询电话：020-8777243822Y3228目录.indd 22020/12/3 17:10:02前 言信息技术作为当今先进生产力的代表，已经成为我国经济发展的重要支柱和网络强国的战略支撑。信息技术涵盖了获取、表示、传输、存储和加工信息在内的各种技术。自电子计算机问世以来，信息技术沿着以计算机为核心、到以互联网为核心、再到以数据为核心的发展脉络，深刻影响着社会的经济结构和生产方式，加快了全球范围内的知识更新和技术创新，推动了社会信息化、智能化的建设与发展，催生出现实空间与虚拟空间并存的信息社会，并逐步构建出智慧社会。人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的新兴技术。近年来，人工智能的发展呈现出深度学习、跨界融合、人机协同等新特征，推动了社会各领域从数字化、网络化向智能化的跃升，深刻改变着人们的生活方式和思维模式。本模块是针对人工智能的发展特征，从基础知识与应用、简单人工智能应用模块搭建及开发等方面设置的选择性必修模块。通过本教科书的学习，同学们应该了解人工智能的发展历程及概念，能描述典型人工智能算法的实现过程，通过搭建简单的人工智能应用模块，亲历设计与实现简单智能系统的基本过程与方法，增强利用智能技术服务人类发展的责任感。本教科书按“人工智能基础”“简单人工智能应用模块开发”“人工智能技术的发展与应用”三部分内容展开，围绕信息技术学科核心素养设计了“调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程”“剖析汽车自动导航系统”“剖析垃圾邮件智能分类系统”“开发拍照识物智能玩具系统”“从自动驾驶汽车伤人事件分析人机共处的安全风险和伦理挑战”项目范例，教师围绕“情境主题规划探究实施成果评价”的项目范例主线开展教学活动，帮助同学们掌握本教科书的基础知识、方法和技能，增强信息意识，发展计算思维，提高数字化学习与创新能力，树立正确的信息社会价值观和责任感，从而促进同学们的信息素养提升。121Y3228前言.indd 12019/10/10 14:22:1822本教科书要求同学们对现实世界中的真实性问题进行自主、协作、探究学习。同学们围绕“项目选题项目规划方案交流探究活动项目实施成果交流活动评价”的项目学习主线开展学习活动，体验“做中学、学中创、创中乐”的项目学习理念和“从实践入手、先学后教、先练后讲”的项目学习策略，将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，从而促进信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任的信息技术学科核心素养达成。本教科书设置了“项目范例”“项目选题”“项目规划”“方案交流”“探究活动”“项目实施”“成果交流”“活动评价”等学习栏目，指导同学们开展项目学习活动。其中，“项目范例”是教师通过“情境”“主题”“规划”“探究”“实施”“成果”“评价”等活动，引导同学们了解开展项目学习活动的全过程；“项目选题”是同学们从真实世界选择自己感兴趣的项目主题；“项目规划”是同学们根据项目选题，制订自己的项目方案；“方案交流”是同学们展示交流自己设计的项目方案，师生共同探究、完善其方案；“探究活动”是同学们通过“问题”“观察”“分析”“阅读”“思考”“交流”“实践”“实验”“体验”“调查”“讨论”“拓展”等活动，获取知识和技能的过程；“项目实施”是同学们运用在项目学习过程中所获得的知识和技能来完成项目方案；“成果交流”是教师组织同学们展示交流项目成果，共享创造、分享快乐；“活动评价”是教师组织同学们开展项目评价活动。本教科书每章首页的导言，叙述了本章的学习目的与方式、学习目标与内容，让同学们对整章内容有个总体认识。每章设置了“本章扼要回顾”，通过知识结构图把每章的主要内容及它们之间的关系描述出来，这有助于同学们建立自己的知识结构体系。每章结尾的“本章学业评价”设计了基于学业要求的测试题，并通过本章的项目活动评价，让同学们综合评价自己在信息技术知识与技能、解决实际问题的过程与方法，以及相关情感态度与价值观的形成等方面，是否达到了本章的学习目标。此外，本教科书为同学们提供了配套学习资源包，里面含有贝叶斯分类器、聚类、决策树和人工神经网络等算法，以及“垃圾邮件智能分类系统”“拍照识物智能玩具系统”等Python程序源代码，为同学们提供智能系统实验环境和数据。当然，同学们还可以自己收集素材，让自己的项目学习作品更有特色。前言21Y3228前言.indd 22019/10/10 14:22:191 1目 录目 录CONTENTS 第一章 人工智能概述1项目范例 调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程 21.1 人工智能及其特征5111 人工智能 5112 人工智能的基本特征71.2 人工智能发展历程与趋势9121 人工智能的发展历程9122 新一代人工智能的兴起12123 人工智能发展的研究趋势 131.3 人工智能的应用 16131 人工智能在经济领域的应用16132 人工智能在社会领域的应用18 第二章 人工智能基础算法及应用22项目范例 剖析汽车自动导航系统232.1 人工智能编程语言与开发平台26211 常用人工智能编程语言26212 Python在人工智能中的运用 2721Y3228目录.indd 12019/10/10 14:07:2322目录213 典型人工智能开发平台292.2 启发式搜索31221 启发式搜索原理31222 启发式搜索的分类33223 启发式搜索的应用342.3 自然语言处理36231 情感分析 36232 机器翻译38233 机器阅读理解40234 智能搜索引擎412.4 生物特征识别41241 指纹识别系统42242 人脸识别系统42243 虹膜识别系统45244 指静脉识别系统45 第三章 机器学习与人工智能的核心算法49项目范例 剖析垃圾邮件智能分类系统503.1 机器学习概述 53311 机器学习的基本原理54312 机器学习算法的主要类型 553.2 贝叶斯分类器57321 朴素贝叶斯分类器57322 朴素贝叶斯分类器的类型 60323 朴素贝叶斯分类器的应用 6121Y3228目录.indd 22019/10/10 14:07:233 33.3 聚类63331 系统聚类算法64332 K-Means聚类算法 65333 K-Means聚类算法的应用663.4 决策树68341 决策树及其类型69342 决策树的生成71343 决策树的应用733.5 人工神经网络75351 人工神经网络的基本原理 76352 人工神经网络的应用78 第四章 人工智能应用系统开发83项目范例 开发拍照识物智能玩具系统844.1 人工智能应用系统项目分析86411 项目描述 86412 需求分析 874.2 人工智能应用系统项目设计88421 总体设计 89422 硬件系统设计89423 软件模块设计904.3 人工智能应用系统项目实施94431 程序设计 94432 图像识别模块开发95433 系统集成 98目录21Y3228目录.indd 32019/10/10 14:07:2444目录 第五章 人工智能系统的安全103项目范例 从“自动驾驶汽车伤人事件”分析人机共处的安全风险和伦理挑战1045.1 人工智能应用系统的安全风险和伦理挑战 107511常见人工智能应用系统的基本组成 107512人工智能应用系统的安全风险 109513人工智能应用系统的伦理挑战 1105.2 维护人工智能应用系统安全的基本方法111521 安全风险分析与审计跟踪 111522 备份与应急处理112523 安全管理教育与制度建设 1125.3 人工智能社会化应用的规范与法规113531 人工智能应用的道德规范和行为守则113532 人工智能应用的民事与刑事法规114附录1 部分术语、缩略语中英文对照表118附录2 项目活动评价表11921Y3228目录.indd 42019/10/10 14:07:241 1 第一章 人工智能概述人类具有智能，并以此建立了相互联系的生活共同体社会，而智能被认为是推动社会发展的重要因素。从学会使用工具到农业革命、工业革命，再到信息化社会，智能无处不在。智能家居、自动驾驶和智能机器人等智能系统早已在不知不觉中融入我们的生活。人工智能技术将对我们的学习、工作和生活带来哪些影响？我们该如何应对人工智能带来的挑战呢？本章将通过“调查人工智能发展历程”项目，进行自主、协作、探究学习，让同学们学会描述人工智能的概念与基本特征，知道人工智能的发展历程、典型应用与发展趋势，辩证认识人工智能对人类社会未来发展的巨大价值，从而将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，促进信息技术学科核心素养达成，完成项目学习目标。人工智能及其特征 人工智能发展历程与趋势 人工智能的应用第一章 人工智能概述第一章人工智能概述21Y3228.indd 12019/10/10 14:23:0722第一章 人工智能概述调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程项目范例情 境语言是用来表达意思和交流思想的工具，是人类社会最基本的信息载体，也是人类区别于其他动物的本质特征之一。由于地理位置、生活环境、风俗习惯等诸多因素影响，世界各地形成了不同的语言。为促进人类之间的交流与合作，需要进行语言之间的翻译。拥有一种自动翻译不同语言的工具，成为人类共同的梦想。人工智能的诞生、发展和应用为自动翻译机（如图1-1所示）的研发和制造带来突破，使人类的这个梦想得以实现。主 题调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程规 划根据项目范例的主题，在小组中组织讨论，利用思维导图工具，制订项目范例的学习规划，如图1-2所示。图1-1 自动翻译机21Y3228.indd 22019/10/10 14:23:093 3 调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程探 究根据项目学习规划的安排，通过调查、案例分析、文献阅读和网上资料搜索，开展“调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程”项目学习探究活动，如表1-1所示。表1-1“调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程”项目学习探究活动探究活动学习内容知识技能汉英自动翻译机的人工智能体验人工智能实例。理解人工智能的概念。描述人工智能的概念与基本特征。分析人工智能的基本特征。描述人工智能的基本特征。人工智能在汉英翻译领域中的发展分析人工智能技术研究的发展趋势。知道人工智能的发展历程。知道人工智能的发展历程、典型应用与发展趋势。辩证认识人工智能对人类社会未来发展的巨大价值。列举人工智能技术在汉英翻译领域取得的成果实例。知道人工智能的典型应用。汉英自动翻译机的发展趋势分析汉英自动翻译机的发展趋势。分析人工智能的发展趋势。图1-2“调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程”项目学习规划21Y3228.indd 32019/10/10 14:23:1144第一章 人工智能概述实 施实施项目学习各项探究活动，进一步调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程。成 果在小组开展项目范例学习过程中，利用思维导图工具梳理小组成员在“头脑风暴”活动中的观点，建立观点结构图，运用多媒体创作工具（如演示文稿、在线编辑工具等），综合加工和表达，形成项目范例可视化学习成果，并通过各种分享平台发布，共享创造、分享快乐。例如，运用在线编辑工具制作的“调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程”可视化报告，可以在教科书的配套学习资源包中查看，其目录截图如图1-3所示。评 价根据教科书附录2的“项目活动评价表”，对项目范例的学习过程和学习成果在小组或班级上进行交流，开展项目学习活动评价。项目选题同学们以36人组成一个小组，选择下面一个参考主题，或者自拟一个感兴趣的主题，开展项目学习。1调查汉日自动翻译机的人工智能发展历程2调查汉德自动翻译机的人工智能发展历程3调查汉俄自动翻译机的人工智能发展历程图1-3“调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程”可视化报告目录截图21Y3228.indd 42019/10/10 14:23:125 5 1.1 人工智能及其特征项目规划各小组根据项目选题，参照项目范例的样式，利用思维导图工具，制订相应的项目方案。方案交流各小组将完成的方案在全班进行展示交流，师生共同探讨、完善相应的项目方案。1.1 人工智能及其特征自有文字记载以来，人类一直梦想着制造智能机器，这些机器能听、能说、能看，会学习、会思考、会决策、会创造、会像人类那样解决问题。1956年的达特茅斯会议开启了人工智能研究的航程。在这之后，人工智能经历了曲折的发展历程。2016和2017年，计算机程序“阿尔法围棋（AlphaGo）”战胜围棋世界冠军的事件，引起了人们对人工智能的兴趣，使人工智能再次进入公众视野，并迎来快速发展的浪潮。1.1.1 人工智能1.人类智能人类智能一般是指知识与智力的总和。其中，知识是智能的基础，而智力是人类获取和运用知识解决问题的能力。学习和记忆的能力是产生智能的前提。为此，人类智能的基本特征表现在以下四个方面：（1）感知。人们通过各种感觉器官（如眼、耳、鼻和手等）来获取客观世界中的各种信息（如图像、声音和气味等），然后将这些信息传入大脑以进行信息处理和识别等智能活动。（2）思维。人的思维是大脑对客观事物能动的、间接的和概括的反映，包括逻辑思维、形象思维和创造性思维。它利用人类语言作为工具，通过归纳、联想、比较、分析和判断等方法对获取的知识进行加工和处理。21Y3228.indd 52019/10/10 14:23:1266第一章 人工智能概述（3）学习与自适应。学习是人类智能的主要标志，也是人类获取知识的基本手段。人们通过与环境的相互作用，不断地学习，通过学习积累知识、培养才能，从而适应环境的变化，并根据环境的变化不断地改变自己的行为。（4）行为。人们通常用语言、表情、眼神和形体动作等对外界的刺激作出反应，传达信息。2.人工智能人工智能是计算机科学的一个分支，是研究计算机模拟人的某些感知能力、思维过程和智能行为（如学习、推理、思考和规划等）的学科。人工智能的研究领域包括机器人、专家系统、语音识别、图像识别、自然语言处理和自动驾驶等。也就是说，人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的新兴技术。它将深刻地改变人们的生活方式和思维模式。人工智能研究的基本内容包含知识表示、机器感知、机器思维、机器学习、机器行为等。（1）知识表示。知识表示研究如何将人类知识形式化或者模型化。知识表示方法包括符号表示法、连接机制表示法。符号表示法是用各种包含具体含义的符号，以各种不同的方式和顺序组合起来表示知识的方法。连接机制表示法是把各种物理对象以不同的方式和顺序连接起来，并在其间互相传递和加工各种包含具体意义的信息，以此来表示相关的概念及知识。（2）机器感知。机器感知研究如何使计算机具有类似人的感知能力，以机器视觉与机器听觉为主。（3）机器思维。机器思维研究如何有目的地处理通过感知得来的外部信息和机器内部的工作信息。（4）机器学习。机器学习研究如何使计算机具有类似人的学习能力，使它能通过学习自动地获取知识。（5）机器行为。机器行为研究如何使计算机具有表达能力，即“说”“写”“画”等能力。探究活动讨 论以小组合作的形式上网搜索人工智能的不同定义，讨论人工智能是什么。21Y3228.indd 62019/10/10 14:23:137 7 1.1 人工智能及其特征1.1.2 人工智能的基本特征人工智能的基本特征可概括为以下三点：1.由人类设计，为人类服务，本质为计算，基础为数据人工智能系统的本质体现为计算，通过对数据的采集、处理、分析和挖掘，形成有价值的信息流和知识模型，以延伸人类能力。2.能感知环境，能产生反应，能与人交互，能与人互补人工智能系统能借助传感器等器件感知外界环境，可以像人一样通过视觉、听觉、嗅觉和触觉等接收来自环境的各种信息，让机器会看、会听、会说、会行动、会思考和会学习。人与机器之间甚至可以互动，使机器能够“理解”人类乃至与人类共同协作、优势互补。3.有适应特性，有学习能力，能演化迭代，可连接扩展人工智能系统在理想情况下应具有一定的随环境、数据或任务的变化而自适应地调节参数或更新优化系统的能力，从而使人工智能系统在各行各业广泛应用。调 查调查人工智能在自动翻译领域中的应用。收集相关应用案例，分析自动翻译机的人工智能具有哪些特征。拓 展假如机器能思考，世界会怎样人脑为什么会思考？人脑的结构是怎样的？能不能制造出具有人脑功能的机器？人类文明史告诉我们，许多新技术的发明，大部分都经历了神话科学幻想新技术出现的过程。科学家们是如何使机器学会思考的？1.机器能思考吗？科学家证明：可以用数学逻辑来理解神经活动，用特定的方法将电子线路连接起来，可以模仿神经活动。这拉开了人工大脑研发的序幕。如今，科学家们基于神经单元的数学模型，利用人工神经单元器件，进一步建立了人工神经网络计算机，以模仿人的大脑智能，并已在图形、文字、声音识别和推理等方面取得了许多应用成果。2.什么是会思考的机器？人们一直希望制造出会思考的计算机。然而，到底什么才是真正会思考的计算机呢？一台运算速度为每秒一万亿次的计算机会思考吗？战胜世界围棋冠军的“阿尔法21Y3228.indd 72019/10/10 14:23:1388第一章 人工智能概述围棋”会思考吗？具有专家知识的专家系统会思考吗？1950年，计算机科学理论创始人图灵（A.Turing，19121954）设计出一种测试方法，以检验机器是否会思考，我们称它为“图灵测试”。图灵测试的设计思想如图1-4所示，它由有智能的被测试者A、测试的机器B和测试者C三部分组成，他们被彼此隔离。首先由测试者C提出有关智能测试的测试题，让被测试者A与机器B分别回答；然后，由测试者C比较被测试者A和机器B的回答，分辨哪个才是人类的问答，以判定机器的思考能力，即其达到的智能水平。3.认知计算系统“沃森”（Watson）认知计算系统“沃森”具备理解、学习和推理能力，可以实现智能人机交互，帮助人们做出决策。“沃森”被运用到许多领域。例如，搭载“沃森”的机器人可以识别文字、图像和语音，甚至还可以通过搭载的“情感引擎”读取人内心的情感变化，与人类正常沟通。在医学保健方面，“沃森”可以协助医疗专家进行疾病的诊断（如图1-5所示），帮助医生了解和挖掘患者的详细病情，以便做出最佳诊断并制订相关的治疗计划。“沃森”在挑战极限、改变世界的同时也将为社会带来一系列新的问题。一位研究员称，“如果沃森诊断出错，而医生又听从了错误的诊断，那么沃森就会面临被患者告上法庭的危险，这是一个需要考虑的应用问题”。科学技术不断发展，人类对人工智能的幻想不断成为现实，人类社会也逐渐变得智能化。试想一下，当机器智能发展到可以像人类一样思考时，世界将会是什么样子？这已经不是单纯的技术问题了，而是涵盖了自然科学和社会科学领域的复杂问题。项目实施各小组根据项目选题及拟订的项目方案，结合本节所学知识，剖析自动翻译领域中的人工智能。1.调查人工智能在自动翻译领域中的应用，并搜集典型案例，在小组中分享与讨论自动翻译领域人工智能的主要特征。2.描述人工智能的概念与基本特征。图1-5 人工智能辅助医学诊断图1-4 图灵测试示意图21Y3228.indd 82019/10/10 14:23:139 9 1.2 人工智能发展历程与趋势1.2 人工智能发展历程与趋势自古以来，人类就怀着一个美好的愿望从自然的束缚中解放自己，制造出可以代替人类承担某些工作的智能体。在古代的中国，关于人工智能，有着各种各样极富想象力的记载。传说，在远古时期的涿鹿之战中，黄帝为对付蚩尤的雾阵，请风后发明了指南车无论车怎样前进、后退、转弯，木人的手一直牢牢地指向南方。这可以算得上是机器人的雏形了。而列子汤问中记载的“偃师献技”（如图1-6所示），更是将机器人的概念推到一个新的高度。这个用皮革、木头、树脂等材料制作的歌舞艺人，不仅外貌与真人无异，而且能歌善舞，这已经接近我们心目中对人工智能的印象。现代，人类有了更多的想象和向往，其中最典型的就是各种各样的智能机器人，它们不但能够帮助人类进行生产劳作，还可以帮助人类料理日常家务等。这些都反映了人们对人工智能的美好希冀。1.2.1 人工智能的发展历程人工智能始于20世纪50年代。在半个多世纪的发展历程中，由于受到智能算法、计算速度、存储能力等多方面因素的影响，人工智能的发展历程经历了多次繁荣和低谷，至今大致分为三个发展阶段，如图1-7所示。1.第一阶段（20世纪50年代至80年代）这一阶段人工智能刚诞生，基于抽象数学推理的可编程数字计算机已经出现。符号主义者认为人类的认知过程就是各种符号进行运算的过程，而计算机也应该基于各种符号进行运算。在这一阶段，知识表示、知识推理、知识运用是人工智能的核心。尽管符号主义得到快速发展，但是由于很多事物不能进行形式化表达，建立的模型存在一定的局限性。此外，随着计算任务的复杂性不断加大，人工智能发展一度遇到瓶颈。2.第二阶段（20世纪80年代至90年代末）在这一阶段，专家系统得到快速发展，在数学建模方面有重大突破。专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统。它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领图1-6 偃师献技21Y3228.indd 92019/10/10 14:23:131010第一章 人工智能概述域的一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。但由于专家系统在知识获取、推理能力等方面的不足，以及开发成本高等因素，人工智能的发展又一次进入低谷期。3.第三阶段（21世纪初至今）随着大数据的积聚、理论算法的革新、计算能力的提升，人工智能能够训练出更加智能化的算法模型。人工智能的发展模式也从过去追求“用计算机模拟人工智能”，逐步转向机器与人结合而成的增强型混合智能系统，研究如何用机器、人、网络结合成新的群智系统，以及用机器、人、网络和物结合成更加复杂的智能系统。人工智能在很多应用领域取得了突破性进展，迎来了又一个繁荣时期。探究活动调 查任何新生事物的成长都不是一帆风顺的，人工智能也不例外。人工智能自萌芽以来，图1-7 人工智能的发展历程21Y3228.indd 102019/10/10 14:23:1511 11 1.2 人工智能发展历程与趋势不断引起人们的争论，不同人工智能学派对人工智能的基本理论和研究方法有不同的见解。以小组合作的形式，调查人工智能的主要学派，并填写表1-2。表1-2 人工智能的主要学派符号主义主要观点取得的主要成就代表人物局限性连接主义主要观点取得的主要成就代表人物局限性行为主义主要观点取得的主要成就代表人物局限性统计主义主要观点取得的主要成就代表人物局限性仿真主义主要观点取得的主要成就代表人物局限性21Y3228.indd 112019/10/10 14:23:151212第一章 人工智能概述1.2.2 新一代人工智能的兴起1新一代人工智能的发展方向21世纪，人工智能发展进入新阶段，特别是在移动互联网、大数据、超级计算、物联网、虚拟现实、传感网、脑科学等新理论、新技术，以及经济社会发展强烈需求的共同驱动下，人工智能加速发展，呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征。新一代人工智能正向以下几个方面发展。（1）大数据智能。从人工知识表达技术到大数据驱动知识学习。大数据智能理论突破了无监督学习、综合深度推理等难点，建立了由数据驱动，以自然语言理解为核心的认知计算模型，实现了从大数据到知识、从知识到决策的功能发展。（2）跨媒体智能。从处理单一类型的数据到跨媒体认知、学习和推理。跨媒体智能主要研究超越人类视觉能力的感知获取、面向真实世界的主动视觉感知及计算、自然声学场景的听觉感知及计算、自然交互环境的言语感知及计算、面向异步序列的类人感知及计算、面向媒体智能感知的自主学习和城市全维度智能感知推理引擎等领域。（3）混合增强智能。从追求机器智能到迈向人机混合的增强智能。机器智能和人类智能各有所长，因此需要取长补短，融合多种智能模式的智能技术有广阔的应用前景。“人机器”的组合将是人工智能研究的主流方向，“人机共存”将是人类社会的新常态。（4）群体智能。从聚焦研究个体智能到基于互联网络的群体智能。群体智能主要研究群体智能结构理论与组织方法、群体智能激励机制与涌现机理、群体智能学习理论与方法、群体智能通用计算范式与模型等。（5）自主无人系统。从“人智能”到自主智能系统。自主智能系统是一种人工系统，它不需要人为干预，利用先进智能技术即可自动实现各种操作与管理。自主无人系统主要研究面向自主无人系统的协同感知与交互、协同控制与优化决策、知识驱动的人、机、物三元协同与交互操作等理论和方法。（6）高级机器学习智能。高级机器学习智能主要研究统计学习基础理论、不确定性推理与决策、分布式学习与交互、隐私保护学习、少样本学习、深度强化学习、无监督学习、半监督学习和主动学习等学习理论和高效模型。（7）类脑智能。类脑智能主要研究类脑感知、类脑学习、类脑记忆机制与计算融合、类脑复杂系统、类脑控制等理论与方法。（8）量子智能。探索脑认知的量子模式与内在机制。量子智能主要研究高效的量子智能模型和算法、高性能高比特的量子人工智能处理器、可与外界环境交互信息的实时量子人工智能系统等。21Y3228.indd 122019/10/10 14:23:151313 1.2 人工智能发展历程与趋势2新一代人工智能发展的战略目标我国为实现新一代人工智能的发展战略目标将分三步走：第一步，到2020年人工智能总体技术和应用与世界先进水平同步，人工智能产业成为新的重要经济增长点，人工智能技术应用成为改善民生的新途径，有力支撑进入创新型国家行列和实现全面建成小康社会的奋斗目标。第二步，到2025年人工智能基础理论实现重大突破，部分技术与应用达到世界领先水平，人工智能成为带动我国产业升级和经济转型的主要动力，智能社会建设取得积极进展。第三步，到2030年人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平，成为世界主要人工智能创新中心，智能经济、智能社会取得明显成效，为跻身创新型国家前列和经济强国奠定重要基础。1.2.3 人工智能发展的研究趋势推动人工智能技术革命的研究正在经历快速变革，各方面的研究共同掀起了人工智能研究的热潮。主要研究趋势如下：1大规模的机器学习、深度学习与强化学习（1）机器学习。许多机器学习（Machine Learning）的基本问题（如有监督学习和无监督学习）都很好理解。目前机器学习研究的一个重点是如何将现有的机器学习算法扩展到更加庞大和复杂的数据集上。（2）深度学习。深度学习（Deep Learning）成功训练卷积神经网络的能力很大程度上促进了计算机视觉领域的发展。深度学习在计算机视觉领域中已有一些比较成功的应用，包括目标识别、视频标签、物体检测和物体跟踪等。深度学习也正在进军感知方面的其他领域，如音频、语音和自然语言处理等。（3）强化学习。传统机器学习研究集中于模式挖掘，而强化学习（Reinforcement Learning）将研究重点转移到决策上，强调在一系列的情境下，根据外部奖惩信号，通过多步恰当的决策来达到一个目标，是一种序列多步决策技术。这种技术有助于人工智能在真实世界中进入更深入的相关研究和实践领域。作为一种由经验驱动渐进决策过程的框架，强化学习已经存在了几十年，但是该技术在实践中仍未取得巨大成功。然而，深度学习的出现为强化学习提供了一次发展的契机。“阿尔法围棋”取得胜利的一个关键在于大量的强化学习。它利用深度学习、强化学习与蒙特卡洛树搜索算法，有效锁定最有可能胜出的棋步，减少搜寻的范围。2智能机器人智能机器人（如图1-8所示）至少要具备三个要素：感觉要素、反应要素和思考要素。目前在静态环境中机器人的导航问题在很大程度上已经得到解决，以后的研究方向是21Y3228.indd 132019/10/10 14:23:151414第一章 人工智能概述如何训练机器人与周围环境进行更高层次的交互，即从周围环境中感知、学习、判断和推理，实现环境预测，并根据客观环境规划自己的行为。3计算机视觉计算机视觉（Computer Vision）是目前机器感知中最活跃的领域之一。随着深度学习的崛起，计算机视觉在物体识别、图像问答、物体检测和物体跟踪等方面的应用中均取得了较大的成功。特别是图形处理器（Graphics Processing Unit，简称GPU）大规模计算能力的提升、可用大型数据集的建立和人工神经网络算法的改进使得计算机视觉系统迅猛发展，甚至在图像识别挑战中超越了人类进行物体识别分类的能力。4自然语言处理自然语言处理（Natural Language Processing，简称NLP）是机器感知的另一个比较活跃的领域。借助移动互联网技术、机器学习领域深度学习技术的发展，以及大数据语料的积累，自然语言处理技术取得了突飞猛进的进步。据统计，目前20的移动查询是通过语音实现的，神经网络机器翻译系统可以将翻译准确率提高到90%以上，证明了实时翻译的可能性。自然语言处理技术研究现在已经逐步转向开发能够精准地理解用户的需求，可以与用户进行对话式搜索与智能交互的系统。5分布式人工智能20世纪80年代末，分布式人工智能（Distributed Artificial Intelligence，简称DAI）就是人工智能活跃的研究分支之一。互联网大规模的发展促进了分布式人工智能的开发与应用。分布式人工智能主要研究在逻辑上或物理上分散的智能系统如何并行地、相互协作地进行问题求解。多智能体系统（Multi-Agent System，简称MAS）是分布式人工智能研究的一个前沿领域。目前，多智能体系统的研究重点是如何协调多个行为实体的动作，从而协同地完成大型且复杂的工作任务。6神经形态计算传统计算机执行计算时，将存放信息和程序指令的内存与处理信息的处理器分离。随着需要处理的信息量逐渐增多，信息处理复杂程度越来越高，人工智能研究者正在积极追求能够提高硬件效率和计算系统稳健性的执行计算替代模型。由于深度神经网络在一系列任务中的成功，神经形态计算（Neuromorphic Computing）受到研究者的关注。目前这种“神经形态”的计算机尚未获得巨大成功，只是刚开始有望实现商业化。但在不久的将来，神经形态计算可能会变得普遍。深度神经网络已经在应用架构方面实现了飞跃，若这些网络可以在专门的神经形态硬件上被训练和执行，一个更大的飞跃即将到来。图1-8 智能机器人21Y3228.indd 142019/10/10 14:23:161515 1.2 人工智能发展历程与趋势交 流人工智能技术发展到现在，取得了一系列丰硕成果。调查人工智能在汉英自动翻译或其他领域取得的相关应用成果实例，并填写表1-3，在小组内部围绕人工智能技术取得的成果和发展趋势进行交流。表1-3 人工智能技术成果和发展趋势技术类型代表性研究领域取得成果发展趋势模式识别拓 展人工智能研究的三种途径仅靠现阶段人工智能的技术和方法，还远远不能制造出具有智能的机器。下面我们用一个简单的例子来说明，要使机器有智能，还需要解决的诸多问题。如果我们想泡茶喝，那就要规划操作步骤：烧开水洗茶杯放茶叶泡茶或：洗茶杯烧开水放茶叶泡茶这两种操作步骤，一般人会选哪一种呢？当然是前者。因为人的智能会为实现一个目标制订规划，并选择最优的实现步骤。但是如果这个工作让只会做简单动作的机器人来做的话，它可能会选择后者，甚至会不断地洗茶杯放茶叶洗茶杯放茶叶那样，我们就有可能永远喝不到茶。这是因为现时机器人的智能还不能根据目标做出规划，并选择最优的实现步骤去完成预定的工作。可见，人工智能的研究任重而道远。科学家研究人工智能的途径有哪些呢？人工智能是数学、计算机科学、自动化、生理学、心理学和哲学等相结合的学科。可以从不同的角度去研究人工智能的问题，从技术上来说，主要有以下三种途径：（1）以数理逻辑、计算机科学、心理学为基础，把人的智能表示为一种符号系统，然后再用智能技术和方法，处理智能符号系统中的数据，得到结果。这种方法在博弈、语言翻译、图像识别和专家系统等方面取得显著的应用成果。（2）从仿生学、人脑神经生理学的角度去研究人工智能，基于人脑神经模型，研究人工神经网络，用人工神经网络联结的过程模拟人的智能活动。这种方法通过训练神经网络进行机器学习，使机器获取知识，在文字和声音识别等方面取得了显著的应用成果，并在神经网络计算机研制方面取得了很大的进展。21Y3228.indd 152019/10/10 14:23:171616第一章 人工智能概述（3）以控制理论为基础，认为人的智能取决于感知和行动，在智能机器人的研究方面取得了突出的应用成果。以上三种途径，各有所长，共同促进了人工智能技术的发展。项目实施各小组根据项目选题及拟订的项目方案，结合本节所学知识，剖析人工智能的成果及发展趋势。1.调查人工智能的主要学派，并填写表1-2。2.调查人工智能技术在汉英自动翻译或其他领域取得的成果实例，并填写表1-3。3.分析人工智能研究的发展趋势。1.3 人工智能的应用随着人工智能快速发展，人工智能技术和工具在制造、农业、金融、交通、安防、医疗、教育等经济和社会领域发挥着重要作用。1.3.1 人工智能在经济领域的应用1.智能制造智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式，如图1-9所示。智能制造主要包括三个方面：一是智能装备，包括自动识别设备、人机交互系统、工业机器人和数控机床等设备，涉及跨媒体分析推理、自然语言处理、虚拟现实智能建模和自主无人系统等关键技术。二是智能工厂，包括智能设计、智能生产、智能管理和集成优化等内容，涉及跨媒体分析推理、大数据智能和机器学习等关键技术。三是智能服务，包括大规模个性化定制、远程运维和预测性维护等服务模式，涉及跨媒体分析推理、自然语言处理、大数据智能和高级机器学习等