智能科学技术导论 第2版

（1）作者背景权威：作者是厦门大学人工智能系教授、哲学系兼任教授，文科、理科、工科、医科、哲学以及交叉学科等六个不同学科门类的博士生导师，中国人工智能学会理事、福建省人工智能学会理事长、清华大学智能技术与系统国家重点实验室学术委员，有近30年教学和研究经验。
（2）第1版深受好评：出版7年以来，被厦门大学、苏州大学、江苏大学、重庆大学、四川外国语大学等数十所高校作为相关专业的指定教材，成为该领域的标准教材。
（3）第2版重磅升级：第2版结合智能科学的技术发展、读者对第1版内容的反馈以及高校的*新教学要求做了全面更新，内容更扎实。 

本书主要围绕着智能科学与技术的内涵展开，强调学科基础知识、主要研究方法、核心研究领域、若干热点问题以及前沿应用技术等，内容涉及智能哲学、智能科学、智能技术等诸多方面。整部教材主要包括学科基础、科学研究和技术应用三大部分。学科基础部分涉及学科概述、机器系统、算法运作等方面的内容。科学研究部分涉及环境感知、语言理解、意识整合、艺术创造、行为表现等方面的内容。技术应用部分则涉及人机交互、系统构建和智能社会等方面的内容。本书覆盖了智能科学与技术专业入门课程所必须掌握的核心知识，基础性、思想性和前沿性并重，起到引领读者进入这一新兴学科的启蒙作用。
本书可作为高等院校智能科学与技术专业本科生入门课程的教材，或者作为人工智能相关专业研究生课程的教材，也可以供相关技术人员学习参考。目前社会已经进入智能时代，凡希望了解智能社会*为基本的科学技术内容的读者，都可以读一读这部教材，定将受益匪浅。

目　　录
前言
第1版前言
教学建议
第1章　概述　1
1.1　学科界定　1
1.1.1　作为新兴学科的内涵　1
1.1.2　在信息社会中的地位　3
1.1.3　学科人才培养的要求　5
1.2　智能简史　7
1.2.1　智能科学的草创期　7
1.2.2　智能科学的积累期　9
1.2.3　智能科学的成熟期　12
1.3　人脑机制　13
1.3.1　人脑结构功能定位　14
1.3.2　神经细胞连接网络　17
1.3.3　人类学习适应能力　19
本章小结与习题　22
第2章　机器系统　23
2.1　数据存储　23
2.1.1　数字位及其存储　23
2.1.2　存储器及其容量　26
2.1.3　数据二进制表示　27
2.2　数据处理　30
2.2.1　机器体系结构　30
2.2.2　机器指令语言　31
2.2.3　机器程序执行　33
2.3　操作系统　34
2.3.1　操作系统体系结构　35
2.3.2　组织协调机器活动　38
2.3.3　网络操作系统概述　39
本章小结与习题　41
第3章　算法运作　43
3.1　算法构造　43
3.1.1　界定算法性质　43
3.1.2　伪码描述算法　45
3.1.3　算法构造过程　49
3.2　算法结构　51
3.2.1　算法选择结构　52
3.2.2　算法迭代结构　53
3.2.3　算法递归结构　55
3.3　搜索算法　58
3.3.1　盲目搜索算法　58
3.3.2　启发搜索算法　60
3.3.3　博弈搜索算法　62
本章小结与习题　65
第4章　环境感知　67
4.1　机器视觉　67
4.1.1　机器视觉概述　67
4.1.2　视觉计算过程　69
4.1.3　机器视觉环节　70
4.2　图形分析　72
4.2.1　边线合成方法　72
4.2.2　区域生成方法　74
4.2.3　纹理识别方法　77
4.3　景物理解　78
4.3.1　空间信息获取　78
4.3.2　景物匹配识别　81
4.3.3　主动视觉计算　84
本章小结与习题　87
第5章　语言理解　88
5.1　语句理解　88
5.1.1　意群语词分割　88
5.1.2　句法依存分析　91
5.1.3　语境意义获取　93
*5.2　语义理论　95
5.2.1　范畴分析语法　95
5.2.2　内涵类型逻辑　98
5.2.3　语义映射规则　100
5.3　语篇分析　102
5.3.1　语篇表述理论　102
5.3.2　语篇指代消解　105
5.3.3　语篇理解系统　108
本章小结与习题　110
第6章　意识整合　111
6.1　意识科学　111
6.1.1　科学研究线索　111
6.1.2　神经生物基础　113
6.1.3　科学解释理论　115
6.2　机器意识　117
6.2.1　机器意识研究概况　117
6.2.2　全局工作空间理论　119
6.2.3　机器意识困难所在　121
*6.3　信息整合　123
6.3.1　信息整合理论　123
6.3.2　意识认知体系　125
6.3.3　意识实验系统　128
本章小结与习题　131
第7章　艺术创造　132
7.1　情感驱动　132
7.1.1　情感神经系统　132
7.1.2　情感作用机制　134
7.1.3　情思审美表达　136
*7.2　创意模型　138
7.2.1　情智纠缠机制　138
7.2.2　类量子性过程　140
7.2.3　创意量子模型　144
7.3　机器艺术　147
7.3.1　机器音乐创作　147
7.3.2　机器书画创作　150
7.3.3　机器诗歌创作　153
本章小结与习题　155
第8章　行为表现　157
8.1　人体运动　157
8.1.1　人体运动控制　157
8.1.2　运动神经系统　159
8.1.3　躯体运动定位　161
8.2　仿人行为　163
8.2.1　研制仿人机器人　163
8.2.2　行为的强化学习　167
8.2.3　机器人仿人行为　169
8.3　机器歌舞　171
8.3.1　机器歌舞概述　171
8.3.2　歌舞动漫仿真　173
8.3.3　机器歌舞创作　175
本章小结与习题　177
第9章　人机交互　179
9.1　人机会话　179
9.1.1　话语识别理解　179
9.1.2　话语语音生成　181
9.1.3　会话管理系统　182
9.2　情感交流　185
9.2.1　情感信息识别　185
9.2.2　情感媒体表达　189
9.2.3　情感交流系统　191
9.3　脑机融合　193
9.3.1　脑电发生原理　193
9.3.2　脑电信号解读　195
9.3.3　脑机融合系统　196
本章小结与习题　199
第10章　系统构建　200
10.1　经典系统　200
10.1.1　结构知识表示　200
10.1.2　过程知识表示　202
10.1.3　构建专家系统　204
10.2　学习系统　206
10.2.1　神经专家系统　206
10.2.2　演化神经系统　208
10.2.3　综合智能系统　211
*10.3　群体系统　213
10.3.1　应变型智能主体　213
10.3.2　认知型智能主体　216
10.3.3　协调性群体系统　219
本章小结与习题　222
第11章　智能社会　224
11.1　智能家居　224
11.1.1　智能家居整体架构　224
11.1.2　智能家居功能实现　226
11.1.3　智能家居核心系统　228
11.2　智能交通　231
11.2.1　智能交通系统构成　231
11.2.2　车辆行驶路径规划　233
11.2.3　智能车辆自动驾驶　235
11.3　智慧城市　238
11.3.1　智慧城市整体架构　238
11.3.2　智慧城市应用系统　241
11.3.3　智慧城市核心技术　243
本章小结与习题　245
第12章　展望　246
12.1　机器困境　246
12.1.1　形式系统局限性　246
12.1.2　不可计算性证明　249
12.1.3　计算能力的限度　250
12.2　智能哲学　252
12.2.1　心智能否被计算　252
12.2.2　来一场图灵测验　254
12.2.3　钵中之脑的启示　257
12.3　学科前景　259
12.3.1　强弱人工智能观点　259
12.3.2　心智计算的自然观　260
12.3.3　智能科学的新趋势　261
本章小结与习题　264
参考文献　265

前　　言
《周易》卦爻变化从初爻、二爻、三爻、四爻、五爻到上爻，就又回到了初爻。对应到易学天运周期，就有了跨越尺度的“逢七而复”之说。比如，日尺度有七日来复，候尺度有七候来复，月尺度有七月来复，年尺度自然就又有七年来复。
所谓七年来复，对应到天运规律就是：月球绕地球一周，因为地球也在绕日运动，所以月球绕地球一周回不到原来的起点。干支纪年开始的月球特征点的位置，需要七年重合一次，即七年来复。
自这部教材的第1版出版至今，正好应了七年来复之期。只不过此次的七年来复，对智能科学与技术专业（含人工智能专业）而言，却发生了天翻地覆的变化。应该说，该学科专业的迅猛发展速度超过了以往任何一个学科专业的发展速度！据统计，截至2021年年底，包括北京大学在内的全国200多所高校设立了智能科学与技术本科专业，其中有164所为2016年至2021年六年间新增。与此同时，2018年至2021年，全国还有419所高校新增了人工智能本科专业。因此，这几年涌现出了600多所高校兴办智能科学与技术专业（含人工智能专业），真可谓“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”。
不管是称为“智能科学与技术”还是称为“人工智能”，就目前各高校的本科培养方案而言，并没有本质上的差异。但从学科名称的内涵看，“智能科学与技术”自然是涵盖了“人工智能”，而“人工智能”只是“智能科学与技术”的有机组成部分。比如，由于涉及人类智能的有效利用，脑机混合智能研究领域就属于智能科学与技术研究的合理范围，却不属于人工智能研究的合理范围。
如果往深里探究，不难看出，人工智能（Artificial Intelligence，AI）作为一个学科名称，其内涵比较狭窄。因为人工智能研究往往局限于机器智能方法、技术开发、工程应用方面的内容。即使涉及有关基础研究方面，人工智能也往往偏于机器智能本身的基础理论问题。
智能科学与技术则不然，它是人工智能的上位范畴。智能科学与技术不但包括人工智能研究涉及的范围，而且包括拓展人类智能的智能增强（Intelligence Augmentation，IA）研究范围，甚至包括融合自然智能与人工智能的混合智能（Cyborg Intelligence，CI）研究范围。所以,智能科学与技术不但涉及机器智能研究，而且涉及人类智能研究。况且，智能科学与技术除了涉及机器智能方法、技术开发和工程应用，还注重人类智能、机器智能和混合智能的科学基础理论研究。所以作为一个学科专业名称，智能科学与技术更加符合完整学科内涵的描述。
出于如上所述原因，中华人民共和国国务院学位委员会学位办2022年发布的新版学科专业目录也是选择将“智能科学与技术”而不是“人工智能”列入一级学科，并归属于交叉学科（学科代码1405，可授予理学、工学学位）。可以说，这样的定位非常准确！
从这个意义上讲，我更为主张大力推进智能科学与技术学科专业的建设发展，这样才能使基础研究与应用技术开发齐头并进，无所偏废！否则，迟早有一天，由于我们不重视基础研究而在原创性成果方面出现严重不足！遗憾的是，最近四年（2018年至2021年），在2003年已经设置了智能科学与技术本科专业的情况下，又设立了人工智能本科专业，并大有取而代之的趋势，不能不说是一大遗憾。
尽管如此，我却不改初心，始终支持智能科学与技术学科专业的建设。我唯一撰写的一部本科教材就是这部《智能科学技术导论》。除了承担厦门大学智能科学与技术本科专业的教学工作外，在过去的七年里，我还为重庆大学外国语学院语言认知与计算专业的博士生和四川外国语大学语言智能学院的首届研究生讲授过这门课程。所有这些努力，就是希望能为智能科学与技术教育事业的发展做出自己微薄的贡献。
我于2015年出版的《智能科学技术导论》是一部智能科学与技术本科专业课程的入门教材，随着智能科学与技术本科专业的迅猛发展，这门课程的教材需求量也快速增长。加上作为交叉学科的定位，除了智能科学与技术（含人工智能）本科专业以外，还应该考虑其他开展智能科学与技术交叉研究的相关专业研究生的课程教学。因此，为了更好地反映智能科学与技术专业的发展全貌以及满足交叉学科教学的需要，我结合七年来教材的使用情况和部分反馈意见，决定对该教材进行修订升级，增加和完善相关章节。
在新修订的版本中，有较大变动的章节主要包括第1章至第7章以及第10章，其他章节则做了完善性修改。为了与10.2节学习系统相照应，新版对1.3节的部分内容做了增删，引入有关人类学习机制的内容（周昌乐，2000）。参照《计算机科学概论：第七版》（布罗克契尔，2003）的相关章节，增加了第2章“机器系统”，目的是为没有先修任何计算机类基础课程的学生提供有关机器系统运行的基础知识。
另外，依据《人工智能：上册》（陆汝钤，1995）相关章节内容，替换了原2.3节有关问题求解的内容，形成了新版的3.3节。依据《视觉计算原理》（周昌乐，1996）相关章节内容，对原第3章内容进行了重新改写，主要是更换了3.2节和3.3节内容，形成了新版的第4章。依据《心脑计算举要》（周昌乐，2003）的第3章内容，增加了10.3节群体智能系统构建内容，将原第7章扩张为新版的第10章。
除了上述充实的修改之外，新版教材比较大的变动是对原第4章内容的扩充。根据《心脑计算举要》（周昌乐，2003）、《抒情艺术的机器创作》（周昌乐，2020）和《机器意识：人工智能的终极挑战》（周昌乐，2021）三部学术著作的相关内容，以及同事张俊松博士提供的有关机器书法方面的图片，将原第4章 的3个小节分别扩充为第5章、第6章和第7章，以方便学生全面了解所涉及的前沿领域的基本概况。
最后，为了让整部教材的构成更为统一，我对其他部分章节也做了调整与完善。我希望这次的充实和提高，能够让这部教材发挥更好的教学作用，为智能科学与技术专业的本科学生提供更加全面的学科基础知识。
七年来，学术界和企业界对了解智能科学与技术的需求呈不断增长趋势。因此，出版一部反映该学科领域且知识性、系统性和前沿性并重的基础入门教材，不但是国内智能科学与技术专业教学的急切需求，也有助于扩大该学科专业知识传播的深度与广度。根据初版教材2015年以来的销售情况，高校和社会对这方面知识的需求还是比较可观的。我们相信，随着智能科学与技术的进一步普及和发展，国内外希望了解智能科学技术基本知识的读者势必会越来越多，对相关图书的需求肯定也会越来越旺盛。
这部教材是迄今为止国内为数不多的全面系统介绍智能科学与技术基本状况的本科教材。对急于了解智能科学与技术基本内容的国内读者，本教材更是极佳的学习资料。通过这次修订升级，这部教材关于知识性、系统性和前沿性的特色得到了进一步提升。与已经出版的有关人工智能的书籍仅仅介绍机器智能不同，这部入门级教材还关注人类智能及其与机器融合的混合智能。因此，这部教材更加体现了智能科学与技术学科交叉的特点以及未来的发展趋势！这，也是我七年来复之所愿。

周昌乐

Preface
第1版前言
智能科学与技术专业是一个新兴的学科专业，也是一个发展极为迅速的学科专业。自北京大学2003年率先获批准建立，并于2004年开始招收该专业本科学生以来，目前在全国已有10余所高校建立了智能科学与技术系，30余所高校设置了智能科学与技术本科专业。但是遗憾的是，由于属于尚在不断发展之中的新兴学科，该专业的教材建设相对滞后，特别是专业入门教材更为短缺，远远不能满足该专业的教学需求。
厦门大学是全国第三个建立智能科学与技术系的大学，并于2007年正式招生，开始了智能科学与技术专业本科生的培养。在该专业办学伊始，厦门大学智能科学与技术系就十分重视教学质量的管控，考虑到笔者从事人工智能研究的时间相对较长,因此推荐笔者承担该专业入门课程的教学任务。
鉴于教材缺乏，自从承担入门课程的教学以来，笔者便有意留心教材的撰写工作。虽然由于身体和出国原因，笔者担任的该课程教学任务曾经中断过一段时间，但教材的撰写一直没有中断。2011年访学美国一年回国后，笔者又继续担任该入门课程的教学工作，开始采用初步撰写的教材进行授课，并取得了较为满意的教学效果。
现在，又经过4年的不断改进与讲授，该课程教材终于能够出版面世了。应该说，对于从未为本科生撰写过教材的笔者来说，能够为智能科学与技术专业的教材建设做出一点微薄的贡献，还是感到十分欣慰的。
本教材共分为五部分。第一部分只包含第1章“概述”，旨在让学生了解智能科学与技术学科的概貌，包括学科内涵的界定说明、学科发展的简短历史以及有关人脑运作机制的论述。其中1.2节“智能简史”和1.3节“人脑机制”的撰写主要参考了《心脑计算举要》
（周昌乐，2003）第1章的相关内容，并根据最近十几年的学术进展加以补充和完善。
第二部分只有第2章“算法运用”，旨在让学生了解智能科学与技术学科所依仗的算法工具，不但介绍算法及其性质、构建算法的步骤以及算法结构的分析，还介绍运用算法思想来求解智力问题的策略。本章的内容除了来自《无心的机器》（周昌乐，2000）相关章节之外，部分内容根据美国布罗克契尔所著《计算机科学概论（第七版）》的相关章节架构有针对性地改造、丰富和完善而形成，特此致以衷心感谢。
第三部分包括三章，反映了智能科学研究最为核心的内容，旨在让学生了解智能科学主要涉及的研究对象及其方法。第3章“环境感知”、第4章“思维运作”和第5章“行为表现”分别从人类智能处理过程的主要环节来讨论机器智能实现可能采取的具体策略。本部分各章节内容主要来自《无心的机器》和《心脑计算举要》的相关章节，并根据各个涉及领域的最新进展加以完善而成。
第四部分主要介绍智能学科有关技术应用方面的核心内容，包括第6章“智能接口”、第7章“智能系统”和第8章“智能社会”，希望通过系统的教学让学生了解智能技术在社会和经济建设发展中的重要应用领域，进而意识到该学科对未来智能社会发展的技术支撑作用。为了尽可能体现当代成熟的智能方法、技术及其应用，各章节内容除了援引笔者自己的著述外，主要博采众家相关文献并加以改写而成，对所有引用文献的作者致以衷心的感谢。