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    第1章_ 概论

    第1章_ 概___ 论

    1.1_ 计算机、生物神经网络与人工神经网络

    神经网络作为人工智能的一个分支,在近二十年来,受到人们的广泛关注。工业革命以来,人类大量采用机器来减轻人们的体力劳动,并获得了巨大的效益。同样,人类为了通过使用某种机器来减轻人类的脑力劳动,也一直进行着不懈的努力。到了20世纪40年代,由于计算机的发明,使得人类的文明进入到计算机时代。通过使用计算机,人们可以解决科学计算和工程设计中的一些复杂的问题,在一定程度上减轻了人们的脑力劳动。然而,计算机需要在人们事先编制好的程序的指挥下才能工作,从这个意义上讲,计算机并没有真正意义上的智能。目前,计算机的主要应用仍然是信息处理和科学计算,对于智能计算,像分析、推理、判断、综合等方面,现代计算机仍然显得能力低下。

    因此,智能计算机的开发研究成了一个十分引人关注的问题,科学家们也为此投入了巨大的研究热情,一些发达国家也投入大量的人力物力来开发智能计算机。然而,由于人类对于智能的理解还十分肤浅,开发智能计算机也遇到了巨大的挑战,可以说,到目前为止,智能计算机还仅仅是一个梦想。揭开智能之谜还需要进行大量的研究,这里面涉及到诸多方面的理论知识,包括计算机理论、信息处理、语言学、认知科学、数学、生理学、解剖学、哲学等方面的知识。因此,智能计算机的发展还需有一个相当漫长的过程。

    在应用方面,对于智能计算和智能计算机的发展也是非常迫切的。例如,一些危险行业以及恶劣的工作环境,人们需要机器人来帮助工作,然而,机器人技术的发展离不开智能计算和智能计算机。可以说,智能计算机在当今人类社会发展的进程中,已经被提到了议事日程,是当今人类社会所面临的一项迫切而又重大的科技问题。

    自从20世纪40年代人类发明计算机以来,可以说其发展速度一日千里。计算机改变了人们的生活方式,带来了信息技术的革命。传统计算机的存储能力、计算速度的发展非常快,主要得益于硬件的发展。相对而言,计算机体系结构的发展比较缓慢,基本上还是冯·诺依曼体系。它只能在人的指挥下工作,没有学习、创造等反映智能特征的能力。对于许多模式识别的问题,现代计算机的工作能力和效率还远不如人。笔者认为,智能计算及其发展需要突破传统的冯·诺依曼体系,建立新型的计算机体系结构,当然,任重道远,需要科学家们的不懈努力。

    智能计算的核心问题是关于人脑功能的模拟问题,这需要回答什么是智能、什么是计算、什么是智能计算等复杂的问题。然而,遗憾的是,人类对于这些问题尚缺乏深刻的认识,还处在探索阶段。尽管如此,人类并没有在研究智能计算机的道路上止步不前,目前认为,人类的大脑中的神经元对于人脑的智能起着关键的作用,这些神经元的数量非常多,组成了十分复杂的生物神经网络。神经网络系统理论是以人脑的智能功能为研究对象,研究人类大脑的信息处理能力与方法,特别是研究与人类大脑的智能信息处理能力相关的信息处理理论与方法,建立智能计算的理论与方法,为智能计算机的研究开发奠定理论基础。

    由于生物神经网络的复杂性,目前人们主要是通过人工神经网络的方法进行研究,所以本书中考虑的神经元不是生物神经元,而是模拟生物神经元的人工神经元,人工神经元是对生物神经元极其简单的抽象,可以使用现代电子、光学等技术制造出来。所谓人工神经网络是由人工神经元按照一定的拓扑结构互连而成的网络,用来模拟人的大脑的一些行为。虽然由这些人工神经元组成的网络的能力远远不及人脑的那么强大,但是可对其进行训练,可以实现一些有用的功能。目前主要是利用人工神经网络模拟一些比较低级的行为,至于如何模拟人的智能中比较高级的功能,还需要进行大量的深入研究。

    人类是智慧生命,生命的每一天都要处理许多复杂的事物,要完成生理的、心理的等复杂的信息处理,比如呼吸、运动、阅读、思考等,而完成这些功能需要使用一个复杂的生物神经网络。人的大脑有约为1011个神经元,每一个生物神经元都是生物组织和化学物质的有机结合。某些神经结构是与生俱来的,而其他一些则是在实践中形成的。这些神经元高度互连的集合,构成了生物神经网络,网络中的每个神经元都是基本的处理单元,一种观点认为,每一个生物神经元都是一个复杂的微处理器。

    人类大脑的工作机理十分复杂,目前,人类对大脑的认识还很肤浅,揭开大脑思维之谜任重道远,需要坚持不懈的努力。一般认为,所有生物神经功能,包括记忆在内,都存储在神经元以及各个神经元之间的相互连接上,这种连接称为连接权或简称为权。生物神经网络的学习过程被看作是在生物神经网络的神经元之间建立新的连接或对已有的连接进行修改的过程。

    正是基于对生物神经网络的这样一个基本认识,使得人们想到利用一些简单的“人工神经元”构造一些人工系统,然后对其进行训练,目的是使这些系统具有一定的智能。

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