人工智能之技術(shù)與算法

　　這篇文章更類(lèi)似于科普貼，它完全可以作為你學(xué)習(xí)人工智能的入門(mén)文章，我的目的是用通俗的語(yǔ)言概括人工智能領(lǐng)域的各項(xiàng)技術(shù)，從而讓讀者有個(gè)直觀淺顯的認(rèn)識(shí)

　　隨機(jī)（Random）

　　隨機(jī)是智能的基礎(chǔ)，人工智能的很多技術(shù)都需要用到隨機(jī)，因此有必要把這個(gè)提到前面談?wù)?/p>

　　一考慮基于C/C++，般我們都是使用的rand（）等函數(shù)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)，當(dāng)然我們也有吊炸天的boost提供了各種分布范圍的隨機(jī)：

　　#include 《boost/random.hpp>

　　uniform_int《> distribution（1， 100） ;

　　mt19937 engine ;variate_generator《mt19937，uniform_int《> > myrandom （engine， distribution）;

　　// uniform_smallint：在小整數(shù)域內(nèi)的均勻分布

　　// uniform_int：在整數(shù)域上的均勻分布

　　// uniform_01：在區(qū)間［0，1］上的實(shí)數(shù)連續(xù)均勻分布

　　// uniform_real：在區(qū)間［min，max］上的實(shí)數(shù)連續(xù)均勻分布

　　// bernoulli_distribution：伯努利分布

　　// binomial_distribution：二項(xiàng)分布

　　// cauchy_distribution：柯西（洛倫茲）分布

　　// gamma_distribution：伽馬分布

　　// poisson_distribution：泊松分布

　　// geometric_distribution：幾何分布

　　// triangle_distribution：三角分布

　　// exponential_distribution：指數(shù)分布

　　// normal_distribution：正態(tài)分布

　　// lognormal_distribution：對(duì)數(shù)正態(tài)分

　　// uniform_on_sphere：球面均勻分布

　　但是這個(gè)取到的數(shù)據(jù)都是偽隨機(jī)數(shù)，或依靠系統(tǒng)時(shí)間，或依靠日期等，顯然這個(gè)對(duì)于人工智能是不夠的，我們需要真隨機(jī)，C++11的std ：：random_device給了我們希望，如名這個(gè)的隨機(jī)石使用的硬件，linux是讀取dev/urandom硬件設(shè)備，但是windows居然還是調(diào)用的rand_s（）函數(shù)！這個(gè)沒(méi)什么太多說(shuō)的，買(mǎi)點(diǎn)專(zhuān)業(yè)硬件即可。

　　狀態(tài)空間啟發(fā)式搜索-A尋路算法（A* Search Algorithm）

　　A尋路算法是A*的退化，所以我不考慮說(shuō)什么，當(dāng)然如果你想學(xué)習(xí)A星，先學(xué)A是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，為此我特意寫(xiě)了一篇文章詳細(xì)講解各種尋路搜索策略http://blog.csdn.net/racaljk/article/details/18887881

　　狀態(tài)空間啟發(fā)式搜索-A星尋路算法（A* Search Algorithm）

　　其實(shí)這個(gè)標(biāo)題是我自己寫(xiě)得到，原翻譯顯然沒(méi)有”尋路“這兩個(gè)字，因?yàn)锳星算法包括但不僅限于存在于人工智能的尋路中，但是既然標(biāo)題是人工智能，這樣也無(wú)傷大雅，在說(shuō)A*之前有必要說(shuō)所深度優(yōu)先搜索算法DFS和廣度優(yōu)先搜索算法BFS，假設(shè)一個(gè)map上面，有諸多障礙，目前機(jī)器人需要做的就是在這個(gè)有限的地圖上沒(méi)有其他信息支持，需要從起點(diǎn)出發(fā)找到終點(diǎn)，如上所說(shuō)，這個(gè)地圖里面的障礙時(shí)允許嘗試的，如果我們使用深度有限算法，他會(huì)從起點(diǎn)出發(fā)走一條路并一直走下去，直到遇到障礙或者沒(méi)有達(dá)成條件-到終點(diǎn)，于是返回重新走，顯然他不會(huì)愚蠢到走與之前同樣的錯(cuò)誤路線(xiàn)，DFS比較耗時(shí)，但是如果成功了也就執(zhí)行了這條路線(xiàn)（沒(méi)有人為干擾的情況下），而B(niǎo)FS則在遇到障礙時(shí)就會(huì)向四周試探性的走幾步，一旦試探成功就繼續(xù)走，如此遞歸，直到成功（如果在有限的map下，且存在正確路徑，則必然會(huì)成功），簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們的理論都是基于二叉樹(shù)的條件下，BFS是沿著樹(shù)的寬度進(jìn)行完全變遍歷，而DFS是沿著數(shù)的一條分支一直走下去，直到成功，A*結(jié)合這兩個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)快速尋路

　　下面這個(gè)更直觀：

　　假設(shè)這個(gè)是一個(gè)地圖，左#表示起點(diǎn)，右#表示終點(diǎn)，@@表示障礙

　　00000000000

　　000000@0000

　　#0000@@000#

　　000000@0000

　　00000000000

　　如果用DFS他會(huì)像掃描儀一樣從左至右掃描到終點(diǎn)，如果用DFS他會(huì)像掃描一樣從中間向兩邊掃描掃描，而A*則結(jié)合這兩個(gè)算法的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)最快的尋路，關(guān)于A*算法的源碼請(qǐng)自行百度

　　下面是一個(gè)A*的一個(gè)動(dòng)畫(huà)演示

　　?

　　D星尋路算法（Dynamic A* Search Algorithm）

　　顧名思義d*也就是動(dòng)態(tài)A*尋路算法，區(qū)別僅在于A*是局限于A*是生成一條路就一直走下去，但實(shí)際情況下有很多突發(fā)情況，比如生成的那條路被堵了，就需要重新生成新的路線(xiàn)，這就需要D*了，D*也就是說(shuō)動(dòng)態(tài)生成A*路線(xiàn)。

　　狀態(tài)機(jī)（Finite-State Machine）

　　FSM看似很高端，的確我當(dāng)初也被嚇著了，不過(guò)看了下面的內(nèi)容就會(huì)覺(jué)得很簡(jiǎn)單，細(xì)分狀態(tài)機(jī)分為有限狀態(tài)機(jī)和模糊狀態(tài)機(jī)，也加同步狀態(tài)機(jī)和異步狀態(tài)機(jī)，兩種狀態(tài)機(jī)的區(qū)別在于有限狀態(tài)機(jī)在一個(gè)時(shí)段只能處于一種狀態(tài)，而模糊（也即異步）狀態(tài)機(jī)有一個(gè)權(quán)重值，根據(jù)這個(gè)權(quán)重值我們可以分配給不同的狀態(tài)不同的權(quán)重，比如一個(gè)人，有限狀態(tài)機(jī)允許人去喝水，模糊狀態(tài)機(jī)允許80%去喝水，20%接水。你甚至可以理解為FSM是單線(xiàn)程，F(xiàn)μSM是多線(xiàn)程。有關(guān)狀態(tài)機(jī)的資料可以參見(jiàn)：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%89%E9%99%90%E7%8A%B6%E6%80%81%E6%9C%BA

　　為了便于理解，現(xiàn)復(fù)制一下基本概念：

　　狀態(tài)（State）指的是對(duì)象在其生命周期中的一種狀況，處于某個(gè)特定狀態(tài)中的對(duì)象必然會(huì)滿(mǎn)足某些條件、執(zhí)行某些動(dòng)作或者是等待某些事件。

　　事件（Event）指的是在時(shí)間和空間上占有一定位置，并且對(duì)狀態(tài)機(jī)來(lái)講是有意義的那些事情。事件通常會(huì)引起狀態(tài)的變遷，促使?fàn)顟B(tài)機(jī)從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)。

　　轉(zhuǎn)換（Transition）指的是兩個(gè)狀態(tài)之間的一種關(guān)系，表明對(duì)象將在第一個(gè)狀態(tài)中執(zhí)行一定的動(dòng)作，并將在某個(gè)事件發(fā)生同時(shí)某個(gè)特定條件滿(mǎn)足時(shí)進(jìn)入第二個(gè)狀態(tài)。

　　動(dòng)作（Action）指的是狀態(tài)機(jī)中可以執(zhí)行的那些原子操作，所謂原子操作指的是它們?cè)谶\(yùn)行的過(guò)程中不能被其他消息所中斷，必須一直執(zhí)行下去。

　　看不懂上面可以看下面：

　　?

　　這里盜用一張UML（http://www.cnblogs.com/ywqu/archive/2009/12/17/1626043.html這是關(guān)于UML比較詳細(xì)的介紹）圖片來(lái)解釋一下，黑圓圈表示初始狀態(tài)，非規(guī)則長(zhǎng)方形表示一個(gè)狀態(tài)，Active表示狀態(tài)條件，也就是這種狀態(tài)需要什么條件，Reset表示轉(zhuǎn)換事件

　　我們結(jié)合boost：：statechart可以很容易寫(xiě)出上述圖片的代碼

　　#include《boost/statechart/state_machine.hpp>

　　#include《boost/statechart/simple_state.hpp>

　　class Mchine_Initiate;//模板必須有一個(gè)class作為初始化后的狀態(tài)

　　class Machine ： boost：：statechart：：state_machine《Machine， Mchine_Initiate>{

　　public：

　　Machine（）{std：：cout 《《 “Machine class”;};

　　};

　　class Mchine_Initiate{

　　public：

　　Mchine_Initiate（）{std：：cout 《《 “in”;};

　　~ Mchine_Initiate（）{std：：cout 《《 “out~”};

　　};

　　決策樹(shù)（Decision Tree）

　　這個(gè)大家應(yīng)該都不陌生，當(dāng)我們遇到一個(gè)問(wèn)題時(shí)會(huì)有多種處理方法，這符合一個(gè)樹(shù)狀態(tài)結(jié)構(gòu)，

　　我們會(huì)選擇最佳策略進(jìn)行處理，同樣，人工智能也有類(lèi)似實(shí)現(xiàn)名為決策樹(shù)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)者似乎與FSM有聯(lián)系，恭喜你你的發(fā)現(xiàn)時(shí)正確的，這其實(shí)算是靜態(tài)FSM，F(xiàn)SM應(yīng)該冠名為動(dòng)態(tài)FSM才是最佳的，當(dāng)然這是我個(gè)人看法，何謂靜態(tài)，就是既定的方案，這個(gè)樹(shù)枝都有權(quán)重值，50%A樹(shù)枝，50%B樹(shù)枝，機(jī)器人可以按照這個(gè)既定的方案執(zhí)行，因此決策樹(shù)可以存儲(chǔ)并分享，而FSM是動(dòng)態(tài)選擇，有關(guān)決策樹(shù)的概念就這么多了，詳細(xì)實(shí)現(xiàn)大家可以去百度一下。這里提供一篇算法，遺憾的是里面專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)比較多，理解較困難。

　　博弈論（Game Theroy）

　　這是我最感喜歡的部分，某種程度上說(shuō)沒(méi)有博弈論體系的AI算不上AI，博弈論在人工智能中廣泛用于最優(yōu)化策略，從原英文中我們就看得出這個(gè)與游戲有關(guān)，對(duì)象是單體，著名的例子就是簡(jiǎn)化的囚徒困境：

　　兩個(gè)囚徒甲和已違法被抓，分別關(guān)押，有如下選擇：

　　如果兩個(gè)人都承認(rèn)，那么都判10年

　　如果一人不承認(rèn)，另一人承認(rèn)并指認(rèn)同伙，那么這個(gè)人將無(wú)罪釋放，而被指認(rèn)的那個(gè)人將被判20年

　　如果兩個(gè)人都不承認(rèn)，將只是非法帶槍罪判1年。

　　從單體出發(fā)，假設(shè)我是甲，我心里會(huì)想：如果我認(rèn)罪，10年，不認(rèn)罪20年，10《20，認(rèn)罪最好。對(duì)方認(rèn)罪我0年，對(duì)方不認(rèn)罪1年，0《1認(rèn)罪最后

　　以類(lèi)同，因此選擇認(rèn)罪各10年

　　在人工智能中我們要窮舉所有可能，并計(jì)算最終收益，最后讓收益最大化，這就是人工智能的博弈論理論，博弈論博大精深，這里只是十分基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)

　　人工智能領(lǐng)域的博弈論我們需要考慮兩個(gè)東西：期望收益、規(guī)則設(shè)定。比如我們的規(guī)則設(shè)定是機(jī)器人比賽，然后機(jī)器人要選擇收益最大化，因此我們就要窮舉各種可以執(zhí)行的策略，并最終從這些策略對(duì)比使收益最大化，再如田忌賽馬這個(gè)強(qiáng)拉硬扯算是博弈論，規(guī)則是上中下等馬比賽，上>中，中>下，然后計(jì)算機(jī)就要窮舉所有策略，優(yōu)上>良上，優(yōu)上>良中。..。，最終更加這些策略對(duì)比使收益最大化，我們可以把這些作為一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)之為博弈樹(shù)，博弈樹(shù)廣泛引用于各種棋牌游戲的AI，很多算法如alpha-beta搜索都是基于博弈樹(shù)實(shí)現(xiàn)的

　　最大最小搜索算法（Max-min search algorithm）

　　最大最小搜索算法基于博弈樹(shù)，廣泛應(yīng)用于棋盤(pán)較小的棋牌游戲AI中，詳細(xì)請(qǐng)看我的文章http://blog.csdn.net/racaljk/article/details/18842545

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks）

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同上是人工智能的智能所在，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似于抽象了人類(lèi)的歷史，請(qǐng)不要反駁遠(yuǎn)古時(shí)期人類(lèi)沒(méi)有手機(jī)這句話(huà)，人類(lèi)的聰明是經(jīng)驗(yàn)所得，試想一下，假設(shè)機(jī)器人前面有一個(gè)障礙，這個(gè)障礙堵塞了路，機(jī)器人就會(huì)不斷使用尋路算法嘗試，顯然，這是沒(méi)有效果的，因?yàn)闆](méi)有正確的道路，想想如果是你你會(huì)怎么做，你會(huì)跳過(guò)去，是的，這就是一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，你早就經(jīng)歷過(guò)這種事情，現(xiàn)在你需要做的就是運(yùn)用之前的經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決這個(gè)”新“情況。要想智能，沒(méi)有這種經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)都是紙上談兵（當(dāng)然前提是你得置入跳的動(dòng)作代碼），當(dāng)機(jī)器人用A*嘗試5次都失敗的情況下它就會(huì)改變策略，調(diào)整腳部神經(jīng)元閥值，當(dāng)調(diào)節(jié)為1，發(fā)現(xiàn)跳不過(guò)，就調(diào)節(jié)為8，如此在一定的區(qū)間內(nèi)隨機(jī)直到成功

　　置信網(wǎng)絡(luò)（Belief Network）

　　從分類(lèi)中可以看出置信網(wǎng)絡(luò)從屬于深度學(xué)習(xí)，而深度學(xué)習(xí)父級(jí)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也就是說(shuō)置信技術(shù)是以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的在其基礎(chǔ)上優(yōu)化的一門(mén)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。

　　置信技術(shù)把人工智能推向了極致，他與博弈論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法構(gòu)成了AI的核心體系。

　　之前我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法使用窮舉進(jìn)行嘗試和篩選，而置信網(wǎng)絡(luò)總結(jié)數(shù)據(jù)并試圖發(fā)現(xiàn)規(guī)律，這看起來(lái)多麼偉大，同時(shí)也多麼不容易，把客觀世界object的規(guī)律映射到智能機(jī)器，即使是人類(lèi)也不一定做好

　　同樣是上面走路的例子，我們假設(shè)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閥值必須要是偶數(shù)*2才能通過(guò)，貝葉斯智信網(wǎng)絡(luò)則是用來(lái)總結(jié)得出這個(gè)規(guī)律，他需要前面的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，并把抽象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為客觀規(guī)律

　　?

　　上圖就是一個(gè)經(jīng)典的置信網(wǎng)絡(luò)，其中紅色圓圈表示未知規(guī)律，藍(lán)色為表象

　　置信網(wǎng)絡(luò)可以極大優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，減少?lài)L試次數(shù)，比如利用置信網(wǎng)絡(luò)總結(jié)出結(jié)果在偶數(shù)*2中間，通過(guò)其他信息比如數(shù)量是家庭垃圾物體數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便可在一個(gè)較小的范圍類(lèi)進(jìn)行偶數(shù)*2的嘗試

　　遺傳算法（Genetic Algorithm）

　　遺傳算法的理論基礎(chǔ)是達(dá)爾文的進(jìn)化論，他模擬實(shí)現(xiàn)凈化論中的自然選擇和遺傳機(jī)制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法吸取上次失敗的教訓(xùn)，只是一味的嘗試，遺傳算法由此而生解決這個(gè)問(wèn)題，它吸取群體的智慧于一生，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了更高層次的智能，遺傳算法模擬培養(yǎng)第一代基因，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嘗試，然后進(jìn)行優(yōu)勝劣汰，如此遞歸，當(dāng)?shù)搅艘粋€(gè)很高的層次都無(wú)法解決問(wèn)題的時(shí)候他就會(huì)考慮基因重組，也就是雜交，因?yàn)樗J(rèn)為第一代的優(yōu)秀基因本身就是錯(cuò)誤的方向，只是錯(cuò)誤的方向上的優(yōu)秀基因，因此他選擇其他方向的基因用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)嘗試，遺傳算法優(yōu)勝劣汰

　?