人工智能与自然计算
昨天偶遇自然计算这个词,原来之前了解的启发式优化算法都属于自然计算的范畴,因次顺藤摸瓜又搜索了一把,发现它与人工智能关系非常密切。
1、自然计算
自然计算(Nature Inspired Computation),是指以自然界包括生命、生物及生 态系统,物理与化学,经济以及社会文化系统等,特别是 生物体的功能、特点和作用机理为基础,研究其中所蕴 含的丰富的信息处理机制,抽取相应的计算模型,设计相应的算法,研制革新计算系统,并在各相关领域加以 应用。从自然计算要素角度看,每种自然计算方法都对 应一种实际的启发源,要将启发源中所包含的内在的特殊规律,如生物进化规律、离子进出细胞膜的规律等,利用数学或逻辑符号建模描述成一种特殊计算过程;而从其启发源的属性来分,又包括了自然界全部的物质(物理和化学)、生命(生命系统、生物群和生态系统等)和文化(社会、文化、语言以及情感等)三个层次。
“进化计算”这一 术语 1990年代初才被提出,它是模拟生物进化过程中 的自然选择法则和信息遗传机制等技术或算法的总称生命系统模拟计算是对自然界生命体或系统的各 种机制进行抽象和模拟,并用于提出智能计算方法的 一个多主题松散连接的研究领域,其理论构建于生物 学、计算机及数学基础上.此领域包含了对从生物分子 到细胞到功能(器官)系统再到生命体不同层次上的生 命智能机制的模拟.生命系统模拟计算的层次模型“群体智能”的概念最早可追溯到分子自动机系统.之后,研究者从计算机模拟的角度学习自然界中的生物群智能行为,获得了相应的计算和仿真模型,并提出群体智能系统的基本原则。比如蚁群算法,微粒群算法,蜂群算法,细菌觅食算法等。“生态计算”对自然界生态系统进行模型化描述,用各 种计算模型模拟生态系统并服务于实际应用.总体来 讲,生态计算研究主要从博弈和协同两个进化的角度 展开,分别建立了博弈型人工生态系统和基于多主体 的协同生态模型。社会、经济与文化系统等也是自然计算的重要启 发源,此类计算模式包括:文化基因算法、文化算法、社会 认知优化、自私基因 算法、粒计算和情感计算等。从自然界非生命形态或现象(物理、化学现 象等)中也可以获取有益的智能计算灵感,创建智能计 算模式,这就是其他非生命模拟计算,比如模拟退火优化、量子优化,晶体生长优化等。
2、人工智能与自然计算的关系
92年,美国学者James首次提出,计算智能(CI)是依靠生产者提供的数字、数据材料加工处理,而不是依赖于知识;人工智能(AI)则是须用知识进行处理。
94年,James在Florida,Orlando,94IEEEE WCCI会议上又阐述他的观点,智能又三个层次:生物智能,人工智能,计算智能。生物智能,是由人脑的物理化学过程反应出来的,人脑是有机物,它是智能的基础。人工智能是非生物的,人造的,常用符号来表示,AI的来源是人来知识的精华。计算智能是由数学方法和计算机实现的,CI的来源是数值计算的传感器。当时人们这个定义,AI是符号主义,强调知识、规则、推理,突出左脑功能;CI是连接主义、强调数据、学习、记忆,强调右脑功能。
可以看出,目前所说的人工智能与20多年前刚起步时不同,或者说还处于计算智能的初级阶段,主要从传感器收集数据并进行计算处理,还很少利用符号化的人类知识的精华。还需要后续人工智能、生物智能的发展阶段。
本文所讲的自然计算,是智能计算的一部分,自然计算的应用涉及领域很广,在复杂优化问题 求解、优化调度控制与故障诊断、智能控制与机器人控 制、智能交通、智能建筑、计算机集成制造、智能电网、 数据挖掘、模式识别、网络通信与信息安全、工业设计 优化、社会经济、金融与管理、生态环境、生物医学医 药、 新能源与新材料、航空航天与军事等。
自然计算的终极目标是为人类呈现一种全新的思 维模式,带来真正的计算革命,研制未来的分子计算 机、 生物计算机、量子计算机、神经计算机,甚至是“自 然计算机”. 因此,实现计算智能化的自然计算征程任 重而道远。
参考资料
自然计算的研究综述[J]. 电子学报, 2012, 40(3):548-558.
https://wenku.baidu.com/view/59ef836e590216fc700abb68a98271fe910eaf92.html