自然计算与人工智能

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