人工智能导论

介绍人工智能入门知识

构建人工智能通识体系

推动人工智能普及教育

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是近年来电子信息技术领域发展最为迅速的新兴交叉学科。

人工智能以算法为核心，研究智能的表现与实现（以与人类智能相似的方式做出反应的智能机器或智慧

系统）。该领域的研究包括机器人、语音识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。从2018 年3 月

人工智能专业被列入新增审批本科专业名单，截至2020 年已有215 所国内高校开设了人工智能专业。

从产业领域到教育领域，在移动互联网、大数据、超级计算、传感网、脑科学等新理论新技术以及经

济社会发展强烈需求的共同驱动下，人工智能领域加速发展，呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、

群智开放、自主操控等新特征，我国已将发展人工智能提高到国家战略层面。2020 年人工智能总体技

术和应用与世界先进水平同步，人工智能产业成为新的重要经济增长点，人工智能核心产业规模超过

1500 亿元，带动相关产业规模超过1 万亿元。

人工智能的理论基础涉及数学、控制理论、计算机科学、电子技术等专业领域，读者理解和掌握有

一定的难度。本书编委组织教育领域和产业领域的相关专业博士和专家，对人工智能相关理论知识点进

行分类总结，并结合其各自在人工智能研究开发相关领域的理论研究和实践经验，由浅入深、化繁为简，

全方位阐述人工智能学科的发展现状、关键技术及其典型应用。本书共12 章，具体内容如下：

第1 章主要阐述人工智能的定义、发展史，并展望其发展趋势。

第2 章介绍知识表示和理解方法，主要从知识表示的方法、推理方式和搜索策略三个方面展开论述，

深刻阐述人工智能对操作对象的表示和理解这两个基本问题。

第3 章从人工智能感知功能出发，详细阐述人工智能迅速发展的基础支撑技术—感知技术、传输

技术和计算技术等的相关理论。

第4 章主要介绍判断与控制技术。判断与控制是人工智能的核心和方向，是实现智能功能承载的具

体支撑。本章重点讨论了机器学习的相关概念和群体智能算法。

第5 章主要阐述人工智能新技术为网络空间安全方面带来的伴生效应，包括人工智能安全体系架构、

人工智能助力安全、内生安全和衍生安全问题。

第6 章主要介绍智能视觉技术，包括计算机视觉的基本原理、基于深度学习的数字图像处理技术、

三维视觉技术以及智能视觉技术的典型应用。

第7 章主要介绍智能语音技术，包括智能语音基础知识、语音信号处理原理、语音公开数据集和语

音识别工具包等。

第8 ～ 10 章从应用领域出发，分别对智能机器人、自然语言处理和无人驾驶这三类具体应用展开

论述，详细介绍其核心技术及典型应用案例。

第11 ～ 12 章从行业实践出发，分别阐述人工智能在电子商务行业和智能医疗行业的具体开发方法

和典型应用案例。

本书由张翼英、张茜、张传雷任主编。全书由张翼英组织，张翼英参与了全部章节的编写。张翼英、

张茜对全书进行了审校。

本书具体编写分工如下：第1 章由张翼英博士等编写，第2 章由张传雷博士等编写，第3 章由张翼

英博士、梁琨等编写，第4 章由王嫄博士等编写，第5 章由王聪博士、张翼英博士等编写，第6 章由张

茜博士等编写，第7 章由党鑫博士等编写，第8 章由刘尧猛、戴凤智等编写，第9 章由周保先、王嫄博

士等编写，第10 章由张亚男博士、于文平博士等编写，第11 章由张文、李龙等编写，第12 章由马兴

毅博士、李冰博士等编写。

在本书的编写过程中，中国水利水电出版社给予了大力支持，同时，尚静、阮元龙、王鹏凯、马彩

霞、张楠、柳依阳、王德龙、罗剑、李英卓、刘晶晶、翟俊武等同学也参与了本书的编写工作，在此一

并表示感谢。

希望本书能够对关心人工智能技术和产业发展的各级领导和行业监管部门人员、高校师生，以及产

业链相关各领域的从业人员、投融资人士等读者有所裨益，能够为我国人工智能产业发展添砖加瓦。由

于编者水平及时间所限，书中难免会有疏漏和不足之处，欢迎广大专家和读者不吝指正。

第1 章　人工智能 ........................................................... 1
1.1　人工智能定义 ........................................................... 1
1.1.1　人工智能概述 .................................................. 1
1.1.2　人工智能流派 .................................................. 2
1.2　人工智能发展史 ....................................................... 3
1.2.1　代表人物 .......................................................... 4
1.2.2　发展阶段 .......................................................... 7
1.3　人工智能发展趋势 ................................................. 10
1.3.1　技术发展趋势 ................................................ 10
1.3.2　行业应用趋势 ................................................ 12
1.3.3　终端产品趋势 ................................................ 14
1.3.4　伦理规范趋势 ................................................ 15
课后题 .............................................................................. 16
第2 章　表示与理解 ..................................................... 17
2.1　知识表示与利用 ..................................................... 17
2.1.1　知识与知识表示的概念 ................................ 17
2.1.2　产生式表示法 ................................................ 18
2.1.3　框架表示法 .................................................... 19
2.1.4　状态空间表示法 ............................................ 21
2.2　推理 ......................................................................... 24
2.2.1　推理方式及分类 ............................................ 24
2.2.2　确定性推理 .................................................... 26
2.2.3　非确定性推理 ................................................ 29
2.3　搜索 ......................................................................... 31
2.3.1　图搜索策略 .................................................... 32
2.3.2　盲目搜索 ........................................................ 33
2.3.3　启发式搜索 .................................................... 36
课后题 .............................................................................. 38
第3 章　感知与连接 ..................................................... 40
3.1　感知技术 ................................................................. 40
3.1.1　感知技术概念 ................................................ 40
3.1.2　人工智能与感知的关系 ................................ 41
3.1.3　视觉感知技术 ................................................ 42
3.1.4　声音感知技术 ................................................ 44
3.1.5　生理感知技术 ................................................ 45
目　　录
前言
3.1.6　环境感知技术 ................................................ 46
3.1.7　其他感知技术 ................................................ 46
3.2　传输技术 ................................................................. 47
3.2.1　传输技术概述 ................................................ 47
3.2.2　人工智能与传输技术的关系 ........................ 47
3.2.3　有线传输技术 ................................................ 48
3.2.4　无线传输技术 ................................................ 48
3.2.5　移动通信技术 ................................................ 50
3.2.6　卫星通信技术 ................................................ 53
3.3　计算技术 ................................................................. 54
3.3.1　计算技术概述 ................................................ 54
3.3.2　人工智能与计算技术的关系 ........................ 54
3.3.3　碎片化数据计算 ............................................ 54
3.3.4　不完备数据计算 ............................................ 56
3.3.5　量子计算 ........................................................ 57
3.3.6　分布式计算 .................................................... 58
3.3.7　并行计算 ........................................................ 58
课后题 .............................................................................. 59
第4 章　判断与控制 ..................................................... 60
4.1　机器学习 ................................................................. 60
4.1.1　机器学习概述 ................................................ 60
4.1.2　有监督学习 .................................................... 62
4.1.3　无监督学习 .................................................... 62
4.1.4　弱监督学习 .................................................... 63
4.1.5　集成学习 ........................................................ 66
4.1.6　迁移学习 ........................................................ 68
4.1.7　强化学习 ........................................................ 72
4.2　群体智能 ................................................................. 76
4.2.1　群体智能概述 ................................................ 76
4.2.2　群体智能算法 ................................................ 76
4.2.3　任务定义 ........................................................ 78
4.2.4　质量控制 ........................................................ 79
4.2.5　成本控制 ........................................................ 79
4.2.6　延迟控制 ........................................................ 80
课后题 .............................................................................. 81
第5 章　人工智能安全 ................................................. 82
5.1　人工智能安全概述 ................................................. 82
5.2　人工智能安全体系架构 ......................................... 83
5.2.1　人工智能助力安全概述 ................................ 84
5.2.2　人工智能内生安全概述 ................................ 84
5.2.3　人工智能衍生安全概述 ................................ 84
5.3　人工智能助力安全 ................................................. 84
5.3.1　人工智能助力防御 ........................................ 85
5.3.2　人工智能助力攻击 ........................................ 86
5.4　人工智能内生安全 ................................................. 88
5.4.1　数据安全 ........................................................ 88
5.4.2　算法安全 ........................................................ 91
5.4.3　框架安全 ........................................................ 92
5.4.4　模型安全 ........................................................ 92
5.4.5　运行安全 ........................................................ 93
5.5　人工智能衍生安全 ................................................. 93
5.5.1　人工智能系统失误引发的安全事故 ............ 93
5.5.2　预防人工智能技术失控的举措 .................... 95
课后题 .............................................................................. 96
第6 章　智能视觉 ......................................................... 97
6.1　计算机视觉的基本原理 ......................................... 97
6.1.1　智能视觉技术研究内容 ................................ 98
6.1.2　图像成像 ...................................................... 100
6.1.3　传统图像处理方法 ...................................... 104
6.2　关键技术 ............................................................... 106
6.2.1　基于深度学习的图像处理技术 .................. 107
6.2.2　特征提取与物体识别 .................................. 108
6.2.3　三维视觉技术 .............................................. 109
6.3　典型应用案例 ....................................................... 110
6.3.1　生成逼真的图像：从文本到图像 .............. 110
6.3.2　三维场景重建 .............................................. 112
课后题 ............................................................................ 115
第7 章　智能语音 ....................................................... 117
7.1　智能语音技术概述 ............................................... 117
7.1.1　智能语音技术发展历史 .............................. 117
7.1.2　智能语音技术发展趋势 .............................. 119
7.2　智能语音基础 ....................................................... 119
7.2.1　声信号和语音 .............................................. 119
7.2.2　声音采样 ...................................................... 121
7.3　语音信号处理 ....................................................... 122
7.3.1　端点检测 ...................................................... 122
7.3.2　MFCC 特征抽取 .......................................... 125
7.4　语音处理基本原理 ............................................... 128
7.4.1　语音识别系统流程 ...................................... 128
7.4.2　语音识别的统计模型描述 .......................... 128
7.4.3　语音识别的模型训练 .................................. 130
7.5　语音公开数据集 ................................................... 130
7.6　语音识别工具包 ................................................... 132
7.6.1　编程语言 ...................................................... 132
7.6.2　开源项目 ...................................................... 133
7.6.3　社区活跃度 .................................................. 133
7.6.4　教程和示例 .................................................. 133
7.6.5　训练模型 ...................................................... 133
课后题 ............................................................................ 134
第8 章　智能机器人 ................................................... 135
8.1　智能机器人概述 ................................................... 135
8.1.1　机器人定义 .................................................. 135
8.1.2　机器人发展历史和现状 .............................. 136
8.1.3　机器人分类 .................................................. 138
8.1.4　智能机器人与人工智能 .............................. 142
8.2　智能机器人设计 ................................................... 143
8.2.1　硬件设计 ...................................................... 143
8.2.2　软件设计 ...................................................... 145
8.3　智能机器人关键技术 ........................................... 145
8.3.1　智能感知技术 .............................................. 145
8.3.2　智能导航与规划技术 .................................. 147
8.3.3　机器视觉技术 .............................................. 148
8.3.4　智能控制技术 .............................................. 152
8.3.5　智能交互技术 .............................................. 152
8.4　智能搬运机器人应用案例 ................................... 154
8.4.1　项目准备工作 .............................................. 154
8.4.2　应用场景设计 .............................................. 154
8.4.3　软硬件平台 .................................................. 155
8.4.4　功能设计 ...................................................... 155
课后题 ............................................................................ 157
第9 章　自然语言处理 ............................................... 158
9.1　自然语言处理概述 ............................................... 158
9.1.1　自然语言环境 .............................................. 158
9.1.2　自然语言处理发展史 .................................. 158
9.1.3　自然语言处理任务 ...................................... 160
9.1.4　自然语言处理应用 ...................................... 161
9.2　自然语言处理关键技术 ....................................... 162
9.2.1　处理流程 ...................................................... 162
9.2.2　文本表示 ...................................................... 163
9.2.3　专家系统 ...................................................... 165
9.2.4　统计学习方法 .............................................. 165
9.2.5　深度学习方法 .............................................. 167
9.2.6　开源框架 ...................................................... 168
9.3　自然语言处理应用案例 ....................................... 169
9.3.1　文本分类 ...................................................... 169
9.3.2　机器翻译 ...................................................... 171
9.3.3　信息检索 ...................................................... 172
9.3.4　问答系统 ...................................................... 173
9.3.5　知识图谱 ...................................................... 174
课后题 ............................................................................ 177
第10 章　无人驾驶 ..................................................... 178
10.1　无人驾驶系统概述 ............................................. 178
10.1.1　司机是人还是机器 .................................... 178
10.1.2　无人驾驶全面数据解读 ............................ 181
10.2　无人驾驶关键技术 ............................................. 184
10.2.1　深度学习在目标感知中的应用 ................ 184
10.2.2　典型的路径规划算法 ................................ 186
10.2.3　车辆运动行为决策算法 ............................ 187
10.3　无人驾驶规划与控制 ......................................... 188
10.3.1　无人驾驶规划与控制模块 ........................ 188
10.3.2　无人驾驶车辆举例 .................................... 189
课后题 ............................................................................ 191
第11 章　智能电子商务 .............................................. 192
11.1　电子商务 ............................................................. 192
11.1.1　电子商务概述 ............................................ 193
11.1.2　电子商务与传统贸易的区别 .................... 194
11.2　智能电子商务关键技术 ..................................... 196
11.2.1　电子商务技术发展 .................................... 196
11.2.2　高并发应用场景下的分布式技术 ............ 197
11.2.3　计算广告技术 ............................................ 197
11.2.4　知识图谱技术 ............................................ 198
11.3　智能电子商务案例 ............................................. 198
11.3.1　典型的电子商务技术架构 ........................ 198
11.3.2　案例一：基于xgboost 的销量预测 .......... 204
11.3.3　案例二：基于NLP 的客户感知分析 ....... 206
11.3.4　案例三：基于知识图谱的商品链接
　　　 优化 ............................................................ 207
课后题 ............................................................................ 208
第12 章　智能医疗 ..................................................... 209
12.1　智能医疗概述 ..................................................... 209
12.1.1　智能医疗概念 ............................................ 209
12.1.2　智能医疗历史 ............................................ 209
12.1.3　智能医疗展望 ............................................ 211
12.2　智能医疗关键技术 ............................................. 212
12.2.1　体系架构 .................................................... 212
12.2.2　技术架构 .................................................... 216
12.2.3　AI 医疗 ....................................................... 219
12.3　智能医疗应用案例 ............................................. 223
12.3.1　虚拟助理 .................................................... 223
12.3.2　医学影像 .................................................... 225
12.3.3　辅助诊疗 .................................................... 226
12.3.4　疾病风险预测 ............................................ 227
12.3.5　药物挖掘 .................................................... 227
12.3.6　健康管理 .................................................... 229
课后题 ............................................................................ 230
参考文献 ..................................................................... 231

1. 人工智能技术导论 [主编 刘军 赵守凯 林海]
2. 人工智能应用系统开发项目化教程 [主编 杨家慧 周永福 魏育华]
3. 从石器时代到智能时代—青少年人工智能启蒙 [丁红　著]
4. 人工智能技术与机器人 [主编　邵克勇]
5. 人工智能基础 [周永福 韩玉琪 王巧巧]
6. 人工智能应用基础 [主编 杨缨 李佳]
7. 人工智能概论（第二版） [主编　任云晖　丁红　徐迎春 ]
8. 人工智能基础 [主编 余平 张春阳]
9. 人工智能导论 [主编 王飞 潘立武]
10. 人工智能算法与实践 [主编　梁琨　张翼英]
11. 人工智能概论（第二版） [张广渊　周风余　朱振方　著]
12. 多智能体系统建模、仿真及应用 [赵春晓　魏楚元　著]
13. 人工智能概论 [主编　任云晖　丁红　徐迎春]
14. 人工智能概论 [张广渊 周风余 著]
15. 人工智能改变世界：走向社会的机器人 [刘进长　雷瑾亮　著]
16. 人工智能与问题解决方法 [[美]Danny Kopec｜Christopher P]
17. 人工智能与专家系统（第二版） [尹朝庆]