前言

在1859年出版的达尔文（Darwin）名著《物种起源》（The Origin of Species）第一版扉页上写道，“作为生物进化论的完整理论体系，《物种起源》主要讨论两个问题： 一是形形色色的生命是否由进化而来，二是进化的主要机理是什么。”达尔文对第一个问题的回答是肯定的，对第二个问题的回答是“自然选择”。达尔文的进化学说如同哥白尼（Copernicus）的《天体运行论》一样，长期受到创神论的激烈反对和无情扼杀。1996年，罗马教皇约翰·保罗二世致函教廷科学院说：“天主教信仰并不反对生物进化论。……进化论不仅仅是一种假设。事实上，由于各学科的一系列发现，这一理论已被科学家普遍接受。”时隔137年之后，教廷才被迫放弃了“上帝创造世界和人类始祖”的信条。一项重大的科学发现，要得到人们的普遍赞同，谈何容易！

我们有幸生活在一个研究和解答智能问题的时代。在这个时代，一方面，有关领域的科技资料数据有了丰富的积累，整个科技水平能够为相关研究提供空前有效的支持和服务；另一方面，社会各界能够允许对相关科技问题展开深入的自由讨论，再也不会出现哥白尼和达尔文时代那种对科学发现的反动。我们曾经指出：近代科学技术的许多重大进展都是人类智慧、思维、幻想和拼搏的成果；同时，这些科技进步反过来又促进人们思想的解放，或者称为思想革命。人类历史上从来没有出现过像今天这样的思想大解放，关于宇宙、地球、生命、人类、时空、进化、智能的论点和著作，如雨后春笋破土而出，似百花争艳迎春怒放。

据研究结果称：大约6亿年前，地球上发生过一次异乎寻常的大爆炸，生物学家把它称为寒武纪爆炸。这次爆炸的最重要意义在于发现了数量颇大和种类繁多的生物，这是地球生态史上任何一个时期都无法比拟的。

大脑是衡量进化水平的最重要标志。有了人类的大脑，我们就能够有思想、思维和梦想，有发明、创造和创业，有美术、音乐和诗歌，也才可能有“上天揽月”、火星探测、“下洋捉鳖”以及基因和克隆研究之壮举。

地球上早期生物是比较低级的，它们经历了长期的和不断的进化历程，并最终得到进化的最新高级产品——人类。人类经过长期进化，通过自然竞争和自然选择，成为当今最有智慧的高级生物种群。人类智能是这种自然过程的创造物，具有传感性能的分布特性和控制机制的鲁棒特性。人类的认

知能力是保藏在以大脑为中心的“碳素计算机”中。大脑通过诸如视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉等各种自然传感机制来获取环境信息，借助智能而集成这些信息并对信息提供适当的解释。然后，认知过程进一步提升这类特性为学习、记忆和推理能力，并通过分布在中枢神经系统内的复杂神经网络产生适当的肌肉控制，产生相应的行为或动作。正是这种认知过程和智能特性，使人类在许多方面成为有别于其他生灵的高级动物。

伴随着人类的进化，人类智慧逐步提高。人类正从大自然学习并力图通过机器来模仿自身的认知过程和智能。人类已经发明了计算机和自动机之类的高级机器，创建了能够为人类的进化和发展服务的智能机器和智能系统，并应用机器智能来模仿人类智能，扩展了人脑的功能。在这一领域，形形色色的“智能制品”正在大放异彩，为经济、科技、教育、文化发展服务。基因、纳米、CAD、CAM、CAI、CAP、CIMS、互联网、物联网、微信、数据挖掘、大数据、真体（agent）、本体、计算智能、智能机器人、不确定推理、机器学习、机器翻译和智能软件包等，已成为我们学习、工作和生活的组成部分。

生命的进化也出现新的挑战。一方面，智能机器人与人工生命的结合，可能创造出具有生命现象的生物机器人。一个拟人机器人能够用它的眼睛跟踪人群通过人行横道；一台自主机器人车能够辨识道路的边缘，绕过障碍物，在探索中前进。机器人打乒乓球和机器人辅助外科手术等例子，则早已众所周知。2016年3月9—15日，谷歌的人工智能程序阿尔法围棋（AlphaGo）与世界顶级围棋职业选手李世石的人机对决，引起国内外棋界、体育科技界、全球媒体和群众的广泛关注。这次世纪大战，AlphaGo以4∶1获得胜利。人工智能虽然获得了胜利，但是并不代表着完胜，而且AlphaGo及其程序也是人类创造的。正如某些人工智能行内人士在人机对决过程中所指出的：无论人机谁胜谁负，都是人类的胜利。同样，作为AlphaGo主要工作原理的深度学习，也还没有达到至臻至美的地步，人工智能在模拟人脑方面还有很大一段路程要走。有些人担心，有朝一日，智能机器的人工智能会超过人类的自然智能，使人类沦为智能机器和智能系统的奴隶。另一方面，某些不负责任的人或犯罪分子却利用智能技术进行罪恶活动，如制造计算机病毒和盗取银行存款等“智能犯罪”活动。面对机器智能的进化，我们人类自己切不可掉以轻心。作为机器的主人，我们要以新的成就和实力，继续赢得智能机器对人类的尊敬，使智能机器和智能系统永远听从人类的指挥，与人类和谐共处，忠诚地为人类服务。

人类的进化归根结底是智能的进化，而智能反过来又为人类的进一步进化服务。我们学习与研究人工智能、智能系统、智能机器和智能控制等，其目的就在于创造和应用智能技术和智能系统为人类进步服务。因此，可以说，对智能科学的钟情、期待、开发和应用，是科技发展和人类进步的必然。

人类在进入新世纪以来对未来充满新的更大的希望。科技进步必将为各国的可持续发展提供根本保障，科技新成果必将在更大的广度和深度上造福于人类。人工智能学科及其“智能制品”的重要作用已得到人们普遍重视。

国际上人工智能研究作为一门前沿和交叉学科，伴随着社会进步和科技发展，与时俱进，在过去半个多世纪中已取得长足进展。在国内，人工智能已得到迅速传播与发展，并促进其他学科的发展。吴文俊院士的定理证明的几何方法研究成果就是一个例证。2015年智能机器人研究热潮澎湃神州大地，显示出诱人魅力和强大生命力。2016年3月AlphaGo与李世石的人机大战将人工智能的关注度推至前所未有的高度，引发一轮新的人工智能研究和创业热情。极大地推动人工智能的发展。

作为智能科学领域的探索者，我们对地球这一自然界上的生命、进化与智能深感兴趣。我们有幸亲历了近三分之一世纪人工智能的研究和发展进程，这是一种缘分，也是一种机遇。借此机会，谨向读者汇报如下。

1982—1985年，我和清华大学徐光祐教授以访问学者身份赴美国普渡大学研修人工智能，与美国国家工程科学院院士、国际人工智能开拓者和国际模式识别之父傅京孙（K.S.Fu）教授合作研究人工智能，受到国际大师的熏陶和指点，开始踏上研究智能科学的征程。那时，人工智能在西方得到重视，迅速发展，而在当时的苏联却受到批判，在中国也不敢冲破这一禁锢，不能公开立项研究和公开出版教材。为了突破这一“禁区”，为我国高等学校提供一部优秀的人工智能教材，在傅京孙院士的建议和指导下，我们两人执笔编著了《人工智能及其应用》一书，于1987年在清华大学出版社出版，成为国内率先出版的具有自主知识产权的人工智能教材。该教材的编著和出版，不仅为我国人工智能课程提供了一部好教材，而且促进了人工智能课程在国内高校的普遍开设和建设。宋健院士在该书出版后不久指出：本书的编著和出版“使这一前沿学科的最精彩的成就迅速与中国读者见面，这对人工智能在中国的传播和发展必定会起到重大的推动作用”。

1992年，台湾儒林图书有限公司授权出版该书的海外版，供海外读者使用。

随着人工智能学科和技术的发展及计算机等专业的发展，研究应用人工智能的科技工作者和研读人工智能课程的学生与年俱增。总结10年教学经验，听取各方意见，吸取“百家”营养，我们于1996年编著出版了《人工智能及其应用》第2版，继续得到国内同行肯定和赞许，并获得1999年度国家教育部科技进步一等奖等奖励。

进入21世纪之后，一方面，在教育部支持下，我在中南大学牵头于2002年精心设计和开发了具有智能化、个性化、情境化和形象化等课程特色的“人工智能网络课程”，通过了教育部组织的质量认证和验收，被评为全国优秀网络课程，为人工智能课程建设提供了一个有力的手段和有特色的环境。另一方面，我们与时俱进着手编写《人工智能及其应用》第3版，并分别编著出版“本科生用书”（2003年）和“研究生用书”（2004年）。该教材第3版反映人工智能各学派的观点和人工智能的最新进展，以便更好地满足本课程建设和教学改革的需要。2005年又为人工智能网络课程编著出版了配套教材《人工智能基础》，由高等教育出版社出版。2010年《人工智能及其应用》和《人工智能基础》分别出版了第4版和第2版，又增补了许多新内容。这些人工智能教材已先后印刷40多次，发行近40万册，不仅成为作者主持的首批国家精品课程（2003年）、全国双语教学示范课程（2007年）和国家级“智能科学基础系列课程教学团队”（2008年）、国家级精品资源共享课程（2013年）“人工智能”课程的配套教材或展示成果，而且被国内高校广泛用做人工智能课程教材和考研参考书，得到众多专家好评和广大师生欢迎，为人工智能课程建设和创新型人才培养做出了贡献。

本教材第4版和第5版作为“十一五”和“十二五”国家级规划教材，需要编出新的特色和更高水平。为了编好本教材，近年来作者在国内外进行了深入的调研和充分的准备。除了查阅大量相关文献资料外，我们主持和参加了国家级科研项目研究，取得一些具有较高水平的研究成果。我们借助国家教育部多种“质量工程”平台，对本课程和本教材进行教学改革，积累了不少经验和体会。这些都为新版教材编写提供了难得的翔实材料。我本人的出国访问与学术交流，包括2005年夏赴美国访问、2007年夏到丹麦进行交流、2012年和2013年赴美国交流和2015年到日本出席IEEE计算智能大会，也为本教材的编写提供了大量的第一手宝贵资料。

在第1版序言中，傅京孙先生曾指出编写该书的目的有二：其一，为计算机科学家和工程师们提供一些人工智能的技术和基础知识；其二，填补人工智能理论与实践的空白。我们始终遵循这些宗旨来修订本书，力求反映人工智能研究和应用的最新进展。

本书第5版共10章。第1章叙述人工智能的定义、起源与发展，简介人工智能不同学派的认知观，列举出人工智能的研究与应用领域。第2章和第3章主要研究传统人工智能的知识表示方法和搜索推理技术。第4章探讨不确定性推理方法，涉及概率推理、主观贝叶斯方法、可信度方法和证据理论等。第5章阐述计算智能的基本知识，包含神经计算、模糊计算、进化计算、人工生命、粒群优化和蚁群计算诸内容。第6章至第10章比较详细地逐一讨论人工智能的主要应用领域，包括专家系统、机器学习、自动规划、分布式人工智能和自然语言理解等。与第4版相比，许多内容都是第一次出现的，例如，人工智能的分类与计算方法、谓词演算符号的规范、进化算法的框架与执行过程、专家系统的设计方法和基于Web专家系统的开发工具以及深度学习等。其他章节也在第4版的基础上或多或少做了相应的修改、精简或补充。

承蒙广大读者厚爱，本书被数百所院校用作教材或教学参考书。我国科技教育界的许多领导和专家以及一些外国教授，对本书给予充分肯定。部分专家和读者（包括学生）还对本书提出不少有益的修订建议。时任国务委员兼国家科委主任、中国科学院院士和中国工程院院士宋健教授，在极其繁忙的国务活动中，曾于1988年2月亲笔来信，对本书做出很高评价，体现出他对发展我国人工智能的关注和对作者的鼓励。时隔15年后，本书第3版公开发表这封亲笔信，

相信这对我国人工智能的发展

具有重要的指导意义和现实意义。1993年5月，宋健教授又赐寄“人智能则国智，科技强则国强”的题词，很好地阐明了人工智能与提高民族素质、增强科技实力和建设现代化强国的辩证关系，这也是对我们和全国人工智能工作者的殷切期望。本书第2版、第3版和第4版出版发行后，继续受到广大高校师生的欢迎和专家教授的肯定。在本书修订过程中，得到许多专家和读者的热情支持。特别是中国科学院院士、国际著名人工智能专家吴文俊研究员为本书第3版写了长达万言的代序，中国科学院院士、清华大学李衍达教授在百忙中分别为本书第2版、第3版和第4版作序，为本书增添光彩。所有这些，都使作者深受鼓舞。在此，谨向诸位领导、专家和广大读者，包括使用本书和对本书提出宝贵建议的师生们，表示诚挚的感谢。

我要特别感激和怀念我的导师、合作者傅京孙先生和我的老师、指导者常迵先生。他们不但为本书的编著提供了悉心指导和有力帮助，而且为本书冲破“禁锢”获得公开出版做出功不可没的贡献。

我们还要衷心感谢中南大学和清华大学以及清华大学出版社有关领导、专家和编辑。如果没有他们的智慧才干、辛勤劳动和大力合作，本书第5版就不可能迅速与读者见面。

我们诚挚感谢国内外人工智能专著、教材和许多高水平论文报告的作者们，他们的作品或与他们的讨论为我们修订本书提供了丰富营养，使我们受益匪浅。我们在本书中引用了他们的部分材料，使本书能够取各家之长，较全面地反映人工智能各个研究领域的最新进展。

我们要特别感谢国家教育部“十二五”国家级教材规划、国家级精品课程、国家级精品资源共享课程、新世纪网络课程建设工程和国家级教学团队等“质量工程”的大力支持。

本书第5版是在第4版的基础上进行修订的。我与徐光祐教授在美国和国内合作进行《人工智能及其应用》编著已经30多年，在研究与写作中结下了深厚友谊。在傅京孙教授的悉心指导与大力支持下，我们于20世纪80年代初期在美国普渡大学编著了我国首部具有自主知识产权的人工智能著作，并冲破禁锢于1987年在清华大学出版社出版发行。由于徐教授忙于机器视觉等研究，无暇修订本著作，因此本书的第2版至第4版均由我执笔修订，由徐教授负责审阅。我非常珍惜这段可贵的友谊，由衷地感谢徐教授的合作与支持。经徐教授一再建议，此次（第5版）修订就不再把他的名字列入作者。我相信，他一定能够继续关心本书的编著和出版工作，给予进一步的指教。第5版全书由蔡自兴执笔与统稿。刘丽珏负责第3章和第4章修订，陈白帆负责第2章修订，蔡竞峰继续负责第5章和7.4节（决策树学习）编写，肖赤心、宋武、谢锦和王冰川负责7.10节（深度学习）编写。其中，唐素勤参加2.6节（本体技术）修订，王勇参加5.4节（进化算法）修订。由于作者学识有限，修订成文时间较为仓促，加上近年来人工智能发展很快，对有些领域的最新发展我们尚不够熟悉，因此，书中不当之处在所难免。我们诚恳地希望各位专家和读者不吝指教和帮助。对此，我们将深为感激。

本书第5版的出版是献给刚刚问世的自兴人工智能(深圳)有限公司和湖南省自兴人工智能研究院的最好礼物，祝愿他们欣欣向荣，为我国人工智能研究和产业化做出创造性贡献。

本课程的网址是：http://netclass.csu.edu.cn/jpkc2003/rengongzhineng/Index.htm（精品课程）和http://www.icourses.cn/coursestatic/course_6696.html（精品资源共享课），相关资源均早已上网服务，可与本书配套使用。使用本教材的教师可向出版社申请本课程（教材）的电子课件，供讲授时参考。

蔡自兴

2016年3月17

于长沙鹅羊山德怡园