多中樞自協(xié)調擬人腦研究及應用

前言

據(jù)我對科學技術史的考察和理解：世上本沒有科學，也沒有技術；科學技術是在人類從“生物學意義進化”階段向“文明進化”階段轉變的時期才開始發(fā)生和逐步發(fā)展起來的.“生物學意義進化”的特征是僅靠生物體自身各種器官功能的調整來增強它的能力，是一種“著眼體內(nèi)”的進化。人類的直立行走和手腳分工，就是這種進化的典型例子?！拔拿鬟M化”是“著眼體外”的進化，它的特征是利用外部世界的資源來增強自身的能力，這就是制造和使用工具。制造工具的原理就升華為科學，制造工具的經(jīng)驗和技巧就沉淀成為技術。所以，科學和技術之所以能夠發(fā)生并不斷得到發(fā)展，完全是為“增強人類能力”服務的.這就是為什么把它命名為科學技術的“輔人律”的緣故。循此繼進，可以進一步發(fā)現(xiàn)：科學技術發(fā)展的軌跡幾乎總是按照“增強人類能力”這個需求展開的。農(nóng)業(yè)時代的發(fā)展主線是增強人類體質功能的材料科學技術和相應的基礎科學，工業(yè)時代的發(fā)展主線是增強人類體力功能的能量科學技術和相應的基礎科學，信息時代的發(fā)展主線是增強人類智力功能的信息科學技術和相應的基礎科學。這便是在“輔人律”基礎上的科學技術“擬人律”。既然科學技術的作用是“輔人”的，它的發(fā)展是“擬人”的，那么，科學技術和利用科學技術所制造的工具就必然與它們的主人一一人類形成以人為主以機為輔的共生合作關系.這就是科學技術的“共生律”。按照科學技術發(fā)展的“輔人律”、“擬人律”和“共生律”的啟迪，處于21世紀信息時代的大背景下，現(xiàn)代科學技術研究的核心、前沿和制高點，就應當是“增強人的智力能力”。顯然，腦的研究是核心中的核心，前沿中的前沿，制高點中的制高點。這是“腦”一類學術著作在整體上的重要性和意義。腦，是迄今所處理的最為復雜的研究對象之一。因此，腦科學的研究可以有很多切人點，如認識腦、模擬腦、保護腦、開發(fā)腦、利用腦。認識是基礎，模擬是手段，保護、開發(fā)和利用是目的；但是，通過模擬也有助于進一步認識腦，從而更好地達到保護、開發(fā)和利用的目的。因此，它們相互促進，相輔相成，共同形成一個和諧的研究體系?！抖嘀袠凶詤f(xié)調擬人腦研究及應用》一書的主要理論基礎是韓力群教授的博士學位論文。她在攻讀博士學位期間，在導師涂序彥教授的指導下，對腦科學研究的文獻進行了大量的調查研究，發(fā)現(xiàn)關于腦的局部結構的分析和模擬研究比較多，整體性的研究還比較薄弱。

內(nèi)容概要

本書在國內(nèi)外關于腦模型與智能機已有工作成果的基礎上，在腦科學、神經(jīng)科學等新進展、新成果的啟發(fā)下，從生物控制論和大系統(tǒng)控制論的觀點出發(fā)，應用大系統(tǒng)結構分析方法，對人腦的全局腦結構、整體腦功能進行體系結構分析，突出信息處理的智能特性，淡化信息處理的生理特性，從而提出模擬人腦結構和功能的“多中樞自協(xié)調擬人腦”的總體方案。提出用感知中樞、思維中樞和行為中樞實現(xiàn)擬人的感知智能、思維智能和行為智能，并給出三種中樞的建模、調控與實現(xiàn)方案。采用大系統(tǒng)協(xié)調控制方法實現(xiàn)人工左右腦自協(xié)調以及多中樞的自協(xié)調，并給出擬人腦思維中樞和人工胼胝體的左右腦協(xié)調方案與實現(xiàn)技術。同時在此基礎上介紹了“多中樞自協(xié)調擬人腦”研究成果在烤煙煙葉分級、軟件人情感控制模型、農(nóng)業(yè)機械視覺導航等系統(tǒng)中的應用。    本書可供從事智能科學與技術、信息科學、控制科學與工程、計算機科學與技術、機器人學等研究領域的研究者和工程技術人員參考，也可作為高等院校相關專業(yè)研究生的參考用書。

作者簡介

韓力群，1953年生于北京市，工學博士，北京市優(yōu)秀教師，博士生導師，北京工商大學計算機與信息工程學院教授。1992－1993年公派赴英訪問學者,2002－2008年任北京工商大學信息工程學院院長。長期從事人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論及應用、模式識別與智能系統(tǒng)等領域的研究工作，主持輕工業(yè)、化學工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通工業(yè)及航天工業(yè)等領域的圖像處理、模式識別與智能決策等各類科研項目20余項。發(fā)表論文126篇，獨著與合著著作10部；獲國家發(fā)明專利4項。目前擔任中國人工智能學會副理事長，中國計算機用戶協(xié)會仿真應用分會副理事長，中國系統(tǒng)仿真學會生命系統(tǒng)建模與仿真專業(yè)委員會副主任，教育部自動化專業(yè)教學指導分委員會委員。涂序彥，教授，博士生導師，中國人工智能學會榮譽理事長、學術指導委員會主席，北京市人工智能學會名譽理事長，“擬人系統(tǒng)”國際學術會議主席。曾任中國人工智能學會理事長、中國自動化學會常務理事、中國軟件行業(yè)協(xié)會常務理事，全球華人智能控制與智能自動化大會主席、世界專家系統(tǒng)大會（遠東區(qū)）主席.兼任中國軍事科學院特邀研究員，清華大學智能技術與系統(tǒng)國家實驗室學術委員等.涂序彥教授創(chuàng)立多變量協(xié)調控制理論，最經(jīng)濟控制理論；倡導人體控制論、大系統(tǒng)控制論新學科，開拓人工智能、專家系統(tǒng)、智能控制、智能管理，以及人工生命新方法、新技術.出版學術論著多部，發(fā)表學術論文三百多篇。

書籍目錄

第1章  緒論  1.1  研究背景    1.1.1  本書作者關于擬腦的研究工作基礎    1.1.2  人工神經(jīng)網(wǎng)絡領域關于擬腦的研究    1.1.3  人工智能領域的“擬腦”研究    1.1.4  模式識別領域的擬腦研究    1.1.5  生物控制論的擬腦研究    1.1.6  大系統(tǒng)控制論的擬腦研究    1.1.7  人工情感領域的擬腦研究    1.1.8  人工生命領域的擬腦研究    1.1.9  軟件人的擬腦研究    1.1.1  0認知心理學領域的擬腦研究  1.2  擬腦的概念模型  1.3  擬腦的種類圖譜  1.4  擬腦的科學意義與應用價值    1.4.1  擬腦的科學意義    1.4.2  擬腦的應用價值  1.5  小結  參考文獻第2章  腦原型與“識腦”研究  2.1  腦科學發(fā)展現(xiàn)狀    2.1.1  腦科學發(fā)展概述    2.1.2  腦科學研究的科學問題    2.1.3  腦科學主要研究成果    2.1.4  腦科學對腦高級功能的研究  2.2  人腦的形態(tài)與功能    2.2.1  人體神經(jīng)系統(tǒng)概述    2.2.2  中樞神經(jīng)系統(tǒng)的形態(tài)與功能  2.3  基于腦功能成像方法的“識腦”研究    2.3.1  腦功能成像技術    2.3.2  腦功能成像研究  2.4  小結  參考文獻第3章  多中樞自協(xié)調擬腦研究的總體方案  3.1  擬腦智能系統(tǒng)構建方案  3.2  高級中樞神經(jīng)系統(tǒng)體系結構  3.3  多中樞自協(xié)調擬腦智能系統(tǒng)研究內(nèi)容    3.3.1  擬腦智能系統(tǒng)的智能中樞    3.3.2  擬腦智能系統(tǒng)的協(xié)調機制  3.4  多中樞自協(xié)調擬腦智能系統(tǒng)研究方案    3.4.1  智能信息處理中樞的建模方案    3.4.2  調控機制的建模方案  3.5  小結  參考文獻第4章  多中樞自協(xié)調擬人腦系統(tǒng)的感覺中樞  4.1  感覺系統(tǒng)機制與建模  4.2  視覺信息處理系統(tǒng)模型研究    4.2.1  計算機視覺研究現(xiàn)狀    4.2.2  視覺系統(tǒng)模型研究  4.3  視覺信息處理系統(tǒng)技術實現(xiàn)研究    4.3.1  基于神經(jīng)網(wǎng)絡集成的視網(wǎng)膜模型與算法    4.3.2  基于神經(jīng)網(wǎng)絡集成的中繼視覺信息處理模型與算法  4.4  小結  參考文獻第5章  多中樞自協(xié)調擬人腦系統(tǒng)的思維中樞  5.1  思維中樞的人腦原型研究    5.1.1  大腦皮層分區(qū)與功能定位    5.1.2  左右大腦的分工協(xié)作  5.2  思維中樞的建模方案    5.2.1  擬右腦系統(tǒng)建模方案    5.2.2  擬左腦系統(tǒng)建模方案    5.2.3  人工胼胝體的建模方案  5.3  擬右腦模型及算法    5.3.1  皮層信息處理的主要特點    5.3.2  模式識別網(wǎng)絡模型及算法    5.3.3  聯(lián)想記憶網(wǎng)絡模型與算法  5.4  擬左腦模型及技術實現(xiàn)    5.4.1  知識表示模型    5.4.2  模糊推理機  5.5  小結  參考文獻第6章  多中樞自協(xié)調擬人腦系統(tǒng)的行為中樞  6.1  運動神經(jīng)系統(tǒng)的調控功能  6.2  行為中樞的模型研究  6.3  行為中樞的實現(xiàn)技術    6.3.1  基于神經(jīng)網(wǎng)絡的小腦模型    6.3.2  基于嵌入式系統(tǒng)的腦干模型  6.4  小結  參考文獻第7章  多中樞自協(xié)調擬人腦系統(tǒng)的自協(xié)調機制研究  7.1  人腦神經(jīng)系統(tǒng)協(xié)調機制的特點  7.2  大系統(tǒng)控制論的協(xié)調策略    7.2.1  多變量協(xié)調控制    7.2.2  大系統(tǒng)協(xié)調控制  7.3  擬人腦智能系統(tǒng)的多中樞自協(xié)調    7.3.1  多中樞遞階協(xié)調    7.3.2  多中樞分散協(xié)調  7.4  擬人腦智能系統(tǒng)的左右腦自協(xié)調    7.4.1  人工胼胝體的綜合信息庫及其智能管理系統(tǒng)    7.4.2  人工胼胝體的左右腦信息推拉交換技術    7.4.3  人工胼胝體的多模式數(shù)據(jù)接口技術    7.4.4  人工胼胝體的左右腦協(xié)調實現(xiàn)技術  7.5  小結  參考文獻第8章  多中樞自協(xié)調擬人腦系統(tǒng)的應用研究  8.1  MCSCAB在烤煙煙葉智能分級系統(tǒng)設計中的應用    8.1.1  烤煙煙葉計算機分級研究概況    8.1.2  基于MCSCAB的煙葉分級系統(tǒng)總體方案設計    8.1.3  基于感覺中樞的烤煙煙葉外觀質量檢測系統(tǒng)設計    8.1.4  基于思維中樞的烤煙煙葉分組分級系統(tǒng)設計    8.1.5  基于行為中樞的烤煙煙葉圖像自動采集系統(tǒng)設計    8.1.6  與同類系統(tǒng)的對比分析  8.2  MCSCAB在軟件人建模中的應用    8.2.1  軟件人的情感控制    8.2.2  基于MCSCAB的軟件人情感控制模型  8.3  MCSCAB在農(nóng)業(yè)機械視覺導航系統(tǒng)研究中的應用    8.3.1  基于MCSCAZB的農(nóng)業(yè)機械視覺自主導航系統(tǒng)研究內(nèi)容    8.3.2  基于MCSCAZB的農(nóng)業(yè)機械視覺自主導航系統(tǒng)研究方案  8.4  小結  參考文獻第9章  研究展望：擬腦學  9.1  擬腦學的科學目標  9.2  擬腦學的研究對象  9.3  擬腦學的研究內(nèi)容  9.4  擬腦學的學科分支  9.5  擬腦學的研究方法  9.6  擬腦學的實現(xiàn)技術  9.7  擬腦學的科學意義  9.8  擬腦學的應用前景  9.9  小結  參考文獻后記

章節(jié)摘錄

插圖：第3章 多中樞自協(xié)調擬腦研究的總體方案由于長期的生物進化、自然選擇和優(yōu)勝劣汰的結果，在地球上已知的生物群體中，“人為萬物之靈”，而“靈”的核心是人具有思維與智能。盡管腦科學的研究成果尚未揭示思維與智能的全部奧秘，但腦的解剖學和神經(jīng)心理學領域的研究成果已為擬腦系統(tǒng)的研究提供了豐富的啟示和靈感。面對人腦這種高度復雜精妙的生物原型，任何一種單一的神經(jīng)網(wǎng)絡模型或單一的傳統(tǒng)人工智能技術都難以提供有效的擬腦方案，需要多學科理論、方法和技術的綜合集成。本章在博士學位論文等前期研究工作基礎上，應用大系統(tǒng)控制論的結構分析方法，從生物控制論的角度對人體神經(jīng)系統(tǒng)進行體系結構分析，提出一種多中樞自協(xié)調的擬腦智能系統(tǒng)構建方案。3.1 擬腦智能系統(tǒng)構建方案目前面向工程應用的擬人腦研究中存在著三個主要問題：1）腦科學研究已經(jīng)提供了關于腦的總體工作原理的四項重要研究成果，但腦科學的研究成果遠未在系統(tǒng)層次上揭示腦的奧秘。一方面，長期以來擬人腦研究是在對其生物原型的了解不十分透徹的基礎上開展的；另一方面，現(xiàn)有的人工腦模型對已有的腦科學和神經(jīng)科學研究成果借鑒不足。2）國內(nèi)外關于擬人腦的研究已經(jīng)取得了顯著的進展，人們對于擬人腦模型的構建正在從硬件和軟件兩方面來推進。進化硬件是一個新的思路，即電子設備中元件之間的物理連接可以按照某種遺傳算法進行自我更新。然而，硬件的進化是一個極具挑戰(zhàn)性的課題，進化的硬件在目前尚處于開發(fā)的初期階段.3）軟件方面的關鍵是智能技術，傳統(tǒng)人工智能技術的推理功能較強，擅長模擬左腦的邏輯思維功能，但欠缺學習及聯(lián)想能力，難以模仿右腦的模糊處理功能和整個大腦的并行化處理功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是基于對人腦組織結構、活動機制的初步認識而構件的一種新型信息處理體系，通過模仿腦神經(jīng)系統(tǒng)的組織結構以及某些活動機理，人工神經(jīng)網(wǎng)絡可呈現(xiàn)出入腦右腦的一些基本特性。然而，無論是推理機、認知機、感知機還是細胞自動機等，都是某種初級的局部擬人腦模型，一般只能模擬某種簡單的思維功能，其“智能”水平十分有限。面對人腦這種高度復雜精妙的研究對象，任何一種單一的神經(jīng)網(wǎng)絡模型或單一的傳統(tǒng)人工智能技術都難以提供有效的方案，需要多種智能技術的綜合集成。

后記

本書是在我的博士學位論文“多中樞自協(xié)調擬人腦智能系統(tǒng)研究及應用”的基礎上，根據(jù)涂序彥先生的學術思想和觀點，總結自己相關科研工作成果撰寫而成。2002年春天，我有幸?guī)煆耐啃驈┙淌?，成為北京理工大學“模式識別與智能系統(tǒng)”專業(yè)的博士生，開始從事“擬腦”研究工作.在研讀腦科學的國內(nèi)外著作和博士學位論文研究的寫作過程中，我深深感到：認識人腦和建立擬人腦的智能系統(tǒng)，既是意義重大、非常誘人的科研課題，又是難度很大、浩如滄海的系統(tǒng)工程，為此，必須有正確的理論指導、合理的技術路線。涂先生在《生物控制論》、《大系統(tǒng)控制論》、《智能管理》等著作中闡明的學術思想和理論方法，為我的學位論文研究工作指明了方向。我們應用“大系統(tǒng)控制論”的結構分析方法，從“生物控制論”的觀點出發(fā)，對人腦和神經(jīng)系統(tǒng)進行體系結構分析，從而提出了“多中樞自協(xié)調的擬人腦智能系統(tǒng)”的研究與構建方案?！叭四X奧秘、情智本源”的探索和研究是“識腦”和“擬腦”的共同目標，這是艱巨崎嶇、充滿挑戰(zhàn)、從相對真理向絕對真理不斷逼近的漫長征程.我們欣喜地看到，在“擬腦”研究開發(fā)中，各學科之間正在加強合作，如腦科學、計算機科學相互交流；人工智能領域各學派取長補短，各種方法技術相互結合.我們相信，人類各研究領域取得的研究成果將綜合集成，向“識腦”和“擬腦”的共同目標不斷前進！

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