数据智能科学技术导论 追寻数据的足迹 探索智能的奥秘

"（1）三个世界理论框架：跨越时间与空间维度描述、分析和探索数据智能科学与技术的发展和演变，将信息科学与数学、物理、生命以及哲学交叉融合，形成新的视角，产生新的洞见。 （2）数据的基本法则：总结并提出数据的三个基本法则，揭示作为反映世界事物符号的数据产生、运动和驱动的基本特征和规律，建立数据与人类的相互联系和作用规律。 （3）信息的纽带作用：指出信息作为联系“未知”与“有知”数据的纽带，主要作用是消除数据的形式、含义和效用的不确定性，深入浅出地介绍现代信息论的基本编码原理及其在数据压缩、纠错和加密方面的应用。 （4）知识的神奇作用效用：讨论知识的基本概念与特征，获取知识的途径与方式，运营知识的动机与作用，指出数据智能时代人类获取、掌握和运用知识的挑战。 （5）智能的奥秘与威力：分析自然和人工智能的概念与定义，比较自然智能的理论模型，综述人工智能科学的近期新发展，探索混合智能发展的趋势和问题。 "

本书沿着时间的轨迹，讲述了物理世界中宇宙和地球的诞生与演变，探讨了生物世界中生命和人类的诞生与进化，讨论了数字世界中科学技术的产生与进步。数据与物质和能量并驾齐驱，构成了人类宇宙的三个基本要素，并以此为基础建立了物理、生物和数字三个各有千秋却密切相连的世界。“三个世界”的概念和框架构成了本书讨论数据智能的基础，为认识、理解数据和智能的起源与发展提供了一个宏观的问题视角和理论平台。介绍和讨论数据、信息和知识的概念定义、运作法则与实际应用，全面系统地描述和讨论了从原始数据到主观信息，最终到抽象知识的提炼与升华过程。对执行和实现此过程的自然和人工智能系统的模型、算法和功能等的基本原理和近期新进展进行系统的介绍和研讨。本书可作为高校电子信息类、计算机类、自动化类等相关专业大一新生的入门级通识课程教材，也可供从事信息科学、技术和应用的工程技术人员参考。

黄卫平，博士，特聘教授、国家特聘专家，山东大学信息科学与工程学院院长。1982年毕业于山东大学，1984年和1989年获中国科技大学硕士和美国麻省理工学院博士学位。1989—2013年在加拿大滑铁卢大学和麦克马斯特大学任教，从事光电子及光通信方面的研究与创新。1995年创办Apollo Photonics公司，成功开发推广全球领先的光电子芯片设计软件，1999年被美国Nanovation公司收购。2003年创办海信宽带多媒体技术公司，发展成为通信光模块领军企业，2020年全球销售额排名第三。2013年回国出任海信集团首席科学家和山东大学信息科学与工程学院院长，积极推动企业技术创新和高校教育改革，取得了一些标志性成果。在集成光电子学理论和设计算法方面做出了一系列开创性学术成果，在国际学术刊物和专业会议上发表300多篇论文，2020 年斯坦福大学发布全球前2%科学家，获得多项国家高层次人才称号和荣誉。

第1篇三个世界
1.1物理世界
1.1.1物质的概念
1.1.2能量的概念
1.1.3波粒二象性
1.1.4物质与能量的关系
1.1.5的起源
1.1.6地球的形成
1.1.7的熵增
1.2生物世界
1.2.1生命的概念
1.2.2生物圈
1.2.3细胞
1.2.4蛋白质
1.2.5DNA
1.2.6生命的起源
1.2.7人类的进化
1.2.8生命体的复杂性和有序性
1.3数字世界
1.3.1数据的起源
1.3.2DNA和基因中的数据
1.3.3大脑中的数据
1.3.4感官数据
1.3.5语言数据
1.4三个世界
本篇小结
讨论问题
研究课题
第2篇数据法则
2.1数据的概念
2.2数据科学一法则
2.3数据科学二法则
2.4数据科学三法则
本篇小结
讨论课题
研究课题
第3篇信息纽带
3.1信息的定义
3.2概率基础知识
3.3信息的法则
3.4信息的形式
3.4.1压缩编码
3.4.2纠错编码
3.4.3加密编码
3.5信息的含义
3.6信息的效用
本篇小结
讨论课题
研究课题
第4篇知识升华
4.1知识的定义
4.2知识的分类
4.2.1描述性与程序性知识
4.2.2显性与隐性知识
4.2.3公共与私密知识
4.3知识的来源
4.4知识的渠道
4.5知识的形式
4.6知识的边界
4.7知识的作用
4.8知识的挑战
本篇小结
讨论课题
第5篇自然智能
5.1智能的定义
5.2智商的概念
5.3智能的模型
5.3.1基于心理测试的智能模型
5.3.2基于认知过程的智能模型
5.3.3基于生物科学的智能模型
5.3.4基于情境关联的智能模型
5.5情绪智能
5.5.1情绪概念
5.5.2情绪模型
5.5.3情绪智能
本篇小结
讨论课题
研究课题
第6篇人工智能
6.1人工智能历史
6.2人工智能概念
6.3人工智能算法
6.3.1生物进化算法
6.3.2神经网络算法
6.4图像识别与物体感知
6.4.1图像识别算法
6.4.2物体检测算法
6.4.3实例分割算法
6.4.4评价方法与指标
6.4.5人脸识别和检测
6.4.6医学影像识别与疾病检测
6.4.7车辆自动驾驶
6.5自然语言处理
6.5.1自动语音识别
6.5.2词嵌入和语义理解
6.5.3机器翻译
6.5.4机器问答
6.6棋类博弈游戏
6.6.1国际象棋
6.6.2围棋
6.7情感计算
6.8人工智能的挑战
6.9人类与机器的未来
本篇小结
讨论课题

     第3篇信息纽带 在第1篇和第2篇中我们引入并讨论了数据的概念，并将它与物质和能量并列为构成人类世界的三个基本要素。同时，我们给出了关于数据的严格定义、普遍形式和度量方法，并且提出和讨论了数据所遵循的三个基本法则，分别对应和描述数据所具有的客观性、物理性和生物性。所谓“客观性”，是指可观测的世界是可以被数据化的，而数据化过程是由生物特别是人类所特有的自然数据功能以及所创造的人工数据系统来实现的。在生物世界出现之后，生物特别是人类作为自然的数据机器便开启了对世界进行数据化的过程。所谓“物理性”，是指数据的存在和运动离不开物理世界的物质与能量，并受到所遵循的物理规律的制约。同时，人类遵循这些物理规律，通过科技发明创造不断降低每个比特数据所需要的物质和能量，在全球范围内建立了强大的数据系统和技术生态。所谓“生物性”，是指数据是人类相互交流的媒介和认识世界的工具。通过对世界的高度数据化，人类开始建立一个数据无处不在、无时不在的数字虚拟世界。这个世界既是客观物理和生物世界的反映，更是人类主观精神世界的扩展和升华。数字世界给人类带来了更大的生存空间和更多的生命自由，也给物理和生物世界带来了新的问题与挑战。正如农业革命和工业革命引发了人类对地球和宇宙物质和能量资源的开发和利用，当前正在爆发的信息革命开启了对数据的开发与利用的新纪元，推动和代表人类发展的一个崭新的阶段。 3.1信息的定义 数据是人类和其他智能物体与客观世界相互作用过程中产生的一种原始符号，它是事物特性与变化的反映、记录和展现。数据 自诞生之日便开始脱离所反映的客体独立在世界上存在和运动，并经历一系列的变换和改变，导致它与其反映物之间的关系变得错综复杂、扑朔迷离，从而产生了多样性、动态性和不确定性。数据作为一种人类和智能物体相互交流合作的媒介以及认识改造世界的工具，在被生物和人工数据处理系统存储、传输和处理之后，不仅形式结构会发生变化，特定含义和预期效用也会产生变异。即使数据的形式结构没有发生变化，信息接收者对其特定含义和预期效用也可能产生歧义。所谓数据的“形式结构”，是指符号的表现方式与规则，如中文和英文具有不同的语言的单词、语句的结构规则等，在语言学中统称为语法(grammar)。所谓“特定含义”，是指数据符号与所代表事物的关系，如“老鼠”和“MOUSE”均代表一种哺乳纲啮齿目的动物，但这种关系不一定是专享确定的，如英文的MOUSE还可以指计算机等设备上使用的鼠标。同一单词在不同的上下文和情境下也可能有不同的含义。在语言学中符号的含义叫语意(semantics)。关于“效用”的概念比较模糊和抽象，一般是指数据的形式和含义之外的东西，或者是数据所产生的效果、影响或价值等，在语言学中称为语用(pragmatics)。总之，数据对于其接收和使用者(自然或人工数据系统)来说，最基本的特性就是它的“不确定性”或“随机性”。而另一方面，作为媒介和工具的数据必须具有更高级的功能（如结构、含义和效用等）才能够长期存在和不断发展。正是这些具有结构、含义和效用的数据才构成了我们所说的信息。从这个意义上，数据中的信息才是真正连接世界与人类以及人类之间的纽带。 信息(information)也许是目前社会上最流行的“热词”，但关于信息定义却众说纷纭。维基百科关于信息的条目是： “信息，又称情报，是一个严谨的科学术语，其定义不统一，是由它的特别复杂性决定的”。百度百科的解释是： “信息，指音讯、消息、通信系统传输和处理的对象，泛指人类社会传播的一切内容。人通过获得、识别自然界和社会的不同信息来区别不同事物，得以认识和改造世界。在一切通信和控制系统中，信息是一种普遍联系的形式”。显然，这些似是而非、含糊其辞的说法对我们信息领域的专业人士来讲，没有多少实际的指导意义。在阅读和研究了目前学术界关于信息的各种不同定义之后，我们采用以下对信息的定义： 信息是具有一定结构形式、特定含义和预期效用的数据。 根据这个定义，信息一定是数据，但数据却不一定是信息，两者不能混为一谈。数据升华 到信息需要具有一定的结构形式、特定含义和预期效用，如图31所示。客观世界的事物通过与数据系统的相互作用产生了相对应的符号即数据。当这些数据与自然或人工系统发生作用时，需要确定它所具有的结构形式、特定含义和预期效用。因为信息的结构形式、特定含义和预期效用均是相对于信息观察者的主观世界来判断与衡量的，所以存在一定的不确定性。换句话讲，这些代表信息的数据是随机的。只有那些对观察者而言在形式、含义和效用方面确定的数据才成为信息。从这个意义上讲，数据中信息才是联系客观世界和主观世界之间的纽带。 图31信息的定义 为了更好地说明数据与信息的区别与联系，观察和讨论以下几个例子。 图32给出一组“无规则随机”二进制数字序列。因