人工智能應用叢書

全國高等院校人工智能系列“十三五”規劃教材

人工智能導論實驗

余萍◎主編

顧艷華◎副主編

內容簡介

本書是人工智能導論課程的輔助實驗性教材配合主教材人工智能導論

“”,《》

徐潔磐編著中國鐵道出版社有限公司出版一起使用全書共章其中第

(,)。5:,1

章主要對實驗平臺進行介紹第章主要對平臺的工具進行介紹如

,2~4,Pthon、

等第章主要介紹與人工智能相關的個y實驗

Num、TensorFlow、PTorch,511,

如人p工y神經網絡決策樹y深度學習計算機視覺等

、、、。

本書堅持操作性解釋性趣味性的編寫原則旨在通過實驗操作實現對理論

、、,

知識的進一步認知與理解調動起讀者對人工智能應用的興趣提高學習積極性

,,,

調劑理論課程的枯燥性

。

本書適合作為高等院校人工智能計算機類專業及相關專業人工智能實驗

、“”

課程的教材及相關培訓用教材也可作為人工智能應用開發人員的基礎操作實

,、

踐參考書籍

。

圖書在版編目(CIP)數據

人工智能導論實驗余萍主編北京中國鐵道出版社

/—:

有限公司.

,

人工智2能02應0.用5叢書

()

全國高等院校人工智能系列十三五規劃教材

“”

ISBN9787113267513

人余人工智能高等學校教材

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①

Ⅳ.①TP18

中國版本圖書館數據核字第號

CIP(2020)064180

書名:人工智能導論實驗

作者:余萍

策劃:周海燕編輯部電話:

(010)51873090

責任編輯:周海燕盧笛劉麗麗

封面設計:穆麗

責任校對:張玉華

責任印制:樊啟鵬

出版發行:中國鐵道出版社有限公司北京市西城區右安門西街號

(100054,8)

網址::////

http51eds

印刷:北京柏力行彩印有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202051202051

開本:印張:字數:千

787mm×1092mm1/168.75154

書號:

ISBN9787113267513

定價:元

34.00

版權所有侵權必究

凡購買鐵道版圖書如有印制質量問題請與本社教材圖書營銷部聯系調換電話

,,。:(010)63550836

打擊盜版舉報電話

:(010)51873659

編委會

主任:

何新貴(北京大學教授、博導,中國工程院院士,中國人工智能學會會士)

副主任:

蔡慶生(中國科技大學計算機科學與技術系教授、博導,中國人工智能學會會士,曾任

中國人工智能學會副主任、中國人工智能學會機器學習專委會主任)

徐潔磐(南京大學計算機科學與技術系教授、博導,原中國人工智能學會理事、中國人

工智能學會離散智能專委會主任、中國計算機學會計算機理論專委會副主任)

賁可榮(海軍工程大學電子工程學院教授、博導,中國計算機學會理論計算機科學專委

副主任)

編委:按姓氏筆畫排序

()

馬慧民(上海大數據聯盟常務副秘書長,經濟學博士)

王江鋒(北京交通大學交通運輸學院教授、博導,交通工程系副主任)

王獻昌(吉林大學計算機學院教授、博導,成都凱斯人工智能研究院院長,千人計劃特

聘專家)

朱頻頻(小機器人創始人,中國人工智能學會理事,中國語音產業聯盟副理事長,上海

i

機器人協會副會長)

楊露菁(海軍工程大學教授)

邵志清(上海市信息化專家委員會副主任,華東理工大學教授,原上海市經濟和信息化

委員會副主任,華東理工大學信息科學與工程學院院長)

周蕓(上海擎云物聯網有限公司董事長)

婁巖(中國醫科大學計算機教研室主任、教授,高等學校智能醫學教產學研聯盟理事

長)

顧進廣(武漢科技大學計算機科學與技術學院教授、博導,武漢科技大學大數據科學與

工程研究院副院長)

徐龍章(上海信息化發展研究協會常務副會長,上海首席信息官聯盟秘書長)

黃智生(荷蘭阿姆斯特丹自由大學人工智能系終身教授,武漢科技大學大數據研究院

副院長)

謝能付(中國農業科學院農業信息研究所副研究員)

序言

自年問世以來全球掀起了人工智能的高潮人工智能學科也進入

2016AlphaGo,,

第三次發展時期由于它的技術先進性與應用性人工智能在我國也迅速發展黨和

。,,

政府高度重視年月日習近平總書記在中國共產黨第十九次全國代表大會

,20171024

報告中明確提出要發展人工智能產業與應用此后多次對發展人工智能做出重要指

。,

示人工智能已列入我國戰略性發展學科中并在眾多學科發展中起到頭雁的

。,“”

作用

。

人工智能作為科技領域最具代表性的應用技術在我國已取得了重大的進展在

,,

人臉識別自動駕駛汽車機器翻譯智能機器人智能客服等多個應用領域取得突破

、、、、

性進展這標志著新的人工智能時代已經來臨

,。

由于人工智能應用是人工智能生存與發展的根本習近平總書記指出人工智能

,:

必須以產業應用為目標其方法是要促進人工智能和實體經濟深度融合及跨界

“”,:“”“

融合等這說明應用在人工智能發展中的重要性

”。。

為了響應黨和政府的號召發展新興產業同時滿足讀者對人工智能及其應用的

,,

認識需要中國鐵道出版社有限公司組織并推出以介紹人工智能應用為主的人工智

,“

能應用叢書本叢書以應用為驅動應用帶動理論反映最新發展趨勢作為編寫方

”。“,,”

針務實創新在內容編排上努力將理論與實踐相結合盡可能反映人工智能領域的

,、,,

最新發展在內容表達上力求由淺入深通俗易懂在形式和體例上力求科學合理嚴

;、;、、

密完整具有較強的系統性和實用性

、,。

人工智能應用叢書自年開始問世至今已有兩年有余已出版和正在出版

“”2017,

的有本正在組織編寫即將出版的還有余本

12,10。

本叢書自出版發行以來廣受歡迎為進一步滿足讀者的要求叢書編委會在

,,2019

年組織了兩次大型活動即于年月在上海召開了叢書發布會與人工智能應用

,20191

技術研討會同年月在北京舉辦了人工智能應用技術宣講與培訓班

,8。

年是關鍵性的一年隨著人工智能研究產業與應用的迅速發展人工智能人

2019,、,

才培養已迫在眉睫一批新的人工智能專業已經上馬教育部已于年批準所

,,201835

高校開設工智能專業同時有個與人工智能應用相關的智能機器人專業以及

,78,128

個智能醫學智能交通等跨界融合型應用專業也相繼招生在年教育部又批準

、,2019

個人工智能專業同時還批準了多個人工智能應用相關專業如智能制造專業智

178,,、

Ⅰ

能芯片技術專業等人工智能及相關應用人才的培養在教育領域已掀起高潮

。。

面對這種形勢在設立專業的同時迫切需要繼續深入探討相關的課程設置教材

,,,

編寫也成當務之急因此中國鐵道出版社有限公司在原有應用叢書基礎上又策劃組

、,,

織了全國高等院校人工智能系列十三五規劃教材以組織編寫人工智能應用型專

“‘’”,

業教材為主

。

這兩套叢書均以人工智能應用為目標采用兩塊牌子一個班子方式建立統一

“”,,

的叢書編委會即兩套叢書一個編委會

“”,。

這兩套叢書適合人工智能產品開發和應用人員閱讀也可作為高等院校計算機專

,

業人工智能等相關專業的教材及教學參考材料還可供對人工智能領域感興趣的讀

、,

者閱讀

。

叢書在出版過程中得到了人工智能領域計算機領域以及其他多個領域很多專家

、

的支持和指導同時也得到了廣大讀者的支持在此一并致謝

,,。

人工智能是一個日新月異不斷發展的領域許多理論與應用問題尚在探索和研

、,

究之中觀點的不同體系的差異在所難免如有不當之處懇請專家及讀者批評指正

,、,,。

人工智能應用叢書編委會

“”

全國高等院校人工智能系列十三五規劃教材編委會

“‘’”

年月

201912

Ⅱ

前言

近些年人工智能學科發展火熱這將對整個社會的發展帶來根本性的改變當前

,。

人工智能已經開始滲透到各行各業改變著人們的工作和生活方式如車輛識別行人

,,、

檢測自動分揀故障預警手術機器人輔助診斷等

、、、、。

人工智能技術在快速發展的同時也遇到了最大的障礙即人才短缺根據市場

,,。

統計國內人工智能領域專業技術人才缺口數達到萬鑒于此國家和地方陸續

,500。,

頒發了各項政策來推動高校人工智能人才的培養年教育部已批準所本科

。2018,35

高校開設了人工智能專業教育部已批準個人工智能專業年高職院校也將

,385。2020

開設人工智能技術服務專業

。

這種形勢下迫切需要適應當前發展要求的人工智能基礎性教材包括理論與實

,,

驗兩方面以幫助讀者全面深入地理解人工智能相關理論知識與開發應用操作敲開

,、,

人工智能學習的大門年徐潔磐編著的人工智能導論教材已在中國鐵道出版

。2019,《》

社有限公司出版為此我們編寫了人工智能導論實驗來配合使用本書是從開發

。,《》。

應用操作角度出發而編寫的實驗性教材它與理論性教材相配合使人工智能導論的

,,

理論性與實驗性進行有機結合為人工智能的學習打下堅實的基礎

,。

人工智能的實驗性教材與計算機實驗性教材有所不同它需要有一個完整的實驗

,

平臺這主要是由于人工智能的實驗需要有特殊的基礎平臺專用的程序設計語言

。、、

專用的知識庫多種專用算法工具以及大量的數據包來支撐

、。

本書以南京飛靈智能科技有限公司開發的為實驗平臺共

FeelingAILab-Intro,

安排個實驗個例題組成實驗的全部環境

11,22,。

本書特點

本書是一本人工智能導論的實驗性教材可與市面上的大部分人工智能導

(1),《

論教材相匹配內容難度適中可以讓讀者全面掌握人工智能主要開發工具的應用性

》,,

操作

。

書中采用了適用于人工智能開發的程序設計語言以及人工智能領域

(2)Python,

最流行的開源工具如等算法如決策樹關聯學習等講解

(TensorFlow、PyTorch)、(、),

了專家系統工具搜索空間等相關知識還提供了實驗所需的大量數據包

Prolog、,。

Ⅲ

書中實驗可直接在人工智能教學實驗平臺私有云

(3)———FeelingAILab-Intro(、

公有云上成功運行這避免了復雜的環境配置降低了人工智能學習的門檻

),,。

本書出版后一個人工智能導論課程的完整體系也就構建完成了它包括

(4),“”,:

人工智能導論課程理論教材人工智能導論徐潔磐編著中國鐵道出版

“”———《》(,

社有限公司出版

)。

人工智能導論課程實驗教材人工智能導論實驗余萍主編中國鐵道出

“”———《》(,

版社有限公司出版

)。

人工智能導論課程實驗平臺南京飛靈智能科技有

“”———FeelingAILab-Intro(

限公司開發

)。

本書結構

全書內容按照自下而上的順序介紹基礎平臺基本程序設計語言基本開發工

、、AI

具數據包與實驗等若干部分組成的整體架構圖如下

、,:

根據整體架構圖本書分為平臺與實驗兩部分共章內容

,,5。

第章實驗平臺介紹如何利用人工智能教學實驗平臺

1,———FeelingAILab-Intro

快速創建開發環境從而省去復雜的環境搭建環節有效降低讀者學習人工智能的

AI,,

門檻

。

第章程序設計及機器學習軟件包包含和

2Python,Python、Numpy、PandasMatplotlib

等軟件包的基礎知識并通過實際代碼操作幫助讀者加強對軟件包的認識與理解

,。

第章常見的人工智能工具包含目前業界最流行的

3,TensorFlow、PyTorch、

等工具詳細介紹每個工具的基本概念與用法可幫助讀者快速利用這

Keras、Prolog,,

Ⅳ

些工具來解決實際問題

。

第章實驗數據介紹了每個實驗所對應的實驗數據及存放地址方便讀者獲取

4,,

源數據以進行實驗操作

。

第章實驗共包含知識獲取之搜索策略知識獲取之推理方法人工神經網絡

5,、、、

決策樹關聯學習聚類學習強化學習深度學習知識圖譜計算機視覺自然語言處

、、、、、、、

理個實驗這些實驗覆蓋了人工智能的多個方面且每個實驗均同步提供完整的

11。,

源代碼與課后習題讀者可親自動手完成書中所有的實驗

,。

實驗設計原則

操作性

1.

人工智能導論課程主要講解理論而人工智能實驗主要講解操作讀者可通過

“”,。

操作實現對理論的掌握要求

。

解釋性

2.

實驗是對理論的有效解釋與說明讀者可通過人工智能實驗的操作對理論知識有

,

進一步的認知和理解

。

趣味性

3.

實驗例題及課后習題均具有實際應用背景可引起讀者對應用的興趣提高學習

,,

積極性調劑理論課程的枯燥性

,。

本書適合作為高等院校人工智能計算機類專業及相關專業人工智能實驗課程

、“”

的教材及相關培訓用教材也可作為人工智能應用開發人員的基礎操作實踐參考

,、

書籍

。

本書由南京大學余萍南京飛靈智能科技有限公司組織編寫由南京大學余萍擔

、,

任主編南京飛靈智能科技有限公司顧艷華擔任副主編南京飛靈智能科技有限公司

,,

陸遷丁煒參與編寫南京大學徐潔磐教授審稿本書在編寫過程中還得到了亞馬遜

、。。

公司徐舒的支持在此特表感謝

,。

因作者水平和成書時間所限本書難免存在疏漏和不當之處敬請各位讀者指正

,,。

本書所用的實驗平臺由南京飛靈智能科技有限公司研發聯系人顧艷華聯系方

,:,

式

:guyanhua5@163.com。

編者

年月

20202

Ⅴ

目錄

第1章實驗平臺……………

1

云的基本概念………………

1.11

私有云平臺…………………

1.22

公有云平臺…………………

1.34

第2章程序設計及機器學習軟件包…………

Python6

簡介………………

2.1Python6

簡介………………

2.2NumPy15

簡介………………

2.3Pandas19

簡介…………

2.4MatplotLib23

簡介………

2.5Scikit-learn26

第3章常見的人工智能工具……………

31

簡介…………

3.1TensorFlow31

簡介……………

3.2PyTorch34

簡介………………

3.3Keras38

簡介………………

3.4Caffe241

簡介………………

3.5Prolog44

搜索策略工具簡介………

3.645

第4章實驗數據……………

47

第5章實驗……………

53

實驗知識獲取之搜索策略…………………

153

實驗知識獲取之推理方法…………………

258

實驗人工神經網絡…………

362

實驗決策樹…………………

469

Ⅰ

實驗關聯學習………………

574

實驗聚類學習………………

679

實驗強化學習………………

784

實驗深度學習………………

889

實驗知識圖譜………………

999

實驗計算機視覺…………

10104

實驗自然語言處理………

11107

附錄課后習題答案…………………

A112

附錄實驗平臺安裝指南……………

B122

參考文獻………………………

127

Ⅱ

第1章

實驗平臺

人工智能教學實驗平臺是由南京飛靈智能科技有限公司基于

Kubernetes+

容器技術開發的可提供多人同時在線的實驗環境平臺該平臺支持主流

DockerAI。

的人工智能開發工具如等可一鍵創建實

(TensorFlow、PyTorch、Keras、Prolog),AI

驗環境并提供多種開發模式來滿足不同的用戶需求同時該平臺還提供完善的

,,,AI

學習資料包含課程實驗手冊實驗數據等大幅降低讀者學習人工智能的門檻

(AI、、),。

針對人工智能導論實驗專門提供了人工智能教學實驗平臺

,FeelingAILab-Intro

版本該版本平臺可根據高校實際情況部署為私有云或公有云

。。

1.1云的基本概念

云技術指在廣域網或局域網內將硬件軟件網絡等系列資源統一起來實現數據

、、,

的計算存儲處理和共享的一種托管技術按照商業模式的不同常見的云計算有公

、、。,

有云私有云兩種模式

、。

公有云是面向大眾提供計算資源的服務由服務商或第三方提供資源如應用

,IDC,

和存儲這些資源是在服務商的場所內部署用戶通過來獲取這些資源的使用

,。Internet。

公有云服務提供商有和微軟以及國內的阿里云百度云和騰訊云等

Amazon、Google,、。

私有云是企業傳統數據中心的延伸和優化能夠針對各種功能提供存儲容量和處

,

理能力該類平臺屬于非共享資源為了一個客戶單獨使用而構建較公有云在數據

,,,、

安全和服務質量上都有更好地保障一般部署在機構內部

,。

公有云與私有云特點對比如圖所示

1.1。

圖1.1公有云、私有云特點對比圖

1

1.2私有云平臺

該方式指將人工智能教學實驗平臺部署在學校內部服務器

FeelingAILab-Intro

上供學校內網的用戶訪問使用私有云平臺登錄界面如圖所示

,。1.2。

圖1.2私有云平臺登錄界面

硬件資源

1.

硬件資源可分為兩種配置精簡版標準版采用精簡版配置即可成功部署人工

:、。

智能教學實驗平臺并順利運行人工智能導論實驗學校后續可根據實際需求將平臺

,。

擴展成標準版配置以支持更多的實驗運行精簡版與標準版詳細硬件如表和

,。1.1

表所示

1.2。

表1.1精簡版硬件資源

配置

節點

操作系統

CPU(core)MEM(GB)GPUDISK

服務器兼①Intel480GBSATA6Gbit/

(企業級系統盤安裝包

管理節點NvidiasSSD(、);

、Centos7.664128存放

計算節點2080Ti*2②SSD960GB(Docker);

)