周志華

經(jīng)常有人問：“比人類更聰明的人工智能什么時(shí)候能夠出現(xiàn)？”這樣的問題非常難回答，因?yàn)檎劦饺斯ぶ悄?，有兩種完全不同的觀點(diǎn)，其差別非常之大。

一種是“強(qiáng)人工智能”觀點(diǎn)，認(rèn)為未來(lái)會(huì)研制出和人一樣聰明，甚至比人更聰明的機(jī)器;另一種是“弱人工智能”觀點(diǎn)，認(rèn)為人更聰明，機(jī)器工作應(yīng)向人類借鑒而變得“聰明”。目前在人工智能科學(xué)界，探索主要集中在“弱人工智能”。

人工智能做的事情就是借鑒我們所看到的智能行為，做出工具幫助我們做更強(qiáng)大的事情。應(yīng)該說(shuō)，人工智能研究的主要目的并不是“人造智能”，而是“intelligence-inspired computing”，智能啟發(fā)的計(jì)算。

人工智能發(fā)展的三個(gè)階段

人工智能作為一門學(xué)科誕生于1956年。彼時(shí)計(jì)算機(jī)的能力還很弱，但已經(jīng)有很多學(xué)者在思考“隨著計(jì)算能力的發(fā)展，計(jì)算機(jī)是不是可以做一些更復(fù)雜的事情？”同年夏天，在達(dá)特茅斯學(xué)院開了一個(gè)會(huì)議，后來(lái)被稱為人工智能之父的約翰·麥卡錫在這個(gè)會(huì)議上提出了“人工智能”這一概念。

經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展，從主流研究?jī)?nèi)容來(lái)看，人工智能的發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)階段：

第一個(gè)階段是20世紀(jì)50年代中期到60年代初，這個(gè)階段主要是將邏輯推理能力賦予計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖靈獎(jiǎng)得主西蒙和紐厄爾研制出來(lái)的“邏輯理論家”程序就是其中典型代表，可以說(shuō)，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)所具有的推理能力已經(jīng)達(dá)到了人類的巔峰水平。

慢慢地，人們意識(shí)到，計(jì)算機(jī)僅有邏輯推理能力是不夠的，即便是數(shù)學(xué)家，為了證明數(shù)學(xué)定理除了要有邏輯推理能力，還要有數(shù)學(xué)知識(shí)。所以人工智能的研究很自然地進(jìn)入了第二個(gè)階段，即“知識(shí)工程”時(shí)期。在這個(gè)階段，人們將知識(shí)總結(jié)出來(lái)，教給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由此產(chǎn)生出很多“專家系統(tǒng)”，實(shí)實(shí)在在地解決了很多應(yīng)用問題。

隨著時(shí)間的推移，人們發(fā)現(xiàn)要把知識(shí)總結(jié)出來(lái)再教給系統(tǒng)非常困難。一方面，有時(shí)候我們雖然能夠解決一些問題，但是這個(gè)知識(shí)是什么可能說(shuō)不清楚。另一方面，有些時(shí)候人們并不愿意去分享知識(shí)。為了解決這一問題，人工智能研究先驅(qū)們希望讓機(jī)器可以自動(dòng)地學(xué)習(xí)知識(shí)。從20世紀(jì)90年代開始，人工智能的主流研究進(jìn)入第三個(gè)階段（機(jī)器學(xué)習(xí)）且一直持續(xù)至今。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)的經(jīng)典定義是“利用經(jīng)驗(yàn)改善系統(tǒng)自身的能力”。不論怎樣的經(jīng)驗(yàn)，一旦放在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，必然以數(shù)據(jù)形式存在。機(jī)器學(xué)習(xí)要研究怎么去利用經(jīng)驗(yàn)，就必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)這一階段發(fā)展到今天，主要研究的是如何利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的理論和方法。

20世紀(jì)末，人類發(fā)現(xiàn)自己淹沒在一個(gè)數(shù)據(jù)的海洋里，我們需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而機(jī)器學(xué)習(xí)恰恰在這個(gè)時(shí)候走上歷史的舞臺(tái)，給人類提供了一個(gè)機(jī)會(huì)。因此，我們對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)快速發(fā)展的需求高漲。

今天被定義為“大數(shù)據(jù)時(shí)代”，但僅有大數(shù)據(jù)并不意味著獲得了價(jià)值。大數(shù)據(jù)是一座礦山，我們擁有了礦山，但如果想要得到礦山的價(jià)值，必須有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，而這個(gè)數(shù)據(jù)分析技術(shù)就是要機(jī)器學(xué)習(xí)。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，想要讓數(shù)據(jù)發(fā)揮作用，離不開機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。

機(jī)器學(xué)習(xí)在今天可以說(shuō)是無(wú)處不在，無(wú)論是互聯(lián)網(wǎng)搜索還是人臉識(shí)別、汽車自動(dòng)駕駛、火星機(jī)器人，甚至包括美國(guó)總統(tǒng)大選、軍隊(duì)的戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)情況分析，任何地方只要有數(shù)據(jù)存在，只要人們希望用計(jì)算機(jī)來(lái)幫助進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，就可能使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。我們說(shuō)人工智能現(xiàn)在很“熱”，恰恰是因?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)，特別是深度學(xué)習(xí)技術(shù)在過(guò)去的十年里取得了巨大的發(fā)展，在大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)揮了巨大的作用。如今，很多企業(yè)的解決方案是基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)局限與下一步發(fā)展

在談到機(jī)器學(xué)習(xí)的時(shí)候，有些人想到的是算法，有些人想到的是數(shù)據(jù)?？梢哉f(shuō)，今天的機(jī)器學(xué)習(xí)是以“算法加數(shù)據(jù)”的形態(tài)存在的。在這種形態(tài)下，技術(shù)存在一定的局限性。

數(shù)據(jù)需求大

首先，我們需要大量的訓(xùn)練樣本。在一些應(yīng)用里，我們的樣本總量很少，比如在做油田定位時(shí)，數(shù)據(jù)必須通過(guò)人工誘發(fā)地震才能獲得，數(shù)據(jù)的獲得成本是非常高，不可能有大量的數(shù)據(jù);其次，數(shù)據(jù)可能很多，但滿足精準(zhǔn)需求的很少。比如銀行在做欺詐檢測(cè)時(shí)，每天一個(gè)銀行的信用卡交易數(shù)據(jù)可能有幾百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)條，但其中信用卡欺詐的數(shù)據(jù)可能很少;另外，數(shù)據(jù)的總量很多，但是已經(jīng)被標(biāo)注了結(jié)果的很少。比如做軟件的缺陷檢測(cè)，我們擁有大量的程序代碼，但程序代碼中缺陷被標(biāo)記出來(lái)的非常少。

環(huán)境適應(yīng)弱

一個(gè)已經(jīng)訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，如果環(huán)境發(fā)生變化，就很有可能失效。比如在一個(gè)傳感器世界里，放出一百個(gè)傳感器。一個(gè)月之后有60個(gè)傳感器失效了，這時(shí)候重新部署60個(gè)傳感器，原有模型的性能會(huì)大幅度衰減。因?yàn)樾碌膫鞲衅魉l(fā)出的信號(hào)質(zhì)量和強(qiáng)度和原來(lái)的也會(huì)有很大的變化，原有模型已經(jīng)很難適應(yīng)。

可解釋性差

今天的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)絕大多數(shù)都是黑箱，我們可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)非常精確的預(yù)測(cè)，但是很難解釋是如何做出這樣的預(yù)測(cè)的。這就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)在一些高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用里很難使用。比如做地震預(yù)報(bào)，我們預(yù)報(bào)明天有地震，請(qǐng)群眾撤離。領(lǐng)導(dǎo)肯定會(huì)問是如何做出這樣的決策，這時(shí)候如果機(jī)器學(xué)習(xí)模型是黑箱，我們將無(wú)法說(shuō)明做出預(yù)報(bào)的理由，這樣的預(yù)報(bào)很難被采納。

性能差異大

我們?cè)谑褂脵C(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)時(shí)，即使對(duì)同樣的數(shù)據(jù)，普通用戶所能得到的結(jié)果和專家所能得到的結(jié)果差別可能非常大。怎樣處理數(shù)據(jù)、如何使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，每個(gè)人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)差別會(huì)導(dǎo)致獲得結(jié)果的巨大差異。

數(shù)據(jù)分享難

以現(xiàn)有的醫(yī)院情況舉例。如今各地都在發(fā)力智慧醫(yī)療，大型醫(yī)院里很多病例數(shù)據(jù)，基于這些病例數(shù)據(jù)能夠做出非常優(yōu)秀的診斷系統(tǒng)。相比之下，社區(qū)醫(yī)院的病例數(shù)據(jù)較少，基于已有數(shù)據(jù)很難做出好的模型，需要大型醫(yī)院的數(shù)據(jù)支撐。但是大型醫(yī)院一旦與社區(qū)醫(yī)院分享病例數(shù)據(jù)，會(huì)涉及到數(shù)據(jù)隱私、數(shù)據(jù)所有權(quán)、數(shù)據(jù)保護(hù)等問題，對(duì)接起來(lái)非常不舒暢，存在一個(gè)數(shù)據(jù)分享的“墻”。

學(xué) 件

關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)，還有很多其他問題。幾乎每個(gè)研究方向都有人在做相關(guān)的探索。但如果將所有問題逐一獨(dú)立解決，很難擺脫“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的狀態(tài)。應(yīng)該考慮在一個(gè)整體性的框架之下全面地去思考并解決這些問題。最近研究者提出了一個(gè)想法，叫做“學(xué)件”（Learnware）。目的是讓那些在某一領(lǐng)域的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用中已經(jīng)建立好的模型被分享出來(lái)，建立一個(gè)“市場(chǎng)”讓人們能夠分享這些模型。這樣，當(dāng)一個(gè)新用戶想要做機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用時(shí)，就不用從頭去建模型，而是可以先到學(xué)件市場(chǎng)上在已有模型中尋找合適的模型作為基礎(chǔ)。

為了達(dá)到這一目的，學(xué)件應(yīng)由兩部分組成。一部分是模型（Model），另一部分是用于描述這個(gè)模型的規(guī)約（Specification）。模型需要滿足三個(gè)重要要求：可重用性、可演進(jìn)性、可了解性;規(guī)約要能夠給模型提供足夠的描述。如果學(xué)件市場(chǎng)可以成為現(xiàn)實(shí)，我們將解決機(jī)器學(xué)習(xí)的局限性問題。