1.6 人工智能編程語言

人工智能（AI）語言是一類適應(yīng)于人工智能和知識工程領(lǐng)域的、具有符號處理和邏輯推理能力的計算機(jī)程序設(shè)計語言。能夠用它來編寫程序求解非數(shù)值計算、知識處理、推理、規(guī)劃、決策等具有智能的各種復(fù)雜問題。

1.幾種人工智能編程語言

人工智能是一個很廣闊的領(lǐng)域，很多編程語言都可以用于人工智能開發(fā)，所以很難說人工智能必須用哪一種語言來開發(fā)。選擇多也意味著會有優(yōu)劣之分，并不是每種編程語言都能夠?yàn)殚_發(fā)人員節(jié)省時間及精力。在人工智能的研究發(fā)展過程中，從一開始就注意到了人工智能語言問題。實(shí)際上60年來有一百來種人工智能語言先后出現(xiàn)過，但很多都被淘汰了。現(xiàn)在典型的人工智能語言主要有LISP、Prolog、Smalltalk、Java、Python，還有多智能體編程語言Netlogo、Swarm、Repast、MASON、Any Logic等。

（1）LISP

1958年，John McCarthy設(shè)計了LISP語言。語言格式只有一個形式：列表，所以也稱為表處理語言，這不是一般的表，是可以包容任意結(jié)構(gòu)的表，有了它，完全不用C語言來寫鏈表，二叉樹的程序，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不妨使用LISP，讓你更加關(guān)心算法、而不是數(shù)據(jù)如何在計算機(jī)內(nèi)部表達(dá)。列表是LISP的精華之一。LISP語言是為處理人工智能中大量出現(xiàn)符號編程問題而設(shè)計的，它的理論基礎(chǔ)是符號集上的遞歸函數(shù)論。已經(jīng)證明，用LISP可以編出符號集上的任何可計算函數(shù)。

（2）Prolog

Prolog語言是人工智能領(lǐng)域常用的語言，開發(fā)自然語言分析，專家系統(tǒng)，以及所有和智能有關(guān)的程序。Prolog語言是為處理人工智能中也是大量出現(xiàn)的邏輯推理問題（首先是為解決自然語言理解問題）而設(shè)計的。它的理論基礎(chǔ)是一階謂詞演算（首先是它子集Horn子句演算）的消解法定理證明，其計算能力等價于LISP。

（3）Python

Python是一種解釋型、交互式、面向?qū)ο蟮恼Z言，由于簡單易用，是人工智能領(lǐng)域中使用最廣泛的編程語言之一，它可以無縫地與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其他常用的人工智能算法一起使用。

Python采用動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也就是說變量沒有數(shù)據(jù)類型，這一點(diǎn)和LISP十分相似，在python中所有事物都是對象（object），字符串、函數(shù)以至于類和模塊。Python之所以適合人工智能項(xiàng)目，也是基于Python的很多有用的模塊庫都可以在人工智能中使用，如Numpy提供科學(xué)的計算能力，Scypy的高級計算和Pybrain的機(jī)器學(xué)習(xí)。另外，Python有大量的在線資源，所以學(xué)習(xí)曲線也不會特別陡峭。

（4）Java

Java也是人工智能項(xiàng)目的一個很好的選擇。它是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，專注于提供人工智能項(xiàng)目上所需的所有高級功能，它是可移植的，并且提供了內(nèi)置的垃圾回收。另外，完善豐富的Java社區(qū)生態(tài)可以幫助開發(fā)人員隨時隨地查詢和解決遇到的問題。

對于人工智能項(xiàng)目來說，算法幾乎是靈魂，無論是搜索算法、自然語言處理算法還是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，Java都可以提供一種簡單的編碼算法。另外，Java的擴(kuò)展性也是人工智能項(xiàng)目必備的功能之一。

（5）基于多智能體編程

近年來出現(xiàn)了具有人工智能特色基于多智能體的程序設(shè)計，基于多智能體（Multi-Agent System）程序設(shè)計。本書主要采用了這種方法。

基于智能體的模型通常用編程語言實(shí)現(xiàn)，并使用計算機(jī)模擬進(jìn)行探索。目前應(yīng)用得比較多的基于Agent的模擬平臺有Netlogo、Swarm、Repast、MASON、Any Logic等，通過對各個軟件進(jìn)行比較，本書選擇Netlogo軟件作為模擬仿真平臺。Netlogo是一個多智能體可編程建模環(huán)境（更多信息和下載方法請參見https://ccl.northwestern.edu/Netlogo/）。Netlogo被廣泛用于向幾乎沒有編程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生教授模擬和建模。目前的最新版本為Netlogo 6.1.0。

2.Netlogo介紹

Netlogo編程特點(diǎn)：

1）軟件環(huán)境兼容性好：Netlogo運(yùn)行在Java虛擬機(jī)上，所以它可以運(yùn)行在所有主要平臺上（Mac、Windows、Linux等）。它作為桌面應(yīng)用程序運(yùn)行，還支持命令行操作。

2）編程語言結(jié)構(gòu)簡單：logo語言非常接近自然語言（英語），學(xué)習(xí)起來最為簡單，對于缺乏編程學(xué)習(xí)背景的研究者最為友好；Netlogo也遵循Logo易用性的理念，為新用戶提供“低門檻”的入口。Netlogo允許用戶打開模擬并與他們“交互”，探索他們在各種條件下的行為。Netlogo也是一個非常簡單的創(chuàng)作環(huán)境，學(xué)生和研究人員可以創(chuàng)建自己的模型，即使他們不是專業(yè)的程序員。

3）多智能個體和并發(fā)性：Netlogo源于并行LISP，是一種多智能體的編程語言和模擬自然和社會現(xiàn)象的建模環(huán)境。它特別適合于建模隨時間發(fā)展的復(fù)雜系統(tǒng)。建模人員可以向數(shù)百或數(shù)千個獨(dú)立的“智能體”發(fā)出指令，這些“智能體”都可以同時運(yùn)行，因此，Netlogo建模能很好地模擬微觀個體的行為和宏觀模式的涌現(xiàn)及其兩者之間的聯(lián)系。

4）Netlogo可以與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)：該語言包含允許讀寫任何類型文本文件的命令。還有以標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)出和導(dǎo)入數(shù)據(jù)的功能。世界的完整狀態(tài)可以以一種易于使用其他軟件打開和分析的格式保存和恢復(fù)。圖形化數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，以便使用其他工具進(jìn)行呈現(xiàn)和分析。圖形窗口或模型整個界面的內(nèi)容可以保存為圖像?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)實(shí)用程序?qū)D像轉(zhuǎn)換為電影。完成的模型可以作為Java Applet在Web上發(fā)布。

3.Netlogo的主要功能

（1）建模

Netlogo模型的基本假設(shè)是：將空間劃分為網(wǎng)格，每個網(wǎng)格是一個靜態(tài)的Agent，多個移動Agent分布在二維空間中，每個Agent自主行動，所有主體并行異步更新，整個系統(tǒng)隨著時間推進(jìn)而動態(tài)變化。

（2）模擬運(yùn)行控制

Netlogo可以采用命令行方式或通過可視化控件進(jìn)行模擬控制。在命令行窗口可以直接輸入命令，另外還提供了可視化控件實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)行控制，進(jìn)行模擬初始化、啟動、停止、調(diào)整模擬運(yùn)行速度等。還提供了一組控件，如開關(guān)、滑動條、選擇器等，用來修改模型中的全局變量，實(shí)現(xiàn)模擬參數(shù)的修改。

（3）可視化顯示

軟件提供了二維和三維的模擬視圖，用戶可以隨時、多角度觀看模擬過程。提供了多種手段實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)行監(jiān)視和結(jié)果輸出。在主界面中有一個視圖（View）區(qū)域顯示整個空間上所有Agent的動態(tài)變化，可以進(jìn)行2D/3D顯示，在3D視圖中可以進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作。另外可以對模型中的任何變量、表達(dá)式進(jìn)行監(jiān)視，可以實(shí)現(xiàn)曲線/直方圖等圖形輸出或?qū)⒆兞繉懭霐?shù)據(jù)文件。

（4）實(shí)驗(yàn)管理模擬

Netlogo提供了一個實(shí)驗(yàn)管理工具BahaviorSpace，通過設(shè)定模擬參數(shù)的變化范圍、步長、設(shè)定輸出數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)對參數(shù)空間的抽樣或窮舉，自動管理模擬運(yùn)行，并記錄結(jié)果。

（5）系統(tǒng)動力學(xué)模擬

系統(tǒng)動力學(xué)是應(yīng)用廣泛的一類社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模擬方法，但與多主體模擬有不同的建模思想。Netlogo可以直接進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)建模仿真。

（6）參與式模擬

Netlogo提供了一個分布式模擬工具，稱為HubNet，實(shí)現(xiàn)模型服務(wù)器和客戶端之間的通信。多個參與者可以通過計算機(jī)或計算器分別控制模擬系統(tǒng)的一部分，實(shí)現(xiàn)參與式模擬（participatory simulation）。

（7）模型庫

Netlogo收集了許多復(fù)雜系統(tǒng)經(jīng)典模型，涵蓋數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、計算機(jī)、經(jīng)濟(jì)、社會等許多領(lǐng)域。這些模型可以直接運(yùn)行，例子中的文檔對模型進(jìn)行了解釋、為可能的擴(kuò)展提供了建議。建模人員可以通過閱讀經(jīng)典實(shí)例的程序代碼，學(xué)習(xí)建模技術(shù)，或在研究相關(guān)問題時以此為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展或修改，大大減少了技術(shù)難度和工作量。

快速了解Netlogo到底建模是什么樣的，你可以打開它自帶的模型庫，可以看到會有很多自帶模型：樣例模型（Sample Model）、課程模型（Curricular Model）、代碼示例（Code Example）和參與者模擬（Hubnet Activities）。

開始使用Netlogo的用戶通常首先要瀏覽Netlogo的模型庫。這個集合有超過140個預(yù)構(gòu)建的模擬，可以進(jìn)行探索和修改。這些模擬涉及自然科學(xué)和社會科學(xué)的許多內(nèi)容領(lǐng)域，包括生物和醫(yī)學(xué)、物理和化學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)以及經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會心理學(xué)。Netlogo正被用于構(gòu)建各種各樣的模擬。海龜可以代表分子、狼、買家、賣家、蜜蜂、部落成員、鳥類、蠕蟲、選民、乘客、金屬、細(xì)菌、汽車、機(jī)器人、中子、磁鐵、行星、牧羊人、戀人、螞蟻、肌肉、網(wǎng)絡(luò)工作者等等。小塊的土地被制成樹木、墻壁、地形、水道、洞穴、植物細(xì)胞、癌細(xì)胞、農(nóng)田、天空、課桌、毛皮、沙子，應(yīng)有盡有。海龜和地塊也可以用來形象化和研究數(shù)學(xué)抽象，或者用來制作藝術(shù)品和玩游戲。主題包括細(xì)胞自動機(jī)、遺傳算法、正負(fù)反饋、進(jìn)化和遺傳漂變、種群動力學(xué)、尋路和優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)、市場、混沌、自組織、人工社會和人工生命。這些模型都分享了我們關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)和涌現(xiàn)的核心主題。

（8）Netlogo最強(qiáng)大的一個方面是擴(kuò)展功能

主要包括：

1）通過與其他語言（如python和r）集成來擴(kuò)展其功能的能力；

2）地理信息系統(tǒng)（GIS extension）的擴(kuò)展，它允許矢量和柵格數(shù)據(jù)直接集成到Netlogo環(huán)境中；

3）位圖擴(kuò)展（Bitmap Extension）允許您操作并將圖像導(dǎo)入到繪圖和地塊中。它提供了Netlogo核心原語沒有提供的功能，例如：縮放、對不同顏色通道的操作、寬度和高度報告器；

4）水平空間擴(kuò)展（LevelSpace），模型將能夠使用LevelSpace原語加載其他模型，在其中運(yùn)行命令和報告程序，并在不再需要它們時關(guān)閉它們；

5）矩陣擴(kuò)展為Netlogo添加了一個新的矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。矩陣是一個只包含數(shù)字的可變二維數(shù)組；

6）CSV擴(kuò)展可以在Netlogo中使用CSV格式的數(shù)據(jù)；

7）table擴(kuò)展可以在Netlogo中使用表格中的數(shù)據(jù)。

（9）模型運(yùn)行后可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)，為難獲取數(shù)據(jù)場景提供了可選擇方案

例如：

1）導(dǎo)出世界——保存所有變量、所有海龜和地塊的當(dāng)前狀態(tài)、繪圖、輸出區(qū)域和隨機(jī)狀態(tài)信息到一個文件；

2）導(dǎo)出繪圖——將繪圖中的數(shù)據(jù)保存到文件中；

3）導(dǎo)出視圖——保存當(dāng)前視圖的圖片（2D或3D）到一個文件中（PNG格式）。

（10）可以導(dǎo)入數(shù)據(jù)，為Netlogo提供數(shù)據(jù)，例如：

1）導(dǎo)入世界——加載導(dǎo)出世界保存的文件；

2）導(dǎo)入地塊顏色——將圖像加載到地塊中；

3）導(dǎo)入地塊顏色RGB——使用RGB顏色將圖像加載到地塊中；

4）導(dǎo)入繪圖——將圖像加載到繪圖中。

4.人工智能語言特點(diǎn)

由于人工智能研究的問題的特點(diǎn)和解決問題的方法的特殊性，為了能方便而有效地建立人工智能系統(tǒng)，需要發(fā)展專門的人工智能語言。人工智能語言的特點(diǎn)是什么，亦即人工智能語言應(yīng)具備的特征是什么？

一般來說，人工智能語言應(yīng)具備如下特點(diǎn)：

1）要有符號處理能力（即非數(shù)值處理能力）；

2）適合于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，編程容易（要把系統(tǒng)分解成若干易于理解和處理的小單位的能力，從而既能較為容易地改變系統(tǒng)的某一部分，而又不破壞整個系統(tǒng)）；

3）要有遞歸功能和回溯功能；

4）要有人機(jī)交互能力；

5）適合于推理；

6）要有把過程與說明式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混合起來的能力，又要有辨別數(shù)據(jù)、確定控制的模式匹配機(jī)制。