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从第五代计算机迈向技能科学

心浮气躁，拿AI翻译一点东西，并粗略校对和排版。

原文链接： https://www.ai-gakkai.or.jp/jsai2014/wp-content/uploads/2014/05/413fefda6830ad81ebda8b5491323b22.pdf

从第五代计算机迈向技能科学

- 逻辑编程方法 -

庆应义塾大学 名誉教授
嘉悦大学 教授
人工智能学会会士
古川康一

* 译注：技能科学，好像是日本那边的提法，英文写作“skill science”

目录

  • 第五代计算机系统项目
    • 幻灯片3~29
  • 技能科学的挑战
    • 幻灯片30~66

第五代计算机系统项目

1982~1992

第五代计算机项目是什么？

  • 1982年至1992年的11年间，由通商产业省（现经济产业省）推动实施的国家级项目
  • 通产省以追赶并超越IBM为目标。
  • 为此，期望开发出突破性的技术。
  • 致力于构建并行推理计算机。
  • 项目负责人：渊一博（ICOT所长）
  • 其他核心成员：古川康一（ICOT副所长）、横井俊夫、村上国男、内田俊一、上田和纪、近山隆、松本裕治、长谷川隆三、竹内彰一、国藤进、新田克己、井上克巳、泷和男、桥田浩一、向井国昭、...

第五代计算机项目前夜

  • 在美国留学期间，于斯坦福研究所（SRI）发现了科梅拉瓦编写的Prolog解释器列表，并将其带回ETL（1976年）。
  • 渕先生对该列表进行了解读并成功运行。
  • Prolog热潮由此开启。
  • 使用Prolog构建了产生式系统，并成功运行了魔方求解程序。

用Prolog编写的产生式系统

prodSystem(WM, FinalState) :-
    member(FinalState, WM).  % 终止条件

prodSystem(WM, FinalState) :-
    member(Fact, WM),
    recognize(Fact, WM, RHS),  % 识别-执行
    act(RHS, WM, NewWM),
    % 循环
    prodSystem(NewWM, FinalState).

recognize(Fact, WM, RHS) :-
    rule(LHS => RHS),        % 规则的识别
    member(Fact, LHS),       % 条件
    deduce(LHS, WM).

魔方解法规则

rule([
    cube(
        front(FC, _, _, _, _, _, _, _, _),
        back(_, _, TC, _, _, _, _, _, _),
        top(TC, _, FC, _, _, _, _, _, _),
        _
    ) = X
] =>
[
    call(apply([lup, bccw, ldown, tright], X, Y)),
    replace(X, Y)
]).

FGCS1981的举办

  • 1981年10月19~22日，在京王广场酒店举办了关于第五代计算机系统的第一届国际会议
  • 主题演讲：元冈达
  • 分会报告：唐津一、渊一博、相矶秀夫
  • 关于问题解决与推理机制计划的发表：古川
  • 渊-费根鲍姆论争

渊-费根鲍姆论争

  • 费根鲍姆："美国专家们从事人工智能研究已有25年。仅就知识工程而言，自研究开始也已过去16年。但日本最多不过数年而已。我认为日本必须付出巨大努力才能追赶上来。" （为何不以LISP为基础？）
  • 渊："诸位将日本视若婴孩，但我认为我们已成长至少年阶段。少年确实需要认真听取成人意见并学习，但自主判断不也同样重要吗？正是通过这样的过程，少年才能实现自我成长。"
  • 渊："正因我们年轻，才具备兼容并蓄的灵活性。也正因如此，我们才开放地举办了这次国际会议。诸位固然是成年人，但是否因为经验过于丰富，反而失去了正确看待事物的能力呢？" （最终作出了着眼于未来选择逻辑编程的决策）

（今冈和彦：《吾志之第五代计算机》，TBS大英百科，1989）

艾伦·图灵的构想

  • 艾伦·图灵曾探讨计算机实现人工智能的可能性（1950年）。
  • 三大方案：
    1. AI by programming,
    2. AI by ab initio machine learning,
    3. AI using logic, probabilities, learning and background knowledge.
  • 他主张第三种路径最具发展前景。

图灵文献：

  • Turing, A.M. (1950). Computing machinery and intelligence. Mind, 59, 433-460.
  • S. Muggleton (2014). Alan Turing and the development of Artificial Intelligence. AI communications, Vol.17, No.1, 3-10

项目核心理念

  • 硬件：非冯·诺依曼计算机
  • 软件：知识信息处理
  • 编程：并行逻辑编程

古川康一，《第五代计算机的项目运营与人工智能的未来》，《人工智能》，第29卷第2期，2014年

并行逻辑编程

  • Prolog的缺陷：无法描述并行处理。因此， 无法编写操作系统。
  • 并行逻辑编程的诞生
  • 重点关注Keith Clark提出的"在逻辑编程框架下实现并行编程的方案"(1981)

Keith Clark论文(1981)

figure4

Keith L. Clark and Steve Gregory. 1981.
A relational language for parallel programming. In Proceedings of the 1981 conference on functional programming languages and computer architecture, 171–178. ACM Press.

Prolog与并行逻辑编程

  • Prolog程序

    ?- keyboard(K1), keyboard(K2), append(K1,K2, K),
monitor(K,S), append(S1,S2,S), screen(S1), screen(S2).

  • 各个文字按顺序执行。

  • 包含并行处理的逻辑程序

    ?- keyboard(K1), keyboard(K2), tagmerge(K1,K2, K),
monitor(K,S), tagmerge(S1,S2,S), screen(S1), screen(S2).

  • 各个文字并行执行。

核心语言的设计

  • 候选语言

    • Keith Clark, Steve Gregory: PARLOG
    • Ehud Shapiro: Concurrent Prolog

  • 上田和纪的新提案

    • 提出新语言：Guarded Horn Clauses (GHC)
    • 提出时间：1984年圣诞节

  • GHC的优点

    • 通过保护部分的数据流执行规则实现并行控制
    • 不需要注解、模式声明和编译
    • 最为简洁！

GHC开发的意义

  • 具有高度的原创性

  • 实现了硬件（并行推理机）与软件的同步开发

    • 并行推理机PIM（泷和男）
    • 并行操作系统PIMOS（近山隆）

  • 存在的问题：

    • 无法进行回溯
    • 丧失了搜索功能

Manthey与Bry提出的自底向上定理证明器SATCHMO

  • SATCHMO：仅由8个子句组成的完整一阶谓词逻辑定理证明程序
satisfiable :- is_violated(C), !, satisfy(C), satisfiable.
satisfiable.
is_violated(C) :- (A--->C), call(A), not(C).
satisfy(C) :- component(X,C), asserta(X),
              on_backtracking(retract(X)),
              not(false).
component(X,(Y;Z)) :- !, (X=Y; component(X,Z)).
component(X,X).
on_backtracking(X).
on_backtracking(X) :- call(X), !, fail.

Manthey, R. and Bry, F. (1988): SATCHMO: a theorem prover implemented in Prolog.
Proceedings of CADE 88 (9th Conference on Automated Deduction),SpringerVerlag.

基于GHC的定理证明器推进

  • 研究目标：使用GHC实现SATCHMO
    • 发现古川的论文，项目正式启动
    • 进行原型编码开发
    • 长谷川、藤田开发了对应的解释器
      • 最终发展为MGTP（模型生成定理证明器）
      • 在并行推理机上实现了高速执行（256个处理器达到220倍加速）
  • MGTP的实现展示了并行推理的巨大潜力

SATCHMO 实现的技巧

  • GHC 存在的问题：

    1. GHC 无法实现 OR 并行
    2. 合一运算也存在限制，只有被调用的进程才能给变量赋值

  • 问题规避方法：

    1. 用 AND 并行功能替代 OR 并行功能
    2. 利用 SATCHMO 中值域限定条件的特性，规避了合一运算的限制

SATCHMO的GHC解释器（部分）

do(A) :- true | satchmo_problem:model(M), false(M,A).

false(M,A) :- true | satchmo_problem:nc(NC),
               satisfy_clauses(0,NC,M,cl_sat,A).

satisfy_clauses(Cn,NC,M,A2,A) :- Cn < NC |
    Cn1 := Cn + 1,
    satisfy_ante(Cn1,[],[true|M],M,A2,A1),
    satisfy_clauses(Cn1,NC,M,A1,A).

satisfy_clauses(NC,NC,_,sat(M1), A) :- true | A = sat(M1).
satisfy_clauses(NC,NC,M,cl_sat, A) :- true | A = sat(M).
satisfy_clauses(NC,NC,M,unsat(Ms),A) :- true | A = unsat(Ms).

satisfy_ante(Cn,GS,[P|M2],M,cl_sat,A) :- true |
    satchmo_problem:c(Cn,P,GS,R),
    satisfy_ante1(Cn,R,P,GS,M2,M,A).

satisfy_ante(Cn,_,[],_,cl_sat,A) :- true | A=cl_sat.
otherwise.
satisfy_ante(_,_,_,_,A1,A) :- true | A=A1.

and?

（长谷川 模型生成型定理证明系统MGTP要素技术，渊一博纪念学术研讨会《逻辑与推理技术：四分之一世纪的展开》）

n n n

（长谷川 模型生成型定理证明系统MGTP要素技术，渊一博纪念学术研讨会《逻辑与推理技术：四分之一世纪的展开》）

其他主要研究成果

  • 竹内・藤田开发的Prolog部分求值程序
    • 元解释器的高速化（产生式系统、自底向上分析器等）
    • 基于部分求值的专家系统诊断规则推导（Goebel, Poole, Furukawa）
    • 自适用部分求值程序（H. Fujita）
  • 非单调推理、创发推理、归纳推理、类比推理的拓展
    • 归纳逻辑编程系统PROGOL的研究
    • 创发逻辑编程系统ALP的研究
    • 原口诚提出的类比形式化理论

Prolog部分计算器

  • Prolog元解释器

    solve(true).
solve((P,Q)) :- 
    solve(P), 
    solve(Q).
solve(G) :- 
    clause(G,B), 
    solve(B).

  • Prolog部分计算器

    psolve(true,true).
psolve((G1,G2),(R1,R2)) :-
    psolve1(G1,R1), 
    psolve1(G2,R2).
psolve(G,R) :- 
    clause(G,B), 
    psolve1(B,R).
psolve1(G,R) :- 
    proceed(G), 
    psolve(G,R).
psolve1(G,G) :- 
    stop(G).

国内外合作

  • 与国内大学相关人员的合作：设立研究协议会
    • 自然语言处理工作组
    • 基础理论工作组等
  • 日英、日法、日瑞意、日美等双边及三边研讨会
  • 邀请海外著名研究人员（J.A.Robinson, Robert Kowalski, Ehud Shapiro, Keith Clark, Randy Goebel, Stephen Muggleton等）
  • 与海外各大学及研究所的学术交流

FGCS项目总体评估

  • FGCS是否失败？
    • 未能成功开发出杀手级应用，未能实现实际应用
  • 成功之处亦为数众多
    • 取得大量研究成果
      • 技术报告：911份
      • 技术备忘录：1,322份
  • 人才培养成果
  • 最关键要点：国际主导权

挑战技能科学

1995~

(30页)

技能科学研究（Skill Science）的契机

  • 庆应义塾大学SFC校园的文化氛围

    • 开放创新的学术环境

  • 开拓新研究领域的强烈愿望

    • 追求跨学科研究的突破

  • 我个人的专业背景

    • 多元化的学术经历

  • 作为业余大提琴手

    • 参与大学管弦乐团
    • 参加业余管弦乐团
    • 组建“逻辑编程三重奏”：
      • 钢琴：J.A. Robinson（归结原理发明者）
      • 小提琴：Jacques Cohen
      • 大提琴：古川康一（Koichi Furukawa）

逻辑编程三重奏（Logic Programming Trio）的演出活动

  • 在逻辑编程国际会议上的系列演出

    • JICSLP 1992，华盛顿
      门德尔松《钢琴三重奏》

    • ICLP 1995，东京
      贝多芬《“大公”钢琴三重奏》

    • ICLP 1996，波恩
      贝多芬《第三钢琴三重奏》

    • ICLP 1997，鲁汶
      德沃夏克《“杜姆卡”钢琴三重奏》

    • JICSLP 1998，曼彻斯特
      柴可夫斯基《钢琴三重奏》“纪念伟大的艺术家”

技能科学相关研究项目

  • 庆应义塾大学大型研究项目
    「基于归纳方法的隐性知识语言化」
    研究负责人 | 1995-1996

  • 科学研究费补助金·特定领域研究
    「发现科学」（总负责人：有川节夫）
    研究组成员 | 子课题「基于ILP的知识发现」
    1998-2000

  • 科学研究费补助金·基础研究(A)
    「通过知识发现技术实现身体技能的语言化」
    研究负责人 | 2005-2007

  • 科学研究费补助金·基础研究(C)
    「基于规则溯因与类比的技能创造」
    研究负责人 | 2012-2014
    研究组成员：藤波努、原口诚、金城启太
    研究协作者：尾崎知伸、升田俊树、西山武繁

人工智能学会全国大会专题会话

近未来挑战会话「身体知的阐明」

  • 时间：2003年 ~ 2007年
  • 主旨： 人类在艺术、体育等领域展现出难以估量的能力。其速度与精度均令人惊叹。……专业人士所展现的这种惊人能力的源泉是什么？阐明这一点，正是“身体知的阐明”之目的。

组织会话「身体知的表达与获取」

  • 时间：2008年 ~ （主席：藤波努）
  • 主旨： 本会话将使得技能习得成为可能的智能部分视为“身体知”，并旨在讨论其应如何被表达，以及如何被传承。

目录

  • 斯宾拉托奏法的习得
  • 基于规则溯因的说明结构提取
  • 类比溯因
  • 比喻表达的作用

关于大提琴斯宾拉托奏法的习得

古川康一 (嘉悦大学)
升田俊树 (大提琴演奏家)
西山武繁 (庆应义塾大学研究生院政策与媒体研究科)

《日本智能信息与模糊系统学会志》，第24卷第1期，2012年。

什么是斯宾拉托演奏技法？

  • 一种通过高速（每秒3至6次往复运动）弹跳琴弓的演奏技法。
  • 斯宾拉托需要同时进行两种重复运动：使琴弓弹跳的上下方向运动，以及发出声音的左右方向运动。
  • 需要左手配合右手的动作进行运动。
  • 示例视频：https://www.youtube.com/watch?v=cJWjYLG3B7o

基于强制振动的模型化

  • 为何使用强制振动模型？

    • 这是以手腕为支点的钟摆运动。
    • 需要注入能量，以防止钟摆（运动）衰减。

  • 从荡秋千中获得的启示

    • 在达到最大振幅后、到达最低点之前进行加速。

  • 从拍皮球中获得的启示

    • 通过缓冲动作来吸收因外力加速而产生的冲击。

基于两种启示的练习

  • 在练习斯宾拉托时，能否做到 “在最大振幅后立即施加外力”？

    • 现象发生得过快。
    • 但可以在慢速的节拍下找到这种感觉。

  • 能否做到 “缓冲动作”？

    • 用食指将弓杆压向琴弦，以施加外力。
    • 缓冲动作 = “轻柔地压住”。
    • 必须配合琴弓的高速运动周期。
    • 实际上，还存在其他的方法。

练习与元认知

  • 为了加速重复练习的过程，我们进行了元认知。
  • 通过元认知获得的启示示例：
    • “顺时针转动手腕。”
    • “突然之间就能做到了。”（1月14日）
    • “与其看弓毛，不如看弓杆。”（1月27日）

练习进程时间线

  • 练习开始：2010年12月23日
  • 初步掌握：2011年1月15日（突然之间能够做到）
  • 显著进步：2011年1月28日
  • 基本纯熟：2011年5月

迷你课程带来的启示

  • 接受了专家的迷你课程，被指导使用无名指来持弓。
  • 结果，不稳定的动作被一举消除，从而能够奏出稳定的斯皮卡托（spiccato）。
  • 发现使用无名指可以实现 “缓冲动作” 。（关键的调节点并非食指！）

基于思维推理的着眼点发现

  • 古川康一 - 庆应义塾大学
  • 井上克巳 - 国立信息学研究所
  • 小林郁夫 - 庆应义塾大学 SFC 研究所
  • 诹访正树 - 庆应义塾大学 环境信息学部

第23届人工智能学会全国大会 (2009)

（44页）

“诀窍”与溯因推理

  • “令人惊奇的事实” 是皮尔士的溯因推理 中出现的概念，而为解释该事实寻求假说，就是溯因推理。
  • “诀窍” = “令人惊奇的事实”，它在获取新技能时提供了契机。
  • 通过溯因推理来证明 “诀窍”的有效性！

诀窍与溯因推理

  • “诀窍”并非不证自明，它需要一个能让人真正理解、豁然开朗的解释。
  • 诀窍的结构：“为完成课题A，只需执行行为B即可”。
  • 在课题A的证明图式的末端出现了行为B，但二者之间存在缺失的假设。
  • 也就是说，需要一个关于 “规则”的假设。
  • 这是一个规则溯因 的问题。
  • 可利用 元层级溯因 来解决。[古川09] [Inoue 09]

溯因逻辑编程的局限与规则溯因

  • ALP(Abductive Logic Programming，溯因逻辑编程)的局限
    • 在ALP中，只有事实才能被作为假说提出。
  • 一阶谓词逻辑上的溯因 + 元层级溯因
    • 规则也能作为假说生成。
    • 能够实现谓词发现。
ALP
├──
│   ├── known
│   └── known
└──
     ├── unknown
     └── known

规则溯因（Rule Abduction）：

课题A
├─unkown
│   ├── known
│   └── known
└── unknown
        └── unknown
              ├── unknown
              │     └── known (行为B)
              └── unknown
                     └── known

基于 SOLAR 的溯因推理

  • SOLAR 是一个基于完备一阶谓词逻辑的定理证明器。

  • 当给定背景知识 B 和观测事实 G 时，溯因推理的目标是从可假说谓词集 Γ 中找到一个满足以下两个条件的假说 H：

    1. B ∪ H ⊨ G (等价于 B ∧ ¬G ⊨ ¬H)
    2. B ∪ H 是一致的（无矛盾）。

  • 其原理是：通过计算 B ∧ ¬G 的定理中那些不属于 B 的定理的结论 ¬H，然后对其取否定来推导出 H。这种方法被称为后承寻找。

  • 在此过程中，SOLAR 是一个利用 SOL 推导 和表演法 来高效计算 H 的系统。

参考文献： Nabeshima, H., Iwanuma, K., and Inoue, K.: SOLAR: A Consequence Finding System for Advanced Reasoning, Proc. International Conference on Automated Reasoning with Analytic Tableaux and Related Methods (TABLEAUX 2003), LNCS, Springer, Vol.2796, pp.257-263(2003)

元层级溯因

  • 使用元层级的 caused 谓词，将因果关系（课题A通过行为B达成）表示为原子公式。 
    caused( spiccato, support_bow_with_ringfinger )
  • 为了表达因果链，引入以下公理： 
    caused(A, B) :- connected(A, B).
caused(A, B) :- connected(A, X), caused(X, B).
  • 其中，connected 表示直接的因果关系。

(hmmm，图太多，咕咕咕)