10 人工神经网络(ANN)方法简介(完整)
人工神经网络
人工神经网络（ANN）又称神经网络，是在现代神经科学研究成果的基础上，对生物神经系统的结构和功能进行数学抽象、简化和模仿而逐步发展起来的一种新型信息处理和计算系统。
由于人工神经网络具有自学习、高容错、高度非线性描述能力等优点，现已广泛应用于经济、机器人和自动控制、军事、医疗、化学等领域［l ~ 3］，并取得了许多成果。
本文简要介绍人工神经网络的原理和特点，论述人工神经网络在高分子科学与工程领域的应用。
橡胶配方是决定橡胶制品性能的关键因素，由于材料配方与制品性能之间存在很复杂的非线性关系，多数情况下无法建立完整精确的理论模型，只能借助于回归方法得到经验公式。
传统的回归方法存在以下局限性：(1)使用不同的回9j方法可获得不同的经验公式，导致经验公式的繁多和不一致；(2)当配方项目及性能指标项目较多时，采用回归公式无法完全再现实验数据；(3)当实验进一步完善，实验数据增多的时候．其他人员再进行回归时，如果无法找到原来的回归方法、程序和实验数据，原来的回归公式将不能被利用，造成一定的浪费。
随着计箅机的发展而出现的人工神经网络是人工智能方法．它不像回归方法那样，需预先给定基本函数，而是以实验数据为基础．经过有限次的迭代计算而获得的一个反映实验数据内在联系的数学模型，具有极强的非线性处理、自组织调整、自适应学习及容错抗噪能力，特别适用于研究像材料配方与制品性能之间关系的复杂非线性系统特性【¨】。
因此，人们开始将人工神经网络应用于橡胶配方设计”J。
随着橡胶制品在各领域应用的拓展，橡胶配方设计变得越来越重要。
人们进行橡胶配方设计主要有3个目的：提高制品的性能；改善加工工艺；降低生产成本。
传统的橡胶配方设计方法有全因素设计、正交试验设计n_3]、均匀设计[4‘60等，而这些配方设计试验数据的处理方法无外乎方差分析和回归分析口]。
由于材料的配方和性能之问存在非常复杂的非线性关系，回归分析只适合于单目标优化数据处理的模型，对于不同的性能，需要建立不同的模型，因此将其应用于配方设计有一定的局限性。
人工神经网络
人工神经网络1.简介人工神经网络(ANN)技术是一种信息处理范式,灵感来自于生物神经系统的方式,如大脑、处理信息。
这拍拉的DIGM关键的元素是一款新颖的结构的信息处理系统。
它是由大量的高度互连处理单元(神经元都)工作在和谐中要解决的具体问题。
像人一样,学习结合起来,通过实例说明。
一个人工神经网络被配置为某一特定的应用,如模式识别或数据分类,通过一个学习的过程。
学习在生物体系需要调整突触连接之间的神经元都存在。
结合起来,这是有据可查的。
在更多的实际统计数据的模糊神经网络的非线性建模工具。
它们能被用于模型复杂的输入-输出关系或发现模式在数据。
本文将简要介绍有关知识安和打好基础,为进一步研究。
2.人工神经网络的特点神经网络模型,拥有的卓越的能力也衍生意义是从复杂的或不精确数据，可被用于提取模式和趋势发现太过于复杂以致难以被任何人类或其它计算机技术注意到。
一个受过训练的神经网络可以被认为是一个“专家”在信息范畴内,才能来来作分析。
这位专家就可以被用来提供给测感和给定新的有兴趣环境，然后提问“假如如此”的问题。
神经网络的其他优点包括:自适应学习能力:学习如何做任务的基础上,给出了初始数据训练或经验。
自组织:一个人工神经网络可以创造自己的组织或表示它收到的信息时的学习时间。
实时操作:安计算可以对并联,和特殊的硬件设备被设计和制造,充分利用这一能力。
通过冗余信息容错编码:局部破坏网络导致相应的降解性能。
然而,一些网络能力甚至可以保留与主要网络伤害。
3.一个简单的神经元和复杂的神经元一个简单神经元一种人工神经元是一种装置与许多输入和一个输出,如图。
3-26。
神经元的有两种模式的操作:培养模式和使用模式。
在训练模式中,神经元可以训练的射击(或没有),为特定的输入方式。
在使用模式,当一个教输入模式检测到输入、输出成为其关联的输出电流。
如果输入模式不属于这教的名单输入方式、烧成规则是用来确定是否发生火灾或不是。
射击规则是在神经网络的一个重要概念。
人工神经网络模型算法和应用的综述
人工神经网络模型算法和应用的综述人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）是一种模仿生物神经网络的计算模型，由许多人工神经元节点组成。
它通过模拟人类神经系统的工作方式，实现对信息的处理和学习能力。
随着计算机科学和人工智能领域的发展，人工神经网络模型算法和应用得到了广泛的研究和应用。
本文将对人工神经网络模型算法以及其在各个领域中的应用进行综述。
一、人工神经网络模型算法1. 感知器模型感知器模型是最早应用于人工神经网络中的一种模型。
它由多个输入节点和一个输出节点组成，通过对输入节点和权重的线性组合，利用激活函数将结果转化为输出。
感知器模型的简单结构和快速训练特性使得它在二分类问题中得到广泛应用。
2. 多层前馈神经网络（Feedforward Neural Network，FNN）多层前馈神经网络是一种典型的人工神经网络模型。
它由多个神经元层组成，每一层的神经元与上一层的神经元全连接。
信息在网络中只向前传递，从输入层经过隐藏层最终到达输出层。
多层前馈神经网络通过反向传播算法进行训练，可以应用于各种复杂的非线性问题。
3. 循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）循环神经网络是一种具有反馈环的神经网络模型。
它在网络中引入了记忆机制，使得信息可以在网络中进行循环传播。
循环神经网络适用于序列数据的处理，如自然语言处理和时间序列预测等任务。
4. 卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）卷积神经网络是一种专门用于图像识别和处理的人工神经网络模型。
它通过卷积层、池化层和全连接层等组件，实现对图像中特征的提取和分类。
卷积神经网络在计算机视觉领域中具有重要的应用，如图像分类、目标检测和语义分割等任务。
二、人工神经网络的应用1. 自然语言处理人工神经网络在自然语言处理中具有广泛的应用。
例如，利用循环神经网络可以实现语言模型和机器翻译等任务；利用卷积神经网络可以进行文本分类和情感分析等任务。
人工神经网络ANN
10
off
Stimulus
ui wij x j
j
Response
yi f urest ui
“Hard” threshold
z ON
f
z
else OFF
= threshold
• ex: Perceptrons, Hopfield NNs, Boltzmann Machines
2 1 ez
1
• ex: MLPs, Recurrent NNs, RBF NNs...
• Main drawbacks: difficult to process time patterns, biologically implausible.
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Artificial Neural Networks - I
ms
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
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Artificial Neural Networks - I
6
神经网络的复杂性
• 神经网路的复杂多样，不仅在于神经元和突触 的数量大、组合方式复杂和联系广泛，还在于 突触传递的机制复杂。现在已经发现和阐明的 突触传递机制有：突触后兴奋，突触后抑制， 突触前抑制，突触前兴奋，以及“远程”抑制 等等。在突触传递机制中，释放神经递质是实 现突触传递机能的中心环节，而不同的神经递 质有着不同的作用性质和特点
• 10 billion neurons in human brain • Summation of input stimuli
– Spatial (signals) – Temporal (pulses)
ann算法
ann算法人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN），也简称神经网络，是众多机器学习算法中比较接近生物神经网络特性的数学模型。
人工神经网络通过模拟生物神经网络（大脑）的结构和功能，由大量的节点（或称“神经元”，或“单元”）和之间相互联接构成，可以用来对数据之间的复杂关系进行建模。
一、每层由单元（unit）组成二、输入层由训练集的实例特征向量传入三、每个结点都有权重（weight）传入下一层，一层的输出是下一层的输入。
（根据生物学上的定义，每个单元成为神经结点）四、以上成为两层神经网络（输入层不算）五、每一层的加权求和，到下一层结点上还需要非线性函数激活，之后作为输出六、作为多层前馈神经网络，如果由足够多的隐藏层，和足够大的训练集，理论上可以模拟出任何方程。
反向传输算法核心（backpropagation）特点：1、通过迭代来处理训练集中的实例2、计算输入层预测值（predicted value）和真实值（target value）之间的差值error3、反向传输（输出层->隐藏层->输入层）来最小化误差（error）来更新每个链接的权重（weight）显然，对于神经网络而言，最重要的是能恰当配置好隐藏层和输出层神经元的权值和偏置。
幸好的是，这个配置是由机器来做，而不是人类。
使用神经网络的步骤一般为：建立模型，按照业务场景建立网络结构，多少个输入神经元和输出神经元，多少层隐含层，层与层之间是全连接，还是部分连接等等。
训练模型，对于已经标记好的大量数据，将它们扔到神经网络中，神经网络通过预测输出与实际输出的差值来自动调整隐藏层和输出层神经元权值和偏置。
数据预测，对于新的数据，将他们直接扔到输入层，得到的输出就是预测输出。
机器学习的主要用途为分类，聚类，回归，关联规则等等。
现有的机器学习方法有SVM，logistic回归，决策树，随机森林等方法。
但是，在需要高精度，难以提取特征的无结构化数据机器学习中，深度学习几乎是唯一的选择。
人工神经网络ANN
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目录
人工神经网络ANN概 述
01
人工神经网络ANN的 组成结构
02
人工神经网络 ANN概述
什么是人工神经网络ANN
定义：人工神经网络（ANN）是一种模拟人脑神经元网络的机器学习算法 结构：由输入层、隐藏层和输出层组成，各层之间通过权重连接 学习方式：通过反向传播算法不断调整权重，使输出结果更加准确 应用领域：图像识别、语音识别、自然语言处理等
前向传播：输入信号通过神经元网络传递，计算输出结果
反向传播：根据输出结果调整神经元权重，降低误差
人工神经网络 ANN的组成结构
输入层
定义：输入层是人工神经网络中的第一层，负责接收来自外界的输入数据 特点：输入层通常由多个神经元组成，每个神经元负责接收一部分输入数据 功能：将输入数据转换为神经网络可以处理的内部表示，为后续的隐藏层提供输入 类型：根据具体的应用场景和任务，输入层可以具有不同的类型和结构
人工神经网络ANN的发展历程
早期阶段：感知机 模型，多层感知器
90年代：BP算法 的提出，多层感知 器的发展
21世纪初：深度 学习的兴起，卷积 神经网络、循环神 经网络等新型网络 的涌现
近年来：自编码器 、生成对抗网络等 新型网络结构的出 现和应用
人工神经网络ANN的基本原理
神经元模型：模拟生物神经元的基本功能
隐藏层
隐藏层定义 隐藏层作用 隐藏层结构 隐藏层参数训练
输出层
定义：输出层是人工神经网络中的最后一层，负责将网络的处理结果输出到外部 功能：输出层将前一层神经元的输出作为输入，通过激活函数将输入转化为具体的输出值 类型：常见的输出层类型包括全连接层、softmax层等 作用：输出层的设计直接影响着人工神经网络的分类或回归任务的准确性
人工神经网络ANN方法简介课件
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人类智能的具体含义
感知与认识客观事物、客观世界和自我的能力； 通过学习获得经验、积累知识的能力； 理解知识、运用知识和经验分析、解决问题的能力； 联想、推理、判断、决策的能力； 运用语言进行抽象、概括的能力； 以上5点是人类智能的基本能力。 发现、发明、创造、创新的能力； 实时、迅速、合理地应付复杂环境的能力； 预测、洞察事物发展、变化的能力。 以上3点是前5种能力新的综合表现形式。
• 知识和概念化是否人工智能的核心？ • 认知能力能否与载体分开来研究？ • 认知的轨迹是否可以用类自然语言来描述？ • 学习能力能否与认知分开来研究？ • 所有的认识是否有一种统一的结构？
对以上5个基本问题的不同回答已经形成3个主要的学术流派： 符号主义（Symbolicisim） 联结主义（connetionism） 行为主义（actionism）
通过制造和使用工具来加强和延伸人类的生存、发展。
目的之二：进一步认识自己。
用物化的智能来考察和研究人脑智能的物质过程和规律。
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人工智能的3个主要流派
1991年，人工智能学家D. Krish在《Int. J. Artificial Intelligence》上提出人工智能的5个基本问题：
“世界上最大的未开发疆域，是 我们两耳之间的空间。”（美国汉 诺威保险公司总裁比尔·奥伯莱恩）
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大脑的有关数据
① 人大脑平均只有3磅左右。 只占身体重量比例的1/30；
② 使眼睛可以辨别1000万种细 微的颜色； ③ 使肌肉(如果全部向同一个 方向运动)产生25吨的拉力； ④ 是由100亿个脑细胞和10兆 个神经交汇丛组成。整个大脑 的神经网络足足有10英里长。
人工神经网络算法
人工神经网络算法人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）是一种模拟人脑神经网络进行计算的算法。
它由多个神经元（或称为节点）组成，通过不同神经元之间的连接进行信息传递和处理。
ANN可以用于解决各种问题，如分类、回归、聚类等。
ANN的设计灵感来自于人脑神经系统。
人脑中的神经元通过电信号进行信息处理和传递，而ANN中的神经元模拟了这个过程。
ANN中的每个神经元都有多个输入和一个输出，输入通过带有权重的连接传递给神经元，然后通过激活函数进行处理，并将结果传递给输出。
通过调整连接的权重和选择合适的激活函数，ANN可以学习和适应不同的输入模式，并做出相应的输出。
ANN的训练是通过反向传播算法来实现的。
反向传播算法基于梯度下降法，通过计算预测输出和实际输出之间的误差，并根据误差来调整每个连接的权重。
这个过程通过不断迭代来实现，直到达到一定的精确度或收敛条件。
ANN的性能和表达能力取决于其结构和参数的选择。
常见的ANN结构有多层感知机（Multi-Layer Perceptron，MLP）、卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）和循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）等。
不同结构适用于不同类型的问题。
此外，ANN 的性能还受到学习率、激活函数、正则化和初始化等参数的影响。
ANN的算法具有以下优点：1.具备学习和适应能力：ANN可以通过训练数据学习和适应不同的模式，从而适用于不同的问题。
2.并行处理能力：ANN中的神经元可以并行处理输入，从而加速计算速度。
3.容错性：ANN的误差传递和权重调整机制使其对输入数据的噪声和干扰具有一定的容忍能力。
然而1.需要大量的训练数据：ANN的性能和泛化能力需要大量的标记训练数据进行训练。
2.训练过程较为复杂：ANN的训练过程需要通过反向传播算法进行权重调整，这涉及到大量的计算和迭代。
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神经元的结构
树突从细胞体伸向其它神经元，神经元之间接受信号的联结点 为突触。通过突触输入的信号起着兴奋/抑制作用。当细胞体接 受的累加兴奋作用超过某阈值时，细胞进入兴奋状态，产生冲 动，并由轴突输出。
x1
w1
x2 xn
w2 wn
wi xi
感知器的激活函数
神经元获得网络输入信号后，信号累计效果整合函数u(X)大于 某阈值 时，神经元处于激发状态；反之，神经元处于抑制状 态。 构造激活函数，用于表示这一转换过程。要求是[-1, 1]之间 的单调递增函数。 激活函数通常为3种类型，由此决定了神经元的输出特征。
第三阶段
突破性进展：1982年，CalTech的物理学家J. Hopfield提出Hopfield神经网络 系统(HNNS)模型，提出能量函数的概念，用非线性动力学方法来研究 ANN， 开拓了ANN用于联想记忆和优化计算的新途径； 1988年，McClelland和Rumelhart利用多层反馈学习算法解决了“异或 （XOR）”问题。
§10.2 感知器（Perceptron） ——人工神经网络的基本构件
1、 感知器的数学模型——MP模型
感知器（Perceptron）：最早被设计并实现的人工神经网络。 W. McCulloch和W. Pitts总结生物神经元的基本生理特征，提出 一种简单的数学模型与构造方法，建立了阈值加权和模型，简 称M-P模型(“A Logical Calculus Immanent in Nervous Activity”, Bulletin of Mathematical Biophysics, 1943(5): 115~133）。 人工神经元模型是M-P模型的基础。
w1
w2 wi xi
u ( X ) wi x i W X
wn
设X = (x1, x2, …, xn)表示n个输入，W = (w1, w2, …, wn)表示它 们对应的联结权重。
故神经元所获得的输入信号累计效果为：
uX
wi xi
i 1Leabharlann n W , X
称u(X)为整合函数。
轴突 突触
树突
树突
内核 轴突
突触
数学模型
——多输入、单输出的加权和结构 模拟神经元的首要目标：输入信号的加权和
（生物神经元的一阶特征）
人工神经元可以接受一组来自系统中其它神经元的输入信号， 每个输入对应一个权重，所有输入的加权和决定该神经元的激 活状态。每个权就相当于突触的联结强度。
x1 x2 xn
大脑的有关数据
① 人大脑平均只有3磅左右。 只占身体重量比例的1/30；
② 使眼睛可以辨别1000万种细 微的颜色；
③ 使肌肉(如果全部向同一个 方向运动)产生25吨的拉力； ④ 是由100亿个脑细胞和10兆 个神经交汇丛组成。整个大脑 的神经网络足足有10英里长。
大脑复杂性的无限性
“你的大脑就像一个沉睡的巨人。” （英国的心理学家、教育家
ANN是基于联结主义流派的人工智能
联结主义学派与高速发展的计算机技术相结合，发展为计 算智能学派，是人工智能在1980年代后的深化和发展 计算智能：借助现代计算机技术模拟人的智能控制、生命 演化过程和人的智能行为，从而进行信息获取、处理、应用 的理论和方法 计算智能是以数学模型、计算模型为基础，以分布、并行、 仿生计算为特征，包含数据、算法和实现的信息系统
第一阶段
1943年，心理学家McCulloch和数学家Pitts对神经元进行形式化研究，提 出了神经元的数学模型——MP模型。
1944年，D. O. Hebb提出改变神经元联结强度的Hebb学习规则，至今仍然 是人工神经网络学习算法的一个基本原则。 1957年，Rosenblatt首次引进感知器(Perceptron)概念来模拟生物的感知、 学习能力。 1962年，Widros提出用于自适应系统的连续取值的线性网络。
人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）从四个方 面刻画人脑的基本特征： （1）、物理结构 模仿生物神经元的功能，构造人工神经元的联结网络
Dendrite
树突
Cell body
Axon
Nucleus Synapse
突触
（2）、计算模拟 人脑神经元既有局部的计算和存储功能，又通过联结构成统一 的系统，人脑的计算建立在该系统的大规模并行模拟处理基础 之上。 ANN以具有局部计算能力的神经元为基础，同样实现信息的大 规模并行处理。
“进化主义学派”、“控制论学派”；
认为人工智能来源于控制论，智能取决于感知和行动。提 出智能行为的“感知－动作”模式，采用行为模拟方法；
对符号主义、联结主义采取批判的态度；（智能不需要知 识、表示和推理，只需要与环境交互作用） 80年代诞生智能控制和智能机器人系统学科（R. A. Brooks），为机器人研究开创了新的方法。
Warren McCulloch （1898－1969）
Walter Pitts (1923－1969)
生物神经元的基本特征 神经元及其联结 神经元之间的联结强度决定信号传递的强弱 神经元之间的联结强度可以随训练而改变
信号分为兴奋型和抑制型
一个神经元接受的信号的累计效果决定该神经元的状态 每个神经元有一个阈值
人工神经网络的几种形式
无反馈前向网 多输入、多输出的多层无环图，同一层间无联结。 神经元分层排列，组成输入层、中间层（隐层）、输出层
有反馈前向网 从输出层到输入层存在反馈的前向网。
层内有联结的前向网
在无反馈前向网中同一层内存在神经元间的联结回路。
有向网
任意两个神经元间都可能存在有向联结。 网络处在动态中，直至达到某一平衡态、周期态或者混沌状态。
（3）、存储与操作 大脑对信息的记忆是通过改变突触的联结强度来实现并分布存 储。 ANN模拟信息的大规模分布存储。
（4）、训练 后天的训练使得人脑具有很强的自组织和自适应性。 ANN根据人工神经元网络的结构特性，使用不同的训练过程， 自动从“实践”（即训练样本）中获取相关知识，并存储在系 统中。
人工智能的行为主义流派
托尼· 布赞）
“如果我们迫使头脑开足1/4的马力，我们就会毫不费力地 学会40种语言，把整个百科全书从头到尾背下来，还可以完成 十几个大学的博士学位。”（前苏联学者伊凡）
——一个正常的大脑记忆容量有大约6亿本书的知识总量，相当于一部大 型电脑储存量的120万倍 ——大脑使你从出生开始每一秒钟可存储1000条信息，直到老死为止 ——全世界的电话线路的运作只相当于大约一粒绿豆体积的脑细胞 ——即使世界上记忆力最好的人，其大脑的使用也没有达到其功能的 1%
用物化的智能来考察和研究人脑智能的物质过程和规律。
人工智能的3个主要流派
1991年，人工智能学家D. Krish在《Int. J. Artificial Intelligence》上提出人工智能的5个基本问题： • • • • • 知识和概念化是否人工智能的核心？ 认知能力能否与载体分开来研究？ 认知的轨迹是否可以用类自然语言来描述？ 学习能力能否与认知分开来研究？ 所有的认识是否有一种统一的结构？
人类的知识与智慧，仍是“低度开发”！人的大脑是个无 尽宝藏，可惜的是每个人终其一生，都忽略了如何有效地发挥 它的“潜能”——潜意识中激发出来的能量。
2、 人工智能及其三个学派
人类的梦想 重新构造人脑，并让其代替人类完成相应的工作。 （无数科幻故事） 探索智能的奥秘 智能（intelligence） “观察、学习、理解和认识的能力”(牛津大辞典) “理解和各种适应性行为的能力”(韦氏大辞典) 智能是个体有目的的行为、合理的思维、以及有效的适应环境 的综合能力；也可以说是个体认识客观事物和运用知识解决问 题的能力。
人工智能的联结主义流派
又称仿生学派，认为人工智能源于仿生学，人思维的基本 单元是神经元，而非符号处理过程，主张用大脑工作模式取代 符号操作的电脑工作模式； 智能的本质是联结机制。神经网络是一个由大量简单的处 理单元组成的高度复杂的大规模非线性自适应系统； “结构－功能”的研究方法：认为功能、结构和智能行为 是密切相关的； 1943年，McCulloch和 Pitts从神经元入手研究神 经网络模型——MP模型。 此为人工神经网络研究之 始。
对以上5个基本问题的不同回答已经形成3个主要的学术流派： 符号主义（Symbolicisim） 联结主义（connetionism） 行为主义（actionism）
人工智能的符号主义流派
即传统的人工智能，认为人工智能源于数理逻辑，主张以 知识为基础，通过推理来进行问题求解，在研究方法上采用计 算机模拟人类认知系统功能的功能模拟方法 Simon、Minsky和Newell等认为，人和计算机都是一个物理 符号系统，因此可用计算机的符号演算来模拟人的认知过程； 作为智能基础的知识是可用符号表示的一种信息形式，因此人 工智能的核心问题是知识表示、知识推理和知识运用的信息处 理过程。 符号主义对符号 系统的描述
10 人工神经网络 （ANN）方法简介
§10.1 从生物神经元到人工神经网络
1、 生物神经系统和大脑的复杂性
生物系统是世界上最为复杂的系统。 生物神经系统活动和脑的功能，其复杂性是难以想象的。 大脑与神经细胞、神经细胞与神 经细胞构成了庞大天文数字量级的 高度复杂的网络系统。也正是有了 这样的复杂巨系统，大脑才能担负 起人类认识世界和改造世界的任务。 “世界上最大的未开发疆域，是 我们两耳之间的空间。”（美国汉 诺威保险公司总裁比尔· 奥伯莱恩）
人工智能
“人工智能（Artificial Intelligence）”
1956年初次引入