淺談編程學(xué)習(xí)中目標(biāo)問題真實(shí)性的價(jià)值

區(qū)蘇

摘要：人工智能是當(dāng)前一個(gè)非常熱門的話題，其技術(shù)的學(xué)習(xí)方法也是舉足輕重。本文以計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的編程學(xué)習(xí)為討論對(duì)象，從人工智能符號(hào)主義觀點(diǎn)的角度，介紹知識(shí)獲取和表示的一些學(xué)習(xí)方式。通過抽象與形象兩類實(shí)例差異的對(duì)比，來闡述編程學(xué)習(xí)中目標(biāo)問題真實(shí)性的重要意義。

關(guān)鍵詞：編程學(xué)習(xí);目標(biāo)問題;人工智能

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）14-0140-02

知識(shí)獲取是指人類利用感官對(duì)外部環(huán)境、社會(huì)、物體等知識(shí)源進(jìn)行基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)捕捉。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以是人類反映目標(biāo)對(duì)象的記號(hào)、文字、圖像等媒體形式，從而形成了知識(shí)的表示。數(shù)據(jù)作為相關(guān)對(duì)象的信息載體，其具體的表示與組合中蘊(yùn)含著更深層次且豐富的內(nèi)容，即信息。信息在長期的規(guī)范化的描述和使用中，逐漸被發(fā)掘出其本質(zhì)的規(guī)律和結(jié)構(gòu)，即知識(shí)。所以，知識(shí)的形成所表現(xiàn)出來的是一個(gè)漫長而又復(fù)雜的演變過程，掌握基礎(chǔ)的知識(shí)獲取和表示方法，是學(xué)習(xí)人工智能程序設(shè)計(jì)的一種有效的途徑。

知識(shí)表示多種多樣，其不同的表現(xiàn)形式，對(duì)人工智能編程的學(xué)習(xí)會(huì)有很大的差異。現(xiàn)以計(jì)科專業(yè)中一個(gè)常見的題目為例來展開介紹——迷宮問題。本文以抽象和形象兩種形式來展開，對(duì)比兩類編程中需要考量的部分設(shè)計(jì)內(nèi)容：

1抽象模型

1）抽象模型迷宮的設(shè)計(jì)一般較為簡(jiǎn)單，如二維坐標(biāo)系，利用行和列的坐標(biāo)把迷宮等分為四邊相互連接的正方形單元格。迷宮的單元格通常分類為通道單元格和障礙物單元格。迷宮問題要求移動(dòng)體由起點(diǎn)位置出發(fā)，沿連續(xù)的通道單元格行走，找到迷宮的終點(diǎn)（如圖1）。編程代碼中可以用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的二維數(shù)組和單元格標(biāo)識(shí)來表示。

2）抽象模型的移動(dòng)體可以沒有具體的形狀，一般設(shè)計(jì)成在某一個(gè)單元之內(nèi)，并由所在位置單元格的坐標(biāo)來表示。移動(dòng)體尋徑設(shè)計(jì)如下。

（1）移動(dòng)體的移動(dòng)方向。參考迷宮的單元格四邊形的特點(diǎn)，可以簡(jiǎn)單地分為四個(gè)方向（上下左右）。如移動(dòng)體向下移動(dòng)，行坐標(biāo)x+0，列坐標(biāo)y-1，其他三個(gè)方向坐標(biāo)變化同理可得。坐標(biāo)系變化時(shí)還需要做越界檢測(cè)，看看移動(dòng)體是否異常走出迷宮的坐標(biāo)范圍。

（2）方向優(yōu)先順序。在方向抉擇時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)方向同時(shí)都可通行的狀況，那么采用沖突消解的策略來優(yōu)先其中一個(gè)移動(dòng)方向。如簡(jiǎn)單的順時(shí)針方向策略，方向選擇優(yōu)先級(jí)順序可為上一>右一>下一>左。全程只用到迷宮坐標(biāo)系，無須考慮移動(dòng)體的個(gè)體坐標(biāo)系，。

（3）尋徑方式。整個(gè)迷宮的移動(dòng)采用盲目搜索方式，在選擇了一個(gè)方向后，以深度優(yōu)先對(duì)新的位置上的四個(gè)方向進(jìn)一步地搜索，并反復(fù)這個(gè)步驟。當(dāng)移動(dòng)體遇到障礙物單元格時(shí)，可以采用棧的形式回溯到上一層的搜索狀態(tài)，并對(duì)已走過的通道單元格和接觸到的障礙物單元格進(jìn)行標(biāo)識(shí)。二維數(shù)組保存迷宮路徑的標(biāo)識(shí)信息，方便移動(dòng)體原路返回和避免重復(fù)搜索。

2形象模型

形象模型區(qū)別于抽象模型，要采用實(shí)體或趨近于實(shí)體的模型。形象模型會(huì)增加模型制作和編程設(shè)計(jì)的工作量，同時(shí)會(huì)伴隨實(shí)體誤差積累等復(fù)雜因素。不擅長硬件技術(shù)的計(jì)科專業(yè)學(xué)生，可以選擇采用仿真形式的形象模型，即節(jié)省經(jīng)費(fèi)，也便于制作維護(hù)。本文在此以Gazebo仿真軟件為編程設(shè)計(jì)平臺(tái)翻。該軟件是一款3D動(dòng)態(tài)模擬器，能夠在復(fù)雜的室內(nèi)或室外環(huán)境中準(zhǔn)確有效地模擬機(jī)器人群。由于篇幅的關(guān)系，Gazebo和關(guān)聯(lián)的軟件的使用介紹就不在文中贅述。

形象模型的迷宮問題需要設(shè)計(jì)的幾個(gè)內(nèi)容（效果見圖2）。

1）形象模型迷宮的設(shè)計(jì)需要用到3D建模軟件繪制三維迷宮。三維的迷宮需要設(shè)置具體的仿真屬性。

（1）迷宮的樣式。如設(shè)置成墻體，則有規(guī)格（長寬高）、質(zhì)量、慣性等。

（2）迷宮制作的細(xì)節(jié)。如迷宮制作一般會(huì)分成多個(gè)墻體段，并拼接起來，和設(shè)置各墻體段在空間坐標(biāo)系的具體位置。

2）形象模型的移動(dòng)體也是要用到3D建模軟件，需要設(shè)置仿真移動(dòng)體的具體屬性。

（1）移動(dòng)體的樣式，如設(shè)置成小車，需要3D建模小車的車體、質(zhì)量、慣性、行進(jìn)方式（輪式、履帶式等）、感應(yīng)部件（鐳射、攝像頭等）、動(dòng)力單元、部件關(guān)聯(lián)等。

（2）方向搜索策略。如本文以輪式帶鐳射的小車為例，其移動(dòng)可以借鑒抽象模型移動(dòng)的四個(gè)方向的方法，但需要對(duì)其改進(jìn)。四個(gè)方向改進(jìn)成以小車鐳射感應(yīng)器為主體坐標(biāo)系視角的前后左右，沿用順時(shí)針方向策略搜索。小車為主體時(shí)，按照深度優(yōu)先的原則，向后移動(dòng)的方向應(yīng)該排序在最后，以提高移動(dòng)體的搜索效率。改進(jìn)后的順時(shí)針的順序如：左一>前一>右一>后，即左手法則。

（3）移動(dòng)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。如小車前進(jìn)左轉(zhuǎn)時(shí)是否前進(jìn)一>原地左轉(zhuǎn)一>再前進(jìn)，還是行進(jìn)過程中弧度左轉(zhuǎn)。這里需要設(shè)定小車的動(dòng)力單元的輪轉(zhuǎn)速度，如實(shí)現(xiàn)原地左轉(zhuǎn)，需要設(shè)定左輪后退轉(zhuǎn)動(dòng)，右輪繼續(xù)前進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng);如實(shí)現(xiàn)進(jìn)行過程中弧度左轉(zhuǎn)，則設(shè)定左輪慢速前進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，右輪快速前進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。小車的直行前進(jìn)、右轉(zhuǎn)、掉頭可參考前進(jìn)左轉(zhuǎn)的方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)比兩者的代碼，前者的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單、重用性較高，小車移動(dòng)的代碼更關(guān)注向左邊和向前的行走，其向右行走可以由旋轉(zhuǎn)和直行的代碼搭配來重用實(shí)現(xiàn)。后者的設(shè)計(jì)使小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)路徑更短，且加靈活輕巧。

（4）小車的方向判斷機(jī)制。如左轉(zhuǎn)的判斷機(jī)制，根據(jù)判斷感應(yīng)部件（鐳射）的感應(yīng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。鐳射數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步處理成ROI（感興趣區(qū)域），如鐳射感應(yīng)器返回的是輻射線型的數(shù)據(jù)，則截取線型數(shù)據(jù)的最左端、中間、最右端的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過多點(diǎn)數(shù)據(jù)值的不同狀態(tài)，歸納出判斷左轉(zhuǎn)的知識(shí)（見圖4、圖5）。

（5）更多可擴(kuò)展內(nèi)容。如編程中的誤差校準(zhǔn)、記憶功能、智能優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘、人機(jī)交互、進(jìn)程通信等都可以進(jìn)一步地學(xué)習(xí)和研究。制作的過程中把計(jì)科專業(yè)的課程知識(shí)與問題處理相互融合是非常有意義的。

3總結(jié)

在兩種類型的迷宮問題的編程學(xué)習(xí)中，我們可以清晰地看到目標(biāo)問題對(duì)象的真實(shí)性對(duì)編程設(shè)計(jì)的難度是不同的，所帶來的編程體驗(yàn)和效果也有大的差異。在實(shí)體或仿真模型中，會(huì)更多地要求對(duì)問題細(xì)節(jié)進(jìn)行處理設(shè)計(jì)，對(duì)代碼編程進(jìn)行智能展現(xiàn)，如。

（1）迷宮的特征與屬性設(shè)定好后，其如何存儲(chǔ)表示和知識(shí)轉(zhuǎn)化，并應(yīng)用與問題求解。

（2）移動(dòng)體及其部件外形和性能的比較和選取，對(duì)編程設(shè)計(jì)中的知識(shí)、決策和算法的使用會(huì)有很大的影響。

（3）智能化編程應(yīng)用方面。實(shí)體或仿真模型會(huì)帶來更多復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題，但同時(shí)給智能編程設(shè)計(jì)者提供了指導(dǎo)思路，也為計(jì)科專業(yè)課程知識(shí)的應(yīng)用與實(shí)踐提供了測(cè)試平臺(tái)。

學(xué)習(xí)人工智能編程需要認(rèn)識(shí)到人工智能的“AI+”特性，搭配某個(gè)具體問題來學(xué)習(xí)是個(gè)不錯(cuò)的方法。越真實(shí)的問題模型，越會(huì)對(duì)智能的編程設(shè)計(jì)起到良好的鍛煉效果，而這些學(xué)習(xí)成果也會(huì)更加有實(shí)際作用和應(yīng)用價(jià)值。