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从计算机博弈到机器人足球——人工智能长期而持续的挑战
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&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&关于我们 联系方式& 招聘信息 版权申明友情链接 网站公告&&专题报道 Special Reports从计算机博弈到机器人足球徐心和东北大学机器博弈研究室，沈阳，110004――人工智能长期而持续的挑战摘 要：计算机博弈是人工智能领域提出的第一个挑战性课题，经过半个世纪的艰苦拼搏，取得了战胜人类冠军 的辉煌业绩。这一阶段，人工智能领域又提出了新的
更高的挑战性课题――机器人足球。尽管中国在机器人足球 领域与先进国家的差距在减小，但是在计算机博弈领域的差距在加大。应该看到，计算机博弈仍然具有鲜明的挑 战性，而且具有非常好的科普性。应该有更多的院校参加到国内和国际的计算机博弈大赛当中。 关键词：机器人足球；计算机博弈；人工智能；搜索技术1.引言如何让计算机表现人类智能？包括人类的感 觉识别、思维决策、技术动作、学习提高等等，都 是计算机科学领域的前沿课题。如何选择那些与人 类生活密切相关的、能够调动群众性广泛研究兴 趣的、有显示度和关注度的人工智能课题，作为统 一的实验平台，开展科技竞赛活动，这是需要精心 挑选和设计才能发挥它推动科学研究进展的能动作 用。应该说这样的课题并非很多，而计算机下棋和 机器人足球便是非常成功的案例。 计算机下棋，也就是计算机博弈，又称之为 机器博弈（Computer Games），伴随着计算机的诞 生便受到学术界的普遍关注，显然这是人工智能领 域的很有显示度的挑战性课题，尽管“人工智能” （Artificial Intelligence）学科还是在它十年之 后（1956年）才正式诞生。 经过将近半个世纪的艰苦拼搏，计算机在棋类 博弈方面陆续取得了一系列引人触目辉煌业绩，尤 其是以1997年IBM深蓝战胜世界棋王卡斯帕罗夫而载 入史册。就在上世纪90年代，人工智能领域的专家 学者又郑重地提出了机器人足球（Robot Soccer）项 目。将机器人和世界第一大体育项目结合更是得到 非同寻常的反响，在不到20年的时间里，机器人足 球已在全世界蓬勃发展。 应该是“后发展效应”的原因，我国在机器人足球竞赛活动的开展上取得了非常好的业绩，与国 际先进水平的差距在不断缩小，但是在计算机博弈 方面却冷冷清清，差距好像还在加大。应该看到， 计算机博弈依然是人工智能领域极富挑战性的研究 课题，在国际上的研究工作一天也没有止步。而且 计算机博弈主要是博弈技术研究与软件开发，成本 很低，具有更好的普及性。在中国应该补上计算机 博弈这一课，不仅可以更好地推动青年学生的科技 活动，而且会对于博弈论、对策论及优化理论在经 济、社会、军事等领域的应用创造更好的条件。 本文第二节介绍了计算机博弈的艰苦历程和辉 煌战绩，第三节给出了机器人足球的诞生与发展， 对比了计算机博弈与足球机器人技术的特点，说明 中国已经成为机器人足球大国；第四节指出计算机 博弈深厚的技术内涵与挑战性、人工智能的“果 蝇”及应用前景；在结语部分论述了它良好的普及 性，号召更多的院校关注和参与计算机博弈的研究 与开发。2.计算机博弈――第一个挑战性课题早在计算机诞生的前夜，著名的数学家和计算 机学家阿伦?图灵(Alan Turing)便设计了一个能 够下国际象棋的纸上程序，并经过一步步的人为推 演，实现了第一个国际象棋的程序化博弈[1]。那些世 界上最著名的科学家，如计算机创始人冯?诺依曼基金项目：国家自然科学基金资助项目，合同编号（） 作者简介：徐心和（1940-），哈尔滨人，教授，博士导师，国际机器博弈协会（ICGA）副主席，中国人工智能学会机器 博弈专业委员会主任，主要从事自动控制、智能机器人、计算机博弈和博弈论方面研究。10 《机器人技术与应用》双月刊 1 期（John von Neumann），信息论创始人科劳德?香农 (Claude E. Shannon)[2]技术研究的群众运动。 尤其是ROBOCUP提出的远大目标 [4] ――到2050 年，人型足球机器人代表队要和人类世界冠军队按 照FIFA规则进行一场人机大战, 并要赢得这场胜利 ――更是指引和鼓舞着相关技术的发展方向。足球 机器人由仿真、轮式、四足，已经发展到双足多人 的场地对抗，让人们看到了机器人的光明前途。 从表1的对比中不难看出，开展机器人足球研究 所涉及的技术领域更加宽泛，硬件的投入也更加巨 大，当然也就更具有挑战性。 作为发展中国家的中国，不会完全沿袭发达 国家走过的道路，它将采取一种跳跃式的发展方 式，直接跟进最先进的技术领域，这也就是中国的 机器人足球为什么会得到特殊的青睐并得到长足的 发展。自从“东大牛牛”1999年在巴西的FIRA世界 杯赛上夺得首枚金牌，实现了机器人足球中国金牌 零的突破，在过去的十年中清华大学、中国科技大 学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、国防科技大 学等学校的代表队在机器人足球国际赛场上夺得了 数十枚金银铜奖牌。中国已经成为机器人足球大 国，中国的机器人大赛已经成为推动中国机器人研 究与开发的直接动力。，人工智能的创始人麦卡锡(John McCarthy)等人都曾涉足计算机博弈领域，并 做出过非常重要的贡献。 从上世纪40年代计算机诞生，计算机博弈经过 一代又一代学者的艰苦奋斗和坎坷历程，终于在上 世纪的八、九十年代，以计算机程序战胜棋类领域 的天才而享誉世界。其中最为著名的则是1997年5月 IBM“深蓝”战胜世界棋王卡斯帕罗夫，成为计算机 科学史上一个不朽的丰碑。在这之后，计算机博弈 一天也没有停息过拼搏。由《Science》杂志评选的 2007年十大科技突破中，就还包括了加拿大阿尔波 特大学的科研成果――解决了西洋跳棋(Checker)博 弈问题 ，也就是说，在西洋跳棋的博弈中计算机将 永远“立于不败之地”。 正当世界的目光开始将计算机博弈的方向聚焦 在中国象棋、日本将棋和围棋博弈系统的研究与开 发的时候，在中国计算机博弈却成了“被爱情遗忘 的角落”。寥寥无几的参与者，匮乏的参考文献， 沉寂的计算机博弈氛围，使得计算机博弈在中国大 陆难有大的作为。 近几年来，国内个别院校在中国象棋和六子棋的 计算机博弈方面取得了一定的突破，但是从活动的 普及和研究的深入程度上与先进国家仍然有着很大 的差距。[3]4.计算机博弈――人工智能的果蝇4.1 对于人类思维的挑战3.机器人足球――新时期挑战性课题机器人足球的提出还要追溯到1992年10月在东 京召开的关于“人工智能（AI）领域的大挑战” 学术研讨会（Workshop on Grand Challenges in Artificial Intelligence, Oct.1992, Tokyo）上， 在众多挑战性课题中认为让机器人踢足球是机器人 与人工智能领域最具挑战性的研究课题。通过这个 标准问题的平台，可以实现一系列高技术的对抗。 经过两年多的准备与论证，两大国际组织ROBOCUP和 FIRA相继诞生，并每年组织国际性和地区性的各种 比赛，有力地推动了以足球机器人为载体的相关高表1 计算机博弈与机器人足球对比 对比 计算机博弈 机器人足球 环境 静态 动态 状态变化 交替施招 实时演化 信息获取 完美信息 非完整信息 传感数据 符号型 非符号型 控制 集中 分散“后发展效应”让中国内陆错失了发展计算机 博弈的火热阶段，造成了当前冷清的局面。那么有 没有必要弥补这错失的阶段呢？这就需要认真分析 计算机博弈的技术内涵。 计算机博弈就是让计算机下棋，下国际象棋， 下中国象棋，下各种各样的棋。现在还有的科学家 研究让计算机打牌，打扑克牌，打麻将等。也就是 让计算机能像人一样，能够思维、判断和推理，能 够作出理性的决策。显然这是对于人类思维的挑 战。 下棋过程是难以建立各种形式的数学模型的， 虽然它属于博弈论的范畴，但是目前博弈论的研究 成果还无法解决最简 单棋类的博弈问题。硬件条件 计算机 机器人系统 软件开发 博弈软件 识别/决策/控制认真分析下棋过 程就会发现，弈棋的 过程是双方轮流给出日 《机器人技术与应用》 11专题报道 Special Reports着法，使棋局向着对本方有利的方向发展，直至最 后的胜利。而弈棋的核心是如何给出着法。这是一 个复杂的思维过程，简单说来就是：用着法推演局 面，从有利的局面中选择当前的着法。于是搜索理 论与算法就是计算机博弈的核心技术。 说起来，人类的思维过程中最主要的部分就 是搜索。人们常问：“你想起来没有？”“你想明 白没有？”“这么做对不对？”“怎么做才对？” ……就都是在进行思维，这都要进行搜索。 人类的思维包括逻辑思维、形象思维和灵感思 维等方面。但是从计算机下棋的分析过程中可以看 出：从行棋规则到可行着法，从博弈树展开到叶节 点评估，从选择最佳路径到确定当前着法等，计算 机所完成的都是逻辑思维过程。 由于计算机的形象思维能力很差，所以计算 机在下棋的过程中，缺少大局观。一些很简单的模 式，如围棋中的“气”和“眼”，象棋中的“蹩马 腿”“压象眼”等，人们一眼就能看出来的，计算 机却要反复扫描，才能够明确下来。至于谈到人类 的灵感思维，计算机好像还不知道该如何下手。 其实计算机的逻辑思维过程也是和人类有着很 大的区别。计算机靠的就是强大的计算能力和存储 能力，用最笨最简单的办法来实现人类复杂的思维 过程。因此在启发式算法的研究方面，也就是如何 将人类总结的知识引入到搜索过程中，也还有着很 大的创新空间。 科学研究是没有止境的，对于人类思维过程的 研究更是长期而持续的挑战。国际象棋的计算机博 弈仍然在不断进行着，而中国象棋的世界冠军还没 有败在计算机手下，至于计算机围棋的水平还下不 过业余高手。计算机博弈依然是极富挑战性的研究 课题。 4.2 人工智能的果蝇[5]研究载体？应该看到，机器博弈是既简单方便、经 济实用，又丰富内涵、变化无穷的思维逻辑的研究 载体。个把小时就可以下一盘棋，就可以对电脑的 “智能”进行测试，而且可以悔棋、重试、复盘， 可以一步步地发现电脑与人脑功能的差距，从而不 断提高电脑的智力水平。 如何将丰富的残局棋谱，经过抽象与提炼 放到博弈程序当中，这是知识工程的典型 课题； 如何通过某个象棋大师的大量棋谱，自动 归纳这位大师的下棋风格与特点，长项与 弱项。这是知识挖掘的典型课题； 如何剖析一盘棋的胜败过程与原因，进而 自动修改博弈程序，这是机器学习的典型 例题； 如何将围棋的各种定式进行表示和分辨， 这是模式识别的典型问题；…… 一提到人工智能的研究载体，人们首先想到的 就是机器人。然而构造一个机器人，还不要说足球 机器人系统，让机器人完成一次试验，又是何等复 杂和消耗巨大的事情。 4.3 应用前景分析[5] 机器博弈最直接的应用，应该是在作战模拟领 域。因为象棋、围棋都是从两军对阵中抽象出来的 智力游戏，都可以在两军对垒和作战形式上找到相 互对应的模式与范例。如兵种的设计与配合、消灭 有生力量、围而攻之夺取地盘等。尽管战争的问题 比棋类游戏远远复杂，但在战略战术思想上还是具 有很多的雷同。既然机器博弈系统已经可以和人类 的精英进行较量，那为什么不能将计算机快速而缜 密的逻辑思维能力应用到作战模拟当中？ 部队的指挥机关在谋划一场战役（斗）之前总 是要详细分析双方的兵力部署、战场的自然环境、 对方的可能调动、以及大量难以预见的事件、战斗 与结果。早期的战事谋划是在物理模型上进行的， 称之为沙盘推演。近代的战事谋划，包括日军袭击 珍珠港，联合国军诺曼底登陆，美军的海湾战争等 都是事先进行过周密的“兵棋推演”（War gaming, War simulation），以便做到“不打无准备之仗”。 二战退役的老兵还专门开发了一种游戏，称之为 “兵棋” 。 现代的兵棋推演已经不是在沙盘和地图上进 行，已经实现了数字化，参谋人员可以在计算机上[6]果蝇――水果摊边那些飞来飞去、只有约3毫米 长的红眼小“苍蝇”，由于它能在两周左右的时间 繁衍一代，被遗传学家视为最理想的遗传学研究的 载体。将果蝇关在牛奶瓶子里，给些香蕉之类的水 果，他们便能“代代相传”。当年摩尔根和他的学 生们十年如一日，先后发现伴性遗传、基因重组等 现象，确定了基因在染色体上，做出果蝇的第一张 染色体图，使得经典遗传学进入顶峰时期。1933年 摩尔根获得了诺贝尔生理学和医学奖。 那 么 什 么 是 人 工 智 能 学 科 的 果 蝇 ―― 理 想 的12 《机器人技术与应用》双月刊 1 期输入各种兵力的部署与调动，适时做出战斗的决 策，并由计算机裁决战斗的结果和给出形象的显 示。 在兵棋推演数字化的情况下，兵棋推演的智能 化便是必然的发展趋势。如何实现兵棋推演的智能 化？如何研制无人作战飞机的联合作战策略？如何 在未来的无人作战部队中实现自动指挥与配合？机 器博弈的成果必然能够成为诸多关键技术的核心， 因为它是人工智能的高级体现 。[7]美国水下机器人首次拍到 深海火山爆发壮观景象据报道，美国海洋学家利用水下机器人 “杰森”（Jason）探测到了深海处的一次 火山喷发现象，并首次记录下一段视频和若 干图片。此次拍摄到的深海火山位于太平洋 4000英尺下的海底，位置在斐济、汤加和萨 摩亚三国的交界处。 水下机器人“杰森”是由美国国家深潜 装备中心(NDSF)所属的伍兹霍尔海洋研究 所设计的，上面安装着一架具有高分辨率图 片和视频的摄影机，可以在超过7000米的海 底之下正常操作，其独特的图片与视频摄影 系统每秒钟能够拍摄30-60幅静止图片，同 时可以运动，记录每秒30帧的高分辨率视 频。5.结语计算机博弈要比足球机器人具有更好的普及 性，因为它除了计算机之外再不需要其它的硬件 设备，除了博弈技术分析和软件开发外，并不需 要更多的专业知识。成本低廉，技术单一，容易 启动，使得计算机博弈更适合于大学生的科技活 动。目前在国际上有国际机器博弈协会（ICGA）举 办的一年一度的计算机奥林匹克大赛（Computer Olympiad），在国内有中国人工智能学会举办的全 国计算机博弈锦标赛（CCGC），同时都伴有学术研 讨会。目前国内已经具有良好的博弈氛围，为更多 的学校参加计算机博弈大赛创造了良好的条件。参考文献[1]Frederic Friedel,michael译注：电脑国际象棋简史Frederic Friedel：Briefhistory of computer chess _. [2]Shannon, Claude E.：Programming a computer for playing chess[J], Philosophical Magazine, Vol. 41:256-275, 1950. [3]Science-10-Breakthrough of the Year2007,22.Dec.2007 [4]What is RoboCup? [5]徐心和，邓志立等：机器博弈研究面临的各种挑战[C].中国人 工智能进展（2007），北京邮电大学出版社，]杨南征：虚拟演兵――兵棋、作战模拟与仿真[M]. 北京：解 放军出版社，]徐心和，邓志立：基于机器博弈的作战模拟系统探讨[C].中国 系统建模与仿真技术高层论坛论文集，－22，北京, 113-117科学家使用操纵杆将水下机器人“杰 森”移动到了海底处，距离喷发中的火山不 到十英尺。机器人的两个机器手臂可以采集 岩石、热水、微生物和宏观生物物种等样 品。另外，通过连接的光纤绳索，水下机器 人“杰森”可以传送回火山喷发时的高清晰 度视频。日 《机器人技术与应用》 13
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