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智能系统

作译者：刘河,杨艺

出版时间：2020-03 千字数：541 版次：01-01 页数：356

开本：16开装帧： I S B N ：9787121382680

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纸质书定价：￥88.0

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第 1 章  绪论 .............................................................................................................................. 1 
1.1  智能系统的前世今生 ................................................................................................. 1
 1.1.1  智能系统概述 ................................................................................................. 2
 1.1.2  智能系统的前世 ............................................................................................. 2
 1.1.3  智能系统的今生 ............................................................................................. 3 
1.1.4  智能系统的主要特征 ..................................................................................... 3
 1.2  概念模型和类谱表 ..................................................................................................... 4 
1.3  主要特征和类型 ......................................................................................................... 5 
1.4  智能系统发展前景 ..................................................................................................... 6 
.4.1  专家系统 ......................................................................................................... 6 
1.4.2  智能机器 ......................................................................................................... 7 
1.4.3  智能社会 ......................................................................................................... 9
 1.4.4  智能产业 ....................................................................................................... 13 
习题 .................................................................................................................................... 14
 参考文献 ............................................................................................................................ 14 
第 2 章  智能感知 .................................................................................................................... 16 
2.1  智能感知概述 ........................................................................................................... 16 
2.1.1  传感器与智能传感器 ................................................................................... 16 
2.1.2  感知智能 ....................................................................................................... 19
 2.1.3  智能感知系统 ............................................................................................... 19
 2.2  多传感器数据融合 ................................................................................................... 21 
2.2.1  数据融合的概念 ........................................................................................... 21
 2.2.2  数据融合的目标、原理与层次 ................................................................... 22 
2.2.3  数据融合的方法 ........................................................................................... 23
 2.3  网络化智能协作感知 ............................................................................................... 26 
2.3.1  传感网络与 WSN ......................................................................................... 26 
2.3.2  协作感知 ....................................................................................................... 28 
2.4  智能感知应用 ........................................................................................................... 29 
2.4.1  视觉感知 ....................................................................................................... 29
 2.4.2  听觉感知 ....................................................................................................... 32
 2.4.3  触觉感知 ....................................................................................................... 33
 2.5  实验：无线传感网络（WSN）——节点分簇聚合模拟 ....................................... 35
 2.5.1  实验目的 ....................................................................................................... 35 
2.5.2  实验要求 ....................................................................................................... 35 
2.5.3  实验原理 ....................................................................................................... 35 
2.5.4  实验步骤 ....................................................................................................... 36
 2.5.5  实验结果 ....................................................................................................... 39
 习题 .................................................................................................................................... 40 
参考文献 ............................................................................................................................ 40
 第 3 章  智能计算 .................................................................................................................... 43 
3.1  神经计算 ................................................................................................................... 43
 3.1.1  从生物神经元到人工神经元 ....................................................................... 43 
3.1.2  从单层感知器到多层神经网络 ................................................................... 45 
3.1.3  反向传播算法 ............................................................................................... 49 
3.1.4  无监督学习网络 ........................................................................................... 52
 3.2  遗传算法 ................................................................................................................... 54
 3.2.1  遗传表达与编码 ........................................................................................... 54 
3.2.2  简单遗传算法 ............................................................................................... 55
 3.2.3  应用实例：数学函数优化 ........................................................................... 57 
3.3  免疫计算 ................................................................................................................... 59
 3.3.1  概要 ............................................................................................................... 59 
3.3.2  基本免疫算法 ............................................................................................... 60
 3.3.3  基于免疫算法的 TSP 问题求解 .................................................................. 62
 3.4  模糊逻辑与推理系统 ............................................................................................... 63
 3.4.1  模糊集和清晰集 ........................................................................................... 64 
3.4.2  模糊集的运算 ............................................................................................... 65
 3.4.3  模糊分类 ....................................................................................................... 66 
3.5  实验：实现遗传算法 ............................................................................................... 67
 3.5.1  实验目的 ....................................................................................................... 67
 3.5.2  实验要求 ....................................................................................................... 67
 3.5.3  实验原理 ....................................................................................................... 68 
3.5.4  实验步骤 ....................................................................................................... 68
 习题 .................................................................................................................................... 72
 参考文献 ............................................................................................................................ 72 
第 4 章  执行系统 .................................................................................................................... 74
 4.1 执行系统概述 ........................................................................................................... 74 
4.1.1  执行系统的概念 ........................................................................................... 74 
4.1.2  制造执行系统 ............................................................................................... 75
 4.2  组件化 ....................................................................................................................... 76
 4.2.1  组件化的概念 ............................................................................................... 76
 4.2.2  组件化架构缘起 ........................................................................................... 77
 4.2.3  组件化架构案例 ........................................................................................... 77
 4.3  智能流程管理 ........................................................................................................... 78 
4.3.1  智能化流程管理的内涵 ............................................................................... 78 
4.3.2  智能化流程管理的功能 ............................................................................... 80 
4.3.3  发展动态 ....................................................................................................... 81 
4.4  信息加工 ................................................................................................................... 82 
4.4.1  基础知识 ....................................................................................................... 82 
4.4.2  基本方法 ....................................................................................................... 83 
4.4.3  一般流程 ....................................................................................................... 84 
4.5  案例：汽车制造执行系统 ....................................................................................... 86 
4.6  实验：工厂流水线工件处理模拟 ........................................................................... 89 
4.6.1  实验目的 ....................................................................................................... 89
 4.6.2  实验要求 ....................................................................................................... 89
 4.6.3  实验原理 ....................................................................................................... 90
 4.6.4  实验步骤 ....................................................................................................... 90 
习题 .................................................................................................................................... 93 
参考文献 ............................................................................................................................ 93
 第 5 章  信息物理系统 ............................................................................................................ 95 
5.1  信息物理系统概述 ................................................................................................... 95 
5.1.1  信息物理系统的概念 ................................................................................... 95
 5.1.2  信息物理系统的特征 ................................................................................... 96 
5.1.3  常见的网络系统 ........................................................................................... 98 
5.1.4  信息物理系统的发展 ................................................................................... 99
 5.2  信息物理系统的实现 ............................................................................................. 100 
5.2.1  信息物理系统的体系架构 ......................................................................... 100 
5.2.2  信息物理系统的技术需求 ......................................................................... 103 
5.2.3  信息物理系统的技术体系 ......................................................................... 103 
5.2.4  信息物理系统的核心技术要素 ................................................................. 104
 5.2.5  信息物理系统的标准化 ............................................................................. 111 
5.3  研究展望 ................................................................................................................. 112 
5.3.1  国外研究现状 ............................................................................................. 112 
5.3.2  国内研究现状 ............................................................................................. 114 
5.3.3  信息物理系统研究展望 ............................................................................. 114 
5.4  案例 ......................................................................................................................... 115 
5.4.1  案例名称 ..................................................................................................... 115
 5.4.2  建设背景 ..................................................................................................... 115
 5.4.3  实施情况 ..................................................................................................... 115
 5.4.4  实施效果 ..................................................................................................... 117
5.5  实验：使用 SimPy 仿真加油站运行 ..................................................................... 118 
5.5.1  实验目的 ..................................................................................................... 118 
5.5.2  实验要求 ..................................................................................................... 118 
5.5.3  实验原理 ..................................................................................................... 118 
5.5.4  实验步骤 ..................................................................................................... 118
 习题 .................................................................................................................................. 122 
参考文献 .......................................................................................................................... 123
 第 6 章  模糊逻辑系统 .......................................................................................................... 124
 6.1  模糊逻辑系统概述 ................................................................................................. 124 
6.1.1  模糊逻辑系统的定义 ................................................................................. 124 
6.1.2  模糊逻辑系统的工作原理 ......................................................................... 127 
6.2  模糊逻辑系统结构 ................................................................................................. 129 
6.2.1  模糊化模块 ................................................................................................. 130 
6.2.2  知识库 ......................................................................................................... 130 
6.2.3  推理机制 ..................................................................................................... 130 
6.2.4  去模糊化模块 ............................................................................................. 131 
6.3  逻辑开发过程 ......................................................................................................... 131 
6.3.1  定义语言变量和术语 ................................................................................. 131
 6.3.2  构建成员函数 ............................................................................................. 131
 6.3.3  构建知识库 ................................................................................................. 133
 6.3.4  模糊推理 ..................................................................................................... 135 
6.3.5  解模糊化 ..................................................................................................... 135 
6.4  案例 ......................................................................................................................... 137
 6.4.1  汽车系统 ..................................................................................................... 137 
6.4.2  消费电子产品 ............................................................................................. 139 
6.4.3  环境控制 ..................................................................................................... 142
 6.5  实验 ......................................................................................................................... 144 
6.5.1  实验目的 ..................................................................................................... 144 
6.5.2  实验要求 ..................................................................................................... 144 
6.5.3  实验原理 ..................................................................................................... 144 
6.5.4  实验步骤 ..................................................................................................... 145 
6.5.5  实验结果 ..................................................................................................... 146
 习题 .................................................................................................................................. 147
 参考文献 .......................................................................................................................... 148 
第 7 章  自主无人系统 .......................................................................................................... 149 
7.1  自主无人系统的概念和特征 ................................................................................. 149 
7.1.1  基本概念 ..................................................................................................... 149
 7.1.2  关键特征 ..................................................................................................... 150 
7.2  系统组成和模型 ..................................................................................................... 151
 7.2.1  系统组成 ..................................................................................................... 151
 7.2.2  系统模型 ..................................................................................................... 152
 7.3  研究和发展现状 ..................................................................................................... 157
 7.3.1  研究应用现状 ............................................................................................. 157 
7.3.2  发展趋势 ..................................................................................................... 160 
7.3.3  未来挑战 ..................................................................................................... 161 
7.4  自组织网络 ............................................................................................................. 162
 7.4.1  概念释义 ..................................................................................................... 162
 7.4.2  显著特点 ..................................................................................................... 163
 7.4.3  网络结构 ..................................................................................................... 164
 7.4.4  路由协议 ..................................................................................................... 166 
7.4.5  网络管理 ..................................................................................................... 166 
7.4.6  应用案例 ..................................................................................................... 168 
7.5  无人飞行器 ............................................................................................................. 169
 7.5.1  基本概念 ..................................................................................................... 169 
7.5.2  发展状况 ..................................................................................................... 171
 7.5.3  系统工作机理 ............................................................................................. 174
 7.5.4  关键技术分析 ............................................................................................. 176 
7.6  无人驾驶汽车 ......................................................................................................... 180
 7.6.1  无人驾驶汽车的定义 ................................................................................. 180 
7.6.2  分类分级 ..................................................................................................... 180 
7.6.3  研发应用情况 ............................................................................................. 184
 7.6.4  体系架构 ..................................................................................................... 188
 7.6.5  主要研究内容 ............................................................................................. 190 
7.7  实验 ......................................................................................................................... 192
 7.7.1  实验目的 ..................................................................................................... 192 
7.7.2  实验要求 ..................................................................................................... 193 
7.7.3  实验原理 ..................................................................................................... 193 
7.7.4  实验步骤 ..................................................................................................... 193
 7.7.5  实验结果 ..................................................................................................... 194
 习题 .................................................................................................................................. 196 
参考文献 .......................................................................................................................... 196 
第 8 章  群体智能 .................................................................................................................. 200
 8.1  蚁群优化算法 ......................................................................................................... 200 
8.2  粒子群优化算法 ..................................................................................................... 203
 8.3  蜂群优化算法 ......................................................................................................... 205
 8.4  细胞自动机 ............................................................................................................. 207 
8.4.1  细胞系统的基本构成 ................................................................................. 207 
8.4.2  细胞自动机 ................................................................................................. 210 
8.4.3  细胞系统建模 ............................................................................................. 213
 8.4.4  康威生命游戏 ............................................................................................. 215 
8.5  实验：基于遗传算法 GA 的 TSP 问题求解 ......................................................... 216
 8.5.1  实验目的 ..................................................................................................... 216 
8.5.2  实验要求 ..................................................................................................... 216 
8.5.3  实验原理 ..................................................................................................... 216 
8.5.4  实验步骤 ..................................................................................................... 217 
8.5.5  实验结果 ..................................................................................................... 222 
习题 .................................................................................................................................. 224
参考文献 .......................................................................................................................... 224 
第 9 章  多 Agent 系统 ......................................................................................................... 225
9.1  多 Agent 系统概述 ................................................................................................. 225
9.1.1  MAS 的概念 ............................................................................................... 225 
9.1.2  MAS 的结构 ............................................................................................... 226 
9.1.3  MAS 的特点及分类 ................................................................................... 227 
9.2  多 Agent 协调与协作 ............................................................................................. 229
9.3  构建模型 ................................................................................................................. 233 
9.3.1  MAS 的建模思想 ....................................................................................... 233
 9.3.2  Agent 模型的建立 ...................................................................................... 234 
9.3.3  Agent 模型的形式化描述 .......................................................................... 235 
9.4  多 Agent 系统仿真 ................................................................................................. 237 
9.4.1  基于 Agent 的系统仿真方法 ................................................................... 237
 9.4.2  多 Agent 系统仿真案例 ............................................................................. 240 
9.5  实验：Schelling 隔离模型仿真 ............................................................................. 243 
9.5.1  实验目的 ..................................................................................................... 243 
9.5.2  实验要求 ..................................................................................................... 243 
9.5.3  实验原理 ..................................................................................................... 243
 9.5.4  实验步骤 ..................................................................................................... 244 
习题 .................................................................................................................................. 250
参考文献 .......................................................................................................................... 250
 第 10 章  人机协同系统 ........................................................................................................ 252 
10.1  人机协同系统概述 ............................................................................................... 252
 10.1.1  人机协同系统的概念 ............................................................................... 252 
10.1.2  中外研究 ................................................................................................... 252 
10.2  运行机制 ............................................................................................................... 253
 10.2.1  人机协同系统的结构 ............................................................................... 253 
10.2.2  人机协同系统的运行机制 ....................................................................... 254 
10.3  智能迁移 ............................................................................................................... 255 
10.4  案例：人机协作机器人在大陆汽车的应用 ....................................................... 257
 10.5  实验：调用 AIML 库进行智能机器人的开发 ................................................... 258 
10.5.1  实验目的 ................................................................................................... 258 
10.5.2  实验要求 ................................................................................................... 258
 10.5.3  实验原理 ................................................................................................... 258 
10.5.4  实验步骤 ................................................................................................... 259 
习题 .................................................................................................................................. 267 
参考文献 .......................................................................................................................... 267 
第 11 章  工业智能控制系统 ................................................................................................ 268 
11.1  工业智能控制系统概述 ....................................................................................... 268
 11.1.1  背景 ........................................................................................................... 268 
11.1.2  数字化车间 ............................................................................................... 269 
11.1.3  智能工厂 ................................................................................................... 270 
11.2  工厂数据中心 ....................................................................................................... 272 
11.2.1  系统构成 ................................................................................................... 272 
11.2.2  数据采集和存储 ....................................................................................... 273 
11.2.3  数据处理 ................................................................................................... 274
 11.2.4  数据展示 ................................................................................................... 275
 11.3  生产计划与控制 ................................................................................................... 275 
11.3.1  详细排程 ................................................................................................... 276 
11.3.2  生产调度 ................................................................................................... 277
11.3.3  生产跟踪 ................................................................................................... 279
 11.4  工序质量控制 ....................................................................................................... 279 
11.4.1  质量监控 ................................................................................................... 280
 11.4.2  质量判定 ................................................................................................... 281
 11.4.3  质量追溯 ................................................................................................... 282
 11.5  设备状态监测 ....................................................................................................... 283
 11.5.1  简述 ........................................................................................................... 283 
11.5.2  信号检测 ................................................................................................... 284
 11.5.3  信号采集 ................................................................................................... 285 
11.5.4  信号分析 ................................................................................................... 286 
11.5.5  智能诊断 ................................................................................................... 289 
11.5.6  剩余寿命预测 ........................................................................................... 290 
11.6  实验：基于振动及温度监测的风机故障预警 ................................................... 291 
11.6.1  实验目的 ................................................................................................... 291
 11.6.2  实验要求 ................................................................................................... 291
 11.6.3  实验原理 ................................................................................................... 291
 11.6.4  实验步骤 ................................................................................................... 292
 11.6.5  实验结果 ................................................................................................... 293
 习题 .................................................................................................................................. 295 
参考文献 .......................................................................................................................... 296 
第 12 章  机器人系统 ............................................................................................................ 297 
12.1  基本结构 ............................................................................................................... 297 
12.1.1  上肢 ........................................................................................................... 297
 12.1.2  下肢 ........................................................................................................... 298 
12.1.3  躯干和关节 ............................................................................................... 299
 12.1.4  驱动装置 ................................................................................................... 300 
12.2  感知系统 ............................................................................................................... 301 
12.2.1  内部监测系统 ........................................................................................... 303 
12.2.2  外部感官 ................................................................................................... 303 
12.3  机器人的操作系统 ............................................................................................... 308
 12.3.1  ROS 概述 .................................................................................................. 308 
12.3.2  架构 ........................................................................................................... 312 
12.4  机器人的控制系统 ............................................................................................... 314 
12.4.1  主要内容 ................................................................................................... 315 
12.4.2  机器人的大脑 ........................................................................................... 316 
12.4.3  机器人底层控制系统 ............................................................................... 317 
12.4.4  机器人运动控制系统 ............................................................................... 318 
12.4.5  机器人移动轨迹控制 ............................................................................... 320 
12.4.6  机器人力控制系统 ................................................................................... 320
 12.4.7  机器人视觉控制系统 ............................................................................... 321
 12.4.8  机器人智能控制系统 ............................................................................... 322
 12.5  环境建模 ............................................................................................................... 324 
12.5.1  全局路径规划方法 ................................................................................... 324 
12.5.2  局部路径规划方法 ................................................................................... 325 
12.5.3  路径规划改进方法 ................................................................................... 327
 12.5.4  三维建模 ................................................................................................... 328
 12.6  实验：机器人系统单元设计 ............................................................................... 328 
12.6.1  舵机控制 ................................................................................................... 329 
12.6.2  路径规划 ................................................................................................... 331
 12.6.3  视觉目标检测 ........................................................................................... 335 
习题 .................................................................................................................................. 339 
参考文献 .......................................................................................................................... 340

各行各业不断涌现人工智能应用，资本大量涌入人工智能领域，互联网企业争抢人 工智能人才??人工智能正迎来发展“黄金期”。放眼全球，人工智能人才储备告急，仅 我国，人工智能的人才缺口即超过 500 万人。据《人民日报》报道，国内人工智能人才 供求比例仅为 1:10。为此，加强人才培养，填补人才空缺，成了当务之急。 2017 年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，明确将举全国之力在 2030 年抢 占人工智能全球制高点，加快培养聚集人工智能高端人才，完善人工智能领域学科布局， 设立人工智能专业。2018 年，教育部印发《高等学校人工智能创新行动计划》，要求“对 照国家和区域产业需求布点人工智能相关专业??加大人工智能领域人才培养力度”。 2019 年，国家主席习近平在致 2019 中国国际智能产业博览会的贺信中指出，以互联网、 大数据、人工智能为代表的新一代信息技术日新月异，中国高度重视智能产业发展，加 快数字产业化、产业数字化，推动数字经济和实体经济深度融合。 在国家政策支持及人工智能发展新环境下，全国各大高校纷纷发力，设立人工智能 专业，成立人工智能学院。根据教育部印发的通知，目前全国共有 35 所高校获得建设“人 工智能”本科新专业的资格，同时全国新设 96 个“智能科学与技术”专业，累计 187 所 院校获批“机器人工程”专业。 然而，在人工智能人才培养和人工智能课程建设方面，大部分院校仍处于起步阶段， 需要探索的问题还有很多。例如，人工智能作为新生事物，尚未形成系统的人工智能人 才培养课程体系及配套资源；同时，目前已有的人工智能教材大多晦涩难懂，大幅度抬 高了人工智能专业的学习门槛；再者，过多强调理论学习，以及实践应用的缺失，使人 工智能人才培养面临新困境。 由此可见，人工智能作为注重实践性的综合型学科，对相应人才培养提出了系统性、 易学性、实战性和系统性的要求。高级人工智能人才培养丛书以此为出发点，尤其强调 人工智能内容的易学性及对读者动手能力的培养，并配套丰富的课程资源，解决易学性、 实战性和系统性难题。 易学性：能看得懂的书才是好书，本丛书在内容、描述、讲解等方面始终从读者的 角度出发，紧贴读者关心的热点问题及行业发展前沿，注重知识体系的完整性及内容的 易学性，赋予人工智能名词与术语生命力，让学习人工智能不再举步维艰。 实战性：与单纯的理论讲解不同，本丛书由国内一线师资和具备丰富人工智能实战 经验的团队携手倾力完成，不仅内容贴近实际应用需求，保有高度的行业敏感，同时几乎每章都有配套实验，使读者能够在理论学习的基础上，通过实验进一步巩固提高。 系统性：本丛书配套免费教学 PPT，无论是教师、学生，还是其他读者，都能通过 教学 PPT 更为清晰、直观地了解和展示课程内容。与此同时，云创大数据研发了配套的 人工智能实验平台，以及基于人工智能的专业教学平台，实验内容和教学内容与本套书 完全对应。 在此，特别感谢我的硕士生导师谢希仁教授和博士生导师李三立院士。谢希仁教授 所著的《计算机网络》已经更新到第 7 版，与时俱进且日臻完善，时时提醒学生要以这 样的标准来写书。李三立院士为我国计算机事业做出了杰出贡献，曾任国家攀登计划项 目首席科学家。他严谨治学，带出了一大批杰出的学生。 本丛书是集体智慧的结晶，在此谨向付出辛勤劳动的各位作者致敬！书中难免会有 不当之处，请读者不吝赐教。邮箱：gloud@126.com，微信公众号：刘鹏看未来（lpoutlook）。 
 
 
刘  鹏   2019 年 8 月

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