智能系统

本书是面向高级人工智能人才培养的高等学校人工智能相关专业精品教材中的一本，以信息物理系统、模糊逻辑系统、自主无人系统、群体智能、多Agent系统、人机协同系统、工业智能控制系统、机器人系统等为案例，完整呈现了人工智能综合应用体系架构。本书首先介绍了智能系统的发展、相关概念、主要特征和类型、智能系统的发展前景，然后围绕智能系统信息处理流程详细阐述智能感知、智能计算、执行系统等理论知识，最后重点讲解了信息物理系统、模糊逻辑系统等八大系统的典型应用体系架构。

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
1.4.1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WSN26
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
9.1.1MAS的概念225
9.1.2MAS的结构226
9.1.3MAS的特点及分类227
9.2多Agent协调与协作229
9.3构建模型233
9.3.1MAS的建模思想233
9.3.2Agent模型的建立234
9.3.3Agent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
12.3.1ROS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339