信息物理系统原理与设计

当前，以人工智能为代表的新一代信息技术发展迅猛。其中，信息物理系统正成为支撑这一发展的关键技术，也被誉为是引领新一轮科技革命和产业变革的核心技术体系。信息物理系统不仅集成了计算、通信与控制的技术与方法，更侧重计算过程与物理过程的相互影响和深度融合。 本书主要讲述信息物理系统的基本原理，围绕系统建模、模型验证、系统设计与应用三方面进行详细介绍。在系统建模方面，概述自动机模型和常微分方程，进一步将两者结合，介绍混杂自动机模型和组合模型。在模型验证方面，讨论安全性需求和活性需求，进而介绍基于不变量的验证方法。在系统设计与应用方面，重点探讨信息物理系统面向自动驾驶车辆、多机器人系统、多旋翼飞行器和自主航天器的系统设计。每章都配以案例分析来阐述信息物理系统在实际工程问题中的应用，给出信息物理系统的基本原理和设计思路，同时将数学方面的复杂性降到最低，方便读者从本质上深刻认识信息世界与物理世界的融合交互，理解计算、通信和控制等异构系统的深度交叉应用。 本书不仅适合作为普通高等院校自动化类、电子信息类、计算机类和电气类等相关专业的高年级本科生和研究生教材，也适合具有相关经验的研究人员和工程技术人员参考使用。

高等院校老师

前言 第1章绪论 1.1什么是信息物理系统 1.2信息物理系统研究的关键问题 1.2.1抽象和架构 1.2.2验证和确认 1.2.3分布式计算和网络化控制 1.3信息物理系统应用上面临的挑战 1.3.1信息物理系统的弹性 1.3.2信息物理系统的隐私保护 1.3.3信息物理系统的设计科学 1.4章节概览 参考文献 第2章计算建模 2.1自动机简介 2.1.1引例：车辆计数器系统 2.1.2自动机的语言基础 2.1.3自动机的工作原理 2.2自动机定义 2.2.1状态变量与赋值 2.2.2转移 2.2.3响应 2.2.4更新函数 2.2.5确定性与接受性 2.3扩展有限状态自动机 2.4非确定性自动机 2.5语义：执行、可达状态和不变量 2.6应用案例 本章小结 练习题 参考文献 第3章物理建模 3.1常微分方程简介 3.1.1引例：车辆速度控制模型 3.1.2具体的微分方程建模说明 3.2常微分方程定义 3.2.1状态变量和赋值 3.2.2连续时间和轨迹 3.2.3轨迹：方程的解 3.3特殊的常微分方程 3.3.1时不变系统和自治系统 3.3.2线性系统 3.4语义：可达状态、不变量和稳定性 3.4.1单摆模型 3.4.2车辆运动学模型 3.5李雅普诺夫直接法证明稳定性 3.6微分方程的自动机建模 3.7简化的经济学模型 3.8常微分方程的数值模拟 3.9闭环与控制综合 3.9.1比例-积分-微分控制器 3.9.2控制器综合问题 本章小结 练习题 参考文献 第4章信息物理系统建模 4.1混杂自动机简介 4.1.1引例：无缘轮 4.1.2混杂系统描述 4.2混杂自动机定义 4.2.1状态变量和转移 4.2.2轨迹和闭包 4.2.3混杂自动机 4.2.4混杂建模步骤 4.3典型类型混杂自动机 4.3.1确定性混杂自动机 4.3.2切换系统 4.3.3线性混杂自动机 4.3.4矩形混杂自动机 4.4语义：混杂执行 4.4.1混杂执行的数值仿真 4.4.2可达状态、不变量以及稳定性 4.4.3时间抽象语义 4.4.4执行路径 4.5应用案例 本章小结 练习题 参考文献 第5章信息物理系统组合模型 5.1时间自动机 5.1.1时间自动机语法 5.1.2定时灯开关案例 5.1.3状态的时钟等效关系 5.1.4控制状态可达性和区域自动机 5.2信息物理系统接口 5.2.1模数转换接口模型 5.2.2数模转换接口模型 5.3数字通信网络 5.3.1数字通信网络模型 5.3.2数字通信网络估计 5.4采样-保持控制的信息物理系统 5.4.1系统模型 5.4.2应用案例 本章小结 练习题 参考文献 第6章信息物理系统模型验证 6.1需求分析 6.2安全性需求 6.3活性需求 6.4线性时态逻辑 6.4.1背景定义 6.4.2LTL语法 6.4.3LTL语义 6.5验证不变量 6.6使用归纳不变量进行推理 6.7Fischer互斥 6.8不通过求解ODE来证明归纳不变量 6.9屏障验证 本章小结 练习题 参考文献 第7章信息物理系统设计与应用 7.1自动驾驶车辆监督控制 7.1.1车辆运动模型建立 7.1.2车辆监督控制器设计 7.1.3车辆运动混杂模型建立 7.1.4车辆运动轨迹演化分析 7.2多机器人协同避障 7.2.1机器人动态过程建模 7.2.2障碍物估计 7.2.3规划算法 7.2.4仿真实验 7.3多旋翼安全决策设计 7.3.1多旋翼状态和飞行模态定义 7.3.2多旋翼飞行事件定义 7.3.3多旋翼安全决策自动机构建 7.4自主航天器交会 7.4.1自主航天器交会模型建立 7.4.2自主航天器交会仿真实验 本章小结 练习题 参考文献