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。本书将免费提供配套 PPT、实验及应用案例等基本教学材料

刘鹏：博士毕业于清华大学，教授，现任南京大数据研究院院长、中国大数据应用联盟人工智能专家委员会主任、中国大数据专家委员会委员。曾率队夺得2002 PennySort国际计算机排序比赛冠军（这是我国获得的第一个大数据比赛世界冠军），两次夺得全国高校科技比赛最高奖，三次夺得清华大学科技比赛最高奖。主持完成科研项目25项，发表论文80余篇，出版专业图书20部。获部级科技进步二等奖4项、三等奖4项。2002年开创性地提出了“计算池”模式，被2007年开始流行的“云计算”所证实。2003年开创性地提出了“反垃圾邮件网格”，被2008年开始流行的“云安全”所证实。荣获“全军十大学习成才标兵”（排名第一）、南京市“十大杰出青年”、江苏省中青年科学技术带头人、清华大学“学术新秀”等称号。刘河，现就职于重庆市教育科学研究院，中国计算机学会会员，重庆市教育信息化专家委员会成员；主要研究领域为大数据、人工智能等；独立开发了10余个软件系统，主持主研了多项省部级重点课题，编著了多部教材，获得了多个计算机软件著作权登记证书。

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