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

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

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

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