第 1 章 緒論 .............................................................................................................................. 1
1.1 智能系統(tǒng)的前世今生 ................................................................................................. 1
1.1.1 智能系統(tǒng)概述 ................................................................................................. 2
1.1.2 智能系統(tǒng)的前世 ............................................................................................. 2
1.1.3 智能系統(tǒng)的今生 ............................................................................................. 3
1.1.4 智能系統(tǒng)的主要特征 ..................................................................................... 3
1.2 概念模型和類譜表 ..................................................................................................... 4
1.3 主要特征和類型 ......................................................................................................... 5
1.4 智能系統(tǒng)發(fā)展前景 ..................................................................................................... 6
.4.1 專家系統(tǒng) ......................................................................................................... 6
1.4.2 智能機(jī)器 ......................................................................................................... 7
1.4.3 智能社會(huì) ......................................................................................................... 9
1.4.4 智能產(chǎn)業(yè) ....................................................................................................... 13
習(xí)題 .................................................................................................................................... 14
參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................ 14
第 2 章 智能感知 .................................................................................................................... 16
2.1 智能感知概述 ........................................................................................................... 16
2.1.1 傳感器與智能傳感器 ................................................................................... 16
2.1.2 感知智能 ....................................................................................................... 19
2.1.3 智能感知系統(tǒng) ............................................................................................... 19
2.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合 ................................................................................................... 21
2.2.1 數(shù)據(jù)融合的概念 ........................................................................................... 21
2.2.2 數(shù)據(jù)融合的目標(biāo)、原理與層次 ................................................................... 22
2.2.3 數(shù)據(jù)融合的方法 ........................................................................................... 23
2.3 網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知 ............................................................................................... 26
2.3.1 傳感網(wǎng)絡(luò)與 WSN ......................................................................................... 26
2.3.2 協(xié)作感知 ....................................................................................................... 28
2.4 智能感知應(yīng)用 ........................................................................................................... 29
2.4.1 視覺(jué)感知 ....................................................................................................... 29
2.4.2 聽(tīng)覺(jué)感知 ....................................................................................................... 32
2.4.3 觸覺(jué)感知 ....................................................................................................... 33
2.5 實(shí)驗(yàn)：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）——節(jié)點(diǎn)分簇聚合模擬 ....................................... 35
2.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?....................................................................................................... 35
2.5.2 實(shí)驗(yàn)要求 ....................................................................................................... 35
2.5.3 實(shí)驗(yàn)原理 ....................................................................................................... 35
2.5.4 實(shí)驗(yàn)步驟 ....................................................................................................... 36
2.5.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ....................................................................................................... 39
習(xí)題 .................................................................................................................................... 40
參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................ 40
第 3 章 智能計(jì)算 .................................................................................................................... 43
3.1 神經(jīng)計(jì)算 ................................................................................................................... 43
3.1.1 從生物神經(jīng)元到人工神經(jīng)元 ....................................................................... 43
3.1.2 從單層感知器到多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ................................................................... 45
3.1.3 反向傳播算法 ............................................................................................... 49
3.1.4 無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò) ........................................................................................... 52
3.2 遺傳算法 ................................................................................................................... 54
3.2.1 遺傳表達(dá)與編碼 ........................................................................................... 54
3.2.2 簡(jiǎn)單遺傳算法 ............................................................................................... 55
3.2.3 應(yīng)用實(shí)例：數(shù)學(xué)函數(shù)優(yōu)化 ........................................................................... 57
3.3 免疫計(jì)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 問(wèn)題求解 .................................................................. 62
3.4 模糊邏輯與推理系統(tǒng) ............................................................................................... 63
3.4.1 模糊集和清晰集 ........................................................................................... 64
3.4.2 模糊集的運(yùn)算 ............................................................................................... 65
3.4.3 模糊分類 ....................................................................................................... 66
3.5 實(shí)驗(yàn)：實(shí)現(xiàn)遺傳算法 ............................................................................................... 67
3.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?....................................................................................................... 67
3.5.2 實(shí)驗(yàn)要求 ....................................................................................................... 67
3.5.3 實(shí)驗(yàn)原理 ....................................................................................................... 68
3.5.4 實(shí)驗(yàn)步驟 ....................................................................................................... 68
習(xí)題 .................................................................................................................................... 72
參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................ 72
第 4 章 執(zhí)行系統(tǒng) .................................................................................................................... 74
4.1 執(zhí)行系統(tǒng)概述 ........................................................................................................... 74
4.1.1 執(zhí)行系統(tǒng)的概念 ........................................................................................... 74
4.1.2 制造執(zhí)行系統(tǒng) ............................................................................................... 75
4.2 組件化 ....................................................................................................................... 76
4.2.1 組件化的概念 ............................................................................................... 76
4.2.2 組件化架構(gòu)緣起 ........................................................................................... 77
4.2.3 組件化架構(gòu)案例 ........................................................................................... 77
4.3 智能流程管理 ........................................................................................................... 78
4.3.1 智能化流程管理的內(nèi)涵 ............................................................................... 78
4.3.2 智能化流程管理的功能 ............................................................................... 80
4.3.3 發(fā)展動(dòng)態(tài) ....................................................................................................... 81
4.4 信息加工 ................................................................................................................... 82
4.4.1 基礎(chǔ)知識(shí) ....................................................................................................... 82
4.4.2 基本方法 ....................................................................................................... 83
4.4.3 一般流程 ....................................................................................................... 84
4.5 案例：汽車制造執(zhí)行系統(tǒng) ....................................................................................... 86
4.6 實(shí)驗(yàn)：工廠流水線工件處理模擬 ........................................................................... 89
4.6.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?....................................................................................................... 89
4.6.2 實(shí)驗(yàn)要求 ....................................................................................................... 89
4.6.3 實(shí)驗(yàn)原理 ....................................................................................................... 90
4.6.4 實(shí)驗(yàn)步驟 ....................................................................................................... 90
習(xí)題 .................................................................................................................................... 93
參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................ 93
第 5 章 信息物理系統(tǒng) ............................................................................................................ 95
5.1 信息物理系統(tǒng)概述 ................................................................................................... 95
5.1.1 信息物理系統(tǒng)的概念 ................................................................................... 95
5.1.2 信息物理系統(tǒng)的特征 ................................................................................... 96
5.1.3 常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) ........................................................................................... 98
5.1.4 信息物理系統(tǒng)的發(fā)展 ................................................................................... 99
5.2 信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) ............................................................................................. 100
5.2.1 信息物理系統(tǒng)的體系架構(gòu) ......................................................................... 100
5.2.2 信息物理系統(tǒng)的技術(shù)需求 ......................................................................... 103
5.2.3 信息物理系統(tǒng)的技術(shù)體系 ......................................................................... 103
5.2.4 信息物理系統(tǒng)的核心技術(shù)要素 ................................................................. 104
5.2.5 信息物理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化 ............................................................................. 111
5.3 研究展望 ................................................................................................................. 112
5.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................................. 112
5.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 ............................................................................................. 114
5.3.3 信息物理系統(tǒng)研究展望 ............................................................................. 114
5.4 案例 ......................................................................................................................... 115
5.4.1 案例名稱 ..................................................................................................... 115
5.4.2 建設(shè)背景 ..................................................................................................... 115
5.4.3 實(shí)施情況 ..................................................................................................... 115
5.4.4 實(shí)施效果 ..................................................................................................... 117
5.5 實(shí)驗(yàn)：使用 SimPy 仿真加油站運(yùn)行 ..................................................................... 118
5.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?..................................................................................................... 118
5.5.2 實(shí)驗(yàn)要求 ..................................................................................................... 118
5.5.3 實(shí)驗(yàn)原理 ..................................................................................................... 118
5.5.4 實(shí)驗(yàn)步驟 ..................................................................................................... 118
習(xí)題 .................................................................................................................................. 122
參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 123
第 6 章 模糊邏輯系統(tǒng) .......................................................................................................... 124
6.1 模糊邏輯系統(tǒng)概述 ................................................................................................. 124
6.1.1 模糊邏輯系統(tǒng)的定義 ................................................................................. 124
6.1.2 模糊邏輯系統(tǒng)的工作原理 ......................................................................... 127
6.2 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ................................................................................................. 129
6.2.1 模糊化模塊 ................................................................................................. 130
6.2.2 知識(shí)庫(kù) ......................................................................................................... 130
6.2.3 推理機(jī)制 ..................................................................................................... 130
6.2.4 去模糊化模塊 ............................................................................................. 131
6.3 邏輯開(kāi)發(fā)過(guò)程 ......................................................................................................... 131
6.3.1 定義語(yǔ)言變量和術(shù)語(yǔ) ................................................................................. 131
6.3.2 構(gòu)建成員函數(shù) ............................................................................................. 131
6.3.3 構(gòu)建知識(shí)庫(kù) ................................................................................................. 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 汽車系統(tǒng) ..................................................................................................... 137
6.4.2 消費(fèi)電子產(chǎn)品 ............................................................................................. 139
6.4.3 環(huán)境控制 ..................................................................................................... 142
6.5 實(shí)驗(yàn) ......................................................................................................................... 144
6.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?..................................................................................................... 144
6.5.2 實(shí)驗(yàn)要求 ..................................................................................................... 144
6.5.3 實(shí)驗(yàn)原理 ..................................................................................................... 144
6.5.4 實(shí)驗(yàn)步驟 ..................................................................................................... 145
6.5.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ..................................................................................................... 146
習(xí)題 .................................................................................................................................. 147
參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 148
第 7 章 自主無(wú)人系統(tǒng) .......................................................................................................... 149
7.1 自主無(wú)人系統(tǒng)的概念和特征 ................................................................................. 149
7.1.1 基本概念 ..................................................................................................... 149
7.1.2 關(guān)鍵特征 ..................................................................................................... 150
7.2 系統(tǒng)組成和模型 ..................................................................................................... 151
7.2.1 系統(tǒng)組成 ..................................................................................................... 151
7.2.2 系統(tǒng)模型 ..................................................................................................... 152
7.3 研究和發(fā)展現(xiàn)狀 ..................................................................................................... 157
7.3.1 研究應(yīng)用現(xiàn)狀 ............................................................................................. 157
7.3.2 發(fā)展趨勢(shì) ..................................................................................................... 160
7.3.3 未來(lái)挑戰(zhàn) ..................................................................................................... 161
7.4 自組織網(wǎng)絡(luò) ............................................................................................................. 162
7.4.1 概念釋義 ..................................................................................................... 162
7.4.2 顯著特點(diǎn) ..................................................................................................... 163
7.4.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ..................................................................................................... 164
7.4.4 路由協(xié)議 ..................................................................................................... 166
7.4.5 網(wǎng)絡(luò)管理 ..................................................................................................... 166
7.4.6 應(yīng)用案例 ..................................................................................................... 168
7.5 無(wú)人飛行器 ............................................................................................................. 169
7.5.1 基本概念 ..................................................................................................... 169
7.5.2 發(fā)展?fàn)顩r ..................................................................................................... 171
7.5.3 系統(tǒng)工作機(jī)理 ............................................................................................. 174
7.5.4 關(guān)鍵技術(shù)分析 ............................................................................................. 176
7.6 無(wú)人駕駛汽車 ......................................................................................................... 180
7.6.1 無(wú)人駕駛汽車的定義 ................................................................................. 180
7.6.2 分類分級(jí) ..................................................................................................... 180
7.6.3 研發(fā)應(yīng)用情況 ............................................................................................. 184
7.6.4 體系架構(gòu) ..................................................................................................... 188
7.6.5 主要研究?jī)?nèi)容 ............................................................................................. 190
7.7 實(shí)驗(yàn) ......................................................................................................................... 192
7.7.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?..................................................................................................... 192
7.7.2 實(shí)驗(yàn)要求 ..................................................................................................... 193
7.7.3 實(shí)驗(yàn)原理 ..................................................................................................... 193
7.7.4 實(shí)驗(yàn)步驟 ..................................................................................................... 193
7.7.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ..................................................................................................... 194
習(xí)題 .................................................................................................................................. 196
參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 196
第 8 章 群體智能 .................................................................................................................. 200
8.1 蟻群優(yōu)化算法 ......................................................................................................... 200
8.2 粒子群優(yōu)化算法 ..................................................................................................... 203
8.3 蜂群優(yōu)化算法 ......................................................................................................... 205
8.4 細(xì)胞自動(dòng)機(jī) ............................................................................................................. 207
8.4.1 細(xì)胞系統(tǒng)的基本構(gòu)成 ................................................................................. 207
8.4.2 細(xì)胞自動(dòng)機(jī) ................................................................................................. 210
8.4.3 細(xì)胞系統(tǒng)建模 ............................................................................................. 213
8.4.4 康威生命游戲 ............................................................................................. 215
8.5 實(shí)驗(yàn)：基于遺傳算法 GA 的 TSP 問(wèn)題求解 ......................................................... 216
8.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?..................................................................................................... 216
8.5.2 實(shí)驗(yàn)要求 ..................................................................................................... 216
8.5.3 實(shí)驗(yàn)原理 ..................................................................................................... 216
8.5.4 實(shí)驗(yàn)步驟 ..................................................................................................... 217
8.5.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ..................................................................................................... 222
習(xí)題 .................................................................................................................................. 224
參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 224
第 9 章 多 Agent 系統(tǒng) ......................................................................................................... 225
9.1 多 Agent 系統(tǒng)概述 ................................................................................................. 225
9.1.1 MAS 的概念 ............................................................................................... 225
9.1.2 MAS 的結(jié)構(gòu) ............................................................................................... 226
9.1.3 MAS 的特點(diǎn)及分類 ................................................................................... 227
9.2 多 Agent 協(xié)調(diào)與協(xié)作 ............................................................................................. 229
9.3 構(gòu)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 系統(tǒng)仿真 ................................................................................................. 237
9.4.1 基于 Agent 的系統(tǒng)仿真方法 ................................................................... 237
9.4.2 多 Agent 系統(tǒng)仿真案例 ............................................................................. 240
9.5 實(shí)驗(yàn)：Schelling 隔離模型仿真 ............................................................................. 243
9.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?..................................................................................................... 243
9.5.2 實(shí)驗(yàn)要求 ..................................................................................................... 243
9.5.3 實(shí)驗(yàn)原理 ..................................................................................................... 243
9.5.4 實(shí)驗(yàn)步驟 ..................................................................................................... 244
習(xí)題 .................................................................................................................................. 250
參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 250
第 10 章 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng) ........................................................................................................ 252
10.1 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)概述 ............................................................................................... 252
10.1.1 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的概念 ............................................................................... 252
10.1.2 中外研究 ................................................................................................... 252
10.2 運(yùn)行機(jī)制 ............................................................................................................... 253
10.2.1 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ............................................................................... 253
10.2.2 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制 ....................................................................... 254
10.3 智能遷移 ............................................................................................................... 255
10.4 案例：人機(jī)協(xié)作機(jī)器人在大陸汽車的應(yīng)用 ....................................................... 257
10.5 實(shí)驗(yàn)：調(diào)用 AIML 庫(kù)進(jìn)行智能機(jī)器人的開(kāi)發(fā) ................................................... 258
10.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?................................................................................................... 258
10.5.2 實(shí)驗(yàn)要求 ................................................................................................... 258
10.5.3 實(shí)驗(yàn)原理 ................................................................................................... 258
10.5.4 實(shí)驗(yàn)步驟 ................................................................................................... 259
習(xí)題 .................................................................................................................................. 267
參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 267
第 11 章 工業(yè)智能控制系統(tǒng) ................................................................................................ 268
11.1 工業(yè)智能控制系統(tǒng)概述 ....................................................................................... 268
11.1.1 背景 ........................................................................................................... 268
11.1.2 數(shù)字化車間 ............................................................................................... 269
11.1.3 智能工廠 ................................................................................................... 270
11.2 工廠數(shù)據(jù)中心 ....................................................................................................... 272
11.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成 ................................................................................................... 272
11.2.2 數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ) ....................................................................................... 273
11.2.3 數(shù)據(jù)處理 ................................................................................................... 274
11.2.4 數(shù)據(jù)展示 ................................................................................................... 275
11.3 生產(chǎn)計(jì)劃與控制 ................................................................................................... 275
11.3.1 詳細(xì)排程 ................................................................................................... 276
11.3.2 生產(chǎn)調(diào)度 ................................................................................................... 277
11.3.3 生產(chǎn)跟蹤 ................................................................................................... 279
11.4 工序質(zhì)量控制 ....................................................................................................... 279
11.4.1 質(zhì)量監(jiān)控 ................................................................................................... 280
11.4.2 質(zhì)量判定 ................................................................................................... 281
11.4.3 質(zhì)量追溯 ................................................................................................... 282
11.5 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè) ....................................................................................................... 283
11.5.1 簡(jiǎn)述 ........................................................................................................... 283
11.5.2 信號(hào)檢測(cè) ................................................................................................... 284
11.5.3 信號(hào)采集 ................................................................................................... 285
11.5.4 信號(hào)分析 ................................................................................................... 286
11.5.5 智能診斷 ................................................................................................... 289
11.5.6 剩余壽命預(yù)測(cè) ........................................................................................... 290
11.6 實(shí)驗(yàn)：基于振動(dòng)及溫度監(jiān)測(cè)的風(fēng)機(jī)故障預(yù)警 ................................................... 291
11.6.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?................................................................................................... 291
11.6.2 實(shí)驗(yàn)要求 ................................................................................................... 291
11.6.3 實(shí)驗(yàn)原理 ................................................................................................... 291
11.6.4 實(shí)驗(yàn)步驟 ................................................................................................... 292
11.6.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ................................................................................................... 293
習(xí)題 .................................................................................................................................. 295
參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 296
第 12 章 機(jī)器人系統(tǒng) ............................................................................................................ 297
12.1 基本結(jié)構(gòu) ............................................................................................................... 297
12.1.1 上肢 ........................................................................................................... 297
12.1.2 下肢 ........................................................................................................... 298
12.1.3 軀干和關(guān)節(jié) ............................................................................................... 299
12.1.4 驅(qū)動(dòng)裝置 ................................................................................................... 300
12.2 感知系統(tǒng) ............................................................................................................... 301
12.2.1 內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng) ........................................................................................... 303
12.2.2 外部感官 ................................................................................................... 303
12.3 機(jī)器人的操作系統(tǒng) ............................................................................................... 308
12.3.1 ROS 概述 .................................................................................................. 308
12.3.2 架構(gòu) ........................................................................................................... 312
12.4 機(jī)器人的控制系統(tǒng) ............................................................................................... 314
12.4.1 主要內(nèi)容 ................................................................................................... 315
12.4.2 機(jī)器人的大腦 ........................................................................................... 316
12.4.3 機(jī)器人底層控制系統(tǒng) ............................................................................... 317
12.4.4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ............................................................................... 318
12.4.5 機(jī)器人移動(dòng)軌跡控制 ............................................................................... 320
12.4.6 機(jī)器人力控制系統(tǒng) ................................................................................... 320
12.4.7 機(jī)器人視覺(jué)控制系統(tǒng) ............................................................................... 321
12.4.8 機(jī)器人智能控制系統(tǒng) ............................................................................... 322
12.5 環(huán)境建模 ............................................................................................................... 324
12.5.1 全局路徑規(guī)劃方法 ................................................................................... 324
12.5.2 局部路徑規(guī)劃方法 ................................................................................... 325
12.5.3 路徑規(guī)劃改進(jìn)方法 ................................................................................... 327
12.5.4 三維建模 ................................................................................................... 328
12.6 實(shí)驗(yàn)：機(jī)器人系統(tǒng)單元設(shè)計(jì) ............................................................................... 328
12.6.1 舵機(jī)控制 ................................................................................................... 329
12.6.2 路徑規(guī)劃 ................................................................................................... 331
12.6.3 視覺(jué)目標(biāo)檢測(cè) ........................................................................................... 335
習(xí)題 .................................................................................................................................. 339
參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 340