信息物理系統原理與設計(新一代信息技術人工智慧戰略性新興領域十四五高等教育系列教材)
內容大鋼
當前，以人工智慧為代表的新一代信息技術發展迅猛。其中，信息物理系統正成為支撐這一發展的關鍵技術，也被譽為是引領新一輪科技革命和產業變革的核心技術體系。信息物理系統不僅集成了計算、通信與控制的技術與方法，更側重計算過程與物理過程的相互影響和深度融合。
本書主要講述信息物理系統的基本原理，圍繞系統建模、模型驗證、系統設計與應用三方面進行詳細介紹。在系統建模方面，概述自動機模型和常微分方程，進一步將兩者結合，介紹混雜自動機模型和組合模型。在模型驗證方面，討論安全性需求和活性需求，進而介紹基於不變數的驗證方法。在系統設計與應用方面，重點探討信息物理系統面向自動駕駛車輛、多機器人系統、多旋翼飛行器和自主航天器的系統設計。每章都配以案例分析來闡述信息物理系統在實際工程問題中的應用，給出信息物理系統的基本原理和設計思路，同時將數學方面的複雜性降到最低，方便讀者從本質上深刻認識信息世界與物理世界的融合交互，理解計算、通信和控制等異構系統的深度交叉應用。
本書不僅適合作為普通高等院校自動化類、電子信息類、電腦類和電氣類等相關專業的高年級本科生和研究生教材，也適合具有相關經驗的研究人員和工程技術人員參考使用。
作者介紹
編者:張利國//詹璟原//鄧恆//石睿|責編:吉玲//聶文君
目錄
前言
第1章 緒論
1.1 什麼是信息物理系統
1.2 信息物理系統研究的關鍵問題
1.2.1 抽象和架構
1.2.2 驗證和確認
1.2.3 分散式計算和網路化控制
1.3 信息物理系統應用上面臨的挑戰
1.3.1 信息物理系統的彈性
1.3.2 信息物理系統的隱私保護
1.3.3 信息物理系統的設計科學
1.4 章節概覽
參考文獻
第2章 計算建模
2.1 自動機簡介
2.1.1 引例：車輛計數器系統
2.1.2 自動機的語言基礎
2.1.3 自動機的工作原理
2.2 自動機定義
2.2.1 狀態變數與賦值
2.2.2 轉移
2.2.3 響應
2.2.4 更新函數
2.2.5 確定性與接受性
2.3 擴展有限狀態自動機
2.4 非確定性自動機
2.5 語義：執行、可達狀態和不變數
2.6 應用案例
本章小結
練習題
參考文獻
第3章 物理建模
3.1 常微分方程簡介
3.1.1 引例：車輛速度控制模型
3.1.2 具體的微分方程建模說明
3.2 常微分方程定義
3.2.1 狀態變數和賦值
3.2.2 連續時間和軌跡
3.2.3 軌跡：方程的解
3.3 特殊的常微分方程
3.3.1 時不變系統和自治系統
3.3.2 線性系統
3.4 語義：可達狀態、不變數和穩定性
3.4.1 單擺模型
3.4.2 車輛運動學模型
3.5 李雅普諾夫直接法證明穩定性
3.6 微分方程的自動機建模
3.7 簡化的經濟學模型
3.8 常微分方程的數值模擬
3.9 閉環與控制綜合
3.9.1 比例-積分-微分控制器
3.9.2 控制器綜合問題
本章小結
練習題
參考文獻
第4章 信息物理系統建模
4.1 混雜自動機簡介
4.1.1 引例：無緣輪
4.1.2 混雜系統描述
4.2 混雜自動機定義
4.2.1 狀態變數和轉移
4.2.2 軌跡和閉包
4.2.3 混雜自動機
4.2.4 混雜建模步驟
4.3 典型類型混雜自動機
4.3.1 確定性混雜自動機
4.3.2 切換系統
4.3.3 線性混雜自動機
4.3.4 矩形混雜自動機
4.4 語義：混雜執行
4.4.1 混雜執行的數值模擬
4.4.2 可達狀態、不變數以及穩定性
4.4.3 時間抽象語義
4.4.4 執行路徑
4.5 應用案例
本章小結
練習題
參考文獻
第5章 信息物理系統組合模型
5.1 時間自動機
5.1.1 時間自動機語法
5.1.2 定時燈開關案例
5.1.3 狀態的時鐘等效關係
5.1.4 控制狀態可達性和區域自動機
5.2 信息物理系統介面
5.2.1 模數轉換介面模型
5.2.2 數模轉換介面模型
5.3 數字通信網路
5.3.1 數字通信網路模型
5.3.2 數字通信網路估計
5.4 採樣-保持控制的信息物理系統
5.4.1 系統模型
5.4.2 應用案例
本章小結
練習題
參考文獻
第6章 信息物理系統模型驗證
6.1 需求分析
6.2 安全性需求
6.3 活性需求
6.4 線性時態邏輯
6.4.1 背景定義
6.4.2 LTL語法
6.4.3 LTL語義
6.5 驗證不變數
6.6 使用歸納不變數進行推理
6.7 Fischer互斥
6.8 不通過求解ODE來證明歸納不變數
6.9 屏障驗證
本章小結
練習題
參考文獻
第7章 信息物理系統設計與應用
7.1 自動駕駛車輛監督控制
7.1.1 車輛運動模型建立
7.1.2 車輛監督控制器設計
7.1.3 車輛運動混雜模型建立
7.1.4 車輛運動軌跡演化分析
7.2 多機器人協同避障
7.2.1 機器人動態過程建模
7.2.2 障礙物估計
7.2.3 規劃演算法
7.2.4 模擬實驗
7.3 多旋翼安全決策設計
7.3.1 多旋翼狀態和飛行模態定義
7.3.2 多旋翼飛行事件定義
7.3.3 多旋翼安全決策自動機構建
7.4 自主航天器交會
7.4.1 自主航天器交會模型建立
7.4.2 自主航天器交會模擬實驗
本章小結
練習題
參考文獻
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