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| 編輯推薦： |
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本书主要涵盖CPS的系统建模、模型验证、系统设计与应用三部分内容。本书给出了CPS的基本原理和设计思路，同时将数学方面的复杂性降到最低，而且给出理论结果的实际应用。本书的目的是让读者从本质上深刻认识信息世界与物理世界的融合交互，理解计算、通信和控制等异构系统的深度交叉应用。
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| 內容簡介： |
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当前，以人工智能为代表的新一代信息技术发展迅猛。其中，信息物理系统正成为支撑这一发展的关键技术，也被誉为是引领新一轮科技革命和产业变革的核心技术体系。信息物理系统不仅集成了计算、通信与控制的技术与方法，更侧重计算过程与物理过程的相互影响和深度融合。本书主要讲述信息物理系统的基本原理，围绕系统建模、模型验证、系统设计与应用三方面进行详细介绍。在系统建模方面，概述自动机模型和常微分方程，进一步将两者结合，介绍混杂自动机模型和组合模型。在模型验证方面，讨论安全性需求和活性需求，进而介绍基于不变量的验证方法。在系统设计与应用方面，重点探讨信息物理系统面向自动驾驶车辆、多机器人系统、多旋翼飞行器和自主航天器的系统设计。每章都配以案例分析来阐述信息物理系统在实际工程问题中的应用，给出信息物理系统的基本原理和设计思路，同时将数学方面的复杂性降到最低，方便读者从本质上深刻认识信息世界与物理世界的融合交互，理解计算、通信和控制等异构系统的深度交叉应用。本书不仅适合作为普通高等院校自动化类、电子信息类、计算机类和电气类等相关专业的高年级本科生和研究生教材，也适合具有相关经验的研究人员和工程技术人员参考使用。
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| 目錄：
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前言第1章绪论1.1什么是信息物理系统1.2信息物理系统研究的关键问题1.2.1抽象和架构1.2.2验证和确认1.2.3分布式计算和网络化控制1.3信息物理系统应用上面临的挑战1.3.1信息物理系统的弹性1.3.2信息物理系统的隐私保护1.3.3信息物理系统的设计科学1.4章节概览参考文献第2章计算建模2.1自动机简介2.1.1引例：车辆计数器系统2.1.2自动机的语言基础2.1.3自动机的工作原理2.2自动机定义2.2.1状态变量与赋值2.2.2转移2.2.3响应2.2.4更新函数2.2.5确定性与接受性2.3扩展有限状态自动机2.4非确定性自动机2.5语义：执行、可达状态和不变量2.6应用案例本章小结练习题参考文献第3章物理建模3.1常微分方程简介3.1.1引例：车辆速度控制模型3.1.2具体的微分方程建模说明3.2常微分方程定义3.2.1状态变量和赋值3.2.2连续时间和轨迹3.2.3轨迹：方程的解3.3特殊的常微分方程3.3.1时不变系统和自治系统3.3.2线性系统3.4语义：可达状态、不变量和稳定性3.4.1单摆模型3.4.2车辆运动学模型3.5李雅普诺夫直接法证明稳定性3.6微分方程的自动机建模3.7简化的经济学模型3.8常微分方程的数值模拟3.9闭环与控制综合3.9.1比例积分微分控制器3.9.2控制器综合问题本章小结练习题参考文献第4章信息物理系统建模4.1混杂自动机简介4.1.1引例：无缘轮4.1.2混杂系统描述4.2混杂自动机定义4.2.1状态变量和转移4.2.2轨迹和闭包4.2.3混杂自动机4.2.4混杂建模步骤4.3典型类型混杂自动机4.3.1确定性混杂自动机4.3.2切换系统4.3.3线性混杂自动机4.3.4矩形混杂自动机4.4语义：混杂执行4.4.1混杂执行的数值仿真4.4.2可达状态、不变量以及稳定性4.4.3时间抽象语义4.4.4执行路径4.5应用案例本章小结练习题参考文献第5章信息物理系统组合模型5.1时间自动机5.1.1时间自动机语法5.1.2定时灯开关案例5.1.3状态的时钟等效关系5.1.4控制状态可达性和区域自动机5.2信息物理系统接口5.2.1模数转换接口模型5.2.2数模转换接口模型5.3数字通信网络5.3.1数字通信网络模型5.3.2数字通信网络估计5.4采样保持控制的信息物理系统5.4.1系统模型5.4.2应用案例本章小结练习题参考文献第6章信息物理系统模型验证6.1需求分析6.2安全性需求6.3活性需求6.4线性时态逻辑6.4.1背景定义6.4.2LTL语法6.4.3LTL语义6.5验证不变量6.6使用归纳不变量进行推理6.7Fischer互斥6.8不通过求解ODE来证明归纳不变量6.9屏障验证本章小结练习题参考文献第7章信息物理系统设计与应用7.1自动驾驶车辆监督控制7.1.1车辆运动模型建立7.1.2车辆监督控制器设计7.1.3车辆运动混杂模型建立7.1.4车辆运动轨迹演化分析7.2多机器人协同避障7.2.1机器人动态过程建模7.2.2障碍物估计7.2.3规划算法7.2.4仿真实验7.3多旋翼安全决策设计7.3.1多旋翼状态和飞行模态定义7.3.2多旋翼飞行事件定义7.3.3多旋翼安全决策自动机构建7.4自主航天器交会7.4.1自主航天器交会模型建立7.4.2自主航天器交会仿真实验本章小结练习题参考文献
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| 內容試閱：
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21世纪以来，伴随信息技术的迅猛发展，一些新兴的信息技术名词泉涌而出，如物联网、互联网+、云计算、大数据、工业4.0等，而信息物理系统(CyberPhysical System，CPS)是其中十分引人关注的技术热词之一。CPS作为一个正式的概念于2006年由美国国家自然基金委员会科学家Helen Gates 提出后，就被美国、欧盟和中国等定位为影响未来科技研究、国家信息技术与产业融合发展的战略目标。从技术上讲，CPS是为解决信息技术对传统产品数字化后带来的问题进行的一次系统性思考。这些问题包括数值计算误差积累、跨平台的计算时序性、开环控制的不确定性、分布式计算的网络时延、多核计算的调度性以及长生命周期产品的运维等。在应用层面上，CPS通过计算资源与物理资源的紧密结合与协调，实现了系统的实时感知、动态控制和信息服务，提升了系统的可靠性和效率。同时，得益于无线传感器执行器网络、物联网、数据驱动分析和人机交互等技术的发展，CPS已广泛应用于电力、水资源、交通运输、医疗、航空、智能制造等众多领域。本书是在北京工业大学相关课程教学基础上形成的，既可以作为信息领域高年级本科生及研究生的教材，也可以供工程技术人员自学参考。本书给出了CPS的基本原理和设计思路，同时将数学方面的复杂性降到最低，而且给出理论结果的实际应用。本书的目的是让读者从本质上深刻认识信息世界与物理世界的融合交互，理解计算、通信和控制等异构系统的深度交叉应用。为了达到上述目的，本书在内容上强调CPS的3个主要问题：1）系统架构。CPS是一种将计算进程与物理过程深度融合的综合性系统。其系统架构的核心在于物理世界与数字世界的交织融合，而非简单的叠加组合，这是实现控制、通信与计算无缝集成的关键。开发创新的系统架构，以全面支持CPS的集成和互操作性，可以提升系统的可靠性和性能，同时促进不同组件和子系统之间的高效协作。2）模型验证。CPS组件不仅需要具备高度的可靠性与可重构性，而且从单个组件到完全集成的系统都应具备可认证性。基于科学和实证的方法来评估系统的可靠性，引入新的模型、算法、方法和工具，以实现软件和系统层面的验证与确认，是CPS设计中不可或缺的一环。3）分布式计算。大型网络化CPS通常包含多个子系统和组件，这些组成部分之间的互动可能导致系统行为的复杂化，增加潜在故障点的数量。为了满足异构协作组件的高可靠性和安全性需求，需要开发一系列框架、算法、方法和工具，实现组件在多个空间和时间尺度上与复杂物理环境进行交互。本书主要涵盖CPS的系统建模、模型验证、系统设计与应用三部分内容。关于系统建模，首先概述自动机模型，然后详细介绍常微分方程，结合自动机和微分方程，介绍混杂自动机模型，进一步讨论组合模型。关于模型验证，讨论安全性需求和活性需求，进而介绍基于不变量的验证方法。关于系统设计与应用，重点探讨CPS在自动驾驶车辆、多机器人系统、多旋翼飞行器和自主航天器中的应用，并深入分析这些领域的系统设计与实践案例。本书由4位编者合作完成，所有编者均长期从事CPS相关的教学和科研工作，在本书编写过程中，大家进行了多次集体讨论和修改，每位编者都贡献了宝贵的智慧和辛勤的劳动。由于编者水平有限，加之CPS的理论与技术发展迅速，一些重要的问题尚未达成共识，因此在本书中难免存在不妥之处，恳请广大读者批评指正。编者
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