面向智能制造的机器智能理论与方法

本书可作为高等院校智能科学与技术、机械工程、工业工程、自动化、计算机科学、数据科学等相关专业高年级本科生和研究生的教材和参考用书，也适合对智能科学、智能制造有兴趣的广大读者阅读。

本书面向智能制造，将机器智能领域的结构模拟、功能模拟、行为模拟与机制模拟方法贯穿应用于制造全过程，阐明机器智能技术发展对制造业的深刻影响，为制造业的智能化改造升级提供参考。在理论方法上，本书从信息理论视角出发，将“数据-信息-知识-智能”转换作为阐述智能科学发展的主线；在应用场景上，本书围绕智能制造全流程涉及的要素，将“产品-工艺-装备-决策”作为介绍机器智能理论方法在智能制造中应用的主线。通过两条主线的贯穿，可以给读者完整的知识、统一的理论和聚焦的应用场景，提升了读者系统化的科学视角高度，也更加落地而具有实用性。本书可作为高等院校智能科学与技术、机械工程、工业工程、自动化、计算机科学、数据科学等相关专业高年级本科生和研究生的教材和参考用书，也适合对智能科学、智能制造有兴趣的广大读者阅读。

秦威，2019.12-今 上海交通大学，工业工程与管理系，系副主任（分管科研）2017.12-今 上海交通大学，机械与动力工程学院，副教授，博士生导师2014.07-2017.12 上海交通大学，机械与动力工程学院，讲师2016.05-2016.11 中航商用航空发动机制造有限责任公司 工艺技术主管2018.03-2019.03 上海市临港地区智能制造专项办公室 主任助理

第1章 绪论 001
1.1 智能科学技术的历史使命和研究方向 001
1.1.1 历史使命 001
1.1.2 研究方向 001
1.2 机器智能概述 003
1.2.1 机器智能的定义 003
1.2.2 机器智能的发展 003
1.2.3 机器智能技术手段 004
1.3 智能制造概述 005
1.3.1 智能制造的定义 005
1.3.2 智能制造的发展 006
1.3.3 智能制造的特征 007
1.3.4 智能制造的实现基础 009
1.4 机器智能与智能制造 011
1.5 本书的主要内容和章节安排 012
参考文献 013
第2章 制造系统中的智能化需求场景 015
2.1 产品的智能化需求 015
2.1.1 智能产品 015
2.1.2 产品智能化设计 017
2.1.3 产品质量自适应控制 018
2.2 工艺的智能化需求 019
2.2.1 工艺模型自主生成 019
2.2.2 工艺路径智能规划 020
2.2.3 工艺参数自适应优化 021
2.3 装备的智能化需求 023
2.3.1 装备自感知与监控 023
2.3.2 装备故障预测与自诊断 025
2.3.3 装备自主协同与柔性生产 026
2.4 决策的智能化需求 028
2.4.1 智能排产与调度 028
2.4.2 智能无人物流 032
2.4.3 人机协作与共融 034
2.5 本章小结 036
参考文献 036
第3章 面向智能制造的机器智能结构模拟方法与应用 039
3.1 基于结构模拟的机器智能理论与方法 039
3.2 结构模拟之人工神经网络模型 042
3.2.1 单层感知机 042
3.2.2 多层感知机与BP神经网络 047
3.2.3 Hopfield反馈神经网络 050
3.3 结构模拟之卷积神经网络模型 053
3.3.1 卷积神经网络模型的基本元素 053
3.3.2 传统卷积神经网络模型 056
3.3.3 因果卷积神经网络模型 057
3.4 结构模拟之循环神经网络模型 059
3.4.1 时序数据 060
3.4.2 传统循环神经网络模型 061
3.4.3 长短期记忆网络模型 062
3.5 结构模拟方法在智能制造中的应用案例 064
3.5.1 基于LSTM的通风系统热需求功率智能预测 064
3.5.2  融合因果卷积与LSTM的锂离子电池状态智能监控 068
3.6 本章小结 080
参考文献 081
第4章 面向智能制造的机器智能功能模拟方法与应用 083
4.1  基于功能模拟的机器智能理论与方法 083
4.2 功能模拟之因果知识推理方法 089
4.2.1 数据中的因果关系发现理论 089
4.2.2 两阶段的因果关系推理方法 092
4.2.3 基于因果知识的制造系统可观可控分析 098
4.3 功能模拟之专家系统构建与开发 100
4.3.1 专家系统的基本概念 100
4.3.2 专家系统的基本类型 104
4.3.3 专家系统的开发工具 107
4.4 功能模拟方法在智能制造中的应用案例 109
4.4.1 基于知识推理的复杂机械产品装配质量控制 109
4.4.2 航天结构件的三维数控加工工艺设计专家系统开发 121
4.5 本章小结 126
参考文献 127
第5章 面向智能制造的机器智能行为模拟方法与应用 129
5.1 感知-动作系统 129
5.2 行为模拟之机器感知方法 133
5.2.1 机器感知基本原理 133
5.2.2 无线传感器网络基本概念 136
5.2.3 信息融合基本概念 137
5.3 行为模拟之模式分类方法 138
5.3.1 基本概念 138
5.3.2 特征抽取与选择 140
5.3.3 常用模式分类方法 142
5.3.4 性能评估 147
5.4 行为模拟之计算智能算法 150
5.4.1 计算智能的基本概念 150
5.4.2 模糊计算方法 151
5.4.3 进化计算方法 152
5.5 行为模拟方法在智能制造中的应用案例 156
5.5.1 基于并行多目标遗传算法的生产资源优化配置 156
5.5.2 基于模糊逻辑控制的物料运输任务调度 163
5.6 本章小结 168
参考文献 169
第6章 面向智能制造的机器智能机制模拟方法与应用 171
6.1  基于机制模拟的机器智能理论与方法 171
6.2  机制模拟之复杂系统的网络化建模分析方法 174
6.2.1  网络科学基本理论介绍 174
6.2.2 基于复杂网络理论的制造系统优化决策方法 177
6.2.3 数据与网络融合的制造系统建模与分析方法 182
6.3 机制模拟之强化学习方法 185
6.3.1 强化学习的基本框架 185
6.3.2 多智能体强化学习方法 189
6.4 机制模拟之“关联+预测+调控”智能决策新模式 191
6.4.1 关联：制造系统耦合作用机理的智能分析 191
6.4.2 预测：制造系统性能演化规律的智能预测 193
6.4.3 调控：制造车间性能调控机制的智能构建 197
6.5 机制模拟方法在智能制造中的应用案例 202
6.5.1 基于复杂网络的飞机总装系统工时波动影响力评估 202
6.5.2  考虑工时柔性可变的制造系统资源动态调整 210
6.6  本章小结 220
参考文献 221
第7章 面向智能制造的机器智能其他理论与方法 223
7.1 多智能体与群集智能 223
7.1.1 复杂系统理论 224
7.1.2 多智能体系统的一致性控制 225
7.1.3 群集智能行为的生物原型 225
7.1.4 蚁群算法 226
7.1.5 粒子群算法 228
7.2 脑皮质学习算法 229
7.2.1 层级实时记忆 229
7.2.2 空间沉积的实现 230
7.2.3 时间沉积的实现 232
7.2.4 脑皮质学习算法原理 234
7.3 多智能体系统在智能制造中的典型应用 236
7.3.1 基于多智能体协同的大规模物料运输调度优化 237
7.3.2 基于多智能体的多机器人控制 238
7.4 群集智能算法在智能制造中的典型应用 240
7.4.1 基于两阶段多目标蚁群算法的云物流服务调度优化 240
7.4.2 基于粒子群算法的柔性车间调度系统 242
7.4.3 基于脑皮质算法的时间序列异常检测 243
7.5 本章小结 246
参考文献 246
第8章 机器智能和智能制造的前沿动态与发展方向 248
8.1 机器智能的前沿动态与困难瓶颈 249
8.1.1 机器智能的近期新进展和前沿动态 249
8.1.2 机器智能理论面临的困难与瓶颈 253
8.2 智能制造的前沿动态与困难瓶颈 255
8.2.1 智能制造的近期新进展和前沿动态 255
8.2.2 智能制造面临的困难与瓶颈 261
8.3 本章小结 264
参考文献 264