目录

第1章绪论1

1.1探索信息的真谛1

1.1.1探寻信息的真实模样1

1.1.2信息的科学内涵4

1.1.3信息的表现形态5

1.2信息论与信息科学7

1.2.1认识信息论7

1.2.2了解信息科学9

1.3从信息技术的历史演进到未来新篇10

1.3.1什么是信息技术10

1.3.2人类历史上的四次信息技术革命12

1.3.3新一代信息技术15

1.4我国信息化的发展战略及建设成果17

1.4.1我国信息化的发展战略17

1.4.2我国信息化建设的成果18

1.5本章小结19

思考题19第2章计算机系统与技术21

2.1计算机发展历程21

2.1.1从机械装置到计算思想的诞生21

2.1.2第一代电子计算机与冯·诺依曼结构的奠基22

2.1.3从晶体管到个人计算机: 芯片革命三十年22

2.1.4摩尔定律的黄金时代与架构突围23

2.1.5走向智能与未来: AI、量子与计算边界24

2.2计算机硬件体系结构24

2.2.1冯·诺依曼体系结构及其演变25

2.2.2中央处理器组成与工作原理25

2.2.3图形处理器与专用加速器26

2.2.4存储器层次结构27

2.2.5输入/输出子系统与总线接口28

2.3计算机操作系统29

2.3.1操作系统的发展阶段29

2.3.2进程与线程管理29

2.3.3内存管理30

2.3.4文件系统与存储管理31

2.3.5设备管理与I/O子系统32

2.3.6系统安全与保护机制32

2.3.7主流操作系统比较分析33

2.4软件工程基础34

2.4.1软件开发生命周期模型34

2.4.2程序的编译、链接与解释流程35

2.4.3算法设计与分析基础35

2.4.4基本数据结构及其应用36

2.4.5软件开发范式36

2.4.6软件测试基础与质量保证37

2.5数据库系统: 架构与应用37

2.5.1数据库系统概述与数据模型37

2.5.2关系数据库系统核心结构38

2.5.3数据库设计40

2.5.4事务管理与并发控制41

2.5.5非关系数据库与大数据平台41

2.6计算机网络基础42

2.6.1网络体系结构与通信模型42

2.6.2网络设备与传输介质43

2.6.3网络类型与拓扑结构43

2.6.4互联网核心技术与服务44

2.7前沿技术导引45

2.7.1人工智能与机器学习基础概念45

2.7.2云计算: 服务模型与部署模型46

2.7.3边缘计算与物联网47

2.7.4量子计算原理与潜力展望47

2.7.5区块链技术简介47

本章重点概念48

思考题48第3章电子信息技术基础49

3.1电子信息技术发展概述49

3.1.1电子管49

3.1.2晶体管革命50

3.1.3集成电路50

3.1.4微处理器时代51

3.1.5移动通信52

3.1.6电子信息的当前趋势53

3.2信号处理基础53

3.2.1信号的基本概念与分类53

3.2.2采样定理与混叠效应54

3.2.3模拟调制技术55

3.2.4数字调制技术57

3.2.5脉冲编码调制原理59

3.3半导体基础与集成电路制造60

3.3.1半导体物理基础60

3.3.2PN结原理与二极管特性62

3.3.3晶体管的工作原理63

3.3.4集成电路的基本概念与分类 66

3.4光电子技术与传输介质67

3.4.1光电子器件基础67

3.4.2光纤通信系统基本组成67

3.4.3传输介质简介68

3.5射频与无线通信原理69

3.5.1射频基本概念与频谱划分69

3.5.2射频收发机基本原理70

3.5.3无线调制解调关键技术70

3.6通信系统架构与协议栈71

3.6.1通信系统基本模型71

3.6.2协议栈分层思想72

3.6.3物理层功能72

3.6.4数据链路层功能73

3.6.5网络层功能74

3.6.6传输层功能75

3.6.7应用层功能与常见协议示例76

3.6.8通信系统中的安全性概述77

本章重点概念77

思考题78第4章控制与自动化79

4.1控制与自动化技术概述79

4.1.1常见控制现象与自动化技术79

4.1.2控制理论与自动化技术演进过程79

4.2自动控制系统基本原理80

4.2.1自动控制系统的组成80

4.2.2自动控制系统的建模方法82

4.2.3自动控制系统的性能描述86

4.3自动控制系统的基本控制方法88

4.3.1PID控制88

4.3.2非线性控制91

4.3.3自适应控制92

4.3.4智能控制95

4.4自动控制系统的基本元件与设备96

4.4.1传感器与环境感知96

4.4.2控制器与决策逻辑100

4.4.3执行器与动作实现101

4.4.4信号转换与传输网络102

4.4.5自动控制系统集成103

4.5自动化技术应用与智能演进104

4.5.1自动化技术的典型应用场景104

4.5.2智能化趋势下的关键技术融合105

本章重点概念105

思考题106第5章物联网技术及应用107

5.1物联网概述107

5.1.1从互联网到物联网107

5.1.2物联网的定义108

5.1.3物联网的发展110

5.1.4新一代信息技术111

5.2物联网的体系结构112

5.2.1感知层112

5.2.2传输层113

5.2.3支撑层113

5.2.4应用层114

5.3物联网关键技术114

5.3.1感知技术114

5.3.2传输技术115

5.3.3支撑技术116

5.3.4应用技术118

5.4物联网协议118

5.4.1按技术栈分层协议119

5.4.2按应用场景分类协议120

5.5综合应用: 物联网技术在公共安全与智慧治理中的应用121

5.5.1智能交通121

5.5.2智能物流122

5.5.3智慧医疗122

5.5.4智能电网122

5.5.5智能环境监测122

5.5.6智能城市安防122

5.6物联网技术前沿与挑战: 赋能数字中国与新基建123

5.6.1数字中国建设的关键方向123

5.6.2技术突破与发展挑战123

5.7本章小结124

本章重点概念124

思考题 125第6章云计算与大数据126

6.1大数据技术概述126

6.1.1大数据时代126

6.1.2大数据发展历程128

6.1.3大数据的基本概念129

6.1.4大数据的来源及表现形态130

6.1.5大数据基本特征及价值意义132

6.1.6大数据的种类135

6.1.7大数据的应用领域137

6.2云计算技术概述138

6.2.1云计算定义138

6.2.2云计算技术组成138

6.2.3云计算的基本角色144

6.2.4云计算的主要特性145

6.3云计算与大数据的关系及处理流程147

6.3.1大数据的技术支撑: 计算、存储与智能147

6.3.2云计算与大数据的关系149

6.3.3数据科学: 从大数据中提取价值的学科150

6.3.4大数据处理的基本流程151

6.4前沿技术与未来挑战152

6.4.1核心地位: 数字经济时代的“新基建”152

6.4.2典型应用: 智慧城市与治理现代化153

6.4.3技术前沿: 边缘计算、无服务器架构、分布式数据湖与AIoT153

6.4.4核心挑战: 安全、隐私与协同治理154

6.4.5未来展望: 演化方向与战略意义154

本章重点概念155

思考题155第7章机器学习156

7.1深度学习基础156

7.1.1生物神经元与人工神经元156

7.1.2多层感知机的结构与前向传播157

7.1.3激活函数159

7.1.4损失函数160

7.1.5反向传播161

7.2卷积神经网络162

7.2.1卷积层162

7.2.2池化层165

7.2.3全连接层166

7.3循环神经网络168

7.3.1基础RNN模型168

7.3.2长短期记忆神经网络170

7.3.3编码器解码器架构171

7.4Transformer173

7.4.1注意力机制174

7.4.2Transformer的结构175

7.5大语言模型177

7.6多模态大模型180

7.6.1文生图大模型181

7.6.2文生音频大模型182

7.6.3文生视频大模型182

7.7项目实战: 使用CNN进行图像分类183

7.8案例分析: 国之重器DeepSeek184

本章重点概念185

思考题 185第8章网络空间安全186

8.1网络空间安全概述186

8.1.1网络空间安全基本概念186

8.1.2网络空间安全面临的挑战187

8.1.3网络空间安全学科目的与研究188

8.1.4安全治理与法规框架189

8.2系统与基础设施安全190

8.2.1系统与系统安全190

8.2.2系统安全原理192

8.2.3硬件系统安全193

8.2.4操作系统与应用系统安全195

8.3密码学基础199

8.3.1密码学的发展与演进200

8.3.2密码学基础理论203

8.3.3核心密码算法原理与应用204

8.3.4关键安全协议剖析206

8.3.5现代密码扩展技术207

8.4网络与通信安全209

8.4.1通信安全基本概念209

8.4.2网络安全防护技术210

8.4.3网络安全工程与管理213

8.4.4新兴网络安全技术215

8.5新兴技术安全挑战与应对215

8.5.1人工智能安全215

8.5.2云安全217

8.5.3区块链安全特性与风险217

8.5.4物联网与工业控制系统安全218

8.6攻防实战与高级威胁应对219

8.6.1APT案例分析219

8.6.2红蓝对抗演练220

8.6.3威胁情报与应急响应体系220

本章重点概念221

思考题221第9章智能通信与光电技术222

9.15G通信技术基础与网络架构222

9.25G网络的智能优化技术224

9.35G发展瓶颈与演进驱动力226

9.3.1发展瓶颈227

9.3.2演进驱动力227

9.45GA技术演进228

9.56G通信系统的前沿探索与展望230

9.5.1通感智联与通信范式重构230

9.5.2面向智能社会的6G网络发展趋势232

9.6光电技术基础与发展概况233

9.6.1光电技术概述233

9.6.2光的产生与调制技术234

9.6.3光的传输与探测基础235

9.6.4光电接收系统236

9.7光电技术在5G/6G中的关键使能作用237

9.7.15G与光电技术的融合现状237

9.7.2光电技术在5GA演进中的深化应用238

9.7.3面向6G的光电融合新范式238

9.7.4面向智能泛在网络的通感算系统融合: 价值与挑战239

9.8通信技术前沿: 6G的空天地海一体化趋势239

9.9应用案例分析: 工业互联网、智慧医疗与车联网240

本章重点概念242

思考题243第10章智能控制244

10.1智能控制演进脉络与理论基础244

10.1.1自动控制原理244

10.1.2智能控制的提出246

10.1.3智能控制的定义246

10.1.4智能控制的演进脉络248

10.1.5智能控制的相关理论249

10.2智能控制系统设计: 感知决策执行闭环250

10.2.1感知环节250

10.2.2决策环节250

10.2.3执行与反馈机制251

10.2.4感知决策执行的闭环系统252

10.3先进过程控制与优化253

10.3.1先进过程控制的概念253

10.3.2优化控制方法254

10.3.3多目标与约束优化255

10.4工业智能系统集成与应用255

10.4.1工业智能系统集成255

10.4.2智能制造系统256

10.4.3物联网与智能控制257

10.4.4应用实例258

10.5智能控制前沿与挑战: 安全可信的自主智能控制259

10.5.1自主智能控制的定义与目标259

10.5.2安全性问题260

10.5.3可信性问题260

10.5.4挑战与前沿研究261

10.6案例分析: 智能手术机器人控制/无人机集群协同控制262

10.6.1智能手术机器人控制262

10.6.2无人机集群协同控制263

本章重点概念265

思考题265第11章机器人技术267

11.1机器人学基础与系统构成267

11.1.1机器人学定义与发展简史267

11.1.2典型机器人系统架构268

11.1.3机器人的自由度270

11.1.4机器人坐标与参考坐标系270

11.1.5机器人分类标准271

11.2机器人感知与环境理解273

11.2.1传感器分类与特性274

11.2.2感知算法研究分析275

11.2.3环境地图类型讨论276

11.3机器人运动规划与控制276

11.3.1运动学基础277

11.3.2路径规划算法278

11.3.3先进控制策略279

11.4具身智能280

11.4.1具身智能的概念与内涵280

11.4.2具身智能的技术突破281

11.4.3具身智能在各领域中的应用281

11.4.4具身智能面临的挑战282

11.5机器人技术前沿与挑战: 人机器人自然交互与协作安全283

11.5.1自然人机交互283

11.5.2协作安全机制284

11.5.3前沿方向285

11.6案例分析: 多种机器人应用典型案例286

11.6.1工业协作案例: 宝马生产线的人机协同装配286

11.6.2医疗机器人案例: 达芬奇手术机器人辅助系统287

11.6.3服务机器人案例: Pepper在零售与陪护场景中的应用287

11.6.4物流机器人案例: 京东仓储机器人自动分拣系统288

11.6.5公共安全机器人案例: 深圳机场安检巡逻机器人“安巡宝”289

11.6.6教育与康复机器人案例: NAO机器人在孤独症儿童干预中的

应用289

本章重点概念290

思考题290第12章多智能体系统291

12.1多智能体系统简介291

12.1.1多智能体系统的基本概念291

12.1.2多机器人系统的特点与典型应用场景292

12.1.3从传统控制到智能协作的演化292

12.2群体行为与局部规则293

12.2.1聚集、避碰、队形保持等基本行为模型293

12.2.2经典模型介绍: Boids模型294

12.2.3局部感知产生全局行为294

12.3控制架构与协同机制295

12.3.1集中式控制与分布式控制的比较295

12.3.2多智能体系统中的通信拓扑与稳定性问题296

12.3.3任务分配、角色协同与一致性算法298

12.4多智能体系统在智能计算领域的应用300

12.4.1多智能体与元启发式算法的结合300

12.4.2群体智能算法300

12.4.3群体智能典型算法301

12.5多智能体系统中的强化学习应用303

12.5.1强化学习与多智能体强化学习简介303

12.5.2个体学习与协同学习策略304

12.5.3奖励设计对系统性能的影响305

12.5.4信息共享机制与分布式训练305

12.6应用场景与前沿趋势307

12.6.1群体机器人应用实例307

12.6.2当前挑战: 通信可靠性、训练稳定性、规模扩展等问题308

12.6.3人工智能驱动的未来协同系统展望309

12.7本章小结309

本章重点概念309

思考题310第13章现实挑战311

13.1产业数字化战略与国家政策体系311

13.1.1产业数字化的模式重塑311

13.1.2国家政策体系的协同架构312

13.1.3政策效能评估312

13.1.4战略体系的学术价值与实践目标314

13.2重点产业数字化转型实践314

13.2.1制造业: 从生产自动化到全链路智能化315

13.2.2农业: 智慧农业助力乡村振兴316

13.2.3能源行业: 双碳目标驱动的智能电网革命316

13.2.4金融服务业: 风控重构与普惠服务突破317

13.2.5医疗健康: 精准医疗与资源均衡的合理分配317

13.2.6重点产业转型共同价值与未来挑战318

13.3产业服务创新: 从技术工具到生态赋能318

13.3.1平台化赋能318

13.3.2模块化服务319

13.3.3协同化生态320

13.3.4伦理化治理320

13.4数据隐私与《通用数据保护条例》321

13.4.1数据隐私的法理基石322

13.4.2隐私计算技术突破322

13.4.3数据治理平衡323

13.4.4数据隐私和保护条例的未来挑战324

13.5算法偏见治理325

13.5.1偏见本质与技术根源326

13.5.2产业场景中的偏见放大效应327

13.5.3系统性治理328

13.5.4算法偏见治理的前沿挑战329

13.6案例: AI 创作版权争议330

13.6.1争议起源与技术背景330

13.6.2技术特性与版权争议的深层关联331

13.6.3现有治理路径与实践探索332

13.6.4未来趋势与挑战: 技术迭代下的治理334

思考题 336参考文献337