自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展方向

柴天佑

自動化技術(shù)在人類生產(chǎn)、生活與管理進(jìn)程中起到了不可替代的作用.自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè),使以機(jī)械裝備制造等為代表的離散工業(yè)制造過程和以石油、冶金、材料等重要原材料工業(yè)和電力等能源工業(yè)為代表的流程工業(yè)過程實現(xiàn)了自動化,顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率.自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造企業(yè)的經(jīng)營管理和生產(chǎn)管理中,使企業(yè)的資源計劃和制造過程管理的效率顯著提高,成為提高企業(yè)競爭力的核心技術(shù)[1?2].自動化技術(shù)在航空、航天、軌道交通、汽車、海洋運(yùn)載工具的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制、機(jī)器人的控制與運(yùn)動軌跡的規(guī)劃中發(fā)揮著不可取代的作用[3].

正如文獻(xiàn)[4]所指出的,處處可見作為自動化技術(shù)的重要組成部分的控制技術(shù),控制技術(shù)在幾乎所有的主要技術(shù)革命中都發(fā)揮了重要作用.例如,從蒸汽機(jī)到高鐵、輔助駕駛汽車、高性能飛機(jī),從火箭到航天器,從有線電話到手機(jī),從照相機(jī)到神經(jīng)影像,從敏捷制造到機(jī)器人,從醫(yī)療設(shè)備到遠(yuǎn)視手術(shù)等,控制技術(shù)在上述技術(shù)革命中對提升系統(tǒng)性能如速度、效率、可靠性和穩(wěn)定性以及減少能源消耗、成本和廢物排放等方面發(fā)揮了不可取代的作用.

當(dāng)前,發(fā)達(dá)國家將智能制造作為提升制造業(yè)整體競爭力的核心高技術(shù).美國智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟提出了實施21世紀(jì)“智能過程制造”的技術(shù)框架和路線[5].德國針對離散制造業(yè)提出了以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命發(fā)展戰(zhàn)略,即“工業(yè)4.0”計劃[6].英國宣布“英國工業(yè)2050戰(zhàn)略”,日本和韓國先后提出“I-Japan戰(zhàn)略”和“制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略”.面對第四次工業(yè)革命帶來的全球產(chǎn)業(yè)競爭格局的新調(diào)整,為搶占未來產(chǎn)業(yè)競爭制高點,我國宣布實施“中國制造2025”.

智能制造的關(guān)鍵是實現(xiàn)制造流程智能化,這就需要將人工智能技術(shù)與制造流程的控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和制造流程的物理資源深度融合與協(xié)同.迄今為止,人工智能技術(shù)還沒有統(tǒng)一的、明確的界定.文獻(xiàn)[7]指出,AI(Artificial intelligence)不是單一技術(shù),而是應(yīng)用于特定任務(wù)的技術(shù)集合.文獻(xiàn)[8]指出,雖然對AI的界定并不明確且隨時間推移不斷變化,但AI的研究和應(yīng)用多年來始終秉持一個核心目標(biāo),即使人的智能行為實現(xiàn)自動化或復(fù)制.人工智能技術(shù)的涵義是通過機(jī)器智能延伸和增強(qiáng)人類的感知、認(rèn)知、決策、執(zhí)行等功能,增強(qiáng)人類認(rèn)識世界與改造世界的能力,完成人類無法完成的特定任務(wù)或比人類更有效地完成特定任務(wù).

2016年10月,美國白宮發(fā)布了《美國國家人工智能研究與發(fā)展策略規(guī)劃》,謀劃美國未來的人工智能發(fā)展.2017年7月,中國國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》,人工智能正式成為我國國家戰(zhàn)略.2018年3月1日,美國國際戰(zhàn)略研究所發(fā)布報告《美國機(jī)器智能國家戰(zhàn)略報告》,提出了機(jī)器智能技術(shù)對國防、經(jīng)濟(jì)、社會等方面的廣泛影響和發(fā)展戰(zhàn)略.

美國國家情報委員會在2030年全球趨勢(Global Trend 2030)中,從經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展角度提出了未來四大重要技術(shù),其中,自動化和制造技術(shù)為第二大重要技術(shù);華盛頓郵報網(wǎng)站(2013.5.24)給出了驅(qū)動未來經(jīng)濟(jì)的12種顛覆性技術(shù),其中,知識性工作的自動化列為第二種顛覆性技術(shù).由此可見,自動化科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家安全、使人類生活變得越來越美好的不可取代的技術(shù).

然而,自動化科學(xué)與技術(shù),特別是控制科學(xué)與技術(shù),沒有像通訊和計算機(jī)技術(shù)那樣得到社會的理解和支持.為此,國外學(xué)者組織了多次專題討論會,出版了研究報告,旨在論證系統(tǒng)與控制是大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中信息和通信技術(shù)的核心,提出了新的研究方向,希望得到基金資助機(jī)構(gòu)的優(yōu)先考慮和支持[4,9?11].雖然這些研究報告對控制理論的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用,但并沒有使系統(tǒng)與控制成為資助機(jī)構(gòu)優(yōu)先資助的領(lǐng)域.我國負(fù)責(zé)自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的部門曾多次組織國內(nèi)學(xué)者開展自動化學(xué)科發(fā)展和優(yōu)先資助領(lǐng)域的戰(zhàn)略研究,出版了研究報告,闡明自動化科學(xué)與技術(shù)的重要性和優(yōu)先資助的研究方向[12?13].這些研究報告對自動化學(xué)科的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用.雖然與國外相比,我國有負(fù)責(zé)自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的基金資助機(jī)構(gòu)與資助經(jīng)費(fèi),但是自動化科學(xué)與技術(shù)在國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全中發(fā)揮的作用卻不如通訊、計算機(jī)等其他信息科學(xué)和技術(shù)那樣明顯,獲得的資助經(jīng)費(fèi)也少于通訊、計算機(jī)等其他信息科學(xué)和技術(shù).

自動化科學(xué)與技術(shù)始終圍繞著建模、控制與優(yōu)化三個基本科學(xué)問題開展研究,它所形成的核心基礎(chǔ)理論—建模、控制、優(yōu)化理論和方法具有“使能”性.因此,大多數(shù)工程技術(shù)與工程管理專業(yè)都將建模、控制與優(yōu)化理論和方法作為該專業(yè)基礎(chǔ)的必修課.國外大學(xué)一般不設(shè)立自動化專業(yè),從事系統(tǒng)與控制研究的教授主要在其他工程專業(yè)講授控制理論課程.而在我國,大多數(shù)大學(xué)設(shè)有自動化專業(yè),但從事控制理論研究的學(xué)術(shù)帶頭人多,從事自動化系統(tǒng)技術(shù)研究的學(xué)術(shù)帶頭人少,而且重傳統(tǒng)控制理論,輕自動化系統(tǒng)技術(shù).

上述研究報告主要根據(jù)理論的發(fā)展提出研究方向,然而,自動化科學(xué)與技術(shù)的建模、控制、優(yōu)化理論與方法是通過與應(yīng)用領(lǐng)域的實際對象結(jié)合,研制具有動態(tài)特性分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的自動化系統(tǒng)來體現(xiàn)其在人類認(rèn)識世界和改造世界活動中發(fā)揮的不可替代的作用.

特別是,當(dāng)今國際上信息科學(xué)與技術(shù)的重要研究方向是Cyber-Physical Systems(CPS).美國國家科學(xué)基金會在2008年提出,CPS是計算資源與物理資源的緊密融合與協(xié)同,使得系統(tǒng)的適應(yīng)性、自治力、效率、功能、可靠性、安全性和可用性遠(yuǎn)超過今天的系統(tǒng)[14].計算資源主要指自動化(建模、控制、優(yōu)化)、計算機(jī)、通訊,物理資源主要是指CPS的研究對象所涉及的領(lǐng)域知識.研究目標(biāo)是研制實現(xiàn)未來需求功能的系統(tǒng).智能手機(jī)、IBM的同聲傳譯系統(tǒng)、AlphaGo等智能技術(shù)系統(tǒng)是典型的CPS.CPS是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物,是當(dāng)今信息技術(shù)條件下的自動化系統(tǒng).創(chuàng)造未來需求的新功能的系統(tǒng)已成為信息科學(xué)與技術(shù)的研究目標(biāo).

為了使中國的自動化專業(yè)在國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全中發(fā)揮不可取代的作用,本文以智能自主控制系統(tǒng)、智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和智能優(yōu)化決策與控制一體化系統(tǒng)作為未來需求的自動化系統(tǒng)發(fā)展方向,以生產(chǎn)制造系統(tǒng)和重要運(yùn)載工具為主要對象,以實現(xiàn)上述系統(tǒng)的愿景功能為目標(biāo)的系統(tǒng)理論與技術(shù)研究為主線,提出了自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向,結(jié)合新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ詣踊茖W(xué)與技術(shù)的需求與挑戰(zhàn),提出了未來自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向.

1 自動化科學(xué)與技術(shù)的定義與特征

自動化的界定并不明確,且隨時間推移不斷變化,但自動化的研究和應(yīng)用多年來始終秉持一個核心目標(biāo):研制系統(tǒng)代替人或輔助人去完成人類生產(chǎn)、生活和管理活動中的特定任務(wù),減少和減輕人的體力和腦力勞動,提高工作效率、效益和效果.由于我國大多數(shù)大學(xué)都設(shè)有自動化專業(yè),科技部和國家自然科學(xué)基金委員會都設(shè)有專門部門負(fù)責(zé)自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,因此,有必要從學(xué)術(shù)和專業(yè)的角度對自動化科學(xué)與技術(shù)給出定義.百度對自動化的定義如下:廣義的自動化,是指在人類的生產(chǎn)、生活和管理的一切過程中,通過采用一定的技術(shù)裝置和策略,使得僅用較少的人工干預(yù)甚至做到?jīng)]有人工干預(yù),就能使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目的的過程,從而減少和減輕了人的體力和腦力勞動,提高了工作效率、效益和效果.由此可見,自動化涉及到人類活動的幾乎所有領(lǐng)域,因此,自動化是人類自古以來永無止境的夢想和追求目標(biāo).

自動化科學(xué)與技術(shù)主要以工業(yè)裝備為代表的固定物體、運(yùn)載工具為代表的運(yùn)動體以及人參與的信息物理系統(tǒng)為研究對象,以替代人或輔助人來增強(qiáng)人類認(rèn)識世界和改造世界的能力為目的,綜合運(yùn)用控制科學(xué)與工程、系統(tǒng)科學(xué)與工程、信息與通信工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)學(xué)與人工智能等學(xué)科知識和所涉及對象的領(lǐng)域知識,研究具有動態(tài)特性仿真與分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的自動化系統(tǒng)設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)的一門工程技術(shù)學(xué)科.

自動化科學(xué)與技術(shù)具有如下明顯的特征:

1)交叉性

自動化科學(xué)與技術(shù)是具有明顯交叉性的學(xué)科.自動化科學(xué)與技術(shù)的理論基礎(chǔ)(建模、控制、優(yōu)化理論與方法)的建立是由數(shù)學(xué)、物理、計算機(jī)科學(xué)、以及研究對象所涉及的領(lǐng)域?qū)W科交叉形成.所研制的自動化系統(tǒng)涉及到控制科學(xué)與工程、系統(tǒng)科學(xué)與工程、信息與通信工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)學(xué)、人工智能等學(xué)科知識和所涉及對象的領(lǐng)域知識.工程技術(shù)專家、數(shù)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家和物理學(xué)家等都對該領(lǐng)域的發(fā)展做出了貢獻(xiàn).

2)使能性

自動化科學(xué)與技術(shù)的核心理論基礎(chǔ)是動態(tài)系統(tǒng)的建模、控制與優(yōu)化的理論與方法,核心技術(shù)基礎(chǔ)是具有動態(tài)特性仿真與分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的系統(tǒng)設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù).

自動化科學(xué)與技術(shù)的使能性表現(xiàn)在其動態(tài)系統(tǒng)建模理論與方法所提供的動態(tài)特性建模與參數(shù)估計方法有助于其他學(xué)科在研究對象的機(jī)理基礎(chǔ)上建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行動態(tài)特性仿真與分析的研究;控制理論與方法所提供的反饋、前饋、預(yù)測、自適應(yīng)控制器設(shè)計方法和思想以及控制系統(tǒng)性能分析方法有助于機(jī)械、電氣與電子、化工與冶金等其他學(xué)科領(lǐng)域涉及的控制系統(tǒng)設(shè)計與分析的研究;優(yōu)化理論與方法所提供的靜態(tài)與動態(tài)優(yōu)化決策理論與方法有助于其他學(xué)科領(lǐng)域涉及的系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化決策的研究.

3)系統(tǒng)性

系統(tǒng)性是自動化科學(xué)與技術(shù)的重要特征.自動化科學(xué)與技術(shù)總是從“系統(tǒng)”的角度來分析與研究所涉及到的研究對象的動態(tài)建模、控制和優(yōu)化決策.特別是反饋控制,通過反饋機(jī)制改善了被控對象的動態(tài)特性,形成的反饋控制系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期的目的.自動化科學(xué)與技術(shù)的建模、控制、優(yōu)化理論與方法是通過具有動態(tài)特性分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的系統(tǒng)來體現(xiàn)在人類認(rèn)識世界和改造世界活動中發(fā)揮的不可替代的作用.今天,大型而復(fù)雜的物理系統(tǒng)與越來越多的分布式計算單元相結(jié)合用以監(jiān)測、控制、管理和優(yōu)化決策.物理系統(tǒng)的各個元素通過物質(zhì)、能量或動量的交換而相互聯(lián)系,而控制和管理與優(yōu)化決策系統(tǒng)的各個單元則通過通信網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系.例如,智能電網(wǎng)、水資源控制與管理系統(tǒng)、交通管理與指揮系統(tǒng)、智能工廠、智慧城市、智慧醫(yī)療等.只有對這種人參與的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行建模、預(yù)測、控制和優(yōu)化決策的深入研究,才有可能更好地設(shè)計監(jiān)測、控制、管理和優(yōu)化決策系統(tǒng),才能實現(xiàn)節(jié)能減排,有效地改善人類的生活.

4)廣泛性

通過以上對自動化科學(xué)與技術(shù)的交叉性、使能性和系統(tǒng)性的分析,可以看到自動化科學(xué)與技術(shù)還具有廣泛性的特征.

自動化科學(xué)與技術(shù)的研究對象具有廣泛性.研究對象可以是固定的物體,如以機(jī)械制造工業(yè)為代表的離散工業(yè)和以原材料工業(yè)為代表的流程工業(yè)中的生產(chǎn)制造裝備、建筑設(shè)施等;研究對象可以是移動的物體,如航天航空器、軌道交通與汽車、陸運(yùn)運(yùn)動體、機(jī)器人等;研究對象也可以是人參與的信息物理系統(tǒng),如企業(yè)管理系統(tǒng)、交通管理系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、社會管理與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng).

自動化科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛性.采用自動化科學(xué)與技術(shù)所研制的自動化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)和家庭等各個領(lǐng)域,涉及到人類的生產(chǎn)、生活和管理的一切過程.

自動化科學(xué)與技術(shù)針對同一研究對象所研究的自動化系統(tǒng)的功能具有廣泛性和多樣性.例如,針對工業(yè)過程研究動態(tài)特性建模可以實現(xiàn)工業(yè)過程的動態(tài)特性仿真與分析;研究過程控制可以實現(xiàn)工業(yè)過程的輸出跟蹤工藝所確定的設(shè)定值;研究過程運(yùn)行優(yōu)化可以實現(xiàn)表征工業(yè)過程的加工產(chǎn)品的質(zhì)量、效率、消耗等運(yùn)行指標(biāo)的優(yōu)化控制;研究由不同工業(yè)過程組成的全流程生產(chǎn)線的協(xié)同優(yōu)化控制可以實現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化控制;研究企業(yè)經(jīng)營決策、計劃調(diào)度的管理與優(yōu)化決策可以實現(xiàn)企業(yè)的綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化;研究生產(chǎn)工況的建?？梢詫崿F(xiàn)異常工況的監(jiān)控與自愈控制.

2 自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程

很久以前,大自然就發(fā)現(xiàn)了反饋.它創(chuàng)造了反饋機(jī)制并且在各個層次利用這些機(jī)制,它是機(jī)體平衡和生命的核心[11].反饋控制系統(tǒng)最早出現(xiàn)在風(fēng)車上.當(dāng)時發(fā)明的離心調(diào)速器就是一種反饋控制系統(tǒng),其目的是使風(fēng)車保持恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行[15].為了使織布機(jī)和其他機(jī)器保持恒定轉(zhuǎn)速,1788年,吉姆斯·瓦特成功地改造了離心調(diào)速器.離心調(diào)速器是一個比例控制器,因此會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差.后來的調(diào)速器加入了積分作用[15?16],從此調(diào)速器成了蒸汽機(jī)不可分割的一部分.蒸汽機(jī)與調(diào)速器的廣泛應(yīng)用推動了第一次工業(yè)革命.如何設(shè)計一個穩(wěn)定的調(diào)速器成為一個極富挑戰(zhàn)的科學(xué)難題.麥克斯韋(Maxwell)開始了調(diào)速器的理論研究[17].麥克斯韋推導(dǎo)出三階線性微分方程來描述調(diào)速系統(tǒng),同時發(fā)現(xiàn)可以通過閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的根確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性.緊接著,數(shù)學(xué)家勞斯和赫爾維茨建立了一般線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)[18?19].上述工作奠定了控制理論的基礎(chǔ).

19世紀(jì)初,Sperry發(fā)明了陀螺駕駛儀,應(yīng)用于船舶駕駛[16,20?21].陀螺駕駛儀可以調(diào)整控制器參數(shù),也可以設(shè)置目標(biāo)航向.該控制器是一個典型的PID控制器.PID控制不僅廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域,而且應(yīng)用于電力工業(yè),使傳送帶于1870年開始在辛辛那提屠宰場使用,推動了基于勞動分工和以電為動力的大規(guī)模生產(chǎn),形成了第二次工業(yè)革命.如何選擇PID控制器參數(shù)使控制系統(tǒng)具有良好的性能的研究吸引了大量的工程師和科學(xué)家,直到1942年,Ziegler Nichols建立了PID參數(shù)的整定方法[22].

為了解決長途電話的失真問題,貝爾實驗室的Harold Black工程師發(fā)明了負(fù)反饋放大器[23].不穩(wěn)定或“嘯叫”常常出現(xiàn)在反饋放大器的試驗中.因此,長途電話通信的技術(shù)挑戰(zhàn)帶來了反饋回路的穩(wěn)定性問題.1932年,亨利·奈奎斯特(Harry Nyquist)開始研究這個問題,建立了“奈奎斯特判據(jù)”[24].1943年,貝爾實驗室的伯德領(lǐng)導(dǎo)的小組設(shè)計M9火炮指揮控制系統(tǒng),采用了伯德發(fā)明的設(shè)計反饋控制系統(tǒng)的工具—Bode圖[25].上述成果奠定了經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ).

50年代末到60年代初,航天技術(shù)的發(fā)展涉及到大量的多輸入多輸出系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題,用經(jīng)典控制理論已難以解決.數(shù)字計算機(jī)的出現(xiàn)使得亨利·龐加萊(1875～1906)的狀態(tài)空間表述方法可以作為被控對象的數(shù)學(xué)模型和控制器設(shè)計與分析的工具.于是產(chǎn)生了以極大值原理、動態(tài)規(guī)劃和狀態(tài)空間法為核心的現(xiàn)代控制理論[26].然而,現(xiàn)代控制理論難以應(yīng)用于工業(yè)過程.工業(yè)過程往往是由多個回路組成的復(fù)雜被控對象,難以用精確數(shù)學(xué)模型描述.大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需求、計算機(jī)和通訊技術(shù)的發(fā)展催生了一種專門的計算機(jī)控制系統(tǒng)—邏輯程序控制器(PLC).1969年,美國Modicon公司推出了084 PLC[27].該控制系統(tǒng)可以將多個回路的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過設(shè)備網(wǎng)與控制系統(tǒng)連接起來,可以方便地進(jìn)行多個回路的控制、設(shè)備的順序控制和監(jiān)控.1975年,Honeywell和Yokogawa公司研制了可以應(yīng)用于大型工業(yè)過程的分布式控制系統(tǒng)(DCS)[28].以組態(tài)軟件為基礎(chǔ)的控制軟件、過程監(jiān)控軟件的廣泛應(yīng)用使得生產(chǎn)線的自動化程度更高,推動了第三次工業(yè)革命.

在工業(yè)過程控制中,現(xiàn)有的控制理論和控制系統(tǒng)的設(shè)計方法的研究集中在保證閉環(huán)控制回路穩(wěn)定的條件下,使被控變量盡可能地跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)定值.從工業(yè)工程的角度看,自動控制或者人工控制的作用不僅僅是使控制系統(tǒng)輸出很好地跟蹤設(shè)定值,而且要控制整個生產(chǎn)設(shè)備(或過程)的運(yùn)行過程,實現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化,即使反映產(chǎn)品加工過程的質(zhì)量、效率的運(yùn)行指標(biāo)盡可能高,反映消耗的運(yùn)行指標(biāo)盡可能低.工業(yè)過程的運(yùn)行優(yōu)化需求使得實時優(yōu)化(RTO)和模型預(yù)測控制(MPC)廣泛應(yīng)用于可以建立數(shù)學(xué)模型的石化工業(yè)過程.對于難以建立數(shù)學(xué)模型的冶金工業(yè)過程,高技術(shù)公司針對具體的工業(yè)過程開發(fā)了工藝模型進(jìn)行開環(huán)設(shè)定控制,數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運(yùn)行優(yōu)化控制技術(shù)的研發(fā)受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[29?32].

大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)迫切需要生產(chǎn)企業(yè)的管理高效化.自動化技術(shù)開始應(yīng)用于企業(yè)管理.20世紀(jì)60年代初計算機(jī)財務(wù)系統(tǒng)問世,從此人工的管理方式開始逐漸被計算機(jī)管理系統(tǒng)代替.20世紀(jì)60年代末70年代初,財務(wù)系統(tǒng)擴(kuò)充了物料計劃功能,發(fā)展成為物料需求計劃系統(tǒng)(Material Requirements Planning,MRP).20世紀(jì)70年代末80年代初,MRP系統(tǒng)中增加了車間報表管理系統(tǒng)、采購系統(tǒng)等,于是發(fā)展成為MRP II.但是MRP II不能配置資源,因此配置資源計劃系統(tǒng)(Distribution Resource Planning,DRP)出現(xiàn)了,單一功能的制造過程管理系統(tǒng)(如質(zhì)量管理系統(tǒng))也相繼出現(xiàn).到20世紀(jì)80年代末90年代初,MRP II逐漸演變?yōu)槠髽I(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning,ERP),DRP演變?yōu)楣?yīng)鏈管理(Supply Chain Management,SCM),而車間層應(yīng)用的專業(yè)化制造管理系統(tǒng)演變成集成的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)[33?34].ERP和MES廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)企業(yè),顯著提高了企業(yè)的競爭力.

3 自動化科學(xué)與技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

縱觀自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展史,給我們?nèi)缦聠⑹?1)自動化科學(xué)與技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展來自人類改造自然的實際需求;2)自動化科學(xué)與技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展源于控制科學(xué)與工程;3)實際需求與實現(xiàn)技術(shù)推動了控制系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展;4)控制系統(tǒng)的設(shè)計與性能分析的需求產(chǎn)生和推動了控制理論的發(fā)展,控制理論的發(fā)展對控制系統(tǒng)的設(shè)計與性能分析起到了重要推動作用;5)以工業(yè)系統(tǒng)為代表的固定物體、以船舶、飛行器、火炮為代表的運(yùn)動體的控制系統(tǒng)的設(shè)計與性能分析推動了控制理論的形成與發(fā)展.

經(jīng)過改革開放,中國的自動化科學(xué)與技術(shù)取得了巨大發(fā)展,主要體現(xiàn)在控制理論與控制工程、系統(tǒng)工程、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制、檢測技術(shù)與裝置、模式識別與智能系統(tǒng)、機(jī)器人等方面以及在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家安全等方面的諸多應(yīng)用研究.基礎(chǔ)研究已達(dá)到國際先進(jìn)水平,在自動化科學(xué)與技術(shù)的國際頂級期刊IEEE匯刊與IFAC會刊發(fā)表的論文數(shù)量與質(zhì)量顯著提高.特別是結(jié)合國家在智能制造、航天、軌道交通等領(lǐng)域的重大需求開展的自動化科學(xué)與技術(shù)研究取得了一批推動上述領(lǐng)域科技進(jìn)步并產(chǎn)生重要國際影響的學(xué)術(shù)成果.總體上來看,基礎(chǔ)研究還處于跟跑與同跑階段,缺乏領(lǐng)跑的研究成果,在國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全中發(fā)揮的作用不如其他信息科學(xué)和技術(shù)那樣明顯.

中國的社會經(jīng)濟(jì)與國家安全進(jìn)入了快速發(fā)展階段,人們在生產(chǎn)、生活與管理中提出了更高的要求.國家實施的智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、新一代人工智能等重大發(fā)展戰(zhàn)略對自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求.移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)和人工智能技術(shù)的突破性發(fā)展促使工程技術(shù)人員與研究人員將以自動化、計算機(jī)、通訊為主的計算資源與以研究對象為主的物理資源深度融合與協(xié)同,使研究的系統(tǒng)在適應(yīng)性、自治力、效率、功能、可靠性、安全性和可用性方面遠(yuǎn)超過今天的系統(tǒng).

為了適應(yīng)國家發(fā)展的需求和人們在生產(chǎn)、生活與管理中的新要求,今天關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)如工業(yè)系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等正在向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展,這就對控制系統(tǒng)和管理與決策系統(tǒng)提出了新的要求.控制系統(tǒng)正在向智能自主控制系統(tǒng)的方向發(fā)展,管理與決策系統(tǒng)正在向智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和智能優(yōu)化決策和控制一體化系統(tǒng)方向發(fā)展.

面向生產(chǎn)制造過程的智能自主控制系統(tǒng)的愿景功能是:智能感知生產(chǎn)條件變化,自適應(yīng)決策控制回路設(shè)定值,使回路控制層的輸出很好地跟蹤設(shè)定值,對運(yùn)行狀況和控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行遠(yuǎn)程移動與可視化監(jiān)控和自優(yōu)化控制,使生產(chǎn)制造系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)化與綠色運(yùn)行[35].

面向生產(chǎn)制造企業(yè)的智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和智能優(yōu)化決策與控制一體化系統(tǒng)主要是制造全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)和智能優(yōu)化決策系統(tǒng).智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)的愿景功能是:智能感知運(yùn)行工況的變化,以綜合生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化為目標(biāo),自適應(yīng)決策智能自主控制系統(tǒng)的最佳運(yùn)行指標(biāo);優(yōu)化協(xié)同生產(chǎn)制造全流程中的各工業(yè)過程(裝備)的智能自主控制系統(tǒng);實時遠(yuǎn)程與移動監(jiān)控與預(yù)測異常工況,自優(yōu)化控制,排除異常工況,使系統(tǒng)安全優(yōu)化運(yùn)行,實現(xiàn)制造流程全局優(yōu)化.智能優(yōu)化決策系統(tǒng)的愿景功能是:實時感知市場信息、生產(chǎn)條件和制造流程運(yùn)行工況;以企業(yè)高效化和綠色化為目標(biāo),實現(xiàn)企業(yè)目標(biāo)、計劃調(diào)度、運(yùn)行指標(biāo)、生產(chǎn)指令與控制指令一體化優(yōu)化決策;遠(yuǎn)程與移動可視化監(jiān)控決策過程動態(tài)性能,自學(xué)習(xí)與自優(yōu)化決策;人與智能優(yōu)化決策系統(tǒng)協(xié)同,使決策者在動態(tài)變化環(huán)境下精準(zhǔn)優(yōu)化決策.

面向航天器、汽車、陸用武器等重要運(yùn)載工具的智能自主控制系統(tǒng)的愿景功能是:快速準(zhǔn)確感知環(huán)境信息,識別環(huán)境的不確定性和多樣性任務(wù),使被控對象成為智能自主體,能夠修正自己的行為以適應(yīng)環(huán)境的不確定性,自主決策與自主控制,實時安全可靠地完成任務(wù).

面向運(yùn)載工具的智能決策系統(tǒng)和智能決策與控制一體化系統(tǒng)是多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)和導(dǎo)航與制導(dǎo)一體化控制系統(tǒng).多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)的愿景功能是:感知整個群體區(qū)域環(huán)境信息,自主學(xué)習(xí),協(xié)同優(yōu)化決策,自主協(xié)同運(yùn)行,快速、可靠、安全地完成總體目標(biāo)任務(wù).導(dǎo)航與制導(dǎo)一體化控制系統(tǒng)的愿景功能是:快速感知環(huán)境信息,融合多元異構(gòu)信息,自主產(chǎn)生精確導(dǎo)航信息,自動為制導(dǎo)系統(tǒng)給出導(dǎo)航信息,制導(dǎo)與控制系統(tǒng)使被控運(yùn)載工具快速、準(zhǔn)確地跟蹤導(dǎo)航信息,準(zhǔn)確、迅速、安全可靠地到達(dá)目的地.

為了實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程未來需求的自動化系統(tǒng)的愿景功能,需將生產(chǎn)制造過程的自動化系統(tǒng)發(fā)展為五大系統(tǒng):1)制造過程智能自主控制系統(tǒng);2)制造全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng);3)智能優(yōu)化決策系統(tǒng);4)智能安全運(yùn)行監(jiān)控與自優(yōu)化系統(tǒng);5)工業(yè)過程虛擬制造系統(tǒng).由五大系統(tǒng)構(gòu)成兩層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng),即智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和制造流程智能化控制系統(tǒng),取代由ERP、MES和PCS(DCS)組成的三層結(jié)構(gòu)集成制造系統(tǒng).制造流程智能化控制系統(tǒng)由生產(chǎn)制造過程智能自主控制系統(tǒng)和制造全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)組成.智能安全運(yùn)行監(jiān)控和自優(yōu)化系統(tǒng)和制造過程虛擬制造系統(tǒng)保證構(gòu)成兩層結(jié)構(gòu)的兩大系統(tǒng)安全可靠優(yōu)化運(yùn)行.

為了實現(xiàn)運(yùn)載工具未來需求的自動化系統(tǒng)的愿景功能,需將運(yùn)載工具自動化系統(tǒng)發(fā)展為三大系統(tǒng):1)智能自主控制系統(tǒng);2)多智能體協(xié)同控制系統(tǒng);3)導(dǎo)航制導(dǎo)一體化控制系統(tǒng).

以實現(xiàn)上述系統(tǒng)的愿景功能為目標(biāo),開展上述新系統(tǒng)理論與系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)的研究以及在智能制造、機(jī)器人、航天航空、高鐵等重大應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用研究,將會成為對我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全做出重要貢獻(xiàn)的自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向.

目前,復(fù)雜制造全流程中的工況識別、運(yùn)行控制和ERP與MES中的決策仍然依靠知識工作者.知識工作者依靠數(shù)據(jù)、文本、圖像等信息和經(jīng)驗進(jìn)行工況識別、運(yùn)行控制和決策,難以實現(xiàn)離散工業(yè)產(chǎn)品個性定制的高效化和流程工業(yè)的高效化與綠色化[36].然而,大數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能技術(shù)取得了革命性進(jìn)步.自動化科學(xué)與技術(shù)本質(zhì)上是數(shù)學(xué)模型驅(qū)動的人工智能技術(shù).大數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能技術(shù)與自動化科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合必將產(chǎn)生人工智能驅(qū)動的自動化.大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算為人工智能驅(qū)動的自動化開辟了新途徑.人工智能驅(qū)動的自動化必將在智能制造中發(fā)揮更重要的作用.

自動化技術(shù)不僅在航空、航天、軌道交通、汽車、海洋運(yùn)載工具的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制、機(jī)器人的控制與運(yùn)動軌跡的規(guī)劃中發(fā)揮著不可取代的作用,而且開始應(yīng)用于交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的安全監(jiān)控與管理中.如同企業(yè)管理系統(tǒng),上述系統(tǒng)本質(zhì)上是人參與的信息物理系統(tǒng).要使這些關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)安全、可靠、高效和綠色地運(yùn)行,必須開展這類系統(tǒng)的建模、仿真、預(yù)測和控制與優(yōu)化決策理論與技術(shù)的研究.這必將推動自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展.

信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了智能工廠、智能電網(wǎng)、智能交通、智慧城市等人參與的信息物理系統(tǒng)以及量子通訊、微納制造和生物系統(tǒng)的發(fā)展.實現(xiàn)上述新興領(lǐng)域的檢測、控制、管理和優(yōu)化決策對已有的建模、控制、優(yōu)化理論和技術(shù)提出了挑戰(zhàn).因此,應(yīng)將未來發(fā)展的自動化科學(xué)與技術(shù)作為發(fā)展方向,開展下列研究:

a)人工智能驅(qū)動的自動化;

b)新一代網(wǎng)絡(luò)化與智能化管控系統(tǒng);

c)人參與的信息物理系統(tǒng)中的自動化科學(xué)與技術(shù);

d)新興應(yīng)用領(lǐng)域(量子通訊、微納制造和生物系統(tǒng))中的自動化科學(xué)與技術(shù).

開展上述自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展方向的研究必須攻克下列挑戰(zhàn)的科學(xué)難題:

a)機(jī)理不清的具有綜合復(fù)雜性的動態(tài)系統(tǒng)建模;

b)具有綜合復(fù)雜性的被控對象的高性能控制;

c)多沖突目標(biāo)、多沖突約束、多尺度的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化決策與控制一體化;

d)在大數(shù)據(jù)、移動通訊、云計算環(huán)境下,網(wǎng)絡(luò)化與智能化的自動化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)[37?39].

回顧自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程,我們清楚地看到,只有結(jié)合重大需求,采用CPS思想,即將自動化(建模、控制、優(yōu)化)、計算機(jī)和通訊技術(shù)等計算資源與研究對象的物理資源緊密融合與協(xié)同,以系統(tǒng)的未來需求的愿景功能為目標(biāo),研究實現(xiàn)未來需求的愿景功能的建模、控制和優(yōu)化的新算法和研究采用大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)、移動通訊、云計算等新一代信息技術(shù)研制新的自動化系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù),并結(jié)合重大應(yīng)用領(lǐng)域開展應(yīng)用研究才有可能解決上述科學(xué)難題.由于我國的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全對自動化科學(xué)與技術(shù)有重大需求,我國大多數(shù)大學(xué)都設(shè)有自動化專業(yè),有國際上最大的自動化科學(xué)與技術(shù)的研究隊伍,國家又有專門負(fù)責(zé)自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的部門和專項科研經(jīng)費(fèi),因此,我國廣大的從事自動化科學(xué)與技術(shù)的研究人員完全有可能做出對中國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全有重要影響、引領(lǐng)自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的研究成果.

4 結(jié)論

本文以創(chuàng)造未來需求新功能的自動化系統(tǒng)為自動化科學(xué)與技術(shù)的研究目標(biāo),以國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全對自動化系統(tǒng)的未來需求為導(dǎo)向,提出生產(chǎn)制造過程未來需求的自動化系統(tǒng)為下列五大系統(tǒng):1)制造過程智能自主控制系統(tǒng);2)制造全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng);3)智能優(yōu)化決策系統(tǒng);4)智能安全運(yùn)行監(jiān)控與自優(yōu)化系統(tǒng);5)工業(yè)過程虛擬制造系統(tǒng);提出運(yùn)載工具未來需求的自動化系統(tǒng)為下列三大系統(tǒng):1)智能自主控制系統(tǒng);2)多智能體協(xié)同控制系統(tǒng);3)導(dǎo)航制導(dǎo)一體化控制系統(tǒng).

以實現(xiàn)上述系統(tǒng)的愿景功能為目標(biāo),研究建模、控制和優(yōu)化的新算法,研究采用移動通訊、云計算、人工智能技術(shù)等新一代信息技術(shù)的新的自動化系統(tǒng)的設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù),并結(jié)合重大應(yīng)用領(lǐng)域開展應(yīng)用研究將成為自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向.

由于人參與的信息物理系統(tǒng)如智能工廠、智能電網(wǎng)、智能交通、智慧城市等和量子通訊、微納制造和生物系統(tǒng)等新興領(lǐng)域?qū)ψ詣踊茖W(xué)與技術(shù)提出了新的需求與挑戰(zhàn),因此,下列研究:1)人工智能驅(qū)動的自動化;2)新一代網(wǎng)絡(luò)化與智能化管控系統(tǒng);3)人參與的信息物理系統(tǒng)中的自動化科學(xué)與技術(shù);4)新興應(yīng)用領(lǐng)域(量子通訊、微納制造和生物系統(tǒng))中的自動化科學(xué)與技術(shù),將成為未來自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向.

在上述發(fā)展方向做出對國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全有重要貢獻(xiàn)、引領(lǐng)自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的研究成果,需要一大批從事研究、設(shè)計、開發(fā)、運(yùn)營未來需求的自動化系統(tǒng)的創(chuàng)新人才.這就需要重新審視和考慮現(xiàn)行的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式、研究經(jīng)費(fèi)資助機(jī)制、評價機(jī)制等,并進(jìn)行必要的改革.

致謝

本論文得以完成,得到了中國自動化學(xué)會自動化學(xué)科發(fā)展路線圖項目組的多名專家學(xué)者的支持和幫助,謹(jǐn)致以誠摯的謝意.