從國防軍工到人工智能，北理智造

尹穎堯 陳曉麗

經(jīng)過60多年的建設(shè)，北京理工大學(xué)自動化學(xué)院不斷完善人才培養(yǎng)體系，優(yōu)化師資隊伍，建設(shè)一流教學(xué)科研平臺，在理論研究與工程實踐相結(jié)合、學(xué)科交叉和軍民融合等方面具有明顯的特色與優(yōu)勢，為我國國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全發(fā)揮了重大作用。

從軍工到智能，“搞控制的人大部分在中國”

自動化學(xué)院的前身是北京理工大學(xué)自動控制系，成立于1960年，是全國最早成立的自動控制專業(yè)院系之一。成立初期，這個專業(yè)主要服務(wù)于國防，以火炮和雷達等軍工產(chǎn)品為研究對象，形成了指揮儀專業(yè)、隨動系統(tǒng)專業(yè)和大系統(tǒng)專業(yè)，其中指揮儀專業(yè)是中國計算機科學(xué)研究的發(fā)源地之一。在慶祝建國60周年閱兵的30個地面武器方陣中，北理工自動化學(xué)院參與了9種裝備的關(guān)鍵部件研制；在2015年慶?？箲?zhàn)勝利70周年的“9.3”閱兵中，北理工自動化學(xué)院獲得“裝備保障先進單位”的榮譽稱號。

除了國防軍工的特色，近幾十年，為了適應(yīng)改革開放和市場經(jīng)濟的發(fā)展，自動控制系在研究方向和人才培養(yǎng)模式上經(jīng)歷了從軍用到軍民兩用的轉(zhuǎn)變，從產(chǎn)品到學(xué)科的轉(zhuǎn)變，從工科研究到理工結(jié)合的轉(zhuǎn)變。1999年，學(xué)院取得了控制科學(xué)與工程一級學(xué)科博士點授權(quán)，現(xiàn)有“控制理論與控制工程”“導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制”“模式識別與智能系統(tǒng)”“智能信息處理與控制”“檢測技術(shù)與自動化裝置”“電氣工程與控制”六個二級方向。又在人工智能與控制、云控制與決策、無人系統(tǒng)導(dǎo)航感知與決策等領(lǐng)域開展前沿研究。近年來，學(xué)生參加國內(nèi)外各種學(xué)科競賽的比例超過60%，年均獲省部級以上獎項近60項。2017年9月21日，教育部公布了“雙一流”學(xué)科建設(shè)名單，自動化學(xué)院控制科學(xué)與工程學(xué)科入選。

北理工這些聽起來高大上的專業(yè)具體是做什么？對國防又有多大的貢獻？他們的人工智能是怎樣的智能？都是撩動人們好奇心的話題。

關(guān)于自動化專業(yè)，“因為專業(yè)稱為自動化更通俗、涵蓋范圍更廣，容易被大眾理解接受，而控制科學(xué)與工程是更學(xué)術(shù)的說法。”自動化學(xué)院院長夏元清介紹到。他還補充說，國外的大學(xué)更傾向于認為這門學(xué)科是其他學(xué)科中的一部分， 控制是一種方法，一種技術(shù)，它可以用于各種需要控制環(huán)節(jié)的對象。比如計算機中有需要控制的，電子、機械同樣也需要，“控制”是這類系統(tǒng)的重要組成部分，所以在國外做控制研究的往往分散在這類學(xué)科中。國際上設(shè)立自動化系的學(xué)校很少，其中實力較強的是設(shè)立自動控制系的蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)和英國的曼徹斯特大學(xué)。在國內(nèi)，控制科學(xué)與工程是一門研究控制理論、方法、技術(shù)及其工程應(yīng)用的學(xué)科。

對于這一學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，夏院長表示樂觀，“現(xiàn)在世界上最好的控制中心應(yīng)該在中國，因為中國是制造大國。據(jù)國家相關(guān)機構(gòu)研究得出的結(jié)論是：‘美國綜合實力遙遙領(lǐng)先，屬于第一方陣；德國、日本緊隨其后，屬于第二方陣；中國、韓國、法國、英國處于第三方陣，中國在第三方陣中遙遙領(lǐng)先。中國作為制造業(yè)大國，對于這一行業(yè)的人才需求還是最多的。各種機械設(shè)計、加工、智能制造都需要控制，所以搞控制的大部分人在中國?！?/p>

據(jù)夏院長介紹，中國作為傳統(tǒng)制造業(yè)大國，在制造上的優(yōu)勢不容小覷，這也給這門學(xué)科帶來了很好的社會環(huán)境基礎(chǔ)，但是從創(chuàng)新角度來說，國內(nèi)控制學(xué)科相比德國等工業(yè)強國還是有不小差距。前段時間有報告提到最受歡迎的工業(yè)4.0等智能制造，在技術(shù)的應(yīng)用上德國的自動化程度還是有很大的優(yōu)勢，因為他們有強大的傳統(tǒng)工業(yè)基礎(chǔ)，他們的理論和技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)上更緊密化。確實，對于還在發(fā)展中的中國來說，雖然高校研究里創(chuàng)意多，但是理論上可實現(xiàn)的東西因為生產(chǎn)設(shè)施、工藝水平等限制，裝置實際上難以產(chǎn)出；同時也存在生產(chǎn)條件具備，但關(guān)鍵理論和技術(shù)還沒有突破，因此學(xué)科發(fā)展與現(xiàn)實情況的不平衡也是必須要直面的現(xiàn)實。

夏院長還向記者提到，德國的高校跟中國的不太一樣，它更重視實際和理論的緊密結(jié)合，中國目前雖然是制造大國，但不是制造強國，所以新的理念還要落后于德國，現(xiàn)在國家提出中國制造2025、人工智能戰(zhàn)略，并且提出了很多新的功用，比如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能架構(gòu)，北理工的自動化學(xué)院就是在向新時代的人工智能與機器人的進程看齊。

北理工自動化學(xué)院多年來高度重視學(xué)科建設(shè)，走智能化道路。夏院長提出了自己的想法：“一流的學(xué)科要和世界一流學(xué)科對標，人才培養(yǎng)和科學(xué)研究要得到國際高水平同行專家的認可。所以國內(nèi)大學(xué)的雙一流需要有世界水準，需要有國際視野，走在世界前沿?！?/p>

一流高精尖平臺，一流高精尖人才

對于北理工自動化學(xué)院雙一流學(xué)科的建設(shè)，夏院長提到學(xué)院主要從三個方面著手落實。第一是人才，要培養(yǎng)一流的人才。第二是一流的平臺，比如說學(xué)院重點建設(shè)的國家重點實驗室、省部級重點實驗室、教育部工程中心、省部級實驗教學(xué)示范中心，還有北京市高精尖中心等平臺（北京市于2015年支持成立13所北京高等學(xué)校高精尖創(chuàng)新中心，主要研究范圍為：工程科學(xué)與新興技術(shù)、未來芯片技術(shù)、未來網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)科學(xué)與腦機智能、智能機器人與系統(tǒng)、軟物質(zhì)科學(xué)與工程等領(lǐng)域），以及建設(shè)其他省部級的重點實驗室、教育部的工程中心等來支持學(xué)生培養(yǎng)、學(xué)科發(fā)展。第三就是一流的管理制度，一流的管理服務(wù)機制才能為一流學(xué)科建設(shè)提供更好的服務(wù)保障，讓學(xué)生愛學(xué)，老師愛教，老師愛做研究，在研究過程中育人?！叭瞬艁砹硕荒苈涞?，就不能發(fā)揮作用，需要三個要求配套，軟硬件都要有，才能真正建成雙一流學(xué)科。”夏院長這樣總結(jié)。

一流的師資，一流的平臺，一流的管理制度，那么自然會吸引一流的學(xué)生。學(xué)校排名、師資力量是學(xué)生擇校的主要參考標準，但是學(xué)生、家長中的口碑更有說服力?！皩W(xué)校培養(yǎng)的人才經(jīng)過社會的驗證，如果畢業(yè)的學(xué)生社會認可度高，那么就會吸引更多的一流學(xué)生?！毕脑洪L對于學(xué)校的排名提出了自己獨到的觀點。對于高校一流學(xué)科和一流人才的建設(shè)來說，打鐵還需自身硬，再多的名氣包裝都是空談。

控制科學(xué)與工程這門學(xué)科很重視學(xué)生的培養(yǎng)。夏院長提出要把最新的研究成果和本科教學(xué)相結(jié)合。“培養(yǎng)一流學(xué)生，要把教學(xué)和科研做好，科研如果做得好，但科研的成果沒有用到課堂上來，沒有抓到學(xué)生，學(xué)生覺得和其他學(xué)校差不多，那么學(xué)生反饋到社會上的影響也不太高?！痹趺窗岩涣鞯某晒麕У秸n堂上來呢？自動化學(xué)院鼓勵老師們一方面要瞄準國家重大需求和世界科技前沿開展研究，一方面要高度重視科教融合，科研反哺教學(xué)，將最新的科研成果寫進教材，融入課堂。“現(xiàn)在的社會發(fā)展程度已經(jīng)跟以前不一樣，以前沒有網(wǎng)絡(luò)，老師講什么學(xué)生信什么?，F(xiàn)在學(xué)生可以百度、Google，一查什么都有，老師不在最前沿，學(xué)生就不感興趣，那老師的作用就沒有了。網(wǎng)上慕課什么都有，就不一定要聽老師的課了。這種情況就要求老師要不斷地處在研究前沿才行。”夏院長從信息化時代給高校老師帶來的挑戰(zhàn)角度提出了犀利的看法，教學(xué)創(chuàng)新是一流學(xué)科建設(shè)的重要舉措。他提到老師不僅需要開展前沿研究項目，還要重視教學(xué)創(chuàng)新。大學(xué)教育以人才培養(yǎng)為中心，杰出人才不能光搞科研不跟學(xué)生接觸，要進課堂，言傳身教，為學(xué)生上課，把最新最好的成果帶給學(xué)生，把重要的問題告訴學(xué)生，讓學(xué)生學(xué)會去思考，切實提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

在課堂上，老師怎樣比學(xué)生手里的手機還吸引眼球呢？夏院長形象地拿趙本山的小品舉例子：“像原來趙本山的小品一樣，為了十分鐘的小品，練習(xí)三個月，老師實際上每堂課都是一次藝術(shù)表演，怎么把學(xué)生的注意力吸引到老師的講演上，需要老師從知識儲備和表達能力兩方面去提高?！蓖瑫r，課上和課后的結(jié)合才能讓理論在實踐中融會貫通，夏院長頗為犀利地指出：“課堂外組織各種各樣的活動，就是把課堂內(nèi)老師所講的知識，融化到活動中，運用到應(yīng)用中，提高對課堂知識的理解和創(chuàng)新。如果在課后沒有實踐創(chuàng)新，知識僅停留在書本上，沒有進一步的利用，不會有深刻的領(lǐng)悟。所以我們課堂上和課堂外需要結(jié)合?！?/p>

夏院長認為培養(yǎng)的學(xué)生首先是符合國家、社會的需要。在這樣的學(xué)生培養(yǎng)理念之下，自動化學(xué)院生源多、質(zhì)量好，并且滿足各行各業(yè)的需要。尤其是近年控制學(xué)科在人工智能、大數(shù)據(jù)、無人機、無人車等都體現(xiàn)了突出的科研優(yōu)勢。那么怎么保證考進來的學(xué)生是好的，畢業(yè)出去會更好，夏院長表示除了優(yōu)秀的師資之外，創(chuàng)新驅(qū)動學(xué)生培養(yǎng)是核心。

在自動化學(xué)院，本科生就能加入老師科研團隊參與前沿領(lǐng)域科學(xué)研究。核心研究主要以研究生和博士生為主，但是可以通過研究生、本科生互動的方式來實現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新培養(yǎng)。夏院長說，本科生思路活躍開闊，很有激情，但是知識結(jié)構(gòu)不夠完善，難以深入，本科生和研究生組成團隊的模式，專業(yè)性就更強，以老帶新，相互協(xié)作，達成更好的項目研究結(jié)果。據(jù)資料顯示，自動化學(xué)院在學(xué)生創(chuàng)新培養(yǎng)上做出了突出成果。近年，自動化學(xué)院的無人車團隊拿到過挑戰(zhàn)杯大獎，無人機也獲得MBZIRC國際挑戰(zhàn)賽冠軍， 而“電子設(shè)計”“無人車”“無人機”“智能車”“數(shù)學(xué)建模”和“日內(nèi)瓦國際發(fā)明展”等國家或國際級獎項也不少見。

除此之外，學(xué)生學(xué)習(xí)的“精”度和“廣”度也是這一學(xué)科在教學(xué)過程中的著力點。夏院長對于控制科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)成效很是自豪，他提到，控制科學(xué)與工程的核心是控制，經(jīng)過系統(tǒng)的訓(xùn)練，學(xué)生不只從一個元器件來看問題，而是系統(tǒng)地來看問題，分析問題，各個部件組成一個系統(tǒng)，從而產(chǎn)生新的功能。而且自動化需要學(xué)的東西多，涵蓋數(shù)學(xué)、計算機，數(shù)電模電、機械、強電弱電多個領(lǐng)域，這樣培養(yǎng)出來的人才得到社會的廣泛認可。不僅如此，學(xué)院還針對性地設(shè)立了國際班，培養(yǎng)學(xué)生國際眼光，鼓勵學(xué)生出國深造。2017年就有學(xué)生拿到了劍橋人工智能領(lǐng)域的研究生錄取通知書。

因為北理工自動化強大的就業(yè)前景，所以外校學(xué)生想考研到這里深造并不容易。自動化學(xué)院一年有180個左右的碩士錄取名額，其中保送生達到50%～70%。剩下錄取名額越來越少，但是因為它地理位置好，學(xué)科排名靠前，發(fā)展機遇多，工作機會多，所以想考研到這里的人反而越來越多。夏院長建議準備考研的同學(xué)需要提早多做準備，夯實基礎(chǔ)，也歡迎數(shù)學(xué)、計算機、機械等專業(yè)跨學(xué)科報考控制科學(xué)與工程學(xué)科的研究生。

人工智能與機器人，智能機器人的春天

北理工的控制科學(xué)學(xué)科立足于傳統(tǒng)學(xué)科問題發(fā)展新的知識體系，比如火炮、指揮與控制、還有定位定向?qū)Ш?、遠程火箭彈和慣性導(dǎo)航等，深度挖掘傳統(tǒng)工業(yè)的新實力；同時在新的領(lǐng)域開展相關(guān)的項目研究，比如工業(yè)4.0、智能制造、人工智能、機器人等，取得了很多新的突破。

“所有的自動化，所有的科學(xué)，最終的目的之一就是提高人的生活質(zhì)量，一切以人為中心?！毕脑洪L這樣告訴記者。所以自動化學(xué)院率先開始了金融服務(wù)機器人、醫(yī)療機器人的相關(guān)研究。金融機器人是學(xué)院里的IN2BOT智能機器人創(chuàng)新團隊與民生銀行合作研制的，是我國第一臺具有銀行金融業(yè)務(wù)辦理功能的自主移動服務(wù)機器人，真正實現(xiàn)了金融業(yè)務(wù)的自助辦理功能。他們將北理工研制軍用裝備的先進技術(shù)應(yīng)用其中，通過RGBD數(shù)據(jù)信息（即圖像信息與深度信息的融合）對環(huán)境進行實時地圖構(gòu)建與精確定位。目前金融機器人已經(jīng)開始實際應(yīng)用。

而醫(yī)療是人類提高生活質(zhì)量最關(guān)注的話題。智能醫(yī)療手術(shù)機器人的應(yīng)用可以從手術(shù)精準性、可靠性和降低醫(yī)護人員工作負擔(dān)和身體損害等方面極大提高醫(yī)療水平。正在研究這一領(lǐng)域的控制科學(xué)與工程專業(yè)的博士生翟弟華很看好智能機器人在醫(yī)療事業(yè)上的發(fā)展前景，他說：“一方面，受到醫(yī)生軀體疲勞、精神壓力、個人手術(shù)經(jīng)驗等因素影響，醫(yī)生手術(shù)過程中的精準度和可靠性難以得到保證。智能手術(shù)機器人通過多模圖像配準引入術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實時地對機器人進行定位并進行路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃后再由醫(yī)生進行路勁確認，無論是從精準度還是可靠性上來說都較傳統(tǒng)手術(shù)有了極大的提升，同時也可以減少醫(yī)生的工作負擔(dān)。另一方面，對于一些外科手術(shù)，例如我們現(xiàn)在正在研究的脊柱微創(chuàng)手術(shù)，手術(shù)過程中醫(yī)生、患者要接受大量的X線照射，平均一臺脊柱手術(shù)就需要上百次X線照射，會大大提高醫(yī)護人員致癌的風(fēng)險。對于此類手術(shù)，通過引入網(wǎng)絡(luò)化遙操作控制技術(shù)，將醫(yī)生和患者通過網(wǎng)絡(luò)隔開，就可以避免這種風(fēng)險?！?/p>

翟弟華還提到了國外著名的醫(yī)療機器人——以麻省理工學(xué)院研發(fā)的機器人外科手術(shù)技術(shù)為基礎(chǔ)的達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)。這款機器人能通過微創(chuàng)的方法在普通外科、心胸外科、泌尿外科、婦產(chǎn)科等方面實施復(fù)雜的外科手術(shù)。由于我國還沒有自主研發(fā)的相關(guān)成果，醫(yī)院只能依賴進口，所以價格十分昂貴。同時翟弟華也提到了達芬奇手術(shù)機器人的應(yīng)用局限性——達芬奇機器人在普通外科手術(shù)等方面應(yīng)用很成熟，卻不適用于如脊柱外科手術(shù)這樣的場景，需要有專門的脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人。于是在現(xiàn)在國內(nèi)自動化技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)有了更好的基礎(chǔ)的情況下，各大高校和醫(yī)院也開始開展針對性的機器人研發(fā)。

夏院長提到中科院自動化所目前在做的心腦血管機器人，“自動化所做血管介入機器人，人的血管里面放支架，通過機器人放進去。還有腦部手術(shù)，人始終靠感覺，雖然技術(shù)高超的醫(yī)生也能做得好，但是機器人能看得很清楚很容易做好，創(chuàng)口就切得很準，傷口小，容易愈合。此外，培養(yǎng)一個有經(jīng)驗的醫(yī)生需要的時間成本太高?！辈贿^目前大多數(shù)國內(nèi)的研究都還在試驗階段，少數(shù)已經(jīng)開始臨床應(yīng)用。比較有名的就是北京積水潭醫(yī)院自主開發(fā)的骨科手術(shù)機器人。翟弟華說：“它完全是由醫(yī)院主導(dǎo)的，由北航、中科院等多家科研單位聯(lián)合參與研發(fā)，在手術(shù)精度方面做得非常好，在國際上都是領(lǐng)先的?！钡沁@款機器人還需要醫(yī)生在手術(shù)室進行操作，無法完全避免醫(yī)生面臨的術(shù)中放射性輻射，翟弟華所在的團隊想做的是遙操作型醫(yī)療機器人。

這樣的研究并不順利，研究存在幾個很大的問題。一方面，如何確?？刂凭取３藱C器人本身的不確定性，遙操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的引入也給機器人控制帶來影響，例如數(shù)據(jù)量化誤差等。另一方面，如果監(jiān)控不是十分到位的話，手術(shù)機器人可能會碰到障礙物，脊柱這邊環(huán)境非常特殊，操作空間小，手術(shù)要求非常高，除了對手術(shù)機器人的控制精準度有要求外，對于其運行的平穩(wěn)性要求也非常高。第三，是控制的實時性。網(wǎng)絡(luò)的引入帶來了通信時滯，會影響手術(shù)機器人動作響應(yīng)的實時性，從而影響手術(shù)安全性。第四，隨著人工智能的發(fā)展，需要基于醫(yī)療大數(shù)據(jù)，提高醫(yī)療水平。 仍處于理論研究階段的北理工醫(yī)療機器人團隊成員翟弟華對于當(dāng)前研究形勢還是倍感壓力。

“現(xiàn)在我們解決了一些問題。從理論上保證了精準操作的可能性，我們提出了遙操作機器人描述性能控制方法，對穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能實現(xiàn)了定量分析與控制。對機器人的平穩(wěn)性操作，我們提出了半自主自適應(yīng)控制方法，利用冗余的關(guān)節(jié)自由度施加半自主控制實現(xiàn)手術(shù)機器人避障、避免奇異性、關(guān)節(jié)位移避極限等自主控制。后續(xù)，還將結(jié)合實驗平臺做進一步的算法調(diào)試?！钡缘苋A說。