從F03 項(xiàng)目資助情況分析我國(guó)自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

吳國(guó)政

自動(dòng)化將人從單調(diào)而繁重的重復(fù)性工作中解放出來,進(jìn)而使人更多地投入到創(chuàng)造性的工作中,極大地拓展了人認(rèn)知和改造世界的范疇.當(dāng)今世界,以自動(dòng)控制和信息處理為核心的自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成為推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展、改善人類生活以及促進(jìn)社會(huì)前進(jìn)的動(dòng)力之一,因而自動(dòng)化科學(xué)也成為衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一.

自動(dòng)化是一門涉及學(xué)科多且應(yīng)用廣泛的綜合學(xué)科,在我國(guó)的研究生培養(yǎng)體系中,自動(dòng)化對(duì)應(yīng)的一級(jí)學(xué)科“控制科學(xué)與工程”下屬有五個(gè)二級(jí)學(xué)科:“控制理論與控制工程”、“檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)裝置”、“系統(tǒng)工程”、“模式識(shí)別與智能系統(tǒng)”、“導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制”.國(guó)家自然科學(xué)基金(簡(jiǎn)稱:科學(xué)基金)是國(guó)家支持自動(dòng)化領(lǐng)域研究的主要渠道之一,依靠科學(xué)基金的資助,我國(guó)在自動(dòng)化學(xué)科方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,在計(jì)算智能、無人系統(tǒng)技術(shù)、人工智能等新興方向上有了重要的進(jìn)展[1].本文以2014-2018 年科學(xué)基金對(duì)信息科學(xué)部自動(dòng)化學(xué)科中的面上項(xiàng)目、青年科學(xué)基金項(xiàng)目、地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目和海外及港澳學(xué)者合作研究項(xiàng)目的資助情況為依據(jù)[2],對(duì)近年國(guó)內(nèi)自動(dòng)化領(lǐng)域的主要研究成果和未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述.

1 我國(guó)自動(dòng)化學(xué)科研究現(xiàn)狀

科學(xué)基金為中國(guó)在自動(dòng)化領(lǐng)域的快速進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn),科學(xué)基金發(fā)揮的作用是中國(guó)自動(dòng)化領(lǐng)域科技進(jìn)步的關(guān)鍵因素之一,它推動(dòng)了中國(guó)和國(guó)際科學(xué)界建立重要聯(lián)系.科學(xué)基金通過資助項(xiàng)目、促進(jìn)學(xué)科發(fā)展,發(fā)揮了提高中國(guó)基礎(chǔ)研究數(shù)量和質(zhì)量的先鋒作用[3].

“自動(dòng)化”是科學(xué)基金項(xiàng)目一級(jí)申請(qǐng)代碼(F03)領(lǐng)域,下分十個(gè)二級(jí)領(lǐng)域:控制理論與技術(shù)(F0301)、控制系統(tǒng)(F0302)、系統(tǒng)建模理論與仿真技術(shù)(F0303)、系統(tǒng)工程理論與技術(shù)(F0304)、生物系統(tǒng)分析與調(diào)控(F0305)、檢測(cè)技術(shù)與裝置(F0306)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制(F0307)、智能制造自動(dòng)化系統(tǒng)理論與技術(shù)(F0308)、機(jī)器人學(xué)與機(jī)器人技術(shù)(F0309)、人工智能驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化(F0310).本文借助國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)網(wǎng)站(http://www.nsfc.gov.cn/)的項(xiàng)目查詢與統(tǒng)計(jì)功能以及資助項(xiàng)目統(tǒng)計(jì),搜集自動(dòng)化下屬十個(gè)二級(jí)領(lǐng)域的面上項(xiàng)目、青年科學(xué)基金項(xiàng)目、地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目和海外及港澳學(xué)者合作研究項(xiàng)目的關(guān)鍵詞、申請(qǐng)代碼、資助數(shù)量、資助金額等信息[4].經(jīng)統(tǒng)計(jì),2014-2018 年科學(xué)基金在自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)ι鲜鑫鍌€(gè)項(xiàng)目累計(jì)資助項(xiàng)目4 971 項(xiàng),累計(jì)資助金額23.5407 億元,下面分別對(duì)五個(gè)項(xiàng)目的歷年資助情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹.

1.1 面上項(xiàng)目

面上項(xiàng)目是科學(xué)基金的主要資助工具.表1 為2014-2018 年科學(xué)基金對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域面上項(xiàng)目的資助情況,圖1 為面上項(xiàng)目資助數(shù)量和資助金額的變化曲線.由圖1 可知,面上資助數(shù)量逐年增加,2018 年增加尤為明顯,資助金額2014 之后略有下降,但2018 年資助金額有大幅提高.2014-2017 年自動(dòng)化領(lǐng)域的資助金額占學(xué)部和全委的比例基本不變,但是2018 年資助比例大幅提高.除2014 年外,自動(dòng)化領(lǐng)域面上項(xiàng)目的資助率,無論是項(xiàng)目數(shù)量還是項(xiàng)目金額,基本保持平穩(wěn).由于2018 年自動(dòng)化領(lǐng)域面上項(xiàng)目申請(qǐng)數(shù)量大幅提高,導(dǎo)致其資助率略有下降,但是資助項(xiàng)目數(shù)量和金額都有大幅提高.

表1 面上項(xiàng)目資助情況Table 1 General Project Funding

1.2 青年科學(xué)基金項(xiàng)目

人才培養(yǎng)是科學(xué)基金的核心人物之一,而青年科學(xué)基金為研究人員的職業(yè)發(fā)展提供了重要支撐.表2 為2014-2018 年科學(xué)基金對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域青年科學(xué)基金項(xiàng)目的資助情況,圖2 為青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助數(shù)量和資助金額的變化曲線.由圖2 可知,青年科學(xué)基金資助數(shù)量在2014-2017 有小范圍波動(dòng),在2018 年大幅提高,資助金額也是相同的趨勢(shì).自動(dòng)化領(lǐng)域的資助金額占學(xué)部和全委的比例在2018 年也大幅度提高.青年科學(xué)基金項(xiàng)目的資助率,無論是項(xiàng)目數(shù)量還是項(xiàng)目金額,基本保持平穩(wěn).

圖1 自動(dòng)化領(lǐng)域面上項(xiàng)目歷年資助情況Fig.1 Annual Funding of General Projects in the field of automation

表2 青年科學(xué)基金資助情況Table 2 Funding of the Youth Science Foundation Project

圖2 自動(dòng)化領(lǐng)域青年科學(xué)基金項(xiàng)目歷年資助情況Fig.2 Annual funding of the Youth Science Foundation Project in the field of automation

1.3 地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目

科學(xué)基金資助經(jīng)費(fèi)的地區(qū)分布反映了研究機(jī)構(gòu)的集中程度,因此基金委設(shè)立了地區(qū)科學(xué)基金來提升欠發(fā)達(dá)地區(qū)的科研能力.表3 為2014-2018 年科學(xué)基金對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目的資助情況,圖3為地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目資助數(shù)量和資助金額的變化曲線.由圖3 可知,地區(qū)科學(xué)基金資助數(shù)量在2014-2017年有小幅波動(dòng),資助金額逐年減少,但是2018年資助數(shù)量和資助金額大大提高.由表3 可知,自動(dòng)化領(lǐng)域地區(qū)科學(xué)基金的資助金額占學(xué)部和全委的比例在2018 年最高,自動(dòng)化領(lǐng)域地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目的資助率,無論是項(xiàng)目數(shù)量還是項(xiàng)目金額,基本呈下降趨勢(shì).

1.4 重點(diǎn)項(xiàng)目

重點(diǎn)項(xiàng)目主要資助大額項(xiàng)目,這些項(xiàng)目由基金委確定主題,再通過競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行資助,因此這類項(xiàng)目對(duì)自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展非常重要.表4 為2014-2018 年科學(xué)基金對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目的資助情況,圖4為重點(diǎn)項(xiàng)目資助數(shù)量和資助金額的變化曲線.由圖4 可知,2014-2017 年重點(diǎn)項(xiàng)目資助數(shù)量歷年差別不大,最多相差3 個(gè)項(xiàng)目,但是資助金額逐年下降.2018 年資助數(shù)量和資助金額大幅提高.由表4可知,自動(dòng)化領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目的資助金額占學(xué)部和全委的比例在2014-2016 年基本不變.2017 年資助金額占學(xué)部和全委的比例有明顯下降,資助項(xiàng)目數(shù)量也略有減少,但是資助率卻有大幅提高,說明項(xiàng)目申請(qǐng)數(shù)量較以前大幅較少.2018 年重點(diǎn)項(xiàng)目的資助率,無論是項(xiàng)目數(shù)量還是項(xiàng)目金額,都大幅提高,但是項(xiàng)目資助率卻大幅下降,說明項(xiàng)目申請(qǐng)數(shù)量有大幅提高.

1.5 海外及港澳學(xué)者合作研究項(xiàng)目

表5 為2014-2018 年科學(xué)基金對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域海外及港澳學(xué)者合作研究項(xiàng)目的資助情況,圖5 為海外及港澳學(xué)者合作研究項(xiàng)目資助數(shù)量和資助金額的變化曲線.由圖5 可知,海外及港澳學(xué)者合作研究項(xiàng)目資助數(shù)量波動(dòng)較大.由表5 可知,自動(dòng)化領(lǐng)域海外及港澳學(xué)者合作研究項(xiàng)目的資助金額占學(xué)部和全委的比例波動(dòng)較大,沒有明顯的變化趨勢(shì),海外及港澳學(xué)者合作研究項(xiàng)目的資助率,無論是項(xiàng)目數(shù)量還是項(xiàng)目金額,呈逐年遞減的趨勢(shì).

1.6 國(guó)內(nèi)自動(dòng)化領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

表6 以科學(xué)基金對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域重大研究計(jì)劃、重大項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、重點(diǎn)項(xiàng)目四個(gè)方面的資助情況為依據(jù),統(tǒng)計(jì)了上述四類項(xiàng)目在自動(dòng)化各二級(jí)領(lǐng)域項(xiàng)目資助情況.由表6 可以看出科學(xué)基金對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的項(xiàng)目資助中,對(duì)控制理論與技術(shù)(F0301)領(lǐng)域資助項(xiàng)目最多、資助比例最大;對(duì)系統(tǒng)工程理論與技術(shù)(F0304)、檢測(cè)技術(shù)與裝置(F0306)、機(jī)器人學(xué)與機(jī)器人技術(shù)(F0309)領(lǐng)域資助項(xiàng)目數(shù)量呈逐年增多的趨勢(shì);其余領(lǐng)域的資助情況基本保持平穩(wěn).

表3 地區(qū)科學(xué)基金資助情況Table 3 Subsidies from regional science funds

圖3 自動(dòng)化領(lǐng)域地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目歷年資助情況Fig.3 Subsidies of regional science foundation projects in the field of automation in the past years

自動(dòng)化學(xué)科經(jīng)過幾十年的發(fā)展,基礎(chǔ)理論已經(jīng)發(fā)展成熟,廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)療等方面.過去的幾年里,在科學(xué)基金的大力資助下,自動(dòng)化學(xué)科在諸多方面取得了一些重要的進(jìn)步.在學(xué)科或交叉學(xué)科研究中,將自下而上的資助與基金委及專家遴選的優(yōu)先發(fā)展需求相結(jié)合,使得科學(xué)基金資助的許多領(lǐng)域后來成為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域.

《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》是國(guó)內(nèi)自動(dòng)化領(lǐng)域最具影響力學(xué)術(shù)期刊,每年都會(huì)評(píng)選年度優(yōu)秀論文,獲評(píng)論文均為創(chuàng)新性強(qiáng),學(xué)術(shù)水平高,對(duì)推動(dòng)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展有較大影響的理論性論文或?qū)鉀Q比較重要應(yīng)用問題有較大價(jià)值的應(yīng)用型論文,獲獎(jiǎng)?wù)撐囊卜从沉宋覈?guó)學(xué)者對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的研究方向和研究重點(diǎn).參考2014-2017 年自動(dòng)化學(xué)科二級(jí)領(lǐng)域的獲資助情況,以及《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》公布的近幾年年度優(yōu)秀論文,按照二級(jí)學(xué)科分類,將國(guó)內(nèi)自動(dòng)化領(lǐng)域研究現(xiàn)狀歸納如下.

1)控制理論與工程.近幾年,無論是在經(jīng)典控制理論,還是在智能控制、平行控制、機(jī)器人系統(tǒng)、系統(tǒng)仿真等方面,我國(guó)都取得了重要進(jìn)展.在經(jīng)典控制理論方面,我國(guó)學(xué)者首次對(duì)二階非線性不確定系統(tǒng)具體給出了PID 控制器參數(shù)設(shè)計(jì)的選取范圍,從理論上證明了相應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性及跟蹤性能的漸進(jìn)最優(yōu)性.智能控制主要用于應(yīng)對(duì)高復(fù)雜度及不確定性環(huán)境,我國(guó)智能控制研究起步較晚,但是經(jīng)過科研人員的不懈攻關(guān),取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,并在橋梁、隧道等大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用.平行控制與平行管理在理論框架、核心技術(shù)、應(yīng)用示范等方面取得了豐碩的研究成果,并且已成功應(yīng)用于應(yīng)急管理、企業(yè)生產(chǎn)管理、交通管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理等領(lǐng)域.機(jī)器人技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)具有廣泛應(yīng)用,如:工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人及特種機(jī)器人等.目前,我國(guó)機(jī)器人技術(shù)不斷突破,取得重大成就,工程機(jī)械行業(yè)開始智能化升級(jí),工業(yè)機(jī)器人逐漸產(chǎn)業(yè)化,特種機(jī)器人品種和應(yīng)用場(chǎng)景不斷增加.仿真科學(xué)與技術(shù)可以用于武器研究、作戰(zhàn)指揮、軍事訓(xùn)練等,因此在國(guó)防和軍工領(lǐng)域的具有重要應(yīng)用價(jià)值.目前,仿真科學(xué)與技術(shù)為我國(guó)飛行器設(shè)計(jì)相關(guān)領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn),并取得了令世界矚目的成就.

2)模式識(shí)別與智能系統(tǒng).我國(guó)主要在模式分類和機(jī)器學(xué)習(xí)方面取得重要進(jìn)展,在多媒體分析領(lǐng)域,如:地理、社會(huì)事件、描述生成、跨社會(huì)等領(lǐng)域取得大量研究成果,腦機(jī)接口技術(shù)不斷成熟,研究成果已經(jīng)開始應(yīng)用于醫(yī)療、娛樂及軍事等領(lǐng)域.

3)系統(tǒng)工程.我國(guó)在系統(tǒng)理論與方法、流程工業(yè)自動(dòng)化和智能交通系統(tǒng)都有重要進(jìn)展.系統(tǒng)理論與方法方面,我國(guó)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、多個(gè)體系統(tǒng)、系統(tǒng)工程等方向取得諸多成果.流程工業(yè)自動(dòng)化方面,我國(guó)科研學(xué)者在石油化工、鋼鐵、有色冶金等多個(gè)領(lǐng)域獲得重大突破.智能交通系統(tǒng)方面,無論是軌道交通、地面公共交通,還是城市停車、交通流理論,抑或交通信號(hào)控制、交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)、交通大數(shù)據(jù)等方向,我國(guó)取得了一批國(guó)際領(lǐng)先的研究成果,達(dá)到了世界先進(jìn)研究水平.

表4 重點(diǎn)項(xiàng)目資助情況Table 4 Funding of key projects

圖4 自動(dòng)化領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目歷年資助情況Fig.4 Annual funding of key projects in automation field

4)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制.隨著我國(guó)定位導(dǎo)航技術(shù)不斷成熟,復(fù)雜環(huán)境中的航空器/航天器控制逐漸成為了科研的重心.航空器/航天器系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性、大不確定性、參數(shù)快速變化、強(qiáng)耦合等特點(diǎn),我國(guó)正在分析和探討將智能控制方法應(yīng)用于航空器/航天器,進(jìn)而推進(jìn)我國(guó)航空航天事業(yè)進(jìn)入智能自主時(shí)代.

5)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置.檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置方面,目前在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制和分布式能源并網(wǎng)等方面均取得了重要進(jìn)展.對(duì)于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制,我國(guó)學(xué)者對(duì)微小故障診斷、間歇故障診斷、閉環(huán)系統(tǒng)的故障診斷等進(jìn)行了大量研究,并且取得了突破性成果.對(duì)于分布式能源并網(wǎng),在國(guó)家的大力支持下,在電力公司、高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛合作下,微網(wǎng)體系、能源互聯(lián)網(wǎng)及儲(chǔ)能領(lǐng)域也取得一些進(jìn)展.

交叉學(xué)科研究非常重要,因?yàn)樾碌念I(lǐng)域和學(xué)科往往誕生在已有學(xué)科的邊界.自動(dòng)化學(xué)科除了在以上傳統(tǒng)方向上有了重要發(fā)展之外,還在交叉學(xué)科和新興應(yīng)用方面具有旺盛的生命力,科學(xué)基金已成功資助了大量的交叉學(xué)科研究,有下面幾點(diǎn)值得關(guān)注.

1)社會(huì)計(jì)算.廣義而言,社會(huì)計(jì)算是面向社會(huì)科學(xué)的計(jì)算理論和方法,狹義而言,則是面向社會(huì)活動(dòng)、社會(huì)過程、社會(huì)組織及其作用和效應(yīng)的計(jì)算理論和方法.近年來我國(guó)對(duì)社會(huì)計(jì)算的研究成果豐碩,在社會(huì)組織發(fā)現(xiàn),社會(huì)媒體分析,以及社會(huì)計(jì)算等方面展開了廣泛而深入的研究[5].

2)信息物理融合系統(tǒng).信息物理融合系統(tǒng)是一項(xiàng)革命性的技術(shù),其整合了信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng),使傳統(tǒng)的集中式生產(chǎn)變?yōu)榉植际絽f(xié)同生產(chǎn),對(duì)行業(yè)之間進(jìn)行了重組和融合,已被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、智能電網(wǎng)、智能交通、智慧醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域[6].

3)無人機(jī)、無人車、無人船領(lǐng)域.無人機(jī)、無人車、無人船是國(guó)防及軍工領(lǐng)域的研究重點(diǎn),對(duì)維護(hù)國(guó)家權(quán)益、提高軍事、民用、國(guó)防科技水平具有重要的意義.作為全新的軍事裝備,必將催生新的作戰(zhàn)方式.目前,我國(guó)對(duì)于無人機(jī)、無人車、無人船等領(lǐng)域的研究取得了階段性成果,并且開始逐漸應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域[7].

4)智慧農(nóng)業(yè)等新興應(yīng)用方面.智慧農(nóng)業(yè)包括農(nóng)業(yè)信息感知,農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析、智能農(nóng)業(yè)決策體系等研究方向,利用先進(jìn)的信息技術(shù)和機(jī)器人技術(shù),實(shí)現(xiàn)智能化的完成播種、施肥、灌溉、除蟲和采摘等任務(wù),既提高了生產(chǎn)效率,又節(jié)約了自然資源.

表5 海外及港澳學(xué)者合作研究項(xiàng)目資助情況Table 5 Overseas and Hong Kong-Macau scholar cooperation research projects funding

圖5 自動(dòng)化領(lǐng)域海外及港澳學(xué)者合作研究項(xiàng)目歷年資助情況Fig.5 Overseas and Hong Kong-Macau scholar cooperative research projects in automation

2 與國(guó)際先進(jìn)水平比較

科學(xué)基金在我國(guó)自動(dòng)化學(xué)科的國(guó)際化方面扮演著重要角色.在科學(xué)基金和其他渠道的資助下,我國(guó)已經(jīng)成為僅次于美國(guó)的第二科學(xué)論文大國(guó),而且科學(xué)基金資助發(fā)表的論文質(zhì)量要高于中國(guó)的平均水平,這顯示科學(xué)基金在提升中國(guó)論文質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用.

科學(xué)基金資助自由選題研究,意味著它常常為一些新領(lǐng)域最早提供資助,因此它也引領(lǐng)著自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展.雖然我國(guó)在自動(dòng)化學(xué)科的個(gè)別領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到或者引領(lǐng)世界先進(jìn)水平,但是總體上和世界先進(jìn)水平還有較大差距.由于2018 年部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)未公布,本文總結(jié)了近2014-2017 年各國(guó)家對(duì)自動(dòng)化學(xué)科的研究成果貢獻(xiàn)量,如圖6-9 所示.

從圖6-9 可以看出,中國(guó)和美國(guó)是對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域貢獻(xiàn)量最多的兩個(gè)國(guó)家,并且常年保持領(lǐng)先.英國(guó)、德國(guó)、澳大利亞等國(guó)家一直在追趕中、美兩國(guó),貢獻(xiàn)量逐年上升,尤其是英國(guó),在2017 年的貢獻(xiàn)量幾乎與美國(guó)持平.

收集近幾年的關(guān)鍵詞熱詞,根據(jù)它們的共現(xiàn)矩陣生成關(guān)鍵詞圖譜,如圖10-13所示.

由近幾年的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞可以看出,我國(guó)學(xué)者在自動(dòng)化領(lǐng)域的研究既有非常復(fù)雜和細(xì)化的研究對(duì)象,如:muti-agent systems、nonlinear systems;同時(shí),也有越來越實(shí)際的應(yīng)用,如:smart grid、hyperspectral image、classification.

下面,以控制科學(xué)與工程的二級(jí)學(xué)科作為分類依據(jù),分別對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外科研水平進(jìn)行對(duì)比概述.

1)在控制理論與工程方面,我國(guó)的控制學(xué)者已在國(guó)際控制理論研究中占據(jù)了重要位置.不過,在將控制理論應(yīng)用于重大實(shí)際需求、多學(xué)科交叉領(lǐng)域研究以及科研創(chuàng)新等方面,我國(guó)學(xué)者與國(guó)外同行相比仍有較大差距.智能控制領(lǐng)域,我國(guó)在部分研究方向已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先,如電力系統(tǒng)非線性控制和魯棒控制,國(guó)內(nèi)研究水平無論在理論上還是工業(yè)應(yīng)用上都屬于國(guó)際先進(jìn)水平;但整體上看,智能控制理論多由國(guó)外學(xué)者提出,國(guó)內(nèi)研究主要集中在其工程應(yīng)用上.平行控制由我國(guó)學(xué)者率先提出,因此一直在保持該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位,國(guó)外也逐漸開始對(duì)平行控制展開研究,目前還較為初步和分散[8].我國(guó)機(jī)器人研究?jī)?nèi)容基本與國(guó)外相同,主要在隧道、橋梁等大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)方面具有優(yōu)勢(shì),但無論是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、應(yīng)用領(lǐng)域還是科研水平,都與國(guó)外存在顯著差異,在高端應(yīng)用領(lǐng)域,國(guó)外機(jī)器人占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì).系統(tǒng)仿真領(lǐng)域,我國(guó)在某些方面已處于國(guó)際領(lǐng)先地位,如飛行器設(shè)計(jì)仿真、汽車新能源動(dòng)力系統(tǒng)建模和狀態(tài)估計(jì)等;但是在工程應(yīng)用領(lǐng)域方面仍落后于國(guó)外,尤其是在制造領(lǐng)域的應(yīng)用.

表6 2014-2018 年自動(dòng)化學(xué)科二級(jí)領(lǐng)域項(xiàng)目資助情況Table 6 Subsidies for automation subject secondary field projects in 2014-2018

圖7 2015 年各國(guó)家研究成果貢獻(xiàn)量熱度圖Fig.7 Calorimetric map of the contribution of national research achievements in 2015

2)在模式識(shí)別與智能系統(tǒng)方面,國(guó)內(nèi)學(xué)者在低秩學(xué)習(xí)、分類器集成、多示例多標(biāo)簽學(xué)習(xí)等處于國(guó)際前沿水平,但在深度學(xué)習(xí)應(yīng)用方面仍處于跟跑階段,缺少開拓性工作.在腦機(jī)接口理論研究方面,國(guó)內(nèi)外旗鼓相當(dāng).但在腦機(jī)接口應(yīng)用方面,無論是神經(jīng)科學(xué)家數(shù)量,還是傳感器設(shè)備、應(yīng)用領(lǐng)域,國(guó)外均具有較大優(yōu)勢(shì).生物信息學(xué)方面,我國(guó)已經(jīng)開始在基因組學(xué)、合成生物學(xué)、中醫(yī)藥系統(tǒng)生物學(xué)與網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)等領(lǐng)域取得國(guó)際領(lǐng)先的成果,但是總體水平較國(guó)際先進(jìn)水平仍有滯后[9].

圖8 2016 年各國(guó)家研究成果貢獻(xiàn)量熱度圖Fig.8 Calorimetric map of contributions of national research achievements in 2016

圖9 2017 年各國(guó)家研究成果貢獻(xiàn)量熱度圖Fig.9 Calorimetric map of contributions of national research achievements in 2017

3)在系統(tǒng)工程方面,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究工作一直保持穩(wěn)步上升,但主要成果多為國(guó)外研究成果的推廣、延伸與應(yīng)用,缺少創(chuàng)新性理論成果.流程工業(yè)自動(dòng)化方面,我國(guó)原創(chuàng)性成果逐漸增多,并且已經(jīng)取得部分國(guó)際領(lǐng)先的成果,如工藝過程模型和先進(jìn)控制、生產(chǎn)優(yōu)化、企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策支持等方面,但在產(chǎn)學(xué)研合作方面,仍需向國(guó)外同行學(xué)習(xí).智能交通方面,雖然我國(guó)對(duì)該領(lǐng)域的研究起步較晚,但經(jīng)過近幾年的持續(xù)攻關(guān),理論研究和應(yīng)用都取得了突破性的進(jìn)展,貢獻(xiàn)了大量國(guó)際領(lǐng)先的研究成果[10].

圖10 2014 年關(guān)鍵詞熱度圖Fig.10 Keyword thermal map 2014

圖11 2015 年關(guān)鍵詞熱度圖Fig.11 Keyword thermal map 2015

4)在導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制方面,我國(guó)已經(jīng)取得了極大進(jìn)展.在工程實(shí)踐方面,自抗擾控制和全系數(shù)自適應(yīng)控制這兩類我國(guó)科學(xué)家原創(chuàng)的控制方法在航天或航空任務(wù)中得到廣泛應(yīng)用.在高超聲速飛行器領(lǐng)域,雖然形成了非常豐富的理論研究成果,但在試驗(yàn)次數(shù)方面,與美國(guó)相比仍有較大差距.總之,這些先進(jìn)控制方法的應(yīng)用廣度和應(yīng)用深度上,還有待提高.

5)在檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置方面,我國(guó)在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制和智能電網(wǎng)的研究方面有了顯著的進(jìn)展,已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平,但仍有許多問題需要解決,如動(dòng)態(tài)系統(tǒng)早期微小故障檢測(cè)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)與維護(hù)中的多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化以及將火力發(fā)電廠的控制融入智能電網(wǎng)等問題.

3 發(fā)展趨勢(shì)與展望

自動(dòng)化學(xué)科未來的研究重點(diǎn),一方面要在已有的研究方向持續(xù)推進(jìn),另一方面要重點(diǎn)關(guān)注交叉學(xué)科的興起,以及不斷涌現(xiàn)的創(chuàng)新性應(yīng)用.

圖12 2016 年關(guān)鍵詞熱度圖Fig.12 Keyword thermal map 2016

圖13 2017 年關(guān)鍵詞熱度圖Fig.13 Keyword thermal map 2017

生物信息學(xué)屬于典型的交叉學(xué)科,我國(guó)在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入國(guó)際前沿行列,伴隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,我國(guó)在生物信息學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用必將取得更多國(guó)際領(lǐng)先的成果.

人工智能是當(dāng)前的熱門研究領(lǐng)域,研究重點(diǎn)是人類認(rèn)知行為的信息處理機(jī)制,具有認(rèn)知功能的新型計(jì)算架構(gòu),自主運(yùn)動(dòng)體的高效感知與增強(qiáng)智能,復(fù)雜任務(wù)規(guī)劃與推理決策等方面的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù).該領(lǐng)域的突破與進(jìn)展將為社會(huì)帶來重大變革,推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)入智能時(shí)代,因此該領(lǐng)域也是各國(guó)互相趕超的重點(diǎn)方向.

智能機(jī)器人能夠極大地提高工作效率,為人類生產(chǎn)生活帶來極大的便利,我國(guó)應(yīng)抓緊制定符合智能機(jī)器人發(fā)展路線圖,指明智能機(jī)器人研究方向、發(fā)展目標(biāo),積極推進(jìn)核心技術(shù)的研發(fā)、機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化體系的建立與更加廣泛的行業(yè)應(yīng)用.

復(fù)雜系統(tǒng)的研究對(duì)象往往是國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的相關(guān)領(lǐng)域,而平行控制與平行管理方法對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)行為分析和管控問題十分有效.為保持我國(guó)在平行控制與平行管理研究領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),應(yīng)繼續(xù)提煉復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)問題,加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究,解決復(fù)雜系統(tǒng)中的科學(xué)問題;在此基礎(chǔ)上,不斷擴(kuò)大應(yīng)用行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域,逐漸形成全行業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用.

流程工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)是在兩化深度融合基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)制造過程智能化和綠色化.以人工智能驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化為主要內(nèi)容,借助云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),推動(dòng)全流程精準(zhǔn)建模和分析,打造貫穿全流程生產(chǎn)、全供應(yīng)鏈運(yùn)營(yíng)、全生命周期管控的一體化控制決策平臺(tái),進(jìn)而提升生產(chǎn)效率,提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,最終實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型.

信息物理融合系統(tǒng)具有重要的戰(zhàn)略地位,正在我們生活中扮演越來越重要的角色.今后的研究重點(diǎn)是進(jìn)一步完善信息物理融合系統(tǒng)理論體系,開展相關(guān)支撐技術(shù)的深入研究,實(shí)現(xiàn)信息物理融合系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用推廣,這將是我國(guó)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)W者的重大機(jī)遇.

4 結(jié)論

在過去的25 年里,科學(xué)基金在中國(guó)的基礎(chǔ)研究和科學(xué)系統(tǒng)發(fā)展中一直處于中心地位,并在中國(guó)科研體系的持續(xù)健康發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用.在科學(xué)基金的資助下,經(jīng)過幾代自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的不懈努力,我國(guó)在自動(dòng)化領(lǐng)域取得了豐碩的成果,并為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)做出了重要貢獻(xiàn).科技的進(jìn)步會(huì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,直接影響人民生活水平和綜合國(guó)力,因此一個(gè)國(guó)家的科技發(fā)展水平也就決定了其發(fā)達(dá)程度,而自動(dòng)化技術(shù)與科技發(fā)展密切相關(guān).在新歷史時(shí)期,我國(guó)在自動(dòng)化領(lǐng)域的研究更多地轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)理論的研究和新興交叉方向的研究,并希望以此作為突破口,對(duì)自動(dòng)化強(qiáng)國(guó)進(jìn)行追趕與超越,爭(zhēng)取早日成為自動(dòng)化科技強(qiáng)國(guó),廣大自動(dòng)化領(lǐng)域的學(xué)者仍需再接再厲,為我國(guó)的科技發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn).