控制科学与工程学科发展现状及趋势(一)
2018-08-20 14:29:32   来源:中国自动化学会    点击:

一、引言 自动化科技,将人从单调而繁重的重复性工作中解放出来,进而使人能够更多地投入到创造性的工作中,极大地拓展了人类认知和改造世界的能力。显然,自动化程度已经成为当今世界衡量一个国家科技发展水
一、引言

     自动化科技,将人从单调而繁重的重复性工作中解放出来,进而使人能够更多地投入到创造性的工作中,极大地拓展了人类认知和改造世界的能力。显然,自动化程度已经成为当今世界衡量一个国家科技发展水平和综合国力的重要标准之一,而以自动控制和信息处理为核心的智能自动化技术,更已成为推动生产力发展、改善人类生活以及促进社会前进的主要动力。

     自动化是一门跨领域多学科且应用广泛的综合性工程科学。在我国的研究生培养体系中,自动化对应的一级学科“控制科学与工程”,下属有五个二级学科:“控制理论与控制工程”“模式识别与智能系统”“系统工程”“导航、制导与控制”“检测技术与自动装置”。在过去的三年内,随着国家在科研方面的支持力度的加大,我国在自动化学科方面取得了长足的进步。在人工智能、无人系统技术、学习控制等新兴方向上有了重大的进展。本文将简要地对近年国内自动化领域的主要研究成果和未来发展方向进行综述。

二、国内现状综述

     自动化学科经过几十年的发展,基础理论已经发展成熟,广泛应用到工业、农业、军事、交通运输、商业、医疗等方面。在过去的几年里,在诸多方面取得了一些重要的进步,按照二级学科分类,主要的发展情况归纳如下。

     (1)控制理论与控制工程。PID 控制器由于其结构简单、鲁棒性强和可靠性高等优点, 迄今为止仍然是自动控制中应用最为广泛的控制方法。国内的最新研究首次对二阶非线性不确定系统具体给出了 PID 控制器参数设计的选取范围,从理论上证明了相应闭环控制系统的全局稳定性及跟踪性能的渐进最优性,具有重要的理论和实际意义。智能控制是在解决具有高度复杂与不确定性以及控制性能要求越来越高的背景下产生的。复杂系统数学模型一般难以建立,数据驱动控制摆脱了对受控系统数学模型的依赖,其研究对象可概括为机理 / 辨识模型很难建立或不可获取,或机理 / 辨识模型可获取但非常复杂、阶数高、非线性强、时变性强,或机理 / 辨识模型可获取但不确定性程度较大的被控系统。自适应动态规划方法以经典的动态规划方法为理论基础,融合了人工智能先进技术,为解决大规模复杂系统优化控制问题提供了新的途径。平行控制是解决复杂系统优化与决策的强有力的方法。近年来,平行控制与平行管理在理论框架、核心技术、应用示范等方面取得了丰硕的研究成果。平行控制与平行管理的概念与基本方法得到完善,拓展出数据建模和分析优化应用技术、知识自动化方法和区块链技术,解决了企业管理、物流管理、应急管理中的复杂问题,开展了平行交通、平行企业和平行农业等领域的应用实践。建立了平行控制与平行管理在军事领域应用的实现框架。机器人是实现复杂系统智能控制的重要载体,机器人技术也在现代社会发展中起到的作用日益明显。我国的机器人研究已经从有计划开发、研制到了推广应用阶段。仿人机器人技术不断突破,进入了国际领先行列。在建筑智能化方面,尤其是在桥梁、隧道等大型基础设施建设中,建筑机器人技术得到广泛应用。水下机器人取得重大成就并在海洋研究等领域获得成功应用。智能化工程机器人实现了从单机产品到机群作业和远程维护,引领了工程机械行业技术升级并开发出工业机器人系列产品,推动了工业机器人示范应用和产业化。特种机器人实现了从无到有,品种和应用不断壮大。仿真科学与技术在控制科学、系统科学、计算机科学等学科中孕育发展,尤其在我国国防和军工领域得到广泛重视与应用。目前已用于武器研究、作战指挥、军事训练等, 尤其在我国飞行器设计相关领域的发展取得了令世界瞩目的成就。

     (2)模式识别与智能系统。我国在模式分类和机器学习的基础理论与方法及应用上取得了重要发展。在计算机视觉上,以视频、图像为载体,赋予计算机感知、推理的能力, 并在前沿问题上力求占领理论与技术的制高点。生物信息学把控制科学与工程的研究对象从机械、电子、物理、化学等系统扩展到了以分子和细胞为基本单元的生命系统。多媒体分析领域中,地理分布、社会事件、描述生成、信息对抗、跨社区多源异构等特征分析获得了我国学者的青睐,并取得了大量研究成果。脑机接口技术得到了长足的发展,研究成果覆盖肢体辅助、神经康复、军事及娱乐等应用。在智能楼宇领域,采用信息技术和智能化控制手段,通过网络与传感技术对建筑物内温度、湿度、人员状况等进行监控,使得楼宇管理日趋简单、高效。

     (3)系统工程。在系统理论与方法、流程工业自动化、智能交通系统和网络信息服务方面都有重要进展。系统理论与方法方面,我国在复杂网络、多个体系统、系统工程等方向都取得了诸多研究成果。复杂系统作为基础研究也已经列入《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006 — 2020年)》中。流程工业自动化方面,在石油化工、钢铁、有色冶金等多个应用领域不断取得突破。“高效环保芳烃成套技术开发及应用”项目通过物理化学、催化材料、智能控制等方法创新,使我国高效环保芳烃成套技术达到国际领先水平,并荣获 2015 年国家科学技术进步奖特等奖。智能交通系统方面,在轨道交通、地面公共交通、城市停车、交通流理论与交通信号控制、交通规划与设计、交通大数据等方向都取得了长足的进步,取得了一批国际领先的研究成果,我国在智能交通领域的研究水平已经实现了与世界同步。网络信息服务方面,P2P服务、网格服务、面向服务的构架、云计算、物联网、大数据等信息服务技术,为网络信息服务带来了巨大的机遇。以同济大学为牵头单位的973 项目“信息服务的模型与机理研究”,揭示了一般意义下信息服务的基本特征和重要特性,获得了信息服务表达性的计算结构和适配性等一系列重要理论结果。

     (4)导航、制导与控制。随着定位导航技术在过去 20 年中日趋成熟,我国研究学者围绕强非线性、高不确定性、参数快速变化、强耦合等航空器 / 航天器的系统特点,逐渐将研究重心转移到了复杂环境中的航空器 / 航天器控制上,分析和探讨航空器 / 航天器的智能控制方法,推进我国航空航天事业加速迈入智能自主时代。

     (5)检测技术与自动化装置。目前在动态系统故障诊断与容错控制、发电自动化技术、分布式能源并网、智慧城市研究等方面均取得了重要进展。对于动态系统故障诊断与容错控制,微小故障诊断、间歇故障诊断、闭环系统的故障诊断一直是难点和热点问题, 在此方面我国已取得了系统性和关键性的研究成果。发电自动化技术,适应了新能源的发展,提高了特高压互联电网的可靠性,推动了智能电厂的建设。通过构建发电行业大数据、探索机器学习和人工智能应用等热点问题,促进发电自动化技术进一步发展。对于分布式能源并网,电力公司和很多高校、研究机构都开展了微网体系、能源互联网等关键技术研究工作并取得一定进展。在国家自然科学基金和国家科技部 973 项目、863 项目的大力支持下,针对领域内关键技术问题,如运行控制策略、能量管理、储能、示范工程建设等多个方面开展了系统化的研究工作。对于智慧城市研究,自 2013 年以来,围绕智慧城市的发展,我国学者从智慧城市的起源与发展历程、体系结构设计、关键技术、标准化与评价体系、典型案例等多个方面展开了广泛的研究。

     自动化领域除了在以上的传统方向上有了重要发展之外,还在交叉学科和新兴应用方面具有旺盛的生命力,有下面几点值得关注。

     (1)社会计算。2004 年,我国学者首次提出了“计算社会学”的概念;2007 年, 中国科学院自动化研究所团队在人工智能领域顶级杂志 IEEE Intelligent Systems 上联合撰文明确了“社会计算”的内涵,给出其从“社会信息”到“社会智能”的基本研究  框架;2012 年,在中国科学院大学的大力支持下,社会计算成为跨“控制科学与工程” “计算机科学与技术”“管理科学与工程”三个一级学科的交叉学科(学科代码“99J2”),拥有博士和硕士学位授予权,学位培养工作依托中国科学院大学和中国科学院自动化所展 开。该学科第一位博士研究生于 2016 年毕业。根据 2013 年中科院自动化所研究团队出版的专著《社会计算的基本方法与应用》一书中的定义,广义而言,社会计算是面向社会科学的计算理论和方法,狭义而言,则是面向社会活动、社会过程、社会组织及其作用和效应的计算理论和方法。近年来,互联网的全面普及以及移动智能设备的广泛应用同时促进了社会媒体的爆发式增长,进一步促进了社会计算研究理论的迅猛发展。该学科涉及社会、经济、工程等领域的诸多重大问题研究,其核心是以人和社会为表征的建模、实验与分析评估,其主要方法是社会科学、计算科学、管理科学等多学科的交叉融合。近年来, 我国对社会计算的研究成果丰硕。中国科学院自动化研究所、中国科学院计算技术研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、西安交通大学、浙江大学等单位都展开系统的研究工作,在社会组织发现及其演化动力学、社会媒体分析,以及社会计算等方面展开了广泛而深入的研究。

     (2)信息物理融合系统。信息物理融合系统经过十余年的快速发展,已广泛应用于制造业、智能电网、智能交通、智慧医疗、智能网络等多个领域,正以史无前例的方式重塑着更多研究领域。以智能制造为例,信息物理融合系统整合了信息系统和物理系统,将传统的集中式生产模式转变为分布式协同生产模式,从而模糊了不同制造业之间的边界,迫使行业之间进行重组和融合。浙江大学主要从信息物理系统的设计、实现以及信息物理系统中的其他问题三个角度,对信息物理系统的各项技术进行了较为深入的探讨。清华大学、天津大学、北京交通大学、中国科学院自动化研究所等在相关领域开展了基础和应用研究。由于信息物理融合系统的广泛性和实用性,这方面的研究必将带来革命性的技术创新。

     (3)自主无人系统领域。无人机、无人车、无人船是网络化自主无人系统的重要节点,将颠覆传统作战模式,催生全新军事装备体系,对维护国家权益,提高军事、民用、国防科技水平具有重要的意义。无人机是一种不需要驾驶员登机进行任何驾驶操作,完全在电子设备的监控下可以自动完成全部飞行过程的飞行器,在导航、结构设计、建模与飞行控制以及组网和多机协同等方面已经取得了一定的成果。无人车是指通过车载传感系统感知环境,自动规划行车路线并控制车辆实现预定驾驶目标的智能汽车。当前无人车领域的研究热点主要集中于无人车的环境感知、决策和控制三个方面。无人船是指依靠船载传感器,在水面进行自主或半自主方式航行的智能化平台,其核心关键技术为态势感知、航行规划和控制。目前,我国在无人机、无人车、无人船等技术领域都取得了一定的技术突破,对军事、民用等方面都会产生深远的影响。

     (4)智慧农业。随着物联网、互联网、大数据与云计算等现代信息技术的发展,为实现具有创新力和可持续发展的现代新型农业,智慧农业应运而生。智慧农业,包括农业相关信息感知、农业大数据分析、农业智能决策体系、农业智能装备等,服务于播种、施肥、灌溉、环境控制等农业操作和生产管理决策支持,提高农业生产效率,减少人力投入。在科技部、农业部、地方政府的支持下,我国已实施多个示范项目,在各个方向都有技术积累。随着国家“三权分离”等农业政策的实施,智慧农业将有更广阔的前景,深刻改变目前的农业生产方式。

     (5)自适应动态规划。自适应动态规划方法由Werbos于1977年首次提出。2006 年美国科学基金会组织的“2006 NSF Workshop and Outreach Tutorials on Approximate Dynamic Programming”研讨会上,自适应动态规划名称被正式确定。自适应动态规划通过采用模型网络逼近系统动态特征,采用评判网络逼近性能指标函数,采用执行网络逼近系统最优控制策略形成完整的自学习系统。自适应动态规划本质上基于增强式学习原理,模拟人通过环境反馈进行学习的思路,从而时间向前的求解系统最优控制策略。自适应动态规划有效克服了传统动态规划方法维数灾的问题,近年来被认为是一种非常接近人脑智能的方法。由于自适应动态规划在求解非线性最优控制方面的强大优势,近些年来被广泛关注并在无模型控制、实时控制、多控制器系统控制等方面取得了丰硕的成果。平行动态规划方法,则基于自适应动态规划的基本想法,结合平行控制的ACP方法,对于工程复杂性和社会复杂性并存的情况下,通过对平行系统的描述解析、预测解析和引导解析,实现对复杂系统管理和控制的新途径。
 

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