自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的定義與特征

該綜述結(jié)合中國(guó)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和中國(guó)絕大多數(shù)大學(xué)設(shè)有自動(dòng)化專業(yè)的現(xiàn)狀, 借鑒自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展歷程中的成功經(jīng)驗(yàn), 結(jié)合國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的未來(lái)需求, 以生產(chǎn)制造系統(tǒng)、重要運(yùn)載工具和人參與的信息物理系統(tǒng)為主要對(duì)象, 以自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向—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)的愿景功能為目標(biāo), 以研究實(shí)現(xiàn)愿景功能的建模、控制與優(yōu)化新算法和新的自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)以及結(jié)合重大應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展的應(yīng)用研究為主線, 提出了自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向, 并結(jié)合新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)化科學(xué)與技術(shù)的需求與挑戰(zhàn), 提出了未來(lái)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向。

自動(dòng)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(dòng)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(guò)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(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化, 顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。自動(dòng)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理和生產(chǎn)管理中, 使企業(yè)的資源計(jì)劃和制造過(guò)程管理的效率顯著提高, 成為提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)[1-2]。自動(dòng)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(dòng)軌跡的規(guī)劃中發(fā)揮著不可取代的作用[3]。

處處可見(jiàn)作為自動(dòng)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(duì)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(guó)家將智能制造作為提升制造業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力的核心高技術(shù)。美國(guó)智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟提出了實(shí)施21 世紀(jì)“智能過(guò)程制造”的技術(shù)框架和路線[5]。德國(guó)針對(duì)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(jì)劃[6]。英國(guó)宣布“英國(guó)工業(yè)2050 戰(zhàn)略”, 日本和韓國(guó)先后提出“I-Japan 戰(zhàn)略” 和“制造業(yè)創(chuàng)新3.0 戰(zhàn)略”。面對(duì)第四次工業(yè)革命帶來(lái)的全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局的新調(diào)整, 為搶占未來(lái)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn), 我國(guó)宣布實(shí)施“中國(guó)制造2025"。

智能制造的關(guān)鍵是實(shí)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(méi)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(duì)AI 的界定并不明確且隨時(shí)間推移不斷變化,但AI 的研究和應(yīng)用多年來(lái)始終秉持一個(gè)核心目標(biāo),即使人的智能行為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或復(fù)制。人工智能技術(shù)的涵義是通過(guò)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(shí)世界與改造世界的能力, 完成人類無(wú)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(guó)白宮發(fā)布了《美國(guó)國(guó)家人工智能研究與發(fā)展策略規(guī)劃》, 謀劃美國(guó)未來(lái)的人工智能發(fā)展。2017 年7 月, 中國(guó)國(guó)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(guó)國(guó)家戰(zhàn)略。2018 年3 月1 日, 美國(guó)國(guó)際戰(zhàn)略研究所發(fā)布報(bào)告《美國(guó)機(jī)器智能國(guó)家戰(zhàn)略報(bào)告》, 提出了機(jī)器智能技術(shù)對(duì)國(guó)防、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面的廣泛影響和發(fā)展戰(zhàn)略。

美國(guó)國(guó)家情報(bào)委員會(huì)在2030 年全球趨勢(shì)(Global Trend 2030) 中, 從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展角度提出了未來(lái)四大重要技術(shù), 其中, 自動(dòng)化和制造技術(shù)為第二大重要技術(shù); 華盛頓郵報(bào)網(wǎng)站(2013.5.24) 給出了驅(qū)動(dòng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)的12 種顛覆性技術(shù), 其中, 知識(shí)性工作的自動(dòng)化列為第二種顛覆性技術(shù)。由此可見(jiàn),自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)家安全、使人類生活變得越來(lái)越美好的不可取代的技術(shù)。

然而, 自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù), 特別是控制科學(xué)與技術(shù), 沒(méi)有像通訊和計(jì)算機(jī)技術(shù)那樣得到社會(huì)的理解和支持。為此, 國(guó)外學(xué)者組織了多次專題討論會(huì), 出版了研究報(bào)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(bào)告對(duì)控制理論的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用, 但并沒(méi)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(guó)負(fù)責(zé)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的部門曾多次組織國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展自動(dòng)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(bào)告, 闡明自動(dòng)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(bào)告對(duì)自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。雖然與國(guó)外相比, 我國(guó)有負(fù)責(zé)自動(dòng)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(dòng)化科學(xué)與技術(shù)在國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防安全中發(fā)揮的作用卻不如通訊、計(jì)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(jì)算機(jī)等其他信息科學(xué)和技術(shù)。

自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)始終圍繞著建模、控制與優(yōu)化三個(gè)基本科學(xué)問(wèn)題開(kāi)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(guó)外大學(xué)一般不設(shè)立自動(dòng)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(guó), 大多數(shù)大學(xué)設(shè)有自動(dòng)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(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)。

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

特別是, 當(dāng)今國(guó)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)在2008 年提出, CPS 是計(jì)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(guò)今天的系統(tǒng)[14]。計(jì)算資源主要指自動(dòng)化(建模、控制、優(yōu)化)、計(jì)算機(jī)、通訊, 物理資源主要是指CPS的研究對(duì)象所涉及的領(lǐng)域知識(shí)。研究目標(biāo)是研制實(shí)現(xiàn)未來(lái)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(dòng)化系統(tǒng)。創(chuàng)造未來(lái)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(guó)的自動(dòng)化專業(yè)在國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)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(lái)需求的自動(dòng)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(duì)象,，以實(shí)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(dòng)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?dòng)化科學(xué)與技術(shù)的需求與挑戰(zhàn), 提出了未來(lái)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向。

1.自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的定義與特征

自動(dòng)化的界定并不明確, 且隨時(shí)間推移不斷變化, 但自動(dòng)化的研究和應(yīng)用多年來(lái)始終秉持一個(gè)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(dòng)中的特定任務(wù), 減少和減輕人的體力和腦力勞動(dòng), 提高工作效率、效益和效果。由于我國(guó)大多數(shù)大學(xué)都設(shè)有自動(dòng)化專業(yè), 科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)都設(shè)有專門部門負(fù)責(zé)自動(dòng)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(duì)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)給出定義。百度對(duì)自動(dòng)化的定義如下: 廣義的自動(dòng)化, 是指在人類的生產(chǎn)、生活和管理的一切過(guò)程中, 通過(guò)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(guò)程, 從而減少和減輕了人的體力和腦力勞動(dòng), 提高了工作效率、效益和效果。由此可見(jiàn), 自動(dòng)化涉及到人類活動(dòng)的幾乎所有領(lǐng)域, 因此, 自動(dòng)化是人類自古以來(lái)永無(wú)止境的夢(mèng)想和追求目標(biāo)。

自動(dòng)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(dòng)體以及人參與的信息物理系統(tǒng)為研究對(duì)象, 以替代人或輔助人來(lái)增強(qiáng)人類認(rèn)識(shí)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(jì)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(shí)和所涉及對(duì)象的領(lǐng)域知識(shí), 研究具有動(dòng)態(tài)特性仿真與分析、預(yù)測(cè)、控制與優(yōu)化決策功能的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的一門工程技術(shù)學(xué)科。

自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)具有如下明顯的特征:

1) 交叉性

自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)是具有明顯交叉性的學(xué)科。自動(dòng)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(jì)算機(jī)科學(xué)、以及研究對(duì)象所涉及的領(lǐng)域?qū)W科交叉形成。所研制的自動(dòng)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(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)學(xué)、人工智能等學(xué)科知識(shí)和所涉及對(duì)象的領(lǐng)域知識(shí)。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(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

2) 使能性

自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的核心理論基礎(chǔ)是動(dòng)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(dòng)態(tài)特性仿真與分析、預(yù)測(cè)、控制與優(yōu)化決策功能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的使能性表現(xiàn)在其動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模理論與方法所提供的動(dòng)態(tài)特性建模與參數(shù)估計(jì)方法有助于其他學(xué)科在研究對(duì)象的機(jī)理基礎(chǔ)上建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行動(dòng)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(cè)、自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)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(jì)與分析的研究; 優(yōu)化理論與方法所提供的靜態(tài)與動(dòng)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(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的重要特征。自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)總是從“系統(tǒng)” 的角度來(lái)分析與研究所涉及到的研究對(duì)象的動(dòng)態(tài)建模、控制和優(yōu)化決策。特別是反饋控制, 通過(guò)反饋機(jī)制改善了被控對(duì)象的動(dòng)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(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的建模、控制、優(yōu)化理論與方法是通過(guò)具有動(dòng)態(tài)特性分析、預(yù)測(cè)、控制與優(yōu)化決策功能的系統(tǒng)來(lái)體現(xiàn)在人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界活動(dòng)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(lái)越多的分布式計(jì)算單元相結(jié)合用以監(jiān)測(cè)、控制、管理和優(yōu)化決策。物理系統(tǒng)的各個(gè)元素通過(guò)物質(zhì)、能量或動(dòng)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(gè)單元?jiǎng)t通過(guò)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(duì)這種人參與的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)、控制和優(yōu)化決策的深入研究, 才有可能更好地設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)、控制、管理和優(yōu)化決策系統(tǒng), 才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排, 有效地改善人類的生活。

4) 廣泛性

通過(guò)以上對(duì)自動(dòng)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(dòng)化科學(xué)與技術(shù)還具有廣泛性的特征。

自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的研究對(duì)象具有廣泛性。研究對(duì)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(duì)象可以是移動(dòng)的物體, 如航天航空器、軌道交通與汽車、陸運(yùn)運(yùn)動(dòng)體、機(jī)器人等; 研究對(duì)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(huì)管理與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。

自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛性。采用自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)所研制的自動(dòng)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(gè)領(lǐng)域, 涉及到人類的生產(chǎn)、生活和管理的一切過(guò)程。

自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)針對(duì)同一研究對(duì)象所研究的自動(dòng)化系統(tǒng)的功能具有廣泛性和多樣性。例如, 針對(duì)工業(yè)過(guò)程研究動(dòng)態(tài)特性建?？梢詫?shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性仿真與分析; 研究過(guò)程控制可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的輸出跟蹤工藝所確定的設(shè)定值; 研究過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)表征工業(yè)過(guò)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(guò)程組成的全流程生產(chǎn)線的協(xié)同優(yōu)化控制可以實(shí)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(yíng)決策、計(jì)劃調(diào)度的管理與優(yōu)化決策可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化; 研究生產(chǎn)工況的建模可以實(shí)現(xiàn)異常工況的監(jiān)控與自愈控制。

2.自動(dòng)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(gè)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(shí)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(gè)比例控制器, 因此會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。后來(lái)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(dòng)了第一次工業(yè)革命。如何設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的調(diào)速器成為一個(gè)極富挑戰(zhàn)的科學(xué)難題。麥克斯韋(Maxwell) 開(kāi)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(lái)描述調(diào)速系統(tǒng), 同時(shí)發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)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(gè)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(kāi)始在辛辛那提屠宰場(chǎng)使用, 推動(dòng)了基于勞動(dòng)分工和以電為動(dòng)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(zhǎng)途電話的失真問(wèn)題, 貝爾實(shí)驗(yàn)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(yàn)中。因此, 長(zhǎng)途電話通信的技術(shù)挑戰(zhàn)帶來(lái)了反饋回路的穩(wěn)定性問(wèn)題。1932 年, 亨利·奈奎斯特(Harry Nyquist) 開(kāi)始研究這個(gè)問(wèn)題, 建立了“奈奎斯特判據(jù)"[24]。1943 年, 貝爾實(shí)驗(yàn)室的伯德領(lǐng)導(dǎo)的小組設(shè)計(jì)M9 火炮指揮控制系統(tǒng), 采用了伯德發(fā)明的設(shè)計(jì)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(wèn)題, 用經(jīng)典控制理論已難以解決。數(shù)字計(jì)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(duì)象的數(shù)學(xué)模型和控制器設(shè)計(jì)與分析的工具。于是產(chǎn)生了以極大值原理、動(dòng)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(guò)程。工業(yè)過(guò)程往往是由多個(gè)回路組成的復(fù)雜被控對(duì)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(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的發(fā)展催生了一種專門的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)| 邏輯程序控制器(PLC)。1969 年, 美國(guó)Modicon 公司推出了084PLC[27]。該控制系統(tǒng)可以將多個(gè)回路的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)設(shè)備網(wǎng)與控制系統(tǒng)連接起來(lái), 可以方便地進(jìn)行多個(gè)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(guò)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(guò)程監(jiān)控軟件的廣泛應(yīng)用使得生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度更高, 推動(dòng)了第三次工業(yè)革命。

在工業(yè)過(guò)程控制中, 現(xiàn)有的控制理論和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)生產(chǎn)設(shè)備(或過(guò)程) 的運(yùn)行過(guò)程, 實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化, 即使反映產(chǎn)品加工過(guò)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(guò)程的運(yùn)行優(yōu)化需求使得實(shí)時(shí)優(yōu)化(RTO) 和模型預(yù)測(cè)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(guò)程。對(duì)于難以建立數(shù)學(xué)模型的冶金工業(yè)過(guò)程, 高技術(shù)公司針對(duì)具體的工業(yè)過(guò)程開(kāi)發(fā)了工藝模型進(jìn)行開(kāi)環(huán)設(shè)定控制, 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(dòng)化技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于企業(yè)管理。20 世紀(jì)60年代初計(jì)算機(jī)財(cái)務(wù)系統(tǒng)問(wèn)世, 從此人工的管理方式開(kāi)始逐漸被計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)代替。20 世紀(jì)60 年代末70 年代初, 財(cái)務(wù)系統(tǒng)擴(kuò)充了物料計(jì)劃功能, 發(fā)展成為物料需求計(jì)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(bào)表管理系統(tǒng)、采購(gòu)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(jì)劃系統(tǒng)(Distribution Resource Planning, DRP) 出現(xiàn)了, 單一功能的制造過(guò)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(jì)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(jìng)爭(zhēng)力。

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

縱觀自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展史, 給我們?nèi)缦聠⑹? 1) 自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展來(lái)自人類改造自然的實(shí)際需求; 2) 自動(dòng)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(shí)際需求與實(shí)現(xiàn)技術(shù)推動(dòng)了控制系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展; 4) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能分析的需求產(chǎn)生和推動(dòng)了控制理論的發(fā)展,控制理論的發(fā)展對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能分析起到了重要推動(dòng)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(dòng)體的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能分析推動(dòng)了控制理論的形成與發(fā)展。

經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放, 中國(guó)的自動(dòng)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(cè)技術(shù)與裝置、模式識(shí)別與智能系統(tǒng)、機(jī)器人等方面以及在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)家安全等方面的諸多應(yīng)用研究?；A(chǔ)研究已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平, 在自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的國(guó)際頂級(jí)期刊IEEE 匯刊與IFAC 會(huì)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(guó)家在智能制造、航天、軌道交通等領(lǐng)域的重大需求開(kāi)展的自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)研究取得了一批推動(dòng)上述領(lǐng)域科技進(jìn)步并產(chǎn)生重要國(guó)際影響的學(xué)術(shù)成果。總體上來(lái)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(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)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(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與國(guó)家安全進(jìn)入了快速發(fā)展階段, 人們?cè)谏a(chǎn)、生活與管理中提出了更高的要求。國(guó)家實(shí)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(duì)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(dòng)化、計(jì)算機(jī)、通訊為主的計(jì)算資源與以研究對(duì)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(guò)今天的系統(tǒng)。

為了適應(yīng)國(guó)家發(fā)展的需求和人們?cè)谏a(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(duì)控制系統(tǒng)和管理與決策系統(tǒng)提出了新的要求?？刂葡到y(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(guò)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(duì)運(yùn)行狀況和控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行遠(yuǎn)程移動(dòng)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(guò)程(裝備) 的智能自主控制系統(tǒng); 實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程與移動(dòng)監(jiān)控與預(yù)測(cè)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(shí)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(shí)時(shí)感知市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)企業(yè)目標(biāo)、計(jì)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(dòng)可視化監(jiān)控決策過(guò)程動(dòng)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(dòng)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(shí)別環(huán)境的不確定性和多樣性任務(wù), 使被控對(duì)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(shí)時(shí)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(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過(guò)程未來(lái)需求的自動(dòng)化系統(tǒng)的愿景功能, 需將生產(chǎn)制造過(guò)程的自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展為五大系統(tǒng): 1) 制造過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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?jī)?yōu)化運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)載工具未來(lái)需求的自動(dòng)化系統(tǒng)的愿景功能, 需將運(yùn)載工具自動(dòng)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(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)的愿景功能為目標(biāo), 開(kāi)展上述新系統(tǒng)理論與系統(tǒng)實(shí)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(huì)成為對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全做出重要貢獻(xiàn)的自動(dòng)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(shí)別、運(yùn)行控制和ERP 與MES 中的決策仍然依靠知識(shí)工作者。知識(shí)工作者依靠數(shù)據(jù)、文本、圖像等信息和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工況識(shí)別、運(yùn)行控制和決策, 難以實(shí)現(xiàn)離散工業(yè)產(chǎn)品個(gè)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(dòng)的人工智能技術(shù)取得了革命性進(jìn)步。自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)本質(zhì)上是數(shù)學(xué)模型驅(qū)動(dòng)的人工智能技術(shù)。大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能技術(shù)與自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合必將產(chǎn)生人工智能驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化。大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算為人工智能驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化開(kāi)辟了新途徑。人工智能驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化必將在智能制造中發(fā)揮更重要的作用。

自動(dòng)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(dòng)軌跡的規(guī)劃中發(fā)揮著不可取代的作用, 而且開(kāi)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(kāi)展這類系統(tǒng)的建模、仿真、預(yù)測(cè)和控制與優(yōu)化決策理論與技術(shù)的研究。這必將推動(dòng)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)上述新興領(lǐng)域的檢測(cè)、控制、管理和優(yōu)化決策對(duì)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(lái)發(fā)展的自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)作為發(fā)展方向, 開(kāi)展下列研究：

a) 人工智能驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)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(dòng)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(dòng)化科學(xué)與技術(shù)。

開(kāi)展上述自動(dòng)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模;

b) 具有綜合復(fù)雜性的被控對(duì)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(dòng)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(dòng)通訊、云計(jì)算環(huán)境下, 網(wǎng)絡(luò)化與智能化的自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)[37-39]。

回顧自動(dòng)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(dòng)化(建模、控制、優(yōu)化)、計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)等計(jì)算資源與研究對(duì)象的物理資源緊密融合與協(xié)同, 以系統(tǒng)的未來(lái)需求的愿景功能為目標(biāo), 研究實(shí)現(xiàn)未來(lái)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(dòng)通訊、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)研制新的自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù),并結(jié)合重大應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用研究才有可能解決上述科學(xué)難題。由于我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全對(duì)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)有重大需求, 我國(guó)大多數(shù)大學(xué)都設(shè)有自動(dòng)化專業(yè), 有國(guó)際上最大的自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的研究隊(duì)伍, 國(guó)家又有專門負(fù)責(zé)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的部門和專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi), 因此, 我國(guó)廣大的從事自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的研究人員完全有可能做出對(duì)中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全有重要影響、引領(lǐng)自動(dòng)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(lái)需求新功能的自動(dòng)化系統(tǒng)為自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的研究目標(biāo), 以國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的未來(lái)需求為導(dǎo)向, 提出生產(chǎn)制造過(guò)程未來(lái)需求的自動(dòng)化系統(tǒng)為下列五大系統(tǒng): 1) 制造過(guò)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(guò)程虛擬制造系統(tǒng); 提出運(yùn)載工具未來(lái)需求的自動(dòng)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(shí)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(dòng)通訊、云計(jì)算、人工智能技術(shù)等新一代信息技術(shù)的新的自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù), 并結(jié)合重大應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用研究將成為自動(dòng)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?dòng)化科學(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(dòng)的自動(dòng)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(dòng)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(dòng)化科學(xué)與技術(shù), 將成為未來(lái)自動(dòng)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(duì)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全有重要貢獻(xiàn)、引領(lǐng)自動(dòng)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(jì)、開(kāi)發(fā)、運(yùn)營(yíng)未來(lái)需求的自動(dòng)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(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式、研究經(jīng)費(fèi)資助機(jī)制、評(píng)價(jià)機(jī)制等, 并進(jìn)行必要的改革。