未來自動化科學與技術的發展方向

未來自動化科學與技術的發展方向

導讀

當前, 發達國家將智能制造作為提升制造業整體競爭力的核心高技術. 美國智能制造領導聯盟提出了實施21 世紀“智能過程制造”的技術框架和路線[5].德國針對離散制造業提出了以智能制造為主導的第四次工業革命發展戰略, 即“工業4.0”計劃[6]. 英國宣布“英國工業2050 戰略”, 日本和韓國先后提出“I-Japan 戰略” 和“制造業創新3.0 戰略”. 面對第四次工業革命帶來的全球產業競爭格局的新調整, 為搶占未來產業競爭制高點, 我國宣布實施“中國制造2025".

2016 年10 月, 美國白宮發布了《美國國家人工智能研究與發展策略規劃》, 謀劃美國未來的人工智能發展. 2017 年7 月, 中國國務院印發《新一代人工智能發展規劃》, 人工智能正式成為我國國家戰略. 2018 年3 月1 日, 美國國際戰略研究所發布報告《美國機器智能國家戰略報告》, 提出了機器智能技術對國防、經濟、社會等方面的廣泛影響和發展戰略.

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

自動化科學與技術始終圍繞著建模、控制與優化三個基本科學問題開展研究, 它所形成的核心基礎理論|建模、控制、優化理論和方法具有“使能”性. 因此, 大多數工程技術與工程管理專業都將建模、控制與優化理論和方法作為該專業基礎的必修課. 國外大學一般不設立自動化專業, 從事系統與控制研究的教授主要在其他工程專業講授控制理論課程. 而在我國, 大多數大學設有自動化專業,但從事控制理論研究的學術帶頭人多, 從事自動化系統技術研究的學術帶頭人少, 而且重傳統控制理論, 輕自動化系統技術.

上述研究報告主要根據理論的發展提出研究方向, 然而, 自動化科學與技術的建模、控制、優化理論與方法是通過與應用領域的實際對象結合, 研制具有動態特性分析、預測、控制與優化決策功能的自動化系統來體現其在人類認識世界和改造世界活動中發揮的不可替代的作用.

為了使中國的自動化專業在國家社會經濟發展和國家安全中發揮不可取代的作用, 本文以智能自主控制系統、智能優化決策系統和智能優化決策與控制一體化系統作為未來需求的自動化系統發展方向, 以生產制造系統和重要運載工具為主要對象, 以實現上述系統的愿景功能為目標的系統理論與技術研究為主線, 提出了自動化科學與技術的發展方向,結合新興應用領域對自動化科學與技術的需求與挑戰, 提出了未來自動化科學與技術的發展方向.

1、自動化科學與技術的定義與特征

自動化科學與技術具有如下明顯的特征:

1)交叉性

自動化科學與技術是具有明顯交叉性的學科.自動化科學與技術的理論基礎(建模、控制、優化理論與方法) 的建立是由數學、物理、計算機科學、以及研究對象所涉及的領域學科交叉形成. 所研制的自動化系統涉及到控制科學與工程、系統科學與工程、信息與通信工程、計算機科學與技術、數學、人工智能等學科知識和所涉及對象的領域知識. 工程技術專家、數學家、經濟學家和物理學家等都對該領域的發展做出了貢獻.

2)使能性

自動化科學與技術的核心理論基礎是動態系統的建模、控制與優化的理論與方法, 核心技術基礎是具有動態特性仿真與分析、預測、控制與優化決策功能的系統設計方法與實現技術.

3)系統性

4)廣泛性

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

自動化科學與技術的應用領域具有廣泛性. 采用自動化科學與技術所研制的自動化系統廣泛應用到工業、農業、軍事、科學研究、交通運輸、商業、醫療、服務和家庭等各個領域, 涉及到人類的生產、生活和管理的一切過程.

自動化科學與技術針對同一研究對象所研究的自動化系統的功能具有廣泛性和多樣性.例如, 針對工業過程研究動態特性建模可以實現工業過程的動態特性仿真與分析; 研究過程控制可以實現工業過程的輸出跟蹤工藝所確定的設定值; 研究過程運行優化可以實現表征工業過程的加工產品的質量、效率、消耗等運行指標的優化控制; 研究由不同工業過程組成的全流程生產線的協同優化控制可以實現生產線生產指標的優化控制;研究企業經營決策、計劃調度的管理與優化決策可以實現企業的綜合生產指標優化; 研究生產工況的建模可以實現異常工況的監控與自愈控制.

2、自動化科學與技術的發展歷程

很久以前, 大自然就發現了反饋. 它創造了反饋機制并且在各個層次利用這些機制, 它是機體平衡和生命的核心[11]. 反饋控制系統最早出現在風車上. 當時發明的離心調速器就是一種反饋控制系統,其目的是使風車保持恒定轉速運行[15]. 為了使織布機和其他機器保持恒定轉速, 1788 年, 吉姆斯·瓦特成功地改造了離心調速器. 離心調速器是一個比例控制器, 因此會產生穩態誤差. 后來的調速器加入了積分作用[15-16], 從此調速器成了蒸汽機不可分割的一部分. 蒸汽機與調速器的廣泛應用推動了第一次工業革命. 如何設計一個穩定的調速器成為一個極富挑戰的科學難題. 麥克斯韋(Maxwell) 開始了調速器的理論研究[17]. 麥克斯韋推導出三階線性微分方程來描述調速系統, 同時發現可以通過閉環系統特征方程的根確定系統的穩定性. 緊接著, 數學家勞斯和赫爾維茨建立了一般線性系統的穩定性判據[18-19]. 上述工作奠定了控制理論的基礎.

在工業過程控制中, 現有的控制理論和控制系統的設計方法的研究集中在保證閉環控制回路穩定的條件下, 使被控變量盡可能地跟蹤控制系統的設定值. 從工業工程的角度看, 自動控制或者人工控制的作用不僅僅是使控制系統輸出很好地跟蹤設定值,而且要控制整個生產設備(或過程) 的運行過程, 實現運行優化, 即使反映產品加工過程的質量、效率的運行指標盡可能高, 反映消耗的運行指標盡可能低.工業過程的運行優化需求使得實時優化(RTO) 和模型預測控制(MPC) 廣泛應用于可以建立數學模型的石化工業過程. 對于難以建立數學模型的冶金工業過程, 高技術公司針對具體的工業過程開發了工藝模型進行開環設定控制, 數據驅動的智能運行優化控制技術的研發受到工業界和學術界的廣泛關注[29-32].

3、自動化科學與技術面臨的挑戰與發展方向

縱觀自動化科學與技術發展史, 給我們如下啟示: 1) 自動化科學與技術的產生和發展來自人類改造自然的實際需求; 2) 自動化科學與技術的產生和發展源于控制科學與工程; 3) 實際需求與實現技術推動了控制系統的出現與發展; 4) 控制系統的設計與性能分析的需求產生和推動了控制理論的發展,控制理論的發展對控制系統的設計與性能分析起到了重要推動作用; 5) 以工業系統為代表的固定物體、以船舶、飛行器、火炮為代表的運動體的控制系統的設計與性能分析推動了控制理論的形成與發展.

面向生產制造過程的智能自主控制系統的愿景功能是: 智能感知生產條件變化, 自適應決策控制回路設定值, 使回路控制層的輸出很好地跟蹤設定值,對運行狀況和控制系統的性能進行遠程移動與可視化監控和自優化控制, 使生產制造系統安全、可靠、優化與綠色運行[35].

面向生產制造企業的智能優化決策系統和智能優化決策與控制一體化系統主要是制造全流程智能協同優化控制系統和智能優化決策系統. 智能協同優化控制系統的愿景功能是: 智能感知運行工況的變化, 以綜合生產指標的優化為目標, 自適應決策智能自主控制系統的最佳運行指標; 優化協同生產制造全流程中的各工業過程(裝備) 的智能自主控制系統; 實時遠程與移動監控與預測異常工況, 自優化控制, 排除異常工況, 使系統安全優化運行, 實現制造流程全局優化. 智能優化決策系統的愿景功能是:實時感知市場信息、生產條件和制造流程運行工況;以企業高效化和綠色化為目標, 實現企業目標、計劃調度、運行指標、生產指令與控制指令一體化優化決策; 遠程與移動可視化監控決策過程動態性能, 自學習與自優化決策; 人與智能優化決策系統協同, 使決策者在動態變化環境下精準優化決策.

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

面向運載工具的智能決策系統和智能決策與控制一體化系統是多智能體協同控制系統和導航與制導一體化控制系統. 多智能體協同控制系統的愿景功能是: 感知整個群體區域環境信息, 自主學習, 協同優化決策, 自主協同運行, 快速、可靠、安全地完成總體目標任務. 導航與制導一體化控制系統的愿景功能是: 快速感知環境信息, 融合多元異構信息,自主產生精確導航信息, 自動為制導系統給出導航信息, 制導與控制系統使被控運載工具快速、準確地跟蹤導航信息, 準確、迅速、安全可靠地到達目的地.

為了實現生產制造過程未來需求的自動化系統的愿景功能, 需將生產制造過程的自動化系統發展為五大系統: 1) 制造過程智能自主控制系統; 2)制造全流程智能協同優化控制系統; 3) 智能優化決策系統; 4) 智能安全運行監控與自優化系統; 5)工業過程虛擬制造系統. 由五大系統構成兩層結構的現代集成制造系統, 即智能優化決策系統和制造流程智能化控制系統, 取代由ERP、MES 和PCS(DCS) 組成的三層結構集成制造系統. 制造流程智能化控制系統由生產制造過程智能自主控制系統和制造全流程智能協同優化控制系統組成. 智能安全運行監控和自優化系統和制造過程虛擬制造系統保證構成兩層結構的兩大系統安全可靠優化運行.

為了實現運載工具未來需求的自動化系統的愿景功能, 需將運載工具自動化系統發展為三大系統:1) 智能自主控制系統; 2) 多智能體協同控制系統;3) 導航制導一體化控制系統.

以實現上述系統的愿景功能為目標, 開展上述新系統理論與系統實現技術的研究以及在智能制造、機器人、航天航空、高鐵等重大應用領域的應用研究, 將會成為對我國社會經濟發展和國家安全做出重要貢獻的自動化科學與技術的發展方向.

自動化技術不僅在航空、航天、軌道交通、汽車、海洋運載工具的導航、制導與控制、機器人的控制與運動軌跡的規劃中發揮著不可取代的作用, 而且開始應用于交通系統、能源系統、水資源系統、生物系統、醫療系統、通訊系統等關鍵基礎設施系統的安全監控與管理中. 如同企業管理系統, 上述系統本質上是人參與的信息物理系統. 要使這些關鍵基礎設施系統安全、可靠、高效和綠色地運行, 必須開展這類系統的建模、仿真、預測和控制與優化決策理論與技術的研究. 這必將推動自動化科學與技術的發展.

信息技術的發展促進了智能工廠、智能電網、智能交通、智慧城市等人參與的信息物理系統以及量子通訊、微納制造和生物系統的發展. 實現上述新興領域的檢測、控制、管理和優化決策對已有的建模、控制、優化理論和技術提出了挑戰. 因此, 應將未來發展的自動化科學與技術作為發展方向, 開展下列研究：

a) 人工智能驅動的自動化;

b) 新一代網絡化與智能化管控系統;

c) 人參與的信息物理系統中的自動化科學與技術;

d) 新興應用領域(量子通訊、微納制造和生物系統) 中的自動化科學與技術.

開展上述自動化科學與技術發展方向的研究必須攻克下列挑戰的科學難題:

a) 機理不清的具有綜合復雜性的動態系統建模;

b) 具有綜合復雜性的被控對象的高性能控制;

c) 多沖突目標、多沖突約束、多尺度的復雜動態系統優化決策與控制一體化;

d) 在大數據、移動通訊、云計算環境下, 網絡化與智能化的自動化系統的設計與實現技術[37-39].

回顧自動化科學與技術的發展歷程, 我們清楚地看到, 只有結合重大需求, 采用CPS 思想, 即將自動化(建模、控制、優化)、計算機和通訊技術等計算資源與研究對象的物理資源緊密融合與協同, 以系統的未來需求的愿景功能為目標, 研究實現未來需求的愿景功能的建模、控制和優化的新算法和研究采用大數據應用技術、移動通訊、云計算等新一代信息技術研制新的自動化系統的設計和實現技術,并結合重大應用領域開展應用研究才有可能解決上述科學難題. 由于我國的社會經濟發展和國家安全對自動化科學與技術有重大需求, 我國大多數大學都設有自動化專業, 有國際上最大的自動化科學與技術的研究隊伍, 國家又有專門負責自動化科學與技術發展的部門和專項科研經費, 因此, 我國廣大的從事自動化科學與技術的研究人員完全有可能做出對中國社會經濟發展和國家安全有重要影響、引領自動化科學與技術發展的研究成果.

4、結論

本文以創造未來需求新功能的自動化系統為自動化科學與技術的研究目標, 以國家社會經濟發展和國家安全對自動化系統的未來需求為導向, 提出生產制造過程未來需求的自動化系統為下列五大系統: 1) 制造過程智能自主控制系統; 2) 制造全流程智能協同優化控制系統; 3) 智能優化決策系統; 4)智能安全運行監控與自優化系統; 5) 工業過程虛擬制造系統; 提出運載工具未來需求的自動化系統為下列三大系統: 1) 智能自主控制系統; 2) 多智能體協同控制系統; 3) 導航制導一體化控制系統.

以實現上述系統的愿景功能為目標, 研究建模、控制和優化的新算法, 研究采用移動通訊、云計算、人工智能技術等新一代信息技術的新的自動化系統的設計方法和實現技術, 并結合重大應用領域開展應用研究將成為自動化科學與技術的發展方向.

由于人參與的信息物理系統如智能工廠、智能電網、智能交通、智慧城市等和量子通訊、微納制造和生物系統等新興領域對自動化科學與技術提出了新的需求與挑戰, 因此, 下列研究: 1) 人工智能驅動的自動化; 2) 新一代網絡化與智能化管控系統; 3)人參與的信息物理系統中的自動化科學與技術; 4)新興應用領域(量子通訊、微納制造和生物系統) 中的自動化科學與技術, 將成為未來自動化科學與技術的發展方向.

在上述發展方向做出對國家社會經濟發展和國家安全有重要貢獻、引領自動化科學與技術發展的研究成果, 需要一大批從事研究、設計、開發、運營未來需求的自動化系統的創新人才. 這就需要重新審視和考慮現行的自動化專業人才培養模式、研究經費資助機制、評價機制等, 并進行必要的改革.

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