未来自动化科学与技术的发展方向

未来自动化科学与技术的发展方向

导读

当前, 发达国家将智能制造作为提升制造业整体竞争力的核心高技术. 美国智能制造领导联盟提出了实施21 世纪“智能过程制造”的技术框架和路线[5].德国针对离散制造业提出了以智能制造为主导的第四次工业革命发展战略, 即“工业4.0”计划[6]. 英国宣布“英国工业2050 战略”, 日本和韩国先后提出“I-Japan 战略” 和“制造业创新3.0 战略”. 面对第四次工业革命带来的全球产业竞争格局的新调整, 为抢占未来产业竞争制高点, 我国宣布实施“中国制造2025".

2016 年10 月, 美国白宫发布了《美国国家人工智能研究与发展策略规划》, 谋划美国未来的人工智能发展. 2017 年7 月, 中国国务院印发《新一代人工智能发展规划》, 人工智能正式成为我国国家战略. 2018 年3 月1 日, 美国国际战略研究所发布报告《美国机器智能国家战略报告》, 提出了机器智能技术对国防、经济、社会等方面的广泛影响和发展战略.

美国国家情报委员会在2030 年全球趋势(Global Trend 2030) 中, 从经济、社会发展角度提出了未来四大重要技术, 其中, 自动化和制造技术为第二大重要技术; 华盛顿邮报网站(2013.5.24) 给出了驱动未来经济的12 种颠覆性技术, 其中, 知识性工作的自动化列为第二种颠覆性技术. 由此可见,自动化科学与技术已经成为社会经济发展、国家安全、使人类生活变得越来越美好的不可取代的技术.

自动化科学与技术始终围绕着建模、控制与优化三个基本科学问题开展研究, 它所形成的核心基础理论|建模、控制、优化理论和方法具有“使能”性. 因此, 大多数工程技术与工程管理专业都将建模、控制与优化理论和方法作为该专业基础的必修课. 国外大学一般不设立自动化专业, 从事系统与控制研究的教授主要在其他工程专业讲授控制理论课程. 而在我国, 大多数大学设有自动化专业,但从事控制理论研究的学术带头人多, 从事自动化系统技术研究的学术带头人少, 而且重传统控制理论, 轻自动化系统技术.

上述研究报告主要根据理论的发展提出研究方向, 然而, 自动化科学与技术的建模、控制、优化理论与方法是通过与应用领域的实际对象结合, 研制具有动态特性分析、预测、控制与优化决策功能的自动化系统来体现其在人类认识世界和改造世界活动中发挥的不可替代的作用.

为了使中国的自动化专业在国家社会经济发展和国家安全中发挥不可取代的作用, 本文以智能自主控制系统、智能优化决策系统和智能优化决策与控制一体化系统作为未来需求的自动化系统发展方向, 以生产制造系统和重要运载工具为主要对象, 以实现上述系统的愿景功能为目标的系统理论与技术研究为主线, 提出了自动化科学与技术的发展方向,结合新兴应用领域对自动化科学与技术的需求与挑战, 提出了未来自动化科学与技术的发展方向.

1、自动化科学与技术的定义与特征

自动化科学与技术具有如下明显的特征:

1)交叉性

自动化科学与技术是具有明显交叉性的学科.自动化科学与技术的理论基础(建模、控制、优化理论与方法) 的建立是由数学、物理、计算机科学、以及研究对象所涉及的领域学科交叉形成. 所研制的自动化系统涉及到控制科学与工程、系统科学与工程、信息与通信工程、计算机科学与技术、数学、人工智能等学科知识和所涉及对象的领域知识. 工程技术专家、数学家、经济学家和物理学家等都对该领域的发展做出了贡献.

2)使能性

自动化科学与技术的核心理论基础是动态系统的建模、控制与优化的理论与方法, 核心技术基础是具有动态特性仿真与分析、预测、控制与优化决策功能的系统设计方法与实现技术.

3)系统性

4)广泛性

通过以上对自动化科学与技术的交叉性、使能性和系统性的分析, 可以看到自动化科学与技术还具有广泛性的特征.

自动化科学与技术的应用领域具有广泛性. 采用自动化科学与技术所研制的自动化系统广泛应用到工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等各个领域, 涉及到人类的生产、生活和管理的一切过程.

自动化科学与技术针对同一研究对象所研究的自动化系统的功能具有广泛性和多样性.例如, 针对工业过程研究动态特性建模可以实现工业过程的动态特性仿真与分析; 研究过程控制可以实现工业过程的输出跟踪工艺所确定的设定值; 研究过程运行优化可以实现表征工业过程的加工产品的质量、效率、消耗等运行指标的优化控制; 研究由不同工业过程组成的全流程生产线的协同优化控制可以实现生产线生产指标的优化控制;研究企业经营决策、计划调度的管理与优化决策可以实现企业的综合生产指标优化; 研究生产工况的建模可以实现异常工况的监控与自愈控制.

2、自动化科学与技术的发展历程

很久以前, 大自然就发现了反馈. 它创造了反馈机制并且在各个层次利用这些机制, 它是机体平衡和生命的核心[11]. 反馈控制系统最早出现在风车上. 当时发明的离心调速器就是一种反馈控制系统,其目的是使风车保持恒定转速运行[15]. 为了使织布机和其他机器保持恒定转速, 1788 年, 吉姆斯·瓦特成功地改造了离心调速器. 离心调速器是一个比例控制器, 因此会产生稳态误差. 后来的调速器加入了积分作用[15-16], 从此调速器成了蒸汽机不可分割的一部分. 蒸汽机与调速器的广泛应用推动了第一次工业革命. 如何设计一个稳定的调速器成为一个极富挑战的科学难题. 麦克斯韦(Maxwell) 开始了调速器的理论研究[17]. 麦克斯韦推导出三阶线性微分方程来描述调速系统, 同时发现可以通过闭环系统特征方程的根确定系统的稳定性. 紧接着, 数学家劳斯和赫尔维茨建立了一般线性系统的稳定性判据[18-19]. 上述工作奠定了控制理论的基础.

在工业过程控制中, 现有的控制理论和控制系统的设计方法的研究集中在保证闭环控制回路稳定的条件下, 使被控变量尽可能地跟踪控制系统的设定值. 从工业工程的角度看, 自动控制或者人工控制的作用不仅仅是使控制系统输出很好地跟踪设定值,而且要控制整个生产设备(或过程) 的运行过程, 实现运行优化, 即使反映产品加工过程的质量、效率的运行指标尽可能高, 反映消耗的运行指标尽可能低.工业过程的运行优化需求使得实时优化(RTO) 和模型预测控制(MPC) 广泛应用于可以建立数学模型的石化工业过程. 对于难以建立数学模型的冶金工业过程, 高技术公司针对具体的工业过程开发了工艺模型进行开环设定控制, 数据驱动的智能运行优化控制技术的研发受到工业界和学术界的广泛关注[29-32].

3、自动化科学与技术面临的挑战与发展方向

纵观自动化科学与技术发展史, 给我们如下启示: 1) 自动化科学与技术的产生和发展来自人类改造自然的实际需求; 2) 自动化科学与技术的产生和发展源于控制科学与工程; 3) 实际需求与实现技术推动了控制系统的出现与发展; 4) 控制系统的设计与性能分析的需求产生和推动了控制理论的发展,控制理论的发展对控制系统的设计与性能分析起到了重要推动作用; 5) 以工业系统为代表的固定物体、以船舶、飞行器、火炮为代表的运动体的控制系统的设计与性能分析推动了控制理论的形成与发展.

面向生产制造过程的智能自主控制系统的愿景功能是: 智能感知生产条件变化, 自适应决策控制回路设定值, 使回路控制层的输出很好地跟踪设定值,对运行状况和控制系统的性能进行远程移动与可视化监控和自优化控制, 使生产制造系统安全、可靠、优化与绿色运行[35].

面向生产制造企业的智能优化决策系统和智能优化决策与控制一体化系统主要是制造全流程智能协同优化控制系统和智能优化决策系统. 智能协同优化控制系统的愿景功能是: 智能感知运行工况的变化, 以综合生产指标的优化为目标, 自适应决策智能自主控制系统的最佳运行指标; 优化协同生产制造全流程中的各工业过程(装备) 的智能自主控制系统; 实时远程与移动监控与预测异常工况, 自优化控制, 排除异常工况, 使系统安全优化运行, 实现制造流程全局优化. 智能优化决策系统的愿景功能是:实时感知市场信息、生产条件和制造流程运行工况;以企业高效化和绿色化为目标, 实现企业目标、计划调度、运行指标、生产指令与控制指令一体化优化决策; 远程与移动可视化监控决策过程动态性能, 自学习与自优化决策; 人与智能优化决策系统协同, 使决策者在动态变化环境下精准优化决策.

面向航天器、汽车、陆用武器等重要运载工具的智能自主控制系统的愿景功能是: 快速准确感知环境信息, 识别环境的不确定性和多样性任务, 使被控对象成为智能自主体, 能够修正自己的行为以适应环境的不确定性, 自主决策与自主控制, 实时安全可靠地完成任务.

面向运载工具的智能决策系统和智能决策与控制一体化系统是多智能体协同控制系统和导航与制导一体化控制系统. 多智能体协同控制系统的愿景功能是: 感知整个群体区域环境信息, 自主学习, 协同优化决策, 自主协同运行, 快速、可靠、安全地完成总体目标任务. 导航与制导一体化控制系统的愿景功能是: 快速感知环境信息, 融合多元异构信息,自主产生精确导航信息, 自动为制导系统给出导航信息, 制导与控制系统使被控运载工具快速、准确地跟踪导航信息, 准确、迅速、安全可靠地到达目的地.

为了实现生产制造过程未来需求的自动化系统的愿景功能, 需将生产制造过程的自动化系统发展为五大系统: 1) 制造过程智能自主控制系统; 2)制造全流程智能协同优化控制系统; 3) 智能优化决策系统; 4) 智能安全运行监控与自优化系统; 5)工业过程虚拟制造系统. 由五大系统构成两层结构的现代集成制造系统, 即智能优化决策系统和制造流程智能化控制系统, 取代由ERP、MES 和PCS(DCS) 组成的三层结构集成制造系统. 制造流程智能化控制系统由生产制造过程智能自主控制系统和制造全流程智能协同优化控制系统组成. 智能安全运行监控和自优化系统和制造过程虚拟制造系统保证构成两层结构的两大系统安全可靠优化运行.

为了实现运载工具未来需求的自动化系统的愿景功能, 需将运载工具自动化系统发展为三大系统:1) 智能自主控制系统; 2) 多智能体协同控制系统;3) 导航制导一体化控制系统.

以实现上述系统的愿景功能为目标, 开展上述新系统理论与系统实现技术的研究以及在智能制造、机器人、航天航空、高铁等重大应用领域的应用研究, 将会成为对我国社会经济发展和国家安全做出重要贡献的自动化科学与技术的发展方向.

自动化技术不仅在航空、航天、轨道交通、汽车、海洋运载工具的导航、制导与控制、机器人的控制与运动轨迹的规划中发挥着不可取代的作用, 而且开始应用于交通系统、能源系统、水资源系统、生物系统、医疗系统、通讯系统等关键基础设施系统的安全监控与管理中. 如同企业管理系统, 上述系统本质上是人参与的信息物理系统. 要使这些关键基础设施系统安全、可靠、高效和绿色地运行, 必须开展这类系统的建模、仿真、预测和控制与优化决策理论与技术的研究. 这必将推动自动化科学与技术的发展.

信息技术的发展促进了智能工厂、智能电网、智能交通、智慧城市等人参与的信息物理系统以及量子通讯、微纳制造和生物系统的发展. 实现上述新兴领域的检测、控制、管理和优化决策对已有的建模、控制、优化理论和技术提出了挑战. 因此, 应将未来发展的自动化科学与技术作为发展方向, 开展下列研究：

a) 人工智能驱动的自动化;

b) 新一代网络化与智能化管控系统;

c) 人参与的信息物理系统中的自动化科学与技术;

d) 新兴应用领域(量子通讯、微纳制造和生物系统) 中的自动化科学与技术.

开展上述自动化科学与技术发展方向的研究必须攻克下列挑战的科学难题:

a) 机理不清的具有综合复杂性的动态系统建模;

b) 具有综合复杂性的被控对象的高性能控制;

c) 多冲突目标、多冲突约束、多尺度的复杂动态系统优化决策与控制一体化;

d) 在大数据、移动通讯、云计算环境下, 网络化与智能化的自动化系统的设计与实现技术[37-39].

回顾自动化科学与技术的发展历程, 我们清楚地看到, 只有结合重大需求, 采用CPS 思想, 即将自动化(建模、控制、优化)、计算机和通讯技术等计算资源与研究对象的物理资源紧密融合与协同, 以系统的未来需求的愿景功能为目标, 研究实现未来需求的愿景功能的建模、控制和优化的新算法和研究采用大数据应用技术、移动通讯、云计算等新一代信息技术研制新的自动化系统的设计和实现技术,并结合重大应用领域开展应用研究才有可能解决上述科学难题. 由于我国的社会经济发展和国家安全对自动化科学与技术有重大需求, 我国大多数大学都设有自动化专业, 有国际上最大的自动化科学与技术的研究队伍, 国家又有专门负责自动化科学与技术发展的部门和专项科研经费, 因此, 我国广大的从事自动化科学与技术的研究人员完全有可能做出对中国社会经济发展和国家安全有重要影响、引领自动化科学与技术发展的研究成果.

4、结论

本文以创造未来需求新功能的自动化系统为自动化科学与技术的研究目标, 以国家社会经济发展和国家安全对自动化系统的未来需求为导向, 提出生产制造过程未来需求的自动化系统为下列五大系统: 1) 制造过程智能自主控制系统; 2) 制造全流程智能协同优化控制系统; 3) 智能优化决策系统; 4)智能安全运行监控与自优化系统; 5) 工业过程虚拟制造系统; 提出运载工具未来需求的自动化系统为下列三大系统: 1) 智能自主控制系统; 2) 多智能体协同控制系统; 3) 导航制导一体化控制系统.

以实现上述系统的愿景功能为目标, 研究建模、控制和优化的新算法, 研究采用移动通讯、云计算、人工智能技术等新一代信息技术的新的自动化系统的设计方法和实现技术, 并结合重大应用领域开展应用研究将成为自动化科学与技术的发展方向.

由于人参与的信息物理系统如智能工厂、智能电网、智能交通、智慧城市等和量子通讯、微纳制造和生物系统等新兴领域对自动化科学与技术提出了新的需求与挑战, 因此, 下列研究: 1) 人工智能驱动的自动化; 2) 新一代网络化与智能化管控系统; 3)人参与的信息物理系统中的自动化科学与技术; 4)新兴应用领域(量子通讯、微纳制造和生物系统) 中的自动化科学与技术, 将成为未来自动化科学与技术的发展方向.

在上述发展方向做出对国家社会经济发展和国家安全有重要贡献、引领自动化科学与技术发展的研究成果, 需要一大批从事研究、设计、开发、运营未来需求的自动化系统的创新人才. 这就需要重新审视和考虑现行的自动化专业人才培养模式、研究经费资助机制、评价机制等, 并进行必要的改革.

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