自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展方向

摘要本文結(jié)合中國自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展狀況和中國絕大多數(shù)大學(xué)設(shè)有自動化專業(yè)的現(xiàn)狀,借鑒自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展歷程中的成功經(jīng)驗，結(jié)合國家社會經(jīng)濟發(fā)展和國家安全對自動化系統(tǒng)的未來需求，以生產(chǎn)制造系統(tǒng)、重要運載工具和人參與的信息物理系統(tǒng)為主要對象，以自動化系統(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，以研究實現(xiàn)愿景功能的建模、控制與優(yōu)化新算法和新的自動化系統(tǒng)的設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)以及結(jié)合重大應(yīng)用領(lǐng)域開展的應(yīng)用研究為主線，提出了自動化科學(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詣踊茖W(xué)與技術(shù)的需求及挑戰(zhàn)，提出了未來自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：智能自主控制系統(tǒng)；智能優(yōu)化決策系統(tǒng)；智能優(yōu)化決策與控制一體化系統(tǒng)；人參與的信息物理系統(tǒng)；人工智能驅(qū)動的自動化自動化技術(shù)在人類生產(chǎn)、生活與管理進程中起到了不可替代的作用。自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，使以機械裝備制造等為代表的離散工業(yè)制造過程和以石油、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)過程實現(xiàn)了自動化，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造企業(yè)的經(jīng)營管理和生產(chǎn)管理中，使企業(yè)的資源計劃和制造過程管理的效率顯著提高，成為提高企業(yè)競爭力的核心技術(shù)。自動化技術(shù)在航空、航天、軌道交通、汽車、海洋運載工具的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制、機器人的控制與運動軌跡的規(guī)劃中發(fā)揮著不可取代的作用。正如文獻所指出的，處處可見作為自動化技術(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，從蒸汽機到高鐵、輔助駕駛汽車、高性能飛機，從火箭到航天器，從有線電話到手機，從照相機到神經(jīng)影像，從敏捷制造到機器人，從醫(yī)療設(shè)備到遠視手術(shù)等，控制技術(shù)在上述技術(shù)革命中對提升系統(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。當前，發(fā)達國家將智能制造作為提升制造業(yè)整體競爭力的核心高技術(shù)。美國智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟提出了實施21世紀“智能過程制造”的技術(shù)框架和路線。德國針對離散制造業(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”計劃。英國宣布“英國工業(yè)2050戰(zhàn)略”，日本和韓國先后提出“I-Japan戰(zhàn)略”和“制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略”。面對第四次工業(yè)革命帶來的全球產(chǎn)業(yè)競爭格局的新調(diào)整，為搶占未來產(chǎn)業(yè)競爭制高點，我國宣布實施“中國制造2025"。智能制造的關(guān)鍵是實現(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)還沒有統(tǒng)一的、明確的界定。文獻指出，AI(Artificialintelligence)不是單一技術(shù)，而是應(yīng)用于特定任務(wù)的技術(shù)集合。文獻指出，雖然對AI的界定并不明確且隨時間推移不斷變化，但AI的研究和應(yīng)用多年來始終秉持一個核心目標，即使人的智能行為實現(xiàn)自動化或復(fù)制。人工智能技術(shù)的涵義是通過機器智能延伸和增強人類的感知、認知、決策、執(zhí)行等功能，增強人類認識世界與改造世界的能力，完成人類無法完成的特定任務(wù)或比人類更有效地完成特定任務(wù)。2016年10月，美國白宮發(fā)布了《美國國家人工智能研究與發(fā)展策略規(guī)劃》，謀劃美國未來的人工智能發(fā)展。2017年7月，中國國務(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國家戰(zhàn)略。2018年3月1日，美國國際戰(zhàn)略研究所發(fā)布報告《美國機器智能國家戰(zhàn)略報告》，提出了機器智能技術(shù)對國防、經(jīng)濟、社會等方面的廣泛影響和發(fā)展戰(zhàn)略。美國國家情報委員會在2030年全球趨勢(GlobalTrend2030)中，從經(jīng)濟、社會發(fā)展角度提出了未來四大重要技術(shù)，其中，自動化和制造技術(shù)為第二大重要技術(shù)；華盛頓郵報網(wǎng)站(2013.5.24)給出了驅(qū)動未來經(jīng)濟的12種顛覆性技術(shù)，其中，知識性工作的自動化列為第二種顛覆性技術(shù)。由此可見，自動化科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為社會經(jīng)濟發(fā)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(shù)。然而，自動化科學(xué)與技術(shù)，特別是控制科學(xué)與技術(shù)，沒有像通訊和計算機技術(shù)那樣得到社會的理解和支持。為此，國外學(xué)者組織了多次專題討論會，出版了研究報告，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構(gòu)的優(yōu)先考慮和支持。雖然這些研究報告對控制理論的發(fā)展起到了積極的促進作用，但并沒有使系統(tǒng)與控制成為資助機構(gòu)優(yōu)先資助的領(lǐng)域。我國負責自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的部門曾多次組織國內(nèi)學(xué)者開展自動化學(xué)科發(fā)展和優(yōu)先資助領(lǐng)域的戰(zhàn)略研究，出版了研究報告，闡明自動化科學(xué)與技術(shù)的重要性和優(yōu)先資助的研究方向[12-13]。這些研究報告對自動化學(xué)科的發(fā)展起到了積極的促進作用。雖然與國外相比，我國有負責自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的基金資助機構(gòu)與資助經(jīng)費，但是自動化科學(xué)與技術(shù)在國家社會經(jīng)濟發(fā)展和國防安全中發(fā)揮的作用卻不如通訊、計算機等其他信息科學(xué)和技術(shù)那樣明顯，獲得的資助經(jīng)費也少于通訊、計算機等其他信息科學(xué)和技術(shù)。自動化科學(xué)與技術(shù)始終圍繞著建模、控制與優(yōu)化三個基本科學(xué)問題開展研究，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。國外大學(xué)一般不設(shè)立自動化專業(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，大多數(shù)大學(xué)設(shè)有自動化專業(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，輕自動化系統(tǒng)技術(shù)。上述研究報告主要根據(jù)理論的發(fā)展提出研究方向，然而，自動化科學(xué)與技術(shù)的建模、控制、優(yōu)化理論與方法是通過與應(yīng)用領(lǐng)域的實際對象結(jié)合，研制具有動態(tài)特性分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的自動化系統(tǒng)來體現(xiàn)其在人類認識世界和改造世界活動中發(fā)揮的不可替代的作用。特別是，當今國際上信息科學(xué)與技術(shù)的重要研究方向是Cyber-PhysicalSystems(CPS)。美國國家科學(xué)基金會在2008年提出，CPS是計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、安全性和可用性遠超過今天的系統(tǒng)[14]。計算資源主要指自動化(建模、控制、優(yōu)化)、計算機、通訊,物理資源主要是指CPS的研究對象所涉及的領(lǐng)域知識。研究目標是研制實現(xiàn)未來需求功能的系統(tǒng)。智能手機、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，是當今信息技術(shù)條件下的自動化系統(tǒng)。創(chuàng)造未來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。為了使中國的自動化專業(yè)在國家社會經(jīng)濟發(fā)展和國家安全中發(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)作為未來需求的自動化系統(tǒng)發(fā)展方向，以生產(chǎn)制造系統(tǒng)和重要運載工具為主要對象，以實現(xiàn)上述系統(tǒng)的愿景功能為目標的系統(tǒng)理論與技術(shù)研究為主線，提出了自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向，結(jié)合新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ詣踊茖W(xué)與技術(shù)的需求與挑戰(zhàn)，提出了未來自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向。1自動化科學(xué)與技術(shù)的定義與特征自動化的界定并不明確，且隨時間推移不斷變化，但自動化的研究和應(yīng)用多年來始終秉持一個核心目標：研制系統(tǒng)代替人或輔助人去完成人類生產(chǎn)、生活和管理活動中的特定任務(wù)，減少和減輕人的體力和腦力勞動，提高工作效率、效益和效果。由于我國大多數(shù)大學(xué)都設(shè)有自動化專業(yè)，科技部和國家自然科學(xué)基金委員會都設(shè)有專門部門負責自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，因此，有必要從學(xué)術(shù)和專業(yè)的角度對自動化科學(xué)與技術(shù)給出定義。百度對自動化的定義如下：廣義的自動化，是指在人類的生產(chǎn)、生活和管理的一切過程中，通過采用一定的技術(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)達到預(yù)期目的的過程，從而減少和減輕了人的體力和腦力勞動，提高了工作效率、效益和效果。由此可見，自動化涉及到人類活動的幾乎所有領(lǐng)域，因此,自動化是人類自古以來永無止境的夢想和追求目標。自動化科學(xué)與技術(shù)主要以工業(yè)裝備為代表的固定物體、運載工具為代表的運動體以及人參與的信息物理系統(tǒng)為研究對象，以替代人或輔助人來增強人類認識世界和改造世界的能力為目的，綜合運用控制科學(xué)與工程、系統(tǒng)科學(xué)與工程、信息與通信工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、數(shù)學(xué)與人工智能等學(xué)科知識和所涉及對象的領(lǐng)域知識，研究具有動態(tài)特性仿真與分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的自動化系統(tǒng)設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)的一門工程技術(shù)學(xué)科。自動化科學(xué)與技術(shù)具有如下明顯的特征：（1）交叉性自動化科學(xué)與技術(shù)是具有明顯交叉性的學(xué)科。自動化科學(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、計算機科學(xué)、以及研究對象所涉及的領(lǐng)域?qū)W科交叉形成。所研制的自動化系統(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、計算機科學(xué)與技術(shù)、數(shù)學(xué)、人工智能等學(xué)科知識和所涉及對象的領(lǐng)域知識。工程技術(shù)專家、數(shù)學(xué)家、經(jīng)濟學(xué)家和物理學(xué)家等都對該領(lǐng)域的發(fā)展做出了貢獻。（2）使能性自動化科學(xué)與技術(shù)的核心理論基礎(chǔ)是動態(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)是具有動態(tài)特性仿真與分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的系統(tǒng)設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù)。自動化科學(xué)與技術(shù)的使能性表現(xiàn)在其動態(tài)系統(tǒng)建模理論與方法所提供的動態(tài)特性建模與參數(shù)估計方法有助于其他學(xué)科在研究對象的機理基礎(chǔ)上建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型、進行動態(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、自適應(yīng)控制器設(shè)計方法和思想以及控制系統(tǒng)性能分析方法有助于機械、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)計與分析的研究；優(yōu)化理論與方法所提供的靜態(tài)與動態(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)化運行和優(yōu)化決策的研究。（3）系統(tǒng)性系統(tǒng)性是自動化科學(xué)與技術(shù)的重要特征。自動化科學(xué)與技術(shù)總是從“系統(tǒng)”的角度來分析與研究所涉及到的研究對象的動態(tài)建模、控制和優(yōu)化決策.特別是反饋控制，通過反饋機制改善了被控對象的動態(tài)特性，形成的反饋控制系統(tǒng)可以達到預(yù)期的目的。自動化科學(xué)與技術(shù)的建模、控制、優(yōu)化理論與方法是通過具有動態(tài)特性分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的系統(tǒng)來體現(xiàn)在人類認識世界和改造世界活動中發(fā)揮的不可替代的作用。今天，大型而復(fù)雜的物理系統(tǒng)與越來越多的分布式計算單元相結(jié)合用以監(jiān)測、控制、管理和優(yōu)化決策。物理系統(tǒng)的各個元素通過物質(zhì)、能量或動量的交換而相互聯(lián)系，而控制和管理與優(yōu)化決策系統(tǒng)的各個單元則通過通信網(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。只有對這種人參與的信息物理系統(tǒng)進行建模、預(yù)測、控制和優(yōu)化決策的深入研究，才有可能更好地設(shè)計監(jiān)測、控制、管理和優(yōu)化決策系統(tǒng)，才能實現(xiàn)節(jié)能減排，有效地改善人類的生活。（4）廣泛性通過以上對自動化科學(xué)與技術(shù)的交叉性、使能性和系統(tǒng)性的分析，可以看到自動化科學(xué)與技術(shù)還具有廣泛性的特征。自動化科學(xué)與技術(shù)的研究對象具有廣泛性。研究對象可以是固定的物體，如以機械制造工業(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；研究對象可以是移動的物體，如航天航空器、軌道交通與汽車、陸運運動體、機器人等；研究對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)、社會管理與經(jīng)濟系統(tǒng)。自動化科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛性。采用自動化科學(xué)與技術(shù)所研制的自動化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)和家庭等各個領(lǐng)域，涉及到人類的生產(chǎn)、生活和管理的一切過程。自動化科學(xué)與技術(shù)針對同一研究對象所研究的自動化系統(tǒng)的功能具有廣泛性和多樣性。例如，針對工業(yè)過程研究動態(tài)特性建?？梢詫崿F(xiàn)工業(yè)過程的動態(tài)特性仿真與分析；研究過程控制可以實現(xiàn)工業(yè)過程的輸出跟蹤工藝所確定的設(shè)定值；研究過程運行優(yōu)化可以實現(xiàn)表征工業(yè)過程的加工產(chǎn)品的質(zhì)量、效率、消耗等運行指標的優(yōu)化控制；研究由不同工業(yè)過程組成的全流程生產(chǎn)線的協(xié)同優(yōu)化控制可以實現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)指標的優(yōu)化控制；研究企業(yè)經(jīng)營決策、計劃調(diào)度的管理與優(yōu)化決策可以實現(xiàn)企業(yè)的綜合生產(chǎn)指標優(yōu)化；研究生產(chǎn)工況的建?？梢詫崿F(xiàn)異常工況的監(jiān)控與自愈控制。2自動化科學(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。反饋控制系統(tǒng)最早出現(xiàn)在風(fēng)車上。當時發(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)速運行。為了使織布機和其他機器保持恒定轉(zhuǎn)速，1788年，成功地改造了離心調(diào)速器。離心調(diào)速器是一個比例控制器，因此會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。后來的調(diào)速器加入了積分作用，從此調(diào)速器成了蒸汽機不可分割的一部分。蒸汽機與調(diào)速器的廣泛應(yīng)用推動了第一次工業(yè)革命。如何設(shè)計一個穩(wěn)定的調(diào)速器成為一個極富挑戰(zhàn)的科學(xué)難題。開始了調(diào)速器的理論研究。推導(dǎo)出三階線性微分方程來描述調(diào)速系統(tǒng)，同時發(fā)現(xiàn)可以通過閉環(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)家建立了一般線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。上述工作奠定了控制理論的基礎(chǔ)。19世紀初，發(fā)明了陀螺駕駛儀，應(yīng)用于船舶駕駛。陀螺駕駛儀可以調(diào)整控制器參數(shù)，也可以設(shè)置目標航向。該控制器是一個典型的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年開始在辛辛那提屠宰場使用，推動了基于勞動分工和以電為動力的大規(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，建立了PID參數(shù)的整定方法。為了解決長途電話的失真問題，貝爾實驗室的HaroldBlack工程師發(fā)明了負反饋放大器。不穩(wěn)定或“嘯叫”常常出現(xiàn)在反饋放大器的試驗中。因此，長途電話通信的技術(shù)挑戰(zhàn)帶來了反饋回路的穩(wěn)定性問題。1932年，開始研究這個問題，建立了“奈奎斯特判據(jù)"。1943年，貝爾實驗室的小組設(shè)計M9火炮指揮控制系統(tǒng)，采用了伯德發(fā)明的設(shè)計反饋控制系統(tǒng)的工具Bode圖。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)控制問題，用經(jīng)典控制理論已難以解決。數(shù)字計算機的出現(xiàn)使得狀態(tài)空間表述方法可以作為被控對象的數(shù)學(xué)模型和控制器設(shè)計與分析的工具。于是產(chǎn)生了以極大值原理、動態(tài)規(guī)劃和狀態(tài)空間法為核心的現(xiàn)代控制理論。然而，現(xiàn)代控制理論難以應(yīng)用于工業(yè)過程。工業(yè)過程往往是由多個回路組成的復(fù)雜被控對象，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、計算機和通訊技術(shù)的發(fā)展催生了一種專門的計算機控制系統(tǒng)|邏輯程序控制器(PLC)。1969年，美國Modicon公司推出了084PLC。該控制系統(tǒng)可以將多個回路的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)通過設(shè)備網(wǎng)與控制系統(tǒng)連接起來，可以方便地進行多個回路的控制、設(shè)備的順序控制和監(jiān)控。1975年，研制了可以應(yīng)用于大型工業(yè)過程的分布式控制系統(tǒng)(DCS)。以組態(tài)軟件為基礎(chǔ)的控制軟件、過程監(jiān)控軟件的廣泛應(yīng)用使得生產(chǎn)線的自動化程度更高，推動了第三次工業(yè)革命。在工業(yè)過程控制中，現(xiàn)有的控制理論和控制系統(tǒng)的設(shè)計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，而且要控制整個生產(chǎn)設(shè)備(或過程)的運行過程，實現(xiàn)運行優(yōu)化，即使反映產(chǎn)品加工過程的質(zhì)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(yè)過程的運行優(yōu)化需求使得實時優(yōu)化(RTO)和模型預(yù)測控制(MPC)廣泛應(yīng)用于可以建立數(shù)學(xué)模型的石化工業(yè)過程。對于難以建立數(shù)學(xué)模型的冶金工業(yè)過程，高技術(shù)公司針對具體的工業(yè)過程開發(fā)了工藝模型進行開環(huán)設(shè)定控制，數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運行優(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。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。自動化技術(shù)開始應(yīng)用于企業(yè)管理。20世紀60年代初計算機財務(wù)系統(tǒng)問世，從此人工的管理方式開始逐漸被計算機管理系統(tǒng)代替。20世紀60年代末70年代初，財務(wù)系統(tǒng)擴充了物料計劃功能，發(fā)展成為物料需求計劃系統(tǒng)(MaterialRequirementsPlanning,MRP)。20世紀70年代末80年代初，MRP系統(tǒng)中增加了車間報表管理系統(tǒng)、采購系統(tǒng)等,于是發(fā)展成為MRPII。但是MRPII不能配置資源，因此配置資源計劃系統(tǒng)(DistributionResourcePlanning,DRP)出現(xiàn)了，單一功能的制造過程管理系統(tǒng)（如質(zhì)量管理系統(tǒng)）也相繼出現(xiàn)。到20世紀80年代末90年代初,MRPII逐漸演變?yōu)槠髽I(yè)資源計劃(EnterpriseResourcePlanning,ERP)，DRP演變?yōu)楣?yīng)鏈管理(SupplyChainManagement，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)(ManufacturingExecutionSystem，MES)。ERP和MES廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)企業(yè),顯著提高了企業(yè)的競爭力。3自動化科學(xué)與技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向縱觀自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展史，給我們?nèi)缦聠⑹荆海?）自動化科學(xué)與技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展來自人類改造自然的實際需求；（2）自動化科學(xué)與技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展源于控制科學(xué)與工程；（3）實際需求與實現(xiàn)技術(shù)推動了控制系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展；（4）控制系統(tǒng)的設(shè)計與性能分析的需求產(chǎn)生和推動了控制理論的發(fā)展，控制理論的發(fā)展對控制系統(tǒng)的設(shè)計與性能分析起到了重要推動作用；（5）以工業(yè)系統(tǒng)為代表的固定物體、以船舶、飛行器、火炮為代表的運動體的控制系統(tǒng)的設(shè)計與性能分析推動了控制理論的形成與發(fā)展。經(jīng)過改革開放,中國的自動化科學(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、檢測技術(shù)與裝置、模式識別與智能系統(tǒng)、機器人等方面以及在社會經(jīng)濟發(fā)展、國家安全等方面的諸多應(yīng)用研究?；A(chǔ)研究已達到國際先進水平，在自動化科學(xué)與技術(shù)的國際頂級期刊IEEE匯刊與IFAC會刊發(fā)表的論文數(shù)量與質(zhì)量顯著提高。特別是結(jié)合國家在智能制造、航天、軌道交通等領(lǐng)域的重大需求開展的自動化科學(xué)與技術(shù)研究取得了一批推動上述領(lǐng)域科技進步并產(chǎn)生重要國際影響的學(xué)術(shù)成果?？傮w上來看，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，在國家社會經(jīng)濟發(fā)展和國防安全中發(fā)揮的作用不如其他信息科學(xué)和技術(shù)那樣明顯。中國的社會經(jīng)濟與國家安全進入了快速發(fā)展階段，人們在生產(chǎn)、生活與管理中提出了更高的要求。國家實施的智能制造、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)略對自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求。移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、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化、計算機、通訊為主的計算資源與以研究對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超過今天的系統(tǒng)。為了適應(yīng)國家發(fā)展的需求和人們在生產(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，對運行狀況和控制系統(tǒng)的性能進行遠程移動與可視化監(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：智能感知運行工況的變化，以綜合生產(chǎn)指標的優(yōu)化為目標，自適應(yīng)決策智能自主控制系統(tǒng)的最佳運行指標；優(yōu)化協(xié)同生產(chǎn)制造全流程中的各工業(yè)過程（裝備）的智能自主控制系統(tǒng)；實時遠程與移動監(jiān)控與預(yù)測異常工況，自優(yōu)化控制，排除異常工況，使系統(tǒng)安全優(yōu)化運行，實現(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：實時感知市場信息、生產(chǎn)條件和制造流程運行工況；以企業(yè)高效化和綠色化為目標，實現(xiàn)企業(yè)目標、計劃調(diào)度、運行指標、生產(chǎn)指令與控制指令一體化優(yōu)化決策；遠程與移動可視化監(jiān)控決策過程動態(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，使決策者在動態(tài)變化環(huán)境下精準優(yōu)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(tǒng)的愿景功能是：快速準確感知環(huán)境信息，識別環(huán)境的不確定性和多樣性任務(wù)，使被控對象成為智能自主體，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，實時安全可靠地完成任務(wù)。面向運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)同運行，快速、可靠、安全地完成總體目標任務(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)使被控運載工具快速、準確地跟蹤導(dǎo)航信息，準確、迅速、安全可靠地到達目的地。為了實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程未來需求的自動化系統(tǒng)的愿景功能，需將生產(chǎn)制造過程的自動化系統(tǒng)發(fā)展為五大系統(tǒng)：（1）制造過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）智能安全運行監(jiān)控與自優(yōu)化系統(tǒng)；（5）工業(yè)過程虛擬制造系統(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。智能安全運行監(jiān)控和自優(yōu)化系統(tǒng)和制造過程虛擬制造系統(tǒng)保證構(gòu)成兩層結(jié)構(gòu)的兩大系統(tǒng)安全可靠優(yōu)化運行。為了實現(xiàn)運載工具未來需求的自動化系統(tǒng)的愿景功能，需將運載工具自動化系統(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)。以實現(xiàn)上述系統(tǒng)的愿景功能為目標，開展上述新系統(tǒng)理論與系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)的研究以及在智能制造、機器人、航天航空、高鐵等重大應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用研究，將會成為對我國社會經(jīng)濟發(fā)展和國家安全做出重要貢獻的自動化科學(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別、運行控制和ERP與MES中的決策仍然依靠知識工作者。知識工作者依靠數(shù)據(jù)、文本、圖像等信息和經(jīng)驗進行工況識別、運行控制和決策，難以實現(xiàn)離散工業(yè)產(chǎn)品個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)動的人工智能技術(shù)取得了革命性進步。自動化科學(xué)與技術(shù)本質(zhì)上是數(shù)學(xué)模型驅(qū)動的人工智能技術(shù)。大數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能技術(shù)與自動化科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合必將產(chǎn)生人工智能驅(qū)動的自動化。大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算為人工智能驅(qū)動的自動化開辟了新途徑。人工智能驅(qū)動的自動化必將在智能制造中發(fā)揮更重要的作用。自動化技術(shù)不僅在航空、航天、軌道交通、汽車、海洋運載工具的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制、機器人的控制與運動軌跡的規(guī)劃中發(fā)揮著不可取代的作用，而且開始應(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、高效和綠色地運行，必須開展這類系統(tǒng)的建模、仿真、預(yù)測和控制與優(yōu)化決策理論與技術(shù)的研究，這必將推動自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。信息技術(shù)的發(fā)展促進了智能工廠、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。實現(xiàn)上述新興領(lǐng)域的檢測、控制、管理和優(yōu)化決策對已有的建模、控制、優(yōu)化理論和技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。因此，應(yīng)將未來發(fā)展的自動化科學(xué)與技術(shù)作為發(fā)展方向，開展下列研究：（1）人工智能驅(qū)動的自動化；（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)）中的自動化科學(xué)與技術(shù)。開展上述自動化科學(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：（1）機理不清的具有綜合復(fù)雜性的動態(tài)系統(tǒng)建模；（2）具有綜合復(fù)雜性的被控對象的