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自动化科学与技术发展方向
来源: 东莞市金丰自动化缝纫设备有限公司 发布时间: 2018-11-01


自动化技术在人类生产、生活与管理进程中起到了不可替代的作用. 自动化技术广泛应用于制造业, 使以机械装备制造等为代表的离散工业制造过程和以石油、冶金、材料等重要原材料工业和电力等能源工业为代表的流程工业过程实现了自动化, 显著提高了产品质量和生产效率. 自动化技术广泛应用于制造企业的经营管理和生产管理中, 使企业的资源计划和制造过程管理的效率显著提高, 成为提高企业竞争力的核心技术。自动化技术在航空、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。


处处可见作为自动化技术的重要组成部分的控制技术, 控制技术在几乎所有的主要技术革命中都发挥了重要作用. 例如, 从蒸汽机到高铁、辅助驾驶汽车、高性能飞机, 从火箭到航天器, 从有线电话到手机, 从照相机到神经影像,从敏捷制造到机器人, 从医疗设备到远视手术等, 控制技术在上述技术革命中对提升系统性能如速度、效率、可靠性和稳定性以及减少能源消耗、成本和废物排放等方面发挥了不可取代的作用.


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".


智能制造的关键是实现制造流程智能化, 这就需要将人工智能技术与制造流程的控制系统、管理系统和制造流程的物理资源深度融合与协同. 迄今为止, 人工智能技术还没有统一的、明确的界定.。AI (Artificial intelligence) 不是单一技术, 而是应用于特定任务的技术集合,虽然对AI 的界定并不明确且随时间推移不断变化,但AI 的研究和应用多年来始终秉持一个核心目标,即使人的智能行为实现自动化或复制. 人工智能技术的涵义是通过机器智能延伸和增强人类的感知、认知、决策、执行等功能, 增强人类认识世界与改造世界的能力, 完成人类无法完成的特定任务或比人类更有效地完成特定任务.


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.


然而, 自动化科学与技术, 特别是控制科学与技术, 没有像通讯和计算机技术那样得到社会的理解和支持. 为此, 国外学者组织了多次专题讨论会, 出版了研究报告, 旨在论证系统与控制是大多数应用领域中信息和通信技术的核心, 提出了新的研究方向, 希望得到基金资助机构的优先考虑和支持。 虽然这些研究报告对控制理论的发展起到了积极的促进作用, 但并没有使系统与控制成为资助机构优先资助的领域. 我国负责自动化科学与技术发展的部门曾多次组织国内学者开展自动化学科发展和优先资助领域的战略研究, 出版了研究报告, 阐明自动化科学与技术的重要性和优先资助的研究方向[12-13]. 这些研究报告对自动化学科的发展起到了积极的促进作用. 虽然与国外相比, 我国有负责自动化科学与技术发展的基金资助机构与资助经费, 但是自动化科学与技术在国家社会经济发展和国防安全中发挥的作用却不如通讯、计算机等其他信息科学和技术那样明显, 获得的资助经费也少于通讯、计算机等其他信息科学和技术.


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.


特别是, 当今国际上信息科学与技术的重要研究方向是Cyber-Physical Systems (CPS). 美国国家科学基金会在2008 年提出, CPS 是计算资源与物理资源的紧密融合与协同, 使得系统的适应性、自治力、效率、功能、可靠性、安全性和可用性远超过今天的系统


计算资源主要指自动化(建模、控制、优化)、计算机、通讯, 物理资源主要是指CPS的研究对象所涉及的领域知识. 研究目标是研制实现未来需求功能的系统. 智能手机、IBM 的同声传译系统、AlphaGo 等智能技术系统是典型的CPS.CPS 是多学科交叉的产物, 是当今信息技术条件下的自动化系统. 创造未来需求的新功能的系统已成为信息科学与技术的研究目标.


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.

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