導(dǎo)讀

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(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].

正如文獻(xiàn)[4] 所指出的,處處可見作為自動(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)革命帶來的全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局的新調(diào)整, 為搶占未來產(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,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(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(dá)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(dòng), 提高了工作效率、效益和效果. 由此可見, 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)化是人類自古以來永無止境的夢(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)過程研究動(dòng)態(tài)特性建模可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的動(dòng)態(tài)特性仿真與分析; 研究過程控制可以實(shí)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(yùn)行優(yōu)化可以實(shí)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(yùn)行指標(biāo)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(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描述調(diào)速系統(tǒng), 同時(shí)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)帶來了反饋回路的穩(wěn)定性問題. 1932 年, 亨利·奈奎斯特(HarryNyquist) 開始研究這個(gè)問題, 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)過程. 工業(yè)過程往往是由多個(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)通過設(shè)備網(wǎng)與控制系統(tǒng)連接起來, 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(或過程) 的運(yùn)行過程, 實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化, 即使反映產(chǎn)品加工過程的質(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)過程. 對(duì)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(duì)具體的工業(yè)過程開發(fā)了工藝模型進(jìn)行開環(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)問世, 從此人工的管理方式開始逐漸被計(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 RequirementsPlanning, 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)過改革開放, 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. 基礎(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. 控制系統(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(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)制造過程未來需求的自動(dòng)化系統(tǒng)的愿景功能, 需將生產(chǎn)制造過程的自動(dòng)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(yùn)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(yùn)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?jī)?yōu)化運(yùn)行.

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)載工具未來需求的自動(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)將未來發(fā)展的自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)作為發(fā)展方向, 開展下列研究：

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)的未來需求的愿景功能為目標(biāo), 研究實(shí)現(xiàn)未來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)的未來需求為導(dǎo)向, 提出生產(chǎn)制造過程未來需求的自動(dòng)化系統(tǒng)為下列五大系統(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(yùn)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); 提出運(yùn)載工具未來需求的自動(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)、開發(fā)、運(yùn)營(yíng)未來需求的自動(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.