高金吉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

機(jī)器是雙刃劍，可以為人類帶來福祉，也可能導(dǎo)致災(zāi)難。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來越大，設(shè)備故障導(dǎo)致的非計(jì)劃停產(chǎn)和事故損失巨大。從1781年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)至今僅有200多年的歷史，人與故障作斗爭主要是靠“治愈”，即機(jī)器出了故障要停機(jī)由人來檢修。20世紀(jì)60年代起，設(shè)備監(jiān)測診斷技術(shù)向數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了緊急停車保護(hù)和預(yù)測維修，但出了故障必須依賴人這點(diǎn)始終沒有改變。

工程實(shí)踐表明，除少數(shù)突發(fā)故障外，大多數(shù)故障的發(fā)生均有一個漸進(jìn)過程，由于從裝備的設(shè)計(jì)制造到運(yùn)行操作都沒有重視故障發(fā)生的漸進(jìn)過程，錯過了調(diào)控和抑制故障的大好時機(jī)，導(dǎo)致設(shè)備故障乃至發(fā)生事故。任何機(jī)器都是設(shè)計(jì)在一定范圍內(nèi)可以有序穩(wěn)定運(yùn)行，而實(shí)際工況可能由于其內(nèi)部的變化和外部干擾偏離原設(shè)計(jì)條件，出現(xiàn)故障或非正常工況。筆者總結(jié)多年工程實(shí)踐，感悟到有必要深入研究機(jī)電裝備復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)行為，通過自診斷預(yù)測和主動控制在運(yùn)行中抑制和消除故障。2003年，筆者在國際學(xué)術(shù)會議上首次提出故障自愈原理，受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

中國自愈醫(yī)學(xué)理論創(chuàng)始人張弦研究發(fā)現(xiàn)，人和動物都存在一個與生俱來、自發(fā)作用的自愈系統(tǒng)，使其得以維持健康狀態(tài)，自愈力使其免于在來自外界的侵害中喪失生命力。中醫(yī)學(xué)認(rèn)為自主調(diào)理是治療學(xué)的第一原理，可借鑒這一原理研究機(jī)器故障如何從完全依賴人工“治愈”到可以在運(yùn)行中“自愈”，提出人工自愈（artificial self-recovery，AS）新概念。

依據(jù)仿生學(xué)原理，德國學(xué)者Rolf Isermann提出了“五塊論”，即現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)是由控制、動力、傳感及檢測、操作和結(jié)構(gòu)等5大功能模塊組成，將其類比于人的大腦、內(nèi)臟、五官、四肢和軀體，得到世界仿生學(xué)界的認(rèn)可，但這忽略了對人和動物維持自身健康的自愈功能的仿生。人工自愈研究把自愈機(jī)制這個人和動物特有的概念賦予機(jī)器，機(jī)器產(chǎn)生自愈力可抑制可能產(chǎn)生的損壞力，使其不產(chǎn)生或在運(yùn)行中自行消除故障，自愈力包含代償力、清潔力、修復(fù)力、自適應(yīng)調(diào)節(jié)力、應(yīng)激力、自保護(hù)力和協(xié)同力等。

人工自愈和人工智能一樣都是仿生機(jī)械學(xué)研究的領(lǐng)域。其共同之處是“人工”，即都是由人賦予機(jī)器功能。不同之處在于人工智能是對人腦思維控制行為過程的模擬，而人工自愈是對無意識思維（不經(jīng)過大腦的）自愈機(jī)制的模擬。人工智能會使機(jī)器更聰明，人工自愈可讓機(jī)器更健康。

維納的控制論為生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的連接架起了橋梁。但在1948年維納發(fā)表控制論時，由于歷史背景的局限，他是從研究火炮自動打飛機(jī)的實(shí)踐中研究“目的性行為”。顯然控制論中的目的性行為是不包含生命體內(nèi)由自愈力驅(qū)動的自愈過程的。

工程控制論突破了動物和機(jī)器、控制工程和通訊工程的界線，將動物的目的性行為賦予機(jī)器共有的特征，概括綜合形成新理論。本文提出將動物另一個共有的特征——自愈機(jī)制賦予機(jī)器，概括綜合形成機(jī)器可以產(chǎn)生自愈力來遏制破壞力的理論——工程自愈論。工程自愈論是人工自愈的理論基礎(chǔ)，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)制造，使機(jī)器實(shí)現(xiàn)自愈化。

自動化的研究對象是機(jī)器的目的性功能和優(yōu)化運(yùn)行，控制系統(tǒng)像人的大腦一樣，模擬有目的思維，控制機(jī)器保持其優(yōu)化功能。自愈化旨在讓機(jī)器系統(tǒng)像人一樣具有自愈功能，自愈系統(tǒng)模擬無意識思維，抑制機(jī)器的異常行為，確保其自身的健康狀況和長周期安全運(yùn)行，自愈化是研究機(jī)器或裝置及其監(jiān)控系統(tǒng)在無人干預(yù)的情況下按設(shè)計(jì)的自愈機(jī)制自行抑制或消除故障的過程。

近20年來，北京化工大學(xué)診斷與自愈工程中心在快準(zhǔn)溯源診斷、精穩(wěn)自愈調(diào)控及應(yīng)用研究取得了一些成果：透平壓縮機(jī)軸位移故障自愈調(diào)控、基于電磁力的轉(zhuǎn)子多頻振動靶向抑制、動靜壓混合氣膜端面密封的自愈調(diào)控以及電磁自動平衡與氣壓液式自動等技術(shù)。

中國科學(xué)院先進(jìn)制造領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組指出，至2050年，裝備的智能化水平將得到本質(zhì)的提高。體現(xiàn)在根據(jù)環(huán)境和任務(wù)的變化，裝備不僅具有參數(shù)調(diào)節(jié)的適應(yīng)能力，同時也具有結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力。結(jié)合材料、信息技術(shù)的進(jìn)步，裝備的自我進(jìn)化和升級的能力，將會促進(jìn)裝備的智能化水平由可控化、自動化真正實(shí)現(xiàn)自維護(hù)、自適應(yīng)和自進(jìn)化的高級智能階段。

中國工程院咨詢項(xiàng)目“裝備故障自愈工程及其在中國推廣應(yīng)用的建議”指出，故障自愈原理及其在裝備復(fù)雜系統(tǒng)的工程應(yīng)用，可以有效地預(yù)防和消除故障，減少裝備對人的依賴程度，實(shí)現(xiàn)自愈化。

人工自愈是研發(fā)自主健康裝備的理論基礎(chǔ)，可創(chuàng)造出具有自愈功能的新概念機(jī)電裝備系統(tǒng)，大幅度減少對人的依賴程度，具有廣闊的應(yīng)用前景。人工自愈能讓未來的裝備乃至制造系統(tǒng)自主健康，進(jìn)入自愈時代。