孫長銀 吳國政 王志衡 叢楊,3 穆朝絮 賀威

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G等信息技術(shù)的飛速發(fā)展,自動化科學(xué)技術(shù)極大地提高了生產(chǎn)效率,有力支持了信息產(chǎn)業(yè)和全球經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展.AlphaGo 系列人工智能圍棋、仿生機(jī)器人、混合智能、載人航天、智能制造、智慧醫(yī)療、智慧城市等新興技術(shù)的涌現(xiàn),不斷沖擊著人們生產(chǎn)和生活的方式.

自動化科學(xué)技術(shù)是以物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)及有人參與的信息物理系統(tǒng)為研究對象,以設(shè)計(jì)、構(gòu)建、分析和評價自動或自主運(yùn)行系統(tǒng)為手段,以輔助、替代和延伸人的體力或腦力勞動,并借以提高人類認(rèn)識世界和改造世界的能力為目的的系統(tǒng)理論與技術(shù).其主要研究范圍包括:控制理論與技術(shù),系統(tǒng)建模理論與仿真技術(shù),導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù),檢測技術(shù)與裝置,模式識別與智能系統(tǒng),機(jī)器人與無人系統(tǒng)控制技術(shù),生物系統(tǒng)分析與調(diào)控,以及面向?qū)ο蠛腿蝿?wù)的自動或自主運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)管理技術(shù)等[1?2].

自動化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,將對我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全發(fā)揮至關(guān)重要的作用.未來幾年,根據(jù)我國自動化科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀,結(jié)合人工智能等新興技術(shù)和智能制造、國防軍工等國家需求,自動化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展路徑大致可概括為:1)鼓勵和發(fā)展具有原創(chuàng)性的基礎(chǔ)理論和方法,大力支持從無到有的研究問題,明顯提高自動化理論與技術(shù)水平;2)在自動化科學(xué)與技術(shù)的一些應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,研究在國際上具有引領(lǐng)性作用的自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法,在部分領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先,推動我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的改造升級;3)大力發(fā)展和支持與基礎(chǔ)工業(yè)、國防以及高端技術(shù)裝備密切相關(guān)的自動化系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)等.

本文結(jié)合十三五期間自動化學(xué)科的發(fā)展規(guī)劃[3],概述了我國自動化學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀,指出了未來幾年優(yōu)先發(fā)展的學(xué)科領(lǐng)域和可能產(chǎn)生重要突破的研究方向及科學(xué)問題,提出了一些保障學(xué)科發(fā)展的措施和建議.

1 自動化學(xué)科發(fā)展態(tài)勢分析

1.1 自動化學(xué)科的特點(diǎn)

自動化科學(xué)技術(shù)不僅研究系統(tǒng)的信息獲取與處理、分析與建模、優(yōu)化與控制,更重要地還要綜合運(yùn)用控制科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)與通信等領(lǐng)域不斷發(fā)展著的理論與技術(shù),研究面向復(fù)雜對象和任務(wù)的自動或自主智能運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù),以使系統(tǒng)的狀態(tài)、行為、性能及功能等滿足人們的預(yù)期目標(biāo).同時,自動化學(xué)科的發(fā)展與物理、生物、材料等多學(xué)科交叉融合,互相促進(jìn)和支持,具有系統(tǒng)性、智能性和交叉性的鮮明特征[4].

自動化科學(xué)技術(shù)從系統(tǒng)的角度來解決問題,對社會進(jìn)步產(chǎn)生重大影響.例如,集合計(jì)算機(jī)視覺、語音識別、機(jī)器翻譯等技術(shù)于一體的機(jī)器人,已在多種場景下實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用;我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),已為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航服務(wù)等.

自動化科學(xué)技術(shù)與醫(yī)療、化工、先進(jìn)制造等各個領(lǐng)域交叉融合,推進(jìn)了自動化學(xué)科的理論技術(shù)與各行業(yè)領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展.例如,信息物理系統(tǒng)是高水平智能制造、高水平社會服務(wù)和國防現(xiàn)代化的重要支撐技術(shù),它通過融合感知、控制、智能更新等技術(shù)于一體,實(shí)現(xiàn)物理對象的大規(guī)模信息感知、計(jì)算和自動控制,應(yīng)用前景非常廣泛.

自動化科學(xué)技術(shù)與其他學(xué)科共同發(fā)展進(jìn)步,并與材料、生物、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科交叉形成新領(lǐng)域,派生出大量的新概念、新構(gòu)思、新技術(shù)和邊緣學(xué)科,如量子導(dǎo)航、微納制造、生物信息學(xué)等.多學(xué)科發(fā)展、交叉研究給自動化學(xué)科帶來了新的活力和重大創(chuàng)新機(jī)遇.

現(xiàn)階段,自動化學(xué)科基礎(chǔ)研究蓬勃發(fā)展,相關(guān)新興技術(shù)領(lǐng)域方興未艾,對經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的創(chuàng)新驅(qū)動作用越來越重要,自動化程度已成為國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及社會生活現(xiàn)代化的顯著標(biāo)志.

1.2 自動化學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀

在國家的大力引導(dǎo)和支持下,經(jīng)過“十三五”期間的發(fā)展,自動化學(xué)科在理論和應(yīng)用方面取得了一批優(yōu)秀成果,并逐漸形成了各領(lǐng)域優(yōu)勢互補(bǔ)的良性循環(huán),促進(jìn)了控制理論與應(yīng)用、模式識別與智能系統(tǒng)、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、系統(tǒng)科學(xué)與工程、人工智能與自動化交叉等領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展.

控制理論與應(yīng)用是自動化學(xué)科能夠長遠(yuǎn)發(fā)展的核心基礎(chǔ)與源動力.近年來,控制理論與應(yīng)用研究的對象與控制算法方面,呈現(xiàn)出從單一模型到包含耦合、級聯(lián)等關(guān)系的復(fù)雜模型,從單目標(biāo)控制到多目標(biāo)優(yōu)化、調(diào)度和協(xié)調(diào),從基于模型的研究向數(shù)據(jù)化、群體化與智能化方向發(fā)展.在多智能體協(xié)作、自適應(yīng)控制、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)/事件驅(qū)動控制、智能控制等一些新興研究方向上,取得了許多重要研究進(jìn)展,如高階線性多智能體系統(tǒng)一致性控制、網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化控制、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)態(tài)勢感知等[1,5].

模式識別與智能系統(tǒng)的發(fā)展,與認(rèn)知科學(xué)、信息科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān),并逐漸形成了理論創(chuàng)新與應(yīng)用高度集成的發(fā)展趨勢.近年來,半監(jiān)督學(xué)習(xí)、弱/無監(jiān)督學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)降維、多特征抽取等新技術(shù)不斷涌現(xiàn),模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、語音和語言信息處理、腦機(jī)交互等領(lǐng)域研究與應(yīng)用取得了顯著的進(jìn)步[6].國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和高校在神經(jīng)生物信息處理、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)、流形學(xué)習(xí)、立體視覺匹配和三維重建等方面取得了一些優(yōu)秀研究成果,國內(nèi)研發(fā)的人臉識別、指紋識別、手寫漢字識別、語音識別、機(jī)器翻譯等應(yīng)用技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平.

導(dǎo)航制導(dǎo)與控制是一個學(xué)科交叉性強(qiáng)、理論與工程實(shí)踐高度結(jié)合的研究領(lǐng)域,對國家安全、國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義.目前,我國在慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航、航空航天飛行控制、空間探測等研究領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平,如北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軌衛(wèi)星已突破50顆,天宮二號空間站順利在軌運(yùn)行,神州系列載人飛船的成功發(fā)射與返回,嫦娥四號月背探測,標(biāo)志著我國航空航天控制技術(shù)躋身世界強(qiáng)國之列.然而,在一些相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域,如視覺/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)、精確制導(dǎo)技術(shù)、新型武器裝備研制、導(dǎo)航與探測器件開發(fā)、攔截技術(shù)等方面仍需進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)核心技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新能力.

系統(tǒng)科學(xué)與工程在大量系統(tǒng)科學(xué)理論研究和系統(tǒng)工程實(shí)踐積累的基礎(chǔ)上,逐漸強(qiáng)調(diào)物理、信息與社會空間的融合,注重系統(tǒng)間的相互協(xié)作;強(qiáng)調(diào)個體行為與群體行為間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對群體行為的誘導(dǎo)與調(diào)控[7];更加強(qiáng)調(diào)人類社會的網(wǎng)絡(luò)化,研究不同形態(tài)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò),如社會網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)和生物網(wǎng)絡(luò).我國近年來針對實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng),開展了生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與架構(gòu)體系、物流與資源優(yōu)化決策、系統(tǒng)仿真技術(shù)及應(yīng)用等多方面的研究和實(shí)踐[8].隨著物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展,未來系統(tǒng)科學(xué)與系統(tǒng)工程的研究,將更為關(guān)注具有人機(jī)物協(xié)同特征的實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng),為推進(jìn)我國諸多領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展提供方法指導(dǎo).

在人工智能與自動化交叉領(lǐng)域,以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí),以感知、交互、協(xié)作、競爭為特征的群體智能等方向取得了重要進(jìn)展.在相繼出現(xiàn)的智能駕駛、智慧醫(yī)療等熱點(diǎn)應(yīng)用的驅(qū)動下,以人為中心、人在環(huán)路的智能計(jì)算、類腦智能等研究把機(jī)器智能作為人類智能的有效延伸和拓展,成為自動化領(lǐng)域人工智能技術(shù)研究前沿[9].在面對大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)化和實(shí)時交互等復(fù)雜現(xiàn)實(shí)問題時,研究方法呈現(xiàn)出多領(lǐng)域聯(lián)合驅(qū)動的模式,綜合集成多個領(lǐng)域的研究成果,如運(yùn)動控制、智能感知決策、導(dǎo)航和避障、視聽覺信息處理、自然語言理解、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、認(rèn)知信息處理、高性能計(jì)算、自主防御等,使得機(jī)器與人能夠交互理解并能更好地服務(wù)于人[10?11].

1.3 學(xué)科發(fā)展趨勢和目標(biāo)

2015年,國務(wù)院提出推進(jìn)智能制造,實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略,以滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國防建設(shè)對重大技術(shù)裝備的需求為目標(biāo),強(qiáng)化工業(yè)基礎(chǔ)能力.2017 年,《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出要把大數(shù)據(jù)驅(qū)動知識學(xué)習(xí)、跨媒體協(xié)同處理、人機(jī)協(xié)同增強(qiáng)智能、群體集成智能、自主智能系統(tǒng)作為人工智能的發(fā)展重點(diǎn).2020年,中央部署推進(jìn)包括5G基礎(chǔ)及應(yīng)用、軌道交通、新能源、數(shù)據(jù)中心、人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[12].三大規(guī)劃中均以自動化為主要理論基礎(chǔ),自動化科學(xué)技術(shù)已然成為支撐我國“新基建”大布局中最為核心和重要的技術(shù)之一.

信息技術(shù)的迅速發(fā)展,推進(jìn)了國際社會各領(lǐng)域向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化加速躍升,自動化領(lǐng)域的科學(xué)研究必須迅速調(diào)整方向并加快發(fā)展,助力提升國家競爭力、維護(hù)國家安全.促進(jìn)自動化科學(xué)技術(shù)和國家建設(shè)深度融合,為構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動、人機(jī)協(xié)同、跨域融合、共創(chuàng)分享的智能社會提供理論、方法和技術(shù),是自動化學(xué)科“十四五”乃至中長期發(fā)展的重要目標(biāo).

2 自動化學(xué)科優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域

2.1 智能控制理論和方法

傳統(tǒng)控制理論大多關(guān)注單個對象的建模與控制,而控制系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢是系統(tǒng)規(guī)模越來越大,系統(tǒng)各部分相互關(guān)聯(lián)和耦合.傳統(tǒng)控制過程通常在一個時間上只控制一個進(jìn)程,而現(xiàn)在可能存在大量的進(jìn)程相互作用需要調(diào)控.各類控制系統(tǒng)在不斷變化的環(huán)境中運(yùn)行,溫度、負(fù)荷、設(shè)備、材料特性等各種因素都在隨時間變化,且這些變化常常難以精確掌握.系統(tǒng)不確定性既源自于系統(tǒng)內(nèi)部,也來自于系統(tǒng)外部,而且大多數(shù)情形是多種不確定性耦合在一起.涉及的系統(tǒng)類型也很多,如隨機(jī)系統(tǒng)、不確定系統(tǒng)、參數(shù)系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)、有限信息系統(tǒng)、多尺度系統(tǒng)、混雜系統(tǒng)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜、工作環(huán)境更加開放和不確定,控制任務(wù)對于實(shí)時性、控制精度和自主能力等方面有了更高的要求,還需要面對各種資源的優(yōu)化利用,亟需融合非線性控制、自適應(yīng)控制、智能控制、穩(wěn)定性理論、最優(yōu)化理論、人工智能及數(shù)據(jù)處理等方面的理論和方法,建立智能控制的新理論和新方法[3,13].

從控制對象、控制方法、資源優(yōu)化和控制效率等角度出發(fā),圖1簡要描述了當(dāng)前控制理論和方法中存在的主要問題,可行的解決方法和熱點(diǎn)研究方向.包括:

1)自適應(yīng)控制理論和方法.對于時變、不確定、環(huán)境開放、非線性等條件下的被控系統(tǒng),研究其模型—數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的自適應(yīng)控制理論和方法,進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)性能分析和設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)基于模型的智能自適應(yīng)控制.

2)數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論和方法.研究環(huán)境變化、結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化、控制目標(biāo)變化的復(fù)雜系統(tǒng)控制問題,通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、更新和迭代學(xué)習(xí),獲得具有適應(yīng)能力的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器,保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性、魯棒性和自適應(yīng)性,建立數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論和方法.

3)基于學(xué)習(xí)的優(yōu)化理論和方法.通過對復(fù)雜系統(tǒng)控制過程、控制任務(wù)、多媒體信息的訓(xùn)練、學(xué)習(xí)和反饋,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)過程優(yōu)化、任務(wù)優(yōu)化和資源優(yōu)化,建立復(fù)雜系統(tǒng)基于學(xué)習(xí)的優(yōu)化控制理論和方法.

圖1 智能控制理論研究方向Fig.1 Research directions of intelligent control theory

4)事件驅(qū)動控制理論和方法.研究數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)、混雜系統(tǒng)等多種類型系統(tǒng)的事件驅(qū)動控制理論和方法,減小計(jì)算和通訊等資源成本,提高控制效率.

智能控制理論和方法是一個飛速發(fā)展的研究方向,盡管其理論體系還遠(yuǎn)沒有經(jīng)典控制那樣成熟和完善,但已經(jīng)成為自動化學(xué)科最重要的理論研究方向之一.探索智能控制理論和特定背景的應(yīng)用研究,夯實(shí)自動化學(xué)科的理論基礎(chǔ),對推動我國自動控制技術(shù)躋身世界前列,具有重要意義.

2.2 高性能作業(yè)機(jī)器人

機(jī)器人是多種自動化技術(shù)和智能技術(shù)的集成平臺,在國民經(jīng)濟(jì)與國防安全等領(lǐng)域具有重要地位.在國防安全方面,機(jī)器人技術(shù)將推動無人機(jī)、無人武器的發(fā)展,提高無人偵察、無人值守、無人作戰(zhàn)打擊能力.在近海、深海、極地和外太空等環(huán)境中,機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境活動和資源發(fā)現(xiàn)利用的有效工具.在醫(yī)療健康方面,機(jī)器人將在醫(yī)療診斷、康復(fù)輔助、助老助殘中發(fā)揮重要作用.在制造業(yè)方面,機(jī)器人正在成為新工業(yè)革命的切入點(diǎn)和重要增長點(diǎn),將影響全球制造業(yè)格局.近年來,我國在智能機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用方面取得了長足進(jìn)步,工信部、發(fā)改委、財政部聯(lián)合提出《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016?2020)》,科技部連續(xù)發(fā)布“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專項(xiàng),持續(xù)推進(jìn)我國機(jī)器人技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展.但與美國、日本等發(fā)達(dá)國家相比,我國在前沿基礎(chǔ)理論、核心零部件、國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和總體發(fā)展體系等方面存在短板和不足[14].

未來幾年,在仿生、控制、智能等方面,自動化學(xué)科建議開展面向特定任務(wù)的高性能作業(yè)機(jī)器人原創(chuàng)性理論及關(guān)鍵技術(shù)研究,初步建立高性能智能作業(yè)機(jī)器人共性技術(shù)體系,為后續(xù)產(chǎn)品化奠定基礎(chǔ).圖2概述了高性能作業(yè)機(jī)器人主要發(fā)展方向和關(guān)鍵技術(shù).具體研究方向包括:

1)仿生機(jī)器人.生物運(yùn)動機(jī)理研究并設(shè)計(jì)仿生運(yùn)動機(jī)構(gòu);靈巧作業(yè)機(jī)構(gòu)的建模與控制;靈活輕巧、剛?cè)狁詈系姆律鷻C(jī)器人設(shè)計(jì)和控制;靈活隱蔽的微型仿生機(jī)器人.

2)特種機(jī)器人.設(shè)計(jì)面向各種特定任務(wù)的高性能作業(yè)機(jī)器人;設(shè)計(jì)應(yīng)對開放、未知環(huán)境和多種任務(wù)的高性能機(jī)器人,提高其通用性與魯棒性.

3)智能決策技術(shù).研究機(jī)器人面向復(fù)雜環(huán)境的感知與理解、行為優(yōu)化及技能學(xué)習(xí)方法,提升機(jī)器人的智能化水平;研究機(jī)器人智能決策與控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高效智能決策和穩(wěn)定自主運(yùn)動;機(jī)器人安全行為準(zhǔn)則及安全保障機(jī)制,確保機(jī)器人安全可靠的行為方式.

4)人機(jī)共融技術(shù).人與機(jī)器人的雙向信息傳遞、語義表達(dá)及實(shí)時認(rèn)知方法;生機(jī)電相融合的交互方法;人機(jī)協(xié)同高效決策與控制技術(shù);人與機(jī)器人互操作技術(shù).

5)以仿生機(jī)器人、人機(jī)共融機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人為具體對象,在國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、軟件框架和硬件平臺等方面取得突破性成果.

2.3 信息物理系統(tǒng)

以物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等為代表的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展,信息空間、社會空間和物理空間深度融合,衍生出信息物理系統(tǒng).信息物理系統(tǒng)中的計(jì)算通信單元與物理對象可以通過網(wǎng)絡(luò)高度耦合,其所孕育的新技術(shù)、新應(yīng)用將從根本上改變?nèi)祟惿鐣纳a(chǎn)和生活方式.就像互聯(lián)網(wǎng)重塑人與信息的關(guān)系一樣,信息物理系統(tǒng)將重塑人與工程系統(tǒng)的關(guān)系[15].美國總統(tǒng)科技顧問委員會曾將信息物理系統(tǒng)列為未來重點(diǎn)研究的八大信息技術(shù)之首,德國、英國、法國、日本等國都在工業(yè)信息物理融合系統(tǒng)相關(guān)方向展開戰(zhàn)略布局和技術(shù)研發(fā).目前,我國工業(yè)企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化程度整體不高,難以實(shí)現(xiàn)企業(yè)級綜合智能管控以滿足智能化生產(chǎn)、智慧工廠的需要.物理系統(tǒng)與信息空間的高度融合,給信息獲取、通信、計(jì)算和控制帶來諸多挑戰(zhàn),給自動化科學(xué)技術(shù)帶來深刻變革[16].

圖2 高性能作業(yè)機(jī)器人主要發(fā)展方向和關(guān)鍵技術(shù)Fig.2 Development directions and key technologies of high performance robots

研究信息物理系統(tǒng)中資源優(yōu)化調(diào)度、通信與控制協(xié)同優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)攻擊防御、實(shí)時監(jiān)控和評估等問題,融合建模、優(yōu)化與控制的理論和方法,以構(gòu)建安全、高效的信息物理系統(tǒng)為目標(biāo).圖3展示了未來幾年建議的信息物理系統(tǒng)主要研究方向,具體包括:

1)信息物理系統(tǒng)構(gòu)建及控制.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模、實(shí)時、可靠的優(yōu)化調(diào)度技術(shù);綜合信息物理系統(tǒng)時、空、頻、能等多維動態(tài)特性和耦合性,建立感知、傳輸、控制一體化系統(tǒng)模型和跨域協(xié)同優(yōu)化與控制方法;通信資源、計(jì)算資源、控制能力等受限情況下高效的分布式優(yōu)化與控制策略;基于邊緣計(jì)算和邊云協(xié)同的分布式智能控制方法.

2)信息物理系統(tǒng)安全.通信干擾、虛假數(shù)據(jù)注入、隱私竊聽等攻擊的信息物理系統(tǒng)實(shí)時檢測方法、攻擊防御方法、彈性控制理論與方法;信息物理系統(tǒng)隱私保護(hù)的設(shè)計(jì)與分析;信息物理系統(tǒng)安全事件的時空關(guān)聯(lián)性快速分析與溯源;信息安全與控制安全的協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)綜合安全.

3)信息物理系統(tǒng)演化.基于數(shù)字孿生技術(shù),實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)高保真的數(shù)字化表征、狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測、運(yùn)行狀態(tài)評估技術(shù);研究孿生系統(tǒng)與實(shí)體信息物理系統(tǒng)的全方位深層次融合;基于孿生系統(tǒng)及實(shí)體信息物理系統(tǒng)的多模態(tài)信息,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)系統(tǒng)持續(xù)交互式學(xué)習(xí)、自主更新和進(jìn)化.

發(fā)展信息物理系統(tǒng)構(gòu)建、信息獲取與處理、信息安全分析、系統(tǒng)監(jiān)控和評估等適用于大規(guī)模信息物理系統(tǒng)的前沿基礎(chǔ)理論,并在工業(yè)系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)等方面進(jìn)行應(yīng)用研究,結(jié)合智能制造發(fā)展戰(zhàn)略,推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合,促進(jìn)工業(yè)信息物理系統(tǒng)理論和技術(shù)突破,實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備與產(chǎn)品的實(shí)時聯(lián)通、精確識別、有效交互與智能調(diào)控,滿足國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求.

2.4 導(dǎo)航與控制技術(shù)

近年來,在載人航天、對地觀測、大型飛機(jī)、導(dǎo)航與位置服務(wù)等國家重大需求的牽引下,導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)發(fā)展十分迅速[17].深空探測是繼地球衛(wèi)星、載人航天之后,我國空間技術(shù)領(lǐng)域的又一重要發(fā)展階段.深空探測飛行器飛行距離更遠(yuǎn)、運(yùn)行時間更長、任務(wù)環(huán)境更復(fù)雜.對于月球背面探測、火星轉(zhuǎn)移和捕獲探測等,僅依賴地面測控網(wǎng)進(jìn)行導(dǎo)航與控制,在精度、實(shí)時性和可靠性等諸多方面受到限制.深海運(yùn)載平臺和深海潛器主要涉及深海環(huán)境下的大范圍導(dǎo)航與控制,考慮深海環(huán)境的復(fù)雜性、可用導(dǎo)航資源少和運(yùn)載體長時間工作等特點(diǎn),慣性信息、海洋環(huán)境與海洋地球物理場信息以及聲學(xué)信息將成為其自主導(dǎo)航的主要信息源.此外,開放環(huán)境下的車輛和人員定位導(dǎo)航主要依賴衛(wèi)星導(dǎo)航手段,但在高樓遮擋路面、隧道、室內(nèi)停車場、商場、交通樞紐、展會等環(huán)境下,由于信號受到遮擋或電磁干擾,無法提供可靠的導(dǎo)航服務(wù).實(shí)時獲取開放環(huán)境下車輛、機(jī)器人和人員在移動過程中的位置、方向、速度等信息,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)車輛的自動/輔助駕駛、人員的高效疏導(dǎo),是體現(xiàn)城市信息化和治理水平的重要方面.

圖3 信息物理系統(tǒng)主要研究方向Fig.3 Research directions of cyber-physical systems

導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)關(guān)系到國家安全和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè),屬于基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和前沿性的軍民兩用高新技術(shù).圖4簡要描述了我國導(dǎo)航制導(dǎo)與控制領(lǐng)域的重要進(jìn)展和未來的發(fā)展趨勢.具體的研究方向包括:

1)深空深海運(yùn)動體和運(yùn)載平臺的自主導(dǎo)航與控制技術(shù).深空深海運(yùn)載平臺長時間高精度自主導(dǎo)航與控制;環(huán)境交互下的深空深海仿生器基礎(chǔ)控制理論和實(shí)現(xiàn)方法;大范圍高動態(tài)條件下飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)和控制;大型復(fù)雜撓性航天器穩(wěn)定及機(jī)動控制;行星和小行星等定點(diǎn)著落導(dǎo)航制導(dǎo)和控制.

2)新型導(dǎo)航方法與技術(shù).量子精密測量與量子導(dǎo)航原理與技術(shù);超高靈敏原子慣性測量技術(shù);基于量子效應(yīng)的原子陀螺儀慣性導(dǎo)航技術(shù);仿生導(dǎo)航原理與技術(shù);組合導(dǎo)航理論和方法;有限信息下自主導(dǎo)航與控制方法.

3)開放環(huán)境下多源信息融合定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)理論和方法.云端—終端數(shù)據(jù)交互融合協(xié)同導(dǎo)航理論與方法;基于多源異構(gòu)信息融合的導(dǎo)航理論與方法;開放環(huán)境下定位導(dǎo)航及控制技術(shù).

深空深海和開放環(huán)境的導(dǎo)航制導(dǎo)與控制問題研究,將顯著提高我國高精度高可靠性導(dǎo)航與控制領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究水平,解決不確定環(huán)境下導(dǎo)航與探測領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn),為推進(jìn)我國航空航天、海洋戰(zhàn)略、城市治理的跨越式發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

2.5 重大裝備自動化技術(shù)

重大裝備指技術(shù)難度大、關(guān)聯(lián)面廣、成套性強(qiáng)、對國計(jì)民生具有重大影響,需要跨部門、跨行業(yè)、跨地區(qū)組織,才能完成的重大成套技術(shù)裝備,或是規(guī)模龐大且直接關(guān)系人的生命安全及國家安全的重要運(yùn)動體裝備,對國民經(jīng)濟(jì)和綜合國力具有非常重要的戰(zhàn)略意義.比如,以航空發(fā)動機(jī)、無人船舶等為代表的重大裝備,在交通運(yùn)輸、航空航天、海洋探測等方面為國民經(jīng)濟(jì)的提升和國防安全提供了重要保障.

智能化控制系統(tǒng)是重大裝備的技術(shù)保障和核心支撐部分,具有不可替代的作用.一些重大裝備工作在多參數(shù)、非線性、復(fù)雜和極端環(huán)境下,對裝備的安全運(yùn)行和維護(hù)提出了很大的挑戰(zhàn)[18].同時,部分重大裝備核心技術(shù)受制于人,依賴國外.因此,研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重大裝備智能控制和智能維護(hù)技術(shù),是促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展和維護(hù)國家安全的科技保障.對于我國重大裝備智能控制和智能維護(hù)技術(shù)方面存在的一些問題,建議的具體研究方向包括:

1)重大裝備高精度與安全運(yùn)行控制.面向動力學(xué)、振動和控制問題的高速、高效、高精度控制器設(shè)計(jì);面向靈活、高效和經(jīng)濟(jì)性的重大裝備集群一體化智能管理理論;重大裝備的通信網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)、安全通信機(jī)制、電磁兼容等信息安全技術(shù);數(shù)據(jù)驅(qū)動的重大裝備決策與控制技術(shù);重大裝備控制任務(wù)、可靠性任務(wù)、信息安全任務(wù)協(xié)同設(shè)計(jì)的理論與方法.

圖4 導(dǎo)航制導(dǎo)與控制領(lǐng)域的重要進(jìn)展及發(fā)展趨勢Fig.4 Important progress and trend of navigation,guidance and control

2)重大裝備故障診斷與智能維護(hù).重大裝備智能維護(hù)和容錯控制基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù);重大裝備的性能耦合分析技術(shù);數(shù)據(jù)驅(qū)動的重大裝備故障處理與預(yù)防技術(shù);基于數(shù)據(jù)的重大裝備智能視情維護(hù)與自愈技術(shù);重大裝備降級運(yùn)行與智能更新理論與技術(shù);重大裝備壽命預(yù)測與健康評估技術(shù).

圖5概述了重大裝備智能控制與維護(hù)中主要的研究內(nèi)容.針對我國國防、制造業(yè)等多個領(lǐng)域的國家重大裝備需求,凝練與自動化學(xué)科相關(guān)的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù),提高自主創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)重要裝備的自動化技術(shù)自主可控.

2.6 自主智能系統(tǒng)

自主智能系統(tǒng)是自動化和人工智能技術(shù)的最佳載體,是各種先進(jìn)算法驗(yàn)證與應(yīng)用平臺,其基礎(chǔ)理論研究創(chuàng)新將成為未來自動化和人工智能領(lǐng)域發(fā)展的核心動力,在國民經(jīng)濟(jì)與國防安全等領(lǐng)域具有重要地位.例如,在民用領(lǐng)域,自主智能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于智能交通中的多無人車協(xié)同路徑規(guī)劃,提升智慧城市道路利用率,緩解城市擁堵;在工業(yè)應(yīng)用、商業(yè)管理及應(yīng)急救援等領(lǐng)域的需求量也呈現(xiàn)出快速增長的趨勢;在國防領(lǐng)域,多個作戰(zhàn)單元與其他作戰(zhàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)作戰(zhàn),防空導(dǎo)彈系統(tǒng)同時攔截多個目標(biāo),無人機(jī)、無人車及無人武器的發(fā)展將有效提高作戰(zhàn)能力.目前,我國在自主智能系統(tǒng)和群體智能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用方面,缺乏前瞻性理論支撐和關(guān)鍵技術(shù)突破.因此,必須重視自主智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究,實(shí)現(xiàn)從機(jī)器人到自主智能系統(tǒng),從個體智能到群體智能的跨越[19?20].

從自主無人系統(tǒng)、人機(jī)混合、集群協(xié)同、安全技術(shù)和技術(shù)驗(yàn)證平臺等方面出發(fā),圖6展示了自主智能系統(tǒng)的總體發(fā)展思路.具體研究內(nèi)容如下:

1)自主無人系統(tǒng)理論與技術(shù).多傳感器信息融合的無人系統(tǒng)智能感知與自主學(xué)習(xí);無人系統(tǒng)學(xué)習(xí)演化與自主決策;無人系統(tǒng)動態(tài)建模、智能感知、自主運(yùn)動與避障;動態(tài)目標(biāo)識別與特定任務(wù)決策;環(huán)境未知、信息不完全、通信受限下無人系統(tǒng)智能感知與決策理論和方法;復(fù)雜場景無人平臺的主動感知、快速決策和精確控制.

2)人機(jī)混合自主智能系統(tǒng).開放環(huán)境下人機(jī)結(jié)合的態(tài)勢感知方法與技術(shù);人機(jī)交互的特征提取與表示方法;人機(jī)融合高效推理與交互操作;人機(jī)混合智能增強(qiáng)、人在回路技術(shù).

3)集群自主智能系統(tǒng).可表達(dá)、可計(jì)算、可解釋的群體智能方法;集群系統(tǒng)信息交互、多目標(biāo)優(yōu)化決策;集群系統(tǒng)協(xié)同與自主結(jié)構(gòu)變換;無人系統(tǒng)集群優(yōu)化和集群智能;對抗、強(qiáng)干擾環(huán)境下的集群系統(tǒng)協(xié)同控制理論;非完全信息條件下集群系統(tǒng)協(xié)同、博弈等動態(tài)演繹方法.

圖5 重大裝備智能控制與維護(hù)Fig.5 Intelligent control and maintenance of automatic equipments

圖6 自主智能系統(tǒng)的總體發(fā)展思路Fig.6 Development strategy of autonomous intelligent systems

4)自主智能系統(tǒng)安全.安全可信自主智能系統(tǒng)構(gòu)建理論和方法;自主智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù);自主智能系統(tǒng)集群的安全性和穩(wěn)定性;安全風(fēng)險評估與智能防御;決策計(jì)算全程可測可控,達(dá)到攻擊者進(jìn)不去、非授權(quán)者重要信息拿不到、竊取保密信息看不懂、系統(tǒng)和信息改不了的安全效果.

5)研制“無人集群跨域協(xié)同控制系統(tǒng)”與“人機(jī)共融自主智能系統(tǒng)”等技術(shù)驗(yàn)證和示范平臺;發(fā)展自主智能系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、自主芯片、標(biāo)準(zhǔn)軟硬件接口和操作系統(tǒng)等.

自主智能系統(tǒng)的研究將大力推進(jìn)科技與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,引領(lǐng)智能產(chǎn)業(yè)和智能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究取得了長足的進(jìn)步,但在頂級人才、前沿基礎(chǔ)理論、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、軟硬件平臺和總體發(fā)展體系等方面仍然存在不足,需要進(jìn)一步加大投入,充分調(diào)動國內(nèi)外的優(yōu)勢資源,爭取獲得跨越式發(fā)展.

2.7 人工智能驅(qū)動的自動化

近年來,人工智能研究范圍不斷拓寬,已涵蓋了模式識別、自然語言理解、認(rèn)知科學(xué)等多個重要分支,研究內(nèi)容已經(jīng)從信息處理、知識表示等發(fā)展到機(jī)器智能,包括機(jī)器感知、機(jī)器思維、機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器行為等,并在不斷更新和擴(kuò)展[10].以深度學(xué)習(xí)為代表的感知和認(rèn)知,以及以強(qiáng)化學(xué)習(xí)為代表的行為決策和控制是人工智能驅(qū)動自動化技術(shù)的典型代表,二者結(jié)合能夠構(gòu)成機(jī)器智能決策的閉環(huán).國際上已經(jīng)出現(xiàn)了一些有顯示性的成果[21?22],如波士頓動力公司與美國國防部合作,開發(fā)了多款仿生機(jī)器人,能夠?qū)崿F(xiàn)快速平穩(wěn)移動、跳躍甚至翻滾,具有相當(dāng)好的靈活性和穩(wěn)定性.人工智能的核心理論和基礎(chǔ)算法,通過與應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合,可有效提取數(shù)據(jù)信息、自主學(xué)習(xí)決策和優(yōu)化,提高控制效率,進(jìn)而建立具有不同功能的智能系統(tǒng).

當(dāng)前通用人工智能方法尚未成熟,深度學(xué)習(xí)等人工智能方法可解釋性不高,這也是人工智能理論實(shí)際應(yīng)用困難的根本原因之一.另外,由于實(shí)際問題差別很大,如實(shí)際問題連續(xù)性、不完全信息、感知信息不確定性、決策狀態(tài)約束性、多個體協(xié)調(diào)復(fù)雜性等,使得人工智能理論和方法,難以直接推廣到更廣泛的對象,如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、流程工業(yè)中,需要基于人工智能理論開發(fā)相應(yīng)的智能算法.圖7 展示了人工智能和自動化交叉領(lǐng)域的若干前沿研究方向,其核心關(guān)鍵問題是人工智能理論驅(qū)動的智能感知、控制與決策方法,以及算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用.需要在語音識別、自然語言處理、機(jī)器視覺等智能感知領(lǐng)域開展深入研究,還應(yīng)在深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論、不完全信息博弈對抗、多智能體協(xié)調(diào)控制、魯棒決策與控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搜索與優(yōu)化、類腦計(jì)算等領(lǐng)域積極布局,以期取得突破性的研究成果.

總體來說,我國在語音識別、機(jī)器視覺、機(jī)器翻譯等領(lǐng)域已取得顯著進(jìn)展,但我國對機(jī)器學(xué)習(xí)核心算法的掌握程度仍然較低,在人工智能核心算法創(chuàng)新、人工智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)等方面,還需要與發(fā)達(dá)國家進(jìn)行技術(shù)合作,縮小差距,促進(jìn)人工智能理論和方法在自主運(yùn)動體、智能電網(wǎng)、醫(yī)療、軍事等系統(tǒng)中的應(yīng)用,擴(kuò)展人工智能技術(shù)的應(yīng)用邊界.

3 學(xué)科發(fā)展的保障措施

未來幾年,為促進(jìn)我國自動化科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,吸引更多的科技工作者投身自動化領(lǐng)域研究,提升我國自動化學(xué)科的地位和國際影響力,建議從學(xué)科發(fā)展、基金資助、需求導(dǎo)向、人才培養(yǎng)、科研平臺等方面做出努力.

1)為保持學(xué)科優(yōu)勢領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,同時加大對薄弱學(xué)科領(lǐng)域的資助力度,鼓勵開展交叉學(xué)科研究,促進(jìn)自動化學(xué)科各領(lǐng)域均衡協(xié)調(diào)發(fā)展.自動化學(xué)科在注重理論研究的同時,以重大國家需求為牽引,凝煉共性科學(xué)問題,鼓勵自動化系統(tǒng)的研發(fā)與成果轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)自動化學(xué)科持續(xù)蓬勃發(fā)展.

圖7 人工智能和自動化交叉領(lǐng)域若干前沿研究方向Fig.7 Cutting-edge research directions in automation with AI

2)發(fā)揮自然科學(xué)基金人才培養(yǎng)作用,激發(fā)科技人才的創(chuàng)新活力,完善青年人才資助計(jì)劃.適度調(diào)整項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)使用范圍與比例,適當(dāng)增加青年基金、優(yōu)秀青年基金、杰出青年基金的資助率.進(jìn)一步修訂學(xué)科申請代碼,推進(jìn)以自動化學(xué)科為主的交叉學(xué)科發(fā)展,拓寬自動化學(xué)科研究范疇,提升學(xué)科影響力.進(jìn)一步加強(qiáng)基金資助內(nèi)容審核,避免對相似研究內(nèi)容的重復(fù)資助,提高資助效率.

3)引導(dǎo)建立公共開放的自動化科研與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺.由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)平臺,各研究工作彼此獨(dú)立難以快速集成和相互共享,重復(fù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺浪費(fèi)了大量人力物力.建立標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)支撐平臺,如群體智能科研支撐平臺、人工智能開源軟硬件平臺、人工智能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺等.為實(shí)現(xiàn)理論創(chuàng)新、技術(shù)和系統(tǒng)集成提供條件,促進(jìn)理論研究成果的共享和應(yīng)用.

4 結(jié)論

遵循自動化學(xué)科發(fā)展所具有的需求牽引和學(xué)科交叉的特點(diǎn),未來自動化科學(xué)技術(shù)研究將更加注重解決復(fù)雜系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、多傳感器信息融合、生物信息系統(tǒng)、社會治理系統(tǒng)等重大問題.注重系統(tǒng)各個部件協(xié)同感知并進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,在理清個體行為與群體行為間關(guān)系的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對群體協(xié)作、競爭、進(jìn)化、演化行為的調(diào)控.加強(qiáng)研究如具有人機(jī)物協(xié)同特征的工業(yè)系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、生物系統(tǒng)和社會系統(tǒng).自動化科學(xué)技術(shù)將與其它相關(guān)理論技術(shù)密切結(jié)合,解決新興技術(shù)快速發(fā)展帶來的自動化領(lǐng)域前沿科學(xué)問題.

5 說明

本文所著觀點(diǎn)及內(nèi)容參考國家自然科學(xué)基金委員會十四五及中長期發(fā)展規(guī)劃.所著觀點(diǎn)為筆者觀點(diǎn),僅供參考.