控制科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀與展望

摘 要 文章從控制科學(xué)與工程學(xué)科的學(xué)術(shù)領(lǐng)域出發(fā)，對(duì)我國控制科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀按照二級(jí)學(xué)科分類進(jìn)行了綜述。針對(duì)現(xiàn)有的學(xué)科建設(shè)，探討性提出未來發(fā)展趨勢及展望。

關(guān)鍵詞 控制科學(xué)與工程 學(xué)科建設(shè) 自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

自動(dòng)化技術(shù)廣泛用于工業(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)和家庭等方面。采用自動(dòng)化技術(shù)不僅可以把人從繁重的體力勞動(dòng)、部分腦力勞動(dòng)以及惡劣、危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來，而且能擴(kuò)展人的器官功能，極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，增強(qiáng)人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力。因此，自動(dòng)化是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要條件和顯著標(biāo)志。

自動(dòng)化是一門涉及學(xué)科較多、應(yīng)用廣泛的綜合性科學(xué)技術(shù)。在我國研究生培養(yǎng)體系中，自動(dòng)化對(duì)應(yīng)的一級(jí)學(xué)科“控制科學(xué)與工程”下屬有七個(gè)二級(jí)學(xué)科：“控制理論與控制工程”、“檢測技術(shù)與自動(dòng)裝置”、“系統(tǒng)工程”、“模式識(shí)別與智能系統(tǒng)”、“導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制”、“企業(yè)信息化系統(tǒng)與工程”和“生物信息學(xué)”。控制科學(xué)與工程對(duì)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展起到了有力的推動(dòng)作用，并在學(xué)科交叉與滲透中表現(xiàn)出突出的活力。例如：它與信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的結(jié)合開拓了知識(shí)工程和智能機(jī)器人領(lǐng)域。與社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)的結(jié)合使研究的對(duì)象進(jìn)入到社會(huì)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的范疇中。與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的結(jié)合更有力地推動(dòng)了生物控制論的發(fā)展。同時(shí)，相鄰學(xué)科如計(jì)算機(jī)、通信、微電子學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展也促進(jìn)了控制科學(xué)與工程的新發(fā)展，使控制科學(xué)與工程學(xué)科所涉及的研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

1 我國控制科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀

控制科學(xué)與工程學(xué)科經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在諸多方面取得了一些重要的進(jìn)步，按照二級(jí)學(xué)科分類，主要發(fā)展現(xiàn)狀歸納如下。

1.1 控制理論與工程

控制理論以動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為主要研究對(duì)象。20世紀(jì)80年代以來，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通信等信息技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)有的控制理論提供了廣泛的應(yīng)用空間，同時(shí)也帶來了巨大的挑戰(zhàn)，促使控制理論自身的發(fā)展，也催生出新的學(xué)科增長點(diǎn)。控制理論方面，在魯棒控制、非線性控制、離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、量子控制等方面都取得了重要進(jìn)展。魯棒控制研究內(nèi)容涉及魯棒極點(diǎn)配置、魯棒鎮(zhèn)定、魯棒觀測器設(shè)計(jì)、魯棒故障診斷等一系列魯棒控制問題。分布參數(shù)控制研究涉及可控性、隨機(jī)控制、非線性系統(tǒng)、穩(wěn)定性、最優(yōu)性、數(shù)值求解最優(yōu)控制及時(shí)間延遲問題。離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化理論與方法上，理論成果被成功應(yīng)用到從機(jī)械或半導(dǎo)體制造到電網(wǎng)規(guī)劃、石油化工等多個(gè)行業(yè)的實(shí)際工程問題。量子控制的研究涉及量子態(tài)的制備、最優(yōu)控制、控制能力、反饋控制、消相干控制、糾纏動(dòng)力學(xué)、動(dòng)態(tài)解耦等多個(gè)方面。智能控制方面，在模糊不確定性理論、復(fù)雜系統(tǒng)的模糊控制與穩(wěn)定性分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、智能優(yōu)化等方面都有重要貢獻(xiàn)。模糊不確定性理論對(duì)于主觀上的不確定事件，給出了不確定變量的期望值、不確定變量的關(guān)鍵值、不確定事件測度的定義，并將它們應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)、系統(tǒng)控制和管理等問題。自模糊集合誕生至今，模糊控制作為一種有效的非線性控制方法受到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用，模糊控制器形式常見的有模糊邏輯控制、模糊PID控制、神經(jīng)模糊控制、模糊滑膜控制、自適應(yīng)模糊控制及基于T-S模型的模糊控制等。模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，是模糊控制領(lǐng)域一個(gè)持續(xù)研究的課題。現(xiàn)有的結(jié)果，主要是在前有理論基礎(chǔ)上，提出放松穩(wěn)定性條件，并將模糊控制的概念引入網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方面，主要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)非線性系統(tǒng)的逼近能力和特性，與一些控制算法相結(jié)合，探討復(fù)雜系統(tǒng)的建模與控制問題。智能優(yōu)化方面主要是結(jié)合模糊推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)為主的模糊神經(jīng)控制，并結(jié)合智能算法實(shí)現(xiàn)對(duì)算法的優(yōu)化。智能機(jī)器人技術(shù)方面，除了在機(jī)構(gòu)、視覺及傳感系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)建模、規(guī)劃與導(dǎo)航等提出一些新的設(shè)計(jì)和改進(jìn)的算法外，中國學(xué)者在救災(zāi)救援機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、仿生機(jī)器人、飛行機(jī)器人、仿人機(jī)器人、人-機(jī)器人交互等方面取得了重要進(jìn)展。在控制的應(yīng)用方面，智能控制理論在電力系統(tǒng)調(diào)度、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制、風(fēng)電場功率預(yù)測等方面已有初步應(yīng)用。在多智能體與網(wǎng)絡(luò)控制方面，研究涉及復(fù)雜系統(tǒng)與系統(tǒng)復(fù)雜性理論、混合系統(tǒng)與多模態(tài)切換、多智能體系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)控制。

1.2 模式識(shí)別與智能控制

隨著20世紀(jì)40年代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及50年代人工智能的興起，人們當(dāng)然也希望能用計(jì)算機(jī)來代替或擴(kuò)展人類的部分腦力勞動(dòng)。模式識(shí)別在20世紀(jì)60年代初迅速發(fā)展并成為一門新學(xué)科。在生物信息學(xué)方面，在高通量組學(xué)數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算基因組學(xué)的研究、醫(yī)學(xué)群體遺傳學(xué)中的生物信息學(xué)、蛋白質(zhì)功能結(jié)構(gòu)與亞細(xì)胞定位上、生物分子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與分析等方面有了重要進(jìn)展。機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘方面，研究涉及提高學(xué)習(xí)系統(tǒng)泛化能力、樣本標(biāo)記問題、降維與度量學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、在視頻與圖像分析方面的應(yīng)用。腦—機(jī)接口就是要實(shí)現(xiàn)生物腦與電腦之間的直接對(duì)話。基礎(chǔ)理論研究與實(shí)驗(yàn)研究并重是腦—機(jī)接口研究的重要特點(diǎn)。腦—機(jī)接口研究是一個(gè)全新的領(lǐng)域，許多方面的問題還有待于深入地研究。在醫(yī)學(xué)信息學(xué)、分子影像方面，多模態(tài)分子影像成像理論方法與關(guān)鍵技術(shù)、分子探針與藥物研發(fā)、分子影像驗(yàn)證與應(yīng)用是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。

1.3 系統(tǒng)工程

系統(tǒng)工程是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的科學(xué)。系統(tǒng)工程的主要任務(wù)是根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，把自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)中的基礎(chǔ)思想、理論、策略和方法等從橫的方面聯(lián)系起來，應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)和電子計(jì)算機(jī)等工具，對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和自動(dòng)控制等功能進(jìn)行分析研究，借以達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)，最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目標(biāo)。在工業(yè)過程建模方面，研究主要涉及過程建模方法與應(yīng)用及面向高端應(yīng)用的工業(yè)建模技術(shù)與軟件。在生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化方面，隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加快和計(jì)算機(jī)技術(shù)的提升，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)背景的生產(chǎn)調(diào)度問題優(yōu)化理論與方法成為自動(dòng)化學(xué)科的研究熱點(diǎn)。公共安全應(yīng)急管理決策的研究主要集中在公共安全應(yīng)急決策的理論、方法和技術(shù)上。在信息服務(wù)的研究上，在服務(wù)組合、服務(wù)計(jì)算環(huán)境、服務(wù)部署與調(diào)度、服務(wù)計(jì)算模式/模型、數(shù)據(jù)集成等關(guān)鍵問題上都有了較大的進(jìn)展。智能交通系統(tǒng)是解決目前城市交通擁堵、氣體和噪聲污染的主要途徑，目前主要的研究領(lǐng)域集中在先進(jìn)交通分配和出行誘導(dǎo)技術(shù)、城市高速路與普通路網(wǎng)集成交通控制、交通分配與交通控制一體化研究以及交通信息獲取與服務(wù)系統(tǒng)的研制。

1.4 導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制

導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制學(xué)科一直突出為國防、航天服務(wù)的特色，注重理論與工程實(shí)際的結(jié)合，重視高素質(zhì)人才的培養(yǎng)，建立起一支梯隊(duì)結(jié)構(gòu)合理、學(xué)術(shù)方向穩(wěn)定、能打“硬仗”的科研隊(duì)伍。半個(gè)世紀(jì)里，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制學(xué)科先后開辟出導(dǎo)航技術(shù)、飛行控制、精確制導(dǎo)等研究方向。在導(dǎo)航技術(shù)方面，研究涉及衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航及慣性基組合導(dǎo)航。在飛行控制方面，國內(nèi)飛行控制研究領(lǐng)域取得了豐富的研究成果，在飛行控制理論的改進(jìn)和完善、先進(jìn)飛行控制技術(shù)的研究與探索以及飛行控制技術(shù)在航空器、航天器和臨近空間飛行器的應(yīng)用方面都取得了長足的進(jìn)展。在精確制導(dǎo)技術(shù)方面，研究的主要內(nèi)容包括高精度導(dǎo)引控制技術(shù)和精確探測技術(shù)。高精度導(dǎo)引控制技術(shù)主要體現(xiàn)在制導(dǎo)控制規(guī)律的設(shè)計(jì)方面，而精確探測技術(shù)主要體現(xiàn)在各類導(dǎo)引系統(tǒng)探測技術(shù)的發(fā)展史上。

1.5 檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置

檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置是將自動(dòng)化、電子、計(jì)算機(jī)、控制工程、信息處理、機(jī)械等多種學(xué)科、多種技術(shù)融合為一體并綜合運(yùn)用的復(fù)合技術(shù)，廣泛應(yīng)用于交通、電力、冶金、化工、建材等各領(lǐng)域自動(dòng)化裝備及生產(chǎn)自動(dòng)化過程。檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置的研究與應(yīng)用，不僅具有重要的理論意義，符合當(dāng)前及今后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)我國科技發(fā)展的戰(zhàn)略，而且緊密結(jié)合國民經(jīng)濟(jì)的實(shí)際情況，對(duì)促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造和鐵路技術(shù)裝備的現(xiàn)代化有著重要的意義。在檢測技術(shù)上，超導(dǎo)材料、稀土功能材料等功能材料新領(lǐng)域，功能陶瓷材料的研究開發(fā)取得了顯著進(jìn)展，在低燒磁料和賤金屬電極上形成了自己的特色并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)方面，研究涉及基于模型的故障診斷技術(shù)及基于數(shù)據(jù)的故障診斷方法。

2 我國控制科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展趨勢與展望

2.1 人才的培養(yǎng)和支持

由于我國控制科學(xué)與工程專業(yè)的畢業(yè)生長期以來供不應(yīng)求，目前，設(shè)置該專業(yè)的院校逐漸遞增。要注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，多和實(shí)踐結(jié)合，走出應(yīng)試教育的桎梏。需要有人才成長的土壤，盡可能為科研人員提供良好的科研條件。需要加大國內(nèi)外交流，提供交流的機(jī)會(huì)。總之，需要為人才的培養(yǎng)創(chuàng)造全方位立體的支持環(huán)境。

2.2 加大基礎(chǔ)理論投入

我國自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展的劣勢主要是基礎(chǔ)理論投入不足，要想改進(jìn)這一點(diǎn)，需要從國家層次上進(jìn)行引導(dǎo)，制定相關(guān)政策，鼓勵(lì)科研院所和高校加大基礎(chǔ)理論研究，經(jīng)濟(jì)允許的情況下加大資金投入，協(xié)調(diào)各個(gè)科研機(jī)構(gòu)，發(fā)揮各單位優(yōu)勢，爭取在基礎(chǔ)理論上取得重大突破。

3 結(jié)束語

數(shù)代人的持續(xù)努力，使我國的經(jīng)濟(jì)保持高速增長的態(tài)勢。一個(gè)國家的發(fā)達(dá)程度往往和科技水平成正比，科技會(huì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而經(jīng)濟(jì)的發(fā)展又會(huì)對(duì)科技發(fā)展提供支持。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對(duì)自動(dòng)化學(xué)科的研究將更多的轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)理論的研究和新興交叉方向的研究。也正是以此作為突破口，我國才更有可能在21世紀(jì)達(dá)到并且引領(lǐng)世界先進(jìn)水平，成為自動(dòng)化科技強(qiáng)國。

注：黑龍江省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目——自動(dòng)化領(lǐng)域研究生培養(yǎng)質(zhì)量保證體系研究與實(shí)踐資助；哈爾濱工程大學(xué)2012年教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目——自動(dòng)化特色專業(yè)建設(shè)的探索與實(shí)踐

參考文獻(xiàn)

[1] 中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).控制科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展報(bào)告.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2008.