仿生智能傳感技術在智能科學與技術本科教學中的專題講解

徐源，王偉，姜文娟，韓曉菊，門洪，劉晶晶

（東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林 132012）

隨著現代科學技術的發展，智能科學與技術已經越來越多地滲透到計算機、通信、交通運輸、醫學、軍事、經濟等各個領域，人類正在由信息時代向智能時代前進。在這種背景下，眾多國家紛紛將智能化發展作為奪取新一輪制高點的重要目標，智能科學與技術水平已經成為一個國家綜合國力和科技實力的重要標志，推進智能科學技術專業教育，培養高層次智能科學與技術人才正當其時[1－2]。

智能科學技術的發展把整個科學技術領域推向“智能化”的高度，隨著仿生科技的進步，這種智能化越來越注重實現擬人的感受和判斷，仿生智能傳感已經成為當代科學技術發展的一大趨勢。為了更好地完善智能科學與技術專業的課程體系建設，培養高層次智能科學與技術人才，我們本著將現有技術與教學實驗相結合的原則，將我?，F有的仿生智能傳感技術儀器引入到本科實驗教學環節中，提高學生運用智能科學與技術知識解決實際問題的能力。

1 智能科學與技術專業內涵

智能科學與技術的任務是理解自然智能的工作機理，探索自然智能機理的模擬理論與方法，創造智能機器，促進經濟與社會的發展。它的學科內涵是知識創建和策略生成，其具體定位如圖1所示[3]。

根據智能科學與技術在電力背景下研究任務的不同，可以將其涵蓋的內容劃分為智能科學、智能技術、智能工程三個層次。

（1）智能科學：在電廠方面主要任務是建立人機結合系統理論，模擬人的思考方式，進行有效的智能決策與分析。

圖1 智能科學與技術學科內涵

（2）智能技術：創建人機結合智能系統所需要的方法、工具和技術，在智能科學學科框架內對電廠中的儀器設備進行檢修。

（3）智能工程：運用智能科學的理念和思想，并充分利用智能技術工具，創建各種電廠中的控制系統。

智能科學與技術專業與自動化專業的主要區別在于前者側重智能，后者側重自動，智能科學與技術專業涵蓋自動化專業的一部分課程，如數字圖像處理、數字信號處理、控制原理等，它是基于自動化專業學科建設的基礎上發展而來的。

其中，智能傳感是智能科學與技術區別于自動化的重要標志。智能傳感技術更側重于智能化，而自動化專業已有的傳感器相關課程，主要側重于各種傳感器件的介紹，即智能是幫助人們把信息提煉成相應的知識并升華為智能策略，控制是幫助人們把智能策略轉換成智能行為來解決問題。近年來隨著仿生學的迅速發展，仿生學在各種智能傳感器中的應用越來越多，仿生智能傳感技術已成為目前一個熱門的研究領域。

傳統的控制系統要求輸入的信息比較單一，而現代控制系統要智能感知周圍環境信息的變化，要面對復雜系統視覺的、聽覺的、嗅覺的等各種形式的信號，并將其作為輸入，進行融合、分析和推理，再進一步隨環境與條件的變化，采取相應的應對策略或行動。傳統的自動化控制明顯無法實現此類要求，仿生智能傳感技術相比而言，則可以對電廠運行方面所產生的復雜性問題和不確定性問題提供很好的解決辦法，因此，將仿生智能傳感技術引入本科智能科學與工程專業教學中有著十分重要的意義。

2 基礎理論課程設置

仿生智能傳感技術的基本出發點就是仿人的智能實現對復雜不確定系統的有效控制，要想模仿人的智能首先要模仿人的思維方式，因此必須研究人的思維形式和特點，開設相關基礎理論課程，如腦與認知學、人工智能基礎、神經網絡基礎、模式識別等；然后，結合關于智能傳感器介紹和應用的課程，如智能控制、智能傳感器及其應用、仿生智能傳感技術導論等，讓學生學習智能傳感技術的含義和發展，并對仿生學在各種智能傳感器中的應用有一定的初步了解。

3 相關儀器的介紹和學習

在各種傳感器的應用中，人們通過對生物體自身的各種感知如視覺、嗅覺、味覺等進行模擬，使得多種傳感器具有某些生物的特性和功能，研制出了可以自動獲取、處理信息，并能模仿人類思維的儀器，這就是仿生智能傳感技術的研究與應用[4]。以下對本校先進傳感技術研究所現有的幾種基于仿生智能傳感技術的儀器進行相關介紹。

（1）電子眼。電子眼主要模擬生物眼睛的特征或功能對被測對象的輪廓形狀、色度、明暗度、位置距離等參數進行采集、識別和判斷[5]。紅外熱成像儀就屬于紅外電子眼的一種，它主要是利用對物體表面紅外輻射的強弱進行探測，給出物體表面形狀輪廓和溫度分布情況，紅外圖像的亮暗反映出物體表面溫度的高低，通過對物體表面溫度及溫度場的檢測便可以判斷設備是否存在缺陷。

（2）電子鼻。人工嗅覺仿生系統又稱為“電子鼻”，是模擬人類嗅覺系統工作機理而設計開發的一種由一定選擇性的電化學傳感器陣列和適當模式識別系統組成的儀器，能識別簡單或復雜氣體并進行定性定量分析[6]。我們可以根據不同待測樣本的揮發性物質成分的不同，對氣敏傳感器陣列進行篩選來構建適用于電廠內部有毒有害氣體檢測的電子鼻系統，并在氣體濃度超標時進行報警，以減少電廠人員傷亡或財產損失。

（3）電子舌。電子舌是以人類味覺感受機理為基礎研究開發的一種新型現代化分析檢測儀器，通過傳感器陣列代替生物的味蕾味覺敏感細胞檢測樣品，經系統的模式識別處理對樣品進行定性或定量分析[7]。目前很多電廠排放的廢水中部分含有大量的重金屬，會嚴重污染地表和地下水，危及人類生命安全[8]，因此將電子舌系統應用于電廠工業廢水中重金屬離子濃度的實時監測[9]是非常必要的。

智能科學與技術專業中關于仿生智能傳感技術部分的專題講解要以實驗教學為主，擺脫單純“講授式”的課堂教學方法，將學生帶入配有多種仿生智能傳感儀器的實驗室，將上述幾種仿生智能傳感儀器——電子眼、電子鼻、電子舌引入本科的實驗教學，讓學生學習這些先進儀器的原理和操作方法，激發學生探索科技的興趣，培養他們的實踐能力和創新思維，同時也加深了他們對之前所學專業理論知識的理解。

4 考核方式

為了培養學生的分析問題和應用仿生智能傳感技術解決問題的能力，由任課老師布置相關的課題讓學生自行組織團隊設計實驗，各成員相互配合操作儀器完成數據采集、分析等，并根據課題研究成果撰寫學習小論文，最后在一定形式下進行宣講、答辯，以便學生未來更好地應用智能科學與技術專業知識解決實際問題。

5 結語

隨著智能化時代的到來，仿生智能傳感技術作為現代科學技術的核心、前沿和制高點，是各種智能化應用的關鍵，將其引入智能科學與技術專業的本科教學中對培養國家創新性人才和智能科學技術的騰飛有很大的推動作用。我校充分考慮智能科學與技術專業本科教學的要求，將現有的仿生智能傳感技術相關的硬件設備引入學生實驗教學的動手實踐環節，可以有效引導學生學習理解理論知識，為以后更深入地學習及應用智能科學與技術的專業知識奠定良好基礎。

[1]羅娟，李智勇，李仁發.智能科學與技術專業課程體系建設思考[J].計算機教育，2016(10):20-21.

[2]楊鵬，劉作軍，孫立雄，等.以前沿科技引領智能科學與技術專業的教學內容[J].計算機教育，2011(15):83-85.

[3]史忠植.智能科學[M].北京:清華大學出版社,2006.

[4]趙芝齡，盧俊霖，樊尚春.傳感技術中的仿生與智能[J].計測技術，2011，31(4):42-48.

[5]毛曉波，陳鐵軍.仿生型機器視覺研究[J].計算機應用研究，2008，25(10):2903-2905.

[6]張海平，寧珂，潘云鵬，等.基于Labview的電子鼻系統開發與應用[J].東北電力大學學報，2014，34(3):71-74.

[7]胡潔，李蓉，王平.人工味覺系統——電子舌的研究[J].傳感技術學報，2001，14(2):169-179.

[8]林珊珊，吳慕正，林馳前.燃煤電廠含重金屬廢水對水源的影響分析[J].中國環保產業，2015(3):55-57.

[9]門洪，孫佰順，何向國，等.基于LabVIEW的重金屬離子選擇電極分析系統[J].儀表技術與傳感器，2014(5):29-31.