技術研究為智慧物流發展保駕護航
——訪西安電子科技大學機電工程學院“華山學者”特聘教授胡核算先生

文/本刊記者 張穎川

編者按：

如果把我國的物流行業比作一艘正在揚帆啟航的大船，那么智慧物流可看做是航船行駛途中的重要方向，而物流技術則是尤為關鍵的船舵，確保物流產業這艘大船始終沿著正確的航向奮力前進。近年來，我國智慧物流取得較大進展，其中關于物流技術的學術研究、人才培養、校企合作等工作發揮了不可替代的作用。近日，我們采訪到了西安電子科技大學機電工程學院“華山學者”特聘教授胡核算先生，請他分享對于智慧物流發展的深刻理解、其本人在智慧物流領域的相關科研和教學經驗，以及他所領導的西安電子科技大學協同控制科學實驗室在智慧物流技術方面的探索和實踐，以為智慧物流的創新發展帶來有益的參考。

記者：隨著物流行業的發展，基礎設施的不斷晚完善，以及科學技術的不斷進步，智慧物流已是大勢所趨。您認為實現智慧物流發展需要具備哪些關鍵因素？

胡核算：物流行業是與制造業息息相關的行業，制造業所經歷的歷次工業革命，都在深刻地影響著物流行業。工業革命首先要解放和延伸人的體力，其次要解放和延伸人的腦力。因此，為了擺脫費力勞神的人力化階段，物流行業依次經歷了機械化、電氣化、自動化、數字化、信息化、智能化、智慧化發展階段。如果說機械化、電氣化主要是為了替代人的體力勞動，自動化、數字化、信息化主要是為了實現輔助人類完成部分重復性的腦力勞動，那么智能化是采用智能技術對人類智慧的低水平模仿。隨著基礎技術的發展，物流行業必然迎來更加高級的智能化階段，也就是智慧化的時代。

智慧物流行業的發展離不開三個關鍵因素。首先是堅實的基礎研究，即人們對物流技術所涉及學科的深刻認知和發展，涉及控制論、信息論、運籌學、計算機科學等諸多基礎學科，以及大數據、云計算、邊緣計算、人工智能等新興學科，具體體現為先進的理論以及深厚的軟硬件學科基礎；其次是成熟的基礎技術儲備，即能夠支撐和實現先進理論和思想的軟硬件技術，包括更強大可靠的算力、更高效穩健的算法，具體體現為高性能低功耗的芯片技術、高容量低延遲的通信技術以及多模態高維度的計算技術等；最后是成熟完備的機器人與自動化工程實現，即融合了數據應用、先進通信、人工智能等虛擬技術并最終能夠將虛擬技術實體化呈現的技術手段，具體體現為智能化靈活性的機器人裝備、高效化柔性化的自動化系統、標準化系列化的系統集成。這三個方面分別涉及智慧物流發展的基本方法、基礎設施以及實現手段，決定了智慧物流的發展水平和高度。

記者：在您看來，成熟的基礎技術儲備是智慧物流行業發展的關鍵因素之一。那么，發展智慧物流主要涉及到哪些關鍵技術？

胡核算教授參加2013年ICRA國際會議

胡核算：智慧物流是自動化技術與信息技術高度發展并且深度融合后的產物，其進一步的發展也離不開這兩者的進一步發展和融合。另外，分別與上述兩門基礎學科息息相關的機器人技術和計算機技術，也是智慧物流得以實現的關鍵。具體來講，自動化技術是智慧物流的基石。無論其架構如何演化，智慧物流的具體呈現都是門類眾多的自動化技術的集大成者。其中，除了人們看不到基礎性自動控制理論外，大量的是人們耳熟能詳的自動化技術與裝備，比如自動化倉儲、自動化分揀、自動化搬運、自動化配送等等。信息技術包括信息傳輸技術、信息融合技術以及信息處理技術，是賦予自動化系統智能乃至智慧的核心技術。如果說自動化技術相當于整個智慧物流系統的肢體軀干，賦予了系統靈活和自如，信息技術則相當于整個智慧物流系統的神經網絡，賦予了系統思維與智慧。機器人技術和計算機技術分別為智慧物流的實現提供了更加強大的執行能力和計算能力，最終實現了智慧物流的技術集成和融合發展。

因此我們可以看出，由于物流系統與信息技術的深度融合，衍生出的智慧物流系統呈現為相互協作的連續離散混合驅動型數據化系統，具有離散性、耦合性、時變性等特點。如何對其行為進行有效控制超出了經典連續型系統的控制框架。如果說經典控制理論的研究遠遠超前于應用的話，在離散型系統中，則是理論遠遠落后于應用，所以需要重視有關的理論研究和技術開發工作。

記者：您的研究方向和教學內容，有哪些方面與智慧物流發展密切相關？

胡核算：本人與智慧物流發展密切相關的教學工作包括：

胡核算與研究生進行科研討論

我近年來從事的研究領域以及為本科生、碩士研究生、博士研究生開設的課程，其核心內容均圍繞數據驅動型離散系統的控制工程，是部署和實現大規模自動化系統的基礎性學科。其中的控制工程部分是對經典和現代控制工程的進一步發展，為當代自動化系統包括智慧物流系統的綜合與實現夯實了工程基礎；而其中的離散系統部分，涉及網論、圖論、自動機、形式語言、形式化分析等技術，是信息技術和計算機科學學科的基本方法，為自動化系統包括智慧物流系統的思維與決策提供了技術保障。另外，課程也涉及最新的學科動態，比如AI、5G、數字孿生等。可以說，我所從事的研究領域以及開設的相關課程，完全地融合了智慧物流領域所需求的各個學科，并在具體的智慧物流技術上比如物流機器人系統與控制方面有所展開。課程既涉及若干學科方面，也涉及具體技術點，是關于智慧物流系統的立體式、開放型的基礎性課程體系。

與智慧物流發展密切相關的科研工作包括：

智慧物流系統是一個新興產業，就科研視角而言，對其進行有效的控制和管理，對應于巨型系統的優化控制問題。因此，我的研究和教學成果主要致力于該類問題的分析和求解。具體而言，就是巧妙地將巨型系統逐級分解為相互交互信息的微型系統，通過對每個微型系統的觀測與控制，同時將關鍵共用信息傳輸給相鄰系統并應用其進行觀測與控制，而后快速迭代，最終算法收斂并且以協作的方式實現對巨型系統的控制。其中的核心關鍵技術除了基礎性的研究成果，比如分布式存儲、分布式計算、分布式控制等，也涉及前瞻性的研究成果，比如大數據、機器學習、云計算、邊緣計算、物聯網等。

作為研究學者，除了關注智慧物流整個行業的發展動態外，更應該在其中的核心關鍵技術點上保持深厚的學術底蘊和技術積淀。多年來，我主要研究無人自治型智慧物流機器人系統，包括底層的單機器人動力學分析與控制以及頂層的多機器人協作機制與控制。同時，我采用智慧無人車間作為模型，系統地研究了智慧物流、智慧制造等復雜系統中的異常診斷、資源管理、優化調度、性能評價等，我們最新的研究包括在無線互聯泛在通信的場景下，智慧物流系統中的網絡安全問題。

記者：據了解，您所領導的西安電子科技大學協同控制科學實驗室，一直在高度關注物流機器人系統的研究與發展問題。請問貴團隊選擇物流機器人系統研究的初衷和意義是什么？從哪些方面進行了技術研究和突破，取得了怎樣的成果？

胡核算：我們實驗室最初的研究主要關注的是全自動化無人工廠的實現，即在完全沒有人為干預的情況下，實現小批量、多品種工業產品的生產。但是隨著研究的深入，我們的視野逐漸從“工廠之內”擴展到“工廠之外”。由于對外完全封閉、環境基本固定，單個無人工廠的實現相對簡單。然而，整個制造業愈來愈多地體現為無數家工廠的高度協作，即人們后來所熟知的網格制造、網絡制造、云制造等技術，這就需要一個先進的物流系統。由于物流系統是一個對外開放、環境未知的系統，其實現更具有挑戰性，因此成為制約整個行業發展的瓶頸。正是預見到這個行業痛點，我們逐漸將研究目光轉移到了智慧物流領域，并選擇物流機器人技術作為具體的研究方向。

目前，我所領導的實驗室主要在六個方面關注物流機器人系統的研究與發展問題，并取得一定的技術成果：

第一，物流機器人系統的分布式模型預測控制技術。眾所周知，軌跡規劃是多機器人系統中的基本問題。在非結構化乃至動態環境中，由于機器人具有有限的感知范圍，全局環境未知，軌跡規劃更是一項具有挑戰性的技術難題。為此，我們結合了模型預測控制技術以及增量順序凸規劃數據處理技術。前者用來實時地感知當前感知范圍內的環境信息，后者用來實現各個機器人在當前感知范圍內的軌跡規劃。為了構建各自的數學規劃模型，機器人通過交互通信，獲得相鄰機器人的當前狀態，并且預測出其未來狀態，最終實現了多機器人的協同自治運動。實時優化算法的輸出結果為機器人在任意時刻的加速度矢量，驅動機器人電機輸出相應的力矩和功率，以優化的速度朝向指定方向運動。

第二，物流機器人系統的連續與離散混合控制技術。連續運動控制可以精確地調節機器人的運動軌跡和速度等，但是缺乏對某些邏輯行為的調控能力。離散運動控制可以有效地控制機器人的邏輯行為，但是過于粗放的離散化會降低系統的性能，而過于精細的離散化又會導致計算復雜度問題。為了更好地結合兩者的優點而克服其缺點，我們實現了連續與離散混合控制技術，采用實時數學規劃策略，優化加速度或者減速度，使得系統在不同的邏輯行為之間連續地而非離散地切換，可以在確保系統邏輯行為正確的前提下，有效地提升系統的運行性能。

第三，物流機器人系統的實時碰撞避免與邏輯控制規范保障技術。在物流系統中，機器人沿著給定閉合路徑，連續地裝卸材料與產品。多機器人在同一環境中的協作關系，不再表現為連續運動控制問題，而更多地體現為離散行為規范問題。其中，最基本的就是機器人之間的碰撞避免問題，以及由此而衍生的邏輯控制規范違反問題。我們提出了事件域的模型預測控制技術，實現了單個機器人獨立地檢測其單獨狀態空間中的局部關鍵狀態，預測低階以及高階邏輯控制規范異常的存在，從而自主地確定遵循特定邏輯控制規范的運動規劃。最終，我們構建了機器人系統的實時碰撞避免策略和邏輯規范保障技術。

第四，物流機器人系統的穩健型運動控制技術。實際物流系統中，不同機器人的閉合路徑縱橫交錯，構成了復雜網絡系統，其中兩條以上閉合路徑的交點構成了網絡的節點。不難想象，當一個或者多個機器人因為故障而停滯在若干網絡節點，特別是一些關鍵節點上時，其他需要通過這些節點的非故障機器人的運動必然受到阻塞而停滯，該停滯顯然具備傳播效應，在最壞的情況下，將使得整個系統因為單個機器人的故障而完全停滯。為此，我們實現了多機器人系統的穩健型運動控制技術，可以使得停滯機器人的數量最小化，即故障機器人只影響必須通過該節點的機器人，而對任何其他機器人沒有影響。

第五，多物流機器人系統的編隊與合作控制技術。隨著物流需求的日趨多樣化，許多任務需要多機器人編隊合作才能完成。另外，多機器人協作更有利于實現機器人系統的標準化，減少定制化帶來的諸多不便利。集中式的操縱會帶來通信流量和計算負荷的劇增，同時帶寬和算力限制也會隨之導致系統出現穩定性、可靠性問題。我們實現了單個機器人的完全自治控制，其通過彼此通信，以邊緣計算方式實現感知、決策與控制，合作完成復雜任務場景。單個機器人以嵌入式方式實現實時數學規劃，完成信息融合、路徑規劃等底層操作，并且彼此協商出多車合作、優化調度等頂層操作。

第六，物流機器人系統的信息安全分析與防護技術。近年來，隨著人們對個人信息泄漏的日益敏感，對個人隱私保護意識的逐漸增強，我們開始關注智慧物流系統的信息安全分析與防護技術。智慧物流系統是一個典型的物聯網系統，各個網絡節點之間頻繁而必需的信息交互，使得其在信息泄漏、傳感器安全、授權約束等方面存在脆弱性，很容易受到各種軟硬件攻擊，從而導致嚴重的生產和安全事故。現有的軟硬件平臺具有中心化的特點，使得系統的安全分析面臨維數災難的問題。通過將系統分解為相互關聯的單元，每個單元分別進行監護，我們實現了在線的、自適應的信息泄漏檢測技術、授權安全控制技術、傳感器異常數據監測技術等。

基于上述成果，已經獲得陜西省科學技術獎二等獎 2 項，陜西省高等學校科學技術獎一、二等獎各一項，IEEE SMC 協會富蘭克林泰勒紀念獎以及最佳論文獎 1項，IEEE 國際機器人與自動化會議最佳自動化論文提名獎 (Finalist) 3 項。

記者：除了物流機器人系統研究，您在智慧物流領域其他方面還有哪些技術研究及創新成果？具體有著怎樣的應用？

胡核算：近年來，我們的實驗室在智能制造領域及智慧物流方面也取得了系列性的研究成果和關鍵技術，能夠有效地優化資源配置、提高系統效率。

我們所開展的研究主要從系統本質出發，將智慧制造系統抽象為連續離散混合驅動型模型。其中的離散特性指的是整個系統的運行以事件為驅動，實現演化。這不同于傳統的系統，其隨著時間做連續演化，因此對經典控制理論提出諸多挑戰。我們借助于復雜系統的關鍵結構信息，通過反饋機制來達到對系統實時控制的目的，實現在線的而非離線的、閉環的而非開環的、柔性的而非剛性的分布式控制。具體包括如下研究成果：

（1）分布式控制理論與方法。分布式控制策略作用于各個局部系統，使之實時并發運行，通過局部的觀測、控制和執行來實現全局目標。如果考慮純粹的邏輯行為，提高系統并發性可以改善系統性能。如果考慮確定或隨機的時間信息，降低系統運行周期可以達到同樣目的。

（2）最優化控制理論與方法。結合分布式控制技術，將大型系統通過容量合理設置的緩沖器分解成為相互連接和重疊的局部系統。基于行為特性以及相鄰系統的信息，局部系統可以容易地實現最優控制，而后通過合理控制，以局部最優控制實現全局最優控制。

（3）性能優化控制理論與方法。性能優化關注于發現系統瓶頸行為并縮短循環時間，提供到達目標位置的最短路徑信息來優化系統的性能，應用系統狀態演化與性能之間的關系，通過控制各個關鍵操作行為的執行次序，達到最小化循環時間和最大化吞吐率的目標。

上述研究成果能夠為離散型系統的實時控制提供理論依據，為該類系統的架構與應用提供了技術支持，可以廣泛應用于智慧物流、智慧制造、智慧交通乃至于智慧駕駛等諸多領域,在自動控制、機器人、自動化、智慧制造領域具有一定的國際影響力。我因此而受邀擔任了許多重要的國際學術職務，比如許多領域內旗艦級期刊的副編輯，包括 《IEEE控制系統雜志》（IEEE Control Systems Magazine）、 《IEEE自動化與機器人雜志》（IEEE Robotics &Automation Magazine）、 《IEEE自動化科學與工程會刊》（IEEE Transactions on Automation Science and Engineering）、 《IEEE自動化與機器人快報》（IEEE Robotics &Automation Letters）、《國際智能制造期刊》（Journal of Intelligent Manufacturing）等。作為主管副主編，領導編輯了 《IEEE自動化與機器人雜志》 發行的兩個專刊《自動化技術展望》以及《軟體機器人與形態計算》。

記者：當前我國學術界以及科研機構在智慧物流技術方面的研究還存在哪些瓶頸？請您對未來如何推動我國智慧物流技術創新發展提出建議。

胡核算：首先，當前的智慧物流對系統運行中產生的海量數據特別是關鍵事件型數據的應用仍然不夠充分。真正智慧的系統是感知、決策、控制的高度自動化、智能化乃至智慧化，目前系統對數據的應用更多還處于存儲和監控階段，尚不能充分利用數據全面提升系統的協同運作水平。

其次，當前的智慧物流系統主要的仍然是一個中心化的架構，現有研究也都以此為前提進行開展。這種架構天然地缺乏穩健性，即部分物流系統的意外故障有可能影響到整個的物流系統。因此，現有的物流系統具有潛在的脆弱性，難以抵御突發的意外情況。

另外，當前的研究缺乏對物流系統網絡安全性的關注。智慧物流系統是典型的物聯網系統，而且涉及大量的個人隱私信息、工業敏感數據，對這些數據的安全存儲、傳輸和應用將會至關重要。在極端情況下，對這些數據的惡意使用和攻擊，有可能導致整個物流系統的中斷。

值得一提的是，我國智慧物流技術的發展主要靠整合和集成現成的技術成果，真正原創性的成果乏善可陳，這樣的應用型的技術本身就缺乏創新性，而且很容易觸碰到技術瓶頸和發展天花板。企業應該在實現技術集成的同時，著力于原創性技術開發與積累，并重視基礎性理論研究與關鍵性技術沉淀，在追逐短期利益的同時也要關注長期效益，與相關高校成立相關的理論研究室、技術研究室，并且通過合作開發等方法實現成果轉化。

記者：您有多年的海外教學及學術研究經歷。請您介紹一下物流技術發達國家在推動智慧物流研究和發展方面有著怎樣的特點？有哪些經驗值得我們借鑒？

胡核算：在將近十年的時間里，我曾先后在美國新澤西理工學院和新加坡南洋理工大學從事教學和科研活動，負責碩士研究生專業課程教學工作，指導博士研究生從事科學研究，也曾申請并承擔來自政府和企業的研究課題，和相關政府部門、企業、機構有著密切的合作關系。

在美國時期，我們的研究團隊與西門子公司美國研究院、美國國家標準與技術研究院等優勢互補，高校團隊負責基礎理論研究和核心算法開發，合作機構的工程師們負責產品級別的代碼實現或者芯片集成，極大地縮短了成果轉化周期，使得許多科研成果一方面體現為學術論文，另一方面體現為市場化的產品。高水平的學術機構也為學術界與工業界的思想交流起到推波助瀾的作用。

以國際電子與電子工程師協會為例，作為其中機器人與自動化學會的成員，我需要定期在所在區域為高校師生、工業界同行做報告，介紹最新的研究進展。協會負責資助、組織、宣傳等工作，每次報告，往往匯集了周邊的企業工程師、大學的研究人員以及相關專業的研究生、本科生等。另外，高水平的學術會議，許多著名公司都會專門派技術人員參會，汲取學界的最新思想，洽談可能的合作等。2015年在美國西雅圖舉行的機器人與自動化會議，我就接觸到了當地的波音公司、亞馬遜公司等的技術負責人。

在新加坡時期，我們的研究團隊與新加坡科技局、新加坡先進制造技術研究所、新加坡樟宜國際機場貨運港口等有著廣泛而深入的合作。新加坡政府成立的研究機構往往在高校與企業之間起到橋梁的作用，負責將企業界的技術需求匯總，凝練成具體的學科問題，高校的研究人員頻繁地拜訪這些機構，獲得工業界的最新需求，達成合作意向。新加坡的項目具有強烈的地方特色，大多數的智慧物流項目都與海運港口、海事運輸、貨運航站、貨運航線等相關。另外，高校在評價體系方面，也積極引導教授和研究人員直面企業需求開展研究，從企業獲得的資助與從政府獲得的資助等同，甚至在教師晉升、績效考核方面更為重要。

總體來講，在推動智慧物流研究和發展方面，發達國家的政府、企業、高校之間的分工更加清晰。通過充分的市場競爭，形成了幾家與制造企業、零售電商企業相獨立的專業性物流公司，技術的研發主要在企業進行，高校主要負責前瞻性的理論研究和技術積累，由企業自主或者通過政府協調，在高校與企業之間建立成果孵化機構。政府的職責主要在于適時地制定政策、標準、法令等，推動基礎設施建設，比如德國政府對物流系統中涉及的承運車輛、搬運機械、托盤尺寸等都建立了標準，美國形成成熟的物流運營系統管理軟件標準，法國則側重于智能制造、智慧交通等基礎設施建設，推動智慧物流的健康發展。這些經驗都值得我國學習借鑒。