自動化學科面臨的挑戰(zhàn)

導(dǎo)讀：本文分析了控制理論與應(yīng)用、模式識別與智能系統(tǒng)、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、系統(tǒng)科學與工程、人工智能與自動化交叉等領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。結(jié)合科技發(fā)展、國內(nèi)國際研究前沿和新興領(lǐng)域?qū)ψ詣踊茖W技術(shù)的需求,提出重點發(fā)展智能控制理論和方法、高性能作業(yè)機器人、信息物理系統(tǒng)、導(dǎo)航與控制技術(shù)、重大裝備自動化技術(shù)、自主智能系統(tǒng)和人工智能驅(qū)動的自動化技術(shù)優(yōu)先領(lǐng)域,加強數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論、人工智能基礎(chǔ)理論研究,進一步發(fā)展人機協(xié)同、跨域融合的智能自動化,為實現(xiàn)國家社會的全面信息化智能化提供理論和技術(shù)保障。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G等信息技術(shù)的飛速發(fā)展,自動化科學與技術(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)濟社會的發(fā)展。AlphaGo系列人工智能圍棋、仿生機器人、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、構(gòu)建、分析和評價自動或自主運行系統(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)的自動或自主運行系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)和維護管理技術(shù)等。自動化科學技術(shù)的發(fā)展,將對我國社會經(jīng)濟發(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)計與實現(xiàn)方法,在部分領(lǐng)域達到世界領(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科的發(fā)展規(guī)劃,概述了我國自動化學科的發(fā)展現(xiàn)狀,指出了未來幾年優(yōu)先發(fā)展的學科領(lǐng)域和可能產(chǎn)生重要突破的研究方向及科學問題,提出了一些保障學科發(fā)展的措施和建議。1.自動化學科發(fā)展態(tài)勢分析1.1自動化學科的特點自動化科學技術(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用控制科學、系統(tǒng)科學、人工智能、計算機與通信等領(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行系統(tǒng)的設(shè)計和實現(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。同時,自動化學科的發(fā)展與物理、生物、材料等多學科交叉融合,互相促進和支持,具有系統(tǒng)性、智能性和交叉性的鮮明特征。自動化科學技術(shù)從系統(tǒng)的角度來解決問題,對社會進步產(chǎn)生重大影響。例如,集合計算機視覺、語音識別、機器翻譯等技術(shù)于一體的機器人,已在多種場景下實現(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。自動化科學技術(shù)與醫(yī)療、化工、先進制造等各個領(lǐng)域交叉融合,推進了自動化學科的理論技術(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,實現(xiàn)物理對象的大規(guī)模信息感知、計算和自動控制,應(yīng)用前景非常廣泛。自動化科學技術(shù)與其他學科共同發(fā)展進步,并與材料、生物、數(shù)學等基礎(chǔ)學科交叉形成新領(lǐng)域,派生出大量的新概念、新構(gòu)思、新技術(shù)和邊緣學科,如量子導(dǎo)航、微納制造、生物信息學等。多學科發(fā)展、交叉研究給自動化學科帶來了新的活力和重大創(chuàng)新機遇?，F(xiàn)階段,自動化學科基礎(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)代化的顯著標志。1.2自動化學科發(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)勢互補的良性循環(huán),促進了控制理論與應(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?？刂评碚撆c應(yīng)用是自動化學科能夠長遠發(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,從單目標控制到多目標優(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。模式識別與智能系統(tǒng)的發(fā)展,與認知科學、信息科學、神經(jīng)科學及計算機科學的發(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)督學習、弱/無監(jiān)督學習、深度學習、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、機器學習、計算機視覺、語音和語言信息處理、腦機交互等領(lǐng)域研究與應(yīng)用取得了顯著的進步。國內(nèi)科研機構(gòu)和高校在神經(jīng)生物信息處理、統(tǒng)計學習、流形學習、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)與控制是一個學科交叉性強、理論與工程實踐高度結(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)達到國際先進水平,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,標志著我國航空航天控制技術(shù)躋身世界強國之列。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)等方面仍需進一步加強相關(guān)核心技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新能力。系統(tǒng)科學與工程在大量系統(tǒng)科學理論研究和系統(tǒng)工程實踐積累的基礎(chǔ)上,逐漸強調(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;強調(diào)個體行為與群體行為間的關(guān)系,實現(xiàn)對群體行為的誘導(dǎo)與調(diào)控;更加強調(diào)人類社會的網(wǎng)絡(luò)化,研究不同形態(tài)的實際網(wǎng)絡(luò),如社會網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)和生物網(wǎng)絡(luò)。我國近年來針對實際復(fù)雜系統(tǒng),開展了生產(chǎn)計劃調(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踐。隨著物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展,未來系統(tǒng)科學與系統(tǒng)工程的研究,將更為關(guān)注具有人機物協(xié)同特征的實際復(fù)雜系統(tǒng),為推進我國諸多領(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)的深度學習,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展。在相繼出現(xiàn)的智能駕駛、智慧醫(yī)療等熱點應(yīng)用的驅(qū)動下,以人為中心、人在環(huán)路的智能計算、類腦智能等研究把機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。在面對大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)化和實時交互等復(fù)雜現(xiàn)實問題時,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、機器學習算法、認知信息處理、高性能計算、自主防御等,使得機器與人能夠交互理解并能更好地服務(wù)于人。1.3學科發(fā)展趨勢和目標2015年,國務(wù)院提出推進智能制造,實施制造強國戰(zhàn)略,以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展和國防建設(shè)對重大技術(shù)裝備的需求為目標,強化工業(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)動知識學習、跨媒體協(xié)同處理、人機協(xié)同增強智能、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。2020年,中央部署推進包括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)。三大規(guī)劃中均以自動化為主要理論基礎(chǔ),自動化科學技術(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、維護國家安全。促進自動化科學技術(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),是自動化學科“十四五”乃至中長期發(fā)展的重要目標。2.自動化學科優(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程,而現(xiàn)在可能存在大量的進程相互作用需要調(diào)控。各類控制系統(tǒng)在不斷變化的環(huán)境中運行,溫度、負荷、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。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研究方向。包括:圖1

智能控制理論研究方向Fig.1

Researchdirectionsofintelligentcontroltheory1)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,進行系統(tǒng)閉環(huán)性能分析和設(shè)計,實現(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、更新和迭代學習,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)基于學習的優(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)、多媒體信息的訓練、學習和反饋,實現(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)基于學習的優(yōu)化控制理論和方法。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沒有經(jīng)典控制那樣成熟和完善,但已經(jīng)成為自動化學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,夯實自動化學科的理論基礎(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)機器人機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)濟與國防安全等領(lǐng)域具有重要地位。在國防安全方面,機器人技術(shù)將推動無人機、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,機器人是實現(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,機器人正在成為新工業(yè)革命的切入點和重要增長點,將影響全球制造業(yè)格局。近年來,我國在智能機器人研發(fā)和應(yīng)用方面取得了長足進步,工信部、發(fā)改委、財政部聯(lián)合提出《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016?2020)》,科技部連續(xù)發(fā)布“智能機器人”重點專項,持續(xù)推進我國機器人技術(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)標準和總體發(fā)展體系等方面存在短板和不足。未來幾年,在仿生、控制、智能等方面,自動化學科建議開展面向特定任務(wù)的高性能作業(yè)機器人原創(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)機器人主要發(fā)展方向和關(guān)鍵技術(shù)。具體研究方向包括:圖2

高性能作業(yè)機器人主要發(fā)展方向和關(guān)鍵技術(shù)Fig.2

Developmentdirectionsandkeytechnologiesofhighperformancerobots1)仿生機器人。生物運動機理研究并設(shè)計仿生運動機構(gòu);靈巧作業(yè)機構(gòu)的建模與控制;靈活輕巧、剛?cè)狁詈系姆律鷻C器人設(shè)計和控制;靈活隱蔽的微型仿生機器人。2)特種機器人。

設(shè)計面向各種特定任務(wù)的高性能作業(yè)機器人;設(shè)計應(yīng)對開放、未知環(huán)境和多種任務(wù)的高性能機器人,提高其通用性與魯棒性。3)智能決策技術(shù)。

研究機器人面向復(fù)雜環(huán)境的感知與理解、行為優(yōu)化及技能學習方法,提升機器人的智能化水平;研究機器人智能決策與控制技術(shù),實現(xiàn)機器人高效智能決策和穩(wěn)定自主運動;機器人安全行為準則及安全保障機制,確保機器人安全可靠的行為方式。4)人機共融技術(shù)。人與機器人的雙向信息傳遞、語義表達及實時認知方法;生機電相融合的交互方法;人機協(xié)同高效決策與控制技術(shù);人與機器人互操作技術(shù)。5)以仿生機器人、人機共融機器人、服務(wù)機器人為具體對象,在國際技術(shù)標準、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。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、計算和控制帶來諸多挑戰(zhàn),給自動化科學技術(shù)帶來深刻變革。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。

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:圖3

信息物理系統(tǒng)主要研究方向Fig.3

Researchdirectionsofcyber-physicalsystems1)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)隱私保護的設(shè)計與分析;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)計與驗證,實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)綜合安全。3)信息物理系統(tǒng)演化?；跀?shù)字孿生技術(shù),實現(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、運行狀態(tài)評估技術(shù);研究孿生系統(tǒng)與實體信息物理系統(tǒng)的全方位深層次融合;基于孿生系統(tǒng)及實體信息物理系統(tǒng)的多模態(tài)信息,實現(xiàn)虛實系統(tǒng)持續(xù)交互式學習、自主更新和進化。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)等方面進行應(yīng)用研究,結(jié)合智能制造發(fā)展戰(zhàn)略,推進信息化與工業(yè)化深度融合,促進工業(yè)信息物理系統(tǒng)理論和技術(shù)突破,實現(xiàn)人、設(shè)備與產(chǎn)品的實時聯(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、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。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、運行時間更長、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)進行導(dǎo)航與控制,在精度、實時性和可靠性等諸多方面受到限制。深海運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)航資源少和運載體長時間工作等特點,慣性信息、海洋環(huán)境與海洋地球物理場信息以及聲學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)。實時獲取開放環(huán)境下車輛、機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。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)域的重要進展和未來的發(fā)展趨勢。具體的研究方向包括:圖4

導(dǎo)航制導(dǎo)與控制領(lǐng)域的重要進展及發(fā)展趨勢Fig.4

Importantprogressandtrendofnavigation,guidanceandcontrol1)深空深海運動體和運載平臺的自主導(dǎo)航與控制技術(shù)。深空深海運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)定及機動控制;行星和小行星等定點著落導(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,為推進我國航空航天、海洋戰(zhàn)略、城市治理的跨越式發(fā)展奠定堅實基礎(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、對國計民生具有重大影響,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動體裝備,對國民經(jīng)濟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、無人船舶等為代表的重大裝備,在交通運輸、航空航天、海洋探測等方面為國民經(jīng)濟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,對裝備的安全運行和維護提出了很大的挑戰(zhàn)。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技術(shù),是促進我國經(jīng)濟健康發(fā)展和維護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行控制。面向動力學、振動和控制問題的高速、高效、高精度控制器設(shè)計;面向靈活、高效和經(jīng)濟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)計的理論與方法。2)重大裝備故障診斷與智能維護。重大裝備智能維護和容錯控制基礎(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與自愈技術(shù);重大裝備降級運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,凝練與自動化學科相關(guān)的科學問題和關(guān)鍵技術(shù),提高自主創(chuàng)新能力,實現(xiàn)重要裝備的自動化技術(shù)自主可控。圖5

重大裝備智能控制與維護Fig.5

Intelligentcontrolandmaintenanceofautomaticequipments2.6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,是各種先進算法驗證與應(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,無人機、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,實現(xiàn)從機器人到自主智能系統(tǒng),從個體智能到群體智能的跨越。從自主無人系統(tǒng)、人機混合、集群協(xié)同、安全技術(shù)和技術(shù)驗證平臺等方面出發(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:圖6

自主智能系統(tǒng)的總體發(fā)展思路Fig.6

Developmentstrategyofautonomousintelligentsystems1)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)智能感知與自主學習;無人系統(tǒng)學習演化與自主決策;無人系統(tǒng)動態(tài)建模、智能感知、自主運動與避障;動態(tài)目標識別與特定任務(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)人機混合自主智能系統(tǒng)。開放環(huán)境下人機結(jié)合的態(tài)勢感知方法與技術(shù);人機交互的特征提取與表示方法;人機融合高效推理與交互操作;人機混合智能增強、人在回路技術(shù)。3)集群自主智能系統(tǒng)?？杀磉_、可計算、可解釋的群體智能方法;集群系統(tǒng)信息交互、多目標優(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。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;自主智能系統(tǒng)集群的安全性和穩(wěn)定性;安全風險評估與智能防御;決策計算全程可測可控,達到攻擊者進不去、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“人機共融自主智能系統(tǒng)”等技術(shù)驗證和示范平臺;發(fā)展自主智能系統(tǒng)的國家標準、自主芯片、標準軟硬件接口和操作系統(tǒng)等。自主智能系統(tǒng)的研究將大力推進科技與經(jīng)濟的快速發(fā)展,引領(lǐng)智能產(chǎn)業(yè)和智能經(jīng)濟的發(fā)展。我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究取得了長足的進步,但在頂級人才、前沿基礎(chǔ)理論、技術(shù)標準、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、認知科學等多個重要分支,研究內(nèi)容已經(jīng)從信息處理、知識表示等發(fā)展到機器智能,包括機器感知、機器思維、機器學習、機器行為等,并在不斷更新和擴展。以深度學習為代表的感知和認知,以及以強化學習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,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、自主學習決策和優(yōu)化,提高控制效率,進而建立具有不同功能的智能系統(tǒng)。當前通用人工智能方法尚未成熟,深度學習等人工智能方法可解釋性不高,這也是人工智能理論實際應(yīng)用困難的根本原因之一。另外,由于實際問題差別很大,如實際問題連續(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、系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用。需要在語音識別、自然語言處理、