自動(dòng)化技術(shù)，就是用機(jī)器代替人的體力勞動(dòng)、腦力勞動(dòng)，高質(zhì)量地完成人們所期望的目標(biāo)。而自動(dòng)控制，就是機(jī)器代替人的體力執(zhí)行一個(gè)或者一系列動(dòng)作。人工智能則是機(jī)器代替人的腦力進(jìn)行分析、判斷、決策。
——張朝暉
在2021年度北京地區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)成果報(bào)告會（自動(dòng)化及人工智能領(lǐng)域?qū)觯?/strong>召開之際，科協(xié)頻道特邀北京自動(dòng)化學(xué)會副理事長張朝暉就自動(dòng)化學(xué)科發(fā)展等相關(guān)話題進(jìn)行講解和分享。
01
自動(dòng)化技術(shù)總是充滿活力
由于人們的期望無止境，因而自動(dòng)化技術(shù)總是充滿活力。
先來簡要回顧一下人類生存、生活、生產(chǎn)的歷史：
公元前，埃及、希臘就使用了水車、水磨，以替代人的重體力勞動(dòng)。我國三國時(shí)期，諸葛亮使用木牛流馬運(yùn)送糧草，一臺這樣的馬就能運(yùn)載 400 斤重量，遠(yuǎn)高于人的負(fù)重能力。
公元 850 年，伊拉克的阿拉伯幾何學(xué)家班努·穆薩(Banu Musa) 出版的《精巧裝置 Ingenious Devices》一書中，描繪了大量的自行運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置，例如自動(dòng)噴泉、自動(dòng)吹奏的笛子、自動(dòng)調(diào)節(jié)的閥門等。
中國畢昇發(fā)明活字印刷術(shù)的 400 年后，德國人約翰內(nèi)斯·谷登堡發(fā)明了活字印刷機(jī)，歐洲開始印刷出版古希臘、古羅馬的文學(xué)譯著，1469開始印刷出版科技書籍。印刷機(jī)加速了新思想和科學(xué)技術(shù)的傳播，對推動(dòng)歐洲宗教改革和文藝復(fù)興起到了巨大作用。
1642年，布萊士·帕斯卡（Blaise Pasca）發(fā)明了機(jī)械計(jì)算機(jī)。
自動(dòng)化控制技術(shù)廣泛應(yīng)用，起始于歐洲的工業(yè)革命。
18 世紀(jì)的第一次工業(yè)革命，瓦特在氣缸上采用了飛球調(diào)速器，從此有了能夠連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的蒸汽機(jī)；埃德蒙·卡特賴特的水力織布機(jī)，降低了制造復(fù)雜紡織品的勞動(dòng)強(qiáng)度；安卓·米克爾(Andrew Meikle)的回轉(zhuǎn)滾筒式脫粒機(jī)，代替了 1/4 的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力。
19 世紀(jì)到 20 世紀(jì)中葉的第二次工業(yè)革命，伴隨著電氣化的進(jìn)程，福特汽車公司首創(chuàng)了發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的自動(dòng)傳送、加工裝配流水線，提出了反饋，設(shè)立了自動(dòng)化部，隨后在各行業(yè)開發(fā)出各種自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)了車間層面上的生產(chǎn)過程自動(dòng)化；相關(guān)的理論，在美國稱為伺服機(jī)構(gòu)理論，在蘇聯(lián)稱為自動(dòng)調(diào)整理論；后隨著空間技術(shù)的發(fā)展需求，又出現(xiàn)了解決多變量問題的現(xiàn)代控制理論。同期，1943 年首臺可編程電子計(jì)算機(jī) Colossus 幫助英國人破解戰(zhàn)時(shí)德軍密碼；1961年Bell Punch公司開發(fā)了首臺桌面電子計(jì)算器 ANITA。
從 70 年代進(jìn)入第三次工業(yè)革命—數(shù)字革命，隨著磁存儲、微處理器、個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，人類進(jìn)入到信息時(shí)代。基于信息技術(shù)，以改善勞動(dòng)條件、保障安全生產(chǎn)、 保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率、節(jié)能、降耗為目標(biāo)的全工廠層面的自動(dòng)化。同期，隨著計(jì)算機(jī)處理能力和各種終端、網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了人、財(cái)、物管理的辦公自動(dòng)化。
現(xiàn)在我們正處在第四次工業(yè)革命中。機(jī)器學(xué)習(xí)，自動(dòng)化數(shù)據(jù)提取、解釋、預(yù)測；人工智能對自然語言的理解和翻譯，自動(dòng)整理會議紀(jì)要，自動(dòng)駕車。自主工作的機(jī)器正變得無所不能，從掃地主機(jī)器人，到探索外太空。
通俗地說，人類生存、生活、生產(chǎn)的歷史，就是惰性驅(qū)動(dòng)、欲望牽引的歷史。嚴(yán)肅地說，技術(shù)的發(fā)展史，就是不斷謀求生產(chǎn)能力最大化、勞動(dòng)付出最小化的歷史。特別是自動(dòng)化技術(shù) automation，就是通過擬人、讓機(jī)器自主運(yùn)行，代替人，無人化，完成人的期望。由于人們的期望總是無止境的，自動(dòng)化技術(shù)始終有著強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，所以它的發(fā)展也總充滿著活力。
02
控制理論發(fā)展史上三部重要著作
在控制理論發(fā)展歷史上，有著三部重要著作，產(chǎn)生了新型的綜合性基礎(chǔ)理論：信息論控制論工程控制論，對人類社會產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
這三部著作分別是控制論創(chuàng)立者諾伯特·維納的《控制論，或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，被作為信息論開端的克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)的《通訊的數(shù)學(xué)理論》，錢學(xué)森的《工程控制論》。
這三部著作對推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。
諾伯特·維納的《控制論》是在上世紀(jì)40年代發(fā)表，他首先通過輸入輸出、建模、反饋這樣一些理論，闡述了一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)律。之后香農(nóng)發(fā)表的《通訊的數(shù)學(xué)理論》，用數(shù)學(xué)的方法，定量地定義了信息以及信息在傳輸當(dāng)中的規(guī)律。
香農(nóng)（右）
錢學(xué)森的《工程控制論》最早是在美國20世紀(jì)50年代出版，后來他回到祖國后，又在國內(nèi)多次再版。《工程控制論》將控制論思想落地到工業(yè)工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，直至今日，自動(dòng)化相關(guān)的書籍、教科書基本上采用了錢學(xué)森的《工程控制論》中的內(nèi)容框架，該理論也為自動(dòng)化技術(shù)走向更廣泛的行業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
錢學(xué)森
03
傳感技術(shù)將引領(lǐng)自動(dòng)化技術(shù)
在人工智能日益深刻地影響自動(dòng)化技術(shù)的今天，張朝暉稱其有個(gè)大膽預(yù)測：未來將是傳感技術(shù)引領(lǐng)自動(dòng)化技術(shù)。
如今，各種各樣的傳感器、傳感技術(shù)異彩紛呈，傳感技術(shù)的創(chuàng)新將引導(dǎo)自動(dòng)化的走向。
張朝暉團(tuán)隊(duì)主要是利用電磁波、太赫茲波做傳感檢測，應(yīng)用在體育健康、冶金、電解鋁及油井等方面。
張朝暉提到，在體育健康領(lǐng)域曾掀起過帶動(dòng)3億人參與冰雪運(yùn)動(dòng)熱潮。那些喜歡滑雪的年輕人，滑雪時(shí)如果使用了帶有傳感器的自動(dòng)化設(shè)備，不僅可以幫助定位，還能確定人體的生理指標(biāo)，如心跳、脈搏等。除此之外，還能聽音樂、打電話、跟朋友聊天，全方位提升人們的體驗(yàn)感。
在工業(yè)領(lǐng)域，以電解鋁為例，這個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)里目前面臨的最大問題是如何降低電耗——電的能量消耗。其中需要大量的傳感器來測出工作效率、成分等，但目前非常難以實(shí)現(xiàn)，一是它的環(huán)境比較差，電磁干擾特別強(qiáng)，還有就是粉塵影響等原因。電解鋁行業(yè)測的是雙頁面，對于液體深度要做一個(gè)定量的刻劃，這都是高溫的，在1000多攝氏度。周圍又是強(qiáng)的電磁場，意味著走近一些，手機(jī)、筆記本都會死機(jī)，這是非常嚴(yán)重的問題。在這樣的場合下，要實(shí)現(xiàn)信息化，就需要傳感器必須有很好的性能來抗住這些干擾。
張朝暉表示，因?yàn)橛泄?jié)能降耗的需求，我們對于傳感器的迫切性還是很強(qiáng)的，團(tuán)隊(duì)在這方面已經(jīng)做了好幾年工作，也取得了一些初步的成果。
針對油田，張朝暉團(tuán)隊(duì)開發(fā)了動(dòng)態(tài)井深測量儀。動(dòng)態(tài)井深指的是石油鉆井深度，它的深度往往是在1000~4000米。在相當(dāng)深的深度上，頁面會隨著地質(zhì)情況發(fā)生變化，只有根據(jù)它的變化來適當(dāng)控制產(chǎn)量，才能達(dá)到地質(zhì)有效的恢復(fù)和最高的效益。但在地底下幾千米，人們無法得知具體深度，傳統(tǒng)的方法是采取人工爆破，但這不便于定時(shí)、定量的操作。張朝暉表示，目前團(tuán)隊(duì)做的工作是采用一種非常安全且自動(dòng)化的方法，可以隨時(shí)設(shè)定時(shí)間，也可以精確測出頁面，精度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工測量，而且使用上也非常方便。
工業(yè)自動(dòng)化是要以安全、穩(wěn)定、平穩(wěn)生產(chǎn)為主要目標(biāo)，終極的工業(yè)自動(dòng)化的目標(biāo)還是要提高產(chǎn)品的質(zhì)量。如果要保障提高產(chǎn)品的質(zhì)量，必須對產(chǎn)品的質(zhì)量作出一個(gè)定量化的檢測。就像我們的眼睛一樣，看得準(zhǔn)，才能控制的準(zhǔn)。
檢測質(zhì)量遇到了較大的困難。現(xiàn)在很多質(zhì)量控制的傳感器，比如色譜儀、光譜議、質(zhì)譜議等，對成分，對質(zhì)量能夠精確刻劃的裝置基本是在實(shí)驗(yàn)室里運(yùn)行，也就是說現(xiàn)在的工業(yè)控制，很大程度上需要取樣到實(shí)驗(yàn)室去化驗(yàn)，這個(gè)過程具有延時(shí)性和滯后性，并且不是線上處理，因此效率非常低。
對于如何實(shí)現(xiàn)在線的沒有延遲的檢測產(chǎn)品的質(zhì)量，張朝暉認(rèn)為，從工業(yè)的角度看，人們需要傳感器，如果傳感器問題能被攻克，并能大量地開發(fā)出來，工業(yè)自動(dòng)化還會上一個(gè)臺階。從民生的角度講，現(xiàn)在的傳感器微型化、可移動(dòng)、可穿戴且能耗非常低，如果將來大量普及，將會催生出一個(gè)全新的傳感網(wǎng)絡(luò)，就能更好地改善人類生活的體驗(yàn)，傳感技術(shù)也會引領(lǐng)自動(dòng)化不斷向前進(jìn)步。
04
傳感技術(shù)面臨哪些挑戰(zhàn)？
人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此，傳感器可以說是人類五官的延長，又稱之為電五官。實(shí)際上，傳感器就是把自然的信號變成電的信號，然后去進(jìn)行收集、處理與傳送，信息的轉(zhuǎn)化是它最基本的功能。
傳感器作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)來說是需要延伸的。比如讓它智能化，將數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、現(xiàn)行化、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)忍幚?，讓其性能更好。還可以延伸到讓它自動(dòng)地聯(lián)網(wǎng)，這便是物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的范圍，這樣我們就能把傳感器從物質(zhì)層面上提取出來，傳送到信息的網(wǎng)絡(luò)上去。
傳感器實(shí)際上是一種跨領(lǐng)域的設(shè)備，更是一種方法。它能感受到被測量的信息，并且能將信息按一定規(guī)律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
目前研究人員主要的挑戰(zhàn)是需要提前了解各種物質(zhì)層面的原理。比如研究測脈搏的傳感器，必須了解心跳規(guī)律、生理特征等；研究冶金方面的傳感器，就需要了解鋁的生產(chǎn)工藝。跨領(lǐng)域的研究對于科研人員實(shí)際上是有一些難度的。
更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是我國面臨很多卡脖子問題。目前，高檔的傳感器主要依靠進(jìn)口，因此需要我國自動(dòng)化領(lǐng)域的研究人員付出更多的努力，只有這樣，才能夠使得整體的自動(dòng)化的水平提升。
文稿整理：蘿卜娟
編輯：蘿卜娟
審核：六朵 蒼翼蝴蝶 淡定珠子
北京中科飛龍傳感技術(shù)有限責(zé)任公司
