“自动化科学技术”的发展方向与开发策略--控制网



“自动化科学技术”的发展方向与开发策略
企业： 日期：2010-11-10
领域：自动化软件 点击数：1017
                                     

                                         涂序彦 教授

    作者简介

    涂序彦，男，教授，江西南昌人，现任中国人工智能学会荣誉理事长、指导委员会主席，北京人工智能学会名誉理事长、指导委员会主席。北京科技大学信息工程学院特聘教授、博士生导师，计算机与系统科学研究所所长。历任中国人工智能学会理事长，中国自动化学会常务理事，中国软件行业协会常务理事。全球华人智能控制与智能自动化大会主席、世界专家系统大会（远东区）主席。曾任中国科学院自动化研究所、清华大学、北京理工大学、北京邮电大学、北京工商大学、北京电力大学、华中科技大学、南昌大学、西安理工大学等高等院校的客座教授，清华大学智能技术与系统国家实验室学术委员，江西省、河北省科委顾问，南昌市政府科技教育顾问等。             
                
    面向21世纪的新时代，“自动化科学技术的发展方向与开发策略如何”是同行们共同关心的问题。

    “自动化科学技术”当前和今后的发展方向有：智能自动化、集成自动化、协调自动化、网络自动化，相应的，“自动化科学技术”的开发策略为：智能化、集成化、协调化、网络化。

    本文研究讨论：“自动化科学技术” 及其应用系统的“四化”发展方向与开发策略，如有不妥之处，敬请批评指正。

    1.“智能自动化”与“智能化”

    1.1“智能自动化”的概念涵义

    “智能自动化”意味着：“智能科学技术”与“自动化科学技术”相结合，研究开发各种“智能自动化”系统，实现“智能自动化”。其概念可用式（1）表示：

    IST + AST → IA （1）

    在式（1）中，
    IA（Intelligent Automation or Intelligence’s Automation）——“智能自动化”，智能“自动化” 或 “智能”自动化
IST（Intelligence Science & Technology）——“智能科学技术”

    “智能科学技术”（Intelligence Science & Technology）简称IST，研究开发各种“智能”特性功能、理论方法、实现技术，如：人工智能（Artificial Intelligence ），人的智能（Human Intelligence ），人机集成智能（Man-Machine Integrated Intelligence ），群体协同智能（Cooperative Intelligence ）等。

    AST（Automatic Science & Technology）——“自动化科学技术”

    “自动化科学技术”（Automation Science & Technology）简称AST，研究开发各种自动化系统的理论方法、实现技术，如：自动控制（Automatic Control）、自动调节（Automatic Adjusting）、自动检测（Automatic Detecting）、自动操作（Automatic Operation）的理论方法、实现技术，以及各种应用系统等。

    “智能自动化”的概念有二方面的涵义：

    （1）智能“自动化”

    智能“自动化”，指智能的“自动化”，其英译为：（Intelligent Automation ），其涵义为：“应用人工智能方法，具有拟人智能特性，智能水平更高的自动化”。

    如：智能控制（Intelligent Control）、智能管理（Intelligent Management）、智能通信（Intelligent Communication）、智能仪表（Intelligent Instrument）、智能接口（Intelligent Interface）、智能网络（Intelligent Network）等。

    智能“自动化”意味着：将人工智能的理论、方法和技术，应用于各种自动化系统，提高系统的人工智能水平，实现智能化的自动化。例如，人工智能应用于自动控制系统，人工智能与控制理论相结合，可以设计和实现智能控制系统。
智能“自动化”是自动化学科技术的发展方向，也是自动化系统，设备和产品的开发策略。意味着：具有“智能”的自动化科学技术、自动化理论方法、自动化实现技术、自动化应用系统，如：智能控制、智能检测、智能操作的方法和技术，智能控制器、智能检测仪表、智能自动化系统等。

    （2）“智能”自动化

    “智能”自动化，指 “智能”的自动化，其英译为：（ Intelligence’s Automation），其含义为：“人的智能活动、脑力劳动的自动化”。

    如：推理自动化（Reasoning Automation）、设计自动化（Design Automation）、编程自动化（Programming Automation）、指挥自动化（Command Automation）、办公自动化（Office Automation）、作曲自动化（Music-setting Automation）、决策自动化（Decision-making Automation）等。

    “智能”自动化是自动化学科技术发展的高级阶段，是自动化科学技术应用的新领域。

    “智能”自动化意味着：将自动化科学技术应用于各种人的智能活动过程，提高脑力劳动的自动化水平，实现智能活动、脑力劳动的自动化。如：“推理”智能自动化、“计算”智能自动化“设计”智能自动化、“作曲”智能自动化、“绘画”智能自动化等。例如，自动化科学技术应用于推理活动，提高推理过程的自动化水平，实现推理自动化。

    上述“智能自动化”概念的两种含义：智能“自动化”与“智能”自动化，存在着内在的相互关联。如，推理自动化或自动推理是人工智能的学科分支和研究领域，而实现基于知识的智能控制，又要应用知识自动推理。

    1.2“智能自动化”的发展方向

    根据上述“智能自动化”的概念涵义，“智能自动化”的发展方向，如图1所示。

                   
                               图1 “智能自动化”的发展方向

    “智能自动化”的发展方向分为：智能“自动化”、“智能”自动化，如：智能控制、智能管理、智能通信、智能仪表、智能网络等，设计自动化、编程自动化、推理自动化、指挥自动化、作曲自动化等。随着“智能自动化”学科的发展，“智能自动化”的科技体系将不断扩展和细化。

    1.3“智能化”的概念涵义

    “智能化”( Intellecturalization)的概念有二方面的涵义：

    （1）“人工智能”应用

    “智能化”的概念涵义之一是：“人工智能”的理论方法和实现技术应用于自动化领域，研究开发各种“智能自动化”系统。如：智能控制、智能检测、智能管理、智能通信、智能操作系统等，以及各种“智能自动化”元件、部件、仪表、装置、设备，各种“智能自动化”技术工具等。

    （2）拟人“智能特性”

    “智能化”的概念涵义之二是：研究开发各种“智能自动化”系统，具有仿生、拟人“智能特性”。如：自适应、自学习、自组织、自识别、自感知、自推理、自理解、自联想、自稳定、自调整、自校正、自诊断、自维修、自进化、自繁殖等。

    1.4“智能化”的开发策略

    根据上述“智能化”的概念涵义，“智能化”的开发策略，如图2所示。

                   

                                 图2 “智能化”的开发策略

    在图2中，“智能化”的开发策略如下。

    （1） “广义人工智能”应用

    “人工智能”已从传统的“狭义人工智能”，发展为现代的“广义人工智能”，并正在“广义智能学”、“智能科学技术”如：启发程序、专家系统、知识工程、神经网络、模式识别、计算智能、网络智能、机器智能等，生物智能、仿生智能、人的智能、拟人智能、人机集成智能、群体协同智能等。因此，可以研究开发仿生、拟人的，具有多层次、多方面、多模式“广义智能特性”的，各种智能“自动化”系统，实现智能“自动化”。

    （2）拟人“广义智能特性”

    拟人“广义智能特性”包括：多层次、多方面、多模式的智能特性，如：自感知、自识别、自理解、自联想、自推理、自计算、自学习、自调整、自校正、自稳定、自适应、自组织、自协调、自诊断、自维修、自进化、自复制、自繁衍等。因此，可以研究开发相应的“智能”自动化系统，实现：感知、识别、理解、联想、推理、计算、学习、调整、校正、稳定、适应、组织、协调、诊断、维修、进化、复制、繁衍等“广义智能活动”的“智能”自动化。

    2.“集成自动化”与“集成化”

    2.1“集成自动化”的概念涵义

    “集成自动化”意味着：“集成科学技术”与“自动化科学技术”相结合，研究开发各种“集成自动化”系统，实现“集成自动化”。其概念可用式（2）表示：

    IgST + AST → IgA （2）
    在式（2）中：
    IgA（Integrated Automation ）——“集成自动化”
    IgST（Integration Science & Technology）——“集成科学技术”

    “集成科学技术”包括：系统集成（Systems Integration）、功能集成（Functions Integration）、技术集成（Technique Integration），如：软件集成（Software Integration），硬件集成（Hardware Integration），模型集成（Models Integration）、方法集成（Methods Integration）、媒体集成（Medias Integration）等。

    AST（Automation Science & Technology）——“自动化科学技术”

    “自动化科学技术”（Automation Science & Technology）简称AST，如：自动控制（Automatic Control）、自动调节（Automatic Adjusting）、自动检测（Automatic Detecting）、自动操作（Automatic Operation）的理论方法、实现技术，以及各种应用系统等。

    “集成自动化”（Integrated Automation）的概念有三方面的涵义：

    （1）系统“集成自动化”

    系统“集成自动化”意味着：多种“自动化系统”的集成化，如：决策支持系统、管理信息系统、办公自动化系统等多种系统集成，组成“管理控制一体化”的“集成自动化”系统，实现系统“集成自动化”。

    （2）功能“集成自动化”

    功能“集成自动化”意味着：多种“自动化功能”的集成化，如：自动检测、自动控制、自动操作的功能集成，组成具有多种“自动化”功能“集成化”的“自动化系统”，实现功能“集成自动化”。

    （3）技术“集成自动化”

    技术“集成自动化”意味着：多种“自动化技术”的集成化，如：数学模型、知识模型、图论模型等多种模型的集成，建立集成化的广义模型，构成基于集成广义模型的技术“集成化”的“自动化系统”，实现技术“集成自动化”。

    “集成自动化”（Integrated Automation）意味着：在自动化技术集成的基础上，进行功能集成，实现自动化系统的集成。

    当然，“集成”并不是简单的“凑合”，实际上，“集成”是一种创新。因为，“集成化” 意味着：多学科领域的理论、方法和技术的相互渗透、相互交流、相互促进、相互结合，从而构成或产生新理论、新方法、新技术、新系统。

    2.2“集成自动化”的发展方向

    根据上述“集成自动化”的概念涵义，“集成自动化”的发展方向，如图3所示。

                   

                               图3 “集成自动化”的发展方向

    “集成自动化”的发展方向包括：技术“集成自动化”、功能“集成自动化”、系统“集成自动化”，如：模型方法、软件硬件、信息媒体等技术集成，控制调节、管理调度、检测识别、诊断维修等功能集成，测控系统、管控系统、信息系统等系统集成。随着“集成自动化”学科的发展，“集成自动化”的科技体系将不断扩展和细化。

    2.3“集成化”的概念涵义

    “集成化”（Integration）的概念来自集成电路，有三方面的涵义：

    （1）系统“集成化”

    系统“集成化”的概念意味着：系统体系结构的集成，如：高层管理、决策支持系统的体系结构，中层管理、管理信息系统的体系结构，基层管理、办公自动化系统的体系结构的“集成化”。

    （2）功能“集成化”

    功能“集成化”的概念意味着：系统特性功能的集成，如：高层管理、决策支持的特性功能，中层管理、信息管理的特性功能，基层管理、办公事务处理的特性功能的“集成化”。

    （3）技术“集成化”

    技术“集成化”的概念意味着：系统实现技术的集成，如：高层管理模型、决策支持方法的实现技术，中层管理模型、信息管理方法的实现技术，基层管理模型、办公事务处理方法的实现技术的“集成化”。

    2.4“集成化”的开发策略

    根据上述“集成化”的概念涵义， “集成化”的开发策略如图4所示。

                       

                        图4 “集成化”的开发策略

    在图4中，“集成化”的开发策略可归纳为：“通过技术集成，进行功能集成，实现系统集成”。

    （1）技术集成

    “技术集成”包括：模型集成、方法集成、媒体集成、软件集成，硬件集成、信息集成等。例如：数学模型与知识模型的集成，优化算法与知识推理结合的广义优化方法，多媒体人机智能接口，多库协同软件，机电一体化技术，多传感器信息融合等。

    （2）功能集成

    “功能集成”包括：控制功能、调节功能、管理功能、调度功能、检测功能、识别功能、诊断功能、维修功能┄等自动化功能的集成。例如：控制管理一体化(CMIS-Control & Management Integrated Solution )，测控综合自动化，信息管理、决策支持、事务处理功能集成等。

    （3）系统集成

    “系统集成”意味着：在技术集成、功能集成基础上，将测量、控制、调度、管理等，自动化小系统集成为自动化大系统。例如：测量、控制、调度、管理集成的，大型企业的计算机集成生产系统CIMS-Computer Integrated Manufacture System， 由管理信息系统MIS、办公自动化系统OAS、决策支持系统DSS集成的，计算机管理信息系统集成等。

    3.“协调自动化”与“协调化”

    3.1“协调自动化”的概念涵义

    “协调自动化”意味着：“协调科学技术”与“自动化科学技术”相结合，研究开发各种“协调自动化”系统，实现“协调自动化”。其概念可用式（3）表示。

    CST + AST → CA （3）
    在式（3）中，
    CA（Coordinated Automation）——“协调自动化”
    CST（Coordination Science & Technology）——“协调科学技术”

    “协调科学技术”（Coordination Science & Technology ）简称CST，如：多变量“协调控制”（Coordinating Control）理论、大系统“协调控制”理论、人机协调（Man-Machine Coordination ）理论、协调学（Coordinatics）、社会协调学（Social-Coordinatics）、经济协调学（Economy Coordinatics）、生态协调学（Ecology Coordinatics）等。

    AST--（Automation Science & Technology）——“自动化科学技术”

    “自动化科学技术”（Automation Science & Technology）简称AST，如：自动控制（Automatic Control）、自动调节（Automatic Adjusting）、自动检测（Automatic Detecting）、自动操作（Automatic Operation）的理论方法、实现技术，以及各种应用系统等。

    “协调自动化”（Coordinated Automation）的概念有三方面的涵义：

    （1）“机机协调”自动化

    “机机协调”自动化意味着：“自动化系统”中的各种机器的相互协调，如：自动控制装置、自动检测仪表、自动执行机构等，各种机器的硬件、软件之间，相互协调、实现“机机协调”自动化。

    （2）“人机协调”自动化

    “人机协调”自动化意味着：“操作人员”与“自动化系统”之间的相互协调，如：操作人员、管理人员、维修人员等，与控制装置、检测仪表、执行机构等，人机之间、相互协调，实现“人机协调”自动化。

    （3）“人人协调”自动化

    “机机协调”自动化意味着：在“机机协调”自动化、“人机协调”自动化的基础上，进一步实现“人人协调”自动化。如：操作人员、管理人员、维修人员之间、相互协调、逐步实现“人人协调”自动化。

    3.2“协调自动化”的发展方向

    根据上述“协调自动化”的概念涵义，“协调自动化”的发展方向，如图5所示。

                   

                             图5 “协调自动化”的发展方向

    “协调自动化”的发展方向包括：机-机“协调自动化”、人-机“协调自动化”、人-人“协调自动化”，如：控制装置、检测仪表、执行机构等的机-机“协调自动化”，人机界面、人机通信、人机分工、人机合作等的人-机“协调自动化”，管理人员、操作人员、维修人员等的人-人“协调自动化”，随着“协调自动化”学科的发展，“协调自动化”的科技体系将不断扩展和细化。

    3.3“协调化”的概念涵义

    “协调化”（Coordination）的概念有三方面的涵义：

    （1）“机机协调”

    “机机协调”意味着：各种机器之间相互协调，如：控制装置、检测仪表、执行机构等，各种机器的硬件、软件之间相互协调，实现机-机“协调化”。

    （2）“人机协调”

    “人机协调”意味着：“操作人员”与“机器设备”之间的相互协调，如：操作人员、管理人员、维修人员等，与控制装置、检测仪表、执行机构等，人机之间、相互协调，实现人-机“协调化”。

    （3）“人人协调”

    “人人协调”自动化意味着：在“机机协调”、“人机协调”的基础上，进一步实现“人人协调”。如：操作人员、管理人员、维修人员之间相互协调，逐步实现人-人“协调化”。

    3.4“协调自动化”的开发策略

    为了实现“协调自动化”，建议采取基于“协调学”的开发策略，如图6所示。

                       

                       图6 “协调自动化”的开发策略

    在图6中，

    （1）“机机协调”开发策略

    为了实现“机-机协调”，建议采取：网络互联、协议通信、统筹兼顾、动态平衡、全局优化的开发策略。

    （2）“人机协调”开发策略

    为了实现“人-机协调”，建议采取：双向通信、友好交互、自然信息、智能界面、合理分工、人机协作的开发策略。

    （3）“人人协调”开发策略

    为了实现“人-人协调”，建议采取：友好协商、分工协作、平等互惠、取长补短、相互学习、和谐共处、协同发展的开发策略。

    4.“网络自动化”与“网络化”

    4.1“网络自动化”的概念涵义

    “网络自动化”意味着：“网络科学技术”与“自动化科学技术”相结合，研究开发各种“网络自动化”系统，实现“网络自动化”。其概念可用式（4）表示：

    NST + AST → NA （4）
    在式（4）中：
    NA（Networking Automation）——“网络自动化”，可分为：
    基于网络的“网络基自动化”（Network-based Automation），
    用于网络的“网络的自动化”（Network-applied Automation）
    NST（Network Science & Technology）——“网络科学技术”

    “网络科学技术”（Network Science & Technology）简称NST，如：网络理论（Network Theory）、图论（Graph Theory ）、互联网（Internet、Extranet、Intranet）、物联网（Internet of Things ）、计算机网络、通信网络、电视网络、电话网络，Web技术、计算机技术、通信技术、电视技术等。

    AST（Automatic Science & Technology）——“自动化科学技术”
    “自动化科学技术”（Automation Science & Technology）简称AST，如：自动控制（Automatic Control）、自动调节（Automatic Adjusting）、自动检测（Automatic Detecting）、自动操作（Automatic Operation）的理论方法、实现技术，以及各种应用系统等。

    “网络自动化”的概念有二方面的涵义：

    （1）“网络基自动化”

    “网络基自动化”（Network-based Automation）意味着：基于网络技术、网络环境，研究开发各种自动化系统，实现“网络自动化”。如：基于“现场总线”（Field Bus）的现场基础自动化系统、基于“计算机网络”的企业多级自动化系统、基于“通信网络”的遥控遥测自动化系统等，实现“网络自动化”。

    （2）“网络的自动化”

    “网络的自动化”（Network-applied Automation）意味着：用于网络系统、网络环境的自动化科学技术，如：用于“互联网”（Internet）、通信网、电视网、电话网等的，自动控制、自动检测、自动诊断、自动搜索、自动报警、自动维修等理论方法与实现技术，实现“网络自动化”。

    4.2“网络自动化”的发展方向

    根据上述“网络自动化”的概念涵义，“网络自动化”的发展方向，如图7所示。

              

                             图7 “网络自动化”的发展方向

    “网络自动化”的发展方向分为：网络基“自动化”、网络的“自动化”，如：遥测自动化、遥感自动化、遥调自动化、遥控自动化等，基于网络的 “网络基自动化”，自动检测网络、自动调节网络、自动操作网络、自动控制网络等，用于网络的 “网络的自动化”随着“网络自动化”学科的发展，“网络自动化”的科技体系将不断扩展和细化。

    4.3“网络化”的概念涵义

    “网络化”（Networking）的概念有二方面的涵义：

    （1）“基于网络”

    “基于网络”（Network-based）意味着：基于网络科技、网络平台，如：网络理论、图论，互联网、物联网，计算机网络、通信网络、电视网络、电话网络，Web技术，计算机技术、通信技术、电视技术等。

    （2）“用于网络”

    “用于网络”（Network-applied）意味着：用于网络系统、网络环境，如：互联网、物联网，计算机网络、通信网络、电视网络、电话网络等。

    4.4“网络自动化”的开发策略

    为了实现“网络自动化”，可采取相应的二种开发策略，如图8所示：

    上述“网络化”的概念和内涵如图4所示。

               

                               图8 “网络自动化”的开发策略

    在图8中，

    （1）“基于网络科学技术”的开发策略

    “基于网络科学技术”的开发策略意味着：基于网络科学技术，如：网络理论、图论，互联网、物联网，计算机网络、通信网络、电视网络、电话网络，Web技术，计算机技术、通信技术、电视技术等，研究开发各种基于网络平台的、遥测自动化、遥感自动化、遥调自动化、遥控自动化等自动化系统。

    （2）“基于自动化科学技术”的开发策略

    “基于自动化科学技术”的开发策略意味着：基于自动化科学技术，如：自动控制、自动调节、自动检测、自动操作等理论方法和实现技术，研究开发各种用于网络的自动控制网络、自动调节网络、自动检测网络、自动操作网络等自动化网络。

    5.“四化”发展方向与开发策略

    综上所述，自动化科学技术及其应用系统的发展方向与开发策略，可归纳为“四化”，
                    

                  图9 自动化科技及系统的发展方向与开发策略

    如图9所示，自动化科学技术及应用系统的发展方向为：“四化”—“智能自动化、集成自动化、协调自动化、网络自动化”；自动化科学技术及应用系统的发展策略为：“四化”—“智能化、集成化、协调化、网络化”。

    当人们认识了自动化科学技术及应用系统的发展方向，并自觉地运用，也就掌握了自动化科学技术及应用系统的开发策略。

    6 结 论

    根据以上论述，笔者认为：

    （1）自动化科学技术及应用系统的发展方向可归纳为：
    “四化”—“智能自动化、集成自动化、协调自动化、网络自动化”。

    （2）自动化科学技术及应用系统的开发策略可归纳为：
    “四化”—“智能化、集成化、协调化、网络化”。

    参考文献:

    [1]涂序彦.多变量协调控制理论[C].第一届国际自动控制联合会IFAC大会论文集，1960.
    [2]涂序彦.人机系统[N].科学通报，1965(5).
    [3]涂序彦.智能控制技巧应用[J].自动化.北京：中国科学院自动化研究所，1977，1（1）.
    [4]涂序彦.关于大系统理论的几个问题[J]，自动化学报.北京：科学出版社，1979，6（3）.
    [5]涂序彦,黄秉宪,郭荣江,潘华.生物控制论.北京：科学出版社，1980.
    [6] 涂序彦.论协调[J].科学学与科学技术管理，1981,5.
    [7] 涂序彦.大系统控制论探讨[M].系统工程理论与实践,1986,1(6).
    [8] 涂序彦.人工智能及其应用.北京：电子工业出版社，1988.
    [9]涂序彦.大系统控制论.北京：国防工业出版社，1994.
    [10]涂序彦, 李秀山,陈凯.智能管理.北京：清华大学出版社，1995.
     [11]涂序彦,李衍达.智能自动化的概念、模型、方法、策略[c].
中国自动化学会第七届全国学术年会论文集（大会报告）， 1997.
    [12]涂序彦 .“智能化、集成化、协调化”—计算机应用系统技术发展方向与开发策略[C].第四届全国计算机应用联合学术会议论文集（大会报告），1997.
    [13] 涂序彦、韩力群主编.人工智能：回顾与展望.北京：科学出版社，2006.
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