自動(dòng)化技術(shù)，就是用機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。而自動(dòng)控制，就是機器代替人的體力執行一個(gè)或者一系列動(dòng)作。人工智能則是機器代替人的腦力進(jìn)行分析、判斷、決策。
——張朝暉
在2021年度北京地區廣受關(guān)注學(xué)術(shù)成果報告會(huì )（自動(dòng)化及人工智能領(lǐng)域專(zhuān)場(chǎng)）召開(kāi)之際，科協(xié)頻道特邀北京自動(dòng)化學(xué)會(huì )副理事長(cháng)張朝暉就自動(dòng)化學(xué)科發(fā)展等相關(guān)話(huà)題進(jìn)行講解和分享。
01
自動(dòng)化技術(shù)總是充滿(mǎn)活力
由于人們的期望無(wú)止境，因而自動(dòng)化技術(shù)總是充滿(mǎn)活力。
先來(lái)簡(jiǎn)要回顧一下人類(lèi)生存、生活、生產(chǎn)的歷史：
公元前，埃及、希臘就使用了水車(chē)、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送糧草，一臺這樣的馬就能運載 400 斤重量，遠高于人的負重能力。
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(shū)中，描繪了大量的自行運轉的裝置，例如自動(dòng)噴泉、自動(dòng)吹奏的笛子、自動(dòng)調節的閥門(mén)等。
中國畢昇發(fā)明活字印刷術(shù)的 400 年后，德國人約翰內斯·谷登堡發(fā)明了活字印刷機，歐洲開(kāi)始印刷出版古希臘、古羅馬的文學(xué)譯著(zhù)，1469開(kāi)始印刷出版科技書(shū)籍。印刷機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興起到了巨大作用。
1642年，布萊士·帕斯卡（Blaise Pasca）發(fā)明了機械計算機。
自動(dòng)化控制技術(shù)廣泛應用，起始于歐洲的工業(yè)革命。
18 世紀的第一次工業(yè)革命，瓦特在氣缸上采用了飛球調速器，從此有了能夠連續轉動(dòng)的蒸汽機；埃德蒙·卡特賴(lài)特的水力織布機，降低了制造復雜紡織品的勞動(dòng)強度；安卓·米克爾(Andrew Meikle)的回轉滾筒式脫粒機，代替了 1/4 的農業(yè)勞動(dòng)力。
19 世紀到 20 世紀中葉的第二次工業(yè)革命，伴隨著(zhù)電氣化的進(jìn)程，福特汽車(chē)公司首創(chuàng )了發(fā)動(dòng)機汽缸的自動(dòng)傳送、加工裝配流水線(xiàn)，提出了反饋，設立了自動(dòng)化部，隨后在各行業(yè)開(kāi)發(fā)出各種自動(dòng)調節裝置，實(shí)現了車(chē)間層面上的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化；相關(guān)的理論，在美國稱(chēng)為伺服機構理論，在蘇聯(lián)稱(chēng)為自動(dòng)調整理論；后隨著(zhù)空間技術(shù)的發(fā)展需求，又出現了解決多變量問(wèn)題的現代控制理論。同期，1943 年首臺可編程電子計算機 Colossus 幫助英國人破解戰時(shí)德軍密碼；1961年Bell Punch公司開(kāi)發(fā)了首臺桌面電子計算器 ANITA。
從 70 年代進(jìn)入第三次工業(yè)革命—數字革命，隨著(zhù)磁存儲、微處理器、個(gè)人計算機的出現，人類(lèi)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、節能、降耗為目標的全工廠(chǎng)層面的自動(dòng)化。同期，隨著(zhù)計算機處理能力和各種終端、網(wǎng)絡(luò )的出現，實(shí)現了人、財、物管理的辦公自動(dòng)化。
現在我們正處在第四次工業(yè)革命中。機器學(xué)習，自動(dòng)化數據提取、解釋、預測；人工智能對自然語(yǔ)言的理解和翻譯，自動(dòng)整理會(huì )議紀要，自動(dòng)駕車(chē)。自主工作的機器正變得無(wú)所不能，從掃地主機器人，到探索外太空。
通俗地說(shuō)，人類(lèi)生存、生活、生產(chǎn)的歷史，就是惰性驅動(dòng)、欲望牽引的歷史。嚴肅地說(shuō)，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(guò)擬人、讓機器自主運行，代替人，無(wú)人化，完成人的期望。由于人們的期望總是無(wú)止境的，自動(dòng)化技術(shù)始終有著(zhù)強大的驅動(dòng)力，所以它的發(fā)展也總充滿(mǎn)著(zhù)活力。
02
控制理論發(fā)展史上三部重要著(zhù)作
在控制理論發(fā)展歷史上，有著(zhù)三部重要著(zhù)作，產(chǎn)生了新型的綜合性基礎理論：信息論控制論工程控制論，對人類(lèi)社會(huì )產(chǎn)生了深遠的影響。
這三部著(zhù)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)物和機器中控制和通訊的科學(xué)》，被作為信息論開(kāi)端的克勞德·艾爾伍德·香農的《通訊的數學(xué)理論》，錢(qián)學(xué)森的《工程控制論》。
這三部著(zhù)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40年代發(fā)表，他首先通過(guò)輸入輸出、建模、反饋這樣一些理論，闡述了一個(gè)系統運行的規律。之后香農發(fā)表的《通訊的數學(xué)理論》，用數學(xué)的方法，定量地定義了信息以及信息在傳輸當中的規律。
香農（右）
錢(qián)學(xué)森的《工程控制論》最早是在美國20世紀50年代出版，后來(lái)他回到祖國后，又在國內多次再版。《工程控制論》將控制論思想落地到工業(yè)工程設計當中，直至今日，自動(dòng)化相關(guān)的書(shū)籍、教科書(shū)基本上采用了錢(qián)學(xué)森的《工程控制論》中的內容框架，該理論也為自動(dòng)化技術(shù)走向更廣泛的行業(yè)奠定了堅實(shí)的基礎。
錢(qián)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(chēng)其有個(gè)大膽預測：未來(lái)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 )新將引導自動(dòng)化的走向。
張朝暉團隊主要是利用電磁波、太赫茲波做傳感檢測，應用在體育健康、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(guò)帶動(dòng)3億人參與冰雪運動(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)化設備，不僅可以幫助定位，還能確定人體的生理指標，如心跳、脈搏等。除此之外，還能聽(tīng)音樂(lè )、打電話(huà)、跟朋友聊天，全方位提升人們的體驗感。
在工業(yè)領(lǐng)域，以電解鋁為例，這個(gè)傳統行業(yè)里目前面臨的最大問(wèn)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(lái)測出工作效率、成分等，但目前非常難以實(shí)現，一是它的環(huán)境比較差，電磁干擾特別強，還有就是粉塵影響等原因。電解鋁行業(yè)測的是雙頁(yè)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?chē)质菑姷碾姶艌?chǎng)，意味著(zhù)走近一些，手機、筆記本都會(huì )死機，這是非常嚴重的問(wèn)題。在這樣的場(chǎng)合下，要實(shí)現信息化，就需要傳感器必須有很好的性能來(lái)抗住這些干擾。
張朝暉表示，因為有節能降耗的需求，我們對于傳感器的迫切性還是很強的，團隊在這方面已經(jīng)做了好幾年工作，也取得了一些初步的成果。
針對油田，張朝暉團隊開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)井深測量?jì)x。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。在相當深的深度上，頁(yè)面會(huì )隨著(zhù)地質(zhì)情況發(fā)生變化，只有根據它的變化來(lái)適當控制產(chǎn)量，才能達到地質(zhì)有效的恢復和最高的效益。但在地底下幾千米，人們無(wú)法得知具體深度，傳統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，目前團隊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)設定時(shí)間，也可以精確測出頁(yè)面，精度上遠遠高于人工測量，而且使用上也非常方便。
工業(yè)自動(dòng)化是要以安全、穩定、平穩生產(chǎn)為主要目標，終極的工業(yè)自動(dòng)化的目標還是要提高產(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，才能控制的準。
檢測質(zhì)量遇到了較大的困難。現在很多質(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)驗室里運行，也就是說(shuō)現在的工業(yè)控制，很大程度上需要取樣到實(shí)驗室去化驗，這個(gè)過(guò)程具有延時(shí)性和滯后性，并且不是線(xiàn)上處理，因此效率非常低。
對于如何實(shí)現在線(xiàn)的沒(méi)有延遲的檢測產(chǎn)品的質(zhì)量，張朝暉認為，從工業(yè)的角度看，人們需要傳感器，如果傳感器問(wèn)題能被攻克，并能大量地開(kāi)發(fā)出來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化還會(huì )上一個(gè)臺階。從民生的角度講，現在的傳感器微型化、可移動(dòng)、可穿戴且能耗非常低，如果將來(lái)大量普及，將會(huì )催生出一個(gè)全新的傳感網(wǎng)絡(luò )，就能更好地改善人類(lèi)生活的體驗，傳感技術(shù)也會(huì )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？
人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺(jué)器官。而單靠人們自身的感覺(jué)器官，在研究自然現象和規律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此，傳感器可以說(shuō)是人類(lèi)五官的延長(cháng)，又稱(chēng)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，信息的轉化是它最基本的功能。
傳感器作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)是需要延伸的。比如讓它智能化，將數據進(jìn)行去噪、現行化、動(dòng)態(tài)補償等處理，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(lái)，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律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)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?？珙I(lǐng)域的研究對于科研人員實(shí)際上是有一些難度的。
更嚴峻的挑戰是我國面臨很多卡脖子問(wèn)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)有限責任公司
