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作者：上海交通大學 李少遠

近些年，自動化產(chǎn)業(yè)得到了長足的發(fā)展，其背后的重要推手是互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展以及我國對智能制造日益提高的需求。本文回顧了自動化技術在網(wǎng)絡技術的推動下和智能制造引領下的發(fā)展歷程。

1　網(wǎng)絡化分布式系統(tǒng)

過去，我們所做的系統(tǒng)控制都是集中式控制，在網(wǎng)絡技術不太發(fā)達的情況下，控制系統(tǒng)的結構與控制器的設計，都是基于一種集中式的控制，把所有的信息都集中在中央控制室，由集中式的控制算法把每個節(jié)點的控制量計算后再通過電纜線發(fā)送到現(xiàn)場端執(zhí)行控制作用。隨著科學技術的發(fā)展，控制系統(tǒng)規(guī)模越來越大，流程越來越復雜。自從有了控制網(wǎng)絡，控制系統(tǒng)回歸到系統(tǒng)的本質——由單元素組成的分布式系統(tǒng)。由于現(xiàn)在的傳感器、執(zhí)行機構、控制單元都可以做到智能化，并放置在本地的系統(tǒng)當中，組成了分布式系統(tǒng)。從原來集中式的控制方式，向著分布式控制的方向轉變，控制系統(tǒng)的模式發(fā)生了根本性的變化。

1.1　過程工業(yè)大系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)的主要特征有：

·  組成單元多、輸入輸出多；

·  空間分布廣；

·  相互關聯(lián)（能量、質量、信息）；

·  模型復雜，約束多，目標多。

1.2　集中分散式控制系統(tǒng)

至上而下的系統(tǒng)結構：DCS；PLC；傳感器；變送器。

1.3　背景與意義

很多公司這些年已經(jīng)開發(fā)了智能化的單元，包括傳感器、執(zhí)行機構、控制單元，控制模式正在發(fā)生著天翻地覆的、本質的變化。我們以往對一些大規(guī)模的系統(tǒng)控制采用分層遞階式的控制結構，包括預測控制軟件，這種模式現(xiàn)在正在逐步向分布式的方向進一步發(fā)展。

分散式和分布式結構控制的本質區(qū)別，在于分散式的子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的關聯(lián)，需要事先進行建模。而分布式控制是在系統(tǒng)運行過程當中，通過信息的連接，不斷進行子系統(tǒng)之間的信息交互。

網(wǎng)絡信息模式下分布式的控制系統(tǒng)針對的是底層的、大規(guī)模的物理系統(tǒng)。在此之上，我們構建了信息的網(wǎng)絡系統(tǒng)，也可稱之為物理信息融合網(wǎng)絡，也就是CPS系統(tǒng)。

從學術界研究的領域來看，自動化的發(fā)展方向正在從原來的集中式控制模式向分布式控制模式發(fā)展，其優(yōu)勢是控制方法更為簡單。由此，分布式大系統(tǒng)的控制問題引起了諸多關注：

（1）90年代大系統(tǒng)理論

（2）2008年9月歐盟第七框架啟動

·  《Hierarchical and Distributed Model Predictive Control of Large-Scale Systems》
http://www.ict-hd-mpc.eu

（3）IEEE TAC, Automatica, JPC多篇關于工業(yè)大系統(tǒng)的文章：

·  W. B. Dunbar, IEEE TAC, 2007, 52,1249-1263.

·  J.B. Rawlings, et. al. JPC, 2008, 18, 839-845;H. Scheu, et. al. JPC, 2011. 21. 715-728.

·  M. Farina, et. al. Automatica, 2012, 48,1088-1096.

·  E. Camponogara, IEEE TAC, 2012. 57,804-809.

·  R. Scattolini, JPC, 2009, 19, 723-731,Comp. & ChEng, 2013, 51, 21-41.

（4）開始嘗試應用于不同的流程工業(yè)

1.4　分布式控制方法成為未來發(fā)展的重要方向

分布式控制結構特點：

（1）控制系統(tǒng)提高過程的安全性、容錯性、可靠性

·  當個別子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時對整體系統(tǒng)影響小；

·  對局部系統(tǒng)維護，而不需要關停全系統(tǒng)；

·  系統(tǒng)結構（增減子系統(tǒng)）調整方便。

（2）提高復雜算法的可實現(xiàn)性

·  并行計算，控制器計算量少；

·  算法實時性提高；

·  多目標、約束優(yōu)化。

（3）有助于形成智能化控制系統(tǒng)

·  分而治之、滿足不同類型的子系統(tǒng)；

·  子系統(tǒng)自主控制；

·  子系統(tǒng)控制器“即插即用”。

（4）提高控制系統(tǒng)經(jīng)濟性

·  節(jié)省電纜線、設備制造維護費用；

·  提高復雜優(yōu)化算法的可實現(xiàn)性。

1.5　需要研究的問題

從大規(guī)模的運算到小規(guī)模的運算，存在著安全性、容錯性、可靠性的一些典型控制問題。分布式系統(tǒng)需要研究的問題有：

·  分布式系統(tǒng)的結構分析與系統(tǒng)劃分；

·  分布式系統(tǒng)優(yōu)化控制的協(xié)調策略；

·  分布式系統(tǒng)控制方法的動態(tài)性能分析；

·  不同類型系統(tǒng)的分布式控制器的綜合設計問題；

·  分布式預測控制在不同領域的推廣應用。

通過以上研究，可形成分布式預測控制設計與分析理論方法。

2　CPS系統(tǒng)的控制

CPS系統(tǒng)的問題可追溯到新世紀伊始。由于互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，當時在國際上也引起了很多關于控制系統(tǒng)的討論。在這一階段，實際需求推動了理論的發(fā)展，信息技術和網(wǎng)絡環(huán)境改變了傳統(tǒng)的結構和方法，通訊、計算、控制等領域知識相互融合和滲透，但仍有許多新的問題需要探索。

與此同時，越來越多的人開始關注CPS系統(tǒng)，有了網(wǎng)絡后信息更為豐富，這給控制系統(tǒng)帶來了新的問題，比如在物聯(lián)網(wǎng)領域、智能交通領域、智能電網(wǎng)領域等。

從自動化的角度出發(fā)，該如何更好地利用這些信息，使得控制系統(tǒng)運行得更加優(yōu)化、更加節(jié)能環(huán)保。面對一個大型的物理系統(tǒng)，在物理系統(tǒng)的基礎上，構成了一個信息和物理融合的系統(tǒng)，在信息網(wǎng)絡的基礎上，做信息傳輸、信息記錄、信息優(yōu)化，從而生成一個優(yōu)化的決策，再通過信息網(wǎng)絡，下放到物理系統(tǒng)，使得我們面對的物理系統(tǒng)可以取得更好的優(yōu)化性能，或者說可以更加節(jié)能環(huán)保。這就構成了CPS系統(tǒng)。
CPS系統(tǒng)當中用到的一些技術也在不斷發(fā)展，比如傳感器、執(zhí)行機構、控制單元、網(wǎng)絡通訊技術等。原來的網(wǎng)絡是從互聯(lián)網(wǎng)開始，應用到工業(yè)界后對該系統(tǒng)的要求更高，針對實施性、通訊的可靠性，對工業(yè)的CPS提出了更高的要求。

3　CPS系統(tǒng)中的技術

3.1　共性特征

（1）物理/信息系統(tǒng)緊密耦合：計算/通信深度嵌入到物理對象；通信受到來自物理對象的嚴格時空約束；計算需要支持不同的時空粒度。

（2）異構網(wǎng)絡互聯(lián)：異構網(wǎng)絡并存，以滿足多種應用QoS需求；不同網(wǎng)絡間資源限制及協(xié)議體系對多網(wǎng)協(xié)同調度提出挑戰(zhàn)。

（3）海量多源數(shù)據(jù)：物理與信息的融合產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)（Big Data）；來自環(huán)境、測量、通信及物理過程
的不確定性激增。

（4）分布式感知/計算/控制：嵌入式物理設備之間借助通信與計算功能產(chǎn)生多域耦合；集中、單一的控制模式不再適用于CPS。

（5）安全性要求：安全問題貫穿信息與物理全過程，攻防關系更為復雜。

3.2　關鍵問題

·  交互機理；

·  異構互聯(lián)；

·  泛在計算；

·  整體優(yōu)化；

·  安全機制。

3.3　研究策略

·  系統(tǒng)模型；

·  跨層組網(wǎng)；

·  協(xié)同計算；

·  CPS控制；

·  多域安全。

3.4　第四次工業(yè)革命

2015年，德國提出了“工業(yè)4.0”，其核心的基礎共性技術仍然采用CPS系統(tǒng)的結構，仍然是在解決大型物理系統(tǒng)如何提高它的運行性能。

3.5　信息物理系統(tǒng)概念

信息物理系統(tǒng)是虛擬空間（計算、通信與控制）與物理系統(tǒng)深度集成，其特點：

·  泛在計算、感知與控制；

·  多層次、多尺度的網(wǎng)絡化；

·  動態(tài)重組與重構；

·  高度自動化；

·  可靠性、物理安全、信息安全、可用性的高度確保與互相依賴。

4　工業(yè)CPS（Industrial Cyber-Physical System，iCPS）

4.1　擬解決的關鍵科學問題

（1）工業(yè)信息智能感知與多層域泛在互聯(lián)·  如何通過非侵入性原位檢測技術實時精準感知系統(tǒng)參量，同時有效結合模型及數(shù)據(jù)驅動預測方法降低時滯相關效能損失？

·  如何有效地通過數(shù)據(jù)與物理模型結合及傳感器優(yōu)化配置提高感知信息的時空覆蓋度？

·  如何通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡協(xié)作精準地感知生產(chǎn)系統(tǒng)的全方位信息，并由獲取的信息通過本地分析來提高數(shù)據(jù)的有效性與精確度？

·  如何通過數(shù)據(jù)積累與信息交互，挖掘并發(fā)現(xiàn)新的知識，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡上建立知識的傳播與自我管理機制？

（2）工業(yè)大數(shù)據(jù)關聯(lián)計算與知識發(fā)現(xiàn)

·  如何對海量高維異構跨域工業(yè)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一表達，通過動態(tài)數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析來全景表征工業(yè)生產(chǎn)物理系統(tǒng)？

·  如何從海量數(shù)據(jù)挖掘生產(chǎn)過程中的本質信息，解決辨識建模、知識發(fā)現(xiàn)等難題，實現(xiàn)在線工況判斷、行為預測、故障診斷、瓶頸定位？

·  如何通過協(xié)同交互可視分析和虛擬仿真，建立全供應鏈的動態(tài)行為分析和自適應模型更新機制，實現(xiàn)精準的生產(chǎn)管理和運行維護？

（3）人機物系統(tǒng)協(xié)同調控與智能優(yōu)化

·  如何將工廠的整體運行與外部原材料供應、能源網(wǎng)絡、物流市場、社會環(huán)境進行有效關聯(lián)、互動和融合，建立生產(chǎn)運行綜合效能與原料狀態(tài)、市場需求變化等信息的關聯(lián)模型及其自適應修正機制？

·  如何在系統(tǒng)數(shù)學模型中準確表征產(chǎn)品質量、操作運行平穩(wěn)性、物耗能耗、設備效能等關鍵指標，綜合考慮產(chǎn)品產(chǎn)量、關鍵操作變量范圍和變化、物耗能耗等復雜約束，以及人-機-物的協(xié)同決策機制？

·  如何解決全流程（大規(guī)模）、工況大范圍變化（非線性）、模型和數(shù)據(jù)畸變（多重不確定性）、混雜動態(tài)變化（連續(xù)和離散過程耦合）的多約束、多目標實時調控和優(yōu)化難題？

（4）工業(yè)信息物理系統(tǒng)可信增強與安全防護

·  如何建立信息物理系統(tǒng)的混合模擬理論和計算方法，解決工業(yè)生產(chǎn)過程惡意入侵樣本匱乏和實測代價巨大的難題？

·  如何建立信息物理統(tǒng)一安全測度和災變演化理論，解決面向惡意入侵與功能故障的異常行為監(jiān)測與預測難題？

·  如何利用生產(chǎn)過程中信息流和物質流的互為映照關系，建立可信增強的輕量化理論體系，解決安全防護與生產(chǎn)效率之間的深刻矛盾？

·  可信增強與安全防護是實現(xiàn)信息流和物質流的雙向交互和調控、進而大幅提升生產(chǎn)效率的前提和系統(tǒng)成敗的關鍵。

4.2　iCPS研究面臨的主要挑戰(zhàn)

（1）綜合認知難：關鍵運行信息和重要過程參數(shù)難以獲取，造成過程信息不完備甚至檢測機理失效。

（2）融合表達難：過程狀態(tài)與全流程綜合生產(chǎn)目標關系復雜，難以全面刻畫非穩(wěn)態(tài)、強非線性等本質特征。

（3）協(xié)同調控難：工業(yè)生產(chǎn)中多變量、強耦合、非線性、大時滯、欠調節(jié)、間歇式/連續(xù)式控制并存。

（4）安全防護難：非正常工況在早期極難被檢測和診斷、工業(yè)系統(tǒng)的日益開放性等導致系統(tǒng)安全風險增加。

5　智能網(wǎng)絡協(xié)調制造

我國自動化技術的發(fā)展推動著我國智能制造的發(fā)展。過去，自動化技術僅局限在信息的自動化，由于自動化技術的發(fā)展，它會成為很多行業(yè)進步的發(fā)動機和方法論。

5.1　國家研發(fā)計劃先進制造領域

·  制造基礎技術與關鍵部件；

·  網(wǎng)絡協(xié)同制造；

·  3D打印與激光制造。

5.2　國家研發(fā)計劃信息領域

·  物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市；

·  寬帶通信與新型網(wǎng)絡；

·  光電子器件及集成。

5.3　我國的智能制造

（1）戰(zhàn)略地位

中華人民共和國科學技術部2012年3月27日印發(fā)智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃，智能制造成為新的投資靶點。

（2）發(fā)展目標

建立智能制造基礎理論與技術體系，重點突破設計過程智能化、制造過程智能化和制造裝備智能化中的基礎理論與共性關鍵技術。

（3）智能制造技術

包括：

·  現(xiàn)代傳感技術、網(wǎng)絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上；

·  通過智能化的感知、人機交互、決策和執(zhí)行技術，實現(xiàn)設計過程、制造過程和制造裝備智能化；

·  是信息技術和智能技術與裝備制造過程技術的深度融合與集成。

面對離散制造業(yè)和流程工業(yè)，結合先進的自動化技術，去綜合應用智能制造技術，實現(xiàn)《中國制造2025》的宏偉計劃。自動化技術一旦取得發(fā)展，會極大地推動我國的技術進步。

5.4　傳統(tǒng)制造與智能制造

與傳統(tǒng)的制造相比，智能制造主要是在整個生產(chǎn)領域中，體現(xiàn)智能制造技術和自動化技術的發(fā)展，智能的活動和智能化的機器要進行有機地結合，解決流程制造和離線制造兩個行業(yè)當中的問題。

（1）傳統(tǒng)制造

·  單純提高精度或速度為指標；

·  智能化、全流程優(yōu)化度較低；

·  高能耗高排放，劣勢明顯；

·  節(jié)能減排任務艱巨。

（2）智能制造

·  整個生產(chǎn)過程中貫穿智能活動；

·  智能活動與智能機器有機融合（軟硬結合），不單單是智能設備的應用；

·  各個環(huán)節(jié)以柔性方式集成起來；

·  以全流程的優(yōu)化為整體目標，從而能發(fā)揮最大生產(chǎn)力。

5.5　制造業(yè)發(fā)展趨勢

（1）智能化

·  以數(shù)字化、柔性化及系統(tǒng)集成技術為核心；

·  大數(shù)據(jù)處理技術支撐；

·  通過工業(yè)化批量生產(chǎn)方式同樣滿足個性化需求。

（2）綠色化

·  廢棄物回收利用技術；

·  可再生循環(huán)技術；

·  節(jié)能減排。

5.6　內生動力關鍵因素——能源效率

在制造業(yè)，能源效率是一項最主要的競爭因素。
通過將智能活動與智能設備相結合，并將生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)以柔性方式集成，實現(xiàn)全流程優(yōu)化，以達到節(jié)能增效的目標。

6　自動化理論方法與技術演變

回顧自動化技術的發(fā)展，可以和幾次工業(yè)革命結合起來。從最初物理的自動化，到之后網(wǎng)絡的自動化，再到現(xiàn)在人工智能驅動的自動化技術，國家正在極大地推動人工智能技術的發(fā)展。之前我們談得更多的是“互聯(lián)網(wǎng)+”，而現(xiàn)在要談的是“人工智能+”。我們不難發(fā)現(xiàn)自動化技術在人工智能當中正扮演著非常重要的角色，其也隨著行業(yè)的需求不斷發(fā)展。同時，自動化技術的發(fā)展也在推動著行業(yè)的進步。無論是學術領域還是行業(yè)的發(fā)展，自動化技術都是支撐我們國家向前發(fā)展的一個十分重要的技術領域。

摘自《自動化博覽》2018年5月刊