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自動化技術在人類生產、生活與管理進程中起到了不可替代的作用。自動化技術廣泛應用于制造業, 使以機械裝備制造等為代表的離散工業制造過程和以石油、冶金、材料等重要原材料工業和電力等能源工業為代表的流程工業過程實現了自動化, 顯著提高了產品質量和生產效率。自動化技術廣泛應用于制造企業的經營管理和生產管理中, 使企業的資源計劃和制造過程管理的效率顯著提高, 成為提高企業競爭力的核心技術[1-2]。自動化技術在航空、航天、軌道交通、汽車、海洋運載工具的導航、制導與控制、機器人的控制與運動軌跡的規劃中發揮著不可取代的作用[3]。

正如文獻[4] 所指出的, 處處可見作為自動化技術的重要組成部分的控制技術, 控制技術在幾乎所有的主要技術革命中都發揮了重要作用。例如, 從蒸汽機到高鐵、輔助駕駛汽車、高性能飛機, 從火箭到航天器, 從有線電話到手機, 從照相機到神經影像,從敏捷制造到機器人, 從醫療設備到遠視手術等, 控制技術在上述技術革命中對提升系統性能如速度、效率、可靠性和穩定性以及減少能源消耗、成本和廢物排放等方面發揮了不可取代的作用。

當前, 發達國家將智能制造作為提升制造業整體競爭力的核心高技術。美國智能制造領導聯盟提出了實施21 世紀“智能過程制造”的技術框架和路線[5]。德國針對離散制造業提出了以智能制造為主導的第四次工業革命發展戰略, 即“工業4.0”計劃[6]。英國宣布“英國工業2050 戰略”, 日本和韓國先后提出“I-Japan 戰略” 和“制造業創新3.0 戰略”。面對第四次工業革命帶來的全球產業競爭格局的新調整, 為搶占未來產業競爭制高點, 我國宣布實施“中國制造2025"。

智能制造的關鍵是實現制造流程智能化, 這就需要將人工智能技術與制造流程的控制系統、管理系統和制造流程的物理資源深度融合與協同。迄今為止, 人工智能技術還沒有統一的、明確的界定。文獻[7] 指出, AI (Artificial intelligence) 不是單一技術, 而是應用于特定任務的技術集合。文獻[8] 指出,雖然對AI 的界定并不明確且隨時間推移不斷變化,但AI 的研究和應用多年來始終秉持一個核心目標,即使人的智能行為實現自動化或復制。人工智能技術的涵義是通過機器智能延伸和增強人類的感知、認知、決策、執行等功能, 增強人類認識世界與改造世界的能力, 完成人類無法完成的特定任務或比人類更有效地完成特定任務。

2016 年10 月, 美國白宮發布了《美國國家人工智能研究與發展策略規劃》, 謀劃美國未來的人工智能發展。2017 年7 月, 中國國務院印發《新一代人工智能發展規劃》, 人工智能正式成為我國國家戰略。2018 年3 月1 日, 美國國際戰略研究所發布報告《美國機器智能國家戰略報告》, 提出了機器智能技術對國防、經濟、社會等方面的廣泛影響和發展戰略。

美國國家情報委員會在2030 年全球趨勢(Global Trend 2030) 中, 從經濟、社會發展角度提出了未來四大重要技術, 其中, 自動化和制造技術為第二大重要技術; 華盛頓郵報網站(2013.5.24) 給出了驅動未來經濟的12 種顛覆性技術, 其中, 知識性工作的自動化列為第二種顛覆性技術。由此可見,自動化科學與技術已經成為社會經濟發展、國家安全、使人類生活變得越來越美好的不可取代的技術。

然而, 自動化科學與技術, 特別是控制科學與技術, 沒有像通訊和計算機技術那樣得到社會的理解和支持。為此, 國外學者組織了多次專題討論會, 出版了研究報告, 旨在論證系統與控制是大多數應用領域中信息和通信技術的核心, 提出了新的研究方向, 希望得到基金資助機構的優先考慮和支持[4; 9-11]。雖然這些研究報告對控制理論的發展起到了積極的促進作用, 但并沒有使系統與控制成為資助機構優先資助的領域。我國負責自動化科學與技術發展的部門曾多次組織國內學者開展自動化學科發展和優先資助領域的戰略研究, 出版了研究報告, 闡明自動化科學與技術的重要性和優先資助的研究方向[12-13]。這些研究報告對自動化學科的發展起到了積極的促進作用。雖然與國外相比, 我國有負責自動化科學與技術發展的基金資助機構與資助經費, 但是自動化科學與技術在國家社會經濟發展和國防安全中發揮的作用卻不如通訊、計算機等其他信息科學和技術那樣明顯, 獲得的資助經費也少于通訊、計算機等其他信息科學和技術。

自動化科學與技術始終圍繞著建模、控制與優化三個基本科學問題開展研究, 它所形成的核心基礎理論|建模、控制、優化理論和方法具有“使能”性。因此, 大多數工程技術與工程管理專業都將建模、控制與優化理論和方法作為該專業基礎的必修課。國外大學一般不設立自動化專業, 從事系統與控制研究的教授主要在其他工程專業講授控制理論課程。而在我國, 大多數大學設有自動化專業, 但從事控制理論研究的學術帶頭人多, 從事自動化系統技術研究的學術帶頭人少, 而且重傳統控制理論, 輕自動化系統技術。

上述研究報告主要根據理論的發展提出研究方向, 然而, 自動化科學與技術的建模、控制、優化理論與方法是通過與應用領域的實際對象結合, 研制具有動態特性分析、預測、控制與優化決策功能的自動化系統來體現其在人類認識世界和改造世界活動中發揮的不可替代的作用。

特別是, 當今國際上信息科學與技術的重要研究方向是Cyber-Physical Systems (CPS)。美國國家科學基金會在2008 年提出, CPS 是計算資源與物理資源的緊密融合與協同, 使得系統的適應性、自治力、效率、功能、可靠性、安全性和可用性遠超過今天的系統[14]。計算資源主要指自動化(建模、控制、優化)、計算機、通訊, 物理資源主要是指CPS的研究對象所涉及的領域知識。研究目標是研制實現未來需求功能的系統。智能手機、IBM 的同聲傳譯系統、AlphaGo 等智能技術系統是典型的CPS。CPS 是多學科交叉的產物, 是當今信息技術條件下的自動化系統。創造未來需求的新功能的系統已成為信息科學與技術的研究目標。

為了使中國的自動化專業在國家社會經濟發展和國家安全中發揮不可取代的作用, 本文以智能自主控制系統、智能優化決策系統和智能優化決策與控制一體化系統作為未來需求的自動化系統發展方向, 以生產制造系統和重要運載工具為主要對象,，以實現上述系統的愿景功能為目標的系統理論與技術研究為主線, 提出了自動化科學與技術的發展方向，結合新興應用領域對自動化科學與技術的需求與挑戰, 提出了未來自動化科學與技術的發展方向。

自動化的界定并不明確, 且隨時間推移不斷變化, 但自動化的研究和應用多年來始終秉持一個核心目標: 研制系統代替人或輔助人去完成人類生產、生活和管理活動中的特定任務, 減少和減輕人的體力和腦力勞動, 提高工作效率、效益和效果。由于我國大多數大學都設有自動化專業, 科技部和國家自然科學基金委員會都設有專門部門負責自動化科學與技術的發展, 因此, 有必要從學術和專業的角度對自動化科學與技術給出定義。百度對自動化的定義如下: 廣義的自動化, 是指在人類的生產、生活和管理的一切過程中, 通過采用一定的技術裝置和策略,使得僅用較少的人工干預甚至做到沒有人工干預,就能使系統達到預期目的的過程, 從而減少和減輕了人的體力和腦力勞動, 提高了工作效率、效益和效果。由此可見, 自動化涉及到人類活動的幾乎所有領域, 因此, 自動化是人類自古以來永無止境的夢想和追求目標。

自動化科學與技術主要以工業裝備為代表的固定物體、運載工具為代表的運動體以及人參與的信息物理系統為研究對象, 以替代人或輔助人來增強人類認識世界和改造世界的能力為目的, 綜合運用控制科學與工程、系統科學與工程、信息與通信工程、計算機科學與技術、數學與人工智能等學科知識和所涉及對象的領域知識, 研究具有動態特性仿真與分析、預測、控制與優化決策功能的自動化系統設計方法和實現技術的一門工程技術學科。

自動化科學與技術具有如下明顯的特征:

1) 交叉性

自動化科學與技術是具有明顯交叉性的學科。自動化科學與技術的理論基礎(建模、控制、優化理論與方法) 的建立是由數學、物理、計算機科學、以及研究對象所涉及的領域學科交叉形成。所研制的自動化系統涉及到控制科學與工程、系統科學與工程、信息與通信工程、計算機科學與技術、數學、人工智能等學科知識和所涉及對象的領域知識。工程技術專家、數學家、經濟學家和物理學家等都對該領域的發展做出了貢獻。

2) 使能性

自動化科學與技術的核心理論基礎是動態系統的建模、控制與優化的理論與方法, 核心技術基礎是具有動態特性仿真與分析、預測、控制與優化決策功能的系統設計方法與實現技術。

自動化科學與技術的使能性表現在其動態系統建模理論與方法所提供的動態特性建模與參數估計方法有助于其他學科在研究對象的機理基礎上建立動態數學模型、進行動態特性仿真與分析的研究; 控制理論與方法所提供的反饋、前饋、預測、自適應控制器設計方法和思想以及控制系統性能分析方法有助于機械、電氣與電子、化工與冶金等其他學科領域涉及的控制系統設計與分析的研究; 優化理論與方法所提供的靜態與動態優化決策理論與方法有助于其他學科領域涉及的系統優化運行和優化決策的研究。

3) 系統性

系統性是自動化科學與技術的重要特征。自動化科學與技術總是從“系統” 的角度來分析與研究所涉及到的研究對象的動態建模、控制和優化決策。特別是反饋控制, 通過反饋機制改善了被控對象的動態特性, 形成的反饋控制系統可以達到預期的目的。自動化科學與技術的建模、控制、優化理論與方法是通過具有動態特性分析、預測、控制與優化決策功能的系統來體現在人類認識世界和改造世界活動中發揮的不可替代的作用。今天, 大型而復雜的物理系統與越來越多的分布式計算單元相結合用以監測、控制、管理和優化決策。物理系統的各個元素通過物質、能量或動量的交換而相互聯系, 而控制和管理與優化決策系統的各個單元則通過通信網絡相互聯系。例如, 智能電網、水資源控制與管理系統、交通管理與指揮系統、智能工廠、智慧城市、智慧醫療等。只有對這種人參與的信息物理系統進行建模、預測、控制和優化決策的深入研究, 才有可能更好地設計監測、控制、管理和優化決策系統, 才能實現節能減排, 有效地改善人類的生活。

4) 廣泛性

通過以上對自動化科學與技術的交叉性、使能性和系統性的分析, 可以看到自動化科學與技術還具有廣泛性的特征。

自動化科學與技術的研究對象具有廣泛性。研究對象可以是固定的物體, 如以機械制造工業為代表的離散工業和以原材料工業為代表的流程工業中的生產制造裝備、建筑設施等; 研究對象可以是移動的物體, 如航天航空器、軌道交通與汽車、陸運運動體、機器人等; 研究對象也可以是人參與的信息物理系統, 如企業管理系統、交通管理系統、生物系統、社會管理與經濟系統。

自動化科學與技術的應用領域具有廣泛性。采用自動化科學與技術所研制的自動化系統廣泛應用到工業、農業、軍事、科學研究、交通運輸、商業、醫療、服務和家庭等各個領域, 涉及到人類的生產、生活和管理的一切過程。

自動化科學與技術針對同一研究對象所研究的自動化系統的功能具有廣泛性和多樣性。例如, 針對工業過程研究動態特性建模可以實現工業過程的動態特性仿真與分析; 研究過程控制可以實現工業過程的輸出跟蹤工藝所確定的設定值; 研究過程運行優化可以實現表征工業過程的加工產品的質量、效率、消耗等運行指標的優化控制; 研究由不同工業過程組成的全流程生產線的協同優化控制可以實現生產線生產指標的優化控制; 研究企業經營決策、計劃調度的管理與優化決策可以實現企業的綜合生產指標優化; 研究生產工況的建模可以實現異常工況的監控與自愈控制。