控制科學與工程學科發展現狀與展望

摘 要 文章從控制科學與工程學科的學術領域出發，對我國控制科學與工程學科發展現狀按照二級學科分類進行了綜述。針對現有的學科建設，探討性提出未來發展趨勢及展望。

關鍵詞 控制科學與工程 學科建設 自動化

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A

0 引言

自動化技術廣泛用于工業、農業、軍事、科學研究、交通運輸、商業、醫療、服務和家庭等方面。采用自動化技術不僅可以把人從繁重的體力勞動、部分腦力勞動以及惡劣、危險的工作環境中解放出來，而且能擴展人的器官功能，極大地提高勞動生產率，增強人類認識世界和改造世界的能力。因此，自動化是工業、農業、國防和科學技術現代化的重要條件和顯著標志。

自動化是一門涉及學科較多、應用廣泛的綜合性科學技術。在我國研究生培養體系中，自動化對應的一級學科“控制科學與工程”下屬有七個二級學科：“控制理論與控制工程”、“檢測技術與自動裝置”、“系統工程”、“模式識別與智能系統”、“導航、制導與控制”、“企業信息化系統與工程”和“生物信息學”?？刂瓶茖W與工程對相關學科的發展起到了有力的推動作用，并在學科交叉與滲透中表現出突出的活力。例如：它與信息科學和計算機科學的結合開拓了知識工程和智能機器人領域。與社會學、經濟學的結合使研究的對象進入到社會系統和經濟系統的范疇中。與生物學、醫學的結合更有力地推動了生物控制論的發展。同時，相鄰學科如計算機、通信、微電子學和認知科學的發展也促進了控制科學與工程的新發展，使控制科學與工程學科所涉及的研究領域不斷擴大。

1 我國控制科學與工程學科發展現狀

控制科學與工程學科經過幾十年的發展，在諸多方面取得了一些重要的進步，按照二級學科分類，主要發展現狀歸納如下。

1.1 控制理論與工程

控制理論以動態系統為主要研究對象。20世紀80年代以來，計算機、網絡和通信等信息技術的發展為現有的控制理論提供了廣泛的應用空間，同時也帶來了巨大的挑戰，促使控制理論自身的發展，也催生出新的學科增長點。控制理論方面，在魯棒控制、非線性控制、離散事件動態系統、量子控制等方面都取得了重要進展。魯棒控制研究內容涉及魯棒極點配置、魯棒鎮定、魯棒觀測器設計、魯棒故障診斷等一系列魯棒控制問題。分布參數控制研究涉及可控性、隨機控制、非線性系統、穩定性、最優性、數值求解最優控制及時間延遲問題。離散事件動態系統的研究主要集中在離散事件動態系統的優化理論與方法上，理論成果被成功應用到從機械或半導體制造到電網規劃、石油化工等多個行業的實際工程問題。量子控制的研究涉及量子態的制備、最優控制、控制能力、反饋控制、消相干控制、糾纏動力學、動態解耦等多個方面。智能控制方面，在模糊不確定性理論、復雜系統的模糊控制與穩定性分析、神經網絡控制、智能優化等方面都有重要貢獻。模糊不確定性理論對于主觀上的不確定事件，給出了不確定變量的期望值、不確定變量的關鍵值、不確定事件測度的定義，并將它們應用于機器學習、系統控制和管理等問題。自模糊集合誕生至今，模糊控制作為一種有效的非線性控制方法受到了廣泛關注和應用，模糊控制器形式常見的有模糊邏輯控制、模糊PID控制、神經模糊控制、模糊滑膜控制、自適應模糊控制及基于T-S模型的模糊控制等。模糊控制系統的穩定性分析，是模糊控制領域一個持續研究的課題?，F有的結果，主要是在前有理論基礎上，提出放松穩定性條件，并將模糊控制的概念引入網絡控制系統。在神經網絡控制方面，主要利用神經網絡對非線性系統的逼近能力和特性，與一些控制算法相結合，探討復雜系統的建模與控制問題。智能優化方面主要是結合模糊推理和神經網絡自適應為主的模糊神經控制，并結合智能算法實現對算法的優化。智能機器人技術方面，除了在機構、視覺及傳感系統、運動建模、規劃與導航等提出一些新的設計和改進的算法外，中國學者在救災救援機器人、網絡環境機器人、醫療機器人、仿生機器人、飛行機器人、仿人機器人、人-機器人交互等方面取得了重要進展。在控制的應用方面，智能控制理論在電力系統調度、發電機勵磁控制、風電場功率預測等方面已有初步應用。在多智能體與網絡控制方面，研究涉及復雜系統與系統復雜性理論、混合系統與多模態切換、多智能體系統及網絡控制。

1.2 模式識別與智能控制

隨著20世紀40年代計算機的出現以及50年代人工智能的興起，人們當然也希望能用計算機來代替或擴展人類的部分腦力勞動。模式識別在20世紀60年代初迅速發展并成為一門新學科。在生物信息學方面，在高通量組學數據的處理、計算基因組學的研究、醫學群體遺傳學中的生物信息學、蛋白質功能結構與亞細胞定位上、生物分子網絡的構建與分析等方面有了重要進展。機器學習與數據挖掘方面，研究涉及提高學習系統泛化能力、樣本標記問題、降維與度量學習、數據挖掘、在視頻與圖像分析方面的應用。腦—機接口就是要實現生物腦與電腦之間的直接對話?；A理論研究與實驗研究并重是腦—機接口研究的重要特點。腦—機接口研究是一個全新的領域，許多方面的問題還有待于深入地研究。在醫學信息學、分子影像方面，多模態分子影像成像理論方法與關鍵技術、分子探針與藥物研發、分子影像驗證與應用是現在的研究熱點。

1.3 系統工程

系統工程是實現系統最優化的科學。系統工程的主要任務是根據總體協調的需要，把自然科學和社會科學中的基礎思想、理論、策略和方法等從橫的方面聯系起來，應用現代數學和電子計算機等工具，對系統的構成要素、組織結構、信息交換和自動控制等功能進行分析研究，借以達到最優化設計，最優控制和最優管理的目標。在工業過程建模方面，研究主要涉及過程建模方法與應用及面向高端應用的工業建模技術與軟件。在生產調度優化方面，隨著經濟全球化進程的加快和計算機技術的提升，結合實際生產背景的生產調度問題優化理論與方法成為自動化學科的研究熱點。公共安全應急管理決策的研究主要集中在公共安全應急決策的理論、方法和技術上。在信息服務的研究上，在服務組合、服務計算環境、服務部署與調度、服務計算模式/模型、數據集成等關鍵問題上都有了較大的進展。智能交通系統是解決目前城市交通擁堵、氣體和噪聲污染的主要途徑，目前主要的研究領域集中在先進交通分配和出行誘導技術、城市高速路與普通路網集成交通控制、交通分配與交通控制一體化研究以及交通信息獲取與服務系統的研制。

1.4 導航、制導與控制

導航、制導與控制學科一直突出為國防、航天服務的特色，注重理論與工程實際的結合，重視高素質人才的培養，建立起一支梯隊結構合理、學術方向穩定、能打“硬仗”的科研隊伍。半個世紀里，導航、制導與控制學科先后開辟出導航技術、飛行控制、精確制導等研究方向。在導航技術方面，研究涉及衛星導航、慣性導航及慣性基組合導航。在飛行控制方面，國內飛行控制研究領域取得了豐富的研究成果，在飛行控制理論的改進和完善、先進飛行控制技術的研究與探索以及飛行控制技術在航空器、航天器和臨近空間飛行器的應用方面都取得了長足的進展。在精確制導技術方面，研究的主要內容包括高精度導引控制技術和精確探測技術。高精度導引控制技術主要體現在制導控制規律的設計方面，而精確探測技術主要體現在各類導引系統探測技術的發展史上。

1.5 檢測技術與自動化裝置

檢測技術與自動化裝置是將自動化、電子、計算機、控制工程、信息處理、機械等多種學科、多種技術融合為一體并綜合運用的復合技術，廣泛應用于交通、電力、冶金、化工、建材等各領域自動化裝備及生產自動化過程。檢測技術與自動化裝置的研究與應用，不僅具有重要的理論意義，符合當前及今后相當長時期內我國科技發展的戰略，而且緊密結合國民經濟的實際情況，對促進企業技術進步、傳統工業技術改造和鐵路技術裝備的現代化有著重要的意義。在檢測技術上，超導材料、稀土功能材料等功能材料新領域，功能陶瓷材料的研究開發取得了顯著進展，在低燒磁料和賤金屬電極上形成了自己的特色并實現了產業化。在動態系統的故障診斷技術方面，研究涉及基于模型的故障診斷技術及基于數據的故障診斷方法。

2 我國控制科學與工程學科發展趨勢與展望

2.1 人才的培養和支持

由于我國控制科學與工程專業的畢業生長期以來供不應求，目前，設置該專業的院校逐漸遞增。要注重培養學生的動手能力，多和實踐結合，走出應試教育的桎梏。需要有人才成長的土壤，盡可能為科研人員提供良好的科研條件。需要加大國內外交流，提供交流的機會。總之，需要為人才的培養創造全方位立體的支持環境。

2.2 加大基礎理論投入

我國自動化學科的發展的劣勢主要是基礎理論投入不足，要想改進這一點，需要從國家層次上進行引導，制定相關政策，鼓勵科研院所和高校加大基礎理論研究，經濟允許的情況下加大資金投入，協調各個科研機構，發揮各單位優勢，爭取在基礎理論上取得重大突破。

3 結束語

數代人的持續努力，使我國的經濟保持高速增長的態勢。一個國家的發達程度往往和科技水平成正比，科技會促進社會經濟的發展，而經濟的發展又會對科技發展提供支持。隨著經濟的發展，我國對自動化學科的研究將更多的轉向基礎理論的研究和新興交叉方向的研究。也正是以此作為突破口，我國才更有可能在21世紀達到并且引領世界先進水平，成為自動化科技強國。

注：黑龍江省學位與研究生教育教學改革研究項目——自動化領域研究生培養質量保證體系研究與實踐資助；哈爾濱工程大學2012年教育教學改革研究項目——自動化特色專業建設的探索與實踐

參考文獻

[1] 中國科學技術協會.控制科學與工程學科發展報告.北京：中國科學技術出版社，2008.