機(jī)械電子與人工智能的發(fā)展及深度融合探析

曹穎

（山東省濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院，山東濟(jì)寧，272111）

機(jī)械電子與人工智能的發(fā)展及深度融合探析

曹穎

（山東省濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院，山東濟(jì)寧，272111）

機(jī)械電子與人工智能是智能時代的兩大主要應(yīng)用技術(shù)。闡述了兩者各自技術(shù)、理論和應(yīng)用特征，探索和分析了兩者融合的突破口，即機(jī)械電子工程的初步應(yīng)用需通過嵌入人工智能技術(shù)和方法等方可得以實現(xiàn)。人工智能不僅可優(yōu)化機(jī)械電子工程，也要在優(yōu)化過程中尋求“智能”的提升。兩者有機(jī)耦合將引領(lǐng)我國科學(xué)技術(shù)（工程）走向更高階段。

機(jī)械電子工程；人工智能；融合；優(yōu)化

引言

傳統(tǒng)機(jī)械工程主要對機(jī)械動力、工藝流程等內(nèi)容進(jìn)行研究，采用物理機(jī)械力矩等方法實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行。機(jī)械電子工程側(cè)重于傳統(tǒng)機(jī)械工程與電子信息技術(shù)的融合，主要目標(biāo)是實現(xiàn)電子控制、自動化和智能化，技術(shù)融合為機(jī)械制造發(fā)展開辟了新領(lǐng)域。

當(dāng)今智能化水平日趨提高，很多產(chǎn)品實現(xiàn)了智能化應(yīng)用操作，對機(jī)械電子工程應(yīng)用領(lǐng)域具有很大拓展，無人飛機(jī)、機(jī)器人等就是先進(jìn)代表。

本文對兩者進(jìn)行耦合研究，探討其產(chǎn)品或工程的發(fā)展前景。

1 機(jī)械電子工程

在上世紀(jì)40年代,全球科技研究掀起熱潮，技術(shù)快速進(jìn)步，實現(xiàn)了電磁學(xué)科、電與力等多領(lǐng)域交叉互動，能源得以廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了社會的進(jìn)步。在機(jī)械與電子融合工程初期，由于人們思想上受限于當(dāng)時計算機(jī)以及集成電路、軟件等技術(shù)，很多機(jī)械產(chǎn)品如汽車等都由傳統(tǒng)手工制作完成，電子含量極低，更談不上自動化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，利用電子信息技術(shù)手段提高了生產(chǎn)力，促進(jìn)了機(jī)械工程的發(fā)展[1]。目前機(jī)械電子工程技術(shù)的效率和水平已經(jīng)得到了大幅度提升，使得海洋開發(fā)、航天宇航等高精尖項目得以實現(xiàn)，機(jī)械電子技術(shù)融合達(dá)到極高水平。

機(jī)械電子工程是一門復(fù)雜的學(xué)科，實現(xiàn)了多學(xué)科的有機(jī)融合，是一種以機(jī)械、計算機(jī)和電子為核心，采用多模塊設(shè)計，旨在發(fā)揮各種技術(shù)的最大化優(yōu)勢的學(xué)科。機(jī)械電子工程主要以機(jī)械工程為核心，并借鑒了電子工程和計算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。

機(jī)械電子工程應(yīng)用的知識較多，其內(nèi)部機(jī)理越來越復(fù)雜，但是產(chǎn)品體積越來越小。主要利用一些傳統(tǒng)機(jī)械電子元件技術(shù)進(jìn)步，得益于元器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)行科學(xué)組合，以期發(fā)揮產(chǎn)品最大性能，減少資金浪費(fèi)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。機(jī)械電子工程產(chǎn)品外觀較簡單，物理體積小，產(chǎn)品內(nèi)部性能較高。

自動化生產(chǎn)線成為現(xiàn)實。機(jī)械電子工程與機(jī)械工程的融合，促進(jìn)了機(jī)械電子產(chǎn)品的流水線作業(yè)，提升了工作效率，在一定程度上提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，可以在短期內(nèi)將機(jī)械電子產(chǎn)品輸送到市場。但是由于我國很多生產(chǎn)線路都是從國外引進(jìn)的，生產(chǎn)模式與我國差距較大，很多產(chǎn)品都不能滿足當(dāng)前市場需求。為了促進(jìn)機(jī)械電子工程的發(fā)展，必須結(jié)合我國發(fā)展?fàn)顩r，實現(xiàn)人工智能與機(jī)械電子工程相融合，展示機(jī)械電子工程與人工智能的優(yōu)勢，最終實現(xiàn)產(chǎn)品智能化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

集約化程度越來越高。在科學(xué)技術(shù)的影響下，目前機(jī)械電子工程已經(jīng)成功進(jìn)入到集約化生產(chǎn)階段，成為目前加工制造業(yè)的主要發(fā)展模式，可以制造出柔性好[2]、靈活性強(qiáng)的產(chǎn)品，而且縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)時間，更好地適應(yīng)了當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。此階段生產(chǎn)的產(chǎn)品具有較高技術(shù)含量，提升了企業(yè)的核心競爭力。

2 人工智能技術(shù)

計算機(jī)控制系統(tǒng)是人工智能發(fā)展的基礎(chǔ)。從人工智能研究范圍來看，涉及的范圍較廣，第一要包括“人工系統(tǒng)”——即五官的系統(tǒng)，如語言識別、圖像識別和語音識別等專家系統(tǒng)等操作，還涉及心理學(xué)、信息論等學(xué)科；第二要包括“智能系統(tǒng)”，就是用計算機(jī)、控制芯片等硬件，配合軟件系統(tǒng)，結(jié)合機(jī)械力學(xué)、電磁感應(yīng)等內(nèi)容，形成智能系統(tǒng)。

人工智能實際上是心理語言知識和哲學(xué)理論知識以“機(jī)器人”、“無人機(jī)”等形式的體現(xiàn)，是一種提高機(jī)器工作效率、替代人操作的系統(tǒng)，已經(jīng)成為當(dāng)今最前沿的綜合系統(tǒng)。

從人工智能的發(fā)展來看，可以將其劃分為五個階段：

（1）萌芽階段。人工智能最早起源于上世紀(jì)五十年代[3]，以申農(nóng)為主的人員率先研究了機(jī)器模擬等問題，拉開了人工智能的序幕。此階段發(fā)展較緩慢，但是此階段的進(jìn)展給人工智能研究積累了大量經(jīng)驗。第一臺計算機(jī)的順利誕生給人們創(chuàng)造了新的研究角度，但依然沒有取得實質(zhì)性突破。所以不妨將此階段理解為經(jīng)驗積累階段，是今后智能化研究的堅實基礎(chǔ)。

（2）第一發(fā)展期。人工智能在上世紀(jì)60年代處于核心階段，主要進(jìn)行語言翻譯等操作。“人工智能”命題的提出促進(jìn)了其發(fā)展。此階段主要進(jìn)行基本證明，取得的最大化成果就是解放了人類思想，為今后研究提供了理論數(shù)據(jù)支持。

（3）瓶頸階段。上世紀(jì)70年代科學(xué)家反復(fù)研究后發(fā)現(xiàn)，機(jī)器模仿人類思想是一個較大的系統(tǒng)，現(xiàn)有理論根本無法進(jìn)行研究。

（4）第二發(fā)展期。人工智能和實際生產(chǎn)實現(xiàn)了結(jié)合，促進(jìn)了人工智能的發(fā)展，使其進(jìn)入到知識層面研究[4]。此階段中的很多人工智能成果已經(jīng)成功應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域中。

（5）平穩(wěn)階段。隨著科學(xué)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人工智能開始成為分布式主體，促進(jìn)了其進(jìn)一步發(fā)展。

人工智能是一種擴(kuò)展人類思維的技術(shù)，“專家系統(tǒng)”是計算機(jī)、元器件、控制、機(jī)械、系統(tǒng)工程等領(lǐng)域技術(shù)大融合的產(chǎn)品，可以幫助人們、乃至替代人們完成操作、控制、解決實際問題，是一門發(fā)展前景光明的學(xué)科。

3 融合探析

3.1 控制重點

隨著信息化社會的發(fā)展，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始滲透到人們生活生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為信息傳輸?shù)闹匾浇?，也在一定程度上改變了人們的生活方式，為機(jī)械電子工程技術(shù)創(chuàng)造了新的發(fā)展機(jī)會。人工智能的加入，更是給機(jī)械電子工程提供了更廣闊的發(fā)展舞臺，這是因為傳統(tǒng)機(jī)械電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，尤其是數(shù)據(jù)量增加時，無法使用人工方式處理信息，必須及時采用一些信息技術(shù)進(jìn)行處理。人工智能首先利用構(gòu)建和控制模型等操作處理信息，再對信息故障問題進(jìn)行診斷分析。此外，人工智能還可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊推力等兩種系統(tǒng)詳細(xì)全面地描述系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而科學(xué)合理地完成相關(guān)操作。二者融合應(yīng)用領(lǐng)域很廣，本文以飛機(jī)地面控制系統(tǒng)為例，兩者的耦合具體應(yīng)用有以下三方面：

第一，機(jī)械電子工程的初步應(yīng)用需通過人工智能得以實現(xiàn)。傳統(tǒng)機(jī)械電子工程運(yùn)行非常不穩(wěn)定，尤其是在輸入和輸出等方面。所以，機(jī)械電子系統(tǒng)必須要建設(shè)一個規(guī)范的數(shù)據(jù)庫，采用數(shù)學(xué)方程驗證后再輸出。但是該種方法只能進(jìn)行簡單運(yùn)算，不能處理復(fù)雜問題。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，人們對計算機(jī)也提出了較高要求，只有實現(xiàn)人工智能與計算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合，才能占領(lǐng)大范圍和高速度優(yōu)勢，進(jìn)而處理復(fù)雜問題。例如飛機(jī)動力地面模擬系統(tǒng)就實現(xiàn)了兩者的結(jié)合，圖1為其系統(tǒng)工作原理圖。

圖1 飛機(jī)動力地面模擬系統(tǒng)工作原理圖

第二，人工智能要致力于優(yōu)化機(jī)械電子工程。人工智能可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理兩種方式及時描述數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)械電子工程的科學(xué)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊推理系統(tǒng)具有相輔相成的關(guān)系：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要進(jìn)行數(shù)字信號的接受和傳輸；模糊推理可模仿人腦，實現(xiàn)語言信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變。但這兩種方法也存在很大差異，各具自身的發(fā)展優(yōu)勢：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可利用分布式手段實現(xiàn)信息儲存操作，內(nèi)部各個神經(jīng)元均緊密相連，而且可承擔(dān)復(fù)雜的處理任務(wù)；模糊推理相對簡單一些，可以利用規(guī)則方式實現(xiàn)信息儲存。精確度方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更加靈活[5]。雖然以上兩種處理方式非常有效，但是進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)處理時，依然會遇到很多問題，所以必須實現(xiàn)兩種系統(tǒng)的融合，更加精確、詳細(xì)地完成信息處理和系統(tǒng)描述等操作。

第三，人工智能要在優(yōu)化機(jī)械電子工程的過程中尋求自身的升華。借助數(shù)學(xué)方程構(gòu)建模型，采用人工智能方式改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式，并將解析數(shù)學(xué)方程式應(yīng)用到機(jī)械電子工程中。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，電子工程比原有工程更加復(fù)雜，處理的問題難度更大，在分析和處理問題中，必須利用多種系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)造，實現(xiàn)信息的精確劃分。從機(jī)械電子工程角度分析，由于人工智能的實際應(yīng)用存在較大差異，所以還不能精確描述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此構(gòu)建系統(tǒng)資料庫時，必須及時進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，避免任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題阻礙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建和機(jī)械電子工程的發(fā)展。為了保證機(jī)電工程系統(tǒng)的順利開展，還要及時改進(jìn)工作方式，構(gòu)建完善的人工智能服務(wù)。此外，由于傳統(tǒng)機(jī)械電子工程系統(tǒng)不穩(wěn)定，信息量較大，僅采用人工方式操作難度和強(qiáng)度較大，所以必須利用可以進(jìn)行不同類別信息處理的技術(shù)。在此種發(fā)展環(huán)境下，人工智能技術(shù)給機(jī)械電子工程提供了較大支持，可以利用建立、控制模型等進(jìn)行信息處理，進(jìn)而更好地完成故障處理等操作。

3.2 操作重點

當(dāng)人工智能與機(jī)械電子工程互動應(yīng)用成為體系后，就可以顯著提高工作效率。

人工智能已被廣泛應(yīng)用到機(jī)械電子工程中，例如圖2所示為智能化電梯機(jī)械停車設(shè)備的系統(tǒng)操作圖，形成了穩(wěn)定的模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以利用兩者模擬人類思想，處理實際工作中遇到的各種工程應(yīng)用問題。此外，將人工智能應(yīng)用到機(jī)械電子工程中，還可以在應(yīng)用中不斷完善自身缺陷，給人工智能的發(fā)展創(chuàng)造了新途徑。

圖2 智能化電梯機(jī)械停車設(shè)備系統(tǒng)操作圖

從上述分析可知，機(jī)械電子工程和人工智能密切相關(guān)。一方面，由于人工智能在機(jī)械電子工程中的成功應(yīng)用，將為機(jī)械電子工程提供更多的發(fā)展機(jī)會，以促進(jìn)其發(fā)展。另一方面，人工智能在機(jī)械工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，必將為其提供一個新的發(fā)展路徑。

4 結(jié)束語

機(jī)械電子工程的形成，給傳統(tǒng)電子工程注入了新力量，已經(jīng)成為工作制造和生產(chǎn)的主要發(fā)展趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各學(xué)科之間不斷交融，知識深度不斷擴(kuò)展，為智能化機(jī)械電子工程的發(fā)展提供了較廣的發(fā)展空間。另外，智能化機(jī)械電子工程的生產(chǎn)效率也比較高，降低了生產(chǎn)成本。本文主要從機(jī)械電子工程與人工智能的特點及耦合兩方面分析了人工智能化機(jī)械電子工程在未來的發(fā)展趨勢，希望可供相關(guān)研究人員參考，提高我國人工智能技術(shù)發(fā)展水平。

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Status Quo and Thorough Coupling Investigation of Mechatronic Engineering and Artificial Intelligence

CAO Ying
(Jining No.1 People’s Hospitai, Jining, Shandong,272111, China)

Mechatronic engineering and artificial intelligence are two leading technologies in the smart era. Starting from the concept and status quo of them, their respective characteristics are expounded for further exploration and analysis of breakthrough of their coupling: a preliminary application of mechatronic engineering should be realized through artificial intelligence; artificial intelligence is committed not only to the optimization of mechatronic engineering, but also seeking on its sublimation in the optimization process. The organic coupling of them trends to lead to higher stage of science and technology in China.

Mechatronic Engineering; Artificial Intelligence; Coupling; Optimization

P756.6

A

2095-8412 (2016) 06-1303-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.068

曹穎(1976-)，女，網(wǎng)絡(luò)工程師。研究方向：機(jī)械電子工程。