仿生智能傳感技術(shù)在智能科學(xué)與技術(shù)本科教學(xué)中的專題講解

徐源，王偉，姜文娟，韓曉菊，門洪，劉晶晶

（東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林 132012）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)越來越多地滲透到計(jì)算機(jī)、通信、交通運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)、軍事、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，人類正在由信息時(shí)代向智能時(shí)代前進(jìn)。在這種背景下，眾多國家紛紛將智能化發(fā)展作為奪取新一輪制高點(diǎn)的重要目標(biāo)，智能科學(xué)與技術(shù)水平已經(jīng)成為一個(gè)國家綜合國力和科技實(shí)力的重要標(biāo)志，推進(jìn)智能科學(xué)技術(shù)專業(yè)教育，培養(yǎng)高層次智能科學(xué)與技術(shù)人才正當(dāng)其時(shí)[1－2]。

智能科學(xué)技術(shù)的發(fā)展把整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域推向“智能化”的高度，隨著仿生科技的進(jìn)步，這種智能化越來越注重實(shí)現(xiàn)擬人的感受和判斷，仿生智能傳感已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)。為了更好地完善智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系建設(shè)，培養(yǎng)高層次智能科學(xué)與技術(shù)人才，我們本著將現(xiàn)有技術(shù)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的原則，將我校現(xiàn)有的仿生智能傳感技術(shù)儀器引入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，提高學(xué)生運(yùn)用智能科學(xué)與技術(shù)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

1 智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)內(nèi)涵

智能科學(xué)與技術(shù)的任務(wù)是理解自然智能的工作機(jī)理，探索自然智能機(jī)理的模擬理論與方法，創(chuàng)造智能機(jī)器，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展。它的學(xué)科內(nèi)涵是知識(shí)創(chuàng)建和策略生成，其具體定位如圖1所示[3]。

根據(jù)智能科學(xué)與技術(shù)在電力背景下研究任務(wù)的不同，可以將其涵蓋的內(nèi)容劃分為智能科學(xué)、智能技術(shù)、智能工程三個(gè)層次。

（1）智能科學(xué)：在電廠方面主要任務(wù)是建立人機(jī)結(jié)合系統(tǒng)理論，模擬人的思考方式，進(jìn)行有效的智能決策與分析。

圖1 智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)科內(nèi)涵

（2）智能技術(shù)：創(chuàng)建人機(jī)結(jié)合智能系統(tǒng)所需要的方法、工具和技術(shù)，在智能科學(xué)學(xué)科框架內(nèi)對(duì)電廠中的儀器設(shè)備進(jìn)行檢修。

（3）智能工程：運(yùn)用智能科學(xué)的理念和思想，并充分利用智能技術(shù)工具，創(chuàng)建各種電廠中的控制系統(tǒng)。

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)與自動(dòng)化專業(yè)的主要區(qū)別在于前者側(cè)重智能，后者側(cè)重自動(dòng)，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)涵蓋自動(dòng)化專業(yè)的一部分課程，如數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理、控制原理等，它是基于自動(dòng)化專業(yè)學(xué)科建設(shè)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。

其中，智能傳感是智能科學(xué)與技術(shù)區(qū)別于自動(dòng)化的重要標(biāo)志。智能傳感技術(shù)更側(cè)重于智能化，而自動(dòng)化專業(yè)已有的傳感器相關(guān)課程，主要側(cè)重于各種傳感器件的介紹，即智能是幫助人們把信息提煉成相應(yīng)的知識(shí)并升華為智能策略，控制是幫助人們把智能策略轉(zhuǎn)換成智能行為來解決問題。近年來隨著仿生學(xué)的迅速發(fā)展，仿生學(xué)在各種智能傳感器中的應(yīng)用越來越多，仿生智能傳感技術(shù)已成為目前一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)要求輸入的信息比較單一，而現(xiàn)代控制系統(tǒng)要智能感知周圍環(huán)境信息的變化，要面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)視覺的、聽覺的、嗅覺的等各種形式的信號(hào)，并將其作為輸入，進(jìn)行融合、分析和推理，再進(jìn)一步隨環(huán)境與條件的變化，采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略或行動(dòng)。傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制明顯無法實(shí)現(xiàn)此類要求，仿生智能傳感技術(shù)相比而言，則可以對(duì)電廠運(yùn)行方面所產(chǎn)生的復(fù)雜性問題和不確定性問題提供很好的解決辦法，因此，將仿生智能傳感技術(shù)引入本科智能科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)中有著十分重要的意義。

2 基礎(chǔ)理論課程設(shè)置

仿生智能傳感技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)就是仿人的智能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜不確定系統(tǒng)的有效控制，要想模仿人的智能首先要模仿人的思維方式，因此必須研究人的思維形式和特點(diǎn)，開設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)理論課程，如腦與認(rèn)知學(xué)、人工智能基礎(chǔ)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、模式識(shí)別等；然后，結(jié)合關(guān)于智能傳感器介紹和應(yīng)用的課程，如智能控制、智能傳感器及其應(yīng)用、仿生智能傳感技術(shù)導(dǎo)論等，讓學(xué)生學(xué)習(xí)智能傳感技術(shù)的含義和發(fā)展，并對(duì)仿生學(xué)在各種智能傳感器中的應(yīng)用有一定的初步了解。

3 相關(guān)儀器的介紹和學(xué)習(xí)

在各種傳感器的應(yīng)用中，人們通過對(duì)生物體自身的各種感知如視覺、嗅覺、味覺等進(jìn)行模擬，使得多種傳感器具有某些生物的特性和功能，研制出了可以自動(dòng)獲取、處理信息，并能模仿人類思維的儀器，這就是仿生智能傳感技術(shù)的研究與應(yīng)用[4]。以下對(duì)本校先進(jìn)傳感技術(shù)研究所現(xiàn)有的幾種基于仿生智能傳感技術(shù)的儀器進(jìn)行相關(guān)介紹。

（1）電子眼。電子眼主要模擬生物眼睛的特征或功能對(duì)被測(cè)對(duì)象的輪廓形狀、色度、明暗度、位置距離等參數(shù)進(jìn)行采集、識(shí)別和判斷[5]。紅外熱成像儀就屬于紅外電子眼的一種，它主要是利用對(duì)物體表面紅外輻射的強(qiáng)弱進(jìn)行探測(cè)，給出物體表面形狀輪廓和溫度分布情況，紅外圖像的亮暗反映出物體表面溫度的高低，通過對(duì)物體表面溫度及溫度場(chǎng)的檢測(cè)便可以判斷設(shè)備是否存在缺陷。

（2）電子鼻。人工嗅覺仿生系統(tǒng)又稱為“電子鼻”，是模擬人類嗅覺系統(tǒng)工作機(jī)理而設(shè)計(jì)開發(fā)的一種由一定選擇性的電化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)模式識(shí)別系統(tǒng)組成的儀器，能識(shí)別簡(jiǎn)單或復(fù)雜氣體并進(jìn)行定性定量分析[6]。我們可以根據(jù)不同待測(cè)樣本的揮發(fā)性物質(zhì)成分的不同，對(duì)氣敏傳感器陣列進(jìn)行篩選來構(gòu)建適用于電廠內(nèi)部有毒有害氣體檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)，并在氣體濃度超標(biāo)時(shí)進(jìn)行報(bào)警，以減少電廠人員傷亡或財(cái)產(chǎn)損失。

（3）電子舌。電子舌是以人類味覺感受機(jī)理為基礎(chǔ)研究開發(fā)的一種新型現(xiàn)代化分析檢測(cè)儀器，通過傳感器陣列代替生物的味蕾味覺敏感細(xì)胞檢測(cè)樣品，經(jīng)系統(tǒng)的模式識(shí)別處理對(duì)樣品進(jìn)行定性或定量分析[7]。目前很多電廠排放的廢水中部分含有大量的重金屬，會(huì)嚴(yán)重污染地表和地下水，危及人類生命安全[8]，因此將電子舌系統(tǒng)應(yīng)用于電廠工業(yè)廢水中重金屬離子濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9]是非常必要的。

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中關(guān)于仿生智能傳感技術(shù)部分的專題講解要以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，擺脫單純“講授式”的課堂教學(xué)方法，將學(xué)生帶入配有多種仿生智能傳感儀器的實(shí)驗(yàn)室，將上述幾種仿生智能傳感儀器——電子眼、電子鼻、電子舌引入本科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)這些先進(jìn)儀器的原理和操作方法，激發(fā)學(xué)生探索科技的興趣，培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，同時(shí)也加深了他們對(duì)之前所學(xué)專業(yè)理論知識(shí)的理解。

4 考核方式

為了培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和應(yīng)用仿生智能傳感技術(shù)解決問題的能力，由任課老師布置相關(guān)的課題讓學(xué)生自行組織團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，各成員相互配合操作儀器完成數(shù)據(jù)采集、分析等，并根據(jù)課題研究成果撰寫學(xué)習(xí)小論文，最后在一定形式下進(jìn)行宣講、答辯，以便學(xué)生未來更好地應(yīng)用智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題。

5 結(jié)語

隨著智能化時(shí)代的到來，仿生智能傳感技術(shù)作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的核心、前沿和制高點(diǎn)，是各種智能化應(yīng)用的關(guān)鍵，將其引入智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的本科教學(xué)中對(duì)培養(yǎng)國家創(chuàng)新性人才和智能科學(xué)技術(shù)的騰飛有很大的推動(dòng)作用。我校充分考慮智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)的要求，將現(xiàn)有的仿生智能傳感技術(shù)相關(guān)的硬件設(shè)備引入學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以有效引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)理解理論知識(shí)，為以后更深入地學(xué)習(xí)及應(yīng)用智能科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)知識(shí)奠定良好基礎(chǔ)。

[1]羅娟，李智勇，李仁發(fā).智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系建設(shè)思考[J].計(jì)算機(jī)教育，2016(10):20-21.

[2]楊鵬，劉作軍，孫立雄，等.以前沿科技引領(lǐng)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容[J].計(jì)算機(jī)教育，2011(15):83-85.

[3]史忠植.智能科學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[4]趙芝齡，盧俊霖，樊尚春.傳感技術(shù)中的仿生與智能[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2011，31(4):42-48.

[5]毛曉波，陳鐵軍.仿生型機(jī)器視覺研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25(10):2903-2905.

[6]張海平，寧珂，潘云鵬，等.基于Labview的電子鼻系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(3):71-74.

[7]胡潔，李蓉，王平.人工味覺系統(tǒng)——電子舌的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，14(2):169-179.

[8]林珊珊，吳慕正，林馳前.燃煤電廠含重金屬廢水對(duì)水源的影響分析[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2015(3):55-57.

[9]門洪，孫佰順，何向國，等.基于LabVIEW的重金屬離子選擇電極分析系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(5):29-31.