淺談自動(dòng)控制理論在人工智能中的應(yīng)用

焦建霖

摘要：近來，自動(dòng)控制理論在人工智能工程實(shí)踐中迅速發(fā)展，本文綜合分析了自動(dòng)控制理論和人工智能的概念、研究方法、發(fā)展方向及二者間的關(guān)系，進(jìn)一步舉例分析了自動(dòng)控制理論在人工智能的應(yīng)用，如軟件流程自動(dòng)化技術(shù)（RPA）和機(jī)器人行為控制技術(shù)。通過上述分析能夠理清二者間各自的發(fā)展脈絡(luò)及相互交叉，從而有助于從事控制理論和人工智能的科研人員進(jìn)行參考和研究，進(jìn)一步發(fā)展交叉學(xué)科的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制理論; 人工智能; 軟件流程自動(dòng)化; 機(jī)器人行為控制技術(shù); RPA

隨著人工智能的快速發(fā)展，自動(dòng)控制理論在人工智能中的應(yīng)用日趨廣泛，逐漸形成了一門自動(dòng)控制和人工智能交叉的智能控制學(xué)科。無論是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，還是機(jī)器人的開發(fā)應(yīng)用都需要自動(dòng)控制理論的理論基礎(chǔ)。因此本文嘗試對(duì)自動(dòng)控制理論和人工智能的結(jié)合進(jìn)行總結(jié)，從而牽引出自動(dòng)控制理論在人工智能中的應(yīng)用。

一、自動(dòng)控制理論簡述

1.自動(dòng)控制概念

自動(dòng)控制理論是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制理論是以反饋控制為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)理論，使受控制的對(duì)象按照預(yù)期的規(guī)律進(jìn)行變化。

為了實(shí)現(xiàn)多樣化的控制目的，首先將被控對(duì)象和控制裝置有機(jī)地結(jié)合起來形成一個(gè)整體，這個(gè)整體稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，輸出量是要求被嚴(yán)格控制的物理量，一般要求它保持在一定誤差限內(nèi)，如角速度、迎角;而控制裝置是對(duì)輸出量施加控制的機(jī)構(gòu)，可以采用多種方式、不同原理進(jìn)行控制。

2.自動(dòng)控制理論發(fā)展歷程

隨著生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，自動(dòng)控制技術(shù)也在不斷發(fā)展，尤其是自動(dòng)控制在人工智能中的應(yīng)用，更是反向推動(dòng)著自動(dòng)控制理論的更新?lián)Q代。自動(dòng)控制理論的發(fā)展可概括為以下三段：

（1）經(jīng)典控制理論：主要研究線性定常系統(tǒng)，利用線性常微分方程來分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般只研究系統(tǒng)的外部特性即單輸入單輸出特性。具有代表性的研究方法是頻率分析法和根軌跡法;

（2）現(xiàn)代控制理論：在原有經(jīng)典控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究多輸入多輸出問題，一般使用狀態(tài)空間的時(shí)域分析法。在此階段，計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用為現(xiàn)代控制理論打下了應(yīng)用的基礎(chǔ)，滿足了分析復(fù)雜問題的嚴(yán)格要求。具有代表性的研究方法是動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論、極大值原理和多變量最優(yōu)理論，狀態(tài)空間方法的核心部分就是最優(yōu)化理論;

（3）智能控制理論：是近年發(fā)展起來的人工智能與自動(dòng)控制理論的結(jié)合，它主要針對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中被控對(duì)象、控制任務(wù)和各項(xiàng)參數(shù)的復(fù)雜性，核心是利用人工智能的成果指導(dǎo)和解決控制系統(tǒng)中的復(fù)雜問題，比如模型的不確定性、傳遞函數(shù)的高度非線性、參數(shù)的龐雜性等。具有代表性的方法是模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家系統(tǒng)控制。

3.自動(dòng)控制理論發(fā)展現(xiàn)狀與前景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、電力、航空航天等領(lǐng)域，并逐步向醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)管等其他社會(huì)領(lǐng)域擴(kuò)展，給各個(gè)學(xué)科的相互交叉打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

自動(dòng)控制理論的發(fā)展和應(yīng)用不僅給生產(chǎn)過程帶來自動(dòng)化、解放了人類的雙手，從而進(jìn)一步提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了勞動(dòng)條件，極大地促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展;而且給人類社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展人工智能、航空航天等高端科技奠定了基礎(chǔ)。

二、人工智能簡述

1.人工智能概念

人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延申和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，目的是分析人類智能和一些思維過程的性質(zhì)并通過機(jī)器模擬人類智能和思維，從而達(dá)到像人類一樣思考的目的，甚至可能超過人的智能。

人工智能雖然是計(jì)算機(jī)科學(xué)的分支，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其范圍，因而逐步發(fā)展成一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。人工智能涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)、語言學(xué)和哲學(xué)等廣泛學(xué)科，它和思維科學(xué)是實(shí)踐與應(yīng)用的關(guān)系，處于思維科學(xué)的技術(shù)應(yīng)用層面。目前人工智能在機(jī)器人、政治經(jīng)濟(jì)決策、控制系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2.人工智能主要研究方法

2.1大腦模擬（The human brain simulation）

使用數(shù)學(xué)分析方法和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行研究和模擬，從研究神經(jīng)元的物理模型、交互關(guān)系和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，到腦組織和神經(jīng)類型的量化計(jì)算等，從而闡明心理歷程的神經(jīng)機(jī)制。

主要研究問題有：神經(jīng)活動(dòng)的基本過程：研究神經(jīng)元離子通道及其調(diào)控、突觸傳遞及其調(diào)控、神經(jīng)元受體及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、神經(jīng)活動(dòng)的同步機(jī)理;學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)機(jī)制：神經(jīng)系統(tǒng)因活動(dòng)和環(huán)境等因素的作用而在結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生改變，這種改變是學(xué)習(xí)和記憶等高級(jí)腦功能的基礎(chǔ)。研究產(chǎn)生這種可塑性、特別是神經(jīng)突觸的可塑性的機(jī)制以及學(xué)習(xí)規(guī)則。研究神經(jīng)元回路信息編碼及加工機(jī)理。

2.2子符號(hào)法（sub-symbol method）

由于上世紀(jì)八十年代人工智能的停滯不前，研究者開發(fā)了子符號(hào)法來解決符號(hào)系統(tǒng)無法模仿人類智能的特定問題。研究者提出在人工智能中引入控制理論，否定了符號(hào)人工智能而專注于機(jī)器人移動(dòng)等工程問題。子符號(hào)法主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和進(jìn)化計(jì)算等方法。

2.3聯(lián)結(jié)主義（connectionism）

聯(lián)結(jié)主義的指導(dǎo)性啟示和主要靈感來自大腦或神經(jīng)系統(tǒng)，它把認(rèn)知看成是網(wǎng)絡(luò)的整體活動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)是個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，它由類似于神經(jīng)元的基本單元和結(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)單元都有不同的活性。隨著時(shí)間的衰減，外部輸入和其他單元的活性傳遞都會(huì)使一個(gè)單元的靜息活性發(fā)生動(dòng)態(tài)的改變。聯(lián)結(jié)主義賦予網(wǎng)絡(luò)以核心性的地位，采納分布表征和并行加工理論，強(qiáng)調(diào)的是網(wǎng)絡(luò)的并行分布加工，注重的是網(wǎng)絡(luò)加工的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。聯(lián)結(jié)主義的中心原則是：心理現(xiàn)象可以用簡單且單位一致的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來描述。連接和單元的形式對(duì)于不同的模型可以是不同的。例如，網(wǎng)絡(luò)中的單位可以代表神經(jīng)元，而連接可以代表人類大腦中的突觸

3.人工智能發(fā)展現(xiàn)狀與前景

第四次工業(yè)革命正在來臨，人工智能已經(jīng)從科幻走向現(xiàn)實(shí)。隨著核心算法的突破、計(jì)算能力的迅速提高以及海量互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的支撐，人工智能終于在21世紀(jì)的第二個(gè)十年里迎來質(zhì)的飛躍，成為全球矚目的科技焦點(diǎn)。

人工智能未來發(fā)展的五大趨勢：自主事物使用AI來執(zhí)行傳統(tǒng)意義上人類才能執(zhí)行的事務(wù)，如無人機(jī)、自動(dòng)駕駛車輛等;大數(shù)據(jù)分析使用自動(dòng)算法來探索和挖掘數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)任務(wù)的自動(dòng)化，從而給現(xiàn)實(shí)決策提供指導(dǎo);人工智能驅(qū)動(dòng)開發(fā)將AI嵌入到應(yīng)用程序中并使用AI作為開發(fā)過程中創(chuàng)建AI驅(qū)動(dòng)的工具、技術(shù)和方法，如專家系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)等;智能空間是將科學(xué)技術(shù)集成于日常生活中，并結(jié)合商業(yè)、工業(yè)等對(duì)智能城市進(jìn)行設(shè)計(jì);量子計(jì)算是一種非經(jīng)典計(jì)算，它基于亞原子粒子的量子態(tài)，它將信息表示為量子位或“量子位”的元素，從而獲得遠(yuǎn)超常規(guī)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。

三、基于自動(dòng)控制理論的人工智能應(yīng)用

1.軟件流程自動(dòng)化技術(shù)（RPA）

RPA，即Robotic Process Automation（軟件流程自動(dòng)化），是指用自動(dòng)控制理論代替在各個(gè)行業(yè)中本來是由人工操作計(jì)算機(jī)完成的工作。它讓軟件機(jī)器人自動(dòng)處理大量重復(fù)的、基于某種設(shè)定規(guī)則的工作流程任務(wù)。比如：在企業(yè)的業(yè)務(wù)流程中，通常有紙質(zhì)文件錄入、證件票據(jù)驗(yàn)證、從電子郵件和文檔中提取數(shù)據(jù)、跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)遷移、企業(yè)IT應(yīng)用自動(dòng)操作等......軟件機(jī)器人能準(zhǔn)確快速完成這些工作，能減少人工錯(cuò)誤、確保零失誤、提高效率、大幅度降低運(yùn)營成本。 RPA依靠先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，極大減少了開發(fā)成本和開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部跨系統(tǒng)及工作流程的自動(dòng)化工作，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)降低了成本。

RPA軟件自動(dòng)化腳本類似于軟件自動(dòng)化測試的腳本，軟件自動(dòng)化測試的腳本在操作應(yīng)用出現(xiàn)異常時(shí)只要記錄錯(cuò)誤信息并截屏。RPA的腳本則要求進(jìn)行反饋處理，針對(duì)流程中所有可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行一定的反饋，從而提高流程運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，RPA還要添加更多的檢查點(diǎn)，以確保每個(gè)流程執(zhí)行無誤。RPA腳本應(yīng)用在成熟的系統(tǒng)之上，一旦構(gòu)建完成且穩(wěn)定運(yùn)行，就可以做到盡量不修改。RPA中自動(dòng)控制理論的應(yīng)用還包括對(duì)象識(shí)別，通過對(duì)象直接操作元素，從而達(dá)到避免用圖像識(shí)別的目的，因?yàn)閳D像識(shí)別的腳本不易維護(hù)。但有時(shí)由于RPA應(yīng)用類型多樣化，采用對(duì)象識(shí)別有時(shí)不能在所有的應(yīng)用上工作，而且工作后一般不修改，所以這時(shí)采用圖像識(shí)別的較好。

2.機(jī)器人行為控制技術(shù)

以自動(dòng)控制理論在機(jī)器人機(jī)械手位置控制的應(yīng)用為例。在工程實(shí)際中，上位機(jī)一般采用的是PC機(jī)，其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃、命令傳輸以及信息反饋;下位機(jī)一般采用的是MCS96單片機(jī)，其作用是定位機(jī)械手關(guān)節(jié)位置。微處理器控制系統(tǒng)的作用是與PC機(jī)進(jìn)行信息交換，進(jìn)而接受移動(dòng)關(guān)節(jié)的指令，并進(jìn)行即時(shí)進(jìn)行反饋。此外，這一系統(tǒng)還能夠?qū)﹃P(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)采用模糊控制方法，不僅能夠減小控制系統(tǒng)的誤差，還能夠提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，還有一種機(jī)器人由連桿和滾輪構(gòu)成，其在移動(dòng)過程中，主要依靠的是后補(bǔ)的兩條滾輪。在這里自動(dòng)控制理論的應(yīng)用就能夠很好地體現(xiàn)其價(jià)值，并在工程實(shí)際中減少系統(tǒng)誤差。

此外，行為控制技術(shù)在應(yīng)用過程中，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人行為計(jì)劃的有效操控。例如，在某個(gè)十字路口，若要對(duì)多個(gè)機(jī)器人的行為進(jìn)行控制，難免會(huì)存在沖突與協(xié)調(diào)的問題。在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過程中，自動(dòng)控制理論為其提供了分布式和集中式兩種行為模式。分布式行為模式一般過程是：首先對(duì)機(jī)器人所遇到的不同問題進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，然后設(shè)計(jì)機(jī)器人的行動(dòng)規(guī)則，采用分布式行為模式，控制機(jī)器人在行為過程中面對(duì)沖突區(qū)域采取避讓的方式，從而達(dá)到合理、有效地操控機(jī)器人行為計(jì)劃地目的。

四、結(jié)束語

總而言之，隨著自動(dòng)控制理論的深入發(fā)展，其在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣。自動(dòng)控制理論不僅可以應(yīng)用于機(jī)器人行為控制、人工智能驅(qū)動(dòng)，還可以應(yīng)用于其他人工智能領(lǐng)域的方方面面。自動(dòng)控制理論不僅能夠提高人工智能產(chǎn)業(yè)的準(zhǔn)確度和精度，還能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的智能化、自動(dòng)化。但是目前自動(dòng)控制理論還未普遍應(yīng)用于人工智能。因此，未來應(yīng)加大自動(dòng)控制理論在人工智能中的研究和應(yīng)用。

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