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作者簡(jiǎn)介：張志檁（1945-），男，河北衡水安平人，教授級高級工程師。畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)系，一直在石油化工戰線(xiàn)工作。曾任大慶石油化工總廠(chǎng)自動(dòng)化處車(chē)間副主任、自動(dòng)化研究室主任、信息中心主任，后調中國石化總部，先后任中國石化總公司經(jīng)通信息公司、中國石化總公司信息中心、中國石化集團公司信息中心副主任兼總工程師、中國石化股份有限公司信息系統管理部副主任。被國務(wù)院授予享受?chē)艺蛸N的有突出貢獻的國家工程技術(shù)專(zhuān)家。
先進(jìn)控制英文為Advanced Process Control，縮寫(xiě)為APC。日本和中國又稱(chēng)為高級過(guò)程控制等。但通稱(chēng)先進(jìn)控制或APC的為多。
1 控制
控制的英文單詞是control，來(lái)源于拉丁文contrarotular。Contra即對應、相反之意，rotular即回卷的東西。兩詞合并即反饋和控制的意思?？刂剖菫榫S持被控制對象的某些參數量在希望的目標范圍內，對其現狀和目標之間進(jìn)行正確地比較、判斷，對現狀進(jìn)行正確地連續地修正操作過(guò)程。
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控制作為一門(mén)科學(xué)是現代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。但作為一種現象是與人類(lèi)甚至于生物的誕生成長(cháng)為伴的。例如人走路需要維持平衡，這就是控制。起初都是手動(dòng)控制，后來(lái)才借助于機械、儀器、儀表甚至計算機[HJ]進(jìn)行自動(dòng)控制。對于將控制量和目標值的一致性用人的手工進(jìn)行比較、判斷和操作的場(chǎng)合，就是手動(dòng)控制。否則，就是自動(dòng)控制。自動(dòng)控制的基礎是反饋控制（Feedback Control），以反饋控制為代表的控制方法一起構成了經(jīng)典控制。經(jīng)典控制論把可以表達為稱(chēng)作傳遞函數的線(xiàn)性輸入輸出系統作為主要研究對象，并評價(jià)其調節頻率響應的有關(guān)理論。該理論在20世紀50年代已經(jīng)形成體系。其原理如圖2所示。
圖2 反饋控制原理示意圖
人總是有欲望和追求的。就自動(dòng)控制而言，可以追溯到公元前。公元前250年，希臘人古特西畢奧斯發(fā)明的水力計時(shí)器就是一種反饋控制的雛形?，F在的控制技術(shù)產(chǎn)生則比其拖后了2000年。即1778年瓦特（J.Watt）的蒸汽機關(guān)調節器（Flyball Governor）。對這個(gè)調速器的動(dòng)作原理解釋?zhuān)W(xué)研究，指明穩定控制的條件的則是麥克斯韋（Maxwell）在1868年發(fā)表的論文《On Governor》，并占據了控制理論起源的重要位置。
進(jìn)入20世紀后的1922年，Minorsky提出了PID控制的設想。1936年，美國泰勒（Taylor）公司的Callender做出了PID參數調節器原型，由于缺少參數整定方法而不能實(shí)用。Ziegler和Nichole解決了這個(gè)問(wèn)題，使PID調節器開(kāi)始普及。在反饋控制中，大約有90%的是采用PID控制，即比例（P）積分（I）微分（D）控制。其傳遞函數式為：
y=KP〔e+1/TI∫edt+TDde/dt〕= KP .e+ KP /TI .∫edt+ KP .TD..de/dt〕
其中，KP.e為比例作用，KP /TI .∫edt為積分作用，KP .TD..de/dt為微分作用。
PID調節器能解決大部分控制問(wèn)題，所以一直到現在，盡管產(chǎn)生了不少新的控制理論和技術(shù)，但PID調節器一直占據應用的統治地位。
2 現代控制和先進(jìn)控制
相對于經(jīng)典控制論而言，現代控制論的特點(diǎn)是使用叫做狀態(tài)方程式的一階常微分方程來(lái)描述控制對象，運用力學(xué)等數學(xué)成果建立多輸入輸出的系統，解決反饋控制的穩定性、時(shí)間響應特性以及頻率響應特性等問(wèn)題的理論。從20世紀60年代開(kāi)始急速發(fā)展。
60-70年代最先出現了最優(yōu)反饋控制器和最優(yōu)調節器（Optimal Regulator）等成果。當時(shí)主要是石油化工急需解決多變量的過(guò)程控制以及軍事方面實(shí)現動(dòng)態(tài)設定定制的跟蹤控制問(wèn)題，作為學(xué)術(shù)界的主要研究對象就定為優(yōu)化控制和自適應控制，然而不能滿(mǎn)足需要。這樣，就催生了模型預估控制。其黎明期的主要貢獻者是ADERSA公司的Dr.Jacques Richalet和DMC公司的Dr.Cutler兩位博士。Dr.Jacques Richalet 1968年到ADERSA公司，最初的模型預估軟件PFC/IDCOM于1973年發(fā)表，1974年在鍋爐、反應器、蒸餾塔等環(huán)節應用，其成果在1978年的《Automatica》上發(fā)表，這是模型預估控制最早的論文。
進(jìn)入80年代后，主要實(shí)施小規模的模型預估控制。以線(xiàn)性系統為對象的現代控制論趨于成熟。同時(shí)提出了對模型誤差進(jìn)行有效設計，即魯棒性控制（Robust Control）問(wèn)題。其中，最成功的理論就是控制對象的模型不確定時(shí)而能對干擾進(jìn)行有效抑制的H∞控制、有限時(shí)間整定控制等。以及后來(lái)的非線(xiàn)性系統、自適應控制、狀態(tài)遷移系統、混和系統論（Hybrid System）、知識工程、模糊控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )等都豐富了現代控制理論。經(jīng)典控制與現代控制比較如表1。
表1 經(jīng)典控制與現代控制比較
殼牌公司有近30年應用APC的歷史，也可以說(shuō)是應用APC的先驅。當時(shí)殼牌的三個(gè)技術(shù)中心共同尋找到基于模型的預估工具（Model-based predictive tools）即APC是實(shí)現自動(dòng)在線(xiàn)控制的好技術(shù)，并開(kāi)始開(kāi)發(fā)殼牌的多變量?jì)?yōu)化控制器（Sell multivariable optimizing controller）。第一個(gè)應用項目是在位于荷蘭的波尼斯（Pernis）煉油廠(chǎng)的減壓裝置。目標是在一定邊界條件下，使潤滑油組分產(chǎn)量最大，收率最高。投用后年效益達50萬(wàn)美元。另一個(gè)最早的項目是位于阿曼的天然氣處理廠(chǎng)。投用后提高LNG產(chǎn)量1～2%。30年來(lái)，APC已經(jīng)給殼牌帶來(lái)了高附加值。其結構原理、控制效果如圖3-1，2，3，4所示。
圖3-1 簡(jiǎn)化了的APC結構
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圖3-3新老控制器的控制平穩率比較
圖3-4 APC基于平穩、精確控制的卡邊控制機理
在1989年，由PFC（Predictive Functional Control，模型預估控制）提升擴展到PPC（Parametric Predictive Control），1998年將PFC組裝到PLC的程序庫中。PFC的應用領(lǐng)域擴展到軍事、汽車(chē)制造、冶金、化學(xué)等多個(gè)方面。就連埃菲爾（Eiffel）鐵塔的升降機和激光制導焰火彈都是使用模型預估控制。應用范圍之廣出乎所料。近幾年，關(guān)于模型預估控制的研究極為活躍。但是其觀(guān)點(diǎn)與過(guò)去大相徑庭，包括混合系統（Hybrid System），控制理論界有極高的興趣。另一方面，Dr.Jacques Richalet還在致力于普及PFC應用，同時(shí)也關(guān)注新的研究動(dòng)向。而PFC的特點(diǎn)是集中目標解決工業(yè)領(lǐng)域采用最一般的PID控制手段解決不了的問(wèn)題，做成避開(kāi)復雜的算法，降低計算負荷，現場(chǎng)安裝容易、控制參數物理意義明確、調整方便的軟件包。
到90年代，發(fā)表了大規模模型預估控制和用于優(yōu)化的非線(xiàn)性預估控制技術(shù)。進(jìn)入21世紀，世界級的石油化工公司出現了大量在線(xiàn)優(yōu)化的成功案例，間歇過(guò)程批量生產(chǎn)的反應器的模型預估控制也開(kāi)始應用，大規模預估控制功能也在進(jìn)一步加強。
優(yōu)化（OPT）技術(shù)在石化業(yè)的應用已有近50年歷史。這方面的第一篇論文是1956年發(fā)表在美國控制工程雜志（Control Engineering Magazine）上，而第一個(gè)在線(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化項目的商業(yè)實(shí)施是在1957年于美國德州煉油廠(chǎng)。如今全球已有300個(gè)以上的應用案例。OPT的地位、效果如圖4所示。
圖4 工廠(chǎng)優(yōu)化控制的集成層次及APC、OPT的地位
為什么有了先進(jìn)控制還需要實(shí)時(shí)優(yōu)化呢？因為先進(jìn)控制控制范圍小，只是基于現場(chǎng)階躍實(shí)測數據建立經(jīng)驗數學(xué)模型，再利用線(xiàn)性規劃優(yōu)化。而要想整個(gè)裝置乃至全流程優(yōu)化則必須立足于嚴格機理模型的實(shí)時(shí)優(yōu)化。其對比如表2所示。
3 APC的應用領(lǐng)域
APC和MPC幾乎是同義語(yǔ)。因為MPC是APC目前的主要應用類(lèi)型?，F就其應用分類(lèi)簡(jiǎn)述一下。
（1）石油煉制、石油化工、化學(xué)工業(yè)
在該行業(yè)導入MPC的目的不只是過(guò)程穩定，還有節能（燃料、蒸汽、公用工程耗量消減）、節省資源、提高產(chǎn)量等。在常減壓、流化催化裂化、加氫精制、PTX、乙烯、合成氨、尿素、單體設備、電解設備、聚合物工廠(chǎng)動(dòng)力設備等都有大量應用。同時(shí)實(shí)施MPC與單元裝置優(yōu)化、多裝置優(yōu)化、嚴密模型在線(xiàn)優(yōu)化。
（2）發(fā)電廠(chǎng)
多為實(shí)施由發(fā)電設備供應商獨自技術(shù)開(kāi)發(fā)的MPC。適用于由過(guò)熱器到整個(gè)工廠(chǎng)，適用于包含控制模型的蒸汽溫度預測控制系統。將動(dòng)態(tài)特性滯后時(shí)間長(cháng)的燃料系統和滯后時(shí)間短的噴嘴系統分開(kāi)控制，大幅提高控制性能。
（3）冶金過(guò)程
為了維持高爐的平穩操作，使用人工智能方法，開(kāi)發(fā)將優(yōu)秀操作員的思維過(guò)程變?yōu)橹R庫的專(zhuān)家系統，用于高爐的監督控制。連續鑄造機械的鑄型內港水液位采用H∞控制、自適應控制和模型預估控制等。
（4）水泥業(yè)
多用模糊推理、模糊控制等。例如在原料調和控制系統應用MPC，作為5種原料成分組成變動(dòng)的干擾抑制對策，還用于燃料流量、空氣流量、回轉窯轉數等控制上。
（5）煉膠爐
各橡膠設備供應商一般獨自開(kāi)發(fā)多變量預估控制器，用于流動(dòng)床煉膠爐。為穩定瓦斯熔融爐的鍋爐蒸汽發(fā)生量、砂層溫度、爐內溫度等，操作給料機速度、主蒸汽閥開(kāi)度、加入空氣量等。也應用模型預估控制解決其滯后和干擾問(wèn)題。
（6）上下水道
應用MPC和實(shí)時(shí)優(yōu)化解決脫氮、脫硫等水質(zhì)控制問(wèn)題。
（7）空調控制
使用模型預估控制和數學(xué)規劃法解決溫度控制問(wèn)題。
表2 實(shí)時(shí)優(yōu)化與先進(jìn)控制技術(shù)對比
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比較項目 |
實(shí)時(shí)優(yōu)化 |
先進(jìn)過(guò)程控制 |
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數學(xué)模型
是否要求過(guò)程處于穩態(tài)
最優(yōu)化算法
最優(yōu)化計算結果
計算頻度
建模難易
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穩態(tài)化學(xué)工程模型
要求穩態(tài)
非線(xiàn)性數學(xué)規劃
全局優(yōu)化苛刻控制
低頻－事件驅動(dòng)
從裝置到工場(chǎng)范圍
模型復雜 |
動(dòng)態(tài)結構模型
動(dòng)態(tài)
線(xiàn)性規劃
局部?jì)?yōu)化、約束推進(jìn)式控制
人為設定，高頻席卷方法
從單元設備至工藝裝置
模型相對較簡(jiǎn)單 |
（8）生物工程
使用MPC解決發(fā)酵過(guò)程控制問(wèn)題。
（9）剛體運動(dòng)
應用MPC解決曲臂振動(dòng)等問(wèn)題。
（10）汽車(chē)產(chǎn)業(yè)
用于駕駛支持系統，燃料噴射裝置，空調等控制。
（11）醫療系統
用于全靜脈麻醉的麻醉度控制。實(shí)現在麻醉手術(shù)安全的前提下，麻醉的最小用量和盡早恢復。自動(dòng)測量患者的感覺(jué)，自動(dòng)維持補藥。解決藥物作用滯后問(wèn)題。
（12）軍事
用于導彈自動(dòng)操縱裝置、雷達天線(xiàn)跟蹤、導彈發(fā)射架、戰車(chē)炮塔、大炮炮塔、飛行器制導系統等。
4 APC在石化的應用
從國內外石化行業(yè)應用的經(jīng)驗證明，APC可以得到最大的邊際利潤（maximum margin），最小的公用消耗（Minimize Utility），最大限度的生產(chǎn)能力增長(cháng)（Maximize Throughput），保持最佳的運轉（Good Operation）和穩定的產(chǎn)品質(zhì)量（Stabilize Product Quality），是節能降耗、增產(chǎn)增效的優(yōu)良技術(shù)手段。國外APC運行遠比國內穩定，以日本富士石油為例，其APC平均投用率均達95%以上。APC應用的網(wǎng)絡(luò )配置體系架構（以DMC plus為例）如圖5所示。
圖5 APC應用的網(wǎng)絡(luò )配置體系架構：以DMC plus為例
國內外實(shí)踐的數據表明，每套大、中型生產(chǎn)裝置實(shí)施后的年增效益600～1000萬(wàn)元，投資回收期一般為6～10個(gè)月。國外石化廠(chǎng)在裝置改造時(shí)，將實(shí)施APC作為一項重要技術(shù)措施。在新建生產(chǎn)裝置時(shí)，先進(jìn)控制已成為標準配置。對平穩操作及卡邊控制的效果如圖6，7所示。
據統計，目前全球煉化企業(yè)實(shí)施APC有8000余套，估計未來(lái)5年APC技術(shù)需求還會(huì )以每年18%左右的速度增加。美洲、西歐、日本等發(fā)達地區或國家半數以上的生產(chǎn)裝置都實(shí)施了APC技術(shù)，美國90%的重點(diǎn)裝置已普及了APC。?？松梨?、殼牌、BP等公司已在單套生產(chǎn)裝置實(shí)施APC的基礎上，開(kāi)始實(shí)施區域優(yōu)化控制。即不僅用于主要生產(chǎn)裝置，而且用于輔助生產(chǎn)裝置；不僅用于生產(chǎn)界區，而且用于公用工程和油品罐區。如圖8所示。據Frost & Sullivan’s research 2007年的分析報告《Advanced Process Control Market》，APC全球市場(chǎng)2005已達6億多美元，2012年將達12億美元。
圖6 APC 應用控制效果圖
圖7 采用APC前后的操作頻度對比
圖8 公用工程APC應用圖例
以韓國現代石油為例，用了三年時(shí)間連續實(shí)施APC，基本實(shí)現在全廠(chǎng)的普及?，F代Oilbank公司APC成功關(guān)鍵要素是要有一個(gè)好的應用環(huán)境：有豐富的工藝知識和經(jīng)驗（Know-how）；有運行良好的DCS；有足夠的歷史數據、實(shí)時(shí)數據、LIMS數據；有供應商、工程實(shí)施商和操作員的密切結合；有高水平的維護隊伍；有良好的APC技術(shù)轉讓?zhuān)挥性鷮?shí)的操作員的培訓。
截至2004年底，我國石化行業(yè)重點(diǎn)生產(chǎn)裝置已超過(guò)100多套應用先進(jìn)控制技術(shù)。到2008年底，據不完全統計，中國石化已在20多家煉化企業(yè)實(shí)施100多套，中國石油已實(shí)施38套。國內重點(diǎn)實(shí)施先進(jìn)控制技術(shù)的煉油裝置有常減壓、重油催化裂化、蠟油催化裂化、連續重整、芳烴抽提、延遲焦化、加氫裂化、氣體分餾、環(huán)丁砜抽提、油品調和、硫磺回收、循環(huán)流化床鍋爐、空氣分離等?；ぱb置有乙烯裂解、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈、輕烴分離、丁二烯、苯乙烯、二甲苯分離、甲苯歧化、對二甲苯（PX）、PTA（精對苯二甲酸）、MTBE、氯乙烯、環(huán)氧乙烷/乙二醇、甲醇、丁辛醇、合成氨、聚甲醛、有機硅、純堿、制漿造紙等。
為了更好地做好APC的推廣工作，某集團公司對地區公司已實(shí)施的先進(jìn)控制系統的應用情況進(jìn)行了分析，2/3屬于運行良好。其投用率匯總如圖9所示。遠遠好于幾年前國內統計的1/3良好、1/3一般、1/3基本停用的局面。
圖9 某公司APC投用率分析
5 APC的發(fā)展
從功能看，MPC在朝著(zhù)功能增強、使用方便的方向發(fā)展。
（1）在線(xiàn)優(yōu)化
不但是石化業(yè)，就是上下水務(wù)系統都是模型預估控制的應用發(fā)展方向。在線(xiàn)優(yōu)化是基于過(guò)程系統工程利用嚴格模型進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化尋求最優(yōu)解。非常適用于像化學(xué)工業(yè)中的聚合物工程反應器一類(lèi)的非線(xiàn)性很強過(guò)程。在發(fā)達國家，鍋爐、透平、動(dòng)力設備運轉優(yōu)化的案例越來(lái)越多。動(dòng)力設備優(yōu)化的著(zhù)眼點(diǎn)是滿(mǎn)足生產(chǎn)運轉需求、考慮動(dòng)力負荷分配、生產(chǎn)條件約束，計算出總運行成本最低的運轉條件。一般用線(xiàn)性規劃、混合整數規劃等方法求解。
（2）模型及控制性能的評價(jià)與診斷
模型預估控制在投用后的一年時(shí)間內，經(jīng)歷各種運轉條件。而數年內，原料可能變化，產(chǎn)品品質(zhì)可能變化，產(chǎn)量也可能變化，裝置可能改造，甚至參與的人員可能流動(dòng)。但是，模型預估控制系統必須維系。因此必須有模型性能評價(jià)和診斷功能，減少分析控制不佳原因和參數評價(jià)的維護作業(yè)工作量。模型評價(jià)包括模型精度評價(jià)、模型誤差等級分析以及誤差趨勢分析和監控。
（3）性能管理
對指定期間的性能信息用EXCEL表形成報告。包括所有控制器的狀態(tài)等級，分別在控制器投用和停運的不同情況下控制變量、操作變量的平均值、標準偏差、平均穩態(tài)值等。
（4）軟儀表功能
是在線(xiàn)分析儀的代用和補充，實(shí)現在線(xiàn)連續及時(shí)的過(guò)程物性軟儀表分析監控。推斷模型一般是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的非線(xiàn)性模型和基于偏最小二乘法（PLS，Partial Least Squares Regression）回歸的線(xiàn)性模型。
（5）提高工廠(chǎng)試驗效率
為了保證控制性能，得到準確的動(dòng)態(tài)模型至關(guān)重要。在實(shí)際試驗中，試驗的步長(cháng)和操作期間將影響模型精度。使用工具自動(dòng)進(jìn)行試驗和自動(dòng)建模，以期減少開(kāi)發(fā)工時(shí)數，縮短試驗時(shí)間，提高試驗效率。
從應用上看，趨勢是APC與優(yōu)化技術(shù)集成應用，APC的應用領(lǐng)域已由連續過(guò)程擴展到間歇過(guò)程?？刂颇Ｐ陀芍行∫幠U張到大規模，從近似線(xiàn)性過(guò)程擴展到強非線(xiàn)性過(guò)程，運行和集成平臺呈現多樣化和通用化。
（1）大、小規模模型預估控制
石化領(lǐng)域的應用正向MPC和OPT在線(xiàn)優(yōu)化結合，以及大規模方向發(fā)展。模型大規?；姆较蛑皇桥c財務(wù)經(jīng)濟指標的結合?？紤]產(chǎn)品價(jià)格波動(dòng)、原料價(jià)格、燃料價(jià)格變動(dòng)，建立價(jià)格歷史數據庫，用最小二乘法建立時(shí)間序列模型，反映到工廠(chǎng)計劃中。小規模模型主要用于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)、醫療事業(yè)、家電產(chǎn)業(yè)、機械運動(dòng)控制、生物工程等。
（2）線(xiàn)性模型預估和非線(xiàn)性模型預估
石化業(yè)的多變量預估控制器屬于線(xiàn)性模型預估控制，而間歇反應器、聚合反應器屬于非線(xiàn)性模型預估控制。非線(xiàn)性模型預估控制開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)算法。復數裝置的優(yōu)化控制周期是2分鐘，而嚴格模型則為15～20分鐘。
（3）使用模型預估控制軟件包和自行開(kāi)發(fā)
石油化工界主要使用了1000多例Honeywell的Profit控制器，Profit優(yōu)化器和Profit Max，2500多例Aspen Tech公司的DMC Plus，以及Invensys公司的Connoisseur和YOKOGAWA和Sell公司的Exasmoc。間歇過(guò)程的是ADERSA公司的PCR。而其他領(lǐng)域多是自行開(kāi)發(fā)。
6 結語(yǔ)
（1）石化業(yè)是APC技術(shù)應用最早，而且普及最廣、效益最大的行業(yè)。世紀之交正是石油化工企業(yè)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵期，國外正在跨越由對局部集成到企業(yè)級的全局[JP+1]應用，最重要的技術(shù)則是APC和OPT，實(shí)現企業(yè)級、廠(chǎng)級控制（Enterprise Control）、高級預測（Advanced Forecasting）和多周期多廠(chǎng)優(yōu)化（Multi-period Multi-plant Optimization）。
（2）國外涌現了一大批APC軟件供應商，據2002年資料記載，西方國家有一定規模的APC軟件公司有45家，推出了312種軟件產(chǎn)品。目前在國內有影響的是ASPENTECH、Honeywell、Invensys、YOKOGAWA等。
（3）國內也有一批知名的APC技術(shù)研究單位、軟件提供商和實(shí)施服務(wù)商，研究單位有清華大學(xué)、浙江大學(xué)、石油大學(xué)、中國科技大學(xué)、華東理工大學(xué)、上海交大、北京化工大學(xué)、中科院自動(dòng)化所等；軟件提供商有浙大中控、北京利華益科技、清大華億、清大騰飛等；實(shí)施服務(wù)商有石化盈科、中石油蘭州自動(dòng)化院、中石油圣金橋等。
（4）我國工業(yè)領(lǐng)域APC的應用狀況總體上是石油化工界領(lǐng)先，但是與國外先進(jìn)水平相比仍有15～20年的差距，應處在起步階段。應該盡快從起步階段過(guò)渡到普及階段，進(jìn)而到提高階段，拓展階段。就國家而言，應該開(kāi)拓多種領(lǐng)域、多種行業(yè)的應用。
——轉自《自動(dòng)化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號