作者：上海交通大學(xué) 李少遠

近些年，自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)得到了長(cháng)足的發(fā)展，其背后的重要推手是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及我國對智能制造日益提高的需求。本文回顧了自動(dòng)化技術(shù)在網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的推動(dòng)下和智能制造引領(lǐng)下的發(fā)展歷程。

1　網(wǎng)絡(luò )化分布式系統

過(guò)去，我們所做的系統控制都是集中式控制，在網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不太發(fā)達的情況下，控制系統的結構與控制器的設計，都是基于一種集中式的控制，把所有的信息都集中在中央控制室，由集中式的控制算法把每個(gè)節點(diǎn)的控制量計算后再通過(guò)電纜線(xiàn)發(fā)送到現場(chǎng)端執行控制作用。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，控制系統規模越來(lái)越大，流程越來(lái)越復雜。自從有了控制網(wǎng)絡(luò )，控制系統回歸到系統的本質(zhì)——由單元素組成的分布式系統。由于現在的傳感器、執行機構、控制單元都可以做到智能化，并放置在本地的系統當中，組成了分布式系統。從原來(lái)集中式的控制方式，向著(zhù)分布式控制的方向轉變，控制系統的模式發(fā)生了根本性的變化。

1.1　過(guò)程工業(yè)大系統

分布式系統的主要特征有：

·  組成單元多、輸入輸出多；

·  空間分布廣；

·  相互關(guān)聯(lián)（能量、質(zhì)量、信息）；

·  模型復雜，約束多，目標多。

1.2　集中分散式控制系統

至上而下的系統結構：DCS；PLC；傳感器；變送器。

1.3　背景與意義

很多公司這些年已經(jīng)開(kāi)發(fā)了智能化的單元，包括傳感器、執行機構、控制單元，控制模式正在發(fā)生著(zhù)天翻地覆的、本質(zhì)的變化。我們以往對一些大規模的系統控制采用分層遞階式的控制結構，包括預測控制軟件，這種模式現在正在逐步向分布式的方向進(jìn)一步發(fā)展。

分散式和分布式結構控制的本質(zhì)區別，在于分散式的子系統與子系統之間的關(guān)聯(lián)，需要事先進(jìn)行建模。而分布式控制是在系統運行過(guò)程當中，通過(guò)信息的連接，不斷進(jìn)行子系統之間的信息交互。

網(wǎng)絡(luò )信息模式下分布式的控制系統針對的是底層的、大規模的物理系統。在此之上，我們構建了信息的網(wǎng)絡(luò )系統，也可稱(chēng)之為物理信息融合網(wǎng)絡(luò )，也就是CPS系統。

從學(xué)術(shù)界研究的領(lǐng)域來(lái)看，自動(dòng)化的發(fā)展方向正在從原來(lái)的集中式控制模式向分布式控制模式發(fā)展，其優(yōu)勢是控制方法更為簡(jiǎn)單。由此，分布式大系統的控制問(wèn)題引起了諸多關(guān)注：

（1）90年代大系統理論

（2）2008年9月歐盟第七框架啟動(dòng)

·  《Hierarchical and Distributed Model Predictive Control of Large-Scale Systems》
http://www.ict-hd-mpc.eu

（3）IEEE TAC, Automatica, JPC多篇關(guān)于工業(yè)大系統的文章：

·  W. B. Dunbar, IEEE TAC, 2007, 52,1249-1263.

·  J.B. Rawlings, et. al. JPC, 2008, 18, 839-845;H. Scheu, et. al. JPC, 2011. 21. 715-728.

·  M. Farina, et. al. Automatica, 2012, 48,1088-1096.

·  E. Camponogara, IEEE TAC, 2012. 57,804-809.

·  R. Scattolini, JPC, 2009, 19, 723-731,Comp. & ChEng, 2013, 51, 21-41.

（4）開(kāi)始嘗試應用于不同的流程工業(yè)

1.4　分布式控制方法成為未來(lái)發(fā)展的重要方向

分布式控制結構特點(diǎn)：

（1）控制系統提高過(guò)程的安全性、容錯性、可靠性

·  當個(gè)別子系統出現故障時(shí)對整體系統影響??；

·  對局部系統維護，而不需要關(guān)停全系統；

·  系統結構（增減子系統）調整方便。

（2）提高復雜算法的可實(shí)現性

·  并行計算，控制器計算量少；

·  算法實(shí)時(shí)性提高；

·  多目標、約束優(yōu)化。

（3）有助于形成智能化控制系統

·  分而治之、滿(mǎn)足不同類(lèi)型的子系統；

·  子系統自主控制；

·  子系統控制器“即插即用”。

（4）提高控制系統經(jīng)濟性

·  節省電纜線(xiàn)、設備制造維護費用；

·  提高復雜優(yōu)化算法的可實(shí)現性。

1.5　需要研究的問(wèn)題

從大規模的運算到小規模的運算，存在著(zhù)安全性、容錯性、可靠性的一些典型控制問(wèn)題。分布式系統需要研究的問(wèn)題有：

·  分布式系統的結構分析與系統劃分；

·  分布式系統優(yōu)化控制的協(xié)調策略；

·  分布式系統控制方法的動(dòng)態(tài)性能分析；

·  不同類(lèi)型系統的分布式控制器的綜合設計問(wèn)題；

·  分布式預測控制在不同領(lǐng)域的推廣應用。

通過(guò)以上研究，可形成分布式預測控制設計與分析理論方法。

2　CPS系統的控制

CPS系統的問(wèn)題可追溯到新世紀伊始。由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，當時(shí)在國際上也引起了很多關(guān)于控制系統的討論。在這一階段，實(shí)際需求推動(dòng)了理論的發(fā)展，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )環(huán)境改變了傳統的結構和方法，通訊、計算、控制等領(lǐng)域知識相互融合和滲透，但仍有許多新的問(wèn)題需要探索。

與此同時(shí)，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注CPS系統，有了網(wǎng)絡(luò )后信息更為豐富，這給控制系統帶來(lái)了新的問(wèn)題，比如在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、智能交通領(lǐng)域、智能電網(wǎng)領(lǐng)域等。

從自動(dòng)化的角度出發(fā)，該如何更好地利用這些信息，使得控制系統運行得更加優(yōu)化、更加節能環(huán)保。面對一個(gè)大型的物理系統，在物理系統的基礎上，構成了一個(gè)信息和物理融合的系統，在信息網(wǎng)絡(luò )的基礎上，做信息傳輸、信息記錄、信息優(yōu)化，從而生成一個(gè)優(yōu)化的決策，再通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò )，下放到物理系統，使得我們面對的物理系統可以取得更好的優(yōu)化性能，或者說(shuō)可以更加節能環(huán)保。這就構成了CPS系統。
CPS系統當中用到的一些技術(shù)也在不斷發(fā)展，比如傳感器、執行機構、控制單元、網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)等。原來(lái)的網(wǎng)絡(luò )是從互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始，應用到工業(yè)界后對該系統的要求更高，針對實(shí)施性、通訊的可靠性，對工業(yè)的CPS提出了更高的要求。

3　CPS系統中的技術(shù)

3.1　共性特征

（1）物理/信息系統緊密耦合：計算/通信深度嵌入到物理對象；通信受到來(lái)自物理對象的嚴格時(shí)空約束；計算需要支持不同的時(shí)空粒度。

（2）異構網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)：異構網(wǎng)絡(luò )并存，以滿(mǎn)足多種應用QoS需求；不同網(wǎng)絡(luò )間資源限制及協(xié)議體系對多網(wǎng)協(xié)同調度提出挑戰。

（3）海量多源數據：物理與信息的融合產(chǎn)生海量數據（Big Data）；來(lái)自環(huán)境、測量、通信及物理過(guò)程
的不確定性激增。

（4）分布式感知/計算/控制：嵌入式物理設備之間借助通信與計算功能產(chǎn)生多域耦合；集中、單一的控制模式不再適用于CPS。

（5）安全性要求：安全問(wèn)題貫穿信息與物理全過(guò)程，攻防關(guān)系更為復雜。

3.2　關(guān)鍵問(wèn)題

·  交互機理；

·  異構互聯(lián)；

·  泛在計算；

·  整體優(yōu)化；

·  安全機制。

3.3　研究策略

·  系統模型；

·  跨層組網(wǎng)；

·  協(xié)同計算；

·  CPS控制；

·  多域安全。

3.4　第四次工業(yè)革命

2015年，德國提出了“工業(yè)4.0”，其核心的基礎共性技術(shù)仍然采用CPS系統的結構，仍然是在解決大型物理系統如何提高它的運行性能。

3.5　信息物理系統概念

信息物理系統是虛擬空間（計算、通信與控制）與物理系統深度集成，其特點(diǎn)：

·  泛在計算、感知與控制；

·  多層次、多尺度的網(wǎng)絡(luò )化；

·  動(dòng)態(tài)重組與重構；

·  高度自動(dòng)化；

·  可靠性、物理安全、信息安全、可用性的高度確保與互相依賴(lài)。

4　工業(yè)CPS（Industrial Cyber-Physical System，iCPS）

4.1　擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

（1）工業(yè)信息智能感知與多層域泛在互聯(lián)·  如何通過(guò)非侵入性原位檢測技術(shù)實(shí)時(shí)精準感知系統參量，同時(shí)有效結合模型及數據驅動(dòng)預測方法降低時(shí)滯相關(guān)效能損失？

·  如何有效地通過(guò)數據與物理模型結合及傳感器優(yōu)化配置提高感知信息的時(shí)空覆蓋度？

·  如何通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )協(xié)作精準地感知生產(chǎn)系統的全方位信息，并由獲取的信息通過(guò)本地分析來(lái)提高數據的有效性與精確度？

·  如何通過(guò)數據積累與信息交互，挖掘并發(fā)現新的知識，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )上建立知識的傳播與自我管理機制？

（2）工業(yè)大數據關(guān)聯(lián)計算與知識發(fā)現

·  如何對海量高維異構跨域工業(yè)數據進(jìn)行統一表達，通過(guò)動(dòng)態(tài)數據的關(guān)聯(lián)分析來(lái)全景表征工業(yè)生產(chǎn)物理系統？

·  如何從海量數據挖掘生產(chǎn)過(guò)程中的本質(zhì)信息，解決辨識建模、知識發(fā)現等難題，實(shí)現在線(xiàn)工況判斷、行為預測、故障診斷、瓶頸定位？

·  如何通過(guò)協(xié)同交互可視分析和虛擬仿真，建立全供應鏈的動(dòng)態(tài)行為分析和自適應模型更新機制，實(shí)現精準的生產(chǎn)管理和運行維護？

（3）人機物系統協(xié)同調控與智能優(yōu)化

·  如何將工廠(chǎng)的整體運行與外部原材料供應、能源網(wǎng)絡(luò )、物流市場(chǎng)、社會(huì )環(huán)境進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)、互動(dòng)和融合，建立生產(chǎn)運行綜合效能與原料狀態(tài)、市場(chǎng)需求變化等信息的關(guān)聯(lián)模型及其自適應修正機制？

·  如何在系統數學(xué)模型中準確表征產(chǎn)品質(zhì)量、操作運行平穩性、物耗能耗、設備效能等關(guān)鍵指標，綜合考慮產(chǎn)品產(chǎn)量、關(guān)鍵操作變量范圍和變化、物耗能耗等復雜約束，以及人-機-物的協(xié)同決策機制？

·  如何解決全流程（大規模）、工況大范圍變化（非線(xiàn)性）、模型和數據畸變（多重不確定性）、混雜動(dòng)態(tài)變化（連續和離散過(guò)程耦合）的多約束、多目標實(shí)時(shí)調控和優(yōu)化難題？

（4）工業(yè)信息物理系統可信增強與安全防護

·  如何建立信息物理系統的混合模擬理論和計算方法，解決工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程惡意入侵樣本匱乏和實(shí)測代價(jià)巨大的難題？

·  如何建立信息物理統一安全測度和災變演化理論，解決面向惡意入侵與功能故障的異常行為監測與預測難題？

·  如何利用生產(chǎn)過(guò)程中信息流和物質(zhì)流的互為映照關(guān)系，建立可信增強的輕量化理論體系，解決安全防護與生產(chǎn)效率之間的深刻矛盾？

·  可信增強與安全防護是實(shí)現信息流和物質(zhì)流的雙向交互和調控、進(jìn)而大幅提升生產(chǎn)效率的前提和系統成敗的關(guān)鍵。

4.2　iCPS研究面臨的主要挑戰

（1）綜合認知難：關(guān)鍵運行信息和重要過(guò)程參數難以獲取，造成過(guò)程信息不完備甚至檢測機理失效。

（2）融合表達難：過(guò)程狀態(tài)與全流程綜合生產(chǎn)目標關(guān)系復雜，難以全面刻畫(huà)非穩態(tài)、強非線(xiàn)性等本質(zhì)特征。

（3）協(xié)同調控難：工業(yè)生產(chǎn)中多變量、強耦合、非線(xiàn)性、大時(shí)滯、欠調節、間歇式/連續式控制并存。

（4）安全防護難：非正常工況在早期極難被檢測和診斷、工業(yè)系統的日益開(kāi)放性等導致系統安全風(fēng)險增加。

5　智能網(wǎng)絡(luò )協(xié)調制造

我國自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著(zhù)我國智能制造的發(fā)展。過(guò)去，自動(dòng)化技術(shù)僅局限在信息的自動(dòng)化，由于自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，它會(huì )成為很多行業(yè)進(jìn)步的發(fā)動(dòng)機和方法論。

5.1　國家研發(fā)計劃先進(jìn)制造領(lǐng)域

·  制造基礎技術(shù)與關(guān)鍵部件；

·  網(wǎng)絡(luò )協(xié)同制造；

·  3D打印與激光制造。

5.2　國家研發(fā)計劃信息領(lǐng)域

·  物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市；

·  寬帶通信與新型網(wǎng)絡(luò )；

·  光電子器件及集成。

5.3　我國的智能制造

（1）戰略地位

中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部2012年3月27日印發(fā)智能制造科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項規劃，智能制造成為新的投資靶點(diǎn)。

（2）發(fā)展目標

建立智能制造基礎理論與技術(shù)體系，重點(diǎn)突破設計過(guò)程智能化、制造過(guò)程智能化和制造裝備智能化中的基礎理論與共性關(guān)鍵技術(shù)。

（3）智能制造技術(shù)

包括：

·  現代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎上；

·  通過(guò)智能化的感知、人機交互、決策和執行技術(shù)，實(shí)現設計過(guò)程、制造過(guò)程和制造裝備智能化；

·  是信息技術(shù)和智能技術(shù)與裝備制造過(guò)程技術(shù)的深度融合與集成。

面對離散制造業(yè)和流程工業(yè)，結合先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，去綜合應用智能制造技術(shù)，實(shí)現《中國制造2025》的宏偉計劃。自動(dòng)化技術(shù)一旦取得發(fā)展，會(huì )極大地推動(dòng)我國的技術(shù)進(jìn)步。

5.4　傳統制造與智能制造

與傳統的制造相比，智能制造主要是在整個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，體現智能制造技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，智能的活動(dòng)和智能化的機器要進(jìn)行有機地結合，解決流程制造和離線(xiàn)制造兩個(gè)行業(yè)當中的問(wèn)題。

（1）傳統制造

·  單純提高精度或速度為指標；

·  智能化、全流程優(yōu)化度較低；

·  高能耗高排放，劣勢明顯；

·  節能減排任務(wù)艱巨。

（2）智能制造

·  整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中貫穿智能活動(dòng)；

·  智能活動(dòng)與智能機器有機融合（軟硬結合），不單單是智能設備的應用；

·  各個(gè)環(huán)節以柔性方式集成起來(lái)；

·  以全流程的優(yōu)化為整體目標，從而能發(fā)揮最大生產(chǎn)力。

5.5　制造業(yè)發(fā)展趨勢

（1）智能化

·  以數字化、柔性化及系統集成技術(shù)為核心；

·  大數據處理技術(shù)支撐；

·  通過(guò)工業(yè)化批量生產(chǎn)方式同樣滿(mǎn)足個(gè)性化需求。

（2）綠色化

·  廢棄物回收利用技術(shù)；

·  可再生循環(huán)技術(shù)；

·  節能減排。

5.6　內生動(dòng)力關(guān)鍵因素——能源效率

在制造業(yè)，能源效率是一項最主要的競爭因素。
通過(guò)將智能活動(dòng)與智能設備相結合，并將生產(chǎn)過(guò)程各環(huán)節以柔性方式集成，實(shí)現全流程優(yōu)化，以達到節能增效的目標。

6　自動(dòng)化理論方法與技術(shù)演變

回顧自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，可以和幾次工業(yè)革命結合起來(lái)。從最初物理的自動(dòng)化，到之后網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)化，再到現在人工智能驅動(dòng)的自動(dòng)化技術(shù)，國家正在極大地推動(dòng)人工智能技術(shù)的發(fā)展。之前我們談得更多的是“互聯(lián)網(wǎng)+”，而現在要談的是“人工智能+”。我們不難發(fā)現自動(dòng)化技術(shù)在人工智能當中正扮演著(zhù)非常重要的角色，其也隨著(zhù)行業(yè)的需求不斷發(fā)展。同時(shí)，自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展也在推動(dòng)著(zhù)行業(yè)的進(jìn)步。無(wú)論是學(xué)術(shù)領(lǐng)域還是行業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)都是支撐我們國家向前發(fā)展的一個(gè)十分重要的技術(shù)領(lǐng)域。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年5月刊