機器是雙刃劍，可以為人類(lèi)帶來(lái)福祉，也可能導致災難?，F代工業(yè)生產(chǎn)規模越來(lái)越大，設備故障導致的非計劃停產(chǎn)和事故損失巨大。從1781 年瓦特發(fā)明蒸汽機至今僅有200多年的歷史，人與故障作斗爭主要是靠“治愈”，即機器出了故障要停機由人來(lái)檢修。 

上世紀60年代起，設備監測診斷技術(shù)向數字化、信息化、智能化發(fā)展，實(shí)現了緊急停車(chē)保護和預測維修，但出了故障必須依賴(lài)人這點(diǎn)始終沒(méi)有改變。 

機器“人工自愈”概念的提出 

工程實(shí)踐表明，除少數突發(fā)故障外，大多數故障的發(fā)生均有一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。由于從裝備的設計制造到運行操作都沒(méi)有重視故障發(fā)生的漸進(jìn)過(guò)程，錯過(guò)了調控和抑制故障的大好時(shí)機，導致設備故障乃至發(fā)生事故。 

任何機器都是設計在一定范圍內可以有序穩定運行，而實(shí)際工況可能由于其內部的變化和外部干擾偏離原設計條件，出現故障或非正常工況。 

筆者總結多年工程實(shí)踐，感悟到有必要深入研究機電裝備復雜系統動(dòng)力學(xué)行為，通過(guò)自診斷預測和主動(dòng)控制在運行中抑制和消除故障。2003年，筆者在國際學(xué)術(shù)會(huì )議上首次提出故障自愈原理，受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。 

中國自愈醫學(xué)理論創(chuàng )始人張弦研究發(fā)現，人和動(dòng)物都存在一個(gè)與生俱來(lái)、自發(fā)作用的自愈系統，使其得以維持健康狀態(tài)，自愈力使其免于在受到來(lái)自外界的侵害后喪失生命力。筆者認為，可借鑒這一原理研究機器故障如何從完全依賴(lài)人工“治愈”到可以在運行中“自愈”，提出人工自愈（Artificial Self-recovery，AS）新概念。 

依據仿生學(xué)原理，德國學(xué)者Rolf Isermann 提出了“五塊論”，即現代機電系統是由控制、動(dòng)力、傳感及檢測、操作、結構等5 大功能模塊組成，將其類(lèi)比于人的大腦、內臟、五官、四肢和軀體，得到世界仿生學(xué)界的認可，但這忽略了對人和動(dòng)物維持自身健康的自愈功能的仿生。 

如今，人工自愈研究正把自愈機制這個(gè)人和動(dòng)物特有的概念賦予機器。機器產(chǎn)生自愈力可抑制可能產(chǎn)生的損壞力，使其不產(chǎn)生或在運行中自行消除故障，自愈力包含代償力、清潔力、修復力、自適應調節力、應激力、自保護力和協(xié)同力等。 

讓機器更健康 

人工自愈和人工智能一樣都是仿生機械學(xué)研究的領(lǐng)域。其共同之處是“人工”，即都是由人賦予機器功能。不同之處在于人工智能是對人腦思維控制行為過(guò)程的模擬，而人工自愈是對無(wú)意識思維（不經(jīng)過(guò)大腦的）自愈機制的模擬。人工智能會(huì )使機器更聰明，人工自愈可讓機器更健康。 

維納的控制論為生物系統與技術(shù)系統的連接架起了橋梁。但在1948年維納發(fā)表控制論時(shí)，由于歷史背景的局限，他是從研究火炮自動(dòng)打飛機的實(shí)踐中研究“目的性行為”。顯然控制論中的目的性行為是不包含生命體內由自愈力驅動(dòng)的自愈過(guò)程的。 

工程控制論突破了動(dòng)物和機器、控制工程和通信工程的界線(xiàn)，將動(dòng)物的目的性行為賦予機器共有的特征，概括綜合形成新理論。本文提出將動(dòng)物另一個(gè)共有的特征——自愈機制賦予機器，概括綜合形成機器可以產(chǎn)生自愈力來(lái)遏制破壞力的理論——工程自愈論。工程自愈論是人工自愈的理論基礎，可以指導設計制造，使機器實(shí)現自愈化。 

自動(dòng)化的研究對象是機器的目的性功能和優(yōu)化運行，控制系統像人的大腦一樣，模擬有目的思維，控制機器保持其優(yōu)化功能。自愈化旨在讓機器系統像人一樣具有自愈功能，自愈系統模擬無(wú)意識思維，抑制機器的異常行為，確保其自身的健康狀況和長(cháng)周期安全運行，自愈化是研究機器或裝置及其監控系統在無(wú)人干預的情況下按設計的自愈機制自行抑制或消除故障的過(guò)程。 

本質(zhì)是智能化水平的提高 

近20年來(lái)，北京化工大學(xué)診斷與自愈工程中心在快準溯源診斷、精穩自愈調控及應用研究方面取得了一些成果：透平壓縮機軸位移故障自愈調控、基于電磁力的轉子多頻振動(dòng)靶向抑制、動(dòng)靜壓混合氣膜端面密封的自愈調控以及電磁自動(dòng)平衡與氣壓液式自動(dòng)等技術(shù)。 

中國科學(xué)院先進(jìn)制造領(lǐng)域戰略研究組指出，至2050 年，裝備的智能化水平將得到本質(zhì)的提高。體現在根據環(huán)境和任務(wù)的變化，裝備不僅具有參數調節的適應能力，同時(shí)也具有結構適應能力。結合材料、信息技術(shù)的進(jìn)步，裝備的自我進(jìn)化和升級的能力，將會(huì )促進(jìn)裝備的智能化水平由可控化、自動(dòng)化進(jìn)入自維護、自適應和自進(jìn)化的高級智能階段。 

中國工程院咨詢(xún)項目“裝備故障自愈工程及其在中國推廣應用的建議”指出，故障自愈原理及其在裝備復雜系統的工程應用，可以有效地預防和消除故障，減少裝備對人的依賴(lài)程度，實(shí)現自愈化。 

人工自愈是研發(fā)自主健康裝備的理論基礎，可創(chuàng )造出具有自愈功能的新概念機電裝備系統，大幅度減少對人的依賴(lài)程度，具有廣闊的應用前景。人工自愈能讓未來(lái)的裝備乃至制造系統自主健康，進(jìn)入自愈時(shí)代。

摘自《中國科學(xué)報》