21世紀(jì)的“無人化工廠”

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，我們正在接近一個(gè)全新的時(shí)代：人類徹底擺脫枯燥乏味的繁瑣的勞動(dòng)，自由自在地去發(fā)展人類特有的各種潛能，并全身心地去探索那些人類目前無法達(dá)到的未知王國。這個(gè)時(shí)代就是機(jī)器人時(shí)代。到那時(shí)，形式多樣的“無人化”工廠將展現(xiàn)在人們眼前。

所謂“無人化工廠”，是工廠自動(dòng)化的最高形式，但并不是真的無人，只是與傳統(tǒng)的工廠中布滿工人的情況相比而言，“無人”工廠中絕大部分現(xiàn)場工人將退出生產(chǎn)領(lǐng)域，僅有少數(shù)的工作人員從事監(jiān)督和維護(hù)工作。

其實(shí)，隨著工廠自動(dòng)化的程度日漸提高，各種無人化生產(chǎn)線和自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)（如FMS，CWIS待）早已進(jìn)入我們的現(xiàn)代化工廠。如美國底特律某汽車制造廠在1986年投入使用的一條自動(dòng)生產(chǎn)線。一排銀色汽車底盤沿著生產(chǎn)線流動(dòng)到某個(gè)位置時(shí)便停了下來。底盤兩側(cè)的6個(gè)“焊工”立即投入工作，在一個(gè)金屬框架的周圍迅速移動(dòng)，把需要聯(lián)接在一起的各種焊頭飛快地焊接起來。唰、唰、唰，23秒鐘便焊好了250個(gè)接頭，技術(shù)當(dāng)屬一流。這些“焊工”從不休息、偷懶，也不喝咖啡、聊天，更不會(huì)把吃剩的東西或果皮紙屑、煙蒂酒瓶之類的雜物亂丟一氣，不會(huì)把一個(gè)干凈整潔的車間搞得一團(tuán)糟。他們不是一般的普通電焊工，而是機(jī)器人。

日本發(fā)那科公司，在向“無人”工廠進(jìn)軍方面更是走在前面。早在1980年末該公司就在日本富士山旁建成了一座有名的“無人”自動(dòng)機(jī)械加工廠。走進(jìn)這家工廠的車間一看，其景象與通常的工廠大不一樣。在各個(gè)生產(chǎn)崗位上，電腦控制的機(jī)器人大顯身手，一切井然有序。車間里聽不到刺耳的噪聲，只有自動(dòng)搬運(yùn)車沿指定路線往返穿梭。車間內(nèi)少數(shù)幾名工人的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)巡視和維護(hù)運(yùn)輸設(shè)備。

基于“無人化工廠”同樣的設(shè)想，科學(xué)家們還打算把未來工廠的倉庫也變成不用人管理的“無人”倉庫。因?yàn)樯a(chǎn)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品種類的不斷增多，使得產(chǎn)品入庫和出庫作業(yè)日益復(fù)雜化，所以研制開發(fā)由電子計(jì)算機(jī)管理的“無人”倉庫（也叫信息倉庫）是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然方向。比如日本東京國際機(jī)場的倉庫，送貨和提貨都已采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。該倉庫由地面到頂棚都是用鋼架搭起的，是一個(gè)空間得到充分利用的立體化倉庫。在架子中間，留有便于吊車自由通行的通道。這種吊車叫做滑吊，它有能把貨物運(yùn)到架子上的鋼臂（叉臂）。在搬運(yùn)貨物時(shí)，吊車就根據(jù)計(jì)算機(jī)的指令隨時(shí)升降，并把叉臂伸到所需要的任何地方去。比方說現(xiàn)在進(jìn)貨了，現(xiàn)場的計(jì)算機(jī)操作員立即將產(chǎn)品的代碼、數(shù)量和日期等數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)現(xiàn)有倉位情況，找出距離最近的空架，并向滑吊發(fā)出空架位置和入庫的指令。待滑吊工作結(jié)束，計(jì)算機(jī)自動(dòng)把剛?cè)霂斓呢浳镄畔⒋鎯?chǔ)下來，打字機(jī)同時(shí)把這份數(shù)據(jù)打印出來。

從庫里提取貨物也遵循同樣的操作原理，只要把產(chǎn)品代碼和數(shù)量信息輸進(jìn)計(jì)算機(jī)，整個(gè)過程就會(huì)自動(dòng)完成，并在貨物提走后，自動(dòng)清除這部分信息，同時(shí)在空余倉位增加新的數(shù)據(jù)。

不需要為各種貨物預(yù)留存放位置，所有空架都可以得到充分利用。至于什么貨物存入在什么地方，計(jì)算機(jī)會(huì)記得一清二楚，完全用不著工作人員操心。這樣，倉庫的利用率顯著提高。

不過應(yīng)該指出的是，雖然反映人類智力和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的“無人化工廠”和“無人化”等新鮮事物早已問世，但是它們目前尚不能成為影響社會(huì)發(fā)展的普遍經(jīng)濟(jì)因素，還只能作為科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)的開端。根據(jù)專家們預(yù)計(jì)，只有到21世紀(jì)“無人化工廠”才有可能用于實(shí)際社會(huì)生產(chǎn)。

模糊控制論的進(jìn)一步研究

無論是采用經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者必須事先知道受控對(duì)象的準(zhǔn)確描述（數(shù)學(xué)模型），然后根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型以及預(yù)定的性能指標(biāo)，選擇恰當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)制。然而，在許多情況下，由于受控對(duì)象過于復(fù)雜，很難用一般的物理、化學(xué)等已有的規(guī)律來描述；些情況，則是沒有適當(dāng)?shù)臏y量手段，或者測量儀器無法進(jìn)入需要測量的區(qū)域，以致無法建立受控對(duì)象的精確模型。

與此相反，對(duì)于某些難以采取自動(dòng)控制的生產(chǎn)過程，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員采用手動(dòng)控制，卻能收到令人滿意的效果。在許多類似的事實(shí)面前，人們又重新探討人的控制行為的內(nèi)在特征。模糊數(shù)學(xué)的創(chuàng)始人，著名的控制論專家扎德（L.A.Zadeh）教授曾舉過一個(gè)停車問題的例子，頗具啟發(fā)性。

問題的提法是要將一輛車停在擁擠的停車場上兩輛車之間的一個(gè)預(yù)留空隙中。這個(gè)問題要用嚴(yán)格的控制理論方法來解決是非常困難的，即使用一大型計(jì)算機(jī)也難以勝任。從實(shí)用角度看，它沒有精確的解法。但對(duì)于一個(gè)熟練的汽車司機(jī)來說，這只不過是最起碼的看家本領(lǐng)。他只要大致觀察估計(jì)一下位置和距離，執(zhí)行一些看似不很精確的操作就能把車準(zhǔn)確的停在預(yù)定位置上。在這里，精確控制不但不可行，而且也無多大必要。相反，人可以根據(jù)觀察，利用一些帶有模糊性質(zhì)的概念（如“向右偏一點(diǎn)’、“再往后倒一點(diǎn)”等術(shù)語），而達(dá)到準(zhǔn)確停車的目的。這就是模糊控制的基本思想。

在現(xiàn)實(shí)生活中，雖然有很多事情是清晰而精確的，但大量的事情恰恰是模糊的。如明天的天氣會(huì)怎么樣啊，近來身體可好哇，他看上去很年輕呀，等等，這些都是很模糊的概念。

表達(dá)這類模糊信息最有效的工具是模糊數(shù)學(xué)，它是1956年由英國學(xué)者扎德創(chuàng)立的。

將模糊數(shù)學(xué)的思想方法引入自動(dòng)控制領(lǐng)域，則形成了所謂的“模糊控制”。模糊控制本質(zhì)上是屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，模糊控制系統(tǒng)的組成也與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)類似。

模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略。手動(dòng)控制的作用雖然與自動(dòng)控制系統(tǒng)中控制器的作用基本相同，但手動(dòng)控制策略是人們通過學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長期經(jīng)驗(yàn)積累而逐漸形成的，而控制器的控制決策是基于某種控制算法（如最優(yōu)控制算法，自適應(yīng)控制算法、分解與協(xié)調(diào)算法等）。因此，設(shè)計(jì)模糊控制的關(guān)鍵在于用計(jì)算機(jī)可以理解的“語言”歸納手動(dòng)控制策略。

模糊控制主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制，已有不少成功的例子，其結(jié)果也很有吸引力。早在1973年，扎德就給出了模糊邏輯控制器的定義和定理。世界上第一個(gè)模糊控制器是在1974年由英國的曼姆達(dá)尼（E.H.Mamdani）研制出來的，并成功地用于傳統(tǒng)控制方式難以奏效的鍋爐和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，獲得了滿意的控制效果。這一開拓性工作，標(biāo)志著模糊控制論的誕生。

模糊控制的另一個(gè)十分有趣的研究領(lǐng)域是機(jī)器人的模糊控制。由于模糊控制作用具有模擬人腦思維和控制的特點(diǎn)，而智能機(jī)器人正需要具備這種功能，因此在機(jī)器人中采用模糊控制是很合適的。

如上所述，近年來國內(nèi)外學(xué)者在模糊控制的理論和應(yīng)用方面做了許多工作，但是也應(yīng)該看到還有不少問題有待于進(jìn)一步研究解決。不過，有一點(diǎn)可以肯定，隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，模糊控制這枝控制領(lǐng)域中的奇葩，必將更加光彩照人。

智能控制

“人為萬物之靈”，人類發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡、無線電、雷達(dá)、激光、電話、電視等，有了神奇的“千里眼”和“順風(fēng)耳”，人們還可以駕馭航天飛機(jī)去“大鬧天宮”。以微型計(jì)算機(jī)和人工智能為主要標(biāo)志的新技術(shù)革命，是對(duì)人類智力勞動(dòng)的替代與擴(kuò)展，將使人類除擁有自身的智能以外，獲得體外的第2智能——人工智能。

一般來說，智能是指人類所特有的智慧和才能。智慧是指辯明事理、分析判斷和發(fā)明創(chuàng)造的能力；才能是指知識(shí)和能力。按照人工智能創(chuàng)始人溫斯頓（P.H.Winston）的定義，人工智能就是研究如何使計(jì)算機(jī)去做那些過去只有人才能完成的智能性工作，這是一門新興的邊緣交叉性學(xué)科。

在自動(dòng)化的初期階段，系統(tǒng)比較簡單，控制規(guī)律也不復(fù)雜，采用我們前面介紹的常規(guī)控制方法就能完成任務(wù)。然而，隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、現(xiàn)代軍事裝備的控制以及航海、航空、航天事業(yè)的迅速發(fā)展，都對(duì)控制系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性提出了愈來愈高的要求。對(duì)于各種規(guī)摸龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大系統(tǒng)，僅僅采用常規(guī)的控制措施是無法完成綜合自動(dòng)化的。不過人們發(fā)現(xiàn)，如果把人的智能和自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合起來，卻能收到令人滿意的效果。

關(guān)于智能控制，目前尚無統(tǒng)一的定義。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為智能控制是自動(dòng)控制、運(yùn)籌學(xué)和人工智能三個(gè)主要學(xué)科相互結(jié)合和滲透的產(chǎn)物，這種觀點(diǎn)包含了兩層含義，一方面它指出了智能控制產(chǎn)生的背景和條件，即人工智能理論和技術(shù)的發(fā)展及其向控制領(lǐng)域的滲透，以及運(yùn)籌學(xué)中的定量優(yōu)化方法逐漸和系統(tǒng)控制理論相結(jié)合，這樣就在理論和實(shí)踐兩方面開辟了新的發(fā)展途徑，提供了新的思想和方法，為智能控制的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

這種觀點(diǎn)的另一層含義是說明了智能控制的內(nèi)涵，即智能控制就是應(yīng)用人工智能理論和技術(shù)以及運(yùn)籌學(xué)方法，與控制理論相結(jié)合，在變化的環(huán)境下，仿效人類智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效控制。這里所說的環(huán)境指的是廣義的受控對(duì)象或生產(chǎn)過程及其外界條件。

智能控制是當(dāng)前正在迅速發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域，各種形式的智能控制系統(tǒng)、智能控制器相繼開發(fā)問世。

由于歷史的原因，我國在前幾次技術(shù)革命時(shí)期落伍了，造成了我國在近代史上的被動(dòng)挨打局面，其惡果至今尚未完全根除?，F(xiàn)在，人類正處在信息革命和智能革命的攻堅(jiān)時(shí)代，世界各國人工智能科學(xué)技術(shù)尚未形成質(zhì)的飛躍，這正是我國科學(xué)事業(yè)趕超世界先進(jìn)水平的大好時(shí)機(jī)。因此，我們一定要密切注意主宰未來的智能革命的進(jìn)展，把握時(shí)代的脈搏，跟上世界科學(xué)前進(jìn)的步伐。愿我國能有更多的有志之士積極投身到這場史無前例的智能革命中去，跟上時(shí)代、跟上世界，振興中華，自強(qiáng)不息！

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