21世紀(jì)的“無(wú)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(wú)法達(dá)到的未知王國(guó)。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(wú)人化”工廠將展現(xiàn)在人們眼前。

所謂“無(wú)人化工廠”，是工廠自動(dòng)化的最高形式，但并不是真的無(wú)人，只是與傳統(tǒng)的工廠中布滿工人的情況相比而言，“無(wú)人”工廠中絕大部分現(xiàn)場(chǎng)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(wú)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(guó)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(wú)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(wú)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(wú)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(cāng)庫(kù)也變成不用人管理的“無(wú)人”倉(cāng)庫(kù)。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(kù)和出庫(kù)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(wú)人”倉(cāng)庫(kù)（也叫信息倉(cāng)庫(kù)）是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然方向。比如日本東京國(guó)際機(jī)場(chǎng)的倉(cāng)庫(kù)，送貨和提貨都已采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。該倉(cāng)庫(kù)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(cāng)庫(kù)。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(chǎng)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(cāng)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(kù)的指令。待滑吊工作結(jié)束，計(jì)算機(jī)自動(dòng)把剛?cè)霂?kù)的貨物信息存儲(chǔ)下來，打字機(jī)同時(shí)把這份數(shù)據(jù)打印出來。

從庫(kù)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(cāng)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(cāng)庫(kù)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(wú)人化工廠”和“無(wú)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(wú)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(wú)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(cè)量手段，或者測(cè)量?jī)x器無(wú)法進(jìn)入需要測(cè)量的區(qū)域，以致無(wú)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(chǎng)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(wú)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(yǔ)），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(guó)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(zhǎng)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(yǔ)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(guó)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(guó)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(wàn)物之靈”，人類發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡、無(wú)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(jiǎn)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(wú)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(wú)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?jī)?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(guó)在前幾次技術(shù)革命時(shí)期落伍了，造成了我國(guó)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(guó)人工智能科學(xué)技術(shù)尚未形成質(zhì)的飛躍，這正是我國(guó)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(guó)能有更多的有志之士積極投身到這場(chǎng)史無(wú)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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