自动化技术发展趋势研讨

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自动化旨在用机器代替人的部份劳动、提高劳动生产率井把人解放出来从事更富创造性的工作。这个概念的具体内容是不断演变的，经历了机械化、程序式自动机器、自动调节与控制、自动信息处理，自动管理与决策t乃至当代的综合，智能自动化等等阶段人们常把自动化理解为一个人机交互水平不断提高的过程，而不追求某种固定的划分标帜。自动化技术的应用范围日益扩大，已渗透到工农业生产、国防、交通，通讯、环境、医疗、社会经济管理以及各种科研顿域它不但产生了巨大的效益t也改变着这些技术领域的面貌。

自动化系统的多层次功能都有“可自动化”部份，它和“人的因素相辅相成。随着灵活性和复杂层次的提高，人的因素所起作用将越大，如下囝的倒三角形所示。随着技术进步“可自动化”部分总在不断增加，犹如一种推力把人的因素逐渐推向上层。这可作为对自动化系统中人和机器关系及其发展趋势柏一种形象的描述。

复杂自动化系统中的人／机关系自动化系统现展趋势可简单概括为复杂化、综舍化、智能化所谓复杂t就是说它不仅很大、包括许许多多部件或子系统，而且这些于系统品种繁多，分属不同层次并以各种形式相互作用对于复杂的系统我们要用各种不同的模型来描述其各个部份的各个侧面。用不同的数学工具和技术手段来进行定性或定量的分析和求解。系统中还有许多相互作用的人，他们要在机器帮助下进行控制和决策，问题就更复杂lr。

自动化系统通常都工作在变化或预先不确知的条件下一例如环境条件、元件参数，噪声干扰，负载变化都有不确定性。如何通过自调节、自校正、自学习，自适应而保持系统良好的性能，恰是“自动化”的最吸引人之处t但这也给系统增加了复杂因素。

自动化系统总是为达到一定的目的要求而建造的。使用者的需求通常并不容易化为明确的技术要求。特别是今天参与市场竞争的产品，必须在功能、技术指标。适应环境能力，安全可靠以及成本各方面实现多目标的优化。所以人们对自动化系统的要求本身也是复杂的此外，人们设计的控制器也越来越复杂。其中可能包括各种传感器。执行元件以及复杂的信息处理部件。这里可能包吉了大型计算机、数据库、复杂的图象处理和控制算法等等。而复杂控制系统又是上述对象，环境、控制要求和控制器这几方面复杂性的综合作用，这正是自动化系统所独有的复杂特性。

由复杂性也就决定了自动化技术朝着综合化的趋势发展这一方面表明自动化系统开发或产品研制必颡综合考虑多方面通常有些相互矛盾的要求，实现多方面的功能。另一方面则意指在一个系统。一种仪表甚至一个器件中往往都缘合了多种技术，并能完成多方面的功能。由于系统集成（太规模集成电路的集成是其一种具体形式）技术的迅速发展，现代富有生命力的计算机集成制造、光机电一体化、多媒体、多种传感信息融合、传感器与信息处理的集成，本身就具有感知或反应能力的所谓智能材料”等等t都反映了这种趋势。在太规模集成电路生产中t原来是芯片在几十台单一功能的加工设备中往复旅行。现在则开始改为固定在单一的多功能设备（RapidThermalMuhiprocessor）上，按复杂的控制指令接受各种加工这种复杂的综合性的设备将大大提高自动化水平，并将为微电子技术的进一步发展提供了机会。

解决这些复杂和综合性的技术闸题往往还需要多种学科知识的集成、定量和定性方法的集成。许多过于复杂或难以精确描述的问题还要人的知识和经验t用人机交互或人工智能的方法来解决智能自动化应运而生也是必然的趋势。智能制造、智能控制、智能判断、智能仪表、智能材料等等都是热门的领域用模糊、神经元网络、知识工程等技术进行识别、推理、学习、适应、重组等复杂功能已显示出很强的生命力，并将成为新一代自动化技术的重要标帜。以下我们将介绍自动化技术的若干重要分枝的发展动向t也许可以得到更,具体的启示。

1控制理论

理论工作旨在形成新的控制机制和设计方法t往往是技术实现的先导原有主要基于数学模型及计算求解的理论体系已明显感到不足。面对前面描述的复杂性问题需要多种模型和控制机制的集成。为此形成的概念框架和具体技术的总体被称为控制方法学（Methodology），已开始取代“控制理论”而成为控制学科划分的一大门类。计算机在控制系统的设计和运行中都起着越来越重要的作用。各种理论结果都可用计算机仿真加以检验并以实现CAD来证实其应用的可能。控制系统中的信息处理要求越来越高，可能包括大容量传感信息（特别是图象视觉）的处理和高比压缩，计算复杂性甚高的搜索、优化，专家知识和启发规则的采集、表示、处理和运用，神经元网络等并行处理技术在系统中的实现等等。有人统计，在控制系统开发项目的成本中。软件成本大于硬件、应用软件明显大于基础软件，而启发式规则远远大于数学方法控制工程师更多地谈论“面向对象、概念或功能结构之类计算机方面的概念，而大型软件的规范描述、编程技术和校验查错已成为他们最头疼和最费精力的问题。在另一方面，当把计算机和物理过程联接起来时t实时性的要求非常突出。人们必须在信息处理的粗细和快慢之间寻求恰当的折衷。为了处理计算机特有的离散逻辑过程t以及复杂系统中常有的定性、模糊和符号变量，离散事件动态系统（DEDS）和混杂系统的理论方法已引起人们的高度重视与此相应可编程逻辑控制（PLC）又找到它新的使命。

总的说来，控制理论当前比较活跃的方向多是与实际要求有关、与计算机的广泛应用有关。有人对自动控制发展的历史进行研究t认为从控制理论取得成果到用于实际大约有20年的滞后。由此我们得到的启示是（I）要允许超前、探索性的研究；（2）理论研究要更加面向实际需求，应能缩短这一滞后；（3）不要茼单摒弃早年的研究成果，充分利用当前的技术条件有可能让它们发挥新的作用。

2传感器

传感器是自动化系统的感官”，是获取信息的主要来源。国际上普遍地把它列为现代科技的重点领域美国把传感器列为影响2l世纪空军能力的重要关键技术，日本认为“掌握传感技术就支配现代科学仪器】9952了新时代”并将其列人田家重点发展计划，德国也把侍感技术列为最尖端的六项先进技术之一一都反映丁这种趋势近年来出现丁许多新型传感器。诸如：可测量多种理化参数的谐振传感器；便于用微电子技术大批量生产t小型、集成化的半导体固态传感器；应变式的薄膜传感器；轻巧、抗干扰性强的光纤传感器；测量化学、生物量的硅场效应管传感器；等等均陆续投入市场。此外还有用生物活性物质为敏感材料或是对生物参量进行测量的生物传感器t这包括酶技术、免疫技术等与微电子技术的结合，单克隆抗体技术与DNA重组技术的应用，结合基因工程、蛋白质工程与纳米技术的分子级过程的传感器，以及利用生物光现象的光生物传感器等等。这些目前虽大多数在实验室研制阶段，但确是值得注意的动向传感器发展的重要方向是集成化和智能化把传感器和信号处理电路以及擞处理机集成在一起，可以对传感器的漂移和非线性等进行修正并实现自捡和校准。集成化的向量传感器可以测量磁场、热流等物理量的大小和方向用阵列集成的方法可以做出十分小巧的阵列红外传感器，或是用于机械手的阵列压力或触觉传感器、光电接近度传感器。利用电荷耦台器件做出的CCD面阵传感器可以在lcm面积上传感5l2×512象元信息。日本正在研究的人工细胞”实质上就是一种集感知、决策与控制为一体的智能感知模块。还有一种所谓“智能材料”则是在材料结构中即掺人某些成份，使它对环境参数敏感并作出反应。

3机电一体化

这一概念最早于1971年由日本提出并称之为Mechatronics。其基奉思想是在机构的主功能、动力功能、信息处理和控制功能上引进电子技术，将机械、电子设备和软件等有机结合起来，使物流、能流、信息融为一体，从而造出具更多柔性和智能”的机电产品。特这一方向随着技术不断进步一它的具体内涵和综合集成及智能化的水平也在不为提高。

基于这种思想，并把传感和执行元件、信息处理和控制技术、以及新材料、新机械结构和新工艺方面的最新成就结合起来。机电一体化技术得到极广泛的应用。其主要产品包括：（1）工业机器人，数控机床和柔性制造系统（FMS），特殊加工设备（如激光和火花加工）}（2）具有电子控制的发动机一汽车电子化系统；（3）断层扫描（CT）等医疗或工业中的自动探伤设备；（4）电子缝纫机等家电设备；（5）照相机摄录像机、声盘与视盘设备、复印机等光学电子设备；（6）电子表、电话及传真机、电脑打字机等通讯及办公自动化（OA）设备；（7）计算机外部设备如磁盘读取及各种终端设备；等等。

可见机电一体化技术的市场是十分广阔的。

据国外预测，机电一体化今后发展的主要方向包括：（1）徽细加工技术，如VIsI翻造技术、超微细（纳米）乃至分子原子级加工技术、物质台成由Ⅱ工、电镜和x射线测微分析等；（2）信息技术，主要是VIsI和计算机技术、声图文处理等多媒体技术，人工智能和机器人等等；（3）综合集成技术t即按问题需要把有关技术集成起来以实现多方面的综合要求。例如智能机器人就是一个典型t它能够自动完成的工作种类将从102发展到10总之这是个光。机、电等多种学科和技术和边缘交叉t需要各方面知识。人员的协同合作，有人把它称为“全际化”的趋势。

4从NC到CIMS

随着计算机技术发展起来的NC（数控）在7O年代很快地发展为DNC（直接数控）和CNC（计算机数控）。可以通过。编程序来安排机械加工，显然是一大革命。随着市场竞争加剧，多品种小批量灵活变化的柔性制造系统（FMs）在80年代后期以每年25以上的速度增长由于它使劳动力、打工操作量、生产周期、车问面积、中间库存均大幅减少，可使总的生产成本减低75从而引起各国菁遍重视。从技术上FMS可定义为由数控机床、物料处理设备和计算机控制综合而成的系统。进而把产品工艺设计（CAD）、生产计划（CAPP）、制造资源规划（MRP1）乃至更高层的经营管理、产品规划、质量管理、销售服务等逐步集成”到系统中来，就演化成为更为完善的计算机集成锚造系统（CIMS）了。

CIMS作为我国863高技术计蝌的一个主题已投人大量人力物力进行了多年研究。CIMS是个复杂的大系统，它不是一种可以简单买来的现成产品要实施CIMS·首先要根据实际需求选择适当的管理范式（Paradigm）和相应的概念体系结构。按这些结构进行系统分析、确定技术方案和指标井选用适当的设各加以实现。通常用于CIMS的技术产品包括机械手、自导小车、立体仓库等物料处理设备t各种自动机床、FMS等先进加工设备，计算机网络、数据库、通讯议、电子数据交换（EDI）等基本汁算机和通讯设施t而更重要的是根据具体问题选购或编制各种应用软件，诸如CAD、CAPP、MRPI、调度与控制、管理信息及决策支持系统等等尽管这些都有若干产品可资选购t但每个系统的实现都包含着对复杂系统的深人理解和系统集成技术的创造性应用。

C1MS还在不断发展之中，首先是各种新的管理范式不断涌现。诸如精良（1eaⅡ）制造、灵活（Agile）企业、整体（Holonic）制造。等等范式，及相关的并行工程、快速原型等实现技术年年都有创新。就并行工程为例一其基本思想在于从设计起就考虑到产品制造和销售的全过程，从而缩短产品生命周期、提高应变和竞争能力为此的关键技术是不同部门、不同专业人员的协调合作。相应的就需要方便的信息交换环境如多媒体会议系统产品信息交换与共享（如STEP）t以及复杂的群体决策支持系统等具体的信息和决策技术的支持总之C1MS是一个仍在不断发展、十分活跃的技术领域它把制造工程、信息技术管理科学控制与决策技术等多方面集成起来，不断产生新的思想系统模式和技术成果，成为推动制造技术进步的最重要的因素。

5摸式识别

这是一种代替人的感官，对语音、圈象文字等类信息进行处理、描述、分类和理解的技术领域。人的眼睛接收和处理的信息量最大，相应地图象处理和计算机视觉得到最多注意，应用广泛模式识别起源于70年代，』崖展很快随着理论方法的逐步成熟、更重要是大容量快速的计算机信息处理技术的迅速提高t模式识别系统的功能已大大提高并有大量技术产品在许多领域得到了重要应用，诸如：（1）文字识别，目前对印刷体字符的识别技术已比较成熟，已有大量实用系统可用于自动阕读、文本处18理等方面。而手写体的识别要难得多，理刚开始推出一些产品J束进行信函分拣、手写信息输八等。（2）产品检验。如印刷电路板或集成电路掩模板的检在、裂缝或缺损的x光或超声波自动捡驻、枪弹等产品的外观榆查等=（3n音识别现在可以做到识别和理解特定兑话人的特定语汇，用执行特定LJ令或回答问题。（4）目标检测与识别。Ir通过红外或可见光、雷达识别地形或军事目标一用于导航或侦察。（5）医学渗断。对心电图脑电图的分析和病理诊断-血液、肿癌细胞的检测识别。等等。（6）遥感技术由多光谮图象识别地貌和植被。环境灾害或污染监测·由卫星或航空图片进行地质或资源勘探。（7）机器』、用双摄像机产生立体图象进行环境判断和位置反馈。（8）指纹脸谱识别和箍名鉴定，用于侦讯、保安。等等。

模式识别系统的功能不仅取决于信息处理和分类的方法、而且在很大程度上取决于新的硬件结构的应用。除了运用近代各种井行计算结构（如流水线、脉动阵列联接机、神经元网络等等）之外，还有大量针对具体算法的专用芯片在医疗工业科研各方面得到丁R益广泛的应用。

6机器人技术

尽管机器』、早已成为科幻作家热衷描述的十分引人人胜的话题。从现实的技术角度它们可以分为两太方面其一是在工业生产或工程建设中广泛应用的机器』、，它可说是一种相当灵巧、能执行比较复杂任务的自主工具。其二则为旨在实现越来越多拟』、功能的智能机器』、前者已大量用于装卸搬运、装配、焊接、锻压、喷漆等工业操作，提高了劳动生产率并产生巨大效益，从而已经形成了一个可观的产业市场=后者一方面可用于特定目的t例如在太空、水下、战场、核设施等危险环境，或执行护理、检修、爬墙、钻管道等』、类难以完成的特殊任务，另一方面则可以此带动各有关技术的发展，不断为机器人在工业中更新、更广泛的应用提供原理和技术上的支持。

这两大方面都不是孤立的。它们相辅相成、一推一拉、形成了一个蓬勃发展的技术领域。

机器人研制的基本技术支持可分为三方面第一是传感技术。应用最多的仍是为保旺动作和零件顺序的逻辑升关。

例如电感式接近升关等其次刑为识别特定工件标志和测量结果的传感器。如光导纤维传感器、行扫描摄像机、激光三角测虽或超声测距装置等。控制过程需要实时地检制状志偏差的传感器。例如焊接机器人的焊缝跟踪植测。随着微电子集成技术的发展。现已能将传感信号的预处理功能置于传感器之中从而开发出各种智能传感器t这可大为提高信号质量井减轻中央计算机的负荷=最后，机器』、控制中最具特色的还应届触觉和视觉传感系统触觉传感器多用导电橡胶和微电子电路。其感度为2克、分辨率为2毫米L』、指的分辨率约为1毫米）。这种传感器比较简单、采集数据和处理量均较少t不易受环境干扰。从而应用较多近来叉发展了一种光导纤维触觉捧感器t分辨率可进一步提高。至于视觉传感则复杂得多一它涉及对摄象机获得的视觉信息进行复杂的预处理和判读。这里要用到视觉原理和人工智能技术。系统相当复杂、仍在探索阶段。尚无专供机器人用的视觉系统产品支持机器』、的第二方面是控制技术。随着控制方法和硬。软件实现手段不断进步t机器人控制已由固定顺序、可变顺序发展到示教再现，乃至更高程度智能化柔性化的阶段。但是机器』、控制是个极其复杂困难的问题。它的动力学方程可能包含上千项非线性函数并相互交叉耦台。在儿何空间和关节空间之间存在非单值、奇异性等复杂关系，目前还没有理想的设计方法。仍是个富挑战性的问题第三方面的重要技术是驱动机掏。

早期的机器人多用简单、价廉的气动液动操作机构，但它们精度低笨重、需要特殊能禚【。现在应用较多的是电力驱动特别是直接驱动为了提高传动系统和操作机构的速度和精度，直接驱动方式可以取消减速机构从而避免磨擦间隙、滞后等因素影响，巳成为重要的发展方向。

进一步研究具更复杂功能以适应特殊要求的特种机器人或智能机器人无疑是今后十分引人人胜的挑战课题。但这种系统一般均非常复杂、昂贵，形式极为多样，尚难以形成系列化的产品和技术市场。

7新型控原理和控制器

应当说，大量简单控制问题仍可用传统的方法控制井用PID之类调节器加以宴现，但由于微电子技术进步不难用专用芯片来实现各种较复杂的控制算法。而且这些芯片价格日益低廉，使它们越来越广泛地被用于各种工业、交通、家用电器中，产生了巨大的杜会和经济效益。

就中最熟知的当属模糊控制器这种基于模糊理论的简单的控制器可以较好地反映人们主观上模糊的控制要求并体现人类经验的控制规则。从而它被成功地应用于工业控制（特别是非线性、大时滞、分布参数等难控或模型不精确的对象】。调色、酿造、勾兑等匣束靠操作人员经验的生产过程，用于摄象机、洗衣机、空调机、电炊具等家庭用具以更好地满足人们难以言传的种种需求，用于电梯群控或汽车发动机控制等方面，已经形成庞大的研究、开发和技术产业系统。

模糊性理论还特别适用于表选人的知识和复杂条件下的决策行为。目前已有把模糊技术用于复杂信息处理、模糊专家系统和决策的大量研究工作，其中应用领域涉及故障检测、医疗诊断、图象或语音诊刷、证券投资决策、经济评估乃至航空航天（如交会对接）等方面。

模糊技术推广应用的关键。无疑是研制和生产各种质优价廉的专用芯片。

这将成为微电子技术的一个极有前途的发展方向。

人工神经元网络是近年崛起的另一重要发展方向。8o年代畦来的研究热潮把它的应用领域扩展到信息处理和自动化的几乎任何一个方面。人工神经元网络的特点是描述能力强、能拟合极广泛的各类系统特性。分布式信息处理、速度快、不在乎某些部件失灵、容错能力强，可自行调整结构以“学习环境特性、适应性强，易于用微电子技术加以实现、便于推广应用。早期的研究工作大多只能用普通的‘串行计算机进行原理性的论证和试验。但人们一直致力于研制真正并行的硬件实现l990年海外即有人推出“人工神经元网络（ANN）控制器”，它的通用性强、不需建立精确模型和参数整定、而能对丰日、与一类复杂的工业对象给出满意的控制结果。叉如像INTEI.

这样的大公司-自1991年起就推出各种神经无网络器件。基r神经网络信息处理方式的神经计算机也已丹始I山现这些技术成果可为神经网络的大量研究成果提供应用的机会。从I1ji具有广阔的前景。

可编程逻辑控制器（P1，C）近年来叉得到蓬勃发展由下微电子技术进步，用固体集成电路代替赋先的继电接点开关井利用微计算机灵活编程使PI（、面貌一新。它变得小型可靠。简单易用、编程灵活、功能强大。从而在_r业中得到普遍应用现代的p1.C不难做到10万个继电器的规模，具有上百种数字运算功能可进行光纤通讯并联成网络内存有1M即已足够。输入／输出通道而多逃一千以上并有自诊、另板编程等功能使其便于应用从需求方面-则由于离散型生产过程（如机械、电子等行业）的控制特点和各种复杂过程的逻辑监控要求也推动了PIc的发展。

总之，随着控制系统日益复杂、要求越来越多样化。各种新的控制原理、智能化技术和人机交互的新途径导至新型控制器不断出现。这也是当今自动化技术迅速发展并带来杜会效益的标志之一。

8办公自动化和通讯系统

众所周知，电话、传真、复印机，计算机文字处理、档案管理等现代化办公设备极大地提高了办公效率，已经成为现代机关、企业、学校不可缺少的基本条件。随着信息技术迅速发展，办公室”的功能日益增强，已经发展成为一种具有明确定义的信息处理和管理决策系统办公自动化（OA）的定义多种多样，但基本点无非是t（1）利用先进的信息技术和办公设备；（2）设备和人员掏成人机信息系统；（3）其目标是提高办公效率，更快，更完善地获取和管理有关信息并做出决策值得一提的是许多近代通讯设备的应用不仅是提供了“方便”一而且在很大程度上改变了“办公”的概念。诸如：计算机网络提供的虚拟终端技术、远程数据库等可以实现不同地点办公室的信息共享和“联台办公”；多媒体通讯和交互使用可以实现远程商会议和虚拟的联台工作小组（team）：电子数据交换（EDI）不仅可以在全球企业问实现无纸贸易，也已被用于企业内部数据传输、共享。并实现信息集成。成为计算机集成制造（CIM）的基础。

与此相应，（）A的设计也应当按照实际需求建立各种模型进行系统分析，以得到台理的配置。常需考虑的有功能模型、信息流模型、办公过程模型、数据库模型、通信模型等等。这些模型又有一定结构例如功能模型就包括事务处理、信息管理和决策支持等儿个层次。

现在通信技术发展很快信息高速公路提高了信息传输的广度和速率，虚拟现实（virtualrea]ity）使人们更能“身临其境”地感受千里以外的事物。尽管这些技术尚未完善和普及，它们对信息处理和决策过程自动化的影响而是可以想见的。

自动化技术涉及面十分宽广，不可能在这篇报告中一一介绍。像系统仿真、生物医学仪器、航空航天等国防军事技术、特殊科研领域等方面都还会提出许多新的问题、新的启示，并对自动化技术发展指出新的方向。自动化一直是块十分诱人的园地，面临复杂化、综合化和智能化的挑战，自动化技术将更快发展、为人类进步、社会发展作出更大的贡献。