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智慧起航，共创未来 科普园地 信息技术与人类社会发展 文 / 上海交通大学李少远教授 *本文根据作者在CAA科普大讲堂上所作报告速记整理而成。如果您对原视频感兴趣，欢迎扫描下方二维码或点击文末链接观看。 一、 信息技术的发展 人类社会发展经历四次工业革命。 1. 第一次工业革命 第一次工业革命的主要推手是动力的变革，即机械代替人工。在中国的历史发展过程中，包括“四大发明”等生产装置早早出现，包括漏钟、分水仪、地动仪、指南车等，最为典型的一个工程是都江堰水利工程，在这些装置和工程中都自觉不自觉地有了系统的概念。    第一次工业革命最重要的、标准性的成果是人类进入了蒸汽的时代，由蒸汽机代替了原来的手工劳动。蒸汽机需要依靠控制运行，使得系统的控制成为必然需求。 维纳在《Cybernetics》这部专著中的核心思想即是将控制论定义为研究生命体、机器和社会之间信息和控制的原理，故其定义控制系统时，不仅仅指工程系统，同是广义控制系统。在此系统中，核心问题是利用信息的传播处理、存储和利用实现整个系统的控制任务。由此提出重要概念——反馈。  用系统的观点分析系统控制的要求，首先需要进行建模，形成物理系统的关系。寻找这种因果关系的技术称之为系统的辨识和建模技术。一个模型描述一个系统动态变化的演化规律，在控制系统自动化技术中称之为系统的建模技术。 在建模的基础上实现系统最终目标需要控制器。该控制器即指根据已知信息及所期望的目标实现一种控制作用的计算。依靠反馈形成闭环的控制系统。控制器可根据系统设定的控制要求，不断地采集系统得到的输出和系统的要求进行比较；产生偏差以后控制器控制单元克服偏差，最终使得偏差趋向于零。趋向于零即系统的输出与设定的目标一致，正是控制系统设计的目的。      2. 第二次工业革命 第二次工业革命的核心是内燃机，即电力的变革。 内燃机是一个电力系统的广泛应用。系统越来越复杂，系统控制的目标和要求也相应提高。第一代的控制理论基于反馈的思想、实现简单的回路控制，已经远远不满足需求。 在第二次世界大战结束的背景下，西方主要大国需要研制新式的武器。在新式武器中就需要更多的控制技术，包括火炮、雷达、飞机，整个通信系统的控制。  研制的需求直接推动经典控制理论向现代控制理论的发展。 1956年L.S. Pontryagin提出的极大值原理(Maximum Principle)，1957年R. Bellman提出的动态规划(Dynamic Programming)，1960年R.E. Kalman提出的状态空间法、能控能观性、Kalman滤波，被称为现代控制理论三大基石。 第二代控制理论更是推动了当时的复杂多变量系统的发展，即把控制的思想不仅用在控制工程系统，甚至在生物、社会、经济、军事等。  3. 第三次工业革命 随着互联网技术的兴起，人类社会进入了信息时代。由于信息技术不断地发展，2000年至今的20余年，人们的生产和生活活动发生了一些颠覆性、革命性的发展。 第三次工业革命以原子能技术、航天技术、电子计算机应用为代表，包括人工合成材料、分子生物学和遗传工程等高新技术。 现在控制系统的结构和控制系统的模式发生着根本性的转变——从原来的集中式控制，向分布式控制模式发生深刻的变化。现在自动化技术已经渗透到人类生产和社会活动的方方面面。正是因为自动化技术的不断地发展，推动了相关产业技术的进步，包括大型炼厂，装配、航天器，航海以及日常的医疗、交通、机器人等，系统变得越来越复杂。反而言之，正是因为有成熟的控制方法、有了成熟的自动化技术，所以能够控制的系统会变得越来越复杂。 控制理论的发展再次印证了：由于生产系统的需要，控制理论的发展不断被推动。从一开始的数字控制系统、模拟控制，到后来的数字控制、智能控制，在自动化技术的发展过程当中，智能一直是很重要的概念。 智能即把人类的知识、数据融合集中起来，去处理复杂系统的控制，包括这里面的自身控制及鲁棒控制等。控制理论不同的分支，实际上都伴随着实际控制系统要求，推动着控制理论不断的发展。 三论的融合、三论的崛起，为人类认识世界和改造世界，提供了强有力的新的武器。 控制论不仅针对工程科学、工程系统的控制，生物、社会、交通等任何一种科学系统的控制都离不开系统论、信息论、控制论三论的融合。从信息控制的角度来讲，领域问题存在很多的共性问题，形成了独特的科学研究体系。 4.下一代工业革命 当下热议的物联网、云计算、人工智能、大数据等，实际上均属于人工智能范畴。 下一代工业革命的发生，一定与信息技术密切相关。 回顾截至目前的几次革命，第一次工业革命是动力的变革，机械代替了人工；第二次是电力的变革，电的技术的应用推动实现了新的一次工业革命，有了电、电动机、发动机；第三次工业革命进入了信息时代。现在处在第四次工业革命的前夜，或者是正在发生。所以第四次工业革命的因素，背后技术的推手定是信息技术。 二、 信息物理系统(CPS) CPS系统是面对一个大型的物理系统，在物理系统的基础上，叠加信息网络。信息网络将物理系统的信息通过信息网络传递给当下的云，通过云的计算进行信息的采集、信息的传输、信息的存储、利用、计算，到最后信息的决策。这样一个决策的任务、决策的变量、决策的结果，最后通过信息网络传回到物理系统，执行最后物理系统的动作，通过一些机构最后达到整个复杂大系统的优化控制。 当今世界离不开数据。从数据、信息到决策，伴随着计算机，通讯、光电、篡改器，各学科技术都在不断进步，一些装置、控制设备也逐渐能够满足工业的需求。 工业互联网，即混合工业控制网络，对于网络的要求越来越高。因为控制离不开信息、控制追求实时性，所以在控制的过程中，信息实时十分重要。从控制角度，网络信息存在着丢包、错序等问题，就需要使用控制方法来解决网络通讯中的问题，利用网络传出信息。 三、 新工业革命 从德国兴起的工业4.0白皮书中提到：工业4.0技术的核心仍然是CPS系统的结构及复杂问题控制系统的结构。其中用到物联网，信息采集等技术，最后实现整个控制系统的适应性，资源优化的配制，工作环境的改造，到最后能够更好的为人类的生产和社会活动、提供更好的产品商业目的。 实现智能工厂和智能生产对实现智能交通、实现智慧城市，不同的角度，不同的行业里面，有不同的一些名称、术语，最终实现生产活动的智能化。 对工业互联网在CPS情况下实现整个产业颠覆性的技术变革，推动行业的进步。在产业中，自动化技术充当着重要的角色，起到重要的推动作用。而由于新技术的推动和技术的不断成熟，推动很多新型行业的诞生，包括数字经济，电商、智能驾驶。从自动化技术方面而言，提升了传统工业的智能化水平；从另一个角度来看，很多新型的智能产业诞生，例如：云计算，云服务、云控制，逐渐形成服务性，新型高技术的服务行业。 人们的生产和生活活动确实是颠覆性、革命性的发展。新的工业革命伴随着系统具有更高自主的能力、整体实现可视化等新的特征。数据及可视化技术实现整个系统协调协作、重组以及可扩充性能，还需具有自愈能力、自我学习、维护的能力，发展做到人机共存等。 新的技术要求结合人们的生产活动必然会发生新的革命性的发展。 *本文根据作者在CAA科普大讲堂上所作报告速记整理而成。 作者简介 李少远 中国自动化学会会士、副理事长 中国自动化学会普及工作委员会特聘顾问 李少远，上海交通大学讲席教授，博士生导师。1987年毕业于河北工学院(现河北工业大学)自动控制系，1992年在该系获得硕士学位，1997年南开大学计算机与系统科学系获得博士学位，2000年上海交通大学控制科学与工程博士后流动站出站后留校，研究方向为网络化分布式系统的自适应预测控制、满意优化控制和生产全过程系统的优化控制，主要成果获得2006年上海市自然科学一等奖(第一完成人) ，2010年获得首届杨嘉墀科技奖二等奖，2016年中国自动化学会自然科学一等奖(第一完成人)，2017年国家自然科学二等奖(第二完成人)，2018年国家级教学成果一等奖(第一完成人)。2008年获得国家杰出青年基金资助，先后获得上海市教学名师和国家级“万人计划”教学名师称号，入选国家百千万人才计划。 李少远教授现担任中国自动化学会副理事长，中国自动化学会过程控制专业委员会副主任等职，担任教育部自动化类专业教学指导委员会副主任，国务院学科评议组成员(控制科学与工程)，担任”Int. J. System Control and Information Processing”国际杂志主编，《控制理论与应用》副主编，及多个杂志的编委。 END |
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来自： 阿明哥哥资料区 > 《97.科学.科普.科技书》
