控制科技在信息丰富的世界中未来的发展方向(二）

应用范围 人们决定围绕5个主要领域对应用进行论述提出指导本文中的建议的主线。这五个领域是航空航天和运输、信息与网络、机器人技术与智能机器、生物与医学、以及材料和加工。另外，在专门小组的审议的过程中出现了，包括环境科学与工程、经济与金融、以及分子和量子系统。合起来，这些几个其他的领域体现的和大量的应用结合证明了来自控制的想法的应用性的广阔范围。 在这些应用领域中的每个机会与挑战在报告中形成了主要的建议的基础。在每个领域中，专门小组不仅在该领域的控制研究人员中，而且在应用领域方面的那些可能不认为他们自己是控制研究人员的专家中寻找建议和见识。这样，我们希望确定在每个领域中真实的挑战，而不仅仅是只确定引起好奇但效果未必是一个实质机会的控制问题。希望用这些领域中的调研结果来引起不仅是控制界，而且是科学家和工程师的注意，去寻求了解控制工具怎样被用于他们的学科。 有几条主线纵贯所有领域。系统的及严格的工具使用是被认为是将来成功的关键，也是该领域中的一个重要的标志。同时，下一代的难题将要求在控制研究与教育中范例的转变。可供利用的信息的数量在所有的应用领域中不断增长，这要求来自计算机科学和通讯的理念与用于建模、包含符号和连续动力的混合的复杂决策综合的经过改进工具进一步结合起来。对构成未来进展的基础的理论的继续研究的需要也贯穿在所有的应用中。 在以下的每个部分中，我们简要地概述在主体领域内的挑战。 （1）航空航天与运输 航空航天与运输包含一个非常重要的应用领域集合，其中，控制是一项关键的启动技术。这些应用领域代表现代世界的全部科技能力的一个重要部分。它们也是它的经济力量的主要的部分，而且它们非常有助于它的人民的幸福。控制在这些应用领域中的历史角色，在这些领域中目前的挑战，以及未来计划需要都强有力地支持报告中的建议。 在航空航天中，特别是，追溯到二十世纪初期控制一直是一种关键的科技的性能。的确，莱特兄弟不仅仅是简单地以证明用动力推动的飞行而著名——他们实际上证明了受控的有动力的飞行。他们的早期的莱特飞行物是把移动控制表面（垂直的尾舵与前舵）与翘曲机翼合成一体使飞行员可以调节飞机的飞行。实际上，飞机本身是不稳定的，因此持续的驾驶修正是必须遵循的。在这个控制飞行的早期的例子之后是一个引人入胜的成功故事，它导致我们今天在现代商业和军用飞机上所见到的飞行控制技术的持续改进，最终出现了超高性能，非常可靠的自动飞行控制系统。如图4所示即为两架这样的飞机。 图4。（a）F-18飞机，第一种运用能遥控的自动驾驶仪技术的军用飞机之一，（b）X-45（UCAV）无人飞行器。（图片由（美国）国家航空和宇宙航行局Dryden飞行研究中心提供。） 控制技术的相似的成功故事发生在很多其他应用领域。第二次世界大战早期的轰炸瞄准器和射击控制伺服系统已经逐步发展成今天的非常准确的雷达制导的枪炮和精密制导武器。早些时候容易出现故障的空间任务已经逐步发展成常规发射操作，在月球上载人的登陆，永久载人的空间站，机器人车运载工具漫游火星，在外层行星的轨道飞行器，以及许多商用及军用人造卫星服务于各种监视，通讯，导航，及地球观察需要。小汽车从手工调试的机械/气动的技术发展到全部主要功能都由计算机的控制操作，包括加油，喷射控制，巡航控制，刹车，及车厢舒适度。 尽管它有很多成功，今天控制仍需要一些工程设计的系统以及他们中的许多在未来超过目前的工具和理论的能力。设计问题已经从一个所谓的控制层次的“内回路”（如调节一个指定的飞行参数）逐渐变成为操作方式，运载工具构造，净载重量构造，及健康状况等提供逻辑调节的多种“外回路”功能[13]。对飞机来说，这些功能被共同地称为“运载工具管理”。从历史上他们被飞行员或其他人类操作者执行，但是今天那个分界线正在变化，控制系统正逐渐地承担这些功能。 目前为设计这个体系的上层工程方法是远远不够规范和系统的。它们是由一长串来自专家的逻辑“如果－那么－否则”规则的集合组成的，把这些规则编成程序，再在运行环境中对其执行仿真。因为这些逻辑规则不提供固有的平滑性（任何状态过渡都可能），只有仿真才能用于评估，只有完全仿真才能保证良好的设计特点。很明显，这是一种不能接受的情况，控制界所持有的强烈的系统理论背景以及严谨的传统可以作出实质性贡献。 即将出现的另一个戏剧性的趋势是具有局部计算、全局通讯连接、物理实体产生极小规律、没有产生集中控制动作的分布式实体的巨大综合的动力学变化。这个趋势的例子包括图像航空航天管理问题、自动化的高速公路和交通管理、对未来战场的指挥和控制等。 （2）信息与网络 通信网络的迅速发展为控制提供几种较大的机会和挑战。虽然有重叠，我们仍能够把它们粗略地分为两个主要领域：网络的控制和控制网络。 网络的控制是一个大的范围，包括很多题目，包括拥塞控制，邮件路由，数据存储和动力管理。这些控制问题的几个特征使他们非常富于挑战性。最主要的特征是系统的大规模；因特网大概是人类曾经建造的最大的反馈控制系统（见图5）。另一个是控制问题的分散本质：局部的决定必须被迅速的做出并且只能基于局部信息之上。稳定性由于时变延迟的存在而复杂化，因为关于网络状态的信息只能被观察或者在一定时间的延迟后才能分程传递到控制器上，而且一个局部控制动作的影响在实际的延迟之后可能被在整个网络感测到。在网络中的不确定性和变化，通过网络拓扑字、传输通路特性、通讯量需求、可利用的资源等等，可能经常地不可预见地变化。另一个错综化的问题是网络必须支持的多变化的通讯量特性，以信息包和流动时标的到达统计，以及对服务质量的不同要求，即网络必须支持的延迟，带宽，及损失概率。 图5。北美UUNET网络中枢。（图片由WorldCom.提供。） 在这种环境里必须管理的资源包括计算贮存和在末端主机和路由器的输送能力。这样的系统的性能可以用很多方式判断：传输量、延迟、损失率、公平性，可靠性、以及网络适配器的通行模式的变化、资源可获量的变化、及网络阻塞的变化的速度与品质。 从目前信息技术的发展来看已经产生了一个允许用户相互交换信息的全球化的因特网，很清楚，下一个阶段将包括更多与物理环境和无线或有线交相作用，可以形成控制我们的物理环境的一支管弦乐队。例子包括汽车、智能家居、大的制造系统、智能公路和网络化的城市服务，以及企业范围内的供应和后勤链。因而，这下一个阶段的信息技术革命是通信、计算和控制的汇集。 因为现有的网络继续扩建，网络技术变得便宜并且比固定的点对点的连接更可靠，即使在小的局部的系统里，越来越多控制系统将在网络之上运行。我们能预见传感器、传动装置、诊断学、及指挥和协调信号全部通过数据网络输送。估计和控制功能能够被穿过多处理器分配，也被数据网络连接。（例如，在通过一个网络推进相关信息之前智能传感器能够大量地进行本地信号处理。） 当前的控制系统几乎普遍基于同步的、计时系统，因此它们要求信息网络能够保证传感器、传动装置和其他信号在一个已知的、固定的延迟中的传输。虽然当前的控制系统经受得起设计过程的变化（例如在某些空气动力系数，电机常数，或转动惯量中的变化），它们根本不能容忍（非模型的）通讯体系结构：全部信号通过同步的专用的输送，带有已知的（或者有限制的最坏的情况）的延迟及无信息包的损失。小的专用的信息网络能够被设定成与控制系统的这些苛求的规格相适合，但是一个非常有趣的问题是是否我们能开发一种控制系统在一个分布式、异步的，基于信息包的环境中的理论和实践。 （3）机器人技术和智能机械 机器人技术和智能机械是指包括带有类似人类行为的机械的发展的应用集合。然而早期的机器人包括有轮的和有腿的机器可能进行机器人竞赛和行星探测，无人飞行器的监视和搏斗，及给医生提供新能力的医学装置。未来的应用将包括增强自治权和增加同人类和同社会的相互作用。控制是在所有这些应用里的一个中心要素并且在将要发展的下一代智能机器的发展中更加重要。 控制论工程的目标，在20世纪40年代甚至更早就已经被明确表达，就是使系统能展现出高度的灵活的展示或对变化的环境作出“智能”反应。在1948年，麻省理工学院的数学家Norbert Wiener给出了一个对控制论进行了广博的虽然是完全非数学的描述[14]。钱学森通过与控制导弹有关的问题的驱动于1954年提出了可作更多数学解释的工程控制论[15]。这些工作及那时候其它的工作的聚合形成了在机器人技术和控制的现代工作中大部分智力的基础。 在这一领域的成功证明是火星旅居者机器人和索尼爱波机器人这两个成就，如图6所示。从1997年7月开始旅居者成功地在火星表面运动了83天并且传送回火星环境的实况图片。1999年的7月索尼的爱波机器人初次登场并且是第一款被一个主要的跨国公司对大众销售的娱乐型的机器人。尤其值得注意的是因为它的人工智能（AI）技术的使用即由于外部刺激以及它的自己的判断力使它做出响应动作。 图6。（a）火星旅居者漫游者和（b）索尼爱波娱乐表演机器人。（图片由喷气推进实验室和索尼电子公司提供。） 注意机器人技术方面的控制界的历史是十分有趣的。IEEE机器人技术与自动化协会是在20世纪八十年代初由IEEE控制系统协会和IEEE计算机协会共同成立的，表明这两个团体对机器人技术都有兴趣。不幸地，虽然很多控制<