中国自动化学会

　　一、 引言

　　经过半个多世纪的发展，以控制理论与工程为主线的自动化领域已成为保障和促进现代社会发展和生产力提高的核心科学技术之一。自动化程度已成为衡量一个国家发展水平和现代化程度的重要标志。近年来，随着网络技术的普及和智能科学的深化，自动化系统所涉及的不确定性、多样性和复杂性等急速提高，既给自动化带来了巨大的挑战，也使这一领域获得了前所未有的发展机遇。

　　“控制科学与工程学科”或“自动化学科”作为一级学科，共包括5个二级学科：（1）控制理论与工程；（2）模式识别与智能系统；（3）系统工程；（4）检测技术与自动化装置；（5）导航、制导与控制。

　　二、 国内外发展状况概述

　　自2005年以来的近3年来，国内外自动化领域发展最为强劲的方向之一当推网络化控制系统（Networked Control Systems）。控制领域的国内外主要期刊都相继推出网络化控制系统专刊。与之相关，对各类智能合作控制策略与技术的研究，从群体智能（Swarm Intelligence）到基于代理的智能控制方法，也已成为受到广泛关注的热点课题。

　　网络化带来的连通性(Connectivity)使被控对象与控制系统本身的复杂性获得实质性的扩展，进而从根本上突破了控制的原有功能与应用范围，显现出正在从传统工程领域向一般复杂社会政治经济问题拓展的趋势。这方面的突出例子有：从单纯的过程控制拓展到包括调度、资源分配、质量控制等；智能空间中的控制、传感、通信、计算融为一体；网上群体行为的动态分析、预估、反馈和通过“软”控制方法施加社会影响等。此外，自动化理论与技术已在智能交通、现代服务系统、电子商务和社会态势分析等非传统控制领域内得到了切实和有效的应用。

　　国际上，拟人智能机器人技术在日常生活和娱乐中的应用得到了实质性的突破。以机器人足球赛和美国无人驾驶车大挑战（Grand Challenge）为代表的新兴机器人比赛和智能车挑战赛既大大拉近了公众与自动控制和智能技术的距离，也大大促进了自动化学科对公众的影响力。随着美国无人驾驶飞机在实战中的成功应用，近年来各国相继兴起了对无人飞机和空中机器人的研发。

　　国际上，对脑认知、脑计算、神经交互、脑机交互等认知科学的研究正方兴未艾，并已经取得许多成就。在国内，对脑际交互的研究也取得了若干重要的进展。

　　人类已进入了一个信息时代。极其丰富的信息使得“信息超载”成为信息搜索和内容有效利用的一个很大的障碍。基于此，数字内容自动理解正在成为近期国内外模式识别方向的主要研究热点之一数据挖掘和机器学习，也相应地得到了大力的发展并取得许多重要进展。此外，近3年来国内外在生物特征识别、医学影像识别、数字医学、疾病信息学、生物信息学、情报与安全信息学等领域也都取得了重要进展。

　　在检测传感技术方向，传感网络已成为国内外近期的主要研发焦点，但RFID技术有待在大规模应用方面取得实质性突破。

　　三、 国内主要进展和成果

　　2005年至2007年的3年间，自动化领域共获得国家科学技术进步二等奖11项、国家技术发明二等奖1项、国家自然科学奖二等奖1项，有关项目如下表所示。

获奖时间	获奖类别	项目名称	主要完成人
2005年	国家科学技术进步二等奖	大型精对苯二甲酸(PTA)生产过程智能建模控制与优化技术	钱　锋、钱积新、邢建良、郑国栋等
2005年	国家科学技术进步二等奖	磨机负荷优化控制共性技术的研究与开发应用	张彦斌、贾立新、崔栋刚、曹　晖等
2005年	国家科学技术进步二等奖	井下工具检测技术及试验平台的研究与开发	胡小唐、刘　合、刘喜林、王凤山等
2006年	国家科学技术进步二等奖	混合智能优化控制技术及应用	柴天佑、马鸿烈、郑秀萍、臧秋华等
2006年	国家科学技术进步二等奖	大规模复杂生产过程智能调度与优化技术研究及应用	刘  民、孙  亮、吴  澄、余炳祥等
2006年	国家科学技术进步二等奖	全集成新一代工业自动化系统	孙优贤、王文海、皮道映、薛安克等
2006年	国家科学技术进步二等奖	循环流化床锅炉本体和动态仿真关键技术的研究及产业化	岳光溪、李  政、倪维斗、吕俊复等
2006年	国家科学技术进步二等奖	大型高强度铝合金构件制备重大装备智能控制技术与应用	刘吉臻、蒋敏华、何  新、牛玉广等
2006年	国家科学技术进步二等奖	汉王OCR技术及应用	刘昌平、刘迎建、李志峰、刘正珍等
2007年	国家科学技术进步二等奖	大型高强度铝合金构件制备重大装备智能控制技术与应用	桂卫华、喻寿益、贺建军、李迅等
2007年	国家科学技术进步二等奖	新型高性能捷联惯性测量装置关键技术研究及应用	房建成、郦吉臣、王巍、李道京等
2005年	国家技术发明二等奖	虹膜图像获取与识别技术	谭铁牛、王蕴红、马　力、孙哲南等
2007年	国家自然科学二等奖	智能控制理论与方法的研究	王飞跃

　　其中，作为集成4个奖项综合成果的“复杂生产制造过程实时、智能控制与优化理论和方法”及“智能控制理论与方法的研究” 被中国自动化学会评为2005-2007年度学科重大科技成果。

　　在“复杂生产制造过程实时、智能控制与优化理论和方法” 成果中，吴澄、柴天佑、孙优贤等面向我国冶金、化工、纺织等行业的大中型制造企业对复杂生产制造过程控制与优化技术的重大实际需求，采用建模与控制和优化相结合、智能方法与数学方法相结合的研究思路，系统研究了复杂生产制造过程控制与优化问题，取得了多项具有原创性的研究成果。柴天佑教授因其杰出贡献于2005年当选中国工程院院士、2007年当选IEEE会士。

　　在“智能控制理论与方法的研究” 成果中，王飞跃建立了一套关于智能控制的理论体系，并在实际工程中得到了验证和应用。主要工作包括结构与过程研究、算法研究、实现研究。完成人被国际同行公认为是智能控制的开拓者和重要研究者之一，因其杰出贡献当选IEEE、INCOSE、ASME、IFAC和AAAS 等Fellow，并获ACM Distinguished Scientist称号。

　　此外，过去几年里，自动化领域的5个二级学科都分别取得了较大的进展和重要的成果，简述如下。

　　1.控制理论与工程

　　理论方面，郭雷及研究小组对一般控制系统反馈能力进行了深入的研究，并在国际上首次对几类系统给出量化的解答，主要包括参数非线性系数阶数邻界值、非参数系统半径临界值，以及一系列不可能定理，开创了对控制系统族的复杂本质的研究。黄琳及研究小组对具有长时间尺度远离平衡态的大范围非线性特性的力学系统的多平衡点、类梯度性、稳定性、环解及旋转解等复杂多样的动力学性质进行了深入的研究，在系统的总体能控性、鲁棒性及相关协调控制等方面得到一系列的重要成果。陈翰馥及研究小组对Wiener及Hammerstein系统辨识，给出参数估计的递推算法及收敛性证明。张嗣瀛及研究小组对系统的对称性、整体规则与趋同等作了许多很有创意的探索。

　　在方法上，吴宏鑫及研究小组的智能特征建模方法已被实践证明为一种有效方法，并在制铝工业中得到了有效的应用。由于国际能源的紧缺，电力系统的安全高效控制重新成了一个热点研究课题。郑大钟及其合作者提出的基于图模型的解列理论具有很高的原创性与应用前景，得到国际同行的高度评价。王玉振等提出的基于能量的广义哈密顿系统方法也是电力系统控制的一个具有生命力的新方向。李少元等给出了预测控制设计与分析的新方法，并在工业条件下得到有效的应用。

　　针对网络化控制问题，岳东等建立了时间驱动传感器和事件驱动控制器执行器的混合系统模型；汪小帆和陈关荣针对一般的动态网络模型提出了虚拟控制原理，并给出了通过牵制控制使网络稳定到匀质平衡点的条件；田玉平等研究了具有不同时延的互联网拥塞控制算法的稳定性分析与设计；刘国平等提出了一种网络预测控制模型；王飞跃提出代理控制方法和“当地简单、远程复杂”设计原理以解决连通环境下的控制与管理问题。

　　在机器人方面，2006年，中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人研究中心负责研制的“CR-02”6000m自治水下机器人在成功完成实验室调试、湖上试验和工程化改造工作后，在南海海域成功进行了深海试验。“CR-02”在深海环境下的使命与运动控制、监测与遥控、水下探测技术以及综合性能等得到了充分的验证，并通过了大洋协会组织的海上试验验收。“CR-02”深海试验的圆满成功，标志着我国在自治水下机器人技术和应用方面又实现了新一步的跨越，具有世界先进水平。在工业机器人方面，我国已经掌握了工业机器人的开发技术。目前由我国自主实施的机器人应用工程，在国内市场的占有率已达40％以上，在摩托车行业的市场占有率达80％以上。此外，在管道机器人，用于侦察的空中机器人，危险作业机器人，移动机器人，服务机器人，医疗机器人，仿人、仿生机器人等方面也开展了深入和富有成效的研究。

　　此外，系统研制、产品开发和工程应用方面的重大成果与进展大部分已反映在前面所述的国家科学技术进步奖项之中。

　　2.模式识别与智能系统

　　在算法研究方面，张长水等人提出一种高斯混合密度估计的竞争EM算法，具有自动模型选择和提高收敛性能等特点；于剑提出了广义的c-means聚类模型（GCM）。基于GCM的局部最优性测试，首次建立了Occam剃刀原则与分区聚类之间的联系，并发现了一个用于构造和执行聚类算法的理论性指导原则；杨静宇、杨健等人推广和完善了Fisher线性鉴别分析理论和算法，从理论上解决了奇异情况下基于Fisher准则的最优鉴别矢量集的求解问题，为高维、小样本情况下线性鉴别分析方法建立了一个统一的理论框架；卢汉清施鹏飞等人在Kernel鉴别分析方面分别提出了新的核函数、鉴别准则和有效的算法。此外，周志华王珏等研究小组系统地研究并发展了各类机器学习算法，取得了一系列有特色的成果，如借鉴Isomap流形学习方法提出了监督学习的非线性特征提取方法、建立了选择性集成框架并证明了有关定理、揭示了通过增加学习器数目来提高泛化能力未必可取的现象，对多示例学习、多标记样本学习、代价敏感学习等问题进行了理论分析并提出有效的算法等等；查红彬等人还利用黎曼几何流形学习实现了非线性数据降维；张长水等人提出了基于邻域标号传播的半监督学习方法。

　　在计算机视觉上，郑南宁等人提出用马尔科夫网络建模和贝叶斯信任传播求解立体视觉问题的快速逼近推理方法和多视立体匹配算法，解决了立体匹配中的平滑视差场、深度不连续性与遮挡过程的建模、图像分割线索集成等问题，实验结果表明该方法是当时世界上最好的立体匹配算法与多视立体匹配算法之一；封举富等人提出了一种新的图像距离—图像欧氏距离(IMED)及快速计算方法，用于人脸识别、物体识别；吴立德等人对视频信息检索的关键技术进行了较为全面深入的研究，并取得了一批高水平的创新成果；谭铁牛等人对目标跟踪、运动目标行为建模、人的运动分析等问题进行了深入研究，提出了一系列有效的方法；胡占义等人对基于PnP的物体定位和摄像机标定等问题进行了系统深入的研究，取得了一系列有特色的重要成果。

　　3.系统工程

　　戴汝为及研究小组提出基于社会智能的Collective Intelligence概念和方法，并用于开放复杂巨系统的综合集成研讨厅的研发，在生态系统、军事决策支持系统、区域发展评估等复杂问题中得到了切实的应用。王飞跃基于人工社会、计算实验、平行系统，提出了复杂系统的计算研究框架和方法。

　　在应用上，柴天佑唐立新等在生产制造系统的优化方法、混合智能优化算法、流程工业生产与物流调度技术等方面做了深入的研究，取得了系统化的创新成果，并在钢铁企业的各种生产调度问题上取得了重大实际效果；吴启迪蒋昌俊等针对数字服务系统，如远程服务、数字社区、数字医疗、数字教育等，创立了相关的框架系统，并研制出上海交通信息服务网格应用平台，为公众和行业用户提供可靠、准确、及时的信息服务。

　　4.检测技术与自动化装置

　　鲍敏杭及科研小组在MEMS微机械传感器技术研究和产品化上取得了国际先进水平成果；姜德生及科研小组在光纤传感敏感材料制备与加工规模化生产和光纤光栅传感系统工业化生产关键技术研究与应用方面取得重要成果；胡小唐完成的“井下工具检测技术及试验平台的研究与开发”项目是国内外首次在地面上建立全尺寸、高性能的井下采油工具动态检测研究平台；叶声华开发的汽车车身视觉检测系统成功地应用于一汽大众等企业的轿车生产线上，在我国首先实现了车身尺寸100%在线测量。

　　周东华等人在混杂系统、采样系统和鲁棒故障诊断方面取得了许多重要成果。针对网络化系统，方华京等提出了多种基于信息调度模型、时延模型的网络化控制系统的故障诊断与容错控制算法。

　　针对无线传感器网络，于海滨等学者在通信与组网、信息处理、协调控制等方面取得了系统化的重要成果和应用。国内有关单位还参与了国际无线传感器网络标准Zigbee的制定工作。

　　5.导航、制导与控制

　　在卫星导航方面，国内有关科研单位从卫星星历与模型误差、钟差与稳定性、卫星摄动因素、相位不确定性、多路径效应等方面进行了系统深入的分析，在卫星导航的动态滤波、定位数据误差建模、多卫导系统集成与优化以及卫星辅助导航的深组合等方法的研究取得了突破。针对“北斗一代”卫星导航系统的不足，我国突破了卫星导航系统星座的协同控制与通信、多星数据链互联与组网等技术，并已开始构建“北斗二代”卫星导航系统。

　　在惯性导航方面，我国自行研制的多种平台惯导系统已广泛应用于武器装备，并在光纤陀螺及激光陀螺及其捷联惯导系统等方面取得重大突破。在惯性器件的标定补偿方面，国内学者提出了多种新型的最优速率位置迭代校准与标定方法，显著提高了捷联惯性导航系统的导航精度。在天文导航技术方面，我国已突破新颖直接敏感地平和星光折射间接敏感地平、基于UKF/UPF的天文导航、新型高精度导航敏感器以及天文辅助导航等多项关键技术。在地磁导航与重力梯度导航两种迅速发展的导航技术中，我国提出了重力梯度匹配方法，设计了基于重力梯度的组合导航信息融合方法。

　　在飞行控制技术方面，革命性的变化标志表现在电传/光传操纵与主动控制技术、飞控系统的余度配置与自修复技术、综合控制与飞行器管理系统技术等技术的成熟。在综合控制和飞行器管理系统方面，国内进行了大量的探索，开展了IFPC的技术研究，已经建成了仿真验证系统，为新一代飞行器设计和综合航空电子网络的研究奠定了坚实的基础。

　　近年来，国内的无人机研究呈现出百家争鸣、欣欣向荣的局面。相关无人机自动化技术的研究主要集中在滤波与组合导航、动力学建模与运动控制、自主起飞与着陆技术、多机协同与任务规划等关键技术，并已取得一系列的重要成果。

　　6. 新兴领域和方向

　　在生物信息学方面，国内学者从多方面对相关领域进行研究。从生物学意义看主要代表性成果可以分为基因及其转录和剪接的研究、非编码RNA的研究、蛋白质的研究、表观遗传学研究、群体遗传学和进化研究、疾病基因组学研究、系统生物学模型的研究、中医药的系统生物医学等。从信息科学的角度，我国生物信息学领域的主要工作可以分为以下几种主要类型：模式识别与机器学习在生物学中的应用、针对特定生物学问题的算法、综合运用信息处理手段对生物学问题的研究、生物信息学中的信息理论与方法研究。

　　此外，我国学者还在智能交通系统、智能空间、社会计算、服务学和万维学等新兴自动化领域展开了研究。

　　四、 国内发展中的问题与国际先进水平的比较

　　纵观国内外自动化领域的研究、发展和应用，我国学者已在一些方面，特别是理论研究上，处于国际领先的地位或国际水平，但整体态势还是处于跟踪或落后的情形，不容乐观。

　　在理论上，近年来我们较少提出引起国际自动化领域关注并积极跟踪的概念和方法，对国际上的热点领域仍有“一窝蜂”跟进的现象。在系统集成技术上，我们缺乏长期的规划指导和充足的资金，出现许多低层次、低水平、重复性的工作，很难形成具有实效的自主产权的系统化核心技术。在重大基础自动化装备上，国外产品仍占主导。而且，我国自动化产业的规模远远小于发达国家的水平。尽管如此，我国在集散控制系统（DCS）和数字机床控制系统研发和应用方面上的成功，为在自动化系统和装备上的进一步突破提供了宝贵的经验。

　　五、 国内外发展的趋势、特点、展望

　　运作的网络化、功能的多样化、系统的复杂化是国内外自动化研究和发展的主要趋势，而高集成、高性能、高智能成为自动化需求的主要特点。控制的研究和发展逐渐向分布自主式、博弈合作式、人机交互式迈进。此外，社会经济系统，特别是网络社会的各类软控制方法、Cyber-Physical系统的控制、纳米控制系统、量子控制系统等也越来越引起大家的关注。

　　普适的计算、通讯、智能和代理编程技术将使“按需求进行控制（Control on Demands）”成为可能，从而实现低成本、高性能的控制方法。更进一步，对多数控制工程师而言，自动化系统的设计将从建模、分析、控制简化为指定系统功能、性能和成本的要求即可，余下部分将自动完成。

　　六、 促进自动化学科发展的措施和建议

　　除了加强人才培养、加大资金投入、加深加快实际应用等一般措施之外，自动化学科的健康发展必须通过与其它学科的密切合作来实现。这是因为控制系统往往与被控对象分属不同领域，相互发展中非常容易产生矛盾，特别是短期性的矛盾。但我们必须清楚，当今社会一个产品、系统或过程的价值更多地源于它产生的各类“附加值”，而高性能的控制系统往往是保证产生高额附加值的关键。自动化技术和理论更是实现国防现代化、从制造大国到制造强国、从制造经济到知识经济的关键之一。

　　鉴于此，国家应加大对一体化的、针对特定应用领域的自动化研发机构的长期支持，建立高水平的人才队伍和知识体系，走出“低层次、低水平、重复性”的“局部稳定”状态。

Control Sciences and Engineering

　　Over the past few years, Chinese researchers in automation have made significant progresses and contributed to the control sciences and engineering greatly. Automation has become one of keys to support and ensure the success of the current social and technology development in China.

　　In China, the automation science and engineering discipline has been divided into five areas, that is, control theory and engineering, pattern recognition and intelligent systems, systems engineering, measurement technology and control equipment, and navigation technology and flight control.

　　For the last few years, the major challenges and driving forces in research and development of automation are from new connectivity, diversity, and complexity. They are provided by advancement at computing, communication and intelligence in operations, functions, and scales of control systems. The recent initiatives and the state of the art can be summarized briefly in sequel:

　　1. Research and study in nonlinear, stochastic, and complex systems are still the major effort for both theoretical and practical investigations in automatic controls. Fundamental and significant contributions have been made in feedback capacity, large scale nonlinear and non-equilibrium dynamic systems, identification and control of Wiener and Hammerstein processes, as well as intelligent control of complex systems. New concepts and methods for open giant complex systems, such as collective intelligence, social intelligence, and computational methods based artificial societies, computational experiments, and parallel managements, have been developed.

　　2. Issues related to the Networked Control Systems (NCS) have become one of focal points both in China and other countries of the world. Chinese researchers have achieved significant results in modeling, analysis, and synthesis of NCS, particularly, in hybrid systems, virtual control, delay and congestion, predictive control, and agent-based control and management.

　　3. From traditional engineering problems to complex social-technological systems, especially cyber-physical systems, Chinese researchers made significant progresses in addressing control-oriented issues at new and emerging areas of intelligent transportation systems, services systems and science, e-business and u-societies, web science and social computing.

　　4. Toward deep intelligence, high autonomy, and sophisticated applications of robotic systems and technology, research efforts in social robots, intelligent vehicles, and unmanned aerial vehicles (UAV) have been increased significantly in the last three years, and significant results have been obtained in flight control technology along the direction of fully independence, high precision, and in digitization, integration and networking. In addition, successes of robot soccer competitions, grand challenges of autonomous vehicles, and UAV’s military applications have greatly inspired the interest of general population in automation and control.

　　5. Topics in cognitive sciences have emerged as new directions in intelligent information processing and complex systems. Significant progresses in brain cognition, brain computing, neural interface, bio-design, especially in brain computer interface, have been made by both Chinese scholars and other scientists in the world. Efforts in bio-informatics and medical informatics are still strong and march toward general digital and intelligence sciences for medicine, traditional Chinese medicine, and health.

　　6. Although we have entered an information-rich era, the problem of information over-loading has become a big obstacle to the positive and effective use of information. Chinese researchers have made significant efforts in intelligent and automatic processing and understanding of digital contents, from traditional media to web forms, from data to pattern, and from physical to biological. A great number of new methods and significant progresses in data mining and machine learning technology have been made. Many advances in new and merging areas, such as biometrics, medical images, disease informatics, intelligence, and security informatics, have been accomplished.

　　7. In measurement technology, sensor networks, especially wireless sensor networks, are still the focus of research and development. Significant progresses have been made in intelligent information processing, system architectures, and operation control and management of such networks. However, the expected wide availability and application of RFID technology has yet to be materialized both in China and the rest of the world.

　　From 2005 to 2007, 13 National Awards in Science and Technology have been received in the field of automation science and engineering, including 11 second class National Awards in Science and Technology Progress, one second class National Award in Technological Invention, and one second class National Award in Natural Sciences. Among them, two awards, namely, “Theory and Methods of Real-Time and Intelligent Control and Optimization for Complex Production and Manufacturing Processes” in Science and Technology Progress, leaded by Professors Wu Cheng and Chai Tianyou, and “Studies on Theory and Methods of Intelligent Control” in Natural Sciences completed by Professor Wang Fei-Yue, have been selected by the Chinese Association of Automation as the most significant accomplishments in science and technology during the past three years.

　　In the research on “Theory and Methods of Real-Time and Intelligent Control and Optimization for Complex Production and Manufacturing Processes”, critical issues regarding actual demands and requirements are addressed for control and optimization technology by complex production and manufacturing processes in Chinese large to medium metallurgy, chemical, and textile enterprises. A number of innovative methods based on integration of modeling, control, and optimization technologies combined with both intelligent and mathematical approaches are developed systematically to solve control and optimization problems in complex production and manufacturing processes. Successful applications are implemented at many production systems in China over the past few years. Due to his outstanding contributions, Professor Chai Tianyou was elected as the member of the Chinese Academy of Engineering and a Fellow of Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) in 2005 and 2007, respectively.

　　In the research about “Studies on Theory and Methods of Intelligent Control”, an analytical framework for intelligent control and systems has been established over a period of two decades, the framework consists of analytical models for system structures and processes, algorithms for computing with words and human machine interfaces, and implementation technology and methods using agent-based control in networked environments. Due to his outstanding contributions, Professor Wang Fei-Yue was elected as the Fellow of IEEE, International Council of Systems Engineering (INCOSE), American Society of Mechanical Engineers (ASME), International Federation of Automatic Control (IFAC), and American Association for Advancement of Sciences (AAAS), and recognized as a distinguished scientist by Association for Computing Machinery (ACM) recently.