信息技術(shù)與人類社會發(fā)展

文 / 上海交通大學(xué)李少遠(yuǎn)教授

*本文根據(jù)作者在CAA科普大講堂上所作報告速記整理而成。如果您對原視頻感興趣，歡迎掃描下方二維碼或點擊文末鏈接觀看。

一、 信息技術(shù)的發(fā)展

人類社會發(fā)展經(jīng)歷四次工業(yè)革命。

1. 第一次工業(yè)革命

第一次工業(yè)革命的主要推手是動力的變革，即機械代替人工。在中國的歷史發(fā)展過程中，包括“四大發(fā)明”等生產(chǎn)裝置早早出現(xiàn)，包括漏鐘、分水儀、地動儀、指南車等，最為典型的一個工程是都江堰水利工程，在這些裝置和工程中都自覺不自覺地有了系統(tǒng)的概念。

第一次工業(yè)革命最重要的、標(biāo)準(zhǔn)性的成果是人類進(jìn)入了蒸汽的時代，由蒸汽機代替了原來的手工勞動。蒸汽機需要依靠控制運行，使得系統(tǒng)的控制成為必然需求。

維納在《Cybernetics》這部專著中的核心思想即是將控制論定義為研究生命體、機器和社會之間信息和控制的原理，故其定義控制系統(tǒng)時，不僅僅指工程系統(tǒng)，同是廣義控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，核心問題是利用信息的傳播處理、存儲和利用實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制任務(wù)。由此提出重要概念——反饋。

用系統(tǒng)的觀點分析系統(tǒng)控制的要求，首先需要進(jìn)行建模，形成物理系統(tǒng)的關(guān)系。尋找這種因果關(guān)系的技術(shù)稱之為系統(tǒng)的辨識和建模技術(shù)。一個模型描述一個系統(tǒng)動態(tài)變化的演化規(guī)律，在控制系統(tǒng)自動化技術(shù)中稱之為系統(tǒng)的建模技術(shù)。

在建模的基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)最終目標(biāo)需要控制器。該控制器即指根據(jù)已知信息及所期望的目標(biāo)實現(xiàn)一種控制作用的計算。依靠反饋形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)?？刂破骺筛鶕?jù)系統(tǒng)設(shè)定的控制要求，不斷地采集系統(tǒng)得到的輸出和系統(tǒng)的要求進(jìn)行比較；產(chǎn)生偏差以后控制器控制單元克服偏差，最終使得偏差趨向于零。趨向于零即系統(tǒng)的輸出與設(shè)定的目標(biāo)一致，正是控制系統(tǒng)設(shè)計的目的。

2. 第二次工業(yè)革命

第二次工業(yè)革命的核心是內(nèi)燃機，即電力的變革。

內(nèi)燃機是一個電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)控制的目標(biāo)和要求也相應(yīng)提高。第一代的控制理論基于反饋的思想、實現(xiàn)簡單的回路控制，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足需求。

在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束的背景下，西方主要大國需要研制新式的武器。在新式武器中就需要更多的控制技術(shù)，包括火炮、雷達(dá)、飛機，整個通信系統(tǒng)的控制。

研制的需求直接推動經(jīng)典控制理論向現(xiàn)代控制理論的發(fā)展。

1956年L.S. Pontryagin提出的極大值原理(Maximum Principle)，1957年R. Bellman提出的動態(tài)規(guī)劃(Dynamic Programming)，1960年R.E. Kalman提出的狀態(tài)空間法、能控能觀性、Kalman濾波，被稱為現(xiàn)代控制理論三大基石。

第二代控制理論更是推動了當(dāng)時的復(fù)雜多變量系統(tǒng)的發(fā)展，即把控制的思想不僅用在控制工程系統(tǒng)，甚至在生物、社會、經(jīng)濟(jì)、軍事等。

3. 第三次工業(yè)革命

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，人類社會進(jìn)入了信息時代。由于信息技術(shù)不斷地發(fā)展，2000年至今的20余年，人們的生產(chǎn)和生活活動發(fā)生了一些顛覆性、革命性的發(fā)展。

第三次工業(yè)革命以原子能技術(shù)、航天技術(shù)、電子計算機應(yīng)用為代表，包括人工合成材料、分子生物學(xué)和遺傳工程等高新技術(shù)。

現(xiàn)在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的模式發(fā)生著根本性的轉(zhuǎn)變——從原來的集中式控制，向分布式控制模式發(fā)生深刻的變化?，F(xiàn)在自動化技術(shù)已經(jīng)滲透到人類生產(chǎn)和社會活動的方方面面。正是因為自動化技術(shù)的不斷地發(fā)展，推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，包括大型煉廠，裝配、航天器，航海以及日常的醫(yī)療、交通、機器人等，系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。反而言之，正是因為有成熟的控制方法、有了成熟的自動化技術(shù)，所以能夠控制的系統(tǒng)會變得越來越復(fù)雜。

控制理論的發(fā)展再次印證了：由于生產(chǎn)系統(tǒng)的需要，控制理論的發(fā)展不斷被推動。從一開始的數(shù)字控制系統(tǒng)、模擬控制，到后來的數(shù)字控制、智能控制，在自動化技術(shù)的發(fā)展過程當(dāng)中，智能一直是很重要的概念。

智能即把人類的知識、數(shù)據(jù)融合集中起來，去處理復(fù)雜系統(tǒng)的控制，包括這里面的自身控制及魯棒控制等?？刂评碚摬煌姆种?，實際上都伴隨著實際控制系統(tǒng)要求，推動著控制理論不斷的發(fā)展。

三論的融合、三論的崛起，為人類認(rèn)識世界和改造世界，提供了強有力的新的武器。

控制論不僅針對工程科學(xué)、工程系統(tǒng)的控制，生物、社會、交通等任何一種科學(xué)系統(tǒng)的控制都離不開系統(tǒng)論、信息論、控制論三論的融合。從信息控制的角度來講，領(lǐng)域問題存在很多的共性問題，形成了獨特的科學(xué)研究體系。

4.下一代工業(yè)革命

當(dāng)下熱議的物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等，實際上均屬于人工智能范疇。

下一代工業(yè)革命的發(fā)生，一定與信息技術(shù)密切相關(guān)。

回顧截至目前的幾次革命，第一次工業(yè)革命是動力的變革，機械代替了人工；第二次是電力的變革，電的技術(shù)的應(yīng)用推動實現(xiàn)了新的一次工業(yè)革命，有了電、電動機、發(fā)動機；第三次工業(yè)革命進(jìn)入了信息時代?，F(xiàn)在處在第四次工業(yè)革命的前夜，或者是正在發(fā)生。所以第四次工業(yè)革命的因素，背后技術(shù)的推手定是信息技術(shù)。

二、 信息物理系統(tǒng)(CPS)

CPS系統(tǒng)是面對一個大型的物理系統(tǒng)，在物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，疊加信息網(wǎng)絡(luò)。信息網(wǎng)絡(luò)將物理系統(tǒng)的信息通過信息網(wǎng)絡(luò)傳遞給當(dāng)下的云，通過云的計算進(jìn)行信息的采集、信息的傳輸、信息的存儲、利用、計算，到最后信息的決策。這樣一個決策的任務(wù)、決策的變量、決策的結(jié)果，最后通過信息網(wǎng)絡(luò)傳回到物理系統(tǒng)，執(zhí)行最后物理系統(tǒng)的動作，通過一些機構(gòu)最后達(dá)到整個復(fù)雜大系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

當(dāng)今世界離不開數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)、信息到?jīng)Q策，伴隨著計算機，通訊、光電、篡改器，各學(xué)科技術(shù)都在不斷進(jìn)步，一些裝置、控制設(shè)備也逐漸能夠滿足工業(yè)的需求。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，即混合工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，對于網(wǎng)絡(luò)的要求越來越高。因為控制離不開信息、控制追求實時性，所以在控制的過程中，信息實時十分重要。從控制角度，網(wǎng)絡(luò)信息存在著丟包、錯序等問題，就需要使用控制方法來解決網(wǎng)絡(luò)通訊中的問題，利用網(wǎng)絡(luò)傳出信息。

三、 新工業(yè)革命

從德國興起的工業(yè)4.0白皮書中提到：工業(yè)4.0技術(shù)的核心仍然是CPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及復(fù)雜問題控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。其中用到物聯(lián)網(wǎng)，信息采集等技術(shù)，最后實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的適應(yīng)性，資源優(yōu)化的配制，工作環(huán)境的改造，到最后能夠更好的為人類的生產(chǎn)和社會活動、提供更好的產(chǎn)品商業(yè)目的。

實現(xiàn)智能工廠和智能生產(chǎn)對實現(xiàn)智能交通、實現(xiàn)智慧城市，不同的角度，不同的行業(yè)里面，有不同的一些名稱、術(shù)語，最終實現(xiàn)生產(chǎn)活動的智能化。

對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在CPS情況下實現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)顛覆性的技術(shù)變革，推動行業(yè)的進(jìn)步。在產(chǎn)業(yè)中，自動化技術(shù)充當(dāng)著重要的角色，起到重要的推動作用。而由于新技術(shù)的推動和技術(shù)的不斷成熟，推動很多新型行業(yè)的誕生，包括數(shù)字經(jīng)濟(jì)，電商、智能駕駛。從自動化技術(shù)方面而言，提升了傳統(tǒng)工業(yè)的智能化水平；從另一個角度來看，很多新型的智能產(chǎn)業(yè)誕生，例如：云計算，云服務(wù)、云控制，逐漸形成服務(wù)性，新型高技術(shù)的服務(wù)行業(yè)。

人們的生產(chǎn)和生活活動確實是顛覆性、革命性的發(fā)展。新的工業(yè)革命伴隨著系統(tǒng)具有更高自主的能力、整體實現(xiàn)可視化等新的特征。數(shù)據(jù)及可視化技術(shù)實現(xiàn)整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)協(xié)作、重組以及可擴充性能，還需具有自愈能力、自我學(xué)習(xí)、維護(hù)的能力，發(fā)展做到人機共存等。

新的技術(shù)要求結(jié)合人們的生產(chǎn)活動必然會發(fā)生新的革命性的發(fā)展。

*本文根據(jù)作者在CAA科普大講堂上所作報告速記整理而成。

作者簡介

李少遠(yuǎn)，上海交通大學(xué)講席教授，博士生導(dǎo)師。1987年畢業(yè)于河北工學(xué)院(現(xiàn)河北工業(yè)大學(xué))自動控制系，1992年在該系獲得碩士學(xué)位，1997年南開大學(xué)計算機與系統(tǒng)科學(xué)系獲得博士學(xué)位，2000年上海交通大學(xué)控制科學(xué)與工程博士后流動站出站后留校，研究方向為網(wǎng)絡(luò)化分布式系統(tǒng)的自適應(yīng)預(yù)測控制、滿意優(yōu)化控制和生產(chǎn)全過程系統(tǒng)的優(yōu)化控制，主要成果獲得2006年上海市自然科學(xué)一等獎(第一完成人) ，2010年獲得首屆楊嘉墀科技獎二等獎，2016年中國自動化學(xué)會自然科學(xué)一等獎(第一完成人)，2017年國家自然科學(xué)二等獎(第二完成人)，2018年國家級教學(xué)成果一等獎(第一完成人)。2008年獲得國家杰出青年基金資助，先后獲得上海市教學(xué)名師和國家級“萬人計劃”教學(xué)名師稱號，入選國家百千萬人才計劃。 

李少遠(yuǎn)教授現(xiàn)擔(dān)任中國自動化學(xué)會副理事長，中國自動化學(xué)會過程控制專業(yè)委員會副主任等職，擔(dān)任教育部自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會副主任，國務(wù)院學(xué)科評議組成員(控制科學(xué)與工程)，擔(dān)任”Int. J. System Control and Information Processing”國際雜志主編，《控制理論與應(yīng)用》副主編，及多個雜志的編委。