传感技术将引领自动化技术 | 学科发展大家谈
自动化技术，就是用机器代替人的体力劳动、脑力劳动，高质量地完成人们所期望的目标。而自动控制，就是机器代替人的体力执行一个或者一系列动作。人工智能则是机器代替人的脑力进行分析、判断、决策。
——张朝晖
在2021年度北京地区广受关注学术成果报告会（自动化及人工智能领域专场）召开之际，科协频道特邀北京自动化学会副理事长张朝晖就自动化学科发展等相关话题进行讲解和分享。
01
自动化技术总是充满活力
由于人们的期望无止境，因而自动化技术总是充满活力。
先来简要回顾一下人类生存、生活、生产的历史：
公元前，埃及、希腊就使用了水车、水磨，以替代人的重体力劳动。我国三国时期，诸葛亮使用木牛流马运送粮草，一台这样的“马”就能运载 400 斤重量，远高于人的负重能力。
公元 850 年，伊拉克的阿拉伯几何学家班努·穆萨(Banu Musa) 出版的《精巧装置 Ingenious Devices》一书中，描绘了大量的自行运转的装置，例如自动喷泉、自动吹奏的笛子、自动调节的阀门等。
中国毕昇发明活字印刷术的 400 年后，德国人约翰内斯·谷登堡发明了活字印刷机，欧洲开始印刷出版古希腊、古罗马的文学译著，1469开始印刷出版科技书籍。印刷机加速了新思想和科学技术的传播，对推动欧洲宗教改革和文艺复兴起到了巨大作用。
1642年，布莱士·帕斯卡（Blaise Pasca）发明了机械计算机。
自动化控制技术广泛应用，起始于欧洲的工业革命。
18 世纪的第一次工业革命，瓦特在气缸上采用了“飞球调速器”，从此有了能够连续转动的蒸汽机；埃德蒙·卡特赖特的水力织布机，降低了制造复杂纺织品的劳动强度；安卓·米克尔(Andrew Meikle)的回转滚筒式脱粒机，代替了 1/4 的农业劳动力。
19 世纪到 20 世纪中叶的第二次工业革命，伴随着电气化的进程，福特汽车公司首创了发动机汽缸的自动传送、加工装配流水线，提出了“反馈”，设立了“自动化部”，随后在各行业开发出各种“自动调节装置”，实现了车间层面上的“生产过程自动化”；相关的理论，在美国称为“伺服机构理论”，在苏联称为“自动调整理论”；后随着空间技术的发展需求，又出现了解决多变量问题的“现代控制理论”。同期，1943 年首台可编程电子计算机 Colossus 帮助英国人破解战时德军密码；1961年Bell Punch公司开发了首台桌面电子计算器 ANITA。
从 70 年代进入第三次工业革命—数字革命，随着磁存储、微处理器、个人计算机的出现，人类进入到信息时代。基于信息技术，以改善劳动条件、保障安全生产、 保证产品质量、提高效率、节能、降耗为目标的“全工厂层面的自动化”。同期，随着计算机处理能力和各种终端、网络的出现，实现了人、财、物管理的“办公自动化”。
现在我们正处在第四次工业革命中。机器学习，自动化数据提取、解释、预测；人工智能对自然语言的理解和翻译，自动整理会议纪要，自动驾车。自主工作的机器正变得无所不能，从扫地主机器人，到探索外太空。
通俗地说，人类生存、生活、生产的历史，就是“惰性驱动、欲望牵引”的历史。严肃地说，技术的发展史，就是不断谋求生产能力最大化、劳动付出最小化的历史。特别是自动化技术 automation，就是通过拟人、让机器自主运行，代替人，无人化，完成人的期望。由于人们的期望总是无止境的，自动化技术始终有着强大的驱动力，所以它的发展也总充满着活力。
02
控制理论发展史上三部重要著作
在控制理论发展历史上，有着三部重要著作，产生了新型的综合性基础理论：“信息论”“控制论”“工程控制论”，对人类社会产生了深远的影响。
这三部著作分别是“控制论”创立者诺伯特·维纳的《控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，被作为“信息论”开端的克劳德·艾尔伍德·香农的《通讯的数学理论》，钱学森的《工程控制论》。
这三部著作对推动自动化技术进步具有重要意义。
诺伯特·维纳的《控制论》是在上世纪40年代发表，他首先通过输入输出、建模、反馈这样一些理论，阐述了一个系统运行的规律。之后香农发表的《通讯的数学理论》，用数学的方法，定量地定义了信息以及信息在传输当中的规律。
香农（右）
钱学森的《工程控制论》最早是在美国20世纪50年代出版，后来他回到祖国后，又在国内多次再版。《工程控制论》将“控制论思想”落地到工业工程设计当中，直至今日，自动化相关的书籍、教科书基本上采用了钱学森的《工程控制论》中的内容框架，该理论也为自动化技术走向更广泛的行业奠定了坚实的基础。
钱学森
03
传感技术将引领自动化技术
在人工智能日益深刻地影响自动化技术的今天，张朝晖称其有个大胆预测：未来将是传感技术引领自动化技术。
如今，各种各样的传感器、传感技术异彩纷呈，传感技术的创新将引导自动化的走向。
张朝晖团队主要是利用电磁波、太赫兹波做传感检测，应用在体育健康、冶金、电解铝及油井等方面。
张朝晖提到，在体育健康领域曾掀起过“带动3亿人参与冰雪运动”热潮。那些喜欢滑雪的年轻人，滑雪时如果使用了带有传感器的自动化设备，不仅可以帮助定位，还能确定人体的生理指标，如心跳、脉搏等。除此之外，还能听音乐、打电话、跟朋友聊天，全方位提升人们的体验感。
在工业领域，以电解铝为例，这个传统行业里目前面临的最大问题是如何降低电耗——电的能量消耗。其中需要大量的传感器来测出工作效率、成分等，但目前非常难以实现，一是它的环境比较差，电磁干扰特别强，还有就是粉尘影响等原因。电解铝行业测的是双页面，对于液体深度要做一个定量的刻划，这都是高温的，在1000多摄氏度。周围又是强的电磁场，意味着走近一些，手机、笔记本都会死机，这是非常严重的问题。在这样的场合下，要实现信息化，就需要传感器必须有很好的性能来抗住这些干扰。
张朝晖表示，因为有节能降耗的需求，我们对于传感器的迫切性还是很强的，团队在这方面已经做了好几年工作，也取得了一些初步的成果。
针对油田，张朝晖团队开发了“动态井深测量仪”。动态井深指的是石油钻井深度，它的深度往往是在1000~4000米。在相当深的深度上，页面会随着地质情况发生变化，只有根据它的变化来适当控制产量，才能达到地质有效的恢复和最高的效益。但在地底下几千米，人们无法得知具体深度，传统的方法是采取人工爆破，但这不便于定时、定量的操作。张朝晖表示，目前团队做的工作是采用一种非常安全且自动化的方法，可以随时设定时间，也可以精确测出页面，精度上远远高于人工测量，而且使用上也非常方便。
工业自动化是要以安全、稳定、平稳生产为主要目标，终极的工业自动化的目标还是要提高产品的质量。如果要保障提高产品的质量，必须对产品的质量作出一个定量化的检测。就像我们的眼睛一样，看得准，才能控制的准。
检测质量遇到了较大的困难。现在很多质量控制的传感器，比如色谱仪、光谱议、质谱议等，对成分，对质量能够精确刻划的装置基本是在实验室里运行，也就是说现在的工业控制，很大程度上需要取样到实验室去化验，这个过程具有延时性和滞后性，并且不是线上处理，因此效率非常低。
对于如何实现在线的没有延迟的检测产品的质量，张朝晖认为，从工业的角度看，人们需要传感器，如果传感器问题能被攻克，并能大量地开发出来，工业自动化还会上一个台阶。从民生的角度讲，现在的传感器微型化、可移动、可穿戴且能耗非常低，如果将来大量普及，将会催生出一个全新的传感网络，就能更好地改善人类生活的体验，传感技术也会引领自动化不断向前进步。
04
传感技术面临哪些挑战？
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此，传感器可以说是人类五官的延长，又称之为“电五官”。实际上，传感器就是把自然的信号变成电的信号，然后去进行收集、处理与传送，“信息的转化”是它最基本的功能。
传感器作为一个产业来说是需要延伸的。比如让它智能化，将数据进行去噪、现行化、动态补偿等处理，让其性能更好。还可以延伸到让它自动地联网，这便是“物联网”和“工业互联网”的范围，这样我们就能把传感器从物质层面上提取出来，传送到信息的网络上去。
传感器实际上是一种跨领域的设备，更是一种方法。它能感受到被测量的信息，并且能将信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
目前研究人员主要的挑战是需要提前了解各种物质层面的原理。比如研究测脉搏的传感器，必须了解心跳规律、生理特征等；研究冶金方面的传感器，就需要了解铝的生产工艺。跨领域的研究对于科研人员实际上是有一些难度的。
更严峻的挑战是我国面临很多“卡脖子”问题。目前，高档的传感器主要依靠进口，因此需要我国自动化领域的研究人员付出更多的努力，只有这样，才能够使得整体的自动化的水平提升。
