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二、从技术原理到成功

最近,有家企业用图像识别技术解决了一个困扰人们多年的问题,取得了很好的经济效益,并受到了高度的评价。对此,有人提出质疑:这个技术用的算法在多年前就成熟了,怎么能算先进技术?显然,这项新技术的成功不是算法进步导致的,而是计算机的性能提升导致的。

这种现象其实很普遍。智能制造的很多原理和想法,在很多年前就有了。但是,与技术可行性、经济可行性相关的条件并不成熟,达不到实用、经济的要求。这些技术成为热点,是由于外部条件的变化引起的。

我们注意到,随着信息与通信技术(Information and Communication Technology,ICT)的进步,技术研发和应用的条件发生了巨大的变化,技术可行性逐渐具备。同时,随着经济、社会的不断发展,对技术的需求也越来越强烈,经济可行性也发生了逆转。故而智能制造能够在今天成为热门的技术领域。

现在流行的很多技术理论和思想往往都可以追溯到若干年前,并非新鲜的东西。CPS(Cyber-Physical Systems,信息物理系统)是智能制造领域中的一个重要概念,被称为工业4.0的核心技术之一。虽然这个概念提出不久,但类似的思想却可以追溯到20世纪40年代。其中,Cyber这个词本身就来源于维纳(Weiner)提出的控制论(Cybernetics)。

而控制论的思想,还可以继续往前追溯。在瓦特发明蒸汽机的时候,就用了控制论的原理。图2-1所示为蒸汽机的速度控制原理。当蒸汽机转速加快时,飞锤就会上升,通过调节杠杆使进入机器的蒸汽量减少,转速下降;反之,当蒸汽机的速度下降时,飞锤就会降下来使进入机器的蒸汽量增加,转速上升。通过这个方法,可以让蒸汽机的速度相对稳定。

但是,瓦特和当时的科学家并没有明确提出控制理论,关键是当时的技术条件不成熟。我们知道,控制论的核心思想是把信息的感知、决策和物理系统的执行统一起来。在蒸汽机的例子里,信息只能通过机械机构感知、用机械机构计算开关大小并通过机械来执行。用机械机构感知和计算的做法不具备一般性,只能用在特殊的场合,不能形成一般性的理论。

当弱电技术出现以后,情况发生了根本性的变化。弱电是用来感知信息、运算信息的;而弱电的信号又可以用来指挥强电,驱动机械实体。信息和物理两个领域通过“电”这种媒介打通了,控制论的思想就有了一般性的技术实现手段。这样,控制论应运而生。

图2-1 蒸汽机的速度控制原理

然而,当时的控制理论仍然有严重的局限性。我们看到,经典控制理论教科书中涉及的数学模型和控制器主要有两类:传递函数和(线性)状态方程。在控制论产生之初,控制器一般只能用电感、电容、电阻等电子器件来搭建,适合用这样的数学模型来描述。所以,这些理论也是与当时的技术条件相适应的。

我们知道,很多控制过程或物理对象不能用这样的模型描述。要建立更加一般性的数学模型,必须借助计算机。所以,把计算机模型引入控制领域,是一个重大的进步。我国著名学者、国际自动控制联合会(IFAC)原主席吕勇哉教授的重要贡献之一,就是把数学模型用在钢铁企业的过程控制中。

CPS概念的产生,同样也是技术条件发展的结果。这个概念的提出是很自然的。但在ICT不够发达时,即便提出这样的概念也没有多少实际意义。当互联网的应用逐步深入后,需要把众多的对象协同起来、智能化地处理,CPS概念的产生也就是水到渠成的事情了。

技术发展的历史告诉我们:智能制造成为热点的关键,是相关技术条件不断发展变化所致。技术思想只是顺应这些变化。技术条件变化后,“老方法”的用处增大,用于创新也就不奇怪了。 uR97PKmYKdVBLK1+qYNWRGYGffeC71XkHnIWJwmFQgLDD5B5d9eNiN10EiXzlf0/

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