[转帖]系统控制与系统复杂性的进展、机遇与挑战

王不留行

系统控制与系统复杂性的进展、机遇与挑战

日期：2005年5月1日 作者：戴汝为 人气：96
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    戴汝为  中科院院士，中科院自动化所研究员，学术委员会主任，中国自动化学会理事长。现任中科院学部主席团成员，信息技术科学部副主任，道德委员会委员。长期从事自动控制、思维科学、模式识别、人工智能、系统复杂性等方面研究工作。兼任国内30余所大学名誉教授。上个世纪90年代初，通过人工智能的途径，跨入对“开放的复杂巨系统及其方法论”，“人-机(计算机)结合的咨询与决策支持智能系统”以及在神经认知，系统复杂性等前沿领域进行学科交叉与整合的研究。曾获国家科技进步一等奖、“何梁何利”科技进步奖等多项奖励。
    一、系统控制
    近年来人们对控制与管理有关的复杂系统问题以及控制科技在信息丰富的世界中未来的发展，给予很大的注意。下面围绕5个方面来扼要地谈谈：
    (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。它们也是一个国家经济力量的主要的部分，有助于所在国人民的幸福。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的制
导武器。早期容易发生故障的空间任务已经发展成常规的，如在月球上载人的登陆机器人，车运载工具漫游火星等。
    (2)信息与网络：通信网络的迅速发展为控制与管理提供较大的机遇和挑战。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规模庞大；因特网可以说是人类曾经建造的最大的反馈控制系统。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才可能在整个网络检测到。在网络中的不确定性和变化，通过网络拓扑、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。从目前信息技术的发展来看已经产生了一个用户们可以互相交换信息
的Internet，下一阶段的网络将包括更多物理环境，从而形成控制与管理我们物理环境的一支乐队。
    (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控测，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主的作用和增加人类同社会的相互作用。控制与智能技术是在所有这些应用里的一个中心
要素，在下一代智能机器的发展中将起更加重要的作用。
    控制论工程的目标在20世纪40年代已经早就被明确表达：使系统展现出高度的灵活性；对变化的环境作出“智慧”的反应。1948年MIT的数学家N. wiener给出了一个对Cybernetics(控制论)进行了广博的、非数学的描述。当时还在加州理工学院执教的钱学森教授通过控制导弹有关问题的驱动，于1954年在美国发表了具有经典意义的《Engineering Cybernetics》(工程控制论)专著。
    这一领域成功的例证是美国往火星发射的“旅居者”机器人以及日本索尼公司的智能宠物“爱波”小狗。
    (4)生物学和医学：在多种水平的组织中，从分子的到细胞的到生物的人，生物学变得更易于接近工程中常用的方法：数学建模、系统理论、计算，及综合的抽象方法。在生物科学中发现的步伐加速，正预示着可能在人造系统里重要的实际应用中形成新的设计原理。这个在生物学和工程的界面的协同增效提供了在这两个领域中迎接挑战的前所未有的机遇。控
制的原理是生物信息工程大多数关键问题的重点，并且将在这个领域的未来中扮演一个启动与前瞻性角色。
    (5)材料及加工：化学工业是美国最成功的产业之一，有超过100万份工作及4000亿美元的年产量。已经有连续40年的贸易顺差记录，它是美国首要的出口工业：在2000年总计出口725亿美元，占美国全部出口超过10%的份额，并且在1997年产生一个超过200亿美元记录的贸易顺差。
    新的传感器技术正为系统控制创造新机会。在线的传感器，包括视频显微技术，紫外线、红外线及喇曼光谱测定技术，正变得更有效，并且不那么昂贵，而在更多的生产过程中出现。
    综上所述，在控制科技中的一个重要趋势是从低水平的控制向决策的更高水平的转动。包括增强自主作用飞行系统，局部反馈回路与整个企业的调度与资源分配系统的结合。
    二、系统复杂性
    面对当前科技中控制与管理系统由简单走向复杂，所以系统复杂性就成为人们关注的问题，而且引起人们对今后科学发展的指导思想加以思考。科学技术的发展，与当时的需求密切相关，而战争的需求，起到极大的推动作用，对于系统复杂性或复杂性科有关问题的热衷，大致可分为以下几个阶段：
    早期对复杂性的关注是第一次世界大战后，在欧美，出现了围绕着从整体看待问题的整体论(holism)，心理学领域中提出完形性(gestalt),以及创造性计划(creative evolution)等学说。应该指出的是，在我国的传统文化中，以中医药为代表，从整体考虑的整体论就是中国的一大特色。
    第二个阶段是二次世界大战后，由于战争的需求，人们关注的项目是：信息(information)，反馈(feedback)，控制论(cybernetics)，一般系统(general systems)。通过战争的发展，涌现(emergence)出来的是《控制论》。作为伺服控制反馈系统(feedback systems)，信息理论(theory of information)及数字计算机所组合形成的控制论得以涌现是很自然的现象。战争期间，用地面的炮火射击对方所创造出来的伺服控制系统，充分体现了系统的奥妙，它在环境复杂的状况下，能运行起来，实现射中敌机的目的，达到所谓的目的论(teleology)。系统能够通过检测当前的状况与要达到的目的之间的偏差，自动进行控制，使偏差变小而最终达到目的，这种工作与成果，鼓励着人们进一步对复杂的系统进行研究，特别是目标明确的自适应系统(adaptive goal orientedsystems)以及适应性(homeostasis)的研讨。整个系统与组成系统的子系统及部件之间的关系与性能的讨论，整体论(Holism)与还原论(Reductionism)的抗争以前所未有的情况进行起来。
    第三个阶段是近些年来的情况，提到复杂性研究，人们往往会联想到美国新墨西哥州圣菲市的“规模小，主意大”的圣菲研究所(Santa Fe Institute)。在离该所约40多里的山顶上就是二次世界大战中，以研制成功原子弹而闻名的罗莎阿拉美斯国家实验室。圣菲所的第一任所长柯恩(G.Cowen)原先是国家实验室的一位核心人物，后转到圣菲的。他深感进
行学科交叉研究的难度很大，但又很重要。SFI曾先后邀请了三位诺贝尔奖获得者及一些有成就的学者，举行专题学术讨论会，即时出版一些学术思想新颖，具有创新性，而尚不为人们所认可的书籍，如复杂自适应系统，经济作为复杂系统，人工生命，群体智慧，大规模网络动力学等，另外SFI在美国以外举办的SFI复杂性暑期学校；2001年、2002年曾在欧洲的布达佩斯，2004年在中国的青岛大学举办了暑期学校。
    三、系统复杂性研究面临的挑战
    应该强调指出：在新中国成立后，在欧美一批学有所成的学者，其中一些是国际知名的，具有国际水平的学者，返回祖国。50年代初“海归派”他们长期在西方从事科研工作，他们中的一些人也是较早领会到学科交叉融合发展的重要性，及系统复杂性研究的意义。从文化背景方面，我国的传统文化中着重于从整体看问题，对西方以还原分析方法在科技发展方面取得的巨大成功的同时考虑到进一步发展，可能在指导思想方面存在的不足之处。
    对近年来科技方面的事件加以回顾，就北京地区来说，80年代初，曾举行过对三个新科学技术发展的讨论班，也就是目的在于建立系统科学基础理论层次“系统学”的讨论班；提高人的思维的“思维科学(或称认知科学)”讨论班，以及“人体科学”讨论班，在学术上策划组织与领导这三个讨论班的是钱学森院士，他在《自然杂志》上发表了“系统科学、思维科学与人体科学(1981)”，“关于思维科学(1983)”等有前瞻性的文章。这些文章以及在北京举行的系统学与思维科学讨论班促进了系统科学的基础理论系统学的核心理论——开放的复杂巨系统及其方法论的建立，这类系统实质上已经包括了人文与科技相结合的系统，诸如生态环境，人文地理系统，社会经济系统，万维网(WWW)与用户，人体系统等。这些工作是系统复杂性的一个重要方面和组成部分。
    马克思曾经有过预言：自然科学往后将会把关于人类的科学总括在自己下面，正如同关于人类的科学把自然科学总括在自己下面一样，它将成为一个科学(马克思《经济学——哲学手稿》)。我们称这种自然科学与社会科学成为一门科学的过程为自然科学与社会科学的一体化。总之，开放复杂巨系统的研究及方法论的提出，为实现马克思这个伟大的预言，找
到了科学和现实可行的途径与方法。八十年代初在北京的学术讨论，可以认为是我国系统复杂性创新之一的前奏。
（出处：《科学中国人》）

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