学科发展研究(2012-2013)分述
控制科学与工程
2014年04月02日

  一、引言

  自动化科学已经成为衡量一个国家科技发展水平和综合国力的重要标准之一,而以自动控制和信息处理为核心的自动化技术也已经成为推动生产力发展、改善人类生活以及促进社会前进的源动力之一。“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,即:(1)控制理论与控制工程;(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。

  我们利用iCAN(integrated China Automation Network)研究解析系统,完成了对过去两年国内自动化领域的主要研究成果和未来发展方向的分析工作,从研究热点、研究人员、研究机构三个方面分别分析了国内进展情况,并且对比了国内外的研究进展。

  二、本学科近两年最新研究进展

  通过对控制理论与控制工程领域国内文章的分析,线性矩阵不等式相关论文的发文数量大幅领先于其他研究方向的发文数量。东北大学、中南大学、空军工程大学各有2位学者位列国内控制理论与控制工程领域作者发文量前十名。

  国内学者在多智能体协作、集值系统辨识与适应控制、极值搜索、网络化系统资源优化、事件驱动控制、智能控制等几个方面都取得了较大进展,尤其在网络控制系统方面取得了一系列突破性成果。

  事件驱动的方法近年来得到越来越多的关注,不仅在无线传感器网络、机器人、智能电网、智能楼宇等领域中有越来越多的应用,而且在控制器设计、稳定性分析、优化与分析的理论和方法上均取得了较大的发展。在事件驱动控制的稳定性分析方面,我国学者率先使用微分几何方法分析事件驱动控制系统的能控性与能观性。

  学术建制方面,各高校补充了与多智能体系统协同控制相关的课程,如“分布式控制系统”、“代数图论”、“非光滑系统控制理论”与“分布式滤波与估计理论”等;人才培养方面,北京大学工学院李忠奎的博士论文《多智能体系统的一致性区域与一致性控制》获得全国优秀博士学位论文;研究平台和团队方面,哈尔滨工业大学“机器人技术与系统国家重点实验室”、“中国科学院系统控制重点实验室”、北京大学“湍流与复杂系统”国家重点实验室、北京理工大学“复杂系统智能控制与决策”教育部重点实验室、上海交通大学“复杂网络动态系统的性能分析与控制”教育部创新团队都取得了一定的研究成果。

  中国科学院程代展研究员及其课题组利用他们自己提出的矩阵半张量积矩阵乘法工具,发展出一套代数状态空间方法来处理布尔网络与布尔控制网络逻辑动态系统,得到国内外同行的重视。

  通过对模式识别理论领域国内文章的分析,国内期刊的研究热点集中在无线传感器网络、物联网、图像分割、人脸识别等几个方面。西安电子科技大学、清华大学和中国科学院自动化研究所是三家主要的国内期刊论文产出机构,中国科学技术大学、中国科学院大学、吉林大学等单位在本领域也有相当多的论文产出。

  在生物特征识别方面,我国的科研人员在国际前沿领域取得了令人瞩目的成绩。《科学》(Science)杂志337卷6101期(2012年9月21日发行)在目录页以首要位置图片导读的方式,刊登一篇题为《中国聚焦生物特征识别》(China’s Sharp Focus on Biometrics)的文章,报道了中科院自动化所的生物识别团队在智能视频监控、虹膜识别和人脸识别上的技术创新和高端应用,以及对国家公共安全的影响力。

  在数据挖掘方面,清华大学在2013年数据挖掘领域的顶级国际会议——国际数据挖掘与知识发现大会(KDD)有8篇论文被录用,这在国际上也是十分突出的成绩。

  通过对检测技术与自动化装置领域国内文章的分析,以无线传感器网络为关键词的发文数量远超其他关键词。中北大学的2位学者位列国内检测技术与自动化装置领域作者发文量的前两名;西北工业大学有4位学者位列国内检测技术与自动化装置领域作者发文量前十名之内。近两年,我国检测技术与自动化装置研究领域发文最多的10个研究机构中,有8个来自于军工类研究机构。

  通过对导航、制导与控制领域国内文章的分析发现,以航天器为关键词的文章大幅领先于其它关键词。从国内文章的发文数量上来看,北京航空航天大学、北京控制工程研究所、南京航空航天大学、西北工业大学、国防科学技术大学、哈尔滨工业大学的研究优势比较明显,这些单位在该领域国内期刊上的发文数量要明显多于其它研究机构,国内期刊上发文较多的作者也主要来源于这些单位。

  国内学者在导航、制导与控制领域做出了具有特色的成果,尤其在精确制导、磁浮控制、导航、航天器自主导航、空间操作自主控制、智能自主控制、飞行控制等几个方向取得较大进展。在惯性导航方面,我国研制出高精度微机械加速度计和高精度微机械陀螺仪样机,微机械加速度计的精度达到1mg,真空封装下微机械陀螺的精度优于30º/h,激光陀螺在船用惯导系统中得到应用。我国基于光学敏感器的天文导航技术取得突破,首次实现了基于红外地球敏感器和星敏感器的自主导航,在高精度定姿定位紫外导航敏感器研制和相关导航算法方面开展了大量工作。

  通过对系统工程领域国内文章的分析,以遗传算法、线性矩阵不等式为关键词的发文数量明显超过其它方向。国内系统工程领域发文量排名前十的单位发文量比较接近。系统工程领域的国内学者在大数据时代的网络科学、生产计划调度技术及其应用、体系工程与体系结构、系统仿真技术及应用等几个方面取得了较大进展。

  三、本学科国内外研究进展比较

  对比国内外控制理论与控制工程领域的热点关键词情况,排在前十的热点关键词有4个是一致的,前3名的热点关键词国内外相同(顺序略有不同)。同时“multi-agent systems”、“optimal control”等已经成为国外研究热点,而国内相关文献并不多见,体现出国内期刊的研究前沿与国际上相比仍旧有所滞后。近年来,在国际控制理论与控制工程研究领域发文章量排在前十名的作者中有8人是华人,其中有4人来自国内研究机构,3人在国内兼职。在论文发表前十位的机构中,我国科研院校占7席,发文数量排名前两位的均是我国科研机构。哈尔滨工业大学在总发文量方面超过国际其他科研机构。

  在多智能体方面,我国学者已在部分理论课题研究上处于国际领先的地位,但整体态势还是处于跟踪的情形,缺少引起国际领域关注并积极跟踪的新概念和新方法,理论成果与实际应用的结合还有很大的距离。

  在极值搜索方面,国外研究极值搜索的学者主要考虑确定性的极值搜索方法,目前主要关注极值搜索算法的改进;国内学者主要考虑极值搜索算法的应用。在国内,随机极值搜索方法也有学者开展了探索性的研究,但目前随机极值搜索不论算法设计还是收敛性分析都有本质的难度,包括理论分析工具缺乏,已有的相关理论所要求的条件或者太强或者不易验证等。

  在智能控制方面,国内外的差距并不明显,国内外学者的研究都非常重视智能优化控制方法的实际应用,方法的提出往往结合了特定应用背景。

  对比模式识别理论领域国内外的热点关键词情况看来,国内研究杂志中排在前十的研究热点中只有3个和国际上的研究热点是一致的,说明国内外研究的侧重点有所不同。近年来在国际模式识别理论领域,发文章量排在前十名的作者都是华人,而且其中有6人都来自于中国大陆的研究机构;国内机构在国际模式识别理论领域的研究中已经占有相当重要的位置,在论文发表前十位的机构中,我国的机构占6席。

  模式识别基础理论方面,国内学者在特征降维(包括参数方法和非参数方法、流形学习等)、分类器集成、多示例多标签学习等方面处于国际前沿水平,但在模式识别基础研究方面整体实力仍然偏弱,尤其在数据表示和大数据处理的体系架构、模式特征学习和结构学习等方面有影响的原创性成果很少。

  计算机视觉方面,国内学者在计算机视觉和立体视觉理论、图像分类与目标检测、行为识别和事件分析等方面处于国际前沿水平。但在视觉理论研究方面,国内仍旧缺少原创性理论以及有影响力的研究工作,大部分工作属于跟踪性研究。

  网络多媒体方面,国内研究起步较早,在很多方面处于国际先进甚至领先地位;但在多媒体应用、经典问题研究和理论方法上的研究方面,国内与国外先进水平相比仍有较大差距。

  对比检测技术与自动化装置领域国内外期刊研究热点前十关键词中,仅有3个是一致的,说明该领域我国国内期刊和国际前沿热点方向存在一定的差别。同时,“Biosensors”等关键词已经成为国外研究热点,而此方向的论文在国内却并不多见。在国际检测技术与自动化装置的研究领域,发文章量排在前十名的作者中有2人是国内研究机构的学者,这两位学者均来自于北京航空航天大学。在论文发表前十位的机构中,我国大陆的科研机构占4席,并且位置都比较靠前,说明我国科研机构的发文数量已经进入世界前列。

  当前间歇故障的基于图论的方法、基于Petri网的方法、基于离散事件系统的方法受到了国内外学者的广泛重视,并取得了大量成果。另一方面,基于解析模型的方法、基于统计模型的方法、基于特征分析的方法、基于决策优化的方法、基于实验研究的方法已在国际间歇故障诊断研究中兴起,而国内学者在此领域相对发表的成果不多。

  根据导航、制导与控制领域的关键词分析结果发现,国内和国际的研究热点差异较大,排在前十名的关键词除了卡尔曼滤波和遗传算法外,其它的都不相同,说明了国内外研究与应用的侧重点有所不同。我国只有西安电子科技大学的一名学者进入导航、制导与控制领域国际期刊发文量的前十。在国际发文前十名的研究机构中,我国占了3个,其中国防科技大学和北京航空航天大学分别占据前两位,这说明国内研究机构作为一个整体在发文数量上已经走在了国际前列。

  美、俄两国在卫星自主导航和自主控制领域的研究处于领先地位,我国在工程化的导航方案、导航敏感器样机研制、原始数据处理方法,以及地面和在轨验证等方面与国外先进水平相比存在差距。

  对比国内外系统工程领域的研究热点发现,国内外排名靠前的关键词有很大不同,相比之下国内期刊文章排名前十的关键词和系统工程的关系不是很密切。目前没有中国大陆研究机构的全职学者进入系统工程领域国际期刊发文量的前十,这说明国内学者在该领域发表的国际期刊文章较少。

  从具体方向上来说,体系工程与体系结构技术的研究才刚刚开始,国外和国内的研究起步时间相差不多,国外体系工程研究的范围较广,而国内研究主要集中在国防建设领域;国外体系工程研究的单位比较多,涉及到多个大学和研究中心,国内开展体系工程研究的单位比较少,主要集中在和国防建设相关的单位和机构。

  四、本学科发展趋势和展望

  控制理论与控制工程是控制学科的基础,在未来五年中仍将发挥不可替代的作用,是整个学科发展的重中之重。运作的网络化、功能的多样化、系统的复杂化依然是控制理论与控制工程未来发展的主要趋势。大规模网络化系统在国防、军事和社会经济中扮演着越来越重要的作用,事件驱动的系统控制与优化对提升这类系统的稳定性和总体性能将发挥重要作用。随着网络规模的不断扩大,系统性能优化的要求会更加迫切,人的心理与社会因素将逐渐进入系统,传感、计算、控制的界限开始模糊,需要综合考虑和综合设计。

  网络控制未来值得研究的方向包括:网络控制中的信息传输理论、量化性能控制、多自主体系统的网络拓扑结构和通信数据率、网络安全与容错控制、网络控制系统的应用等方面。其未来的发展趋势将更加依赖控制、通信、信号处理、网络等多学科的通力合作。

  模式识别和计算机视觉的深入研究是提高国内相关领域前沿创新能力的重要需要,是构建面向海量庞杂、异质多源、大范围时空关联的社会感知数据智能处理系统的核心基石。当前应用需求主要包括如下几个方面:(1)国家安全的需要;(2)公共安全的需要;(3)先进视听觉信息理解技术的需要;(4)多源跨时段海量遥感图像内容理解、空天情报实时智能化处理的需要;(5)智能医学对大规模医学图像自动处理的需要等。

  Control Science and Engineering

  Using iCAN research analysis system, hot topics, authors and facilities of the past 2 years in China are analyzed, and compared with the international development.

  14.1 Control theory and control engineering

  In the fields of multi-agent, the convergence of the multi-agent control systems with communication constraints has attracted many attentions. The foundation is established for studying the relationships between the communication mechanisms, network dynamic constraints and control objectives and performance of complex information networks. In the fields of the identification of set-valued system, two-set-valued output system identification methods are proposed for the output identification of linear systems in stochastic and deterministic environments, respectively. In the fields of adaptive control, two-scale adaptive control law design method is proposed to solve the periodic target tracking problem in linear system. In the fields of control-oriented recursive algorithm, an effective recursive algorithm is constructed based on the value set in parameter estimation data and its conditional expectation.

  Network control system research has made a series of breakthrough in recent years, especially in information-based theory, network-based theory and graph-based theory. In the fields of intelligent control, fuzzy control, neural network control, and genetic algorithms are extensively studied.

  14.2 Pattern recognition

  In the fields of fundamental theory, computer vision and application technology, in recent years, the Chinese academia has contributed significantly to dimensionality reduction, feature selection, large-margin-based classification, stereo matching, object detection and recognition, image classification, and application technology (particularly, handwriting recognition, document analysis in image and video, biometrics such as face and iris recognition, etc.). Increasing articles have been published in prestigious journals and conferences such as IEEE TPAMI, IJCV, Pattern Recognition, NIPS, ICML, ICCV, CVPR, and ECCV. However, except a few research directions highlighted with academic originality, most works are still following the international frontiers. But it should be noticed that, compared to the weakness in fundamental research, Chinese researchers have shown high visibility in some application fields, typically including biometrics, visual object detection/recognition, and handwriting recognition. Now, researchers have been aware of the importance of fundamental research, and are putting increasing efforts on mathematical foundation of pattern classification, biologically-inspired vision, spatial context understanding, etc.

  In the fields of brain imaging and cognition, the Chinese academia has also made significant contributions. Cognition aims at unraveling the neural mechanisms that underlie mental activity, such as perception, motor control, attention and language, decision making, and so on. Brain imaging is a powerful technology for the study of brain cognition. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) makes it possible to observe real-time brain activity of the cognitive process, such as, during sensory, motor and cognitive tasks. Great progress has been made in China in development of computational methodologies for analysis of fMRI datasets. The representative achievements are to research into spontaneous activity of brain with fMRI, and computational neuroanatomy. In cognitive science, main contributions made by Chinese scientists include the global-first theory of visual perception, Chinese language cognition, and cultural difference in numeric and language cognition. Chinese scientists have also played a leading role in study of cognitive disorders with brain imaging. The feature progress is the study of cognitive disorders caused by various brain diseases, such as Alzheimer’s disease, schizophrenia, depression, ADHD, PTSD, blind, deaf, etc. under the framework of Brainneotme. These findings are very promising as imaging biomarkers for prediction and diagnosis of these disorders.

  In the fields of data mining, Chinese institutions have made significant contributions to the research frontier of the data mining community. Data mining is concerned with the process of discovering novel, non-trivial, and potentially useful knowledge from large-scale data sets. We highlight recent publications by Chinese research groups in the top venues of data mining research. Compared to the developments of international research, which emphasize on theoretical and interdisciplinary research, data mining research in China principally focuses on practical real world applications. In general, there is a significant trend of data mining research towards social networks and big data, which provides a considerable opportunity for Chinese researchers to establish novel research directions and to make a broader impact.

  Web multimedia analysis is a relative new research area, which researches towards analyzing web multimedia characteristics, understanding web multimedia content, developing web multimedia applications, to meet the daily needs of information service. Along with the development of multimedia compression technology and the popularity of portable digital devices, we have witnessed the explosive growth of multimedia data. It is the mature streaming media technology and web development standard like HTML5 that has recently made Internet the biggest sharing and propagation platform for multimedia data. Thanks to the rich information captured in multimedia and the propagation efficiency of Internet, web multimedia, the marriage between multimedia and Internet, has become the primary access to information for more and more people.

  14.3 Detection technology and automation devices

  The concept of fault table based on graph theory is proposed to classify the results of each test and detect intermittent faults by comparing to the table. Other methods, such as discrete event system methods, are also used for qualitative analysis. Quantitative analysis methods for intermittent fault diagnosis include analytical model method, statistical model method, feature analysis method, experimental research method and so on. Statistical models are proposed as a kind of probabilistic methods to diagnose intermittent faults in WSN nodes. The models are implemented by repeated testing to determine the occurrence of intermittent faulty of sensor nodes. In feature analysis method, intermittent fault signal variation can be analyzed using continuous wavelet transform and Hilbert spectral analysis method. Experimental research methods are studied for the detection of intermittent arc fault, auto gearbox gear crack fault, analog device for circuit system, etc.

  14.4 Navigation, guidance and control

  Tsinghua University, National University of Defense Technology, Southeastern University and Xidian University have gained rich achievements in the terminal equipment of satellite navigation. National University of Defense Technology, Beihang University and Chinese Academy of Sciences studies the GNSS/INS integrated navigation. Zhejiang University, Beihang University, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, National University of Defense Technology, Harbin Institute of Technology have applied the vision / inertial integrated navigation system into the robots navigation, UAV autonomous landing, lunar exploration, space docking and relative navigation. Beijing University, National University of Defense Technology, Northwestern Ploytechnical University, Harbin University of Technology, Chinese Academy of Sciences, Information Engineering University of the People’s Liberation Army, Beihang University, Huazhong University of Science and Technology and Southeastern University studies geomagnetic aided navigation. Breakthrough progress has been made in celestial navigation based on optical sensor. Beijing Institute of Control Engineering, Beihang University, Chinese Academy of Sciences, Chinese Academy of Space Technology, Institute of Command and Technology of Equipment developed precise ultraviolet navigation sensor and studied the navigation algorithms.

  14.5 System engineering

  In the fields of production planning and scheduling, the following problems are studied: the scheduling problem based on group intelligence optimization, production planning and scheduling in the intelligent decision-making supporting perspective, the new production planning and scheduling methods orienting new production mode and new production equipment, energy consumption co-optimization, data driving production planning and scheduling, and so on.

  In the fields of architecture engineering and architecture structure, under the background of weapon equipment architecture, National University of Defense Technology has proposed the architecture demand development process, which includes 4 stages and 12 steps. Chen has proposed an architecture optimization method based on knowledge heuristic search. Zhao has proposed an evolution-oriented design and optimization method for architecture.