中國工程院院士高金吉:讓機器“自愈化”引領新科技變革

2021年09月20日03:41

  來源:人民日報海外版

  讓機器“自愈化”引領新科技變革(科技名家筆談)

  高金吉

  18世紀60年代,發端於英國的第一次工業革命開創了以機器代替手工勞動的時代。然而,機器是把“雙刃劍”,可以為人類帶來福祉,也可能造成災害。隨著高危流程工業裝備和空天飛行器的發展,故障導致非計劃停產和突發事故,危害巨大。20世紀60年代起,設備監測診斷技術和狀態維修興起,逐步實現了數字化、網絡化智能運維,但排故檢修必須靠人的狀況始終沒有改變。

  人類歷史就是與各種疾病作鬥爭的歷史,在各類傳統醫術和現代醫學還沒有誕生前的漫長歲月中,人類是靠自身的抵抗能力,戰勝疾病而“自愈”並生息繁衍下來。從生物演變曆程看,機器是生物以另一種方式的延續,活著的人和運行的機器都屬於耗散結構開放系統,與機器故障和與人的疾病作鬥爭可遵循某些共同規律。隨之而來的問題是,機器的排故檢修能否不需要人去“治癒”,而能像人一樣可以“自愈”呢?

  筆者的回答是肯定的。在石化企業一線工作三十多年的實踐中,我認識到,除少數突發故障外,大多數故障發生均有一個漸進過程,而相互作用是故障的終極原因。如能早期發現並及時採取恰當的調控措施,在運行中抑製或抵消產生故障的原因和條件,故障完全可以防止。通過學習醫學、控制論、系統論、耗散結構和仿生學等經典著作。借鑒中華傳統醫術“自主調理”經驗,特別是疾病痊癒很大程度上是靠人體自愈機制,我深切感悟到,機器故障從“治癒”到“自愈”是現代化大工業生產發展的重大需求,也是必然趨勢。2003年,筆者在國際學術會議上首次提出了過程裝備故障自愈調控原理,受到學術界廣泛關注。

  德國羅爾夫·艾思曼教授曾提出,現代機電系統是由控制、動力、傳感及檢測、操作和結構等五大功能模塊組成,將其通俗地類比於人的大腦、內臟、五官、四肢和軀體,得到世界仿生學界的認可。但他忽略了對人體自愈功能的仿生。筆者由此提出了人工自愈(AS Artificial Self-recovery)的概念,研究把自愈機制這個人和動物特有的概念賦予機器,拓展了仿生學研究領域。自愈功能可抑製故障苗頭或在運行中自行消除故障,包含代償、清潔、修復、自適應調節、應激、協同、自保護等。

  人工自愈和人工智能(AI)共同之處是“人工”,都是由人賦予機器功能。不同之處在於,人工智能是對人腦意識思維控制行為的模擬,而人工自愈是對人體無意識思維(不經過大腦)的自愈機制的模擬。人工智能僅僅對人腦進行仿生,忽略了遍佈人體全身的經絡—神經—內分泌—免疫網絡形成的自愈功能的研究。

  維納的控制論為生物系統與技術系統的連接架起了橋樑,提出目的性行為可以用反饋來代替,從而突破了生命與非生命的界限,把目的性行為這個生物所特有的概念賦予機器。但由於歷史背景的局限,1948年發表控制論時,是從研究火炮自動打飛機的實踐中研究目的性行為。顯然,控制論中的目的性行為不包含自愈機制。

  工程控制論突破了動物和機器、控制工程和通信工程的界線,將動物的目的性行為賦予為機器共有的特徵,概括綜合形成新理論。2010年,筆者提出將動物另一個共有的特徵自愈機制賦予機器,概括綜合形成機器可以產生自愈功能遏製破壞力的理論——工程自愈論(Engineering Self-recovery)。工程自愈論是一門跨學科的學科群,是一種科學的哲學理論或從一種新的角度來觀察世界的系統觀點和方法,是人工自愈的理論基礎,可以改變理念,指導設計製造使機器實現自愈化。

  自愈化是研究機器或裝置及其健康監控系統在無人幹預的情況下按設計的自愈機制自行抑製或消除故障的過程。自愈化技術大致可以分為四類:一是自修復,二是自代償,三是自保護,四是自愈調控。2021年7月,“首屆人工自愈與自主健康學術論壇”在北京化工大學舉行,與會學者興趣十足,研討熱烈。出乎意料的是,該學術論壇吸引了超過1.2萬人線上關注。

  2006年,中國工程院諮詢項目提出“裝備故障自愈工程及其在我國推廣應用的建議”。現代社會是生物—社會—機器(人造物)—賽博(Cyber)共存的時代,可稱其為BASOMAC(Biology-Society-Machine-Cyber)。工業互聯網和AI與AS兩個輪子驅動,應用賽博賦能技術,將嵌入式技術、智能材料和工業軟件與裝備本體技術深度融合,可實現裝備輔助康復和自主健康,以及高危流程裝置本質安全化和無人化,引領新科技變革。

  2001年起,北京化工大學診斷與自愈工程研究中心開展基於因特網的裝備遠程監測與智能診斷研發及工程應用,並在快準溯源診斷、精穩自愈調控研究取得若幹成果,如透平機械軸位移與氣膜端面密封故障自愈調控、轉子多頻振動電磁力靶向抑製、電磁與氣壓液式轉子自動平衡等。2012年,筆者出版了《機器故障診治與自愈化》專著,擬於明年出版《人工自愈導論》中英文專著。

  2009年,IBM提倡的“智慧地球”和“智慧工廠”戰略得到了普遍認可,但僅有“智慧”是不夠的,在未來世界,裝備安全與自主健康會越來越成為生產力和戰鬥力的最重要組成部分。人工智能會使機器更聰明,人工自愈可讓機器更健康。中國具有門類齊全、世界上數量最多的工業裝備和製造廠,在學習國外構建智慧工廠的同時,應在世界上最先揭開“健康工廠”乃至“健康地球”發展戰略的序幕。

  今天,我們可以展望,總有一天,隨著人工自愈科技的發展,人類會造出一些跟人一樣自主健康的機器裝備和製造系統,並有可能輔助增強人類自愈康復功能。人工自愈將助力新一輪科技革命,邁向自愈化時代。

  (作者為中國工程院院士,北京化工大學教授,主要從事設備故障網絡化監測診斷、智能運維與人工自愈研究;兼任中國工業互聯網研究院技術委員會主任;於2016年獲世界工程資產管理協會頒發的年度唯一的先進技術領域終身成就獎。)

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