智能控制課程在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系中的地位和作用

李曉東　肖騰飛

摘 要：根據(jù)智能科學(xué)與技術(shù)交叉學(xué)科的特性和該交叉學(xué)科各專業(yè)方向的發(fā)展特點(diǎn)，闡述智能控制課程在智能科學(xué)與技術(shù)各專業(yè)課程體系中的地位和重要作用，說明智能控制課程所應(yīng)包括的主要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：智能科學(xué)與技術(shù)；課程體系；智能控制

1 背 景

智能科學(xué)與技術(shù)是一門由腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、人工智能、信息科學(xué)技術(shù)等共同研究智能行為的基本理論和應(yīng)用技術(shù)的交叉學(xué)科。它以自然智能（腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)）的研究成果為基礎(chǔ)，以人工智能理論和方法為核心，研究如何用計(jì)算機(jī)去模擬、延伸和擴(kuò)展人類的自然智能，從而建立機(jī)器智能。當(dāng)前，對(duì)智能科學(xué)與技術(shù)的重要性認(rèn)識(shí)已上升到國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略的高度 [1]，大力發(fā)展智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教育是搶占未來科技發(fā)展制高點(diǎn)的時(shí)代需求。

自2003年北京大學(xué)在全國(guó)首次招收智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生以來，全國(guó)已有北京郵電大學(xué)、中南大學(xué)、廈門大學(xué)等30多所高校開辦了智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)，優(yōu)化發(fā)展智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才教育己成為社會(huì)與高校的共同期待。然而，智能科學(xué)與技術(shù)的內(nèi)涵發(fā)展還很不成熟，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識(shí)體系與課程設(shè)置還未確定，一直在討論之中，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)教育工作委員會(huì)針對(duì)該專業(yè)的知識(shí)體系與課程設(shè)置，在2014年專門給出了征求意見稿[2]。目前，各高校智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的建立時(shí)間都很短，大部分是在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)上建立，造成智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)中計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)課程色彩過于濃厚，亟待根據(jù)征求意見稿[2]優(yōu)化智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系。

2 智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系

正如鐘義信先生指出的那樣，智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)科既不是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的分支學(xué)科，又不應(yīng)該是從理工到人文和社會(huì)幾乎無所不包的綜合學(xué)科[3]。各高校應(yīng)該根據(jù)智能科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)方向，合理并有特色地設(shè)置不同的專業(yè)課程體系。根據(jù)2017年6月中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)提交的《智能科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科論證報(bào)告》[4]，智能科學(xué)與技術(shù)成為一級(jí)學(xué)科后，建議下設(shè)腦認(rèn)知、機(jī)器感知和模式識(shí)別、自然語言處理與理解、知識(shí)工程、機(jī)器人與智能系統(tǒng)5個(gè)二級(jí)學(xué)科。各高校在這些二級(jí)學(xué)科的統(tǒng)領(lǐng)下，可形成不同的智能科學(xué)與技術(shù)的本科與碩士專業(yè)方向，不同專業(yè)方向的教學(xué)大綱或課程體系既要有共同的骨干課程，以體現(xiàn)智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的根，如智能科學(xué)與技術(shù)導(dǎo)論、腦與認(rèn)知科學(xué)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等，又要配置不同的專業(yè)方向標(biāo)識(shí)課程以區(qū)分專業(yè)方向特色。從智能技術(shù)的角度或者機(jī)器智能實(shí)現(xiàn)的角度來講，智能學(xué)科涉及檢測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)、電子通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)等，因此基于計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、電子、通信、自動(dòng)化等技術(shù)的智能技術(shù)課程，如智能控制、智能駕駛、智能交通、智能物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)機(jī)器人、無人機(jī)等課程，都可被選擇作為各高校智能科學(xué)與技術(shù)不同專業(yè)方向或軌道方向的特色課程。

以中山大學(xué)2015年修訂的智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系為例，其在專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)主干課程的基礎(chǔ)上，設(shè)置了豐富的選修課程，引導(dǎo)學(xué)生朝著智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)不同的軌道方向發(fā)展，包括模式識(shí)別軌道方向課程，如數(shù)字圖像處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理、數(shù)據(jù)挖掘、多媒體信息處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺等；機(jī)器人與智能系統(tǒng)軌道方向課程，如機(jī)器人導(dǎo)論、自動(dòng)控制原理、數(shù)字圖像處理、智能控制與智能計(jì)算、人機(jī)交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺等；智能傳感網(wǎng)絡(luò)軌道方向課程，如傳感器與檢測(cè)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐、機(jī)器人導(dǎo)論、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線射頻識(shí)別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論等。

3 智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)智能控制課程的地位和重要作用

智能控制是傳統(tǒng)自動(dòng)控制理論和應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的成果，是在無人干預(yù)的情況下自主驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。許多復(fù)雜的被控系統(tǒng)難以建立有效的數(shù)學(xué)模型，也難以用常規(guī)的控制理論進(jìn)行定量計(jì)算和分析，必須采用定量方法與定性方法相結(jié)合的智能控制形式。定量方法與定性方法相結(jié)合的目的在于要由機(jī)器用類似于人的智慧和經(jīng)驗(yàn)引導(dǎo)求解過程，該求解過程與人腦的思維過程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。因此，智能控制的關(guān)鍵問題不是設(shè)計(jì)常規(guī)控制器，而是研制智能機(jī)器的模型。

智能控制課程在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和課程體系中有著重要的地位和作用，至少應(yīng)在機(jī)器人與智能系統(tǒng)這個(gè)中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)建議的二級(jí)學(xué)科專業(yè)方向中，配置智能控制課程作為必修課程，其他專業(yè)方向可作為選修課程，原因如下：

（1）人工智能（Artificial Intelligence， AI）與自動(dòng)化有著天然的聯(lián)系，控制論對(duì)人工智能的誕生起到?jīng)Q定性作用。人工智能之父約翰·麥卡錫和同事尼爾斯·尼爾森曾經(jīng)為人工智能提出另外一種解釋：AI=Automation of Intelligence（智能的自動(dòng)化），即從工程的角度看，人工智能的實(shí)質(zhì)就是知識(shí)的自動(dòng)化[5]。因此，人工智能屬于控制論的范疇，學(xué)生具備自動(dòng)化知識(shí)，對(duì)于更好地理解與發(fā)展人工智能具有重要的意義。

（2）智能科學(xué)與技術(shù)屬于交叉學(xué)科，智能信息處理過程一般包括智能感知（信息獲?。?、智能傳輸（通信）、智能數(shù)據(jù)處理（計(jì)算）、智能控制（策略執(zhí)行）等步驟。智能科學(xué)與技術(shù)的落地應(yīng)用往往最終體現(xiàn)在對(duì)智能系統(tǒng)的控制上，機(jī)器智能的實(shí)現(xiàn)涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，因此，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生必須具備“全科”復(fù)合型的基本素質(zhì)，掌握一定的自動(dòng)控制課程知識(shí)，這在機(jī)器人與智能系統(tǒng)等專業(yè)方向上顯得尤為必要。自動(dòng)控制課程是進(jìn)一步學(xué)習(xí)智能交通、智能駕駛、智能制造、服務(wù)機(jī)器人等智能技術(shù)課程的基礎(chǔ)。

（3）智能科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)自動(dòng)控制理論注入了新的內(nèi)容，智能科學(xué)已經(jīng)與控制科學(xué)深度融合，形成了許多具有學(xué)習(xí)、推理等功能的智能控制方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、自學(xué)習(xí)控制等。這些智能控制方法反過來又極大地豐富了智能科學(xué)與技術(shù)的內(nèi)容，成為智能科學(xué)與技術(shù)的一部分。學(xué)習(xí)智能控制課程，有助于學(xué)生更完整地掌握智能科學(xué)與技術(shù)的學(xué)科體系。然而，受到高校專業(yè)學(xué)分總數(shù)及學(xué)分性質(zhì)分配的限制，可在智能科學(xué)與技術(shù)的某些非機(jī)器人與智能系統(tǒng)專業(yè)方向上，將智能控制課程設(shè)置為選修課程。endprint

4 智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)智能控制課程的主要內(nèi)容

鑒于當(dāng)前智能控制專業(yè)方向的發(fā)展，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的智能控制課程應(yīng)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家控制、仿人控制、學(xué)習(xí)控制等部分，各部分含義如下：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制指在控制系統(tǒng)中，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)難以精確建模的復(fù)雜非線性對(duì)象進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型辨識(shí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可具備控制器、優(yōu)化計(jì)算、推理、故障診斷等功能，或者同時(shí)兼有上述多種功能。

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制器主要包括對(duì)控制器輸入量的模糊化、根據(jù)人類專家的控制經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則庫、模糊推理、將推理得到的控制量解模糊轉(zhuǎn)化為控制輸出4部分。

專家控制系統(tǒng)是一個(gè)具有大量專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，通過應(yīng)用人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策控制過程，以便解決那些需要人類專家才能處理的復(fù)雜問題。

仿人控制以人的思維方式、控制經(jīng)驗(yàn)、行為和直覺推理為基礎(chǔ)進(jìn)行控制，避開求解繁瑣的對(duì)象模型或建立腦模型時(shí)遇到的多種難題。

學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)利用系統(tǒng)運(yùn)行的重復(fù)性，靠自身的學(xué)習(xí)功能認(rèn)識(shí)控制對(duì)象和外界環(huán)境的特性，并相應(yīng)地改變自身特性以改善控制性能。這種系統(tǒng)具有一定的識(shí)別、判斷、記憶和自行調(diào)整能力。

高校可根據(jù)課時(shí)數(shù)選擇適量的智能控制內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，有條件的高校還可配置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。值得說明的是，為保證智能控制課程教學(xué)能順利實(shí)施，有必要讓學(xué)生學(xué)習(xí)先修課程自動(dòng)控制原理（含經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論）。

5 結(jié) 語

高校應(yīng)該根據(jù)本校所設(shè)智能科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)方向，合理、有特色地設(shè)置不同的專業(yè)課程體系。智能控制課程在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系中起著舉足輕重的作用，從工程的角度看，人工智能的實(shí)質(zhì)就是知識(shí)的自動(dòng)化。在機(jī)器人和智能系統(tǒng)等專業(yè)方向，往往涉及決策執(zhí)行、系統(tǒng)控制等，讓學(xué)生掌握必要的自動(dòng)控制專業(yè)知識(shí)，對(duì)于智能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用是非常重要的；另一方面，智能控制的發(fā)展已經(jīng)使其成為智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的重要組成部分，要完整地了解并把握智能科學(xué)與技術(shù)的整個(gè)學(xué)科體系，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)智能控制的有關(guān)知識(shí)是完全有必要的。

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（編輯：宋文婷）endprint