淺談自動控制理論在人工智能中的應用

焦建霖

摘要：近來，自動控制理論在人工智能工程實踐中迅速發(fā)展，本文綜合分析了自動控制理論和人工智能的概念、研究方法、發(fā)展方向及二者間的關系，進一步舉例分析了自動控制理論在人工智能的應用，如軟件流程自動化技術（RPA）和機器人行為控制技術。通過上述分析能夠理清二者間各自的發(fā)展脈絡及相互交叉，從而有助于從事控制理論和人工智能的科研人員進行參考和研究，進一步發(fā)展交叉學科的應用。

關鍵詞：自動控制理論; 人工智能; 軟件流程自動化; 機器人行為控制技術; RPA

隨著人工智能的快速發(fā)展，自動控制理論在人工智能中的應用日趨廣泛，逐漸形成了一門自動控制和人工智能交叉的智能控制學科。無論是神經(jīng)網(wǎng)絡的發(fā)展，還是機器人的開發(fā)應用都需要自動控制理論的理論基礎。因此本文嘗試對自動控制理論和人工智能的結(jié)合進行總結(jié)，從而牽引出自動控制理論在人工智能中的應用。

一、自動控制理論簡述

1.自動控制概念

自動控制理論是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制理論是以反饋控制為基礎的自動調(diào)節(jié)理論，使受控制的對象按照預期的規(guī)律進行變化。

為了實現(xiàn)多樣化的控制目的，首先將被控對象和控制裝置有機地結(jié)合起來形成一個整體，這個整體稱為自動控制系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，輸出量是要求被嚴格控制的物理量，一般要求它保持在一定誤差限內(nèi)，如角速度、迎角;而控制裝置是對輸出量施加控制的機構(gòu)，可以采用多種方式、不同原理進行控制。

2.自動控制理論發(fā)展歷程

隨著生產(chǎn)力的不斷進步，自動控制技術也在不斷發(fā)展，尤其是自動控制在人工智能中的應用，更是反向推動著自動控制理論的更新?lián)Q代。自動控制理論的發(fā)展可概括為以下三段：

（1）經(jīng)典控制理論：主要研究線性定常系統(tǒng)，利用線性常微分方程來分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般只研究系統(tǒng)的外部特性即單輸入單輸出特性。具有代表性的研究方法是頻率分析法和根軌跡法;

（2）現(xiàn)代控制理論：在原有經(jīng)典控制的基礎上進一步研究多輸入多輸出問題，一般使用狀態(tài)空間的時域分析法。在此階段，計算機的發(fā)展和應用為現(xiàn)代控制理論打下了應用的基礎，滿足了分析復雜問題的嚴格要求。具有代表性的研究方法是動態(tài)規(guī)劃理論、極大值原理和多變量最優(yōu)理論，狀態(tài)空間方法的核心部分就是最優(yōu)化理論;

（3）智能控制理論：是近年發(fā)展起來的人工智能與自動控制理論的結(jié)合，它主要針對現(xiàn)實環(huán)境中被控對象、控制任務和各項參數(shù)的復雜性，核心是利用人工智能的成果指導和解決控制系統(tǒng)中的復雜問題，比如模型的不確定性、傳遞函數(shù)的高度非線性、參數(shù)的龐雜性等。具有代表性的方法是模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和專家系統(tǒng)控制。

3.自動控制理論發(fā)展現(xiàn)狀與前景

隨著科學技術的發(fā)展，自動控制理論已經(jīng)廣泛應用于機械、化工、電力、航空航天等領域，并逐步向醫(yī)學、環(huán)境、經(jīng)管等其他社會領域擴展，給各個學科的相互交叉打下了堅實的基礎。

自動控制理論的發(fā)展和應用不僅給生產(chǎn)過程帶來自動化、解放了人類的雙手，從而進一步提高了勞動生產(chǎn)率，改善了勞動條件，極大地促進了社會的發(fā)展;而且給人類社會進一步發(fā)展人工智能、航空航天等高端科技奠定了基礎。

二、人工智能簡述

1.人工智能概念

人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延申和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學。人工智能作為計算機科學的一個重要分支，目的是分析人類智能和一些思維過程的性質(zhì)并通過機器模擬人類智能和思維，從而達到像人類一樣思考的目的，甚至可能超過人的智能。

人工智能雖然是計算機科學的分支，卻遠遠超出了其范圍，因而逐步發(fā)展成一個獨立的學科。人工智能涉及計算機科學、心理學、語言學和哲學等廣泛學科，它和思維科學是實踐與應用的關系，處于思維科學的技術應用層面。目前人工智能在機器人、政治經(jīng)濟決策、控制系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)中得到廣泛應用。

2.人工智能主要研究方法

2.1大腦模擬（The human brain simulation）

使用數(shù)學分析方法和計算機模擬技術對神經(jīng)系統(tǒng)進行研究和模擬，從研究神經(jīng)元的物理模型、交互關系和神經(jīng)網(wǎng)絡的學習，到腦組織和神經(jīng)類型的量化計算等，從而闡明心理歷程的神經(jīng)機制。

主要研究問題有：神經(jīng)活動的基本過程：研究神經(jīng)元離子通道及其調(diào)控、突觸傳遞及其調(diào)控、神經(jīng)元受體及信號轉(zhuǎn)導、神經(jīng)活動的同步機理;學習和記憶的神經(jīng)機制：神經(jīng)系統(tǒng)因活動和環(huán)境等因素的作用而在結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生改變，這種改變是學習和記憶等高級腦功能的基礎。研究產(chǎn)生這種可塑性、特別是神經(jīng)突觸的可塑性的機制以及學習規(guī)則。研究神經(jīng)元回路信息編碼及加工機理。

2.2子符號法（sub-symbol method）

由于上世紀八十年代人工智能的停滯不前，研究者開發(fā)了子符號法來解決符號系統(tǒng)無法模仿人類智能的特定問題。研究者提出在人工智能中引入控制理論，否定了符號人工智能而專注于機器人移動等工程問題。子符號法主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制和進化計算等方法。

2.3聯(lián)結(jié)主義（connectionism）

聯(lián)結(jié)主義的指導性啟示和主要靈感來自大腦或神經(jīng)系統(tǒng)，它把認知看成是網(wǎng)絡的整體活動。網(wǎng)絡是個動態(tài)的系統(tǒng)，它由類似于神經(jīng)元的基本單元和結(jié)點構(gòu)成，每個單元都有不同的活性。隨著時間的衰減，外部輸入和其他單元的活性傳遞都會使一個單元的靜息活性發(fā)生動態(tài)的改變。聯(lián)結(jié)主義賦予網(wǎng)絡以核心性的地位，采納分布表征和并行加工理論，強調(diào)的是網(wǎng)絡的并行分布加工，注重的是網(wǎng)絡加工的數(shù)學基礎。聯(lián)結(jié)主義的中心原則是：心理現(xiàn)象可以用簡單且單位一致的互聯(lián)網(wǎng)絡來描述。連接和單元的形式對于不同的模型可以是不同的。例如，網(wǎng)絡中的單位可以代表神經(jīng)元，而連接可以代表人類大腦中的突觸

3.人工智能發(fā)展現(xiàn)狀與前景

第四次工業(yè)革命正在來臨，人工智能已經(jīng)從科幻走向現(xiàn)實。隨著核心算法的突破、計算能力的迅速提高以及海量互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的支撐，人工智能終于在21世紀的第二個十年里迎來質(zhì)的飛躍，成為全球矚目的科技焦點。

人工智能未來發(fā)展的五大趨勢：自主事物使用AI來執(zhí)行傳統(tǒng)意義上人類才能執(zhí)行的事務，如無人機、自動駕駛車輛等;大數(shù)據(jù)分析使用自動算法來探索和挖掘數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)任務的自動化，從而給現(xiàn)實決策提供指導;人工智能驅(qū)動開發(fā)將AI嵌入到應用程序中并使用AI作為開發(fā)過程中創(chuàng)建AI驅(qū)動的工具、技術和方法，如專家系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和設計系統(tǒng)等;智能空間是將科學技術集成于日常生活中，并結(jié)合商業(yè)、工業(yè)等對智能城市進行設計;量子計算是一種非經(jīng)典計算，它基于亞原子粒子的量子態(tài)，它將信息表示為量子位或“量子位”的元素，從而獲得遠超常規(guī)計算機的計算能力。

三、基于自動控制理論的人工智能應用

1.軟件流程自動化技術（RPA）

RPA，即Robotic Process Automation（軟件流程自動化），是指用自動控制理論代替在各個行業(yè)中本來是由人工操作計算機完成的工作。它讓軟件機器人自動處理大量重復的、基于某種設定規(guī)則的工作流程任務。比如：在企業(yè)的業(yè)務流程中，通常有紙質(zhì)文件錄入、證件票據(jù)驗證、從電子郵件和文檔中提取數(shù)據(jù)、跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)遷移、企業(yè)IT應用自動操作等......軟件機器人能準確快速完成這些工作，能減少人工錯誤、確保零失誤、提高效率、大幅度降低運營成本。 RPA依靠先進的自動化技術，極大減少了開發(fā)成本和開發(fā)周期，實現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部跨系統(tǒng)及工作流程的自動化工作，在提高生產(chǎn)效率的同時降低了成本。

RPA軟件自動化腳本類似于軟件自動化測試的腳本，軟件自動化測試的腳本在操作應用出現(xiàn)異常時只要記錄錯誤信息并截屏。RPA的腳本則要求進行反饋處理，針對流程中所有可能出現(xiàn)的異常情況進行一定的反饋，從而提高流程運行的穩(wěn)定性。此外，RPA還要添加更多的檢查點，以確保每個流程執(zhí)行無誤。RPA腳本應用在成熟的系統(tǒng)之上，一旦構(gòu)建完成且穩(wěn)定運行，就可以做到盡量不修改。RPA中自動控制理論的應用還包括對象識別，通過對象直接操作元素，從而達到避免用圖像識別的目的，因為圖像識別的腳本不易維護。但有時由于RPA應用類型多樣化，采用對象識別有時不能在所有的應用上工作，而且工作后一般不修改，所以這時采用圖像識別的較好。

2.機器人行為控制技術

以自動控制理論在機器人機械手位置控制的應用為例。在工程實際中，上位機一般采用的是PC機，其作用是實現(xiàn)對關節(jié)運動軌跡的規(guī)劃、命令傳輸以及信息反饋;下位機一般采用的是MCS96單片機，其作用是定位機械手關節(jié)位置。微處理器控制系統(tǒng)的作用是與PC機進行信息交換，進而接受移動關節(jié)的指令，并進行即時進行反饋。此外，這一系統(tǒng)還能夠?qū)﹃P節(jié)的運動進行控制。該系統(tǒng)采用模糊控制方法，不僅能夠減小控制系統(tǒng)的誤差，還能夠提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，還有一種機器人由連桿和滾輪構(gòu)成，其在移動過程中，主要依靠的是后補的兩條滾輪。在這里自動控制理論的應用就能夠很好地體現(xiàn)其價值，并在工程實際中減少系統(tǒng)誤差。

此外，行為控制技術在應用過程中，還能夠?qū)崿F(xiàn)對機器人行為計劃的有效操控。例如，在某個十字路口，若要對多個機器人的行為進行控制，難免會存在沖突與協(xié)調(diào)的問題。在實現(xiàn)這一目標的過程中，自動控制理論為其提供了分布式和集中式兩種行為模式。分布式行為模式一般過程是：首先對機器人所遇到的不同問題進行系統(tǒng)設置，然后設計機器人的行動規(guī)則，采用分布式行為模式，控制機器人在行為過程中面對沖突區(qū)域采取避讓的方式，從而達到合理、有效地操控機器人行為計劃地目的。

四、結(jié)束語

總而言之，隨著自動控制理論的深入發(fā)展，其在人工智能領域的應用也越來越廣。自動控制理論不僅可以應用于機器人行為控制、人工智能驅(qū)動，還可以應用于其他人工智能領域的方方面面。自動控制理論不僅能夠提高人工智能產(chǎn)業(yè)的準確度和精度，還能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的智能化、自動化。但是目前自動控制理論還未普遍應用于人工智能。因此，未來應加大自動控制理論在人工智能中的研究和應用。

參考文獻：

[1]自動控制原理 第七版 胡壽松 科學出版社

[2]現(xiàn)代控制理論 劉豹 機械工業(yè)出版社

[3]自動控制原理學習指南 馮江 北京理工大學出版社

[4]人工智能導論 王萬良 高等教育出版社

[5]人工智能及其應用 王萬良 高等教育出版社

[6]人工智能基礎 高濟 高等教育出版社

[7]智能控制原理及應用 蔡自興 清華大學出版社

[8]工業(yè)機器人技術 郭洪紅 西安電子科技大學出版社