北航自动化学科前沿介绍课程报告

学科前沿介绍课程报告高等工程学院3903 2415李柏一、选课动机和目标作为一名自动化学院的09级新生，即将升入大二，在日常学习中却依然只涉及到各种基础课程，我们普遍对未来我们专业的各种方向没有一个全面而系统的了解，甚至至今很多人对自动化根本没有了解。

尽管现在没有开专业课，我们也没分专业方向，但是我认为，及早地了解自动化学科的概况介绍信息，以及各专业方向的内容，是非常关键的：通过这样的课程，可以尽早发现与自身性格特点以及兴趣、未来理想相适应的专业，也会使我在大一大二基础课的学习中更有侧重地、更高效地掌握知识。

本着这样的想法，我选择了这门课程。

二、实际收获以及心得体会经过这八堂课的学习，我对自动化的各专业方向有了大致的了解。

所谓自动化，是指运用机器部分或完全代替人的体力或脑力劳动，按照预定的指令、程序工作。

在第一堂课，秦老师给我们介绍了“控制科学与工程”这一概念，控制科学与工程是研究控制的理论、方法、技术及其工程应用的学科。

控制科学以控制论、信息论、系统论为基础，研究各领域内独立于具体对象的共性问题，即为了实现某些目标，应该如何描述与分析对象与环境信息，采取何种控制与决策行为。

它对于各具体应用领域具有一般方法论的意义，而与各领域具体问题的结合，又形成了控制工程丰富多样的内容。

它与信息科学和计算机科学的结合开拓了知识工程和智能机器人领域。

与社会学、经济学的结合使研究的对象进入到社会系统和经济系统的范畴中。

与生物学、医学的结合更有力地推动了生物控制论的发展。

同时，相邻学科如计算机、通信、微电子学和认知科学的发展也促进了控制科学与工程的新发展，使本学科所涉及的研究领域不断扩大。

自动化下设五个二级学科：控制理论与控制工程，检测技术与自动化装置，系统工程，模式识别与智能系统，导航、制导与控制。

以下是这八堂课以来，我对它们的内涵的理解：1.“模式识别与智能系统”，这是我们第二讲的学习内容。

模式识别(Pattern Recognition)是指对表征事物或现象的各种形式的(数值的、文字的和逻辑关系的)信息进行处理和分析,以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程,是信息科学和人工智能的重要组成部分。

模式识别具有近乎无限的发展潜力，比如人脸检测与识别技术，国产汉王软件的文字识别功能，笔记本电脑上普及的指纹识别技术，虹膜识别，还有用医学图像自动分析仪器来辅助诊断，识别语音来录入文字，在图像导航领域的地面物体自动辨认等功能。

主流的模式识别方法分以下几种：其一为统计模式识别法原始数据的样本，按照一定的规律或者随机地映射，对应不同的算法，得到不同区域内的结果，再进行相应的汇总处理，得到最终的一个结果。

其二是结构(句法)模式识别法这一算法是在抽取模式的基本结构要素和各要素之间的相互关系的基础上，推断定义出可反映每一模式类之结构的文法。

通俗而言，就是以小而简单的基元与恰当的文法规则来描述大而复杂的模式。

进而以“文法”为工具，通过句法分析来实现分类或描述。

其三是软计算模式识别法 这里又分多种方法，而神经模式识别尤其引起了我的兴趣。

神经模式识别法，综合利用神经网络的感知、学习和训练功能，通过监督（或非监督）学习训练赋予神经网络有效的分类识别能力。

这一方法结合了生物学知识，如果机器的计算与识别具备了生物神经一样的信息处理机制，将获得速度和准确程度的一种飞跃，我认为这一思路具有极大的发展前景，今后一定会广泛地得到应用。

2.“图像处理与机器视觉”是我们第三堂课的学习内容。

在这堂课上，我认真地做了完整的笔记，因而更好地理解了一些概念。

图像处理技术分成模拟技术与数字技术，模拟技术应用于摄像以及电视画面处理，速度快但精度不高；而数字处理是有计算机进行的计算结果，尽管精度以及灵活程度提高，却也存在速度受限制的缺点。

模—数转化，是指将完整而连续的图像分化成离散的均匀的网格点阵，将网格上的每一点用坐标定位的方式量化，并且用数字描述指定点的色彩深浅程度，这样就将一幅图画转换成了数字信息。

（参见下图）之后，秦老师举例介绍了图像处理中的算法——基本算子其一为像素点运算算子，所谓点运算，我的理解是，把一个点通过（线性）变化的法则映射到另一个点，从而达到变化的目的，比如对于对比度和灰度值的调整操作的实质，都是点运算的法则。

当然，点运算也包括几何变换，例如我们正在学习的坐标系中利用矩阵进行的旋转（参见下图）i x ω∈()i x L G ∈其二是邻域算子，我们简单地见识了4—邻域算子与8—邻域算子：图像处理的应用领域十分广泛，涉及农业、地理、水利、军事、信息安全、医学、工业生产等众多方面，比如军事领域的电子沙盘（如下图）医学领域的血管造影技术（如下左图）以及卫星监控下的海洋污染情况（如下右图）cos sinsin cosx xy yθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦图像处理按照不同的算法可以得到不同改善效果的新图像例如：3.在第四讲，我们学习了人工智能与知识工程人工智能的内涵有狭义与广义之分。

狭义的智能，被认为是：“研究如何用机器来模拟，延伸和扩展人的智能的一门技术科学”；广义的观点认为，人工智能囊括了研究运用各种人造系统方法来模拟自然智能系统的各种技术，包括模拟自然智能系统的宏观外在功能和行为表现以及模拟自然智能系统的微观组织结构和控制机理。

在这一课中，格外引起我兴趣的是机器学习对知识获取的介绍。

知识的获取也有广义与狭义之分。

狭义的知识获取，是提炼已有的知识，挖掘出规律或者经验。

我们学生在低年龄段的学习模式基本不就是这样吗？而广义的知识获取则比较高级，机器不仅获取了知识，而且产生了知识，甚至包含对知识的发现，于是极大地扩充了机器学习规律的视野与范畴，将有助于人类研制出高级别智能机器。

联系第六讲的内容，人工智能在航天领域有着广阔的应用。

在此，有必要介绍一下“大成智慧工程”。

大成智慧工程（Engineering of Theoryofmeta syntheticwisdom），为中国著名的科学家钱学森首创，是引导人们如何尽快获得聪明才智与创新能力的学问，其目的在于使人们面对浩瀚的宇宙和神秘的微观世界，面对新世纪各种飞速发展、变幻莫测而又错综复杂的事物时，能够迅速做出科学、准确而又灵活、明智的判断与决策，并能不断有所发现、有所创新。

大成智慧，是以科学的哲学为指导，把理、工、文、艺结合起来走向大成智慧的过程。

简要而通俗地说，就是“集大成，得智慧”。

“大成智慧工程”，与以往关于智慧或思维学说不同，是以辩证唯物论为指导，利用现代信息网络、人机结合以人为主的方式，集古今中外有关信息、经验、知识、智慧之大成。

“大成智慧”的特点是沉浸在广阔的信息空间里所形成的网络智慧。

“大成智慧”是在知识爆炸、信息如潮的网络时代里，所需要的新型的思维方式和思维体系。

4.在第七讲，我们学习了智能机器人系统。

机器人是自动执行工作的机器装置。

它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。

它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。

1 939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。

它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。

但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。

虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。

从原理来讲，机器人的基本组织结构如下图所示从种类来区分，机器人的涵盖范围其实很广，已经触及我们日常的生活。

1.第一类机器人，是无人飞机纵观无人机发展的历史，可以说现代战争是推动无人机发展的动力。

而无人机对现代战争的影响也越来越大。

一次和二次世界大战期间，尽管出现并使用了无人机，但由于技术水平低下，无人机并未发挥重大作用。

朝鲜战争中美国使用了无人侦察机和攻击机，不过数量有限。

在随后的越南战争、中东战争中无人机已成为必不可少的武器系统。

而在海湾战争、波黑战争及科索沃战争中无人机更成了主要的侦察机种。

1991年爆发了海湾战争，美军首先面对的一个问题就是要在茫茫的沙海中找到伊拉克隐藏的飞毛腿导弹发射器。

如果用有人侦察机，就必须在大漠上空往返飞行，长时间暴露于伊拉克军队的高射火力之下，极其危险。

为此，无人机成了美军空中侦察的主力。

在整个海湾战争期间，“先锋”无人机是美军使用最多的无人机种，美军在海湾地区共部署了6个先锋无人机连，总共出动了522架次，飞行时间达1640小时。

那时，不论白天还是黑夜，每天总有一架先锋无人机在海湾上空飞行。

尽管大家一时还不能习惯把飞机当成机器人，但就这个例子的本质来看，无人机完全符合机器人的定义特点，完全人类对机器人的人物与期待，所以它是当之无愧的机器人。

2.第二类机器人，要数世界各地的特种功能的机器人例如机器警察，排爆机器人，考古探险机器人等等。

3.最后，不得不提的是，在本节课上，我们观看了“军用机械狗”的视频。

如下图所示的这个形似机械狗的四足机器人，由美国国防部高级研究计划署资助，该机构希望它可以在那些军车难以出入的险要地势助士兵一臂之力。

这款“军用机械狗”可以攀越35度的斜坡1液压装置由单缸两冲程发动机驱动1它可以承载40多公斤的装备，约相当于其重量的30%。

它还可以自行沿着简单的路线行进，或是被远程控制。

从课堂上放映的视频画面来看，它的确看上行动迅速、反应灵敏、动力和智能自动化，甚至在被人狠狠地踹一脚之后能立刻反应，找到平衡，不会摔倒。

这是我看到的性能最优越的机器人，它综合了各种机械与自动控制原理，实在令人惊叹。

不仅如此，更令人叹为观止的，是这一机械的学习能力。

他原本不会攀登斜坡，但在短时间的摸索与尝试以后，他居然可以稳健地在怪石嶙峋的路段行走，能够以更快的速度攀越更陡的山崖。

5.在最后一次课上，我们了解了中国自古积淀的整体分析的意识与思想。

从匠心独运的指南车，到巧夺天工的都江堰，再到北宋的水运仪象台，无不体现着把事物诸要素联系起来作为一个整体或系统来进行分析和综合的思想。

自80年代以来，钱学森等一批学者开展了在系统与控制科学前沿领地的一个新科学——开放的复杂巨系统及其方法论的研究工作，已经取得了一定的成果，随着时间的推移，越来越明显的显现出这方面工作的重要意义。

在今后的发展中，中国文化中“整体论”的思想必将发挥其更加重要的历史作用。

秦老师意味深长地传授给我们培养创新意识的10点建议：现完整引用如下：（1）不要被已有的经验束缚，勇于抛弃传统观念；（2）不要过分信赖书本和权威；（3）不要忘记童年时期的好奇心；（4）不要回避辩论；（5）不要嘲笑任何异想天开；（6）不要把事情想象得过于复杂和困难，要勇于实践；（7）不要怕失败；（8）善于继承和借鉴前人的概念和思想；（9）善于到交叉学科中寻找突破点，扩大知识面；（10）善于抓住机遇，发现问题，提出问题。