传感技术将引领自动化技术发展

自动化技术总是充满活力

人们的期望总是无止境，因而自动化技术总是充满活力。

公元前，埃及、希腊就使用了水车、水磨，以替代人的重体力劳动。三国时期，诸葛亮使用木牛流马运送粮草，一台这样的“马”就能运载200千克重的东西，远高于人的负重能力。公元850年，阿拉伯几何学家班努·穆萨出版的《精巧装置》一书，描绘了大量的自行运转装置，例如自动喷泉、自动吹奏的笛子、自动调节的阀门等。中国毕昇发明活字印刷术的400多年后，德国人约翰内斯·谷登堡发明了活字印刷机，欧洲开始印刷出版古希腊、古罗马的文学译著，1469年开始印刷出版科技书籍。印刷机加速了新思想和科学技术的传播，对推动欧洲宗教改革和文艺复兴起到了巨大作用。1642年，布莱士·帕斯卡发明了机械计算机。

自动化控制技术广泛应用，始于欧洲的工业革命。18世纪的第一次工业革命，詹姆斯·瓦特在气缸上采用了“飞球调速器”，从此有了能够连续转动的蒸汽机;埃德蒙·卡特赖特的水力织布机，降低了制造复杂纺织品的劳动强度;安卓·米克尔的回转滚筒式脱粒机，代替了1/4的农业劳动力。

19世纪到20世纪中叶的第二次工业革命，伴随着电气化的进程，福特汽车公司首创了发动机汽缸的自动传送、加工装配流水线，提出了“反馈”，设立了自动化部，随后各行业开发出各种自动调节装置，实现了车间层面上的生产过程自动化。相关的理论，在美国称为“伺服机构理论”，在苏联称为“自动调整理论”。随着空间技术的发展需求，又出现了解决多变量问题的“现代控制理论”。1943年，首台可编程电子计算机Colossus帮助英国人破解战时德军密码;1961年，Bell Punch公司开发了首台桌面电子计算器ANITA。

20世纪70年代进入第三次工业革命——数字革命，随着磁存储、微处理器、个人计算机的出现，人类进入到信息时代。基于信息技术，开始发展以改善劳动条件、保障安全生产、 保证产品质量、提高效率、节能、降耗为目标的“全工厂层面的自动化”。同期，随着计算机处理能力和各种终端、网络的出现，人类实现了人、财、物管理的“办公自动化”。

现在我们正处在第四次工业革命中。机器学习，自动化数据提取、解释、预测;人工智能对自然语言的理解和翻译，自动整理会议纪要，自动驾车等技术正在发展。自主工作的机器正变得无所不能，从扫地机器人，到探索外太空都能找到他们的身影。

严肃地说，技术的发展史，就是不断谋求生产能力最大化、劳动付出最小化的历史。特别是自动化技术，就是通过拟人、让机器自主运行，完成人的期望。由于人们的期望总是无止境的，自动化技术始终有着强大的驱动力，所以它的发展也总充满着活 力。

控制理论发展史上三部重要著作

在控制理论发展的历史上，有三部重要著作，产生了新型的综合性基础理论：“信息论”“控制论”“工程控制论”，它们对人类社会产生了深远的影响。这三部著作分别是“控制论”创立者诺伯特·维纳的《控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，被作为“信息论”开端的克劳德·艾尔伍德·香农的《通讯的数学理论》和钱学森的《工程控制论》。这三部著作对推动自动化技术进步具有重要意义。

诺伯特·维纳的《控制论》是在20世纪40年代发表，他首先通过输入输出、建模、反馈这样一些理论，阐述了一个系统运行的规律。之后香农发表的《通讯的数学理论》，用数学的方法，定量地定义了信息以及信息在传输当中的规律。

钱学森的《工程控制论》最早是20世纪50年代在美国出版，在他回到祖国后，又在国内多次再版。《工程控制论》将“控制论思想”落地到工业工程设计当中，直至今日，自动化相关的书籍、教科书基本上采用了钱学森的《工程控制论》中的内容框架。该理论也为自动化技术走向更广泛的行业奠定了坚实的基础。

传感技术将引领自动化技术

在人工智能日益深刻地影响自动化技术的今天，张朝晖称其有个大胆预测：未来将是传感技术引领自动化技术。如今，各种各样的传感器、传感技术异彩纷呈，传感技术的创新将引导自动化的走向。

张朝晖团队主要是利用电磁波、太赫兹波做传感检测，并将其应用在体育健康、冶金、电解铝及油井等方面。张朝晖提到，在进行一些体育项目如滑雪时如果使用了带有传感器的自动化设备，不仅可以帮助其定位，还能确定人体的生理指标，如心跳、脉搏等。除此之外，还能听音乐、打电话、跟朋友聊天，全方位提升人们的体验感。

在工业领域，以电解铝为例，这个传统行业目前面临的最大问题是如何降低电耗——电的能量消耗。降电耗就需要大量的传感器来测试工作效率、成分等。但目前非常难以实现，因为工作环境比较差，电磁干扰特别强，还有粉尘影响。电解铝行业测的是双页面，对于液体深度都是在超过1000高温环境下进行，周围又是强电磁场。这意味着走近一些，手机、笔记本都会死机，这是非常严重的问题。在这样的环境下，要实现信息化，就需要传感器必须有很好的性能来抗住这些干扰。张朝晖表示，因为有节能降耗的需求，我们对传感器需求的迫切性还是很强的。张朝晖团队在这方面已经做了好几年工作，也取得了一些初步的成果。

针对油田，张朝晖团队开发了动态井深测量仪。动态井深指的是石油钻井深度，它的深度往往是在1000〜4000米。在相当深的深度上，页面会随着地质情况发生变化，只有根据它的变化来适当控制产量，才能达到地质有效的恢复和最高的效益。但在地下几千米，人们无法得知具体深度，传统的方法是采取人工爆破，但这不便于定时、定量的操作。张朝晖表示，目前团队做的工作是采用一种非常安全且自动化的方法，可以随时设定时间，也可以精确测出页面，精度上远远高于人工测量，而且使用上也非常方便。

工业自动化要以安全、稳定、平稳生产为主要目标，终极的工业自动化的目标还是要提高产品的质量。如果要保障提高产品的质量，必须对产品的质量做出一个定量化的检测。就像我们的眼睛一样，看得准，才能控制得准。目前，检测质量还有一些难题。现在很多质量控制的传感器装置：比如色谱仪、光谱仪、质谱仪等，要想对成分、对质量能够精确刻划基本都需要在实验室里运行。也就是说现在的工业控制，很大程度上需要取样到实验室去化验，这个过程具有延时性和滞后性，并且不是线上处理，因此效率非常低。

对于如何实现在线的、没有延迟的产品质量检测，张朝晖认为，从工业的角度看，人们需要传感器，如果传感器问题能被攻克，并能大量地开发出来，工业自动化还会再上一个台阶。从民生的角度讲，现在的传感器微型化、可移动、可穿戴且能耗非常低，如果将来大量普及，将会催生出一个全新的传感网络，就能更好地改善人类生活的体验。传感技术也会引领自动化不断向前进 步。

传感技术面临哪些挑战

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中的技术功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此，传感器可以说是人类五官的延长，其又被称为“电五官”。实际上，传感器就是把自然的信号变成电的信号，然后进行收集、处理与传送，“信息的转化”是它最基本的功能。

传感器作为一个产业来说是需要延伸的。比如让它智能化，将数据进行去噪、现行化、动态补偿等处理，让其性能更好。还可以延伸到让它自动地联网，这便是物联网和工业互联网的范围。这样我们就能把传感器从物质层面上提取出来，传送到信息的网络上去。

传感器实际上是一種跨领域的设备，更是一种方法。它能感受到被测量的信息，并且能将信息按一定规律转换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

目前，研究人员主要的挑战是需要提前了解各种物质层面的原理。比如研究测脉搏的传感器，必须了解心跳规律、生理特征等;研究冶金方面的传感器，就需要了解铝的生产工艺。实际上跨领域的研究对于科研人员是有一些难度的。

更严峻的挑战是我国面临很多“卡脖子”问题，目前高档的传感器主要依靠进口。这需要我国自动化领域的研究人员付出更多的努力，只有这样，才能够实现我们整体的自动化的水平提升。

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