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種好河北大學“自動化”這畝田---訪電子信息工程學院肖金壯導師

發布日期:2020-07-27    作者:     來源:     點擊:


 種好河北大學“自動化”這畝田

                     ---訪電子信息工程學院肖金壯導師

 記者:齊小英 岳麗艷 王璽皓

 

導語: 

自動化專業可以稱作是“萬金油”專業,它可以與其他很多學科進行交叉融合,“自動化”為智能制造帶來了靈魂,而Digital Twin則是智能制造系統的基礎。東北大學柴天佑院士曾說:“目前國內工科專業中最有可能趕上歐美發達國家水平的就是自動化專業?!边@句話對于從事自動化研究的學者、團隊以及機構、組織等給予了很大的信心。

當前世界各國正在朝著工業4.0的方向加速奔跑,無論是農業、工業、商業、醫療和軍事領域,還是電子制造業、航空航天、現代信息服務業等,都對自動化專業的需求日益增大,這也促使自動化技術不斷的創新以及發展。如何理解“自動化”對社會發展的推動作用?人工智能時代,自動化專業面臨的機遇和挑戰有哪些?為什么“Digital  Twin”是智能制造系統的基礎?圍繞這些問題,我們采訪了肖金壯老師。 

 

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肖金壯,1976年4月生,博士,副教授。2000年獲得河北大學自動控制專業獲學士學位,又分別于2003年和2009年獲得燕山大學控制理論與控制工程專業獲得碩士和博士學位。2012年3月至2013年8月赴馬來西亞留學,成為馬來西亞彭亨大學制造工程學院博士后、訪問副教授,現在于河北大學電子信息工程學院自動化系工作,成為河北大學控制科學與工程專業碩士研究生指導教師。主要研究方向為智能機器人、康復機器人、系統故障診斷和計算機控制系統等。

迄今為止,肖老師在《Sensors and Materials》、《Technology and Health Care》、《Bio-Medical Materials and Engineering》以及《生物醫學工程學雜志》、《中國機械工程》等國內外頂尖學術期刊發表SCI論文20余篇,授權發明專利2項。

河北大學自動化系多年以來一直堅持立足京津冀,面向全國,將自動化專業建設為特色鮮明的一流專業,并且于2009年被評為省級優勢特色專業。

目前,自動化系設有自動化、電氣工程及其自動化兩個本科專業,控制科學與工程一級學科碩士學位點和控制工程專業碩士學位點,目前擁有計算機控制、過程控制、傳感器及其應用、電機及電力拖動等8個專業實驗室、“河北大學——羅克韋爾自動化”實習基地、智能機器人研究中心。

近年來,自動化系在《自動化學報》、《電力系統及其自動化》、《系統仿真學報》等國內外期刊發表論文400余篇,其中被SCI、EI、ISTP檢索240余篇;承擔國家及省部級科研課題數十項,科研經費達700余萬元;獲國家科技進步二等獎1項,河北省發明一等獎1項,河北省自然科學三等獎1項。

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學生與馬來西亞的學者的學術交流

 

 

記者:我們了解到您主持了多項工學和醫學交叉研究的學科,您認為自動化與各學科之間的交叉融合是怎樣的?這種交叉性的項目會產生怎樣的火花,有哪些挑戰?

肖老師:自動化這個學科一直被稱為“萬金油”,在很多領域都能應用,比如說農業、工業、航空航天、軍事等。平時我們不太關注的學科,比如說經濟控制也屬于自動化學科,某區域的經濟研究也可以使用“控制”的思想進行數學建模、分析以及優化。

關于工學和醫學的交叉,這個涉及到我剛剛提到的力平臺問題。最初,我們做的是一個機器馬,當時醫院里康復科的一個主任在幫我們做機器馬驗收的時候說:“你們這個東西對測人體平衡可能有用處?!钡蔷唧w怎么測,就涉及到一個工科的思想,如何去量化人的平衡能力。舉個例子,人跨過一個臺階都涉及到一個平衡過程,或快或慢,它都有一個平衡過程,這個在我們控制里面叫做欠阻尼系統。欠阻尼系統有它自己的量化指標,來反映這個系統響應速度的快慢??梢哉f,我們是第一個提出了這種思想的團隊,即通過擾動去量化它的平衡功能。

當然,交叉研究中也有難處,因為涉及到其他學科,你必須去了解它。然而自己本身不是那個專業,沒有一定的基礎,所以就需要增加和其他學科的溝通、交流。而且現如今,學術研究非常強調跨學科的團隊。

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“機器馬”裝置

記者:您目前也在研究智能機器人,那么智能機器人的研發過程中涉及哪些自動化關鍵技術呢?還有在當前人工智能時代下,自動化面臨的機遇和挑戰是什么呢?

肖老師:對于一個機器人,我們肯定先有一個目標,就是期望它怎么動。人給它設定一個目標,無論是借助電機還是液化,都是通過一個驅動裝置去完成這個目標;是否達到目標,就需要一個檢測裝置進行反饋,與期望值進行比較得到一個誤差??刂破骰蛘哒{節器的任務就是計算誤差,產生一個控制指令,指令產生的目的就是實現期望,而控制的核心思想就是反饋。那么在人工智能(AI)的背景下,自動化面臨的挑戰就是必須跟上AI的發展,把AI的技術運用到自動化發展上。我國現在已經出現了人工智能制造學院,它的前身就是自動化專業。

 

記者:您在《測力平臺系統輸出壓力中心參數的校正》一文中,對測力平臺系統輸出壓力中心參數進行了校正,請問校正之后的影響主要體現在哪些方面呢?

肖老師:這個力平臺是用來測試人的平衡能力的指標。它主要針對的是老年人,因為人一旦上了年紀平衡能力就會衰退,老年人平衡功能不好就很容易摔倒,然后骨折。骨折就需要在床上修養,而人躺的時間太長血液不流動就很影響健康。人站到這個力平臺上面去,就會出現一些指標,它屬于檢測自動化的一個分支。我們為什么要對它校正呢?因為這個東西下面有幾個傳感器,我們希望這個平臺不同時間和不同區域測出來的數據具有一致性,所以我們要校正。后續我們還做了自動校正的研究,只要系統開啟,計算機就能自動調節好。

 

記者:您能跟我們詳細說一下這個Digital Twin嗎?

肖老師:他實際上就是一個經過大數據訓練好的數學模型,哪個領域都可以有一個Digital Twin。比如說醫生,我們可以用AI深度學習思想把大量的病例數字化,給它足夠化的處方樣本,它自己就能夠提供一個處方。這個在美國已經實現了,據說它比很多中級醫師出的處方都科學。因為它訓練的處方量遠遠多于一位醫生職業生涯所開的處方量。深度學習發展至今,已經不是簡單地通過訓練歷史數據來輔助決策,目前以及未來更多研究的機器的自我學習能力(根據以往經驗實時學習)。比如,AlphaGo對戰李世石時,它就能進行自我學習。工科是應用一些理論原理去解決一些實際問題,它更偏向實際應用。所以,你對自己想要研究的問題必須很清楚??偨Y來說很重要兩點就是:第一你要知道這個問題的實際背景是什么,第二點就是我們要用理論和模型去抽象化。也包括AI,你要想辦法用數學的模型去抽象它。最近兩年隨著深度學習算法,出現了Digital Twin(數字孿生體),這個是具有革命性的。

記者:我們了解到您本科就讀于河大,現在執教于河大。那么學成歸來服務于河大是因為您堅定要回來還是機緣巧合回來了?

肖老師:應該是順其自然的一件事。碩士答辯之后,我正在準備考博。當時河大剛好想要成立一個機器人實驗室,所以我就回來了。當時咱們學校的自動控制(自動化的前身)是第一年招生,師資還不是很完備,于是我剛畢業就負責教專業課,所以當時我壓力非常大。之后,又在其他老師的推薦下,參與了燕山大學的一個實驗室項目,在這種背景下攻讀了博士。所以,總體來說,我的職業規劃沒有經歷畢業找工作這一過程,也算是比較幸運。

 

記者:您對控制科學與工程專業的研究生的選題有什么建議嗎?

肖老師:我覺得,迷茫、困惑這都是正常的,這是一個必經之路,沒有挫折怎么欣賞到“柳暗花明”呢?自動化是“萬金油”類的,與其它很多學科都可以合作研究。所以這就要求學生首先要明白自己要解決的問題背景是什么,是機械問題?還是自動檢測問題?了解越清楚、研究越深入,自己的研究方向越明確。如果研究對象都不清楚,那么研究問題肯定不清楚,這是很重要的一點。其次,對于我們自動控制,理論也很重要。我發現研究生在研究時也存在這樣一個問題:在研究過程中發現一個問題,在解決它的過程中,有一種“湊”的感覺,并沒有把研究上升到一個理論的高度。因此,在研究中必須學會恰當用理論和數學模型將問題抽象化描述,然后去解決實際問題,最后再上升到理論層面。這樣的研究成果既有理論意義,也有實際意義。

 

記者:今年是新中國成立七十周年,那您認為自動化專業的初心和使命是什么?

肖老師:我們河大的自動化專業又是26個成員國都認可的,就是我們所說的國際第一方陣,所以前景還是很好的。特別是近幾年,很多勞動力密集型企業都垮了,因為它的自動化程度太低。特別是保定周圍企業對于自動化的需求,自動化設備的引進,對這些勞動密集型企業的成本降低以及轉型是很有意義的?!白詣踊侵悄苤圃斓撵`魂,”我們中國正在朝著工業4.0方向加速前進,對自動化方面的人才需求量非常大。因此,我們自動化專業應該抓住這個新時代帶來的機遇,邁向智能制造之路。

 

結語: 

肖老師在學術上,用心鉆研,種好河大“自動化”這畝田;教學上,傳道授業解惑,用心澆灌河大“學子田”;生活里,平易近人,守好“責任田”。他相信:在各專業領域交互融合的今天,每個學生都可以通過努力實現自我價值;他更相信在大家共同努力下,我們國家的智能制造定會在世界上穩占前沿。

肖老師在教學時經常給學生講下面這個故事。

一個爬山者在夜里爬山,路上什么也看不見。

有個人跟他說:“你彎下腰撿一些石頭,多撿點,可能會有用?!边@就像老師上課說:“你上課多學點,可能會有用?!?/p>

爬山者:“一個石頭,我撿它干嘛?!?/p>

走了一段時間...

那個人繼續說:“你撿幾塊,以后會用到?!?/p>

爬山者:“我上山這么沉,我還怎么走路啊?!?/p>

又走了一段時間...

那個人說:“你趕緊撿幾塊吧,再不撿就沒了?!?/p>

爬山者:“老讓我撿,我就撿一塊吧?!?/p>

結果第二天天亮,爬山者發現這些石頭都是鉆石。

肖老師感慨地說:“學生就像這個爬山者,他們沒有經歷過或者沒有認識到這個課程的重要性,但是老師的高度高一些,他能夠看到這些,所以總在提醒學生?!苯衲?,肖老師在制定自動化專業的培養方案時,建立了一個自動化專業各門課程之間的時間序列關系圖。他說,此做法主要是為了讓學生們了解本專業學科之間的關系,即如果學生對于某個專業課的學習不夠深入,則會影響之后其他課程的學習。