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平行控制与平行管理

已有 2325 次阅读 2018-9-27 12:35 |系统分类:论文交流

 

非常感谢熊刚等介绍平行控制与平行管理的概念和现状。需要说明的是:本人从事平行系统与平行智能研究之初,并没有受到爱沃瑞特(Hugh Everett III)关于量子力学的“多重世界”或“平行世界”解释的影响,但卡尔·波普尔(Karl Popper)关于现实的三个世界(物理世界、心理世界、人工世界)理论的确影响很大。我第一篇关于平行的论文发表之后,是方励之教授建议我去看一下平行宇宙的文章,使我有机会系统地了解John Wheel学术家族的相关工作,特别是Everett的工作,并写了两篇杂文,其中之一见(黑洞真子与平行世界,http://blog.sciencenet.cn/blog-2374-22443.html)。但我们的平行理论,至少在目前阶段下,与平行宇宙没有直接的技术联系,希望将来有。当然,前提是平行宇宙是真的。


特此说明

                                               王飞跃


 

平行控制与平行管理 


熊刚,董西松,王兆魁,

刘希未,商秀芹,李昊

 

一、引言

从维纳的《控制论》到钱学森的《工程控制论》,再到各类智能控制理论,都已成为现代科技的核心之一。但是,经典控制、现代控制所能处理的控制对象都是可用解析方式表述的物理系统。近年来,随着互联网的普及、物联网的渗透、大数据的涌现以及社会媒体的崛起,产生了越来越多的工程复杂性与社会复杂性高度融合的具有不定、多样和复杂特征的社会物理信息系统(Cyber Physical Social SystemsCPSS)。其建模、有效控制和管理等问题正面临前所未有的挑战和发展机遇。

受到爱沃瑞特(Hugh Everett III)关于量子力学的多重世界平行世界解释以及卡尔·波普尔(Karl Popper)关于现实的三个世界(物理世界、心理世界、人工世界)理论的影响,在钱学森关于复杂系统综合集成研讨厅等前人成果基础上,中国科学院自动化研究所王飞跃研究员于 2004 年在国际上率先提出了ACP方法(人工系统Artificial Systems + 计算实验Computational Experiments + 平行执行 Parallel Execution),它把信息、心理、仿真、决策融为一体,采用可计算、可操作、可实现的方式,为研究复杂性、复杂系统提供新的思路及方法,已成为复杂系统领域成体系化的、完整的一种研究框架。

基于 ACP 方法,在传统针对物理要素小闭环管控基础上,增加考虑社会要素大闭环管控,构成了实际系统。在此基础上,建立与实际系统等价的人工系统,从而构成双闭环的平行控制和管理系统。它结合理论研究、实验方法和计算技术三种科学研究手段,提高了探索复杂系统要素相互作用的动态演化规律的能力,提高了复杂系统应对变化和非正常状态的能力。

二、研究现状与主要成果 

近年来,在国家自然基金项目、军方科技项目、部分省部科技项目等的资助下,平行控制与平行管理(研究框架如图 1 所示)在 ACP 方法、平行控制、平行管理和平行军事的理论和核心技术,以及在工程、社会和国防等领域的应用实践方面,都取得了丰硕的研究成果。


1 平行控制与平行管理的研究框架

 

(一)ACP 方法

重点发展了复杂系统建模、实验与决策的 ACP 方法,分别以数据、知识和决策为侧重点,研究 CPSS 中基于网络大数据的人工系统构建方法、基于计算实验的情景应对知识库构建方法,以及基于虚实系统平行互动的控制与管理方法。

在人工系统、人工社会研究中,基于 Agent 的建模方法成为最流行的计算模型构建方法[1]。一些团队研究了涉及人与社会复杂性的复杂系统模型,包括个体行为的建模、组织结构的建模与环境建模[2]。一些团队研究人工环境,为人工系统中各种物理和行为模型,提供所需的自然环境数据和信息支撑[3]。一些团队研发了人工社会建模语言(Artificial Society Modeling LanguageASML),包括元模型、多视点模型及图形化建模语言[4]。一些团队研究人工系统所需的工具开发、数据获取、模型构建、资源共享等,建立了包括资源 + 平台 + 人工系统的人工系统构建环境[5]。

计算实验是通过软件定义的实验室,对已发生及可能发生的事件进行试验和计算,为复杂系统的控制与管理提供计算验证支持。计算实验的研究基础、现状及应用领域的综述可见参考文献[2]。计算实验包括计算模型构建、计算实验设计与计算实验执行等, 可总结为以下几种类型[67]:1)按计算实验因素数目的不同,可分为单因素优化计算实验、多因素优化计算实验;2)按计算实验目的不同,可分为指标水平优化和稳健型优化 计算实验;3)按计算实验过程的不同,可分为序贯计算实验设计和整体计算实验设计。

(二)平行控制

平行控制是数据驱动的计算控制方法,其核心是利用人工系统进行建模和表示,通过计算实验进行分析和评估,借助平行执行实现对复杂系统的控制[6]。近年来,完善了平行控制的理念、概念、基本方法及应用,重点研究了实现平行控制的重要方法自适应动态规划(Adaptive Dynamic ProgrammingADP)。针对传统控制系统存在复杂耦合控制难以获得机理模型等问题,以 ADP 为突破点,依托在神经网络、智能控制方面的优势,重点研究平行控制中基于数据的非线性系统分析、控制与优化方法,为实现平行控制提供解决方案,提出了广义策略迭代 ADP 方法、带有误差的 ADP 平行控制迭代算法、基于数据的迭代 ADP 平行控制方法等。一些团队研究了基于一阶效应敏感性分析的自组织模糊神经网络的构建方法[8]。一些团队研究了多种限制条件的不确定混沌系统的自适应神经控制方法[9]。一些团队提出了离散时间的非线性系统的自适应动态规划方法[10]。

(三)平行管理

基于ACP方法,提出并完善了知识自动化的概念、理论方法、框架体系及应用,充实了平行管理内容[11];研究了实现区块链驱动的平行社会管理、知识自动化的基础架构和技术手段[12]:重点研究了企业管理、物流管理、应急管理中的平行管理,主要成果包括:

1. 平行企业管理

研究基于深度强化学习的平行企业管理[13]。基于多 Agent 构建 ERP 整体模型框架及序贯博弈模型;运用基于深度强化学习的神经网络寻找最优策略,解决复杂企业所面临的不确定性、多样性和复杂性问题;研究出服装与鞋子个性定制的社会制造模式[14]。

2. 平行物流管理

基于ACP方法,分析集群式供应链中企业协同的复杂性、网络演化建模方法、协同采购的影响因素和模式演化机制等,利用 Agent 构建了集群式供应链协同采购模式演化模型(Collaborative Purchasing Pattern Evolutionary ModelCPPEM),包括环境模型、静态个体模型和动态协同模型等[15];基于CPPEM模型,提出了不同的计算实验方案;根据实验结果分析,掌握协同采购模式演化机理,以及不同干预因素对协同采购模式演化的影响。

3. 平行应急管理

针对应急全过程动态情景生成演化和计算实验两大核心科学问题,研究面向非常规突发事件应急响应的平行应急管理理论、方法与技术,设计出开放式、可扩展、可定制、可视化的非常规突发事件动态模拟仿真与计算实验平台[16]。研究成果可为应急管理提供全方位的支持,为情景应对型非常规突发事件应急管理的理论研究与在线监测、预警及辅助决策提供实验工具与技术参考,使得非常规突发事件应急管理研究变为有组织的系统性实验研究。

(四)平行军事

自从召开第428次香山科学会议研讨平行军事体系以来,平行军事的思想得到广泛关注[17-20]。平行军事体系可定义为利用实际军事组织及系统和相应人工军事组织及系统的组合,通过实际与人工虚实互动的执行方式来完成特定军事任务及目标的一种组织和行动方法。目前,研究进展总结如下:

1. 理论技术领域

从军事知识的需求分析出发,研究军事知识到仿真模型的变换过程,提炼面向军事领域仿真的军事知识双层结构模型;同时,从作战实体的角度归纳知识单元的类别,研究它们的描述方法和相互关系,为平行军事系统的基本运行框架构建、平行战场控制方法研究奠定基础。

2. 军事装备试验领域

基于多 Agent 建模、行为建模和计算机仿真等技术构建数字环境的人工靶场,现实靶场和人工靶场构成的平行靶场,通过物理试验和计算试验的结合,达到技术性能测试向体系对抗效能评估拓展的目的。

3. 作战实验领域

根据作战实验关注的重点问题,研究了运用军事系统的观念,构建具有针对性的与作战行动相对应的作战实验系统,比较系统、全面和深入地研究作战行动的全过程,得到比较符合实际的研究结论。

4. 武器装备实验方面

提出了平行试验理论与方法、典型体系对抗想定的计算试验与评估,为靶场试验体系的构建与发展、逻辑靶场论证与建设、武器装备体系作战试验与效能评估提供了重要支撑。

5. 武器装备体系论证方面

研究了若干基础理论问题,包括武器装备体系复杂性问题、武器装备体系的度量问题、信息系统的作用机理等问题。 

(五)应用实践

开展了平行交通、平行企业、平行农业和平行网络等领域的应用实践。

1. 平行交通

提出了基于数据驱动的人工交通构建方法,基于代理的网络化交通控制理论和方法; 研究出的平行交通系统,可有效分析交通流控制的工程和社会复杂性;通过构建无人驾驶平行系统,预测和引导实际无人驾驶系统;基于 ADP 方法,研发了高通流、高应变能力的交通信号控制器与车辆自适应巡航控制器;在轨道交通、公共交通、社会交通、交通疏散等方面拓展了应用[21-26]。

2. 平行企业

研究基于平行控制与管理的 ERP 3.0,并应用于大型乙烯生产企业[2728];突破了油品性能指标精确控制关键技术,实现了一次调合成功率100%,彻底改变了油品调合的技术手段;研究了平行核电经济运行优化技术、平行故障超前预警技术、平行核应急系统、平行信息安全防护系统等;基于ADP方法,实现了煤制甲醇温控系统的平行优化;提出一套能有效地改进关键字广告竞价机制、优化广告投放策略的企业营销市场分析与优化方法。

3. 平行农业

提出了农业人工系统的作物功能结构模型构建及校准方法,研发了作物生长和结构模拟通用软件青园;根据计算实验需求,提出了数据和知识共同驱动的植物生长建模方法, 用于不同环境下作物的生长预测和分析;提出了基于生长预估的果园施肥平行决策方法。

4. 平行网络

提出了其研究框架,通过人工网络与实际网络的实时信息传递与相互优化,以及对网络系统控制面、转发面和应用层功能的抽象和定义,使得网络管理软件可编程、可实验,实现了网络实时决策指导与行为优化[729]。

此外,在医疗健康[30]、电子商务[31]、社会经济系统[32]、应急疏散[3334]、智慧城市[35]、智能能源系统[36]、平行情报体系[37]、智能指挥与控制体系[38]、矿山管理和生产控制[39]、平行机器人与平行无人系统[40]等领域都有应用实践。

三、国内外研究比较

目前,平行控制与管理已成为我国控制与管理领域的重要发展方向之一,得到了越来越多研究者的关注。总结起来,已建立适用于 CPSS 的平行控制与管理方法的框架和理论体系,实现复杂系统的建模、实验、分析与决策一体化;拓展了知识自动化领域,并推动了 ADP 方法的进一步发展,为研究人在环路中、兼具工程复杂性与社会复杂性的CPSS,提供了一套可计算、可实现、可比较的理论与方法。

2009 年开始,中国自动化学会每年举办全国平行控制会议”“全国平行管理会议2011 年,中国自动化学会成立平行控制与管理专业委员会。近年来,平行控制与平行管理在中国进入快速发展时期。其中,中国科学院自动化研究所、国防科技大学、中国科学技术大学、清华大学、北京航空航天大学、北京交通大学等10余家单位,成立了专门研究机构或小组。另外,北京大学、上海交通大学、浙江大学、北京理工大学、天津大学、华中科技大学等 40 余家单位,也有学者开始进行相关理论技术研发和应用实践工作。

在国外,对平行控制与平行管理的研究,目前还较为初步和分散。一部分研究者是和中国单位合作,比如美国科罗拉多州立大学、明尼苏达大学、亚利桑那大学、丹佛大学, 英国克兰菲尔德大学,芬兰奥卢大学等;另外一部分研究者是采用 ACP、平行相似方法开展研究,比如美国哈佛大学、MIT、哥伦比亚大学、弗吉尼亚大学等[4142]。

四、需求与展望

复杂系统是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中的十个基础研究方向之一,其研究对象往往涉及国家重大战略需求的相关领域。应用证明,平行控制与平行管理方法,对解决兼有工程复杂性和社会复杂性的复杂系统行为分析和管控问题十分有效。它可有效分析复杂系统行为的动态演化规律,同时掌握其实现安全、可靠、高效运行目标的有效管理与控制手段。为保持我国在平行控制与管理前沿研究和重大战略应用方面的领先优势,具体建议如下:①继续加强基础理论研究,解决越来越多种类复杂系统平行控制与管理的科学问题,包括 ACP 方法、人工系统验证、计算实验设计、平行控制、平行管理、CPSS 的基础模型、核心算法等;②继续加强核心技术研究,解决越来越多种类平行管理与控制系统的标准化和规模化建造问题,包括重点行业平行控制与管理系统的体系架构和标准;数据库、模型库、经验和知识库、工具库的建立等;③继续扩大和加强应用实践,在零散的应用实践基础上,逐步建成若干重点行业的平行管理与控制的整体解决方案,实现全行业规模化应用。

 

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1 蔡宁

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