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段志生, 邹云, 董海荣, 李忠奎, 杨莹, 王金枝. 智能化时代的复杂系统控制与决策—黄琳院士90华诞专刊序言. 自动化学报, 2025, 51(10): 2131−2134 doi: 10.16383/j.aas.c202510

Duan Zhi-Sheng, Zou Yun, Dong Hai-Rong, Li Zhong-Kui, Yang Ying, Wang Jin-Zhi. Guest editorial of special issue on control and decision of complex systems in AI era——In honor of Professor Lin Huang＇s ninety birthday. Acta Automatica Sinica, 2025, 51(10): 2131−2134 doi: 10.16383/j.aas.c202510

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c202510

文章导读

黄琳院士是我国控制科学领域的拓荒者、推动者与重要见证者之一, 长期致力于系统稳定性与控制理论的研究, 为我国控制科学的发展做出了卓越贡献. 为进一步推动智能时代复杂系统的控制与决策研究, 值此黄琳院士九十华诞之际, 我们在 《自动化学报》 组织了“智能化时代的复杂系统控制与决策”专刊, 汇聚本领域的最新研究成果, 以纪念黄琳院士对控制学科发展所做出的杰出贡献, 并向其学术精神致敬.

黄琳院士1935年出生在扬州一个教师家庭, 成长于新中国成立初期的革命年代, 1953年考入北京大学数学力学系. 在校期间, 他刻苦勤奋, 即便在带病的情况下仍坚持学习, 1957年, 他接受肺部部分切除手术后依然潜心学业、毫不懈怠, 并于同年考取研究生. 1961年研究生毕业后留校任教. 读研期间, 他便开始为本科生开设“调节原理”、“最优控制”、“非线性控制”、“脉冲系统”、“随机控制”等一系列控制领域的前沿课程, 不仅培养了我国早期控制理论方面的一批骨干人才, 也为他日后在控制科学领域的深入研究奠定了坚实而广阔的基础. 家庭的熏陶与个人的科学兴趣, 使他坚定地走上了献身科研、锐意创新之路.

1956年2月, 钱学森先生在中国科学院力学研究所讲授“工程控制论”, 北京大学数学力学系抽调了15名学生前往听讲, 黄琳院士便是其中之一. 钱学森先生的指导对他产生了深远影响, 促使他日后投身于动力学与控制的研究. 1962年在全国一般力学成立大会上, 他的论文“有控系统动力学理论的若干问题”作为大会报告受到了钱学森先生的关注, 并于1963年以“控制系统动力学与稳定性理论若干问题”为题被推荐发表在 《力学学报》 上. 此外, 他还以飞机安定性分析为研究背景, 提出了关于系统衰减时间的概念, 并用Lyapunov方法给出了估计式, 他的论文“On the estimation of the decaying time”作为中国自动化学会遴选的两篇稿件之一入选了1963年第二届IFAC (国际自动控制联合会)世界大会. 1964年, 他与合作者将动态规划与Lyapunov方法结合, 率先证明了常系数线性系统二次型最优控制问题解的存在性、唯一性, 给出了最优控制的线性控制律、Riccati方程求解的序列逼近法和单输入线性系统极点配置定理, 国际上直到1967年才出现相关研究工作, 已故中国科学院院士关肇直先生曾发表文章多次提及这一创造性工作. 1989年他又给出了连续系统用输出反馈实现二次型最优控制的充要条件, 回答了国际上20多年来未解决的基本问题. 鉴于他的杰出工作, 1984年被国家教委特批为教授, 1985年, 被国务院批准为博士生导师.

二十世纪八十年代起, 鲁棒控制成为国际控制领域中的核心前沿课题, 其中参数摄动控制系统的鲁棒分析与综合是鲁棒控制理论的重要组成部分. 多项式族系数空间中稳定性区域一般不具有凸性, 这导致参数摄动系统鲁棒稳定性分析变得十分复杂. 苏联学者Kharitonov给出的多项式族稳定性分析定理是这一领域开创性工作. 黄琳院士1985年访问美国时与美国学者A. Bartlett和C. Hollot合作给出了著名的棱边定理, 将参数空间中凸多面体的稳定性判定问题转化为其一维突出棱边的稳定性判定问题, 从而大大降低了计算量. 相关研究成果在国内外产生了广泛影响, 冯纯伯院士在其专著中将棱边定理称为是一个里程碑式的工作, 美国学者B. Barmish在1988年IEEE CDC的大会报告中用一整节的篇幅介绍和评论了棱边定理. 随后黄琳院士又与国内学者合作给出了更为基础的边界定理, 在多项式稳定性理论中相继提出了值映射、参数化等概念, 建立了一系列重要定理, 形成了一套系统的理论体系. 基于这些杰出贡献, 黄琳院士主持的成果“系统鲁棒分析与综合”于1995年获国家教委科技进步奖一等奖, 主持的“参数摄动控制系统的鲁棒分析与综合”于1999年获国家自然科学奖三等奖. 黄琳院士从不拘泥于既有研究框架, 始终以开放的视野迎接新的科研挑战, 他在1993年至1996年联合中国科学院系统科学研究所、中国科学院自动化研究所、清华大学等多家单位, 主持完成了国家“八五”重大基金项目“复杂控制系统理论的几个关键问题”, 在各方的协调合作下取得了一批具有国际水平的理论成果, 培养了一批控制领域的高层次人才, 项目验收评价为优.

黄琳院士不但在理论研究上做出了诸多创造性工作, 而且对控制工程也十分重视. 早在1959年他就参与了有关飞机自动驾驶仪、安定性与操纵性的研究, 后又积极参与研究了惯性导航系统中的一些理论问题. 他始终强调研究工作的应用背景与工程意义, 坚持不做无意义、无实际背景的工作. 他一贯强调“控制理论研究成果的好坏是看其是否解决控制科学所面临的困难问题而不是其它标准”. 本世纪初, 他注意到传统控制理论只关注单平衡点系统全局稳定性, 而对多平衡点系统很少研究, 但实际系统 (如旋转机械、电力系统等) 中经常出现多平衡点, 在这方面俄罗斯学者G. Leonov首先开展了多平衡点系统总体性质分析方面的工作, 但仅限于单输入单输出系统, 而且缺乏控制器综合方面的结果. 黄琳院士抓住了这一新兴方向, 指导年轻教师与博士生开展了一系列有特色的研究工作, 给出了多平衡点系统保持总体性质的控制器设计方法. 此外, 二十世纪七十年代以来, 大系统理论因其在经济系统、电力系统, 乃至社会系统等方面的重要工程意义受到了学界的广泛关注, 但对大系统研究的基本思想 (至少在稳定性方面) 一直是在子系统本身稳定的基础上尽量压低关联的影响从而保证大系统稳定, 不能解决关联的作用问题. 黄琳院士在1992年出版的专著 《稳定性理论》 中就明确阐述了相关问题, 后来又指导学生在明确不稳定子系统的作用、关联作用、子系统交叉互助合作等方面做出了创造性工作. 他进一步针对飞行器中经常采用的多作动器控制问题, 提炼出具有可操作性的多输入作用问题, 指导年轻教师给出了增加输入使系统二次性能指标严格下降的充要条件, 继二十世纪七十年代加拿大学者W. Wonham证明多输入系统可控可以利用状态反馈转化为单输入系统可控以来, 首次明确了多输入所能起到的独到作用, 显示了单输入与多输入系统的本质区别. 基于这一系列的创新成果, 他与他指导的年轻教师一起获得了2011年教育部自然科学一等奖以及2015年国家自然科学二等奖.

除了在科研领域深耕不辍, 黄琳院士还投入大量精力撰写学术著作和教材讲义, 积极培养后辈学者, 为我国控制学科的发展输送了大批人才、注入了持续动力. 二十世纪六十年代初, 他为了在北大数学力学系创建控制学科, 开设了反映当时国际前沿的一些控制课程, 经过几年的教学实践, 形成了《控制系统动力学讲义》. 同时, 他在给北大数力系一般力学专门化的学生开设最优控制课程的基础上, 将讲稿进行补充编成了 《最优控制理论讲义》. 这本讲义被学界公认为是很少见的同时从最大值原理、动态规划和基于常微分方程理论的最速控制理论三个组成部分讲述最优控制的著作. 《控制系统动力学讲义》 与 《最优控制理论讲义》 这两本著作凝聚了黄琳院士多年心血和努力、体现了他深厚理论功底和个人理解, 在控制科学领域起着独到的积极作用. 1969年, 黄琳院士随北大力学系迁往陕西汉中, 在此期间, 潜心编写了 《线性代数应用理论》 讲义, 经过不断地实践与修改, 该讲义由科学出版社于1984年以 《系统与控制理论中的线性代数》 为书名正式出版, 并于1986年和1990年先后两次再版. 该书出版后, 成为系统与控制等相关学科教学和科研人员的重要参考书, 影响了几代控制理论青年工作者的成长, 为推进国内控制理论的研究做出了重要贡献. 2014年开始, 黄琳院士又花费了四年时间认真修订并补充调整了这本专著的部分内容, 该书的第二版于2018年由科学出版社分上下册出版. 此外, 黄琳院士根据自己多年从事科研的经验分别于1996年和2003年在北京大学出版社和科学出版社出版了 《稳定性理论》 和 《稳定性与鲁棒性理论基础》 两部专著, 内容涵盖了基础理论、最新的研究成果以及前沿研究所必备的知识和技巧, 产生了广泛而深远的学术影响.

为了推动我国控制学科的发展、缩小与国际同行的差距, 黄琳院士于1979年应中国科学院系统所的邀请前往山西忻州主持控制理论的学习班, 这是改革开放后在全国举办控制理论学习班的首次尝试. 此后, 他应邀在北京、陕西、湖南、江苏、四川等地进行了有关现代控制理论的讲学, 他与同仁们的辛勤付出为我国控制学科的发展起到了引领作用, 并奠定了坚实的基础. 与此同时, 他还在北大创建了一般力学博士点和控制学科, 在学科建设、人才培养等方面做出了突出贡献. 2003年, 他当选为中国科学院院士, 并成立了力学系统与控制这一新的博士点. 他认为, 一个有特色的学科点不仅应在教学和科研方面具有突出成绩, 还应具备其独特的文化氛围与精神内涵. 他始终坚守朴实严谨的科研信念, 主张做有价值的工作而不追逐虚名, 关注国际动态而不盲目追赶时髦. 他倡导科研应根植国家需求, 甘于寂寞、摒弃浮躁, 不为发表而研究, 而应着眼于大方向、大问题, 开展有深度、有意义的科学探索. 在他的引领下, 该学科点一直健康地发展并取得了不俗的成绩, 先后获得教育部自然科学一等奖和国家自然科学二等奖, 培养出全国百篇优秀博士论文奖获得者, 学科点也跻身“双一流”建设的优势学科. 黄琳院士也因此获得代表北大教师最高荣誉的“蔡元培奖”.

黄琳院士不仅注重解决学科前沿本质问题, 还特别关注控制科学的整体发展趋势, 善于从中提炼科学问题. 这得益于他长期以来在科研实践中形成的一个重要习惯, 即着手研究之前, 始终坚持对问题发展的来龙去脉进行全面了解, 深入思考其中的不足与挑战. 正因如此, 尽管他始终深耕控制理论研究, 研究兴趣却随着时代发展与国家需求不断拓展. 每一次研究方向的转变, 他都坚持从全局出发, 深入分析现状, 凝练关键问题, 探索有效方法, 最终取得扎实的研究成果. 黄琳院士始终认为科学事业既是个人的, 更是国家的和人类的, 一项科研成果的重要性远比是谁得到它更为重要. 正因如此, 他乐于在学术会议上分享自己的研究思考, 积极与同行交流, 也在反馈中不断完善自身观点. 在此基础上, 他为期刊撰写了近20篇的综述文章, 系统梳理了相关领域的研究进展, 促进了学科的发展与传播.

随着智能化时代的迅速到来, 复杂系统的控制与决策正逐渐成为科学研究与工程实践中的一大关键问题. 以高超声速飞行器、现代流程工业、智能电网和无人集群等为代表的复杂系统具备高动态性、强非线性、强耦合及强不确定性等显著特征, 对传统控制理论与方法提出了前所未有的挑战. 如何实现对这类复杂系统的智能控制与优化决策, 已成为控制科学领域亟需突破的核心难题之一. 与此同时, 以深度强化学习、大语言模型为代表的人工智能技术迅速崛起, 凭借其在策略优化与知识推理方面的突出表现, 推动着控制理论从经典的模型驱动范式向数据驱动与认知驱动范式转变, 为复杂系统控制与决策的理论突破与方法革新提供了全新支撑. 在此背景下, 研究面向智能化时代的复杂系统控制与决策问题, 既具有重要的理论意义, 也展现出巨大的工程应用潜力. 为此, 我们组织本专刊, 旨在汇聚该领域的前沿成果与创新思想, 推动控制科学与人工智能、系统工程、信息论、决策科学等相关学科的深度交叉与融合, 促进智能控制理论与关键技术的发展, 服务国家重大需求.

本专刊共收录18篇由国内外知名高校和科研机构的专家学者撰写的高水平研究论文与综述(除客座编委的稿件外, 综述、论文两种类型均分别按作者姓氏首字母排序), 内容涵盖了复杂系统智能控制与决策的多个前沿方向. 一部分论文聚焦于典型工程系统中的智能控制与决策实践, 如飞机总装的现场级工业网络系统、旋转导向钻井工具系统、电力系统调控和流程工业中的智能决策支持等; 另一部分则围绕集群协同任务规划、水下仿生机器人协同围捕等问题展开, 展现出较强的理论深度与应用价值; 还有一部分研究则针对系统鲁棒性、抗干扰能力、数据缺失补全及隐私保护等复杂系统中的关键挑战, 提出了创新的分析方法与解决方案, 为构建更安全、更智能、更高效的控制与决策体系提供了极为有力的支撑. 这些研究不仅展示了当前智能控制领域的最新研究进展, 也体现了我国控制科学不断追求自主创新、服务国家重大战略需求的学术传承.

作为我国控制科学事业的先行者之一, 黄琳院士始终将个人命运与国家发展紧密相连, 与国家同呼吸、共奋斗, 坚守在科研与教育第一线. 在长期的科研生涯中, 他多次经历磨难, 但从未被击倒, 反而在逆境中淬炼出知难而进、自强不息的坚韧品格, 这种崇高品格也始终贯穿于他的科研实践与学术探索之中. 他治学严谨、成就卓著, 赢得了国内外学术界的广泛尊敬; 他淡泊名利、潜心研究, 在二次型最优控制和鲁棒控制理论等领域做出了开创性的贡献. 黄琳院士不仅以卓越成果推动了我国控制科学的发展, 更是以严谨的学风和高尚的人格深刻影响并持续激励着后辈学者. 我们希望, 通过本专刊集中展示的研究成果, 继承并弘扬黄琳院士求真务实、矢志创新的精神, 进一步推动智能化时代复杂系统控制与决策领域的创新突破, 助力实现国家高水平科技自立自强.

作者简介

段志生

北京大学先进制造与机器人学院教授. 2000 年获得北京大学力学与工程科学专业博士学位. 主要研究方向为复杂网络与关联耦合系统. E-mail: duanzs@pku.edu.cn

邹云

南京理工大学自动化学院教授. 1990年获得南京理工大学博士学位. 主要研究方向为系统与控制一体化设计理论与方法, 风力发电系统控制. E-mail: zouyun@vip.163.com

董海荣

同济大学电子与信息工程学院教授. 2002年获得北京大学博士学位. 主要研究方向为自主感知与协同控制, 工业人工智能, 智慧交通. E-mail: hrdong@tongji.edu.cn

李忠奎

北京大学先进制造与机器人学院教授. 2010年获得北京大学博士学位. 主要研究方向为无人集群协同控制与决策. E-mail: zhongkli@pku.edu.cn

杨莹

北京大学先进制造与机器人学院教授. 2003 年获得北京大学力学与工程科学专业博士学位. 主要研究方向为故障诊断与容错控制. E-mail: yy@mech.pku.edu.cn

王金枝

北京大学先进制造与机器人学院教授. 1998 年获得北京大学一般力学专业博士学位. 主要研究方向为多智能体系统分布式协调控制. E-mail: jinzhiw@pku.edu.cn