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种好河北大学“自动化”这亩田---访电子信息工程学院肖金壮导师

发布日期:2020年07月27日

 种好河北大学“自动化”这亩田

                     ---访电子信息工程学院肖金壮导师

 记者:齐小英 岳丽艳 王玺皓

 

导语: 

自动化专业可以称作是“万金油”专业,它可以与其他很多学科进行交叉融合,“自动化”为智能制造带来了灵魂,而Digital Twin则是智能制造系统的基础。东北大学柴天佑院士曾说:“目前国内工科专业中最有可能赶上欧美发达国家水平的就是自动化专业。”这句话对于从事自动化研究的学者、团队以及机构、组织等给予了很大的信心。

当前世界各国正在朝着工业4.0的方向加速奔跑,无论是农业、工业、商业、医疗和军事领域,还是电子制造业、航空航天、现代信息服务业等,都对自动化专业的需求日益增大,这也促使自动化技术不断的创新以及发展。如何理解“自动化”对社会发展的推动作用?人工智能时代,自动化专业面临的机遇和挑战有哪些?为什么“Digital  Twin”是智能制造系统的基础?围绕这些问题,我们采访了肖金壮老师。 

 

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肖金壮,1976年4月生,博士,副教授。2000年获得河北大学自动控制专业获学士学位,又分别于2003年和2009年获得燕山大学控制理论与控制工程专业获得硕士和博士学位。2012年3月至2013年8月赴马来西亚留学,成为马来西亚彭亨大学制造工程学院博士后、访问副教授,现在于河北大学电子信息工程学院自动化系工作,成为河北大学控制科学与工程专业硕士研究生指导教师。主要研究方向为智能机器人、康复机器人、系统故障诊断和计算机控制系统等。

迄今为止,肖老师在《Sensors and Materials》、《Technology and Health Care》、《Bio-Medical Materials and Engineering》以及《生物医学工程学杂志》、《中国机械工程》等国内外顶尖学术期刊发表SCI论文20余篇,授权发明专利2项。

河北大学自动化系多年以来一直坚持立足京津冀,面向全国,将自动化专业建设为特色鲜明的一流专业,并且于2009年被评为省级优势特色专业。

目前,自动化系设有自动化、电气工程及其自动化两个本科专业,控制科学与工程一级学科硕士学位点和控制工程专业硕士学位点,目前拥有计算机控制、过程控制、传感器及其应用、电机及电力拖动等8个专业实验室、“河北大学——罗克韦尔自动化”实习基地、智能机器人研究中心。

近年来,自动化系在《自动化学报》、《电力系统及其自动化》、《系统仿真学报》等国内外期刊发表论文400余篇,其中被SCI、EI、ISTP检索240余篇;承担国家及省部级科研课题数十项,科研经费达700余万元;获国家科技进步二等奖1项,河北省发明一等奖1项,河北省自然科学三等奖1项。

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学生与马来西亚的学者的学术交流

 

 

记者:我们了解到您主持了多项工学和医学交叉研究的学科,您认为自动化与各学科之间的交叉融合是怎样的?这种交叉性的项目会产生怎样的火花,有哪些挑战?

肖老师:自动化这个学科一直被称为“万金油”,在很多领域都能应用,比如说农业、工业、航空航天、军事等。平时我们不太关注的学科,比如说经济控制也属于自动化学科,某区域的经济研究也可以使用“控制”的思想进行数学建模、分析以及优化。

关于工学和医学的交叉,这个涉及到我刚刚提到的力平台问题。最初,我们做的是一个机器马,当时医院里康复科的一个主任在帮我们做机器马验收的时候说:“你们这个东西对测人体平衡可能有用处。”但是具体怎么测,就涉及到一个工科的思想,如何去量化人的平衡能力。举个例子,人跨过一个台阶都涉及到一个平衡过程,或快或慢,它都有一个平衡过程,这个在我们控制里面叫做欠阻尼系统。欠阻尼系统有它自己的量化指标,来反映这个系统响应速度的快慢。可以说,我们是第一个提出了这种思想的团队,即通过扰动去量化它的平衡功能。

当然,交叉研究中也有难处,因为涉及到其他学科,你必须去了解它。然而自己本身不是那个专业,没有一定的基础,所以就需要增加和其他学科的沟通、交流。而且现如今,学术研究非常强调跨学科的团队。

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“机器马”装置

记者:您目前也在研究智能机器人,那么智能机器人的研发过程中涉及哪些自动化关键技术呢?还有在当前人工智能时代下,自动化面临的机遇和挑战是什么呢?

肖老师:对于一个机器人,我们肯定先有一个目标,就是期望它怎么动。人给它设定一个目标,无论是借助电机还是液化,都是通过一个驱动装置去完成这个目标;是否达到目标,就需要一个检测装置进行反馈,与期望值进行比较得到一个误差。控制器或者调节器的任务就是计算误差,产生一个控制指令,指令产生的目的就是实现期望,而控制的核心思想就是反馈。那么在人工智能(AI)的背景下,自动化面临的挑战就是必须跟上AI的发展,把AI的技术运用到自动化发展上。我国现在已经出现了人工智能制造学院,它的前身就是自动化专业。

 

记者:您在《测力平台系统输出压力中心参数的校正》一文中,对测力平台系统输出压力中心参数进行了校正,请问校正之后的影响主要体现在哪些方面呢?

肖老师:这个力平台是用来测试人的平衡能力的指标。它主要针对的是老年人,因为人一旦上了年纪平衡能力就会衰退,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养,而人躺的时间太长血液不流动就很影响健康。人站到这个力平台上面去,就会出现一些指标,它属于检测自动化的一个分支。我们为什么要对它校正呢?因为这个东西下面有几个传感器,我们希望这个平台不同时间和不同区域测出来的数据具有一致性,所以我们要校正。后续我们还做了自动校正的研究,只要系统开启,计算机就能自动调节好。

 

记者:您能跟我们详细说一下这个Digital Twin吗?

肖老师:他实际上就是一个经过大数据训练好的数学模型,哪个领域都可以有一个Digital Twin。比如说医生,我们可以用AI深度学习思想把大量的病例数字化,给它足够化的处方样本,它自己就能够提供一个处方。这个在美国已经实现了,据说它比很多中级医师出的处方都科学。因为它训练的处方量远远多于一位医生职业生涯所开的处方量。深度学习发展至今,已经不是简单地通过训练历史数据来辅助决策,目前以及未来更多研究的机器的自我学习能力(根据以往经验实时学习)。比如,AlphaGo对战李世石时,它就能进行自我学习。工科是应用一些理论原理去解决一些实际问题,它更偏向实际应用。所以,你对自己想要研究的问题必须很清楚。总结来说很重要两点就是:第一你要知道这个问题的实际背景是什么,第二点就是我们要用理论和模型去抽象化。也包括AI,你要想办法用数学的模型去抽象它。最近两年随着深度学习算法,出现了Digital Twin(数字孪生体),这个是具有革命性的。

记者:我们了解到您本科就读于河大,现在执教于河大。那么学成归来服务于河大是因为您坚定要回来还是机缘巧合回来了?

肖老师:应该是顺其自然的一件事。硕士答辩之后,我正在准备考博。当时河大刚好想要成立一个机器人实验室,所以我就回来了。当时咱们学校的自动控制(自动化的前身)是第一年招生,师资还不是很完备,于是我刚毕业就负责教专业课,所以当时我压力非常大。之后,又在其他老师的推荐下,参与了燕山大学的一个实验室项目,在这种背景下攻读了博士。所以,总体来说,我的职业规划没有经历毕业找工作这一过程,也算是比较幸运。

 

记者:您对控制科学与工程专业的研究生的选题有什么建议吗?

肖老师:我觉得,迷茫、困惑这都是正常的,这是一个必经之路,没有挫折怎么欣赏到“柳暗花明”呢?自动化是“万金油”类的,与其它很多学科都可以合作研究。所以这就要求学生首先要明白自己要解决的问题背景是什么,是机械问题?还是自动检测问题?了解越清楚、研究越深入,自己的研究方向越明确。如果研究对象都不清楚,那么研究问题肯定不清楚,这是很重要的一点。其次,对于我们自动控制,理论也很重要。我发现研究生在研究时也存在这样一个问题:在研究过程中发现一个问题,在解决它的过程中,有一种“凑”的感觉,并没有把研究上升到一个理论的高度。因此,在研究中必须学会恰当用理论和数学模型将问题抽象化描述,然后去解决实际问题,最后再上升到理论层面。这样的研究成果既有理论意义,也有实际意义。

 

记者:今年是新中国成立七十周年,那您认为自动化专业的初心和使命是什么?

肖老师:我们河大的自动化专业又是26个成员国都认可的,就是我们所说的国际第一方阵,所以前景还是很好的。特别是近几年,很多劳动力密集型企业都垮了,因为它的自动化程度太低。特别是保定周围企业对于自动化的需求,自动化设备的引进,对这些劳动密集型企业的成本降低以及转型是很有意义的。“自动化是智能制造的灵魂,”我们中国正在朝着工业4.0方向加速前进,对自动化方面的人才需求量非常大。因此,我们自动化专业应该抓住这个新时代带来的机遇,迈向智能制造之路。

 

结语: 

肖老师在学术上,用心钻研,种好河大“自动化”这亩田;教学上,传道授业解惑,用心浇灌河大“学子田”;生活里,平易近人,守好“责任田”。他相信:在各专业领域交互融合的今天,每个学生都可以通过努力实现自我价值;他更相信在大家共同努力下,我们国家的智能制造定会在世界上稳占前沿。

肖老师在教学时经常给学生讲下面这个故事。

一个爬山者在夜里爬山,路上什么也看不见。

有个人跟他说:“你弯下腰捡一些石头,多捡点,可能会有用。”这就像老师上课说:“你上课多学点,可能会有用。”

爬山者:“一个石头,我捡它干嘛。”

走了一段时间...

那个人继续说:“你捡几块,以后会用到。”

爬山者:“我上山这么沉,我还怎么走路啊。”

又走了一段时间...

那个人说:“你赶紧捡几块吧,再不捡就没了。”

爬山者:“老让我捡,我就捡一块吧。”

结果第二天天亮,爬山者发现这些石头都是钻石。

肖老师感慨地说:“学生就像这个爬山者,他们没有经历过或者没有认识到这个课程的重要性,但是老师的高度高一些,他能够看到这些,所以总在提醒学生。”今年,肖老师在制定自动化专业的培养方案时,建立了一个自动化专业各门课程之间的时间序列关系图。他说,此做法主要是为了让学生们了解本专业学科之间的关系,即如果学生对于某个专业课的学习不够深入,则会影响之后其他课程的学习。


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