从国防军工到人工智能，北理智造

　　经过60多年的建设，北京理工大学自动化学院不断完善人才培养体系，优化师资队伍，建设一流教学科研平台，在理论研究与工程实践相结合、学科交叉和军民融合等方面具有明显的特色与优势，为我国国民经济发展和国家安全发挥了重大作用。

　　从军工到智能，“搞控制的人大部分在中国”

　　自动化学院的前身是北京理工大学自动控制系，成立于1960年，是全国最早成立的自动控制专业院系之一。成立初期，这个专业主要服务于国防，以火炮和雷达等军工产品为研究对象，形成了指挥仪专业、随动系统专业和大系统专业，其中指挥仪专业是中国计算机科学研究的发源地之一。在庆祝建国60周年阅兵的30个地面武器方阵中，北理工自动化学院参与了9种装备的关键部件研制；在2015年庆祝抗战胜利70周年的“9.3”阅兵中，北理工自动化学院获得“装备保障先进单位”的荣誉称号。

　　除了国防军工的特色，近几十年，为了适应改革开放和市场经济的发展，自动控制系在研究方向和人才培养模式上经历了从军用到军民两用的转变，从产品到学科的转变，从工科研究到理工结合的转变。1999年，学院取得了控制科学与工程一级学科博士点授权，现有“控制理论与控制工程”“导航、制导与控制”“模式识别与智能系统”“智能信息处理与控制”“检测技术与自动化装置”“电气工程与控制”六个二级方向。又在人工智能与控制、云控制与决策、无人系统导航感知与决策等领域开展前沿研究。近年来，学生参加国内外各种学科竞赛的比例超过60%，年均获省部级以上奖项近60项。2017年9月21日，教育部公布了“双一流”学科建设名单，自动化学院控制科学与工程学科入选。

　　北理工这些听起来高大上的专业具体是做什么？对国防又有多大的贡献？他们的人工智能是怎样的智能？都是撩动人们好奇心的话题。

　　关于自动化专业，“因为专业称为自动化更通俗、涵盖范围更广，容易被大众理解接受，而控制科学与工程是更学术的说法。”自动化学院院长夏元清介绍到。他还补充说，国外的大学更倾向于认为这门学科是其他学科中的一部分，控制是一种方法，一种技术，它可以用于各种需要控制环节的对象。比如计算机中有需要控制的，电子、机械同样也需要，“控制”是这类系统的重要组成部分，所以在国外做控制研究的往往分散在这类学科中。国际上设立自动化系的学校很少，其中实力较强的是设立自动控制系的苏黎世联邦理工大学和英国的曼彻斯特大学。在国内，控制科学与工程是一门研究控制理论、方法、技术及其工程应用的学科。

　　对于这一学科的发展现状和前景，夏院长表示乐观，“现在世界上最好的控制中心应该在中国，因为中国是制造大国。据国家相关机构研究得出的结论是：‘美国综合实力遥遥领先，属于第一方阵；德国、日本紧随其后，属于第二方阵；中国、韩国、法国、英国处于第三方阵，中国在第三方阵中遥遥领先。’中国作为制造业大国，对于这一行业的人才需求还是最多的。各种机械设计、加工、智能制造都需要控制，所以搞控制的大部分人在中国。”

　　据夏院长介绍，中国作为传统制造业大国，在制造上的优势不容小觑，这也给这门学科带来了很好的社会环境基础，但是从创新角度来说，国内控制学科相比德国等工业强国还是有不小差距。前段时间有报告提到最受欢迎的工业4.0等智能制造，在技术的应用上德国的自动化程度还是有很大的优势，因为他们有强大的传统工业基础，他们的理论和技术应用在产业生产上更紧密化。确实，对于还在发展中的中国来说，虽然高校研究里创意多，但是理论上可实现的东西因为生产设施、工艺水平等限制，装置实际上难以产出；同时也存在生产条件具备，但关键理论和技术还没有突破，因此学科发展与现实情况的不平衡也是必须要直面的现实。

　　夏院长还向记者提到，德国的高校跟中国的不太一样，它更重视实际和理论的紧密结合，中国目前虽然是制造大国，但不是制造强国，所以新的理念还要落后于德国，现在国家提出中国制造2025、人工智能战略，并且提出了很多新的功用，比如工业互联网的智能架构，北理工的自动化学院就是在向新时代的人工智能与机器人的进程看齐。

　　北理工自动化学院多年来高度重视学科建设，走智能化道路。夏院长提出了自己的想法：“一流的学科要和世界一流学科对标，人才培养和科学研究要得到国际高水平同行专家的认可。所以国内大学的双一流需要有世界水准，需要有国际视野，走在世界前沿。”

　　一流高精尖平台，一流高精尖人才

　　对于北理工自动化学院双一流学科的建设，夏院长提到学院主要从三个方面着手落实。第一是人才，要培养一流的人才。第二是一流的平台，比如说学院重点建设的国家重点实验室、省部级重点实验室、教育部工程中心、省部级实验教学示范中心，还有北京市高精尖中心等平台（北京市于2015年支持成立13所北京高等学校高精尖创新中心，主要研究范围为：工程科学与新兴技术、未来芯片技术、未来网络、大数据科学与脑机智能、智能机器人与系统、软物质科学与工程等领域），以及建设其他省部级的重点实验室、教育部的工程中心等来支持学生培养、学科发展。第三就是一流的管理制度，一流的管理服务机制才能为一流学科建设提供更好的服务保障，让学生爱学，老师爱教，老师爱做研究，在研究过程中育人。“人才来了而不能落地，就不能发挥作用，需要三个要求配套，软硬件都要有，才能真正建成双一流学科。”夏院长这样总结。

　　一流的师资，一流的平台，一流的管理制度，那么自然会吸引一流的学生。学校排名、师资力量是学生择校的主要参考标准，但是学生、家长中的口碑更有说服力。“学校培养的人才经过社会的验证，如果毕业的学生社会认可度高，那么就会吸引更多的一流学生。”夏院长对于学校的排名提出了自己独到的观点。对于高校一流学科和一流人才的建设来说，打铁还需自身硬，再多的名气包装都是空谈。

　　控制科学与工程这门学科很重视学生的培养。夏院长提出要把最新的研究成果和本科教学相结合。“培养一流学生，要把教学和科研做好，科研如果做得好，但科研的成果没有用到课堂上来，没有抓到学生，学生觉得和其他学校差不多，那么学生反馈到社会上的影响也不太高。”怎么把一流的成果带到课堂上来呢？自动化学院鼓励老师们一方面要瞄准国家重大需求和世界科技前沿开展研究，一方面要高度重视科教融合，科研反哺教学，将最新的科研成果写进教材，融入课堂。“现在的社会发展程度已经跟以前不一样，以前没有网络，老师讲什么学生信什么。现在学生可以百度、Google，一查什么都有，老师不在最前沿，学生就不感兴趣，那老师的作用就没有了。网上慕课什么都有，就不一定要听老师的课了。这种情况就要求老师要不断地处在研究前沿才行。”夏院长从信息化时代给高校老师带来的挑战角度提出了犀利的看法，教学创新是一流学科建设的重要举措。他提到老师不仅需要开展前沿研究项目，还要重视教学创新。大学教育以人才培养为中心，杰出人才不能光搞科研不跟学生接触，要进课堂，言传身教，为学生上课，把最新最好的成果带给学生，把重要的问题告诉学生，让学生学会去思考，切实提高人才培养质量。

　　在课堂上，老师怎样比学生手里的手机还吸引眼球呢？夏院长形象地拿赵本山的小品举例子：“像原来赵本山的小品一样，为了十分钟的小品，练习三个月，老师实际上每堂课都是一次艺术表演，怎么把学生的注意力吸引到老师的讲演上，需要老师从知识储备和表达能力两方面去提高。”同时，课上和课后的结合才能让理论在实践中融会贯通，夏院长颇为犀利地指出：“课堂外组织各种各样的活动，就是把课堂内老师所讲的知识，融化到活动中，运用到应用中，提高对课堂知识的理解和创新。如果在课后没有实践创新，知识仅停留在书本上，没有进一步的利用，不会有深刻的领悟。所以我们课堂上和课堂外需要结合。”

　　夏院长认为培养的学生首先是符合国家、社会的需要。在这样的学生培养理念之下，自动化学院生源多、质量好，并且满足各行各业的需要。尤其是近年控制学科在人工智能、大数据、无人机、无人车等都体现了突出的科研优势。那么怎么保证考进来的学生是好的，毕业出去会更好，夏院长表示除了优秀的师资之外，创新驱动学生培养是核心。

　　在自动化学院，本科生就能加入老师科研团队参与前沿领域科学研究。核心研究主要以研究生和博士生为主，但是可以通过研究生、本科生互动的方式来实现学生的创新培养。夏院长说，本科生思路活跃开阔，很有激情，但是知识结构不够完善，难以深入，本科生和研究生组成团队的模式，专业性就更强，以老带新，相互协作，达成更好的项目研究结果。据资料显示，自动化学院在学生创新培养上做出了突出成果。近年，自动化学院的无人车团队拿到过挑战杯大奖，无人机也获得MBZIRC国际挑战赛冠军，而“电子设计”“无人车”“无人机”“智能车”“数学建模”和“日内瓦国际发明展”等国家或国际级奖项也不少见。

　　除此之外，学生学习的“精”度和“广”度也是这一学科在教学过程中的着力点。夏院长对于控制科学与工程专业的教学成效很是自豪，他提到，控制科学与工程的核心是控制，经过系统的训练，学生不只从一个元器件来看问题，而是系统地来看问题，分析问题，各个部件组成一个系统，从而产生新的功能。而且自动化需要学的东西多，涵盖数学、计算机，数电模电、机械、强电弱电多个领域，这样培养出来的人才得到社会的广泛认可。不仅如此，学院还针对性地设立了国际班，培养学生国际眼光，鼓励学生出国深造。2017年就有学生拿到了剑桥人工智能领域的研究生录取通知书。

　　因为北理工自动化强大的就业前景，所以外校学生想考研到这里深造并不容易。自动化学院一年有180个左右的硕士录取名额，其中保送生达到50%～70%。剩下录取名额越来越少，但是因为它地理位置好，学科排名靠前，发展机遇多，工作机会多，所以想考研到这里的人反而越来越多。夏院长建议准备考研的同学需要提早多做准备，夯实基础，也欢迎数学、计算机、机械等专业跨学科报考控制科学与工程学科的研究生。

　　人工智能与机器人，智能机器人的春天

　　北理工的控制科学学科立足于传统学科问题发展新的知识体系，比如火炮、指挥与控制、还有定位定向导航、远程火箭弹和惯性导航等，深度挖掘传统工业的新实力；同时在新的领域开展相关的项目研究，比如工业4.0、智能制造、人工智能、机器人等，取得了很多新的突破。

　　“所有的自动化，所有的科学，最终的目的之一就是提高人的生活质量，一切以人为中心。”夏院长这样告诉记者。所以自动化学院率先开始了金融服务机器人、医疗机器人的相关研究。金融机器人是学院里的IN2BOT智能机器人创新团队与民生银行合作研制的，是我国第一台具有银行金融业务办理功能的自主移动服务机器人，真正实现了金融业务的自助办理功能。他们将北理工研制军用装备的先进技术应用其中，通过RGBD数据信息（即图像信息与深度信息的融合）对环境进行实时地图构建与精确定位。目前金融机器人已经开始实际应用。

　　而医疗是人类提高生活质量最关注的话题。智能医疗手术机器人的应用可以从手术精准性、可靠性和降低医护人员工作负担和身体损害等方面极大提高医疗水平。正在研究这一领域的控制科学与工程专业的博士生翟弟华很看好智能机器人在医疗事业上的发展前景，他说：“一方面，受到医生躯体疲劳、精神压力、个人手术经验等因素影响，医生手术过程中的精准度和可靠性难以得到保证。智能手术机器人通过多模图像配准引入术中导航系统，可以实时地对机器人进行定位并进行路径规划，路径规划后再由医生进行路劲确认，无论是从精准度还是可靠性上来说都较传统手术有了极大的提升，同时也可以减少医生的工作负担。另一方面，对于一些外科手术，例如我们现在正在研究的脊柱微创手术，手术过程中医生、患者要接受大量的X线照射，平均一台脊柱手术就需要上百次X线照射，会大大提高医护人员致癌的风险。对于此类手术，通过引入网络化遥操作控制技术，将医生和患者通过网络隔开，就可以避免这种风险。”

　　翟弟华还提到了国外著名的医疗机器人——以麻省理工学院研发的机器人外科手术技术为基础的达芬奇机器人手术系统。这款机器人能通过微创的方法在普通外科、心胸外科、泌尿外科、妇产科等方面实施复杂的外科手术。由于我国还没有自主研发的相关成果，医院只能依赖进口，所以价格十分昂贵。同时翟弟华也提到了达芬奇手术机器人的应用局限性——达芬奇机器人在普通外科手术等方面应用很成熟，却不适用于如脊柱外科手术这样的场景，需要有专门的脊柱微创手术机器人。于是在现在国内自动化技术、医疗技术有了更好的基础的情况下，各大高校和医院也开始开展针对性的机器人研发。

　　夏院长提到中科院自动化所目前在做的心脑血管机器人，“自动化所做血管介入机器人，人的血管里面放支架，通过机器人放进去。还有脑部手术，人始终靠感觉，虽然技术高超的医生也能做得好，但是机器人能看得很清楚很容易做好，创口就切得很准，伤口小，容易愈合。此外，培养一个有经验的医生需要的时间成本太高。”不过目前大多数国内的研究都还在试验阶段，少数已经开始临床应用。比较有名的就是北京积水潭医院自主开发的骨科手术机器人。翟弟华说：“它完全是由医院主导的，由北航、中科院等多家科研单位联合参与研发，在手术精度方面做得非常好，在国际上都是领先的。”但是这款机器人还需要医生在手术室进行操作，无法完全避免医生面临的术中放射性辐射，翟弟华所在的团队想做的是遥操作型医疗机器人。

　　这样的研究并不顺利，研究存在几个很大的问题。一方面，如何确保控制精度。除了机器人本身的不确定性，遥操作系统网络的引入也给机器人控制带来影响，例如数据量化误差等。另一方面，如果监控不是十分到位的话，手术机器人可能会碰到障碍物，脊柱这边环境非常特殊，操作空间小，手术要求非常高，除了对手术机器人的控制精准度有要求外，对于其运行的平稳性要求也非常高。第三，是控制的实时性。网络的引入带来了通信时滞，会影响手术机器人动作响应的实时性，从而影响手术安全性。第四，随着人工智能的发展，需要基于医疗大数据，提高医疗水平。仍处于理论研究阶段的北理工医疗机器人团队成员翟弟华对于当前研究形势还是倍感压力。

　　“现在我们解决了一些问题。从理论上保证了精准操作的可能性，我们提出了遥操作机器人描述性能控制方法，对稳态性能和暂态性能实现了定量分析与控制。对机器人的平稳性操作，我们提出了半自主自适应控制方法，利用冗余的关节自由度施加半自主控制实现手术机器人避障、避免奇异性、关节位移避极限等自主控制。后续，还将结合实验平台做进一步的算法调试。”翟弟华说。

　　文/本刊记者 尹颖尧 陈晓丽