高金吉

（北京化工大學機電工程學院，北京 100029）

機器是雙刃劍，可以為人類帶來福祉，也可能導致災難。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來越大，設備故障導致的非計劃停產(chǎn)和事故損失巨大。從1781年瓦特發(fā)明蒸汽機至今僅有200多年的歷史，人與故障作斗爭主要是靠“治愈”，即機器出了故障要停機由人來檢修。20世紀60年代起，設備監(jiān)測診斷技術(shù)向數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展，實現(xiàn)了緊急停車保護和預測維修，但出了故障必須依賴人這點始終沒有改變。

工程實踐表明，除少數(shù)突發(fā)故障外，大多數(shù)故障的發(fā)生均有一個漸進過程，由于從裝備的設計制造到運行操作都沒有重視故障發(fā)生的漸進過程，錯過了調(diào)控和抑制故障的大好時機，導致設備故障乃至發(fā)生事故。任何機器都是設計在一定范圍內(nèi)可以有序穩(wěn)定運行，而實際工況可能由于其內(nèi)部的變化和外部干擾偏離原設計條件，出現(xiàn)故障或非正常工況。筆者總結(jié)多年工程實踐，感悟到有必要深入研究機電裝備復雜系統(tǒng)動力學行為，通過自診斷預測和主動控制在運行中抑制和消除故障。2003年，筆者在國際學術(shù)會議上首次提出故障自愈原理，受到學術(shù)界的關(guān)注。

中國自愈醫(yī)學理論創(chuàng)始人張弦研究發(fā)現(xiàn)，人和動物都存在一個與生俱來、自發(fā)作用的自愈系統(tǒng)，使其得以維持健康狀態(tài)，自愈力使其免于在來自外界的侵害中喪失生命力。中醫(yī)學認為自主調(diào)理是治療學的第一原理，可借鑒這一原理研究機器故障如何從完全依賴人工“治愈”到可以在運行中“自愈”，提出人工自愈（artificial self-recovery，AS）新概念。

依據(jù)仿生學原理，德國學者Rolf Isermann提出了“五塊論”，即現(xiàn)代機電系統(tǒng)是由控制、動力、傳感及檢測、操作和結(jié)構(gòu)等5大功能模塊組成，將其類比于人的大腦、內(nèi)臟、五官、四肢和軀體，得到世界仿生學界的認可，但這忽略了對人和動物維持自身健康的自愈功能的仿生。人工自愈研究把自愈機制這個人和動物特有的概念賦予機器，機器產(chǎn)生自愈力可抑制可能產(chǎn)生的損壞力，使其不產(chǎn)生或在運行中自行消除故障，自愈力包含代償力、清潔力、修復力、自適應調(diào)節(jié)力、應激力、自保護力和協(xié)同力等。

人工自愈和人工智能一樣都是仿生機械學研究的領(lǐng)域。其共同之處是“人工”，即都是由人賦予機器功能。不同之處在于人工智能是對人腦思維控制行為過程的模擬，而人工自愈是對無意識思維（不經(jīng)過大腦的）自愈機制的模擬。人工智能會使機器更聰明，人工自愈可讓機器更健康。

維納的控制論為生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的連接架起了橋梁。但在1948年維納發(fā)表控制論時，由于歷史背景的局限，他是從研究火炮自動打飛機的實踐中研究“目的性行為”。顯然控制論中的目的性行為是不包含生命體內(nèi)由自愈力驅(qū)動的自愈過程的。

工程控制論突破了動物和機器、控制工程和通訊工程的界線，將動物的目的性行為賦予機器共有的特征，概括綜合形成新理論。本文提出將動物另一個共有的特征——自愈機制賦予機器，概括綜合形成機器可以產(chǎn)生自愈力來遏制破壞力的理論——工程自愈論。工程自愈論是人工自愈的理論基礎，可以指導設計制造，使機器實現(xiàn)自愈化。

自動化的研究對象是機器的目的性功能和優(yōu)化運行，控制系統(tǒng)像人的大腦一樣，模擬有目的思維，控制機器保持其優(yōu)化功能。自愈化旨在讓機器系統(tǒng)像人一樣具有自愈功能，自愈系統(tǒng)模擬無意識思維，抑制機器的異常行為，確保其自身的健康狀況和長周期安全運行，自愈化是研究機器或裝置及其監(jiān)控系統(tǒng)在無人干預的情況下按設計的自愈機制自行抑制或消除故障的過程。

近20年來，北京化工大學診斷與自愈工程中心在快準溯源診斷、精穩(wěn)自愈調(diào)控及應用研究取得了一些成果：透平壓縮機軸位移故障自愈調(diào)控、基于電磁力的轉(zhuǎn)子多頻振動靶向抑制、動靜壓混合氣膜端面密封的自愈調(diào)控以及電磁自動平衡與氣壓液式自動等技術(shù)。

中國科學院先進制造領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組指出，至2050年，裝備的智能化水平將得到本質(zhì)的提高。體現(xiàn)在根據(jù)環(huán)境和任務的變化，裝備不僅具有參數(shù)調(diào)節(jié)的適應能力，同時也具有結(jié)構(gòu)適應能力。結(jié)合材料、信息技術(shù)的進步，裝備的自我進化和升級的能力，將會促進裝備的智能化水平由可控化、自動化真正實現(xiàn)自維護、自適應和自進化的高級智能階段。

中國工程院咨詢項目“裝備故障自愈工程及其在中國推廣應用的建議”指出，故障自愈原理及其在裝備復雜系統(tǒng)的工程應用，可以有效地預防和消除故障，減少裝備對人的依賴程度，實現(xiàn)自愈化。

人工自愈是研發(fā)自主健康裝備的理論基礎，可創(chuàng)造出具有自愈功能的新概念機電裝備系統(tǒng)，大幅度減少對人的依賴程度，具有廣闊的應用前景。人工自愈能讓未來的裝備乃至制造系統(tǒng)自主健康，進入自愈時代。