第2章 自动化

自动化是当代高科技的集中体现与应用。智能机器人是当代高科技的结晶。

宋健，1998 中国科学技术前沿，1999

如果说19世纪实现了社会体力劳动机械化，延伸了人的体力，那么20世纪的主要特征是实现了劳动生产自动化，极大地提高了社会劳动生产率，彻底改变了人类的生产和生活方式。我们可以感到骄傲的是，控制论科学家和工程师们为此做出了重要贡献。预计21世纪，自动化技术仍将是高技术前沿，它的继续发展是推进新技术革命的核心力量。

宋健，国际自动控制联合会大会报告，1999

扩展阅读2.0.1：智能控制——超越世纪的目标

第2章 自动化

本章可称为“初识自动化”，回答什么是自动化？自动化能干什么？自动化的作用、重要性与应用概貌。实际上同时回答了自动化专业学生毕业后去干什么和能干什么。

本章从多个自动化应用实例出发，从一个中学毕业生能理解的角度，以科普的形式，简要论述自动化的定义、包含的内容与应用领域，介绍自动化在工业化、信息化与现代化建设中的重要性与突出地位，并简要介绍自动化的发展历史，以使读者对自动化能有一个初步但比较完整、深刻的印象。

\$2.1 初识自动化

在日常生活中，较少听到“自动化”这个名词，更多听到的是，这个设备（器具）是自动的、自动控制的、或全自动的。日常生活中常见的“自动化”设备有（如图2.1.1所示）：

（1）家庭——全自动照相机、洗衣机、电饭煲；

（2）银行——自动取款机 ATM;

（3）交通——自动控制的红绿灯、火车上的自动烧开水机；

（4）楼宇——自动门、自动自来水开关；

以上是从我们日常生活的感受、体验中获得的对“自动化”设备、“自动化”的初步认识、感性认识。

PPT2: 第2章自动化

视频公开课1：什么是自动化——自动化能干什么

下面我们选择3个有代表性又比较容易理解的自动化设备(自动化应用)，来进一步感受、体验“自动化”。

一、 微波炉

微波炉已是家家必备的厨房自动化设备(如图2.1.2所示)，也是大学生们最熟悉、(在家时)使用最多、最得心应手的家用自动化设备之一，通过时间设定和火力设定(大火、中火或小火)，(按照使用者的需求)“自动”地加热食品。

图 2.1.3 给出了微波炉加热食品的工作原理图，顺序地分成以下几部分（图中箭头表明了其前后顺序关系）：

（1）时间火力给定：使用者通过时间拨盘和火力拨盘来设定加热的火力大小与时间长短，这实际上是设定（被加热）食品的“希望温度”，如希望食品稍有点热、热一些或很热。对于图2.1.2所示的微波炉，食品“希望温度”的设定主要依靠使用者的经验。

（2）火力控制：微波炉根据时间火力给定（拨盘位置），通过控制电路，控制微波发生器；

（3）微波发生器：微波发生器（磁控管）受控制电路控制，向加热箱发出相应的微波；

（4）加热箱：加热箱中的食品被微波加热，食品温度升高。食品能达到的“实际温度”往往与食品的“希望温度”有差距，或加热不足，或过热（请同学们思考，为什么？如何改进？见本章思考题2.1）。

（通过时间火力给定）设定“希望温度”，就能“自动”地完成食品加热；而食品能达到的“实际温度”往往与“希望温度” $ \underline{\text{有差距}} $，是微波炉的工作特点，是由这类自动化设备的工作原理决定的。具有相同工作原理的该类自动化设备有很多，如（普通） $ \underline{\text{家用}} $洗衣机、马路上的交通灯控制，还有我国古人的伟大发明——指南车。

二、 指南车

公元235年中国马钓研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车，如图2.1.4所示。按传动结构不同，指南车可分为两类：定轴式和差动式。图2.1.4给出了定轴式指南车的结构示意图。其工作原理可简述为：

（1）车直走，车辕的后方6处于中间位置，则左右两个小平轮3和4都悬空，车轮小齿轮（1和2）和车中大平轮5不发生啮合传动，因此木人不转，当然也不会改变指向。

（2）车左拐，则车辕的前端也必向左，而其后端则必偏右。车辕的这种变化，会使系在车辕上的吊悬两小平轮的绳子发生相应的松紧，从而把左边的小平轮3向上拉（仍使它悬空）；而右边的小平轮4则借铁坠子及其本身的重量往下落，从而造成了车轮小齿轮和大平轮的啮合传动。若车子向左转 $ 90^{\circ} $，则在转弯时，左轮A不动，右轮B要转半周。与右轮相连的小齿轮2也就转半周（如转过12个齿），经过小平轮4传动到大平轮5，则大平轮5将

扩展阅读2.1.1：中国古代指南车的原理和构造

以相反的方向转动12个齿，即1/4周（也即 $ 90^{\circ} $），这样木仙人在和车一起左转 $ 90^{\circ} $的同时，又由于齿轮的啮合传动右转了 $ 90^{\circ} $，其结果等于没有转动，所以它的指向仍然不变。

（3）车右拐，运动情况与左拐类似。

从自动化的角度，类似图2.1.3，可画出指南车的工作原理图，如图2.1.5所示。从图可看出，影响木仙人（所指方向）有两个因素：车身（位置）与（车上的）齿轮系。 $ ^{①} $车直走，车身前行并不改变木仙人所指方向，此时（车上的）齿轮系不工作，也不影响木仙人；②车拐弯，车身改变位置将改变木仙人所指方向，同时（车上的）齿轮系按相反的方向改变木仙人所指方向，使木仙人所指方向保持不变。

图2.1.4所示的定轴式指南车有一缺点，即要使木仙人所指方向保持不变，车必须或直行、或纯拐弯（一轮转动、另一轮原地不动），即其运行轨迹必须如图2.1.6（a）所示（请同学们思考，为什么？见本章思考题2.2）。

现代博物馆所见到的指南车大都使用了差动齿轮装置，称为差动式指南车，可转任意的弯（转弯时，两轮可同时转动，如图2.1.6（b）所示）。其原理是：当车辆直线行驶时，左右两车轮转动角速度相等，差动机构没有输出。车辆转弯时，两侧车轮角速度不相等，这时差动机构输出相应的差值，驱动木仙人按相反的方向改变木仙人所指方向。从自动化的角度，差动式指南车的工作原理与定轴式指南车完全相同，如图2.1.5所示。

三、 液位自动控制

液位高度自动控制是工业（各种液体）与民用业（自来水）中常见的自动化设备。图2.1.7给出了水箱水位自动控制设备示意图，其工作原理为：设“希望液位”高度为H，通过水中的“浮子”测量“实际液位”高度，控制器比较这两个值，当“实际液位”低于“希望液位”，则控制“电动阀门”的开度加大进水量；反之，当“实际液位”高于“希望液位”，则控制“电动阀门”的开度减

少进水量；直至水箱水位稳定在“希望液位”H值。当改变节流阀的开度（如用户用水增加或减少），输出液流发生变化，此时水箱水位再次偏离H值，液位自动控制再次进行，直至水箱水位再次稳定在“希望液位”H值。

图 2.1.8 给出了水箱水位自动控制工作原理图。与图 2.1.3 所示的微波炉的工作原理不同的是，除了从“希望液位”经“控制器”、“电动阀门”来控制“水箱”中的“实际液位”这一“前向”通道外，还有经“浮子”测量“实际液位”再送至“控制器”进行高度比较的“反馈”通道。具有此类工作原理的自动化设备就更多了，如家用空调、电饭煲、Watt（瓦特）发明的蒸汽机速度自动控制（如图 2.1.9 所示）。

“ $ \underline{\text{自动化}} $”设备不仅应用于我们的日常生活，而且更多地应用于社会财富的创造业——产业，包括农业(第一产业)、工业(第二产业)和服务业(第三产业)，分别称之为农业自动化、工业自动化和服务自动化。与此同时，武器装备自动化(自动火炮、导弹、无人飞机、战车等)也是自动化的重要应用领域。

我们知道国民经济分为三个产业，第一产业，也就是农业；第二产业，也就是包括制造业在内的工业；第三产业是服务业，例如金融、交通、医疗等，包罗万象 $ ^{①} $。

自动化在这三大产业中广泛发挥着重要的作用。其中，工业自动化是最早发展起来的，而农业自动化与服务自动化起步较晚，但是却发展迅速，尤其是服务自动化大有后来居上之势。

表2.1.1 介绍这三个国民经济产业中的自动化及其产品，下面将具体介绍。

先来看看工业自动化。工业自动化起步最早，应用最广泛，对人类影响最大；工业自动化产品琳琅满目，应有尽有，如图2.1.10所示。实际上，你接触和没有接触、甚至没有见过、听过的绝大多数物品，都是从工业自动化生产线上制造出来的。到目前为止，工业自动化（从自动化机器、自动化生产线到无人车间、无人工厂）对人类社会做出的贡献最大，在国民经济、国家综合实力中起着举足轻重的作用。

参考视频2.1.1：汽车生产线——特斯拉

参考视频2.1.2：汽车生产线——BMW

不同的工业产品，自动化生产线也有很大差异。自动化生产线大致划分为两类：一类是离散制造业，例如典型的汽车自动化生产线、工程机械自动化生产线以及计算机、手机主板自动化生产线等；而另一类是过程（流程）制造业，例如典型的钢材自动化生产线、化工自动化生产线以及食品、药品自动化生产线等。

图 2.1.11 给出的是汽车自动化生产线，在汽车及其零部件生产的多个工艺环节中，都广泛采用了先进的工业机器人来帮助汽车品质的提升，同时极大地提高了生产效率。

图 2.1.12 给出的是工程机械自动化生产线(年产 5 万台挖掘机)，使用了 200 多台工业机器人，从事着切割、焊接、喷涂、搬运等工作，既保证了产品质量，又提高了生产效率。

参考视频2.1.3：工程机械焊接生产线——昆山华恒

图2.1.13给出的是轧钢自动化生产线，钢锭经过多道生产工序，各产出各种轧钢产品（图中给出的是成卷的薄钢板），整个轧钢生产过程高度的自动化和连续化，确保了轧钢产品质量。

在初步了解了工业自动化之后，来看看农业自动化的情况。农业自动化，是农业现代化的重要标志之一。农业自动化的起步较晚，但是发展迅速。目前从禽畜饲养，到作物的耕种、栽培、收割、排灌、管理等方面，都有农业自动化的应用，可谓是应有尽有。

在禽畜饲养方面，例如自动化养鸡场的自动喂食、喂水线（图2.1.14），自动化养牛场的挤奶、加工（图2.1.15）等，实现了生态效益与经济效益的统一。

从农作物的种到收环节，还出现了各种类型的采摘机器人。它们能自动识别成熟果实，并以灵活的姿态采摘果实。例如西红柿采摘机器人（图2.1.16），松果采摘机器人（图2.1.17）等。它们不会疲劳，采摘效率很高，具有良好的应用前景。

参考视频2.1.4：钢铁企业自动化——SIMENS

参考视频2.1.5：石化自动化——SIMENS

参考视频2.1.6：啤酒生产自动化——SIMENS

参考视频2.1.7：分拣食品机器人——ABB

参考视频2.1.8：分拣包装机器人——施耐德

参考视频2.1.9：番茄采摘机器人示范

参考视频2.1.10：草莓采摘机器人示范

在介绍了工业自动化和农业自动化之后，再来看一看蕴含巨大潜力的服务业自动化。服务业包罗万象，从衣、食、住、行到商业、金融等。服务自动化源于：①提高服务效率、服务质量——希望生活更美好；②降低服务成本——人口老龄化、劳动力成本上升。

服务自动化起步晚，但发展潜力巨大，覆盖面广。可以说，只有你想不到，没有做不到！

先从我们身边的服务自动化——家庭服务自动化谈起。

家庭服务自动化，主要是采用各种机器人完成日常家庭服务劳动：

（1）各种清洁机器人完成不同的家庭清洁服务，如小巧的家用擦玻璃机器人、吸尘机器人（它们可以替代人类的手和脚，从事繁重、艰苦的清洁劳动，并提高了劳动效率，参见图2.1.18）；

（2）割草机器人（参见图2.1.18）完成庭院割草服务，它能够替代人工修剪草坪，并且具有自动避障、避雨、自动充电、检测安全区域等功能；

（3）还有其他的家庭服务机器人也逐渐进入我们的生活。如能炒中国菜肴的炒菜机器人（参见图2.1.19），机器人“导盲犬”（自动检测环境、判断路线，绕开障碍物，参见图2.1.20），以及陪护、照顾老年人与残疾人的各种护理机器人。

服务自动化的另一大领域是交通服务，如智能交通灯、智能交通系统、高速公路电子不停车收费系统ETC，都能有效地提高交通车辆的通行率，提高交通通行效率。

参考视频2.1.11：机器人做面条

参考视频2.1.12：无人驾驶车——谷歌

自动驾驶汽车(参见图2.1.21)可算交通服务自动化的一大亮点。自动驾驶汽车即无人驾驶汽车(Self-driving car)，它配备了各种车载传感器，用于感知道路、环境障碍物、行人和其他车辆，然后控制传统的汽车动力系统、传动系统和电子系统，实现真正的无人驾驶。

汽车自动加油站是另一种交通服务自动化。汽车加油机器人（参见图2.1.22）能够根据每个车辆的形状特点，自动识别定位油箱盖，打开并插入加油软管，实现无人操作的自动加油。

以上介绍了应用于社会财富的

制造业——三大产业中的自动化。与此同时，与国家安全密切相关的自动化——武器装备自动化（自动火炮、导弹、无人飞机、战车等）和与国家发展密切相关的自动化——航天自动化，也是自动化的重要应用领域。

实际上，除了工业之外，最早应

用自动化控制的领域就是军事——武器装备。军事自动化，其应用深度、水平甚至超出工业自动化。

下面结合几个具体的例子来介绍军事自动化。

首先看常规武器——大炮。全自动火炮（参见图2.1.23）和自行火炮（参见图2.1.24）是自动化在军事中的典型应用。全自动火炮通常能自动完成弹药装填和射击循环，既缩短了火炮射击准备时间，又大大提高了射击精

度。而自行火炮则是装上轮子或履带的火炮，它一般自己看不到攻击目标，通过卫星定位等多种手段来准确地感知自身和目标的位置，接收到目标通报后迅速射击。

再看精确制导武器——导弹（参见图2.1.25和图2.1.26），是军事自动化的核心内容之一。导弹在发射后能够自动搜寻、跟踪、识别、选择目标，高精度命中摧毁目标，是一种高度自动化的攻击方式。

军事自动化的一大亮点是原来需要人操作的武器装备的无人化，一个成功应用就是无人驾驶飞机，例如中国的利剑隐身无人机和翼龙无人机（参见图2.1.27）。无人机可以按预定的程序飞行，或者遥控飞行。其中遥控飞行要依靠强大的立体指挥系统，也就是通过雷达等设备对无人机进行跟踪、定位，发出指令来遥控无人机，从而完成作战任务。

新出现的无人武器系统（参见图2.1.28）和反恐机器人（参见图2.1.29），也具有高度自动化。无人武器系统配备了履带式底盘、传感器以及多种自动武器组合，最多每分钟能发射1000发子弹。反恐排爆机器人可以爬楼梯，并用摄像头搜寻识别可疑爆炸物，用其机械臂进行排爆处理。

航天领域也离不开自动化技术。实际上，自动化领域诞生的许多新理论、技术和方法，都来自于航天领域的实际需求。

参考视频2.1.13：反恐机器人

例如我国嫦娥一号卫星发射升空后，需经过多次变轨和修正，才能将卫星送入绕月轨道（参见图2.1.30）。轨道调整或保持，需要精确控制卫星姿态、施加的外力，并确保其稳定。这些都需要运用先进的控制理论与技术。

又例如我国神舟十号与天宫一号在太空中对接，首先是在地面测控的支持下，对神舟十号飞船进行远程导引，靠近天宫一号轨道舱；在足够接近后，两者再自动地交会对接（参见图2.1.31），并实现停靠与合体飞行。在它们自动交会对接的瞬间（参见图2.1.32），神舟十号飞船利用摄像机等传感器，测量与天宫一号的相对距离、速度和姿态，并逐渐与其逼近，然后启动对接机构及各种力传感器，经过接触、捕获、缓冲、拉近和锁紧这几个步骤，实现两个飞行器的对接。

§2.2 自动化的定义与作用

在了解了各行各业中的自动化之后，我们来分析自动化的定义与作用。先来看自动化设备、系统的特点：

（1）各种自动化设备、系统，都是我们人类创造的设备、系统，也就是所谓人工系统、人造系统；

（2）它们在工作时，不需要或者很少需要人的参与，却能按照人的要求“自动”完成任务。

但如何定义自动化，至今未有公认的定义。

在大多数汉语字典中，并没有“自动化”这一条款及其解释。按中文“自动化”对应的英译名词“Automation 或 Automatization”，其含义或解释有三：

（1）指设备、过程或系统的自动运行或自动控制（The automatic operation or control of equipment, a process, or a system）；

(2) 用于实现自动运行或自动控制的技术或设备(The techniques and equipment used to achieve automatic operation or control);

（3）被自动控制或自动操作的状态(The condition of being automatically controlled or operated)。

简言之，“Automation”包含了①设备、过程或系统的自动化；②自动化技术或设备；③自动化状态。 $ \underline{\text{由此可看出，自动化的含义是基本明确的，其内容是十分丰富的}} $。

在以上对自动化的解释中，虽然没有明确指出，但包含了两层基本意思：①“自动”运行或控制，即没有人或较少人的直接参与；②虽然没有人，但肯定应按人的要求去做。

因此，可以说，自动化是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程），在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标。自动化的核心是“控制”，它一般用于人造（工程）系统，可以进一步地扩展到生物系统、经济系统、生态系统等。这就是我们给出的自动化的定义。

从自动化的定义可以看出，自动化涉及的范围极其广阔，几乎是无所不包的。从深度来看，以工业生产为例，小到一个普通的设备——如电机，大到企业的整个加工、制造系统乃至企业的整个生产过程，都可以是自动化的，可称之为自动化设备、自动化系统和自动化过程；从广度来看，涉及第二产业——工业自动化、第一产业——农业自动化、第三产业——服务自动化

参考视频2.2.1：仿人手

参考视频2.2.2：BigDog

参考视频2.2.3：爬壁机器人

参考视频2.2.4：弹跳机器人

参考视频2.2.5：机器蛇

参考视频2.2.6：机器昆虫

参考视频2.2.7：机器鱼

（如办公自动化、楼宇自动化、商务自动化、交通自动化等），涉及的系统可有人造系统（如机器系统、交通系统、电力系统、军事系统）和自然系统（如生命系统、生态系统），涉及的过程有生产过程、管理过程、决策过程等。

由此可看出，自动化对人类的重要性。一方面，通过实施自动化，能极大地提高劳动生产力。从自动化生产线上生产的产品，质量越来越好，价格越来越低；另一方面，像机器人这样的自动化设备、系统能在危险、恶劣的环境下（矿井掘井、核电站检查、消防救火），替代人完成各种作业，把人从繁重、危险的工作中解放出来，降低工人的劳动强度，并使蓝领工人转变为白领工人。

自动化的魅力还远不止这些，自动化设备能克服人的局限性——生理阈值，完成人无法完成的工作，例如：

（1）受限于人的“情绪波动”，人易出错。自动化设备与系统完成作业的一致性与重复性要远高于人，使生产的产品质量大幅度地提高；

（2）受限于人的视觉、触觉与控制能力，人的手无法完成精细动作，因而集成电路的制作必须采用高精尖的自动化设备；

（3）受限于人的“庞大”的躯体，无法在窄小空间中作业，从而对于各种管道（油管、水管）内的检修，需要各种管道机器人；

（4）人无法承受高温、高压、深水、核等环境下的工作，必须采用各种自动化设备或机器人。

需要指出的是，实施自动化并不必然造成大量的工人失业。在自动化发展历史上，包括政治家、社会活动家在内的许多人，都曾担心过发展自动化会造成大量的失业。但历史的发展表明，这种担心是不必要的。例如：

（1）20世纪50年代美国有一个反对发展自动化的3A革命委员会，声称无节制的发展自动化，到1970年美国将失去700万个就业机会 $ ^{①} $。但历史进程和他们的预料相反，到了1970年前后，随着经济发展，美国反而多增加了几百万个就业机会。

（2）同样，当汽车制造业的高效大规模生产线出现时，又有人出来反对，但随着汽车生产成本大大降低、质量大大提高，促使汽车普及，不仅使汽车成了支柱产业，也大大增加了就业机会。

（3）20世纪70年代当工业机器人应用刚开始普及时，美国劳联、产联和英国的工会，担心机器人会带来大量工人失业，迫使政府连续几年停止对发展机器人的支持。而日本抓住机遇，在汽车生产线上大量采用机器人，到80年代一跃成为汽车的出口大国。为此，1985年英国前首相撒切尔夫人不无感慨地说，在发达工业国中，日本机器人最多，失业率最低，而英国机器人最

少，失业率却最高。

§2.3 自动化的发展历史

自动化的概念起源于最早的自动控制，而最早的自动控制可以追溯到公元前，如我国古代的自动计时漏壶与指南车（参见图2.1.4）。

应用自动控制的方法来代替人工控制各种机械设备是人类发展史中的一大创举。由于自动控制的引入，使各种机械设备能在无人的情况下一天24小时不间断地工作，并使得各种机械设备能更有效、更安全地运行，生产出的产品质量明显提高。

对自动化的大量需求开始于工业革命时期。瓦特在发明蒸汽机的同时，于1788年发明了如图2.1.9所示的控制蒸汽机速度的离心式调速器。当负载或蒸汽供给量发生变化时，离心式调速器能够自动地调节进汽阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速。这种采用机械式调节原理实现的动力机的速度自动控制是自动化发展中的第一个里程碑。

20世纪20年代，电子管反馈放大器正式诞生。至20世纪40年代，在第二次世界大战军事需求和基于频域方法的经典控制理论的技术支持下，各种电子式控制器被大量地应用于各种机械与电子系统，并使自动化设备真正能在无人控制的情况下更有效、更安全地工作，使生产出的产品的一致性与质量进一步明显提高。从而，在机械化、电气化发展的基础上，得以形成自动化生产线（1926年美国建成第一条汽车底盘自动生产线），并逐步发展成为发达国家工业化生产的标准模式。电子式控制器的应用可算是自动化发展中的第二个里程碑。

20世纪40至60年代《控制论》、《工程控制论》先后问世，基于状态空间法的现代控制理论对人类征服太空起了不可磨灭的作用，并成功地被应用于各种航空、航天器和其他领域。1957年苏联发射第一颗人造卫星，1968年美国阿波罗飞船登上月球。1970年，苏联发射的“月球”17号探测器将世界上第一台无人驾驶的“月球车”1号（参见图2.3.1）送上月球，它行驶了10.5 km，考察了

参考视频2.3.1：Apollo moon landing

8万平方米的月球地面。

在此期间，第一台数控机床（参见图2.3.2）与第一台工业机器人（参见图2.3.3）样机于1952年和1954年先后问世。

从20世纪70年代开始，随着计算机技术的不断发展与逐步普及，以计算机控制为代表的自动化加工中心（参见图2.3.4）与工业机器人（参见图2.3.5）被广泛地应用，并逐步形成柔性自动化、计算机集成制造系统CIMS（参见图2.3.6与图2.3.7）、计算机集成过程系统CIPS等一系列先进自动化模式与理念，并再次成为发达国家工业生产追求的模式。数字计算机、网络的普遍应用和系统、管理的理念的引入可算是自动化发展中的第三个里程碑。

20世纪90年代以来，自动化从工业

自动化（主要是制造业自动化）向非制造业自动化快速发展，农业自动化（如图2.1.14至图2.1.17所示）、家庭服务自动化（如图2.1.18至图2.1.20所示）、办公自动化、楼宇自动化、商务自动化、交通自动化（如图2.1.21与图2.1.22所示）等服务自动化的发展目前正方兴未艾，自动化在国民经济的各个领域起着越来越重要的作用。

与应用于制造业、在不变和已知环境下作业的自动化装备不同，应用于非制造业的各种自动化装备，如农业自动化装备（分别如图2.1.16与图2.1.17所示的采西红柿、采松果机器人）、交通自动化装备（如图2.1.22所示的汽车加油机器人、图2.1.21与图2.3.8所示的自动驾驶汽车）和包括“仿人型机器人”（如图2.3.9与图2.3.10所示）在内的服务自动化装备（如图2.1.18至图2.1.20所示），需在变化的甚至是预先未知的环境下完成作业，因而与环境的交互作用更加复杂，控制更加困难，要求的智能程度更高。因此，自动化发展中的第四个里程碑将是知识或智能的普遍应用。

参考视频2.3.2：机器人与人共舞

参考视频2.3.3：机器人足球赛

§2.4 自动化在工业化建设中的作用与地位

在初识自动化、简要回顾自动化发展历史和讨论了自动化的定义与作用之后，从本节开始，分三节顺序地分析自动化在工业化、信息化与现代化进程中的作用与地位，使我们进一步地认识自动化对发展国民经济所起的重要作用、自动化对人类文明发展的重要性。

根据高级汉语大字典解释，“工业化”是使现代工业在国民经济中占主要地位的行动或过程，相应的工业化国或工业国是指现代工业在国民经济中占主要地位的国家。

由此“工业化”的定义可知，

（1）工业化主要指工业；

扩展阅读2.4.1：The third industrial revolution

（2）工业化是一个过程；

扩展阅读2.4.2：第三次工业革命

（3）实现工业化的标志是“现代工业”在国民经济中占主要地位。

由于“现代工业”本身是一个发展的概念，因而工业化的标准应该是不断变化的，即不妨把工业化的标准理解为由两部分组成——不变部分与变化部分。前者指的是量——农业、手工业全面转变到以机器生产为主的工业经济，即工业在国民经济中占主要地位；后者指的是质——随着科学技术的发展，“现代工业”在发展，从而工业化的科学技术含量或科技标准也在不断发展、不断提高。

从科学技术对“现代工业”发展影响的角度，世界范围的工业化进程大致可分为顺序发展的三个阶段——机械化、电气化与自动化，见表2.4.1。

工业化起源于1760年开始的工业革命，而工业革命起源于以蒸汽机为标志的动力机械的应用——即第一次技术革命。用机器生产机器，从动力机、传动机到工作机组成的机器系统，可以说，工业革命创造了机器体系，完成了工场手工业向机器大工业的过渡，逐步实现了所谓的工业机械化。无疑，机械化奠定了工业化的基础，是实现工业化的基石。

在欧美等国的工业生产基本实现机械化的同时，19世纪下半叶，以电的发明与大范围的推广应用为标志的第二次技术革命，使电机与供电网络逐步成为各生产机械的高效、安全、方便的动力源，逐步替代由动力机、传动机和工作机组成的机器系统中的动力机和传动机，使机器系统与机器大工业发生了革命性的变化，使劳动生产率再次大幅度提高，工业化迈上了第二个台阶——电气化，人类社会也同时进入了电气时代。

机械化与电气化使生产力大大提高，但工业生产的每个环节都必须有人参与。于是，随着电子反馈放大器的应用，应用自动控制的方法来代替人

工控制各种机械、电气设备逐步成为可能。自动控制的引入，使由动力机、传动机和工作机组成的机器系统能更有效、更安全地运行，生产出的产品质量明显提高，并由此形成大规模的自动化生产线，工业化迈上了更高的台阶——自动化。

形象地说，工业化的三个阶段可表示为

机械化——在各种生产中大规模地使用机器系统；

电气化——在机器系统中普遍地使用电机与供电网络；

自动化——在机电系统中进一步地加入自动控制器。

前已指出，随着“现代工业”科技含量的提高，工业化的标准也在不断提高。从世界各工业国实现工业化的历程来看，情况的确如此。有代表性的是

（1）世界上第一个工业化国家——英国，正是完成了工场手工业向机器大工业的过渡，在世界上第一个实现了工业机械化，使劳动生产率提高20倍，而于19世纪中叶率先成为工业化国。在19世纪的那段时期，机械化曾是工业化的标志。

（2）亚洲第一个工业化国家——日本，于20世纪初其工业在国民经济中占主要地位，从而成为工业化国。在那时，“现代工业”的科技标准是机械化加上电气化，这同样是当时工业化的科技标准。

（3）新兴工业化国家——韩国，成为工业化国（其工业在国民经济中占主要地位）的时间是20世纪 $ \underline{\text{下半}} $叶，那时“现代工业”的科技标准已上升到不仅需要机械化、电气化，而且需要自动化，这同样是当时以及今天工业化的科技标准。

以上例子充分说明，随着时代的发展，除了要求工业在国民经济中占主要地位不变外，工业化的科技标准在不断发展、不断提高。很难想象，在进入21世纪的今天，一个国家仅仅完成了机械化就能称为工业化国，这样的工业化是没有竞争力的。

也就是说，今天，衡量一个国家是否实现工业化，不仅要看其机械化水平、电气化水平，更要看其自动化水平。因此从这个意义上可以说，在当代，自动化是工业化的最重要标志。

我国从20世纪下半叶开始工业化进程，60年来取得了举世瞩目的成就。目前，从工业化的量的标准来看，工业已在国民经济中占主要地位；但从工业化的科技标准来看，不同区域发展很不平衡，东部沿海地区已基本实现自动化，但西部仅完成机械化、电气化。因此，提高我国工业的总体自动化水平，大力发展自动化，是我国完成工业化建设的主要任务。

\$2.5 自动化在信息化进程中的作用与地位

“信息化”一词，最早起源于20世纪60年代的日本 $ ^{①} $。信息化这一概念的引入缘于信息科学技术和信息产业的发展，促使众多的社会学家相信人类已从农业社会、工业社会步入今天的信息社会 $ ^{②} $。

从1967年提出“信息化”这一概念以来，对“信息化”如何认识，如何定义，至今尚无统一意见。但不能否认的是，数十年来，“信息化”一词（在我国港台地区称为“资讯化”）以及其英译名词“Informatization”，频频出现在中国政府的各种报告中与国内的各种媒体上，成为耳熟能详的新名词。同时，国内外信息技术与信息产业的快速发展以及对整个经济与社会活动产生的巨大影响这一不争的事实，使我们在介绍自动化在国民经济建设中的作用与地位时实在无法回避“信息化”这一概念。

与工业化不同，“信息化”不单包含工业——第二产业，还涉及第一、第三产业，尤其是第三产业——服务业。

对工业，尤其是制造业来说，如仅从信息技术发展与应用的角度，到目前为止，“信息化”发展也可分为三个阶段，顺序为数字化（或计算机化）、网络化和系统化（或集成化），见表2.5.1。

数字化(或计算机化)起源于20世纪40年代，1946年世界上第一台计算机诞生；网络化起源于20世纪60年代，1969年世界上第一个计算机网络ARPANET在美国启用；而系统化则起源于20世纪80年代，1973年提出计算机集成制造系统CIMS的概念，1984年在美国开始规模实施。

由此可看出，对工业，尤其是对制造业来说，“信息化”就是在机械化、电气化与开始实施自动化之后，在自动化的机电系统中进一步地使用数字计算机——数字化，再进一步地联网——网络化，继而引入系统与管理——系统化或集成化，从而构成计算机集成制造系统CIMS与计算机集成过程系统CIPS，成为更先进的自动化系统。换言之，对工业，“信息化”实质上就是更先进的自动化。为了与工业化中的自动化有所区分，工业化中的自动化可称为基础自动化，而工业“信息化”对应的自动化称为先进自动化或集成自动化。

机械化——在各种生产中大规模地使用机器系统；

形象地说，英美等发达工业国的工业发展顺序经历了以下6个阶段 $ ^{①} $：

电气化——在机器系统中普遍地使用电机与供电网络；

基础自动化——在机电系统中进一步地加入自动控制器；

数字化——在自动化机电系统中大规模地使用数字计算机；

网络化——在自动化机电系统中大规模地实现计算机联网；

先进自动化——综合集成了系统观念与管理理念。

仔细分析工业化与工业“信息化”之间的关系还可以发现，工业化三阶段与工业“信息化”三阶段有相当明显的一一对应关系。图2.5.1给出了这六个阶段相互之间的关系图。由该图可看出，除了处理对象不同之外(从现代科技的角度，工业化处理的是“物质与能量”，工业“信息化”主要处理的是“信息”)，相互间有惊人的 $ \underline{\text{相似}} $：

（1）工业化的基础是机械设备，对应着信息化的基础是数字计算机，都以“机”为基础。

（2）电气化（电网化）实际上是工业化中的能量流。虽然机械化阶段靠汽、液也能提供能量，但真正形成能量流是在电气化之后，并迅速取代了汽、液，成为能量流的重要载体。同样可从信息流 $ ^{①} $的角度看“信息化”中的网络化。虽然早期的计算机间也能完成简易通信——点对点通信，但真正形成信息流是在建立了网络之后，并迅速取代了简易通信，成为信息流的主要载体。即两者都以“网”与“流”为特征。

（3）在“机”的基础上通过“网”与“流”就分别构成基础自动化与先进自动化。

由以上分析可以看出，数字化、网络化和系统化实际上都是自动化的组成部分。其中数字化、网络化是先进自动化的基础、手段与工具，而系统化或集成化是先进自动化的内涵与目的。因此可以说，先进自动化是制造业“信息化”的最重要标志之一。

我国的制造业，包括央企在内的绝大多数企业，先进自动化的水平还不高（大中型企业数字化、网络化已有一定规模与基础，但系统化与集成化还有很大差距）。我国虽已成为制造大国，但距离制造强国还相差很远。

前已指出，与工业化不同，“信息化”还涉及第一、第三产业，尤其是第三产业——服务业。在“信息化”进程中，不仅对工业，对第一和第三产业，自动化同样起着十分重要的作用。下面，首先扼要介绍何为制造业、何为非制造业，进而介绍非制造业自动化在“信息化”进程中的作用与地位。

广义的制造业包含了第二产业——工业的大部分，如机械、汽车、家电等离散过程工业与冶金、石化、医药等连续过程工业。因此，制造业自动化几乎就成了工业自动化的代名词。顾名思义，非制造业是指除制造业以外的所有产业，包括第一产业中的农业、林业、渔业等、第二产业中的矿产业、建设业等以及第三产业即服务业全部。因而可以预见，非制造业自动化对人类社会的影响不亚于制造业自动化。

$ \underset{\cdot}{从} $20世纪50年代开始，由于制造业自动化取得的辉煌成就，使生产效率大大提高、产品价格大大下降，并使工业化国家从事制造业的人数逐步减少。而与此同时，服务业就业人数急剧增加，服务价格不断攀升。表2.5.2给出了德国1976—1994年约20年期间不同产业的从业人员的变化 $ ^{②} $，可以

看出，第二产业的从业人员大大减少，而第三产业的从业人员大大增加。另据报道，在美国目前有2/3的人从事服务业，只有不到1/6的人从事制造业。

因此，20世纪90年代以来，随着制造业自动化已发展到很高水平以及人们对生活质量要求的不断提高，非制造业自动化尤其是服务自动化发展迅速。对第一产业中的农业、林业、牧业、渔业以及对第二产业中的矿产业、建设业等来说，发展非制造业自动化能极大地减轻从业人员的劳动强度，提高安全系数，提高劳动效率；对第三产业即服务业来说，发展服务自动化同样能极大地减轻从业人员的劳动强度，提高劳动效率，同时还能提高服务质量，并使服务价格趋于稳定。

于是，从自动化的发展来看，在经历了制造业自动化的发展后，将是非制造业自动化（包括农业自动化、地下作业自动化、水下作业自动化、地面建设作业自动化、交通自动化和范围更广泛的服务自动化等）的快速发展时期。如果说，在20世纪下半叶，一个国家制造业自动化的水平就决定了该国整体工业的水平；那么，在21世纪上半叶，一个国家非制造业自动化的水平将决定该国第一产业与第三产业的水平 $ ^{①} $。

\$2.6 自动化在现代化建设中的作用与地位

“现代化”这一概念可以说是中国人的发明。虽然在英汉、汉英字典中有对应的单词“Modernization”，但在英文词典中并无该词，同时发达工业国自称为处于“后工业化”社会。

在高级汉语字典中，对“现代化”这一条款的解释是“使具有现代先进科技水平”。根据这一解释，现代化也是一个不断发展的概念，大到国家、小到某个设备，当具有现代先进科技水平就可称之为现代化国家、现代化设备。根据这一解释，只有为数不多的发达工业国才能称之为现代化国家，中国距离成为现代化国家还有不小的差距。

但中国人的现代化情结、中国对现代化的渴望可以说是任何一个其他国家都无法比拟的。工业现代化、农业现代化、国防现代化、科技现代化——“四个现代化”，一直是中国人的梦。因此，在由中国科学院“中国现代化战略研究课题组”编写的“中国现代化报告2003 $ ^{①} $”中，将世界范围内的现代化划分为以工业化、城市化为主要特征的第一次现代化进程和以知识化、信息化为主要特征的第二次现代化进程；并指出，从1950年到2001年的50年间，我国第一次现代化实现程度从26%上升到78%，平均每年上升1个百分点。根据该报告给出的数据与分析结果可以得出，我国有望于2015—2020年期间实现第一次现代化。另根据中国共产党中央委员会十六大报告，我国要在本世纪头二十年中，基本实现工业化。这表明，除了含义更丰富一些、包含内容更多一些，“中国现代化报告2003”中定义的（第一次）现代化基本上就等同于工业化。

由此看来，自动化在(第一次)现代化建设中的地位类同于自动化在工业化建设中的地位。也因此，有不少学者在许多年前就提出将自动化作为现代化的代名词。试想：

（1）对农业来说，从种、管、收都采用各种机器人与自动化装备，难道不算现代化——农业现代化？

（2）对工业来说，包括办公室、研究室，工厂企业里采用各种机器人与自动化装备，实现了自动化设计、自动化制造、自动化运行到自动化管理、自动化决策，算不算现代化——工业现代化？

（3）对国防来说，各种武器、装备到指挥作战系统高度自动化甚至无人化，可否算现代化——国防现代化？

（4）对家庭来说，每家每户采用各种自动化设备，甚至烧菜、做饭也能自动化，能否也算一个现代化——家庭现代化！

当然，简单地将现代化比拟为自动化并不合适。但不管对现代化到底如何定义与认识，有一点可以肯定的是，自动化必定是现代化的重要或显著标志之一。没有自动化的现代化，至少我们中国人是无法接受的。

思考题

1. 用微波炉加热食品，常发生加热不足或过热，为什么？如何改进？

1. 定轴式指南车要使木仙人所指方向保持不变，车必须或直行、或纯拐弯（一轮转动、另一轮原地不动），为什么？

1. 请自选日常生活中的自动化设备，说明其工作原理。

1. 请尽可能多地举出在本书中未列出的自动化设备。

1. 发挥你的想象，自动化还可能用于何领域？

1. 用你自己的语言，试述自动化的定义与应用范围。

1. 简述自动化与工业化的关系。

1. 简述自动化与信息化的关系。

1. 简述服务自动化与信息化关系。

10.（基础）自动化技术是工业化的核心技术，你同意吗？

11.（先进）自动化技术是（工业）信息化的核心技术，你同意吗？

1. 如何理解“工业化促进信息化，信息化带动工业化”？