导读：2025年4月18日，中国自动化学会（CAA）携手四川省农村专业技术协会、凉山彝族自治州科学技术协会、昭觉县科学技术协会、昭觉县教育体育和科学技术局共同举办“科普百人团 —— 科技教育乡村行·四川省昭觉县”活动。

中国自动化学会特聘顾问、上海交通大学李少远教授带来了题为“科技进步是推动人类社会发展的源泉动力”的科普报告，系统梳理了自动控制与智能科技的发展历程，引导青少年崇尚科学、勇于探索，在孩子们心中播下科技创新的种子。

 

2024年，在中国自动化大会上，学会正式提出大会主题——“胸怀祖国，自立自强，协同创新，追求卓越”。这一主题高度凝练了中国自动化事业的发展精神，也体现了学会在新时代背景下的使命担当。

中国自动化学会在我国科技组织体系中具有特殊而重要的地位。学会是在周恩来总理亲自关怀下成立的第一批全国一级学会之一，其成立源于钱学森先生回国后对国家科技发展的系统思考。钱学森先生在“两弹一星”等国家重大工程中作出了卓越贡献，而在此基础上，他进一步向党中央提出建议，强调应通过学会组织凝聚科技力量、推动自动化学科发展。钱学森先生担任了中国自动化学会第一届理事长，此后历届理事长均由我国自动化与相关领域的著名院士担任，这在全国学会体系中并不多见。

六十余年来，中国自动化事业始终秉持“胸怀祖国、自立自强”的价值追求。特别是在航空航天等关键领域，核心技术既买不来，也等不来，唯有依靠自主创新与持续攻关。同时，自动化的发展也高度依赖协同创新，通过多学科交叉、多领域协作，不断追求系统性能与工程实践的卓越水平。这种精神不仅塑造了中国自动化人的学术品格，也深刻影响了我国现代工业与科技体系的构建。

在国家层面，习近平总书记多次强调教育、科技、人才一体化推进的重要性，特别是在党的二十大和二十届三中全会以来，明确指出科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力。这一论断从根本上揭示了科技创新在国家发展全局中的战略地位。

一、工业革命与技术进步

从更宏观的历史视角来看，人类社会的发展始终与科技革命密切相关。第三次工业革命发生在20世纪后半叶，以信息技术和电子计算为核心特征；而当前正在展开的第四次工业革命，则以人工智能、大数据、机器人等新一代信息技术的深度融合为标志，其对社会生产方式和生活形态的影响仍在持续演化之中。

在第一次工业革命之前，人类社会主要依赖经验性技术与手工生产。作为四大文明古国之一，中国古代在长期实践中创造了大量精巧而高效的工程装置，如漏刻、水力分配系统、地动仪、指南车等，这些发明广泛服务于生产与生活，体现了早期工程智慧，如图1所示。

 

图1 古代自动装置

都江堰水利工程是一个极具代表性的实例。该工程由李冰父子于两千多年前主持修建，使成都平原实现了长期的旱涝保收。从现代工程科学的角度来看，都江堰不仅是一项水利奇迹，更是一套高度成熟的自动化调节系统。通过将岷江分为内江与外江，并利用宝瓶口、飞沙堰等关键结构，都江堰实现了对水量分配的自适应调节。宝瓶口相当于系统的“测量单元”，反映区域需水状况；堰体结构则起到“执行机构”的作用，根据水位变化自动调节水流。这一工程充分体现了反馈调节与系统控制的思想，被国际学术界视为早期自动化工程的典范。

 

图2 都江堰水利工程

第一次工业革命的标志性技术突破通常被认为是瓦特蒸汽机的发明，如图3所示。蒸汽机通过将热能转化为机械能，为工业生产提供了前所未有的动力来源。然而，动力本身并不足以支撑复杂系统的运行，如何对动力进行调节与控制，成为工程实践中的关键问题。

 

图3 蒸汽机

二、第一代控制理论

对分散存在于不同工程系统中的共性原理进行系统总结的，是美国数学家诺伯特·维纳。1948年，维纳出版了具有里程碑意义的著作《控制论——或在动物和机器中通信与控制的科学》（Cybernetics），如图4所示，首次从数学与系统的角度，对“测量—反馈—控制—执行”这一普遍规律进行了高度抽象与理论化表述。

 

图4 Cybernetics

水位控制系统目标是维持液位稳定在给定值，用户用水具有随机性，因此必须通过实时测量液位变化，并根据偏差大小调整进水流量，如图5所示。人类完成这一过程时，依赖视觉感知、水位判断、计算决策以及手工操作；而自动化系统则分别由传感器、控制器和执行机构来承担相应功能，从而实现闭环控制。

 

图5 水位控制系统

维纳所提出的控制论思想表明，无论是水利工程、蒸汽机系统，还是生物体内部的调节机制，其核心都遵循相同的反馈控制原理。控制离不开通信，通信依赖感知与反馈，而控制决策则需要计算与信息处理。在20世纪中叶，计算机、通信、自动化和传感技术尚未高度分化，控制论正是在这一背景下形成的统一理论框架。

维纳曾于1935—1936年访问清华大学，并在其自传中提到，中国传统文化，尤其是儒家思想，对其学术思考产生了重要影响。这也从侧面说明，控制与协调的思想并非现代技术的专属，而是人类文明长期积累的智慧结晶。

从都江堰到蒸汽机，从控制论到现代自动化与人工智能，技术的发展始终围绕着“感知—决策—执行—反馈”的基本逻辑展开。这一逻辑不仅构成了自动化科学的核心框架，也为理解当今智能系统与未来技术变革提供了重要的理论基础。

从自动化系统的角度来看，任何系统的设计都围绕几个最基本的问题展开：首先，我要做什么，即系统的控制目标是什么；其次，我知道什么，即我能够测量和获取哪些物理量；第三，我能做什么，即通过哪些执行手段可以影响系统的输入；最后，我该如何去做，即如何将感知、计算和执行组织成一个完整的自动化系统，如图6所示。

 

图6 控制

系统的概念本身并不局限于工程对象。最简单的液位控制系统是系统，学生的学习过程也是系统，城市或国家的经济运行同样是系统。例如，每年全国两会期间都会讨论GDP增长目标，GDP指标就是国家经济系统的年度期望值。当目标发生调整时，就需要通过实时统计与测量，判断当前运行状态与目标之间的偏差，并通过政策、投资和管理手段进行调节。从这个意义上看，经济系统、交通系统、教育系统与工程系统在抽象层面遵循着相同的控制逻辑。

在控制系统中，一个关键问题是模型。江堰工程闸门开度与下游供水量之间并非随意关系，而是存在明确的定量联系，这种输入—输出之间的映射关系就是系统模型，如图7所示。随着技术发展，控制器逐步实现电子化和数字化，由计算机完成控制量的计算，并通过执行机构作用于系统对象。

 

图7 模型

从理论高度来看，维纳提出的控制论奠定了现代自动化的基本框架，其核心思想就是闭环控制。与之相对的是开环控制，即仅依据经验或预先设定的规则进行控制，而不利用系统输出信息进行反馈修正。开环控制在系统简单、环境稳定时尚可奏效，但在实际系统中，各种不确定性因素普遍存在，例如自然条件变化、负载波动、外部扰动等。

控制论的伟大之处在于引入了反馈机制，如图8所示。无论系统中存在多大的不确定性，这些扰动最终都会反映为系统输出与期望值之间的偏差。控制器的核心任务并非直接应对所有扰动，而是通过调节控制量不断消除偏差。当偏差趋近于零时，系统目标便得以实现。这一思想使控制系统具备了鲁棒性和自适应能力，也是现代工程系统能够稳定运行的根本原因。

 

图8 反馈

从工业革命的角度看，第一次工业革命以蒸汽机的发明为标志，解决了动力来源问题；但动力的有效利用离不开信息与控制，由此催生了自动控制思想的系统化总结。时间进入二十世纪六七十年代，第二次工业革命逐渐展开。这一阶段与第二次世界大战及其后的技术反思密切相关。战争促使各国重新审视武器装备和工业体系的局限性，传统机械技术已无法满足高精度、高可靠性的需求，航空航天、导弹、雷达等系统对通信、计算与控制提出了前所未有的要求。

与此同时，工业系统本身也日益复杂。汽车制造、复杂工艺流程、大型装备系统的出现，使得简单控制方法难以胜任。在多重需求推动下，信息领域的关键技术迎来了集中突破，形成了第二次工业革命的重要技术基础。

三、第二代控制理论

在控制理论领域，这一时期出现了第二代控制理论，其标志性成果包括：1956年提出的极大值原理，1957年贝尔曼提出的动态规划，以及1960年Kalman提出的状态空间方法、能控能观性理论与Kalman滤波，如图9所示。这些理论成果均由杰出的数学家提出，并直接服务于航天器、导弹和复杂工程系统的控制需求。

 

图9 现代控制理论三大基石

1954年，钱学森先生在回国前于美国出版了《工程控制论》，将维纳控制论的思想系统引入工程实践，明确强调其在工程系统中的适用性，如图10所示。这一工作有效缓解了当时西方社会对控制论的误解，也为控制论在工程领域的广泛应用奠定了基础。此后，控制论不仅在工程系统中发挥作用，也逐步拓展至军事、生物、经济和社会系统分析之中。

 

图10 控制论的发展

第二次工业革命带来了航空航天技术的飞跃，我国的“两弹一星”、人造地球卫星，以及国际上的航天器和登月计划，均诞生于这一历史阶段。同时，大型客机、先进机床和现代化交通工具的普及，也深刻改变了人类的生产方式和生活形态。

四、第三次工业革命

进入2000年前后，人类迎来了第三次工业革命，其最显著的标志是信息时代的全面到来。互联网的普及使信息传递成本急剧下降，社会结构和生产方式发生了根本性变化。

第三次工业革命并不仅仅体现在消费层面，它广泛涉及原子能技术、航天技术、生物技术等多个领域，而其最核心的推动力量，是信息网络的出现与普及。信息网络改变了技术组织方式，也深刻重塑了社会运行结构。阿尔文·托夫勒在《第三次浪潮》一书中，对这一阶段的社会变迁进行了系统而深刻地描述。

从生产活动的角度看，现代工厂的面貌已经与过去完全不同。过去人们印象中的重工业往往伴随着高污染、高噪声和低自动化水平的特征，而今天的工厂早已实现高度现代化，如图11所示。许多钢铁和化工企业，如今在自动化、信息化改造之后，生产环境和技术水平都发生了质的飞跃。

 

图11 工业信息化

在通信技术方面，第三次工业革命初期以有线网络为主。那时的工业控制系统需要大量铺设电缆，将各种传感器信号集中到控制中心，施工复杂、维护成本高。而随着网络技术的发展，一条网络线路便可以承载大量信息，大幅改变了工厂的系统结构。如今，随着5G的广泛普及，无线通信进一步降低了系统部署的复杂度，为更大规模、更灵活的工业系统奠定了基础。

在信息领域，尤其是控制领域，第三次工业革命孕育了一系列新的技术方向，包括智能控制、自适应控制等。从全球范围来看，人工智能的发展经历了多次起伏。国际上通常将其概括为“三起三落”，而在中国，由于历史原因，经历了“两起两落”。其根本原因在于，人工智能技术在理论层面取得突破后，往往在实际应用中受限于算力、数据和工程条件，难以立即转化为可行产品，因而进入低谷。随着计算能力、数据规模和算法体系的不断完善，人工智能逐步走向成熟，当前正处于第三次发展高潮，并开始在现实场景中发挥重要作用。

这一阶段的工业系统规模之大、复杂性之高，在早期几乎不可想象。大型化工厂运行依赖于密集的信息采集、实时通信和分布式计算。没有网络技术的支撑，几乎不可能对如此复杂的系统进行稳定控制。正是信息网络的普及，使得智慧医疗、机器人技术、航空航天等领域在性能和可靠性上实现了革命性提升，这构成了第三次工业革命的技术基础。

钱学森先生将控制论、信息论和系统论并称为“三论”，认为它们是20世纪最重要的科学成果之一，如图12所示。这三种理论从不同角度揭示了信息在系统运行中的核心作用，深刻影响了工业发展和社会进步。回顾工业革命的历史可以发现：第一次工业革命源于动力技术的突破，以蒸汽机取代人力劳动；而第二次和第三次工业革命，则本质上都是由信息技术推动的。第二次工业革命依托电力技术和机电系统的发展，第三次工业革命则以互联网和信息网络为核心。

 

图12 控制论的发展及地位

控制论的适用范围并不限于物理工程系统，还可以扩展到人口、经济、交通等社会系统。例如，人口政策的制定和调整，本质上也是一个复杂系统的控制问题。

五、下一代工业革命

在此基础上，人类正逐步迈入第四次工业革命。围绕这一阶段，人们提出了许多概念，如物联网、云计算、大数据、人工智能、机器人等，虽然表述不同，但核心思想高度一致，即信息系统与物理系统的深度融合。这一思想被概括为“信息物理系统”（Cyber-Physical Systems，CPS）。

“Cyber”源自维纳提出的“Cybernetics”，本身就与信息、控制和反馈密切相关。信息技术的最终目标并不是停留在数据和算法层面，而是要作用于现实世界的物理系统。CPS的核心在于，通过信息网络实现感知、传输、计算、决策与执行的闭环统一，如图13所示。

 

图13 信息物理系统CPS

以电力系统为例，信息网络覆盖其上层结构，用于实时采集运行数据、进行计算与优化，并生成科学决策；这些决策再反馈到物理系统中，对电网运行进行精确调控，如图14所示。

 

图14 电力系统

在这一背景下，工业4.0、中国制造等战略不断推进，智能工厂、工业互联网和智慧生产逐步成为现实。无论是高速铁路、桥梁工程，还是深海、深空探测，都体现了信息技术与工程系统深度融合所带来的巨大能力提升。

这一系列技术发展的目标，并非单纯提高效率，而是推动生产方式向智能化、柔性化方向演进，使劳动更加安全、高效和有尊严，使工作逐步从体力消耗转向创造性活动。信息技术和自动化技术正是在不断地应用中演进，持续推动人类社会向更高水平发展。

随着这一轮技术变革逐步走向成熟，人类的生产方式和生活方式还将发生更加深刻的变化，其影响可能远超我们今天的想象。第三次和第四次工业革命的核心动力，均源于信息技术的发展与融合。网络重塑了世界，信息技术不断交叉、协同和演进，持续推动社会形态、生产活动和生活方式的变革，其最终目标，是让人类的生活更加美好。

*本文根据作者所作报告速记整理而成