又到高考志愿填報(bào)的季節(jié)，有自動(dòng)化行業(yè)和職業(yè)20年的經(jīng)歷的宋振華博士在本文給想報(bào)考自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生們介紹自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)情況。

首先，如果要想報(bào)考“自動(dòng)化專業(yè)”的話，你得先了解這個(gè)專業(yè)是干什么的？(WHAT)，它都學(xué)點(diǎn)什么，根據(jù)這個(gè)判斷未來能用來從事什么樣的工作…當(dāng)然，我后面會(huì)去講行業(yè)和職業(yè)的話題，不著急的話，這個(gè)部分僅聚焦在它是什么(WHAT)這一個(gè)問題上。

自動(dòng)化是個(gè)“萬金油”專業(yè)？
記得筆者讀大學(xué)時(shí)，班級(jí)第一次開全年級(jí)新生大會(huì)，我們自動(dòng)化系是有工業(yè)電氣自動(dòng)化、生產(chǎn)過程自動(dòng)化和檢測(cè)技術(shù)儀器儀表三個(gè)專業(yè)。系里第一次召開系列新生見面會(huì)，就跟大家說自動(dòng)化是個(gè)“萬金油”。并且，這個(gè)似乎是每個(gè)學(xué)校的自動(dòng)化專業(yè)新生都得到的一個(gè)關(guān)于自動(dòng)化專業(yè)最為樸素且直接的“說明”。每個(gè)人對(duì)于這個(gè)專業(yè)的第一印象就這樣打上了“萬金油”濃濃的烙印。

跨學(xué)科是自動(dòng)化的“顯著特征”
“萬金油”是個(gè)比較直觀生動(dòng)的說法，但是如果改為嚴(yán)肅的說法，自動(dòng)化這個(gè)專業(yè)顯著的特征就是“跨學(xué)科”。自動(dòng)化融合了控制科學(xué)、電子信息、計(jì)算機(jī)、軟件工程、電氣工程、機(jī)械工程等多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容。就這么說吧，自動(dòng)化類(專業(yè)類代碼0808)專業(yè)，在專業(yè)學(xué)習(xí)、行業(yè)應(yīng)用、職業(yè)發(fā)展的幾個(gè)維度，它都典型的有跨學(xué)科的屬性。

當(dāng)然本科階段稱為“自動(dòng)化”而碩士博士階段稱為“控制科學(xué)與工程”。其本質(zhì)就是“測(cè)量控制”這個(gè)應(yīng)用與研究。學(xué)校里通常把這類學(xué)院稱為“科學(xué)與工程”，前面是“研究”后面是“應(yīng)用”，就是想兩者兼顧。

一個(gè)橫向覆蓋所有領(lǐng)域的工程專業(yè)
今天，人們把視野都聚焦在了“人工智能”，但是，真正在過去100年里，真正改變我們的生活，讓我們過上更美好生活的，無論是汽車工業(yè)、生物醫(yī)藥、通信工業(yè)的背后，都意味著制造這些產(chǎn)品的產(chǎn)線，而所有這些產(chǎn)線都意味著“自動(dòng)化”—這是一個(gè)隱藏在每個(gè)行業(yè)背后的領(lǐng)域。我們每天喝的一瓶水、手機(jī)、穿的衣服、包括乘坐的高鐵、飛機(jī)…這一切的背后，都藏著一個(gè)必然會(huì)存在的專業(yè)，因?yàn)槟闵a(chǎn)這瓶水的飲料灌裝線、你用的這個(gè)手機(jī)的制造線、高鐵的每一個(gè)零配件的生產(chǎn)，其背后都是有“控制”這個(gè)專業(yè)的背后貢獻(xiàn)。別的專業(yè)會(huì)出現(xiàn)在具體的一個(gè)垂直領(lǐng)域，而自動(dòng)化以“橫向覆蓋”的角色，出現(xiàn)在每一個(gè)領(lǐng)域里。

當(dāng)然，前面說道學(xué)校剛?cè)胄Ｖv的自動(dòng)化是個(gè)萬金油，另一句是老師講的，因?yàn)榈彩莻€(gè)工業(yè)企業(yè)，它就離不開“機(jī)械和電氣”這兩個(gè)兄弟，機(jī)械和電氣通常糾纏在一起。而工藝(如化學(xué)、造紙、金屬、半導(dǎo)體)則隨著行業(yè)會(huì)變化。

自動(dòng)化在整個(gè)人類的工業(yè)發(fā)展歷史中，其實(shí)扮演著越來越重要的角色。有時(shí)候我經(jīng)常想，在今天，我們每個(gè)普通人都能夠買得起一部手機(jī)，喝瓶礦泉水，普通家庭也能開上車，這樣的生活仔細(xì)想想，都得益于機(jī)電控制技術(shù)將制造業(yè)的效率不斷提升，才能讓產(chǎn)品的成本不斷下降，帶來購(gòu)買力的提升。

自動(dòng)化-控制學(xué)科的背景
自動(dòng)化這個(gè)專業(yè)的過去、未來將如何？作為一個(gè)較為全面的了解，概述一下其歷史背景也是有必要的。自動(dòng)化專業(yè)背后是“控制”學(xué)科的發(fā)展，在歷史上，這個(gè)領(lǐng)域其實(shí)與人工智能也有很多交集。



圖1-控制理論的發(fā)展歷史

早期的控制學(xué)科發(fā)展，從最初的瓦特發(fā)明調(diào)速器，它與威爾金森的公差工程一樣，使得蒸汽機(jī)成為一個(gè)可以穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)器，并且可以大量復(fù)制。早期的控制理論發(fā)展為針對(duì)數(shù)學(xué)建模與穩(wěn)定判據(jù)，讓控制實(shí)現(xiàn)上有數(shù)學(xué)依據(jù)。隨著二戰(zhàn)的進(jìn)行，控制學(xué)科在“打飛機(jī)”—這種預(yù)測(cè)性，以及飛行器控制、密碼破解、軍艦的火炮系統(tǒng)等催生了其快速的發(fā)展。而這個(gè)期間，諾伯特.維納博士的控制論則是為其建立了一個(gè)科學(xué)方法體系。

錢學(xué)森先生則在1958年的《工程控制論》里將控制在工程上的實(shí)現(xiàn)奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。并且，錢學(xué)森先生倡導(dǎo)了1958年中國(guó)科技大學(xué)的“自動(dòng)化系”的創(chuàng)建，以及1956年他就將自動(dòng)化列為未來發(fā)展的6個(gè)關(guān)鍵技術(shù)之一。作為中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)的第一任理事長(zhǎng)，錢學(xué)森先生堪稱“中國(guó)自動(dòng)化之父”



圖2-中國(guó)自動(dòng)化之父錢學(xué)森先生

二戰(zhàn)后，工業(yè)領(lǐng)域包括石油煉化、化學(xué)、冶金、電力等各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，拉動(dòng)了控制理論的研究和應(yīng)用。因此，控制工程在大學(xué)里的學(xué)習(xí)，很多經(jīng)典控制理論如貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃、卡爾曼濾波、多變量系統(tǒng)的耦合解耦、模型預(yù)測(cè)控制、模糊控制、自適應(yīng)控制，都是為了對(duì)這些領(lǐng)域的系統(tǒng)提供支持。因此，自動(dòng)化專業(yè)對(duì)應(yīng)的控制理論與工程，對(duì)于我們今天能夠用到便宜的電力、喝到干凈的水、能夠低廉的價(jià)格看病、農(nóng)業(yè)提高產(chǎn)量的農(nóng)藥…每個(gè)領(lǐng)域的背后都有著自動(dòng)化的貢獻(xiàn)。

到了70年代后，人工智能的很多技術(shù)就開始進(jìn)入到了控制工程的研究和實(shí)現(xiàn)中。例如參數(shù)辨識(shí)、模式識(shí)別、參數(shù)尋優(yōu)。當(dāng)然到了今天這個(gè)時(shí)代，計(jì)算機(jī)視覺所需的深度學(xué)習(xí)、大語言模型、多模態(tài)等也已經(jīng)被融入到自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。后續(xù)會(huì)進(jìn)行一些應(yīng)用場(chǎng)景的分析。在圖2中后期的控制更多融入了AI，是因?yàn)樽詣?dòng)化專業(yè)的發(fā)展，一個(gè)是借助橫向科技來解決“產(chǎn)業(yè)實(shí)際難題”，因此，AI作為橫向科技被納入自動(dòng)化的系統(tǒng)中，作為一種“工具”來解決問題。同樣，通信、芯片都是用于解決問題的工具。

自動(dòng)化這個(gè)專業(yè)方向，它的貢獻(xiàn)在于為這些制造系統(tǒng)的裝備、產(chǎn)線設(shè)計(jì)規(guī)劃其控制的邏輯、同步、協(xié)作，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定、可靠、安全，并使得產(chǎn)品高速、高精度、低成本的加工。這是自動(dòng)化的基線作用。隨著制造的升級(jí)，通過數(shù)字孿生、人工智能，自動(dòng)化還要讓產(chǎn)線更為智能，能夠通過“自感知、“自分析決策”、“自主執(zhí)行”實(shí)現(xiàn)智能，應(yīng)對(duì)變化的生產(chǎn)需求。

因此，自動(dòng)化其實(shí)是一個(gè)隱藏在每個(gè)領(lǐng)域背后的一個(gè)力量，它為每個(gè)行業(yè)提供基礎(chǔ)保障—這也是它萬金油的一面解釋，同時(shí)也是它跨學(xué)科需求的來源，當(dāng)然也是它具有廣泛適用的原因。

它主要學(xué)習(xí)什么？
圖3是關(guān)于控制學(xué)科的地圖，看上去似乎非常的博大精深，當(dāng)然對(duì)于大部分的自動(dòng)化專業(yè)本科階段的話，這個(gè)圖里的大部分內(nèi)容并需要涉及。所以，別被這個(gè)圖嚇著，這個(gè)是這個(gè)領(lǐng)域上百年時(shí)間的積累—沒有人能夠?qū)W習(xí)這些東西。而且，現(xiàn)實(shí)中的自動(dòng)化，也不需要你學(xué)習(xí)這些?？刂评碚摪l(fā)展歷史上的各種方法，其實(shí)已經(jīng)被“軟件模塊”的形式封裝在各種軟件(如MATLAB/Simulink)，以及各個(gè)自動(dòng)化公司的開發(fā)工具平臺(tái)里，在嵌入式系統(tǒng)里



圖3-控制學(xué)科的版圖(來源于網(wǎng)絡(luò))

大學(xué)里主要還是學(xué)習(xí)一些基本的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想與方法，這些設(shè)計(jì)思想方法、實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練。主要還是為了訓(xùn)練自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程、方法。
自動(dòng)化類專業(yè)需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，除了高等數(shù)學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)、線性代數(shù)，還有復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換等工程數(shù)學(xué)課程。

自動(dòng)化專業(yè)，它要學(xué)習(xí)《微機(jī)原理》、《微機(jī)控制》這樣的類似專業(yè)—作為前置專業(yè)，肯定還得學(xué)習(xí)《模擬電子》與《數(shù)字電子》，設(shè)計(jì)電路還得學(xué)習(xí)《電路原理與設(shè)計(jì)》。當(dāng)然如果是強(qiáng)電專業(yè)(電氣自動(dòng)化)，就會(huì)有《電力電子技術(shù)》、《調(diào)速技術(shù)》、《電機(jī)拖動(dòng)》。如果是弱電專業(yè)會(huì)學(xué)習(xí)《單片機(jī)》、《檢測(cè)技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《數(shù)字信號(hào)處理》等專業(yè)課程。

圖4-大學(xué)的學(xué)習(xí)不僅在于專業(yè)知識(shí)

其實(shí)很多人認(rèn)為大學(xué)學(xué)習(xí)的東西都很落后，或者學(xué)了些不知道干啥用的東西—有些事情如果無法改變。你就記得，大學(xué)是為了訓(xùn)練你的系統(tǒng)性研究、學(xué)習(xí)的能力。這種能力是核心，即，如何去檢索文獻(xiàn)、如何去設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，包括教材的潛移默化告訴你一個(gè)系統(tǒng)如何搭建的邏輯，因?yàn)榻滩牡倪壿嬀褪枪こ痰倪壿嫛?/span>

工程思維才是關(guān)鍵
當(dāng)然，對(duì)于工程(Engineering)專業(yè)來說，工程思維才是問題的核心，良好的工程思維訓(xùn)練不僅是作為工程專業(yè)的核心訓(xùn)練，也是未來職業(yè)道路，乃至事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。自動(dòng)化專業(yè)就是為了未來的產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)工程師，因此，它需要有較強(qiáng)的工程思維訓(xùn)練。自動(dòng)化是典型的工科專業(yè)，它需要強(qiáng)的工程思維，解決復(fù)雜問題。

表1-工程專業(yè)與理科/技術(shù)的差異對(duì)比

知識(shí)，永遠(yuǎn)都會(huì)是過時(shí)，但思維與認(rèn)知水平的構(gòu)建，則能夠讓工程師穿越周期、市場(chǎng)變化的基石。

在中國(guó)，似乎科學(xué)家(Science)受到了較大的尊重也賦予了較高的社會(huì)地位。但就實(shí)而論，最近的5年里，隨著“卓越工程師”大獎(jiǎng)、“工程教育認(rèn)證”、“新工科”建設(shè)，我們已經(jīng)越來越清晰的看到，國(guó)家對(duì)于“工程師”的越來越重視。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)的世界里，無論是半導(dǎo)體設(shè)備、光伏、鋰電的研發(fā)、制造、應(yīng)用，這些就功勞來說，都是由工程師來實(shí)現(xiàn)的。即使是航空航天領(lǐng)域的眾多制造、發(fā)射，都是由工程師來完成的—事實(shí)上，科學(xué)相關(guān)的問題早在30年前就已經(jīng)有了基本定論，而主要在于工程實(shí)現(xiàn)與技術(shù)的基礎(chǔ)保障。



圖4-自2023年國(guó)家設(shè)置“國(guó)家工程師獎(jiǎng)”

工程最顯著的特點(diǎn)就是“設(shè)計(jì)”-但工程設(shè)計(jì)與創(chuàng)新更為重要的是經(jīng)濟(jì)的約束性，即，它與科學(xué)的發(fā)散不同，它必須最終要收斂到經(jīng)濟(jì)性，例如材料的節(jié)省、人工消耗的降低、能源消耗降低、品質(zhì)的提升、時(shí)間消耗的降低等。

工程思維的核心在于“解構(gòu)”與“重構(gòu)”，按照《華盛頓協(xié)議》所要求的“實(shí)質(zhì)等價(jià)”，即，華盛頓協(xié)議的參與國(guó)工程專業(yè)的本科文憑互認(rèn)。它的培養(yǎng)目標(biāo)就在于“解決復(fù)雜工程問題”—而所謂的解決復(fù)雜工程問題，就是借助于科學(xué)知識(shí)(第一性原理)，在機(jī)械、電氣傳動(dòng)控制、材料工藝上緊密交織的問題，如何把他們拆解為可被模塊化開發(fā)的功能，并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，最終進(jìn)行集成測(cè)試、并將其標(biāo)準(zhǔn)化成為一個(gè)“可復(fù)用”的軟件或系統(tǒng)。

大學(xué)的學(xué)科背景必須關(guān)注
當(dāng)然，關(guān)于報(bào)考自動(dòng)化專業(yè)，有一個(gè)需要注意的地方，即，這個(gè)學(xué)校的自動(dòng)化專業(yè)是否有深的“對(duì)象” 背景。對(duì)象是指，自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行必須附著在一個(gè)物理實(shí)體上，即，它為哪個(gè)領(lǐng)域，比如它是發(fā)電系統(tǒng)、制氫系統(tǒng)—它所需的控制及工程實(shí)現(xiàn)會(huì)有所差異。而通常想能夠得到比較好的專業(yè)訓(xùn)練，通常你必須關(guān)注這個(gè)學(xué)校的自動(dòng)化專業(yè)，它在工程對(duì)象背景方面的積累。或者是否有特色—這很關(guān)鍵。表2列舉了各個(gè)高校自動(dòng)化專業(yè)的強(qiáng)項(xiàng)-基于Kimi幫助下。

表2-各個(gè)高效自動(dòng)化類專業(yè)的強(qiáng)項(xiàng)圖片






為什么要關(guān)注自動(dòng)化專業(yè)各個(gè)高校的這種“對(duì)象關(guān)注”，這主要是因?yàn)樽詣?dòng)化它真正的競(jìng)爭(zhēng)力來自于對(duì)特定對(duì)象的理解—就是這類對(duì)象上的加工、制造過程控制，這個(gè)學(xué)校它有相應(yīng)比較好的實(shí)驗(yàn)室、師資、實(shí)習(xí)、就業(yè)條件。

自動(dòng)化專業(yè)擴(kuò)展性高
自動(dòng)化這個(gè)專業(yè)它比較神奇，啥都學(xué)一點(diǎn)，如果你本科學(xué)習(xí)的自動(dòng)化，當(dāng)然你碩士、博士階段就不一定要學(xué)習(xí)自動(dòng)化。因?yàn)椋@個(gè)專業(yè)你去轉(zhuǎn)向其他方向都還是可以的，本科階段的很多課程有助于你在向電子工程、計(jì)算機(jī)、軟件等方向的遷徙。

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