图式理论在复杂系统控制中的应用研究
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摘要
控制理论经过100多年的发展，在描述相对简单的系统方面取得了巨大的成功。然而，现实生活中更多的是复杂系统，如复杂的工业生产过程、计算机集成制造系统、智能机器人系统等，控制理论亟需在复杂系统控制领域取得突破性的进展。与此同时，复杂性科学在对复杂系统的描述与模拟，并将其应用于探讨复杂系统的进化与功能的本质方面取得了显著的成功，但在控制这些系统方面还无能为力。因此控制理论与复杂性科学正越来越趋向于对同一问题，即复杂系统控制的研究。
正是基于上述背景，本文在分析图式理论和仿人智能控制理论的基础上建立适合于复杂系统控制的仿人智能控制理论——基于动觉智能图式的仿人智能控制理论(SMIS-HSIC)。本文主要完成了以下工作：
(1) 综述认知心理学和人工智能等领域的图式理论体系，在综合其他学者对图式概念理解的基础上，给出了图式更详细更精确的定义，这对本课题的后续研究起了规范性、指导性的作用。
(2) 探讨图式理论应用于复杂系统控制的可能性，分析其研究内容和关键问题。从图式理论和人体的动觉智能结合的角度研究动觉智能图式。分析人体控制系统的结构，提出从动觉智能图式的角度模仿人体控制系统的思想。
(3) 分析机器人控制结构设计中应用很广并比较成熟的方法——运动图式法，这对定性定量描述图式具有着重要的借鉴作用。
(4) 介绍图式学习和进化的基础理论——遗传算法，给出了遗传算法中图式的定义、相关的几个概念以及图式定理。动觉智能图式的同化、顺应和学习进化的方法和算法研究是本课题后续研究的主要内容之一。
(5) 本文的重点在于讨论建立基于动觉智能图式的仿人智能控制理论。研究感知图式、运动图式、关联图式以及动觉智能图式的结构和描述方法，并给出了它们的详细定义。讨论仿人智能单元控制级中的动觉智能图式思想，探讨基于动觉智能图式的仿人智能控制理论的基本思想、亟需解决的难题，探讨基于动觉智能图式的仿人智能控制器设计方法，并以小车—二级摆的摆起倒立控制为例加以阐述。
Having been developed for over 100 years, control theory has made a great success in describing relative simple systems. But there are more complex systems in real life, such as complex industrial production processes, computer integrated manufacturing systems, intelligent robot systems, etc. It is urgent for control theory to make a remarkable progress in the control of complex systems. At the same time, complexity science has made a success in describing, simulating complex systems and applying these achievements in discussing evolution of complex systems and their essence of function, but it is incapable of controlling these complex systems. Therefore control theory and complexity science tend to the research of the same problem, that is, control of complex systems.
Under this background and based on analyzing schema theory and Human Simulated Intelligent Control(HSIC) theory in detail, we try to establish HSIC theory fit for the control of complex systems, that is, Sensory-Motor Intelligent Schemas based HSIC(SMIS-HSIC). The main works of this dissertation are shown as follows:
(1) We summarize schema theory in cognitive science and artificial intelligence. Based on the comprehension of other researchers, we put forward a preciser and more detailed definition of schema, which is of instructional and canonical significance to the successive researches of this project.
(2) We discuss the possibilities, research contents and key problems of applying schema theory to the control of complex systems. We study SMIS from point of view of combining schema with kinesthetic intelligence, that is, Bodily Kinesthetic Intelligent Schema(BKIS). We analyze architecture of human body control system, and put forward the thought of imitating human body control system from BKIS point of view.
(3) We analyze Motor Schema method, which is a ralative mature technology and widely used in design of control architecture of robots, and from which we can distill the thoughts in qualitatively and quantificationally describing schemas.
(4) We introduce basic theory of schemas in learning and evolution, that is, genetic algorithm. We discuss the definition of schemas, several relative concepts and schema theorem in genetic algorithm. Algorithms research of SMIS in assimilation, accommodation and learning is one of the main works of successive researches.
(5) The emphasis of this dissertation lies in establishing SMIS-based HSIC, including describing perceptual schemas, motor schemas，associated schemas and SMIS qualitatively and quantificationally, giving their structures and detailed definitions, discussing basic thoughts, difficult problems of SMIS based HSIC theory, discussing design steps of SMIS-based HSIC controller, etc. At last, we give an example, that is,
swinging up and handstand control of cart-double pendulum system, to illuminate design method of SMIS based HSIC controller.
正是基于上述背景，本文在分析图式理论和仿人智能控制理论的基础上建立适合于复杂系统控制的仿人智能控制理论——基于动觉智能图式的仿人智能控制理论(SMIS-HSIC)。本文主要完成了以下工作：
(1) 综述认知心理学和人工智能等领域的图式理论体系，在综合其他学者对图式概念理解的基础上，给出了图式更详细更精确的定义，这对本课题的后续研究起了规范性、指导性的作用。
(2) 探讨图式理论应用于复杂系统控制的可能性，分析其研究内容和关键问题。从图式理论和人体的动觉智能结合的角度研究动觉智能图式。分析人体控制系统的结构，提出从动觉智能图式的角度模仿人体控制系统的思想。
(3) 分析机器人控制结构设计中应用很广并比较成熟的方法——运动图式法，这对定性定量描述图式具有着重要的借鉴作用。
(4) 介绍图式学习和进化的基础理论——遗传算法，给出了遗传算法中图式的定义、相关的几个概念以及图式定理。动觉智能图式的同化、顺应和学习进化的方法和算法研究是本课题后续研究的主要内容之一。
(5) 本文的重点在于讨论建立基于动觉智能图式的仿人智能控制理论。研究感知图式、运动图式、关联图式以及动觉智能图式的结构和描述方法，并给出了它们的详细定义。讨论仿人智能单元控制级中的动觉智能图式思想，探讨基于动觉智能图式的仿人智能控制理论的基本思想、亟需解决的难题，探讨基于动觉智能图式的仿人智能控制器设计方法，并以小车—二级摆的摆起倒立控制为例加以阐述。
Having been developed for over 100 years, control theory has made a great success in describing relative simple systems. But there are more complex systems in real life, such as complex industrial production processes, computer integrated manufacturing systems, intelligent robot systems, etc. It is urgent for control theory to make a remarkable progress in the control of complex systems. At the same time, complexity science has made a success in describing, simulating complex systems and applying these achievements in discussing evolution of complex systems and their essence of function, but it is incapable of controlling these complex systems. Therefore control theory and complexity science tend to the research of the same problem, that is, control of complex systems.
Under this background and based on analyzing schema theory and Human Simulated Intelligent Control(HSIC) theory in detail, we try to establish HSIC theory fit for the control of complex systems, that is, Sensory-Motor Intelligent Schemas based HSIC(SMIS-HSIC). The main works of this dissertation are shown as follows:
(1) We summarize schema theory in cognitive science and artificial intelligence. Based on the comprehension of other researchers, we put forward a preciser and more detailed definition of schema, which is of instructional and canonical significance to the successive researches of this project.
(2) We discuss the possibilities, research contents and key problems of applying schema theory to the control of complex systems. We study SMIS from point of view of combining schema with kinesthetic intelligence, that is, Bodily Kinesthetic Intelligent Schema(BKIS). We analyze architecture of human body control system, and put forward the thought of imitating human body control system from BKIS point of view.
(3) We analyze Motor Schema method, which is a ralative mature technology and widely used in design of control architecture of robots, and from which we can distill the thoughts in qualitatively and quantificationally describing schemas.
(4) We introduce basic theory of schemas in learning and evolution, that is, genetic algorithm. We discuss the definition of schemas, several relative concepts and schema theorem in genetic algorithm. Algorithms research of SMIS in assimilation, accommodation and learning is one of the main works of successive researches.
(5) The emphasis of this dissertation lies in establishing SMIS-based HSIC, including describing perceptual schemas, motor schemas，associated schemas and SMIS qualitatively and quantificationally, giving their structures and detailed definitions, discussing basic thoughts, difficult problems of SMIS based HSIC theory, discussing design steps of SMIS-based HSIC controller, etc. At last, we give an example, that is,
swinging up and handstand control of cart-double pendulum system, to illuminate design method of SMIS based HSIC controller.
引文
[1] 戴汝为. 组织管理的途径与复杂性探讨. 科学. 1998年第6期
[2] 皮亚杰著. 皮亚杰儿童智力理论
[3] 皮亚杰著. 倪连生、王琳译. 结构主义. 商务印书馆. 1984
[4] 皮亚杰著. 王宪钿等译. 发生认识论原理. 商务印书馆. 1986
[5] 皮亚杰著. 高如峰、陈丽霞译. 儿童智力的起源. 教育科学. 1990年7月.
[6] 周雯. 群在发生认识论中的应用简介
[7] 皮亚杰著. 应厚昌译. 命题运算. 皮亚杰发生认识论文选. 左任侠、李其维主编. 华东师范大学出版社. 1991. 420-428页
[8] 张必隐著. 阅读心理学. 北京师范大学出版社. 1992年
[9] 苏珊·格林菲尔德著. 杨雄里等译. 人脑之谜. 上海科学技术出版社. 1998
[10] Michael A. Arbib, E. Jeffrey Conklin, Jane C. Hill, From Schema Theory to Language, Oxford University Press, 1987.
[11] Sandra P. Marshall, Schemas in problem solving, New York: Cambridge University Press, 1995.
[12] Ronald C. Arkin, Motor Schema-Based Mobile Robot Navigation, International Journal of Robotics Research, Vol 8, No 4, August 1989, pp92-112, 1989.
[13] Tucker Balch, Ronald C. Arkin, Motor Schema-based Formation Control for Multi-agent Robot Teams, Proceedings of the First International Conference on Multi-agent Systems (ICMAS'95).
[14] George Maistros and Gillian Hayes, An imitation mechanism inspired from neurophysiology, In Proceedings of EmerNet: Third International Workshop on Current Computational Architectures Integrating Neural Networks and Neuroscience, Durham, August 2000.
[15] R. Poli and W. B. Langdon, An Experimental Analysis on Schema Creation, Propagation and Disruption in Genetic Programming, In E Goodman, Ed. Proceedings of Seventh International Conference on Genetic Algorithms, pp. 18-25, Michigan State University, East Lansing, USA, July 1997. Morgan Kaufmann.
[16] 张本祥. 复杂系统的预测、组织与控制. International Society for the Systems Sciences 46th Annual Meeting(ISSS2002). 2002年8月
[17] 邬建国、韩兴国主编. 复杂性科学及其生态学应用. 现代生态学讲座(第二卷)－基础研究与环境问题. 科学出版社. 2001
[18] 刘永泰. 复杂系统的控制－控制论面临的新课题. 自动化与仪表. 1996年第1期
[19] 戴汝为主编. 复杂性研究文集. 中科院自动化所复杂系统与智能科学实验室. 1999
[20] 苗东升. 论复杂性. 自然辩证法通讯. 2000年6期
[21] 吴彤. 复杂性和非线性研究及其哲学问题评述. 哲学动态. 1999年第12期
[22] 邓宏钟、谭跃进、迟妍. 一种复杂系统研究方法——基于多智能体的整体建模仿真方法. 系统工程. 2000年7月
[23] 沃尔德罗普著. 陈玲译. 复杂――诞生于秩序与混沌边缘的科学. 三联书店. 1997年
[24] K. Mainzer，Thinking in Complexity－The Complex Dynamics of Matter，Mind and Mankind，Spring-Verlag，1994，中文版. 曾国屏译. 复杂性中的思维. 中央编译出版社. 1999
[25] 郝柏林. 复杂性的刻画与复杂性科学. 科学(上海). 51卷3期. 1999
[26] RoboCup机器人足球仿真比赛开发设计流程. 浙江大学工业控制技术国家重点实验室机器人足球RoboCup仿真研究小组
[27] Guido Baroni，New Insight in Human Motor Control through Quantitative Analysis of Intra-Vehicular Activities in Long-Term Space Flight，Ph.D. Thesis in Biomedical Engineering
[28] 黄闪、孔毅. 智能机器人体系结构与全局数据库设计与实施. 沈阳工业大学学报. 1999年2月
[29] 李春、郑志强. 协作多机器人系统的模块化设计与实现. 机器人. 1999年第3期
[30] 杨玉君、陈佳品、程君实、李小海. 基于行为的自主微小移动机器人智能体系结构研究. 计算机工程与应用. 2002.07
[31] 曹志强、王硕、张斌、谭民. 基于Motor Schema的多移动机器人队形优化控制. 控制与决策. 2001年11月
[32] 王于、林良明、颜国正. 基于包容结构的移动机器人混合式控制结构. 机器人. 2002年3月
[33] R. Brooks, A Robust Layered Control System for a Mobile Robot. IEEE Journal of Robotics and Automation, 2 (1), 1986.
[34] Paolo Pirjanian, An Overview of System Architectures for Action Selection in Mobile Robotics, Tech-report, Laboratory of Image Analysis, Aalborg University, 1997.
[35] Paolo Pirjanian, Action Selection Mechanisms, State of the art, Tech-report, Laboratory of Image Analysis, Aalborg University, Feb., 1998.
[36] 王天然、朱枫等. 一个开放式移动机器人体系结构. 机器人. 1995年7月
[37] 张钹. 传统人工智能与控制技术的结合. 控制理论与应用. 1994年02期
[38] Marc Carreras, An Overview of Behavioural-based Robotics with Simulated Implementations on an Underwater Vehicle, Report of Robotics and Computer Vision group, University of Girona. Spain, October, 2000.
Arkin, R. C., et. al., Buzz: An Instantiation of a Schema-Based Reactive Robotic System, Proc.
[39] International Conference on Intelligent Autonomous Systems: IAS-3, Pittsburgh, PA., Pg 418-427, 1993.
[40] M. Carreras, J. Batlle and P. Ridao. Reactive control of an AUV using Motor Schemas. QA&R2000, International conference on Quality control, Automation and Robotics. Cluj Napoca, Rumania. 19-20 May, 2000
[41] Arkin, R.C., Cervantes-Perez, F., and Weitzenfeld, A., Ecological Robotics: A Schema-Theoretic Approach, Intelligent Robots: Sensing, Modelling and Planning, eds. R.C.Bolles, H.Bunke, and H.Noltemeier, pp 377-393, World Scientific, 1997.
[42] 王小平、曹立明著. 遗传算法——理论、应用与软件实现. 西安交通大学出版社. 1998年
[43] 周明、孙树栋. 遗传算法原理及应用. 国防工业出版社. 1999年
[44] 韩玉兵. 遗传算法数学机理分析. 河海大学学报. 2001年第3期
[45] 郑金华、蔡自兴. 遗传算法中的模式及其转换初探. 计算机工程与应用. 2000年第4期
[46] 戴晓晖、李敏强、寇纪淞. 遗传算法理论研究综述. 控制与决策. 2000年5月
[47] 林丹、寇纪淞、李敏强. 遗传规划研究与应用中的若干问题. 管理科学学报. 1999.12
[48] Zhou Qi Jian, Bai Jianguo . An Intelligent Controller of Novel Design. Proceedings of A Multinational Instrument Conference.1983
[49] 李祖枢、涂亚庆著. 仿人智能控制. 国防工业出版社. 2003年
[50] 李祖枢、曾洎、温永玲. 基于人体动觉智能图式的小车二级摆系统摆起倒立控制. 2002
[51] 钟绍春、刘大有、陈建中. 开放、自适应、分布式多Agent系统. 吉林大学自然科学学报. 1996年2月
[52] Arkin, R.C. and Balch, T. , AuRA: Principles and practice in review, Journal of Experimental and Theoretical Artificial Intelligence, 9(1997)175-189, 1997.
[53] 郭巧. 现代机器人学——仿生系统的运动感知与控制. 北京理工大学出版社. 1999年7月第1版
[54] 王庆林. 自动控制理论的早期发展历史. 自动化博览. 1996年第5期22-25
[2] 皮亚杰著. 皮亚杰儿童智力理论
[3] 皮亚杰著. 倪连生、王琳译. 结构主义. 商务印书馆. 1984
[4] 皮亚杰著. 王宪钿等译. 发生认识论原理. 商务印书馆. 1986
[5] 皮亚杰著. 高如峰、陈丽霞译. 儿童智力的起源. 教育科学. 1990年7月.
[6] 周雯. 群在发生认识论中的应用简介
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[12] Ronald C. Arkin, Motor Schema-Based Mobile Robot Navigation, International Journal of Robotics Research, Vol 8, No 4, August 1989, pp92-112, 1989.
[13] Tucker Balch, Ronald C. Arkin, Motor Schema-based Formation Control for Multi-agent Robot Teams, Proceedings of the First International Conference on Multi-agent Systems (ICMAS'95).
[14] George Maistros and Gillian Hayes, An imitation mechanism inspired from neurophysiology, In Proceedings of EmerNet: Third International Workshop on Current Computational Architectures Integrating Neural Networks and Neuroscience, Durham, August 2000.
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[22] 邓宏钟、谭跃进、迟妍. 一种复杂系统研究方法——基于多智能体的整体建模仿真方法. 系统工程. 2000年7月
[23] 沃尔德罗普著. 陈玲译. 复杂――诞生于秩序与混沌边缘的科学. 三联书店. 1997年
[24] K. Mainzer，Thinking in Complexity－The Complex Dynamics of Matter，Mind and Mankind，Spring-Verlag，1994，中文版. 曾国屏译. 复杂性中的思维. 中央编译出版社. 1999
[25] 郝柏林. 复杂性的刻画与复杂性科学. 科学(上海). 51卷3期. 1999
[26] RoboCup机器人足球仿真比赛开发设计流程. 浙江大学工业控制技术国家重点实验室机器人足球RoboCup仿真研究小组
[27] Guido Baroni，New Insight in Human Motor Control through Quantitative Analysis of Intra-Vehicular Activities in Long-Term Space Flight，Ph.D. Thesis in Biomedical Engineering
[28] 黄闪、孔毅. 智能机器人体系结构与全局数据库设计与实施. 沈阳工业大学学报. 1999年2月
[29] 李春、郑志强. 协作多机器人系统的模块化设计与实现. 机器人. 1999年第3期
[30] 杨玉君、陈佳品、程君实、李小海. 基于行为的自主微小移动机器人智能体系结构研究. 计算机工程与应用. 2002.07
[31] 曹志强、王硕、张斌、谭民. 基于Motor Schema的多移动机器人队形优化控制. 控制与决策. 2001年11月
[32] 王于、林良明、颜国正. 基于包容结构的移动机器人混合式控制结构. 机器人. 2002年3月
[33] R. Brooks, A Robust Layered Control System for a Mobile Robot. IEEE Journal of Robotics and Automation, 2 (1), 1986.
[34] Paolo Pirjanian, An Overview of System Architectures for Action Selection in Mobile Robotics, Tech-report, Laboratory of Image Analysis, Aalborg University, 1997.
[35] Paolo Pirjanian, Action Selection Mechanisms, State of the art, Tech-report, Laboratory of Image Analysis, Aalborg University, Feb., 1998.
[36] 王天然、朱枫等. 一个开放式移动机器人体系结构. 机器人. 1995年7月
[37] 张钹. 传统人工智能与控制技术的结合. 控制理论与应用. 1994年02期
[38] Marc Carreras, An Overview of Behavioural-based Robotics with Simulated Implementations on an Underwater Vehicle, Report of Robotics and Computer Vision group, University of Girona. Spain, October, 2000.
Arkin, R. C., et. al., Buzz: An Instantiation of a Schema-Based Reactive Robotic System, Proc.
[39] International Conference on Intelligent Autonomous Systems: IAS-3, Pittsburgh, PA., Pg 418-427, 1993.
[40] M. Carreras, J. Batlle and P. Ridao. Reactive control of an AUV using Motor Schemas. QA&R2000, International conference on Quality control, Automation and Robotics. Cluj Napoca, Rumania. 19-20 May, 2000
[41] Arkin, R.C., Cervantes-Perez, F., and Weitzenfeld, A., Ecological Robotics: A Schema-Theoretic Approach, Intelligent Robots: Sensing, Modelling and Planning, eds. R.C.Bolles, H.Bunke, and H.Noltemeier, pp 377-393, World Scientific, 1997.
[42] 王小平、曹立明著. 遗传算法——理论、应用与软件实现. 西安交通大学出版社. 1998年
[43] 周明、孙树栋. 遗传算法原理及应用. 国防工业出版社. 1999年
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[46] 戴晓晖、李敏强、寇纪淞. 遗传算法理论研究综述. 控制与决策. 2000年5月
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[48] Zhou Qi Jian, Bai Jianguo . An Intelligent Controller of Novel Design. Proceedings of A Multinational Instrument Conference.1983
[49] 李祖枢、涂亚庆著. 仿人智能控制. 国防工业出版社. 2003年
[50] 李祖枢、曾洎、温永玲. 基于人体动觉智能图式的小车二级摆系统摆起倒立控制. 2002
[51] 钟绍春、刘大有、陈建中. 开放、自适应、分布式多Agent系统. 吉林大学自然科学学报. 1996年2月
[52] Arkin, R.C. and Balch, T. , AuRA: Principles and practice in review, Journal of Experimental and Theoretical Artificial Intelligence, 9(1997)175-189, 1997.
[53] 郭巧. 现代机器人学——仿生系统的运动感知与控制. 北京理工大学出版社. 1999年7月第1版
[54] 王庆林. 自动控制理论的早期发展历史. 自动化博览. 1996年第5期22-25