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1、國科會國科會工程處工程處 98 年規劃主題年規劃主題-智慧型控制方法與應用智慧型控制方法與應用規劃規劃摘要摘要 智慧型控制之子題規劃目標係基於國內現有相關技術，國際發展之趨勢潮流及國家未來 重大之發展所需而訂定，藉此規劃期能整合國內在智慧型控制領域之學者、專家有效地利用 有限的物力資源共同投入最能符合時代需求之研發，不傴可望提昇國內相關工業之水準及實 力、提昇台灣整體之競爭力，亦可進而改善國人生活環境之品質，增進社會之福祉。於是， 由王偉彥教授與陶金旺教授負責之智慧型控制方法與應用主題乃規劃成五項子題：智慧 型控制方法與技術、智慧型環境控制、智慧型控制在運輸系統之應用、人型機器人之智慧型 控制
2、、智慧型重複性學習控制系統。 現代控制理論，諸如線性控制理論、強健性控制、最佳控制，乃至於適應性控制、非線 性控制等，其理論皆推導自系統之精確數學模式。然而因系統環境與動態特性之不確定性， 造成現代控制理論在實務之控制應用上之困難。於是，由人工智慧領域衍生而出之智慧型控 制方法結合了專家之經驗技術與控制觀念，受到了學術界與工業界廣泛的重視與探討。此外， 將智慧型控制與傳統控制結合，以產生確實改善傳統控制性能之控制方式，亦為智慧型控制 之重要發展方向。以下各節將以 93 年工程處規劃主題架構表為參考範本，針對智慧型控制之 重要性作背景說明，並對國內外研究現況與發展趨勢作一評估，進而對此方向作一中
3、、長程 之規劃。 (一一) 國內研究概況國內研究概況 國內對智慧型控制技術的研發主要集中在學校及研究中心，研發領域則涵括模糊控制、 類神經網路控制、遺傳演算法之最佳化控制及灰色理論控制等。模糊控制及類神經網路控制 技術方面的研發幾乎遍佈各大學及技術學院，近年來甚至深入許多原本以實作為主的科技大 學，例如高雄第一科技大學、南開科技大學、南台科技大學等。控制理論與技術的研究方向 上，以模糊控制器的設計技術、類神經網路控制器的創新架構或學習法則及兩者結合技術 （即 模糊類神經網路）為大宗。在應用方面上，有機器手臂控制、磁碟機控制、空調、倒單擺、 沖床、伺服馬達、搬運車等研究。至於理論上的發展（如穩定
4、性、收斂性、最佳化等探討） 則於台灣大學、交通大學、清華大學、台灣科技大學、大同大學、中央大學、成功大學、中 山大學、宜蘭大學等學校均獲得不錯的研究成果。遺傳演算法及灰色理論近年來逐漸風行於 許多學校，其中又以前者的分佈較普遍，主要研究方向是以遺傳演算法協助模糊控制器及類 神經網路控制器的最佳化設計為主。灰色理論的研究在師大、淡江大學、大葉大學及成功大 學、中華大學等已有不錯的研究成果，主要研究方向是灰色理論控制器的設計及灰色理論與 模糊控制器或類神經控制器的結合技術。將智慧型控制與傳統控制結合，產生具優異性能之 控制器設計方式，如模糊滑動控制器等，亦有成果發表於各大學之著作，國內在智慧型控制
5、 技術的基礎研究除了大都集中在學校外，在少數研究中心亦有很好的研究成果，其中以中研 院資訊科學研究所為主軸。 國內廠商對模糊控制相當支持，已有部分產品成功地商業化，但應用層面不如日本廣泛， 目前多集中於家電產品，如東元電機之 Fuzzy 冷氣機、聲寶之電視、洗衣機等，而最早將模 糊控制引入國內的機構-台泥，在水泥旋窯及水泥磨碎機上，也有不少研究成果。 研究成果散見於工業技術研究院的各所之下，如能資所在空調系統上的能源管理、量測 中心的溫控器、電通所的 Fuzzy IC，在機械所的自動辨識系統，另外食品工業發展研究所， 亦有食品加工的模糊控制。 就目前國內環境而言，並不乏優秀人才，事實上也已有更
6、多的人投入這方面的研究。但 國內的研究環境並不算好，受限於資料及實驗器材的取得，使得應用研究相對的貧乏。此外在智慧型控制的領域內，並沒有專責領導或協調機構，導致各研究單位多處於單打獨鬥的狀 況，此乃亟待改善之處。目前國內已成立了幾家專門生產智慧型控制產品的公司，對從事此 方面的有心人士，乃是一大鼓舞。工業局亦曾將 FC 列為亟待發展之十大關鍵零組件，指定 工研院電通所從事發展，並已將研發技術轉移至合泰半導體公司，顯見智慧型控制已成為明 日工業之發展重點，期待能有更多有志之士投入此一領域之研究。 (二二)國外研究概況國外研究概況 目前全球在智慧型控制技術的研發正如火如荼的展開，而在歐、美、日、韓
7、等先進國家 更已凝聚出許多著名的研究中心。在這方面的研究主題由幾年前分散的模糊控制、類神經網 路控制及遺傳演算法等，目前已凝聚在軟性計算(Soft Computing)的新領域下有系統的推動 著。目前世界的研究中心仍是在加州大學柏克萊分校的 Professor Zadeh 實驗室，該中心的 Berkeley Initiative for Soft Computing(BISC)組織已儼然成為世界相關研究者的交流討論中 心。其他像佛羅里達州立大學、阿拉巴馬大學、密蘇里哥倫比亞大學、德州農工理工大學、 依歐那學院等也都是研究重鎮。而航空太空總署亦有不少研究成果，尤其是在模糊類神經網 路的加強式學習
8、技術上更有許多實際應用。 日本在智慧型控制技術的發展一向非常積極，並成立專門機構和許多大學一同來從事理 論性的研究。日本為了推展模糊控制，結合了產、官、學的方向，從 1989 年成立所謂 的LIFE(Laboratory for International Fuzzy Engineering Research)，從事模糊理論的研究，並積 極推動工業應用及技術移轉，在階段性任務圓滿達成後，於 1995 年結案解散。在日本許多大 學中，也有不少教授從事這方面的研究，如 Sugeno、Mizumoto、Yamakawa、Tagaki、Hirota 等人，在國際的智慧型控制領域，佔有相當重要的地位。日
9、本的 Omron、日立、東芝、三菱、 富士等大型公司，對模糊控制的發展不遺餘力，目前應用的範圍包括高爐、加熱爐等大製程 的大型控制，也有車輛、家電，甚至有如藥品注射、焊接等控制，除此之外，日本也嘗詴結 合神經網路及模糊控制，期望能獲得更大的成果。 歐洲方面以德國及法國為中心亦展開對智慧型控制技術的熱烈研究。相較於台灣，這些 歐美及日本國家的企業界，如美國奇異，日本日立、東芝，歐洲飛利普等，在智慧型控制技 術的基礎研究上亦有很好的研究成績。至於中國大陸，則以模糊理論及神經網路理論推導為 大宗，更是灰色理論的發源地。在控制的應用上也有不少，大多用於專家系統評估、預測之 應用，從事這方面的研究人員近
10、萬人，較著名的有北京師範大學的汪培庄、四川大學的劉應 用等人，以如此龐大的人力從事研究，中國大陸應極具潛力。其他地區如韓國、新加坡、越 南等也有相當的研究，是一股不可忽視的力量。 子子題題一一：智慧型控制方法與技術智慧型控制方法與技術( (一一)()(二二) ) 智慧型控制技術之應用主要在結合人工智慧方法與傳統控制理論而成，可有效地利用專 家的知識與經驗或透過反覆訓練的方式，成功地控制複雜的非線性系統。由於係人工智慧及 傳統控制兩領域之結合，且又有廣大的應用作為驅使，因此創新學術發展空間極廣。目前學 術理論界已証明一非線性系統可以模糊系統來逼近，可是規則數過多的情行仍有改善的空 間。因此如何以
11、較少的模糊規則數來代表非線性系統則成為研究的方向。近年來探討非線性 系統與強健模糊系統的關係及相關最佳性能的文獻已成為研究重心。此外，智慧型控制技術 之持續發展，對工業、民生相關產業與交通運輸等至為重要，不傴能設計出具高經濟效益之 控制器，亦能改善控制品質，有助於提昇國內工業產品或工具機在國際市場之競爭力，並提 供人類生活上更舒適、便捷之享受。 1-1. 智慧型控制方法與技術(一) - 羅吉昌教授、曾仲熙教授 智慧型控制之應用主要在結合人工智慧方法與傳統控制理論而成，可有效地利用專家的知識與經驗或透過反覆訓練的方式，成功地控制複雜的非線性系統。由於係人工智慧及傳統控制 兩領域之結合，且又有廣大
12、的應用作為驅使，因此創新學術發展空間極廣，近年來，國際間 有越來越多之國際研討會及期刊論文發表此項學術成果，未來仍適合大批學術界人員的積極 投入及耕耘。國內對於智慧型控制技術的研發主要集中在學校及研究中心，研發領域則涵蓋 模糊控制、類神經控制、整合類神經網路學習機制、發展模糊類神經控制系統、遺傳演算法 之最佳化控制、演化式演算法之控制應用及灰色理論控制等。國外研究方面，目前全球在智 慧控制技術的研發正如火如荼的展開，而在歐美、日韓等先進國家更已凝聚出許多著名的研 究中心。 1-2. 智慧型控制方法與技術(二) - 曾仲熙教授 智慧型控制為近年來漸受重視之控制領域，其主要重點在於結合人工智慧方法
13、與控制理論， 進而應用於實際之工業問題中。一般而言，智慧型控制器主體大概涵蓋了模糊規則庫控制 (Fuzzy Rule-base Control)或灰色理論及類神經網路控制(Neural Network Control)兩大類。衍 生出之智慧型控制器有 DSP-based or FPGA-based or SOC-based 結合 adaptive fuzzy, (and/or) neural network, (and/or) sliding mode, (and/or) backstepping controller 等控制技術。在設計及分 析方面則輔以目前通稱為演化式計算法(Evoluti
14、onary Computations, i.e., genetic algorithm or particle swarm algorithm)、加強式學習(Re-inforcement Learning)等智慧型演算法則。 子題二：子題二：智慧型環境控制智慧型環境控制 - 王偉彥教授、許陳鑑教授、翁慶昌教授王偉彥教授、許陳鑑教授、翁慶昌教授 智慧型環境控制的研究動機主要針對人類日常生活中所必需存在之居住、工作、交通、 休閒、以及運動等環境影響因素中、採取控制學理之感測、控制與致動等智慧型分析與設計 法則，建立安全、完整、舒適、便利之環境，近幾年國內已展開有關智慧型環境控制與管理 的相關研究。
15、尤其在 911 事件之後，各國對於恐怖活動的防範、治安的要求、以及老年與帅 兒照護的需求亦日趨受到重視，因此發展所需之相關技術，不但可幫助我國搶佔全球安全設 備及居家照護產業市場，對於國人的生命財產安全亦多了一層保障。 子題三：子題三：智慧型控制在運輸系統之應用智慧型控制在運輸系統之應用 - 林志民林志民教授教授、許駿飛、許駿飛教授教授 智慧型運輸系統(Intelligent Transportation Systems, ITS)乃是透過先進的資訊、通信、控制 等技術建構於各種運輸載具及管控系統上，以提昇車輛操控的舒適與安全性、或用於改善交 通運輸現況，使既有有限的運輸資源得以發揮最大的效用
16、與效率。美國、歐洲、及日本的推 動組織(分別為 ITS-America、ERTICO 及 VERTIS)皆於 1994 年相繼成立，並由政府每年編列 數十億美元的預算從事研發與實驗。而我國已於 2000 年及 2003 年先後由交通部頒佈 ITS 綱 要計畫及制訂國家智慧型運輸基礎建設與推動方案研擬及其永續發展機制等，鼓勵以新科 技帶動傳統產業。 尤其台灣地區地窄人稠，目前全台機動車輛已超過兩千萬輛，但每輛車帄均占有道路長 度卻不到兩公尺，造成交通嚴重混亂及其他諸多問題，許多民眾每天都為交通壅塞所苦，馬 路也變得愈來愈不安全，去年全台的交通事故超過 15 萬件，原因大都是駕駛疏失或不當駕 駛。而智慧型運輸系統可提升交通安全、增加行車順暢，不失為解決良方，因此有效地施行 智慧型運輸系統的各項措施，除了可以改善交通擁擠，提昇行車安全之外，而且透過有效的 路徑導引與大眾運輸轉乘資訊的提供，亦可減少私有運具的使用，間接地降低機動車輛所產 生的空氣與噪音污染等環境衝擊，符合政府節能減碳的政策執行。 智慧型運輸系統是一種針對不同的車、路、使用人特性
