复杂系统平行控制基础理论及典型应用

Complex systems, such as traffic systems and production systems involve both engineering complexity and social complexity. Most traffic accidents and production accidents happen due to human errors or social factors with serious loss. There is a great need for theory and methodology for modeling, analysis and control of complex systems involving both engineering complexity and social complexity. Therefore, the parallel control theory framework was developed which extented the existing control for engineering complexity to control for both engineering complexity and social complexity，and the ACP methodology is constructed by Artificial Systems, Computional Experiments and Parallel Execution, which have been applied in road traffic control and ethylene production to solve the difficult control problems, by adopting computional description, experiment analysis and operation technologies to control the complex systems. Based on our early practical achievements, this NFSC's key project will conduct the following research works to establish 1) a set of fundamental parallel control theory, including general construction and verification methods of Artificial Systems, design and analysis methods for Computing Experiments based on the established Artificial Systems, and operation mechanisms of Parallel Execution of complex systems; 2) a set of parallel control key technologies,including Linguistic Dynamic Systems (LDS), Adaptive Dynamic Programming (ADP), Agent Based Control (ABC),and CPU+GPU (Graphic Processing Unit) high performance computing technologies; 3) general integration platform of parallel control system, which will be applied to urban traffic control and energy production control to verify the fundamental parallel control theory and key technologies. Theory and application research of this project will push forward the frontier of complex systems research, which has great significance.

交通、生产等复杂系统同时涉及工程复杂性和社会复杂性两方面。目前，绝大多数交通和生产事故及其惨重损失主要是由人或社会因素造成，因此急需研究同时考虑工程要素和社会要素的建模、分析和控制理论和方法。为此，提出解决复杂系统建模、分析与控制的平行控制理论框架，以及由人工系统、计算实验和平行执行构成的ACP方法体系，并在道路交通、乙烯生产等领域初步实践，采用可计算、可实验和可操作的技术手段解决这类复杂系统的控制难题。在前期成果基础上，本项目拟研究出一套平行控制基础理论体系,包括人工系统的通用建造和验证方法、基于人工系统计算实验设计和分析、复杂系统平行执行的运行机制等；平行控制关键技术体系，包括语言动力系统、自适应动态规划、基于代理控制、CPU+GPU高性能计算等；平行控制系统通用集成平台，并在城市交通、能源生产领域应用示范。本项目拟在理论和应用两方面将复杂系统控制研究推向新的发展阶段，具有重要意义。

在过去的20多年里，科学技术的进步和社会的发展使得交通系统、工业系统越来越复杂。这类复杂系统同时涉及工程复杂性和社会复杂性两个方面，呈现动态性、开放性和交互性等特征，难以定量建模与分析、难以认识其动态演化规律，现有的古典控制、现代控制和智能控制方法都难以奏效，因此造成绝大多数的重大事故灾难和巨大损失，这迫使我们不得不正视复杂系统所带来的新的控制问题，急需研究同时考虑工程要素和社会要素的建模、分析和控制理论和方法。.本项目主要研究内容包括：1）建立了一套完整的平行控制基础理论体系，包括人工系统的通用建造和验证方法、基于人工系统计算实验设计和分析、复杂系统平行执行的运行机制等；2）建立了具有原始创新性的一套平行控制关键技术体系，包括语言动力系统、自适应动态规划、基于代理控制、CPU+GPU高性能计算等；3）一套平行控制系统通用集成平台，并在城市交通、能源生产领域应用示范。.项目执行期间，获得省部级奖励5项、国际奖励4项；出版学术专著4本，发表论文350篇，其中期刊论文180篇，SCI收录140余篇，EI收录170余篇；申请/授权专利75项，授权软件著作权33项；晋升院士1人，IEEE Fellow 1人，优青1人，职称晋升10余人，培养博士后、博士研究生和硕士研究生25人。.本项目完善了解决复杂系统建模、分析与控制的平行控制理论框架，以及由人工系统、计算实验和平行执行构成的ACP方法体系，并在道路交通、乙烯生产等领域初步实践。平行控制将理论研究、科学实验和计算技术三种科学研究手段相结合，在传统控制系统基础上，增加了对社会性要素的控制功能，从而提高了认识复杂系统要素相互作用的动态演化规律的能力，以及复杂系统对象自适应地应对变化和非正常状态的能力。平行控制理论在复杂系统研究方法的多元化和集成化上又向前推进了一步，对复杂性科学和智能科学的理论创新具有重要的科学意义。