“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)探索

萬(wàn)雄波　張傳科

摘要：本文分析了我校研究生選修課程“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”的特色，給出了基于不同主線的兩種教學(xué)內(nèi)容安排方式。針對(duì)選課學(xué)生的具體特點(diǎn)，包括研究方向，基本技能，興趣愛(ài)好等，分析了如何充分發(fā)揮這兩種教學(xué)內(nèi)容安排方式的優(yōu)點(diǎn)，提出更合理的教學(xué)內(nèi)容安排方式，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，并提高教學(xué)效果。指出未來(lái)探索的新方向。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)；教學(xué)內(nèi)容安排；網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象；建模方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）50-0116-02

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛快發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)在移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程手術(shù)、智能交通、航空航天等各領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1]。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是指用數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分布在不同區(qū)域的傳感器、控制器和執(zhí)行器等部件之間信息傳遞和信號(hào)傳輸?shù)南到y(tǒng)[2]。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究，不僅能夠促進(jìn)其在各行各業(yè)深入廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也為控制學(xué)科其他領(lǐng)域的研究，如基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)等提供借鑒和參考。正是基于這種考慮，我校開(kāi)設(shè)了研究生專業(yè)選修課程“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”。

有別于其他以現(xiàn)場(chǎng)總線為背景的同類課程[3]，我校開(kāi)設(shè)的“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”課程主要講授網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法。針對(duì)由于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限產(chǎn)生的諸如時(shí)滯、丟包、亂序、量化誤差等各種網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象，建立合適的數(shù)學(xué)模型，并基于所建立的數(shù)學(xué)模型，采用控制理論的方法探討網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。

針對(duì)我?！熬W(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”課程的特色，在教學(xué)內(nèi)容的安排方面我們嘗試了如下幾種思路。

一、以網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象為主線的教學(xué)內(nèi)容安排

有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬產(chǎn)生的各種網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。同時(shí)，這些網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象極大地增加了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。因此，我?！熬W(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”課程所探討的一個(gè)核心問(wèn)題就是如何分析網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)性能的影響以及如何給出控制系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

在教學(xué)內(nèi)容的安排上，一個(gè)很自然的想法就是以各種網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象為主線。從簡(jiǎn)單現(xiàn)象入手，先講授只存在某一種網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象時(shí)，網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法。例如，在講述時(shí)滯現(xiàn)象時(shí)，可以分別介紹典型的區(qū)間時(shí)變時(shí)滯、Markov隨機(jī)過(guò)程等描述方法；在講述丟包現(xiàn)象時(shí)，可介紹時(shí)滯、隨機(jī)和切換等描述方法。

由于帶寬有限，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的各種網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象都有可能發(fā)生，因此，單獨(dú)針對(duì)某種網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法可能在許多場(chǎng)合并不適用，需要進(jìn)一步考慮多種網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象都可能發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。在學(xué)生已掌握上述單個(gè)網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象的處理方法后，可進(jìn)一步講授多種網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象的處理方法。例如針對(duì)可能同時(shí)出現(xiàn)丟包和時(shí)滯的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，可以分別講授基于時(shí)滯系統(tǒng)方法、基于Markov跳變系統(tǒng)方法和基于切換系統(tǒng)方法等建立統(tǒng)一模型，并進(jìn)而介紹系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法。

上述以網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象為主線的內(nèi)容安排方式，可使學(xué)生較好地理解網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象的成因和類型，認(rèn)識(shí)到網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)建模的重要性，從整體的角度把握網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究的脈絡(luò)。但這種以網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象為主線的教學(xué)內(nèi)容安排不利于學(xué)生對(duì)基本控制理論和方法的掌握。例如在分別介紹時(shí)滯和丟包現(xiàn)象時(shí)，通常會(huì)相繼介紹時(shí)滯系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)以及切換系統(tǒng)的建模方法等，并簡(jiǎn)單介紹對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法。這樣的安排容易讓學(xué)生眼花繚亂，尤其不利于學(xué)生系統(tǒng)掌握時(shí)滯、隨機(jī)以及切換系統(tǒng)的分析和處理方法，而這類系統(tǒng)的處理方法在研究控制學(xué)科其他分支，如多智能體系統(tǒng)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、基因網(wǎng)絡(luò)等將起到至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)于“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”課程而言，單純以網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象為主線的教學(xué)內(nèi)容安排方式通常并不可取。

二、以建模方法為主線的教學(xué)內(nèi)容安排

“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”課程的另一種可能的內(nèi)容安排方式是以建模方法為主線。即分別介紹網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的常用建模方法，如時(shí)滯系統(tǒng)方法、隨機(jī)系統(tǒng)方法以及切換系統(tǒng)方法等，并在此基礎(chǔ)上，相繼介紹可以分別采用時(shí)滯、隨機(jī)和切換方法描述的具有一種或多種網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法。

這種以建模方法為主線的教學(xué)內(nèi)容安排方式，盡管強(qiáng)化了對(duì)常用控制理論和方法的講授，但卻不利于學(xué)生對(duì)“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”課程的整體把握，尤其不利于學(xué)生系統(tǒng)地了解各種網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象的類別、成因和分析方法等。因此，以建模方法為主線的“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容安排方式同樣也有很多不足之處。

三、基于學(xué)生特點(diǎn)分析的教學(xué)內(nèi)容安排

以網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象和以建模方法為主線的“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容安排方式都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因此需要探索一種更為合理的教學(xué)內(nèi)容安排方式，充分發(fā)揮以上兩種教學(xué)內(nèi)容安排方式的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。

經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐和大量調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)采用如下的方式優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容安排，可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，并提高教學(xué)效果。即針對(duì)選課學(xué)生的不同特點(diǎn)，因材施教，在以網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)現(xiàn)象為主線安排教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，有針對(duì)性地加強(qiáng)部分建模方法的講授。

選課學(xué)生的特點(diǎn)（包括研究方向，基本研究技能，興趣愛(ài)好等）不同，他們對(duì)課程內(nèi)容的需求也有所不同。例如大部分學(xué)生都將開(kāi)展與時(shí)滯相關(guān)的研究，那么考慮到學(xué)生對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)等方面知識(shí)的需求，同時(shí)也為了促進(jìn)學(xué)生更好地理解基于時(shí)滯系統(tǒng)方法的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，可以適當(dāng)安排部分學(xué)時(shí)，專門加強(qiáng)時(shí)滯系統(tǒng)理論和方法的講授，并強(qiáng)調(diào)這些新的時(shí)滯系統(tǒng)方法在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。這樣，不僅可以使學(xué)生從整體的角度了解網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的基本概念以及分析與設(shè)計(jì)方法等，而且通過(guò)加強(qiáng)對(duì)具體控制理論和方法的講授，對(duì)學(xué)生今后從事網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的研究也大有裨益。

四、今后探索的方向

在今后的教學(xué)過(guò)程中，要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生特點(diǎn)的調(diào)研，并基于這些特點(diǎn)進(jìn)一步探索更合理的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容安排方式。此外，還要加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的講授[4]，針對(duì)具體的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，講授實(shí)際系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，提高學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析和解決能力。在教學(xué)方式上，要增加與學(xué)生的互動(dòng)和研討環(huán)節(jié)，通過(guò)課程論文演講與答辯等各種形式，提高學(xué)生課堂參與度，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)其自學(xué)能力。

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