項目負責人宋永端（中）正在指導學生。（受訪者供圖）

項目

多重約束動態系統的安全可靠控制理論與方法

獎項

重慶市自然科學獎一等獎

成果

項目形成“安全可控、性能可設、資源可省”的控制設計新范式，相當於給高端裝備裝上“智慧大腦”，為其安全可靠運行提供重要理論與技術支撐

高鐵在雨雪天氣中疾馳，怎樣既跑得快，又防打滑、不失穩？機器人在復雜環境中作業，如何既動作快速，又守住安全邊界？衛星在太空調整姿態，怎樣既精准又節省能源？這些看似不同的場景，背后卻藏著同一個難題：復雜工程系統在多重約束下，如何同時做到穩定、精准、安全可靠？

10月16日，在重慶市科學技術獎勵大會上，2025年度重慶市科學技術獎揭曉。由重慶大學、西安交通大學共同完成的“多重約束動態系統的安全可靠控制理論與方法”項目獲得重慶市自然科學獎一等獎。

項目構建起多重約束下的安全可靠控制理論體系，形成“安全可控、性能可設、資源可省”的控制設計新范式，相當於給高端裝備裝上“智慧大腦”，為其安全可靠運行提供重要理論與技術支撐。

一套理論，解開“多重難題”

當前，我國正處於由制造大國向制造強國轉變的關鍵時期，制造業智能升級是核心任務。芯片、通信等基礎技術飛速發展，控制系統在硬件層面的可靠性已得到顯著提高。但在軟件與核心控制算法層面，隨著被控對象復雜化、網絡化、智能化，系統往往同時面臨多重約束交叉制約。

“所有高端裝備，從高鐵、飛行器到機器人，運行時都會同時遭遇多重約束，包括物理性能約束、環境擾動約束、安全容錯約束。”項目負責人、重慶大學人工智能研究院院長宋永端說，傳統控制往往只能兼顧其一、犧牲其余。

他打了個比方：“就像一名賽車手，既要極速前進，又要守住賽道邊界，還要應對突發打滑與爆胎風險，三者同時做到，才真正實現可靠的智能控制。”

過去，國際常見做法是“一類問題、一套方法、一個結論”，把多重約束分散處理，不同問題的方法難以通用。項目團隊做的是把它們裝進一個框架：首次實現統一建模與可控性分析，把分散的控制難題納入同一套理論體系，從機理上打通精度、安全、容錯三者的制約關系。宋永端說，“這真正實現了‘高精度不犧牲安全、高容錯不犧牲性能、強約束不破壞穩定’。”

三項突破，讓控制更“聰明”

10余年來，項目團隊實現了三項根本性突破。

第一項突破是把安全從“事后驗証”前置到“設計內嵌”。團隊從機理底層就把安全機理、穩定性機理以及可解釋性機理注入進去，在數據訓練到算法設計過程中融入安全機制與約束考慮，做到事前就有基本保障。

第二項突破是把控制性能從“定性調節”變成“定量預設”。重要工程系統不僅要穩定、回到平衡點、基本消除誤差，到達平衡點的時間也很關鍵，比如快速目標跟蹤、緊急制動，不僅要准，還要及時。

“系統達到穩定狀態所需時長，叫作收斂時長。”宋永端介紹，過去，收斂時長無法由設計者任意設定，如今，團隊讓收斂時長可以按需設定，且不受初始條件和其他因素影響，徹底解決了這個在國際上50余年沒解決的問題，顯著提升控制的精准性、快速性與運行安全可靠性。讓團隊在這一領域實現國際領跑。

第三項突破是把資源利用從“假設充足”改成“按需適配”。傳統控制方法往往隻考慮結果、不考慮代價，默認通信、計算和能源資源充足。但在無人飛行器、航空航天無人值守系統等裝備中，這些資源都是有限的。團隊的辦法是讓這幾類資源按需觸發，更加節約資源，使整套系統更具可行性和適配性。

多種場景，應用空間廣闊

理論跑通了，應用的門就開了。

宋永端說，以高鐵為例，其運行是典型的多重約束動態系統——軌道附著約束、速度約束、牽引力約束、路面擾動約束並存。傳統控制在雨雪、打滑、軌道突變場景下，容易出現牽引過激、制動失穩、跟蹤偏差。團隊的理論可以實現防滑、穩速、精准牽引、可靠制動，從控制底層杜絕失穩、打滑、失控風險，提升列車運行安全性與乘坐平穩性。

此外，在航空航天領域，團隊的理論已應用於衛星姿態快速控制﹔在機器人領域，實現了靈巧臂手穩定可靠抓取物體。

值得一提的是，團隊正在積極推進產學研合作。“低空經濟以無人機為核心，要真正實現應用，首先就得解決安全可靠問題。”宋永端表示，團隊成果可直接服務於此類應用，提供理論和算法支撐，最終形成產業化應用。

“基礎研究永遠在路上。”宋永端說，接下來，團隊將聚焦可信智能控制、系統自主安全、韌性動態系統三大方向，重點攻克人工智能時代高安全、高可靠、可証明、可落地的新一代控制理論，打造國內自主智能控制理論體系。（新重慶-重慶日報記者 張亦筑 實習生 張席睿）