Jens G. Balchen er professor emeritus ved NTNUs Institutt
for teknisk kybernetikk.
FOTO: GØRIL KLEMETSEN |
Glimt fra virksomheten
Teknisk kybernetikk
– et fagområde i sterk vekst
Av Jens G. Balchen
Den kjente amerikanske MIT-matematikeren, professor Norbert Wiener,
lanserte i 1947 begrepet cybernetics som læren om "control and communication
in the animal and the machine" (Wiener, 1948 Technology Press, J. Wiley).
Cybernetics er avledet av det greske ordet kybernetes som betyr "rormann
eller den som styrer".
En latinsk variant av det samme ordet er gubernare, som finnes igjen
i governor (eng. regulator) og guvernør. Allerede tidlig i forrige
århundre arbeidet fysikeren og filosofen Andrè Mariè
Ampère med cybernetique som "læren om det å regjere".
Reguleringsteknikken, som er en viktig del av teknisk kybernetikk, har
som fagdisiplin eksistert i flere hundre år. Vi kjenner jo bl.a.
James Watt‘s berømte regulator for dampmas-kinen. Men under den
2. verdenskrig skjedde det en dramatisk ekspansjon av det teoretiske såvel
som det teknologiske fundament for det som da gjerne ble betegnet servoteknikk.
Figur 1: Den tekniske kybernetikks elementer og
relasjoner til andre fagfelter og kulturer.
|
Adferdsteori |
Fiskekybernetikk |
|
Systemanalyse + simulering |
Økologi/Fysiologi
Industrielle systemer |
|
Systemteori |
Matematikk |
|
Prosessregulering |
Prosess + Energiteknikk |
|
Robotteknikk |
Maskinteknikk |
| KYBERNETIKK |
Navigasjon + Fartøystyring |
Marinteknikk |
|
Instrumenteringsteknikk |
Målefysikk |
|
Datateknikk |
Programvare
Elektronikk |
|
DAK |
CAMO
CYPROS |
|
Diagnose |
Medisin |
Dette hadde selvsagt å gjøre med utviklingen av nye våpensystemer
som i høy grad var preget av "automatisk styring". MIT var et av
de viktigste forskningssentre for den nye utviklingen som Wiener ga viktige
bidrag til. Men Wiener var også interessert i biologis-ke og sosiologiske
spørsmål, og så for seg en utvikling der man kunne benytte
metoder fra analyse av komplekse tekniske systemer også på
biologiske og sosiologiske systemer. Wiener var en av de første
til å erkjenne viktigheten av begrepet informasjon som noe som kan
genereres, måles, transmitteres, lag-res, foredles og forbrukes på
like fot med ener-gi, materialer o.l. I våre dager er informasjons-teknologi
blitt en helt avgjørende faktor i næringslivet og alle menneskers
dagligliv. Tek-nisk kybernetikk og informasjonsteknologi er i betydelig
grad sammenfallende begreper som er sprunget ut av det samme teoretiske
funda-ment og som benytter de samme teknologiske virkemidler. Et forsøk
på å beskrive den tekniske kyber-netikks elementer og relasjoner
til andre fagfelter og kulturer er vist i figur 1.
Her er kybernetik-kens 10 delområder (systemteori, prosessregu-lering,
robotteknikk, navigasjon + fartøystyring, instrumenteringsteknikk,
datateknikk, datamas-kinassistert konstruksjon, diagnose, adferdsteori,
systemanalyse + simulering) relatert til kjente vitenskapelige og tekniske
disipliner.
Figur 2: Antall fast ansatte i vitenskapelige og tekniske
stillinger samt stipendiater.
FIG: TEKNISK KYBERNETIKK
NTH TIDLIG MED I 1950-ÅRENE
Allerede omkring 1950 kom det igang en rekke forsknings- og utdanningsprogrammer
ved universiteter, særlig i USA og England, innen teknisk kybernetikk
(servoteknikk). Flere nordmenn fikk utdanningsstipend for å videreutdanne
seg. Norges tekniske høg-skole (NTH) kom med allerede fra 1950,
og i 1954 ble det opprettet et dosentur i Regu-leringsteknikk ved Elektroteknisk
avdeling. Dermed var Institutt for Reguleringsteknikk etablert som senere
(i 1972) hadde vokst slik i faglig bredde, at instituttet fikk betegnelsen
Institutt for teknisk kybernetikk (ITK).
Figur 3a og b : Antall uteksaminerte sivilingeniører
og doktoringeniører.
FIG: TEKNISK KYBERNETIKK
Fra sin begynnelse i første halvdel av 1950- årene frem
til 1995, var det en sterk utvikling i omfanget av undervisning, forskning,
beman-ning og budsjetter. Et inntrykk av denne utvik-lingen får en
i figur 2 som viser antall fast ansatte i vitenskapelige
og tekniske stillinger og stipendiater, i figur 3 antall
uteksaminerte sivil-ingeniører og doktoringeniører, og i
figur 4 antall underviste fag på sivilingeniør-
og dok-torgradnivå. I 1995 hadde Instituttet 8 professorer, 1 før-steamanuensis,
1 amanuensis og 5 professor II. Forskning har alltid vært høyt
prioritert ved Institutt for teknisk kybernetikk. Den første bevilgning
til et forskningsprosjekt ved Institut-tet fikk man fra Norges Teknisk
- Naturviten-skapelige Forskningsråd (NTNF) allerede i 1952 (før
instituttet ble formelt etablert) til utvikling av Analogregnemaskinen
Diana. Siden har Instituttet mottatt forskningsbevilgninger hvert eneste
år uten avbrudd fra den samme kilden. Instituttet har gjennomført
alene og sammen med andre institutter (fremfor alt SIN-TEF avd. Reguleringsteknikk),
et stort antall betydelige forskningsprogrammer som det skal gis glimt
fra i det følgende.
Figur 4: Antall semesterfag på sivilingeniør-
og doktorgrad-nivå.
FIG: TEKNISK KYBERNETIKK
KYBERNETIKK – EN FASCINERENDE VITENSKAP MED MANGE GRENER
Kybernetikken, som altså er en informasjonsvi-tenskap, handler
om hvordan man styrer dyna-miske systemer. Et dynamisk system kan være
alt fra et fartøy, en kjemisk reaktor, en elektrisk generator, et
fiskeredskap, en fiskestim, et organ i menneskekroppen, eller en gruppe
individer (dyr eller mennesker). Å forstå og beskrive på
en rasjonell måte hvordan kompliserte systemer oppfører seg
dynamisk ved gjensidige påvirkninger mellom forskjellige delelementer
er en grunnleggende forutsetning i kybernetikken. Det er mange stu-denter
som i årenes løp har hatt en sterk opple-velse når de
gjennom sin undervisning i regule-ringsteori forstår hvordan de kan
beskrive komplekse systemers adferd gjennom bruk av effektive matematiske
verktøy. Ved Institutt for teknisk kybernetikk har man i over 40
år fremfor alt arbeidet med den teknis-ke delen av kybernetikken,
men også gitt bidrag til visse grener av biokybernetikken. Vi kan
gjerne støtte oss til figur 1 i beskri-velse
av de forskjellige innsatsfelter som har dominert kybernetikken ved Instituttet.
Og da er det naturlig å begynne øverst med systemteori.
Figur 5: Ulineær Modellbasert regulering (prinsippskisse).
FIG: TEKNISK KYBERNETIKK
Kanskje den største del av instituttets virk-somhet, har vært
viet til teoretisk analyse av komplekse systemer i forskjellige sammenheng-er.
Mange av instituttets vitenskapelige medar-beidere er høyt teoretisk
skolerte og har gitt vik- tige bidrag til den internasjonale litteratur
på området. Ofte er de systemteoretiske arbeider knyttet til
konkrete problemstillinger, f.eks. i forbindelse med prosessregulering,
robottek-nikk, navigasjon og fartøystyring eller generell industriell
systemanalyse. Dette har gjort at mange av bidragene har vært særlig
verdifulle.
Prosessindustri
Den industrigren som i lengre tid har bidratt mest til norsk økonomi,
er proses-sindustrien, omfattende elektrometallurgisk industri, treforedlingsindustri,
olje- og gassindustri, petrokjemisk industri o.l. Det er derfor ikke unaturlig
at en hovedaktivitet ved Institutt for teknisk kybernetikk alltid har vært
utvikling av nye metoder for automatisering av prosessindustriens mangeartede
prosesser. Praktisk talt alle typer prosessindustri i Norge har hatt forsknings-
og utviklingssamarbeid med Instituttet og dets kandidater og det er hevet
over tvil at disse samarbeidsaktiviteter har gitt mange viktige resultater.
Institutt for teknisk kybernetikk var tidlig i 1960-årene en pioner
i Norge på utvikling av datamaskin-sty-ring av elektrometallurgiske
prosesser i alumi-niumindustrien og i ferrolegerings- og stålin-dustrien.
Disse aktivitetene har fortsatt med økende innsats i 30 år.
Et karakteristisk trekk ved Instituttets forsk-ningsaktivitet innen prosessregulering
har vært utvikling av såkalt modellbasert regulering som har
vært lansert av Instituttet overfor industrien helt siden tidlig
i 1960-årene. Omkring 1980 opplevde man et dramatisk gjennombrudd
av denne metodikken i industriell praksis og det er gledelig å konstatere
at de felter Instituttet hadde valgt for sin forskning, viste seg å
være fruktbare. Modellbasert regulering (figur 5)
er karakterisert ved følgende typiske trekk:
-
En dynamisk, matematisk modell som beskriver atferden til den aktuelle
fysiske prosessen relativt detaljert, simuleres i en datamaskin i "sann
tid". Modellens indre til-standsvariable som ikke er målbare, tvinges
til å følge fysikkens tilstandsvariable ved at modellen kontinuerlig
oppdateres slik at modellens beregnede målevariable blir mest mulig
lik de virkelige målingene i den fysis-ke prosessen. Dette betegnes
tilstandsestime-ring.
-
Modellbasert regulering realiseres nå ved at optimale endringsmønstre
i prosessens sty-ringsvariable (pådrag) utledes av modellens indre
tilstandsvariable.
Datastyring
Virkeliggjøring av modellbasert regulering for komplekse industrielle
prosesser er blitt mulig takket være den enorme utvikling av datamas-kinteknikken
som har gitt stor beregningskapa-sitet og -hastighet til lav pris. Utvikling
av det teoretiske fundament og datamaskinprogram-mer for realisering av
modellbasert prosessre-gulering har vært et høyt prioritert
forsknings-område ved Institutt for teknisk kybernetikk i 30 år.
Instituttet har tre professorater som dekker systemteori og reguleringsteknikk.
Figur 6: Instituttet har bidratt til utviklingen av industriell
robot-teknikk i Norge gjennom samarbeid med flere av landets robotprodu-senter
og Institutt for produksjons-og kvalitetsteknikk ved Maskin-avdelingen.
FIG: TEKNISK KYBERNETIKK
Mekanisk industri
Mekanisk industri omfattende stykkproduseren-de industri, elektroteknisk
industri og verftsin-dustri, har i høy grad tatt i bruk metoder
fra den tekniske kybernetikk i automatisering av sine produksjonsprosesser.
Dette gjelder fremfor alt numeriske styrte verktøymaskiner og industri-roboter.
Institutt for teknisk kybernetikk kom tidlig med i utviklingen av numerisk
styrte verk-tøymaskiner allerede omkring 1955 sammen med daværende
Institutt for maskinteknisk fabrikkdrift ved NTH. Blant annet sammen med
Kongsberg Våpenfabrikk ble det tidlig utviklet systemer der en generell
datamaskin ble brukt til direkte banestyring av forskjellige typer verk-tøymaskiner.
I en lang periode var slike syste-mer et av Kongsberg Våpenfabrikks
viktigste produktområder. Instituttet har bidratt til utviklingen
av industriell robotteknikk i Norge gjennom sam-arbeid med flere av landets
robotprodusenter og Institutt for produksjons- og kvalitetsteknikk ved
Maskinavdelingen (figur 6). Gjennom en rekke omfattende
forskningsprogrammer i 1980-årene, særlig Program for robotforskning
ved NTH, har Instituttet drevet fundamental forskning på utvikling
av nye styringsalgoritmer for industriroboter og har utdannet et stort
antall sivilingeniører og doktoringeniører med robotteknikk
som spesialfelt. I 1989 fikk Instituttet et eget professorat i robotteknikk.
Navigasjon og fartøystyring
Styring av en industrirobot henføres ofte til fel-lesbetegnelsen
bevegelsesstyring fordi det fin-nes et felles teoretisk fundament for styring
av komplekse bevegelsesprosesser, enten disse er roboter eller f.eks. farkoster.
Derfor er det et nært faglig samspill mellom robotteknikk og fagområdet
navigasjon- og fartøystyring (eng. guidance and control of vehicles).
I Norge er det lang tradisjon for utvikling og tilpasning av nye teknologier
for styring av skip og andre marine farkoster. Institutt for teknisk kybernetikk
kom tidlig med i denne utviklingen allerede i 1950-årene og det var
i 1960- og 70-årene en rask og sterk ekspansjon innen datamaskinbasert
automatisering av han-delsskip. Norske bedrifter har fått en domine-rende
plass i denne sektoren på verdensbasis. I 1995 fikk Instituttet et
eget professorat i Navi-gasjon og fartøystyring.
Dynamisk posisjonering.
1970- og 80-årene var preget av en hektisk og krevende utvikling
innen en ny anvendelsessektor for kybernetiske systemer, nemlig dynamisk
posisjonering av boreplattformer, boreskip, rørleggingsfarkoster
o.l. i offshore/oljesekto-ren (figur 7). Instituttet
spilte da en avgjørende rolle i den grunnleggende utvikling av nye
tek-nologiske løsninger som på kort tid gjorde at norske systembedrifter
ble nærmest eneråden-de på verdensmarkedet.
MOBATEL
Senere har også kybernetiske metoder ved sty-ring av ubemannede
undervannsfarkoster og hurtiggående passasjerbåter blitt en
viktig sek-tor ved Instituttet. Som endel av et større forsk-ningsprogram
med betegnelsen Undervanns-robotikk har en rekke av instituttets doktorander
bearbeidet det såkalte MOBATEL-prosjektet (MOdellBAsert TELeoperasjon
av en frittsvømmende undervannsfarkost over en smal-båndet
kommunikasjonskanal) (figur 8). MOBA-TEL- prosjektets
resultater forventes å få stor betydning når små
frittsvømmende (uten kabel) undervannsfarkoster skal brukes på
store dyp i offshore oljesammenheng.
Styrkeområde
For å støtte forskning og undervisning på dette
og beslektede områder av kybernetikken i marin sektor, opprettet
NTH i 1992 et "Styrke-område i Fartøystyring" ved Institutt
for teknisk kybernetikk i samarbeid med SINTEF avd. Reg-uleringsteknikk.
Figur 7: Dynamisk posisjonering av boreplattformer, boreskip,
rør-leggingsfarkoster o.l. i offshore/ oljesektoren.
FIG: TEKNISK KYBERNETIKK
Mange av instituttets studenter og kandidater søker til dette
fagområdet både fordi det er en viktig sektor av norsk
næringsliv og fordi det har store faglige utfordringer.
Instrumenteringsteknikk
Ethvert kybernetisk system for styring av komp-lekse prosesser trenger
data fra sensorer i pro-sessen. Dette problemområdet er en velutviklet
fagdisiplin som ved Institutt for teknisk kybernetikk har betegnelsen instrumente-ringsteknikk
som også har et eget professorat. Dette fagområdet omfatter
et bredt spektrum av kunnskaper fra de enkelte sensorer for alle tilstandsstørrelser
(men ikke selve målefysik-ken), systemer for omsetting, transmisjon
og presentasjon av måledata og datamaskinsyste-mer for implementering
av store industrielle automatiseringssystemer.
Mann-maskin-kommunikasjon
En spesiell sektor innen dette felt er mann-maskin- kommunikasjon (eller
operatør-prosess-kommunikasjon) som har gjennomgått en riven-de
utvikling i parallell med den grafiske datateknikk. Et helt nytt trekk
i dette bildet er den nye utvikling innen tredimensjonal visualisering
eller virtuell virkelighet (virtual reality) og som gir nye muligheter
for kommunikasjon mellom menneske og maskin i kybernetiske systemer (figur
9). Et eksempel på dette er operatørens styring av en
ubemannet undervannsbåt som nevnt ovenfor under beskrivelsen av MOBATEL-prosjektet.
Operatøren styrer en simulert mate-matisk modell av farkosten i
et landskap som genereres kunstig av datamaskinene og som fremkommer stereoskopisk.
Fartøystyre-opera-sjonene gjennomføres i sann tid selv om
den vir-kelige bevegelse foregår 5-10 sekunder senere p.g.a. forsinkelsen
i den langsomme ultralyd kommunikasjonen. Også i prosessautomatisering
byr den nye visualiseringsteknikken på interes-sante muligheter for
effektiv presentasjon av sto-re mengder data for prosessoperatøren.
En pro-fessor II dekker dette fagområdet ved Instituttet.
Figur 9: Virtuell virkelighet (virtual reality) gir nye
muligheter for kommunikasjon mellom menneske
og maskin.
FIG: TEKNISK KYBERNETIKK
Sikkerhetsanalyse
Under feltet instrumenteringsteknikk hører også viktige
problemer relatert til system-sikkerhet som har fått sterkt øket
aktualitet f.eks. ved bygging av store, særdeles komplekse automatiseringssystemer
i offshore-sektoren der store verdier står på spill. Det er
ikke bare ønskelig, men nå også mulig å konstruere
komplekse systemer for en spesifisert sikkerhet.
Datamaskinteknikk
Den moderne datamaskinteknikk startet i 1950- årene ved Institutt
for teknisk kybernetikk (den gang Institutt for reguleringsteknikk). Datamas-kinen
er den viktigste komponenten i et kyber-netisk system. Til implementering
av komplekse overvåkings- og reguleringsalgoritmer som i ytelse langt
overgår det menneskelige operatø- rer kan prestere har datamaskinen
gjennom de siste ca. 30 år overtatt fullstendig i forhold til annet
utstyr. På grunn av det sterke prisfall på datakraft samtidig
med den dramatiske økning i kapasitet, brukes datamaskiner idag
i stort antall i moderne automatiseringssystemer. Mens Instituttet deltok
i utviklingen av både utstyr og maskinnær programvare for 30-35
år siden, har innsatsen i de senere år endret seg mere i retning
av syntese av større dataproses-seringssystemer med utgangspunkt
i komplek-se datatekniske byggeblokker som idag finnes tilgjengelig på
markedet. Den samme utvikling har skjedd innen programvarer. I slutten
av 1960-årene leverte instituttet sammen med SINTEF de første
ver-sjoner av operativ-systemet SINTRAN som ble basis for Norsk Data‘s
eventyrlige utvikling. Den senere internasjonalisering, standardi-sering
og tilnærmet monopolisering av et fåtall utviklingsretninger
i regi av store multinasjo-nale selskaper har gjort at Instituttets innsats
er blitt fokusert mot mere anvendelsesrettet programvareutvikling. Instituttet
har to profes-sorer i datateknikk, en i sanntidsdatateknikk og en i datasystemarkitektur.
Figur 8: MOdellBAsert TELeopera-sjon (MOBATEL) av en
frittsvømmende undervannsfarkost over en smalbåndet kommunikasjonskanal.
FIG: TEKNISK KYBERNETIKK
Datamaskin Assistert Konstruksjon (DAK)
En spesiell sektor som har hatt instituttets opp-merksomhet gjennom
30 år, er datamaskin-assistert konstruksjon av reguleringssystemer
(DAK). Dette fagområdet som også har sin parallell på
en rekke andre fagfelter der kon-struksjon er aktuelt, benytter seg av
numerisk løsning av matematisk formulerte synteseregler for å
finne en optimal dimensjonering av et komplekst reguleringssystem. Det
første av dis-se systemene kom i bruk ved instituttet i midten av
1960-årene og var implementert på institut-tets GIER-datamaskin.
Senere kom flere andre mere avanserte DAK-systemer som DAREK og CYPROS.
I 1983 ble firmaet Camo A/S (Compu-ter- Aided Modeling) etablert basert
på DAK-sys-temet CYPROS (Cybernetic Program System) som i lang tid
var et av de ledende produkter i denne sektor på verdensbasis. Men
etterhvert er det også på dette feltet blitt slik at den sterke
internasjonale konkurranse på området har ledet til dominans
av noen få programsystemer fra store selskaper. Camo A/S har i de
senere år konsentrert sin innsats innen programvarer for kjemometrisk
modellering og har her en leden-de posisjon. Instituttet har en professor
II innen DAK-feltet.
Fig 10: Utvikling av "intelligente" proteser styrt av
nervesignaler.
FOTO: JENS SØRAA
Ikke-tekniske disipliner
Alle de felter som hittil er presentert hører hjem-me innen
teknisk kybernetikk. Selv om Instituttet for det meste forsker og underviser
innen tek-niske disipliner, er det også lang tradisjon for spissinnsats
innen noen ikke-tekniske disipliner. Det første av disse hadde sitt
utspring i slutten av 1960-årene der de første forsøk
ble gjort på anvendelse av kybernetisk metodikk i medisinsk diagnose.
Det dreide seg da om utvik- ling av en matematisk modell og en simulator
for det menneskelige kardiovasculære system med henblikk på
å diagnostisere anomalier i form av stenoser, klaffefeil etc. Dette
innledende arbeidet ledet til utvikling av ny måleteknikk for måling
av blodstrøm basert på ultralyd doppler signalana-lyse. I
de ca. 25 år som er gått siden denne inn-ledningen, er det
investert en betydelig innsats i denne diagnoseteknikken ved flere av NTH‘s
institutter og forskningsinstitutter. Firmaet Ving-med Sound A/S i Horten
som produserer utsty-ret, er blitt et av verdens ledende i denne sekto-ren.
I de senere år er en rekke nye initiativ tatt for utvidet samspill
mellom Institutt for teknisk kybernetikk og de medisinske forskningsmiljø-er,
f.eks. innen utvikling av intelligente proteser. Det dreier seg her om
å realisere proteser av f.eks. en hånd med fingre som kan styres
av de nervesignaler som kan detekteres i huden på en amputert arm
(fig. 10). Dette felt synes å ha mange muligheter.
Det er også innledende akti-viteter innen bruk av mikroroboter og
avansert tredimensjonal visualisering (virtuell virkelig-het) som nytt
virkemiddel i forbindelse med kik-hull- kirurgi.
Fiskekybernetikk
Av felter innen ikke-teknisk kybernetikk er det imidlertid fremfor
alt det som ved Instituttet har fått populærbetegnelsen fiskekybernetikk,
som har tiltrukket seg oppmerksomhet. Omkring 1970 ble det etablert et
stort forsk-ningsprogram med betydelig støtte fra NTNF under betegnelsen
System for styring av fisk. Målsettingen med denne forskningen var
å utvikle kybernetiske metoder i
-
Redskapsutvikling for fangst og sanking av vill fisk
-
Nye metoder for oppdrett av fisk i store avstengte områder (havbruk)
-
Automatisert industriell produksjon av hummerunger med henblikk på
havbeite i av-grensede områder langs Norges kyst.
Disse utviklingsområdene har vært bearbeidet kontinuerlig siden
innledningen omkring 1970 og en rekke firmaer er etablert for videreføring
av resultatene i kommersiell form, bl.a. Hav-bruksteknologi A/S og Norsk
Hummer A/S. For styring av adferden til vill fisk i sjøen, er det
utviklet flere metoder basert på såkalt kondisjonering som
kan tolkes som en mild form for dressur. For å lokke fisk til et
redskap er det f.eks. mulig å bruke en kombinasjon av lyd, lys og
mat som medfører at etter kort tid vil store mengder fisk samle
seg rundt kondisjone-ringsutstyret. Dette kan utnyttes til fangst. På
den annen side kan man lage et fiske-stengsel (figur 11)
som hindrer fisken i å vandre ut av et avgrenset område ved
hjelp av kondisjo-nering der lys og lydsignaler kombineres med elektrisk
støt fra lange vertikale elektroder i van-net. Fisken lærer
sammenhengen mellom lys og lyd på den ene side og elektrisk støt
på den annen side og holder seg på ærbødig avstand.
Matematisk modellering
Det er utviklet en teori for fisks adferd i havet som forklarer hvorfor
en samling av fisk (stim) oppfører seg slik den gjør under
påvirkning av de eksterne stimuli som temperatur, lys, strøm,
plankton etc. Denne teorien er basert på at fis-ken til enhver tid
maksimaliserer sitt eget vel-befinnende. Når de eksterne, geofysiske
og bio-logiske betingelser er kjente, vil det da være mulig å
forutsi fiskens vandringer. Denne problemstillingen har ledet til en omfattende
aktivitet innen modellering av mari-ne, økologiske systemer. Et
stort forsknings-program med betegnelsen HAVBIOMODELLER startet omkring
1975 med målsetting å utvikle datamaskinbaserte numeriske modeller
for det hierarki av fysiske og biologiske prosesser som bestemmer de forskjellige
fiskearters popula- sjon, vekst og vandring i et havområde. Formå-let
med en slik modellering er å gi et verktøy for kvantitativ
estimering og forvaltning av de marine fiskeressurser. Instituttet har
et profes-sorat II i økologisk modellering.
Biotelemetri
I forbindelse med de forskjellige prosjektene relatert til fiskekybernetikk
er det ved Instituttet bygget opp betydelig kompetanse innen den spesielle
måleteknikk som er nødvendig for å innhente fysiologiske
såvel som geometriske data fra frittsvømmende fisk. Dette
feltet innen biotelemetri har fått stor oppmerksomhet og mange fascinerende
instrumenteringssystemer er utviklet. Den siste utviklingen i denne sekto-ren
er DAHABU-systemet for kartlegging av bunnsubstratets kvalitet langs Norges
kyst med henblikk på utsetting av hummerunger for hav-beite. DAHABU
er en datastyrt undervannsfar-kost som slepes bak Instituttets forskningsfartøy
"Balchazar". Det er utviklet med finansiering fra NTNF (PUSH-programmet)
med stor innsats av Instituttets prosjektstudenter.
Figur 11: Et fiskestengsel som hindrer fisken i å
vandre ut av et avgrenset område ved hjelp av kondisjonering. Lys-
og lydsignaler kombineres med elektriske støt fra lange vertikale
elektroder i vannet.
FIG: TEKNISK KYBERNETIKK
Industriell modellering
Utvikling av store programsystemer for simule-ring av komplekse prosesser
(svarende til HAV-BIOMODELLER for havets økologiske prosesser) har
sin parallell også for industrielle systemer. Instituttet har helt
siden sin etablering hatt modellering og simulering som en hovedaktivitet.
Til å begynne med var analog-regnemaskinen det viktigste virkemiddel,
sene-re (etter 1960) kom den digitale datamaskin og nå arbeidsstasjoner
i større nett. Dynamiske simuleringsmodeller for større industrielle
komplekser har til formål å bedre prosessfor-ståelsen
for derved å finne frem til forbedringer i prosessutformingen, optimalisering
av para-metre, utvikling av styringskonsept og utprø-ving av dette
før implementering. I Norge finnes en betydelig industriell aktivitet
innen utvikling og bruk av datamaskinbaserte simulatorer for industriprosesser.
Mye av den-ne virksomheten er bl.a. basert på tidligere prosjekter
ved Institutt for teknisk kybernetikk.
REKRUTTERINGEN AV STUDENTER TIL FAGOMRÅDET
TEKNISK KYBERNETIKK
Ethvert institutt vil ønske seg at de beste studen-ter søker
til deres fagretning. Derved er sann-synligheten størst for gode
resultater og det igjen vil gi gunstig rekruttering. Hva som er en god
student er selvsagt et sammensatt spørsmål idet en ønsker
både studenter med sterkt teore-tisk legning, evne og lyst til konstruksjon,
og kanskje legning for eksperimentelt arbeide. Et teknisk universitet har
utvilsomt et problem når det gjelder kommunikasjon med potensielle
søkere til et avansert teknisk studium der de fleste befinner seg
i vide-regående skole. Enkelte klassiske, tekniske disipliner er
det forholdsvis lett å formidle informasjon om. Men det viser seg
at i mange tilfeller er den forståelse elever i videregående
skole har av f.eks. NTH‘s fagretninger, svært mangelfull eller sogar
direkte gal. Lærerne og rådgivningsapparatet i de videregående
skoler synes ikke å ha kompetanse og underlag forøv-rig til
å gi ungdommen adekvat orientering. Det mest effektive synes å
være at universi-tetenes egne informasjonsavdelinger med ut-gangspunkt
i instituttenes beskrivelser utarbei-der mere effektive veiledninger. Kanskje
har det vært litt for stor vekt på bruk av attraktive far-gerike
bilder fremfor enkel og lett forståelig tekst som forklarer studentene
om valgmulig-hetene og deres konsekvenser f.eks. med hen-syn til yrkesvalg
etter studiene. Tidligere var det mest vanlig at de nye stu-denter ble
opptatt ved en avdeling med en betegnelse som for de fleste var relativt
lett å forstå, såsom Maskinavdelingen, Bygningsinge-niøravdelingen,
Elektro- data-avdelingen. Etter to år med relativt generell grunnfagsundervis-ning
skulle studentene velge sin spesialisering. Dette system hadde den fordel
at studentene selv fikk danne seg et bilde av hva de forskjelli-ge alternative
fagretningene sto for og hvordan mulighetene var for fremtidig utvikling.
Behovet for avansert informasjonsvirksomhet fra NTH‘s side var da ikke
særlig stor. En ulempe med denne metoden som ofte ble påpekt,
var at det er behov for å starte spe-sialundervisning tidligere p.g.a.
den stadig økende stoffmengde. Dessuten har studentene behov for
å vite at det faktisk finnes studieplass ved den studieretning de
ønsker. Store sving-ninger i tilstrømningen av studenter
til en studi-eretning er uheldig, både sett ut fra studentenes og
instituttenes side. For Institutt for teknisk kybernetikk har rekrutteringsforholdene
i perioden 1985-95 vist endel uheldige tendenser som forhåpentlig-vis
snart kan korrigeres. Opptaket til Fakultet for elektro- og datateknikk
har vært delt i tre "linjer", nemlig Elkraftteknikk, Elektronikk
og Datateknikk/Teknisk Kybernetikk. Det har vist seg at de nye studenter
som var interessert i "data" var relativt godt orientert om det faglige
tilbud innen generell programmeringsmeto-dikk og f.eks. administrativ databehandling,
men var mindre informert om hvor utdannelse i datasystemutvikling, industriell
datateknikk og de øvrige sider av teknisk kybernetikk foregikk.
Det var ganske tydelig at nye studenter som var rekruttert fra ingeniørhøgskolene
for å studere videre på NTH hadde et klarere bilde av hvilke
studieretninger de ville velge enn studenter som ble rekruttert fra videregående
skoler. Informasjonsteknologi, som for tiden er det mest anvendte samlebegrep
for de tekniske disipliner som genererer, transmitterer, fored-ler og forbruker
informasjon, bør på et teknisk universitet ikke fragmenteres,
men snarere samles slik at både forskning og undervisning kan bli
bedre koordinert mot samlende mål. Næringslivet har åpenbart
en klar oppfatning om betydningen av slik samling for å nå
høyere mål og det er ønskelig at man i fremtiden lar
næringslivets kompetanse komme sterkere til uttrykk i den faglige
strukturering av de tekno-logiske studiers fakulteter og institutter.
FORSKNING KNYTTET TIL DOKTORGRADSUTDANNELSE
Institutt for teknisk kybernetikk har siden slutten av 1950-årene
hatt en jevn økning i produksjon av doktorgrader, men særlig
fart i denne virk-somheten kom det i midten av 1980-årene. Da hadde
tidligere rektor ved NTH, professor Inge Johansen, tiltrådt som administrerende
direktør i NTNF og gikk sterkt inn for at en økende del av
NTNF‘s forskningsressurser skulle brukes til forskning utført av
doktorander, særlig ved NTH. Riktignok hadde mange stipendiater hatt
støtte fra NTNF tidligere, men det nye nå var en mere aktiv
holdning til doktorgradsforskningen som forskningspolitisk virkemiddel.
Instituttet har spillt en dominerende rolle i store forskningsprogrammer
med en betydelig grad av doktorgradsforskning, nemlig:
-
MIP (Metodeprogram i Prosessindustrien) (1985) med 9 doktorgradsstipendiater
-
PRORO (PRogram for RObotforskning ved NTH) (1987) med 15 doktorgradsstipendiater
-
PROMIA (Program for prosessmodellering, -instrumentering og automatisering)
(1988) med 9 doktorgradsstipendiater
-
MOBATEL (Program for undervannsrobotikk) (1991) med 11 doktorgradsstipendiater
-
IKS (Intelligente Kybernetiske Systemer) (1991) med 4 doktorgradsstipendiater
-
INPRO (Integrerte Produksjonssystemer for Prosessindustrien) (1993) med
9 doktor-gradsstipendiater
-
ORD ( Distribuert Prosessregulering) (1995) med 5 doktorgradsstipendiater
-
"Styrkeområdet i fartøystyring" som i 1992 ble opprettet av
NTH og SINTEF ved Institutt for teknisk kybernetikk har 2 post.doc.-kandidater.
Fra 1985 til og med første halvår 1996 er det ved Insti-tuttet
tildelt 62 doktorgrader. I 1995 var det totalt registrert 50 doktorgradskandidater
ved Instituttet.
INTERNASJONALE AKTIVITETER OG PUBLIKASJONSVIRKSOMHET
Institutt for teknisk kybernetikk har alltid vært sterkt internasjonalt
orientert. Alle dets lærere har gode internasjonale kontakter og
har hatt tildels lange utenlandsopphold. Både lærere og kandidater
er hyppige foredragsholdere, arran-gører og deltagere ved internasjonale
fagkonfe-ranser. Den faglige kontakt er sterkest til USA, men også
de største europeiske land, våre naboland og Japan er med
i Instituttets interna-sjonale samarbeidssfære. Instituttet har ofte
besøk av utenlandske gjester, særlig i forbindelse med doktorgradsdis-putaser
og gjesteforelesninger. Men antallet gjesteforskere som har mere langvarige
opphold, er etter manges oppfatning for lite. Dette skyldes nok økonomiske
forhold idet få utenlandske uni-versiteter stiller midler til disposisjon
for lengre opphold ute og de norske forskningsbevilgning-ene prioriteres
til norske forskere. Prosjekter som gjør det mulig for utenlandske
studenter å ta en doktorgrad i Norge eksisterer ikke bortsett fra
i spesielle programmer rettet mot utviklingsland. Med hensyn til effektiviteten
i internasjonal kon-takt og faglig informasjonsutveksling, er imidler-tid
forholdene ganske gunstige. Internasjonale publikasjoner, både ved
fag-lige konferanser og i refererte tidsskrifter, er en av de viktigste
måter for internasjonal faglig kontakt. Instituttet ønsker
å være godt repre-sentert med faglige publikasjoner på
høyt nivå. En undersøkelse av publika-sjons- hyppigheten
ved Insti-tuttet viser at det kom en vesentlig stigning mot slutten av
1980-årene og i 1990- årene. Dette skyldtes fremfor alt overgangen
til fokusering på dr.ing.-kandi-datsforskning med spesifiserte mål
om publika-sjonsmengde og konferansedeltagelse. Forske-re ved Instituttet
som tidligere var engasjert i SINTEF hadde en relativt lav publikasjonshyp-pighet.
Et annet forhold av betydning var selv-sagt økningen i antall lærere.
I perioden 1985 -95 ble det fra Instituttet presentert 250 internasjonale
publikasjoner. Flere av Instituttets lærere er medlemmer av redaksjonsråd
for internasjonale tidsskrifter og kan derved påvirke den faglige
utvikling. I 1979 besluttet Norges Teknisk-Naturviten-skapelige Forskningsråd,
som resultat av et for-slag og saksforberedelse fra Instituttet, å
opp-rette en internasjonal forskningsbulletin (research bulletin) med navnet
"Modeling, Identification and Control - MIC". Dette tids-skrift kommer
ut kvartalsvis og kunne i 1994 feire sitt 15 års jubileum. MIC har
et Redak-sjonsråd med medlemmer fra norsk forskning og industri og
en Støtteorganisasjon der nesten alt som finnes av forskningsinstitusjoner
og industri innen fagområdet er representert. Redaksjonsfunksjonen
utføres av Instituttet. MIC har høy internasjonal anseelse
og vektleg-ger høy kvalitet på sine publikasjoner. Det er
det eneste teknisk-vitenskapelige tidsskrift i Norge.
INSTITUTTETS FORHOLD TIL NÆRINGSLIVSRETTET FORSKNING OG ETABLERING
AV NY VIRKSOMHET
Helt siden etableringen i midten av 1950-årene har Instituttets
ledelse, lærere og studenter vært preget av ønsket om
å være med på å ska-pe nye muligheter i norsk næringsliv
gjennom forskning og utdannelse innen praktisk bruk av kybernetiske metoder.
Dette har gitt som resul-tat at Instituttet har samarbeidet med de fleste
industrielle bransjer i Norge og med de viktig-ste industribedrifter i
disse bransjene. Det har alltid vært en bevist målsetning ved
Instituttet og den samarbeidende SINTEF avd. Reguleringsteknikk å
få ingeniører med høy kompetanse innen teknisk kybernetikk
ut i næringslivet for der å skape virkelige resultater. Som
oftest skjedde dette gjennom allerede eksisterende bedrifter, men i mange
tilfeller ble også grunnlaget lagt for nye bedrifter. Instituttet
var således det direkte utgangspunkt for dannel-se av firmaet Comtec
A/S i Trondheim omkring 1966 med Nobø Fabrikker A/S som kapitalbase.
Omtrent samtidig hadde Instituttet en sterk medvirkning ved dannelse av
Norcontrol i Hor-ten (kapitalbase Noratom, Kongsberg Våpenfa-brikk,
Norsk Hydro) der en rekke av Instituttets kandidater utgjorde den første
staben. Nesten samtidig med dette ble Norsk Data A/S startet der flere
av Instituttets tidligere studenter var gründerne. I mange år
var det et intimt samar-beid mellom Instituttet og disse tre firmaene.
Fra tidlig i 1970-årene da utvikling av nye metoder innen dynamisk
posisjonering av farkoster for offshoreindustrien begynte, var Insti-tuttet
direkte med i dannelsen av norske indus-triaktiviteter. Det nye firmaet
Kongsberg Alba-tross ble startet med stab med bakgrunn direkte fra Instituttet.
Dette firmaet ble ganske snart verdens ledende på Dynpos-markedet
og har siden beholdt denne ledelsen. I 1990-årene er ABB også
kommet inn i denne bransjen og har et nært samarbeid med Instituttets
fagfolk. Som nevnt foran var Instituttet direkte med ved etableringen av
CAMO A/S i 1983 idet bedriftens første produkt, programsystemet
CYPROS, var utviklet ved Instituttet. Instituttets lærere har alltid
hatt et nært samarbeid med næringslivet om formidling av kontakt
til kandidater og studenter om ansettel-se. Mange av Instituttets kandidater
har allere-de gjennom sine prosjekter hatt kontakt med industribedrifter
og går direkte over i stillinger i bedriftene der deres spesielle
kvalifikasjoner er ettertraktet. Gjennom mange år hadde Instituttet
et nært samarbeid med Servoteknisk Utvalg og senere AUDA-komiteen
(Automatisering og Databe-handling) av NTNF og bidro til utforming og gjennomføring
av mange av denne komiteens store forskningsprogrammer. Nær 2000
sivilingeniører og 80 dr. ingeniø-rer er tilført norsk
næringsliv og forskning i årenes løp.
SINTEF AVD. REGULERINGSTEKNIKK
Selskapet for industriell og teknisk forskning ved NTH (SINTEF) ble
grunnlagt i 1950 og allerede i 1955 var dets Avdeling for Reguleringsteknikk
(avd. 48) etablert med daværende dosent Jens G. Balchen som leder.
Avdelingens formål var å være et bindeledd og forvaltningsorgan
for sam-spillet mellom Instituttet, industrien og NTNF. I perioden frem
til omkring 1970 var det sterk vekst i den eksternt finansierte bemanning
av det helt integrerte fagmiljøet. Avd. 48 var et særdeles
fleksibelt og hensiktsmessig forvaltning-sorgan i denne gründer-perioden.
De unge for-skerne hadde status som "stipendiater" og var som oftest engasjert
bare i få år før overgang til ansettelse i industrien.
Dette forholdet endret seg noe ettersom SINTEF i 1970 årene og senere
utviklet seg mer i retning av å bli en organisasjon med sin egen
strategi forskjellig fra bare å være et forvaltningsorgan for
NTH. Samspillet med avd. 48 var utvilsomt en av grunnene til at Instituttet
i de første 20 årene hadde en utdannings- og forskningskapasitet
som var langt større enn de ressurser NTH ydet. En betydelig del
av Instituttets lærerstab er f.eks. rekruttert gjennom avd. 48. Den
såkalte SINTEF-B ordningen som er et rent økonomisk og perso-nalmessig
forvaltningsorgan uten noen egen forsknings-politisk målsetting er
svært hensiktsmessig for Institut-tet. Den svarer i store trekk til
den funksjon SINTEF hadde i de første 25 år av sin eksistens.
Etter den omorganisering som har pågått i SIN-TEF synes det
som at SINTEF-B ordningen er blitt svekket, noe som må beklages.
PERSPEKTIVER
Selv om kybernetikken allerede kan sies å være en moden
vitenskap med svære praktiske implikasjoner, er det først
i de seneste år at folk flest er blitt kjent med dens innhold. Kyberne-tikkens
problemstillinger og metoder tas i økende tempo i bruk i de fleste
sektorer av næringsliv og forvaltning med det resultat at behovet
for kvalifiserte fagfolk bare øker. Kybernetiske metoder har bl.a.
et svært anven-delsespotensial i Norges tradisjonelle næringer
som i prosessindustrien, i marin teknologi og i fiskeriteknologi. Derfor
er det viktig at det fort-satt satses på utdannelse og forskning
i denne fremtidsrettede fagdisiplinen der Norge alle-rede har gjort seg
sterkt gjeldende i over 40 år.
|