高铁在雨雪天气中疾驰，怎样既跑得快，又防打滑、不失稳？机器人在复杂环境中作业，如何既快速动作，又守住安全边界？卫星在太空调整姿态，怎样既精准又节省能源？这些看似不同的场景，背后却藏着同一个难题：复杂工程系统在多重约束下，如何同时做到稳定、精准、安全可靠？

10月16日，在重庆市科学技术奖励大会上，2025年度重庆市科学技术奖揭晓。由重庆大学、西安交通大学共同完成的“多重约束动态系统的安全可靠控制理论与方法”项目获得重庆市自然科学奖一等奖。

项目构建起多重约束下的安全可靠控制理论体系，形成“安全可控、性能可设、资源可省”的控制设计新范式，相当于给高端装备装上“智慧大脑”，为其安全可靠运行提供重要理论与技术支撑。

一套理论，解开“三重难题”

当前，我国正处于从制造大国向制造强国转型的关键攻坚期，制造业智能升级是核心任务。得益于芯片、通信等基础技术的飞速进步，控制系统在硬件层面的可靠性已得到显著提升。但在软件与核心控制算法层面，随着被控对象越来越复杂、网络化、智能化，系统往往同时面临多重约束的交叉制约。

“所有高端装备，从高铁、飞行器到机器人，运行时都会同时遭遇多重约束，包括物理性能约束、环境扰动约束、安全容错约束。”项目负责人、中国工程院外籍院士、重庆大学人工智能研究院院长宋永端说，传统控制方式往往只能兼顾其一、牺牲其余，很难同时满足高精度、高安全、高可靠的要求。

他打了一个比方：“就像一名高速赛车手，既要极速前进，又要守住赛道边界，还要应对突发打滑与爆胎风险，三者同时做到，才是真正实现可靠的智能控制。”

过去，国际学界的常见做法是“一类问题、一套方法、一个结论”，把多重约束分散处理，不同问题的方法难以通用。项目团队做的是把它们重新装回一个框架：首次实现统一建模与可控性分析，把分散的控制难题纳入同一套理论体系，从机理上打通精度、安全、容错三者的制衡关系。宋永端说，“这真正实现了‘高精度不牺牲安全、高容错不牺牲性能、强约束不破坏稳定’。”

三项突破，让控制系统更“聪明”

10余年来，项目团队实现了三项根本性突破。

第一项突破是把安全从“事后验证”挪到“设计内嵌”。宋永端解释，传统的安全保障往往是“先设计、后测试、出问题再补救”。团队换了思路：从机理底层就把安全机理、稳定性机理以及可解释性机理注入进去，在从数据训练到算法设计的整个过程中融入安全机制与约束考虑，让最终结果天然具有可解释性、安全性和可靠性，做到事前就有基本保障。

第二项突破是把控制性能从“定性调节”变成“定量预设”。重要工程系统不仅要稳定、回到平衡点、实现误差为零，到达平衡点的时间也很关键。比如快速目标跟踪、紧急制动，不仅要准，还要及时。

“系统达到稳定状态所需时长，叫作收敛时长。”他介绍，过去，收敛时长无法由设计者任意设定，不可控，如今，团队让人可以按需设定收敛时长，且不受初始条件和其他因素影响，彻底解决了这个在国际上50余年悬而未决的问题，显著提升控制的精准性、快速性与运行安全可靠性，让团队在这一领域实现国际领跑。

▲宋永端院士（中）正在指导学生。受访者供图

第三项突破是把资源利用从“假设充足”改成“按需适配”。传统控制方法往往只考虑结果、不考虑代价，默认通信、计算和能源资源充足。但在无人飞行器、航空航天无人值守系统等装备中，这些资源都是有限的。团队的办法是让这几类资源按需触发，更加节约资源，使整套系统更具可行性和适配性。

从高铁到无人机，应用空间广阔

理论跑通了，应用的门就开了。

宋永端说，以高铁为例，其运行是典型的多重约束动态系统——轨道附着约束、速度约束、牵引力约束、路面扰动约束并存。传统控制在雨雪、打滑、轨道突变场景下，容易出现牵引过激、制动失稳、跟踪偏差。团队的理论可以实现防滑、稳速、精准牵引、可靠制动，从控制底层杜绝失稳、打滑、失控风险，真正提升列车运行安全性与乘坐平顺性。

此外，他们的成果在航空航天领域，已成功应用于卫星姿态快速控制；在机器人领域，实现了灵巧臂手稳定可靠的物体抓取。

值得一提的是，团队正在积极推进产学研合作，将成果应用于低空经济无人机的导航安全、高精度定位与飞行控制。“低空经济以无人机为核心，要真正实现应用，首先就得解决安全可靠问题。”宋永端表示，团队成果可直接服务于此类应用，为系统安全、高效、稳定可靠运行提供理论和算法支撑，最终形成产业化应用。

“基础研究永远在路上。”宋永端说，接下来，团队将聚焦可信智能控制、系统自主安全、韧性动态系统三大方向，重点攻克人工智能时代高安全、高可靠、可证明、可落地的新一代控制理论，打造属于中国自主的智能控制理论体系。