在重慶，很多師生第一次“認(rèn)識(shí)”楊新民，是幾年前學(xué)校組織觀看的楊新民院士線上科普公益講座視頻。
楊新民是國(guó)際系統(tǒng)與控制科學(xué)院院士，也是一位在運(yùn)籌學(xué)領(lǐng)域深耕30多年的數(shù)學(xué)家。對(duì)他來講，數(shù)學(xué)就是最熟悉、最得力的“武器”。
“面對(duì)突發(fā)性事件，我們可以使用數(shù)學(xué)模型，根據(jù)已有數(shù)據(jù)，推演、預(yù)測(cè)它的發(fā)展趨勢(shì)?！睏钚旅裣氲皆诳箵簟胺堑洹睍r(shí)，數(shù)學(xué)界曾建立模型對(duì)其演變趨勢(shì)進(jìn)行推演。
楊新民還發(fā)動(dòng)“朋友圈”，邀請(qǐng)數(shù)學(xué)領(lǐng)域的院士專家做線上科普公益講座，單場(chǎng)講座吸引超過17萬人次觀看。
在一場(chǎng)場(chǎng)高傳播率的科普講座中，很多人第一次切身感受到數(shù)學(xué)的魅力。
國(guó)際系統(tǒng)與控制科學(xué)院院士楊新民
數(shù)學(xué)，被譽(yù)為“自然科學(xué)上的皇冠”。在高端芯片、智能制造、國(guó)家安全等關(guān)鍵領(lǐng)域扮演重要角色。近日，中國(guó)教育在線重慶分站走進(jìn)重慶師范大學(xué)，采訪了國(guó)際系統(tǒng)與控制科學(xué)院院士、重慶國(guó)家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心主任、重慶師范大學(xué)教授楊新民，聽他講述在過去多年的科研生涯中，如何帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用好數(shù)學(xué)，解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展中“卡脖子”問題。
從兩卡車紙質(zhì)文檔中，尋求出重慶支柱產(chǎn)業(yè)
楊新民出生于四川省瀘州市，家中排行老二?；貞浧鹱约鹤哌M(jìn)數(shù)學(xué)殿堂的初衷，楊新民表示，母親算術(shù)能力很強(qiáng)，家中五兄妹長(zhǎng)大后都從事了和算術(shù)有關(guān)的工作?！傲硗?，我的小學(xué)數(shù)學(xué)老師是位美女，她總對(duì)我進(jìn)行鼓勵(lì)式教育，這點(diǎn)對(duì)我的數(shù)學(xué)啟蒙教育非常重要?！?/p>
1979年，恢復(fù)高考的第三年，楊新民考入重慶師范學(xué)院（今重慶師范大學(xué)），成為數(shù)學(xué)系的一名學(xué)生。大學(xué)畢業(yè)后因成績(jī)優(yōu)異，留校任教。1985年，他考上重慶大學(xué)碩士研究生，選擇運(yùn)籌學(xué)為研究方向。
運(yùn)籌學(xué)是一門將復(fù)雜問題抽象為數(shù)學(xué)模型，再用數(shù)學(xué)的理論和方法去求最優(yōu)解的學(xué)科，研究的是最優(yōu)化問題，實(shí)用性很強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域很廣。
“我是1979級(jí)學(xué)生，那時(shí)國(guó)家各個(gè)學(xué)科百?gòu)U待興，我們有著廣闊的研究空間。陳景潤(rùn)等老一輩科學(xué)家身上的家國(guó)情懷，77、78級(jí)師兄師姐們因經(jīng)歷過‘上山下鄉(xiāng)’的實(shí)踐經(jīng)歷，對(duì)知識(shí)的渴望、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的學(xué)習(xí)和科研態(tài)度，都深深感染了我?！睏钚旅裾f，那時(shí)整個(gè)社會(huì)學(xué)習(xí)氛圍高漲，人們物質(zhì)生活雖然貧乏，但精神世界卻很富足。
這種環(huán)境下，1987年楊新民所在的團(tuán)隊(duì)和當(dāng)時(shí)的重慶市計(jì)劃委員會(huì)合作，共同完成了“重慶產(chǎn)業(yè)政策研究”的課題，用數(shù)據(jù)來尋求重慶應(yīng)該發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。
那時(shí)，計(jì)算機(jī)尚未普及，各個(gè)單位統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)都是紙質(zhì)文檔。楊新民記得，他們團(tuán)隊(duì)從統(tǒng)計(jì)局拉了整整兩卡車紙質(zhì)文檔，然后和學(xué)生一起整理這些數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型。
通過建模、數(shù)據(jù)分析以及與各個(gè)單位的交流，楊新民團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論：重慶應(yīng)該選擇汽車、摩托車和機(jī)械等產(chǎn)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)。
“這個(gè)政策指導(dǎo)了重慶很長(zhǎng)一段時(shí)間的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我也備受鼓舞，覺得應(yīng)該將運(yùn)籌學(xué)運(yùn)用到更廣闊的領(lǐng)域去?！睏钚旅裾f。
此后，楊新民便開始探索如何將數(shù)學(xué)系從一個(gè)教學(xué)型團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)變成教學(xué)科研型團(tuán)隊(duì)。
大膽嘗試：運(yùn)籌學(xué)+大數(shù)據(jù)與人工智能
2017年暑假，對(duì)于楊新民及其團(tuán)隊(duì)來說，是一個(gè)令人難忘的夏天。
剛放假?zèng)]多久，楊新民就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)去西安交通大學(xué)做了一場(chǎng)學(xué)術(shù)交流，在這次交流中，大家討論的主要問題就是大數(shù)據(jù)與人工智能。
回到重慶，楊新民立即召集團(tuán)隊(duì)成員開了一場(chǎng)學(xué)術(shù)會(huì)議，他在會(huì)上提出：“我們一直在做運(yùn)籌學(xué)方面的研究，運(yùn)籌學(xué)最核心的研究就是最優(yōu)化問題，而大數(shù)據(jù)與人工智能的很多問題都可以歸結(jié)為最優(yōu)化問題。我們要結(jié)合國(guó)家需求，轉(zhuǎn)變思維，將運(yùn)籌學(xué)同大數(shù)據(jù)與人工智能相結(jié)合?！?/p>
圖注：楊新民與運(yùn)籌學(xué)團(tuán)隊(duì)開展研討
“作為一名數(shù)學(xué)科學(xué)工作者，我時(shí)常會(huì)關(guān)注國(guó)家最新的政策、國(guó)內(nèi)外最新的科研動(dòng)態(tài)，對(duì)學(xué)科的發(fā)展、最新的研究方向保持強(qiáng)敏感度?！睏钚旅裾f。
經(jīng)過幾年轉(zhuǎn)型探索，楊新民帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的大數(shù)據(jù)與人工智能的研究成果初顯：2018年領(lǐng)銜的成果“向量最優(yōu)化問題的理論研究”獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，這是重慶市第三項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)，也是西部地方高校獲得的第一項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)。2019年獲批國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“最優(yōu)化問題的人工智能方法”，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)1968萬元，這是國(guó)家自然科學(xué)基金委成立以來重慶獲批的首個(gè)重大項(xiàng)目。
2020年2月經(jīng)中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部批準(zhǔn)，重慶國(guó)家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心應(yīng)運(yùn)而生，是首批13個(gè)國(guó)家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心之一。楊新民擔(dān)任中心主任，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)主要聚焦數(shù)學(xué)與信息科學(xué)、數(shù)學(xué)與先進(jìn)制造、數(shù)學(xué)與智能交通、數(shù)學(xué)與生物醫(yī)學(xué)四個(gè)方向進(jìn)行重點(diǎn)研究。
比如，中心和國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司合作了項(xiàng)目：基于非凸稀疏多目標(biāo)優(yōu)化的生活用電能表信息化評(píng)價(jià)校準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究，使電能表檢定校準(zhǔn)變得智能；與重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院合作開展“針對(duì)腎臟病和新生兒疾病的知識(shí)圖譜構(gòu)建”和“機(jī)器學(xué)習(xí)方法在兒童慢病防控中的應(yīng)用”等項(xiàng)目，利用人工智能技術(shù)輔助精準(zhǔn)診斷和醫(yī)療；與中電智安科技有限公司、重慶攸亮科技有限公司合作，通過數(shù)學(xué)算法的方式來預(yù)測(cè)交通流量短期或長(zhǎng)期的變化，提前進(jìn)行預(yù)判，讓路徑規(guī)劃與信號(hào)燈更加智能化，使每個(gè)路口通行的車輛數(shù)量與速度達(dá)到最優(yōu)的方式......
圖注：“全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”最優(yōu)化與控制團(tuán)隊(duì)合影
“作為一名科技工作者，我希望帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用數(shù)學(xué)來解決一批制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的‘卡脖子’問題，推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用落地，為重慶的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)作出貢獻(xiàn)?！睏钚旅裾f。
數(shù)學(xué)算法做基礎(chǔ)，解決長(zhǎng)安汽車“卡脖子”問題
2021年，由重慶國(guó)家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心牽頭，聯(lián)合清華大學(xué)和北京智行者科技有限公司共同揭榜，獲批“復(fù)雜條件下自動(dòng)駕駛軌跡實(shí)時(shí)優(yōu)化問題”揭榜掛帥項(xiàng)目1項(xiàng)，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)600萬元，由重慶市科技局與重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司共同撥款資助。
圖注：2022年楊新民作為獨(dú)立董事出席重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司2021年度業(yè)績(jī)說明會(huì)
楊新民表示，中心最優(yōu)化與智能汽車團(tuán)隊(duì)在自動(dòng)駕駛決策控制算法研究上，針對(duì)分層式和端到端式架構(gòu)存在的問題，采用集成式?jīng)Q策控制框架，構(gòu)建約束最優(yōu)控制模型，并設(shè)計(jì)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的優(yōu)化算法，探索出求解大規(guī)模非線性優(yōu)化問題的新范式。
通俗來說，目前市面上無人自動(dòng)駕駛汽車的軟件研究一般采用兩種模式，一種是馬斯克力推的端到端模型，通過大量的車輛路況測(cè)試，將“算力飼料”喂養(yǎng)給專門定制的大模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜交通場(chǎng)景下的無人汽車自動(dòng)駕駛。另一種是感知+決策+控制的分層模式，即感知、決策和控制為相互獨(dú)立的模塊，分別進(jìn)行算法的研發(fā)。當(dāng)通過這種分層模式來完成相應(yīng)的自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)時(shí)，感知負(fù)責(zé)識(shí)別環(huán)境信息，然后傳遞數(shù)據(jù)給決策模塊，在決策模塊給出相應(yīng)的指令之后，控制算法再對(duì)車輛執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行具體的操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛的全自動(dòng)無人駕駛。
楊新民團(tuán)隊(duì)將決策控制集成于一體，構(gòu)建了約束最優(yōu)控制模型，并提出一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的優(yōu)化算法。這些原創(chuàng)性的科研成果對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。
“中心團(tuán)隊(duì)針對(duì)復(fù)雜交通場(chǎng)景下動(dòng)態(tài)約束表達(dá)困難，約束最優(yōu)控制模型解的可行性難以保證的問題，采用了凸近似原理及障礙罰函數(shù)方法，通過模型與數(shù)據(jù)的深度融合，開發(fā)快速智能優(yōu)化求解技術(shù)，顯著提升了自動(dòng)駕駛的安全性。這是‘采用集成式?jīng)Q策控制框架，構(gòu)建約束最優(yōu)控制模型’里優(yōu)化算法的具體實(shí)現(xiàn)方式?！睏钚旅窠忉尩馈?/p>
另外，楊新民團(tuán)隊(duì)還和長(zhǎng)安汽車合作了“智能座艙聲場(chǎng)分區(qū)控制”項(xiàng)目，針對(duì)基于揚(yáng)聲器陣列的聲場(chǎng)分區(qū)問題，提出了多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，探索出聲場(chǎng)分區(qū)自適應(yīng)控制的新技術(shù)。成果可為用戶創(chuàng)造私密獨(dú)立的聲音空間，提供個(gè)性化的局部聲體驗(yàn)。
據(jù)悉，長(zhǎng)安汽車是重慶國(guó)家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心核心共建單位，雙方在自動(dòng)駕駛、設(shè)計(jì)開發(fā)、駕乘安全等領(lǐng)域開展了深度合作，利用中心在數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的科研優(yōu)勢(shì)，合力解決長(zhǎng)安在自主創(chuàng)新中遇到的卡脖子問題。
產(chǎn)教融合：“項(xiàng)目制”人才培養(yǎng)模式，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力
除了幫助企業(yè)、政府解決現(xiàn)實(shí)難題，楊新民也一直不忘教書育人的初心。多年來堅(jiān)持為重慶師范大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院本科生上《數(shù)學(xué)分析》課程，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)精心培養(yǎng)高質(zhì)量碩士和博士研究生。
圖注：楊新民為本科生授課《數(shù)學(xué)分析》
楊新民表示，多年的產(chǎn)教融合實(shí)踐經(jīng)歷，讓他深刻體會(huì)到國(guó)家在高端芯片與軟件、智能科技、新材料等關(guān)鍵領(lǐng)域頂尖人才的緊缺，要想解決眾多產(chǎn)業(yè)“卡脖子”問題，根源還是加強(qiáng)學(xué)科拔尖人才的培養(yǎng)。
在楊新民的主導(dǎo)下，重慶國(guó)家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心于2021年開始獨(dú)立招收碩士研究生，現(xiàn)設(shè)有全日制研究生專業(yè)計(jì)算數(shù)學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和運(yùn)籌學(xué)與控制論等，非全日制研究生專業(yè)人工智能。研究方向主要包括最優(yōu)化數(shù)值方法、電力系統(tǒng)建模及優(yōu)化、智慧金融中的對(duì)抗安全、車輛工程中的數(shù)學(xué)問題、智慧醫(yī)療診斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化、最優(yōu)化問題的機(jī)器學(xué)習(xí)方法、自動(dòng)駕駛中的最優(yōu)控制問題、深度學(xué)習(xí)實(shí)踐與應(yīng)用、邊緣計(jì)算與應(yīng)用等。
教學(xué)上，楊新民格外注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐、創(chuàng)新能力。他回憶，大一時(shí)曾自學(xué)了實(shí)變函數(shù)，與“78級(jí)”的學(xué)生一同參加考試，不僅順利通過，還獲得了免修資格；擔(dān)任助理講師時(shí)，即便不能上臺(tái)講課，他也要提前把課備好，在聽其他老師講課的過程中，分析他們的講課方法和解題思路，并與自己的思路進(jìn)行對(duì)比……
多年求學(xué)、科研、校企育人的經(jīng)歷，讓楊新民明白，現(xiàn)在是終身學(xué)習(xí)時(shí)代，只有讓學(xué)生擁有自主學(xué)習(xí)的能力，有深入實(shí)踐探索的機(jī)會(huì)，未來才有可能在某項(xiàng)領(lǐng)域做出創(chuàng)新的科研成果。
圖注：楊新民與博士生合影
為此，重慶國(guó)家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心在碩士、博士人才培養(yǎng)上，重點(diǎn)采用“項(xiàng)目制”人才培養(yǎng)模式。即導(dǎo)師將企業(yè)項(xiàng)目引入課堂，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目搭建學(xué)生科研訓(xùn)練體系，建立起以科研項(xiàng)目為牽引的緊密型校企導(dǎo)師組和聯(lián)合指導(dǎo)機(jī)制。通過與企業(yè)的深度合作，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)參與到前沿AI項(xiàng)目的研發(fā)中，在實(shí)踐中不斷提升學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)未知領(lǐng)域的好奇心與探索欲。
在這種育人模式下，第一批全日制研究生還有一年畢業(yè)，第一批人工智能專業(yè)非全日制研究生也在今年9月入學(xué)。未來，這些學(xué)子進(jìn)入社會(huì)，走進(jìn)企業(yè)，能否為祖國(guó)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，為企業(yè)切實(shí)解決“卡脖子”問題，楊新民及其團(tuán)隊(duì)期待滿滿。
在楊新民眼中，自己的本職工作是一名老師，一名數(shù)學(xué)科學(xué)家。他們那一代科研工作者受惠于改革開放的時(shí)代氛圍，傳承著老一輩科學(xué)家的精神和信仰，如今也希望自己能把這份信仰傳承下去，教書育人，為祖國(guó)的繁榮昌盛盡綿薄之力。
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