尋找科研人生的最優(yōu)解
——記清華大學經(jīng)濟管理學院管理科學與工程系副教授梁湧

謝更好

梁湧

1947年，33歲的美國數(shù)學家Dantzig提出了一種解決最優(yōu)化問題的方法——單純形法，該方法奠定了線性規(guī)劃的基礎(chǔ)，進而使經(jīng)濟學、環(huán)境科學、統(tǒng)計學應用等學科得到了迅速發(fā)展，也使優(yōu)化理論成為一門獨立學科。如今，隨著科學技術(shù)的日益進步與生產(chǎn)經(jīng)營的日益發(fā)展，決策者面臨的決策場景快速變化，也使得對優(yōu)化計算方法的需求越來越精進，以優(yōu)化問題為基礎(chǔ)的理論研究也愈發(fā)精細。新方法的不斷出現(xiàn)，同樣促使優(yōu)化理論的實際應用范圍逐漸變得廣泛。

所謂“時勢造英雄”，清華大學經(jīng)濟管理學院管理科學與工程系副教授梁湧從優(yōu)化理論入手，潛心研究優(yōu)化理論在供應鏈、收益管理、機制設計等多個領(lǐng)域里的應用。他一路與時代同行，通過構(gòu)造模型，深挖性質(zhì)，探索算法，為尋求管理科學中重要決策問題的最優(yōu)選擇注入新的思考與活力。

習近平總書記曾講過：“創(chuàng)新是社會進步的靈魂，是推動經(jīng)濟社會發(fā)展、改善民生的重要途徑?！闭^有了創(chuàng)意才有創(chuàng)新，才會在此基礎(chǔ)上進行創(chuàng)造。梁湧一直肩負著重任，他開拓創(chuàng)新，為解決管理科學問題找尋更多新方法與新技術(shù)而不斷努力?！拔矣X得這個研究領(lǐng)域很有意義，也很有趣?！鄙罡麅?yōu)化問題研究多年，梁湧仍如最初接觸其時那樣充滿朝氣與活力，力圖找到每個科研難題的最佳答案。

巧遇優(yōu)化之精彩

梁湧長期研究的問題屬于運籌學范疇，作為現(xiàn)代管理學中的一門重要學科，運籌學多以數(shù)學為基礎(chǔ)，主要目的就是在管理人員進行決策時，為其提供科學依據(jù)，幫助管理人員尋找復雜問題中的最佳答案。而且運籌學理論實用范圍極其廣泛，在企業(yè)管理、基本建設及關(guān)系復雜的科研項目的組織與管理中，都可以得到應用。

風生水起逐浪高，運籌學理論的發(fā)展聲勢一浪高過一浪，如今隨著應用范圍的逐步擴大，人們已經(jīng)可以在能源經(jīng)濟、能源市場、智能電網(wǎng)、自由控制等多個領(lǐng)域里找到運籌優(yōu)化理論的身影。“利用一些優(yōu)化工具，我們可以去解決與經(jīng)濟、民生等密切相關(guān)的問題，這具有很大的實際意義。”梁湧表示。

如果說起在梁湧與科研相依相伴的多年間里，是否還有什么遺憾，那也許就是他與運籌學邂逅得太晚，沒有早一點領(lǐng)略到它的魅力。此前在本科及碩士階段，梁湧并沒有對運籌學有過多的了解，直到2008年來到美國加州大學伯克利分校攻讀工業(yè)工程及運籌學的博士學位時，他才在導師的推薦下，開始以能源為突破口，接觸到運籌學。

梁湧剛剛接觸到能源供應鏈的優(yōu)化問題時，恰逢美國遭遇嚴重的“次貸危機”，經(jīng)濟水平大幅下滑，為重新刺激經(jīng)濟發(fā)展，挽救經(jīng)濟下滑局面，美國能源部開始發(fā)揮主力軍作用，將大量經(jīng)費投放到能源市場。梁湧當時的導師正好在研究與此相關(guān)的課題，于是梁湧便在這樣的機遇下，跟隨導師思考怎樣才能在動態(tài)電價下合理有效地為用戶設計數(shù)據(jù)驅(qū)動的自動化能源管理算法，又該怎樣才能使設想的這些方法與機制變成現(xiàn)實。在導師的帶領(lǐng)下，梁湧對問題進行了創(chuàng)新性建模，設計了基于近似動態(tài)規(guī)劃的算法，成功完成了對智能電網(wǎng)用戶端的自由控制。

初探運籌學在管理科學中的應用問題，梁湧感受到了優(yōu)化帶來的樂趣與實用之處，也讓他堅定了自己今后的研究方向，為后來進一步深入研究運籌學在能源領(lǐng)域里的應用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

探能源優(yōu)化之奧秘

很多時候，對于基礎(chǔ)科研來說，一小步前進都會給工業(yè)、能源等多個領(lǐng)域帶來巨大改變，而運籌優(yōu)化在其中發(fā)揮著重要作用。博士期間，梁湧大多數(shù)時間都是在研究中度過的，但他卻沒有感到絲毫枯燥。對于科研，梁湧始終秉持一個信念：要確定取得研究成果的實用價值，并堅持不斷創(chuàng)新。

帶著這種科研理念，2014年完成博士學習的梁湧毅然選擇回國，來到清華大學經(jīng)濟管理學院任教，希望能為我國的能源領(lǐng)域增添更多的運籌優(yōu)化色彩。長期以來，經(jīng)管學院都極為注重綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，提倡嚴謹創(chuàng)新。來到這個科研夢想的起航地，梁湧心中充滿希望，濃厚的學術(shù)氛圍也時常激勵他不斷前進。

回國后，他繼續(xù)博士時期的方向，將研究目光鎖定在能源領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域里，電力可稱得上是國民經(jīng)濟的命脈，但在電力工業(yè)得到快速發(fā)展的同時，我國一些偏遠地區(qū)仍然還存在著供電不足，又或是電力供大于求的情況。要想保持經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展，能源支持必不可少，而電力就是其中的重中之重。在這種情況下，“保電”成為迫在眉睫的研究課題。由此，可再生能源走入眾多科研人員的研究視線中，梁湧也是其中一員，這一次，他聚焦在風電能源上。

“風電屬于可再生能源，是我國重點部署發(fā)展的新能源之一，發(fā)展前景很可觀，但其還存在嚴重的發(fā)展瓶頸?！绷簻タ谥械摹捌款i”還不止一點，例如要想獲得豐富的風力資源，在密集的城市和工廠自然不可取，這就導致大量風電資源無法與現(xiàn)有的輸電網(wǎng)絡連接起來，而是需要利用長距離的高壓輸電線才能把電從遙遠的風力電廠輸送到城市中去。這樣一來，風力發(fā)電廠的選址就會耗費決策者很多精力，再加上高昂的輸電網(wǎng)絡建設成本，使得許多決策者望而卻步。“該如何有效地把風電資源傳輸?shù)郊毙栌秒姷牡胤?，是我們迫切需要考慮的問題?！绷簻ケ硎尽?/p>

除了這一瓶頸，缺乏連續(xù)性更是風力發(fā)電最為人詬病的一點?！斑€有更讓人頭疼的，那就是資源輸出不穩(wěn)定。”梁湧補充道。據(jù)他介紹，當一天當中的用電高峰來臨時，利用風力產(chǎn)生的電往往無法充分供給，而當用電低谷來臨時，電力卻在源源不斷地輸出?！斑@就會造成大量的‘棄風’‘棄光’等現(xiàn)象出現(xiàn)?！绷簻Υ朔治?，這其中主要的原因還是因為無法找到較好的辦法平衡風電的輸出。經(jīng)過與團隊的仔細分析與思考，梁湧意識到是否可以通過構(gòu)建風電網(wǎng)絡，再搭配上一些小規(guī)模的儲能設施，以此來幫助風電順利輸出呢？

一不做二不休，為了解決風力輸電網(wǎng)造價過高和風電不可控性所帶來的棄風問題，梁湧與團隊推陳出新，將供應鏈管理思想和理論引入到風電輸出問題中，由此提出了新的研究思路：先建立新的輸電網(wǎng)絡，在連接風力資源豐富的風廠地址時，再通過選擇如何在輸電網(wǎng)絡的節(jié)點上設置合適的儲能裝置，最終達到最小化輸電網(wǎng)絡的建設成本和棄風量。

團隊利用數(shù)學建模的方式，為原本復雜的問題穿上“新衣”，使其搖身一變，成為混合整數(shù)非線性優(yōu)化問題，并進一步把該問題轉(zhuǎn)化為一個混合整數(shù)錐優(yōu)化問題，其優(yōu)良的性質(zhì)大大降低了問題求解復雜度。最終，團隊成功建立了求解最優(yōu)風電網(wǎng)絡的模型。利用這樣的風電網(wǎng)絡，通過添加一些小型的儲能裝置，決策者就能大幅降低整個輸電網(wǎng)絡的建設費用和棄風量，為國家可再生能源及相關(guān)基礎(chǔ)設施建設的未來發(fā)展提供了重要指導。

攀軸輻樞紐網(wǎng)絡之高峰

通過研究風電資源輸出不穩(wěn)定的問題，梁湧開啟了軸輻樞紐網(wǎng)絡研究的大門。其實，對于優(yōu)化問題研究者來說，軸輻樞紐網(wǎng)絡并不陌生，目前它已經(jīng)在物流網(wǎng)絡等涉及系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計的領(lǐng)域里已經(jīng)得到了廣泛應用，但在實際應用過程中，卻時常會發(fā)生網(wǎng)絡中斷的現(xiàn)象，而這一問題恰恰常被忽視。于是，從2018年開始，梁湧針對網(wǎng)絡中斷問題，著手研究可靠的軸輻樞紐模型設計。

這一次，他以航空客運網(wǎng)絡設計為對象，計劃采用軸輻樞紐網(wǎng)絡，分別對網(wǎng)絡設計問題上的三層決策展開研究。其一是樞紐選址，可以是單獨給出的節(jié)點集合，也可以是對應所有需求的起始點和目的地節(jié)點的子集。其二是在樞紐選址的基礎(chǔ)上，考慮如何將非樞紐和樞紐進行連接，以及樞紐之間又是如何連接的。其三是對每一對起始點—目的地都選擇一條主選路徑和一條備選路徑來對沖中斷事件帶來的風險。

為了使研究結(jié)果普適，模型考慮了包括被選擇為樞紐節(jié)點所帶來的固定成本、非樞紐與樞紐間連接所產(chǎn)生的固定成本、樞紐之間連接所帶來的固定成本、在不同路徑上運輸帶來的運營成本、因需求被延誤或取消所支付的懲罰成本五大類?！斑@些成本問題我們在設計模型時都會考慮進去。”梁湧說道。與此同時，他還表示，研究不僅會考慮節(jié)點受到中斷事件影響的問題，還會考慮到在連接節(jié)點之間的通路也會受到中斷事件影響這一問題。而且，考慮到在以往基礎(chǔ)模型中，對運營成本和懲罰成本只計算了期望值，也就是風險中性，但如果只計算風險中性，那么在某些特定情形下，決策者很可能為風險厭惡，因此梁湧計劃接下來還要通過對模型的拓展來考慮風險厭惡的情形。

此外，梁湧團隊打算在整合模型及其拓展問題研究的基礎(chǔ)上，適當開展對運營層問題的研究?！熬W(wǎng)絡如果得到實際應用，最終落腳點要落實到運營層決策上?！倍?，梁湧特別提到，研究還要立足于數(shù)據(jù)驅(qū)動，針對數(shù)據(jù)做最基礎(chǔ)的假設，設計出最普遍也最適用的解決方案，他希望能夠改善航運問題實例，并形成管理案例。

聚焦國民經(jīng)濟 創(chuàng)優(yōu)化新生命

無論是智能電網(wǎng)，還是風電網(wǎng)絡，亦或是近來研究的航空網(wǎng)絡設計，梁湧所做的優(yōu)化研究，無一不在對關(guān)乎國民經(jīng)濟的重要問題進行建模，而且都成功為這些復雜問題和模型量身定制了切實可行的方法。

從一個個懸而未決的問題中，找到突破口，建立自己的研究特色，是梁湧科研工作的特點。近來，他與清華經(jīng)管學院聯(lián)想講席教授、管理科學與工程系陳劍，中國人民大學工業(yè)工程系博士生沈浩、許曄，以及加州大學伯克利分校申作軍教授基于無人超市項目，合作的論文“A Data Analytics Approach to Integrated Location, Assorment and Inventory Planning in Omni-Channel Retail”（數(shù)據(jù)分析驅(qū)動的全渠道零售中選址、選品與庫存整合模型）獲得了2019年在美國華盛頓舉行的POMS-JD.com最佳數(shù)據(jù)驅(qū)動研究論文大賽第一名的成績。

會議發(fā)言

這是一個針對全渠道零售商決策問題的項目，梁湧與合作者進行了系統(tǒng)研究，取得的一系列成果，為零售商更好地進行全渠道銷售決策提供了示范。所謂全渠道零售，是指零售商通過線上或線下等多種渠道進行銷售的一種零售模式。以往，在傳統(tǒng)零售業(yè)中，線下渠道銷售方式占據(jù)主要地位，但其通常存在運營成本高、難以把握消費者心態(tài)等多種缺陷，這樣就會導致單一的線上渠道出現(xiàn)估值不確定、體驗與服務不便等痛點。而此次，梁湧與合作者就這些急需解決的問題，對京東X無人超市這類全渠道零售模式的典型代表進行了研究。

他們在求解的模型基礎(chǔ)之上，利用真實的銷售數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的搭建，并基于模型的性質(zhì)分析，設計了加速算法，創(chuàng)建了一套從選址到庫存管理的科學決策框架。研究也獲得了有助于零售商更好地進行全渠道銷售決策的管理啟示。

技術(shù)賦能了新的零售模式，將打破固有的傳統(tǒng)零售方式，將線上線下業(yè)務緊密融合，為消費者提供全新的購物體驗。這項研究只是梁湧科學研究工作的一個縮影，針對關(guān)乎國民經(jīng)濟的重要問題，梁湧從事了大量的建模研究，并且為這些復雜的問題和模型提供了定制化的算法和分析。在社會生活與經(jīng)濟發(fā)展中，有太多的問題都在等待著科研人員給出最優(yōu)解，無處不在的應用讓這門科學煥發(fā)著勃勃生機。

遙看科研前路，梁湧深知任重而道遠，壓力也如影隨形，但在他看來，任何事的成功都不是一蹴而就的，只有堅持與熱愛才會引領(lǐng)他走向通往成功的正確道路。他與團隊也會以持久的恒心與堅韌的毅力，共同肩負起身上的責任，找到科研人生中的最優(yōu)解。