尋找科研人生的最優(yōu)解

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1947年，33歲的美國數(shù)學(xué)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(jìn)而使經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用等學(xué)科得到了迅速發(fā)展，也使優(yōu)化理論成為一門獨(dú)立學(xué)科。如今，隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)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(duì)優(yōu)化計(jì)算方法的需求越來越精進(jìn)，以優(yōu)化問題為基礎(chǔ)的理論研究也愈發(fā)精細(xì)。新方法的不斷出現(xiàn)，同樣促使優(yōu)化理論的實(shí)際應(yīng)用范圍逐漸變得廣泛。

所謂“時(shí)勢(shì)造英雄”，清華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院管理科學(xué)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(yīng)鏈、收益管理、機(jī)制設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域里的應(yīng)用。他一路與時(shí)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(xué)中重要決策問題的最優(yōu)選擇注入新的思考與活力。

習(xí)近平總書記曾講過：“創(chuàng)新是社會(huì)進(jìn)步的靈魂，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、改善民生的重要途徑。”正所謂有了創(chuàng)意才有創(chuàng)新，才會(huì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)造。梁湧一直肩負(fù)著重任，他開拓創(chuàng)新，為解決管理科學(xué)問題找尋更多新方法與新技術(shù)而不斷努力。“我覺得這個(gè)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(shí)那樣充滿朝氣與活力，力圖找到每個(gè)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(yùn)籌學(xué)范疇，作為現(xiàn)代管理學(xué)中的一門重要學(xué)科，運(yùn)籌學(xué)多以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，主要目的就是在管理人員進(jìn)行決策時(shí)，為其提供科學(xué)依據(jù)，幫助管理人員尋找復(fù)雜問題中的最佳答案。而且運(yùn)籌學(xué)理論實(shí)用范圍極其廣泛，在企業(yè)管理、基本建設(shè)及關(guān)系復(fù)雜的科研項(xiàng)目的組織與管理中，都可以得到應(yīng)用。

風(fēng)生水起逐浪高，運(yùn)籌學(xué)理論的發(fā)展聲勢(shì)一浪高過一浪，如今隨著應(yīng)用范圍的逐步擴(kuò)大，人們已經(jīng)可以在能源經(jīng)濟(jì)、能源市場、智能電網(wǎng)、自由控制等多個(gè)領(lǐng)域里找到運(yùn)籌優(yōu)化理論的身影?！袄靡恍﹥?yōu)化工具，我們可以去解決與經(jīng)濟(jì)、民生等密切相關(guān)的問題，這具有很大的實(shí)際意義?！绷簻ケ硎尽?/p>

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(yùn)籌學(xué)邂逅得太晚，沒有早一點(diǎn)領(lǐng)略到它的魅力。此前在本科及碩士階段，梁湧并沒有對(duì)運(yùn)籌學(xué)有過多的了解，直到2008年來到美國加州大學(xué)伯克利分校攻讀工業(yè)工程及運(yùn)籌學(xué)的博士學(xué)位時(shí)，他才在導(dǎo)師的推薦下，開始以能源為突破口，接觸到運(yùn)籌學(xué)。

梁湧剛剛接觸到能源供應(yīng)鏈的優(yōu)化問題時(shí)，恰逢美國遭遇嚴(yán)重的“次貸危機(jī)”，經(jīng)濟(jì)水平大幅下滑，為重新刺激經(jīng)濟(jì)發(fā)展，挽救經(jīng)濟(jì)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(fèi)投放到能源市場。梁湧當(dāng)時(shí)的導(dǎo)師正好在研究與此相關(guān)的課題，于是梁湧便在這樣的機(jī)遇下，跟隨導(dǎo)師思考怎樣才能在動(dòng)態(tài)電價(jià)下合理有效地為用戶設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化能源管理算法，又該怎樣才能使設(shè)想的這些方法與機(jī)制變成現(xiàn)實(shí)。在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，梁湧對(duì)問題進(jìn)行了創(chuàng)新性建模，設(shè)計(jì)了基于近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃的算法，成功完成了對(duì)智能電網(wǎng)用戶端的自由控制。

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

探能源優(yōu)化之奧秘

很多時(shí)候，對(duì)于基礎(chǔ)科研來說，一小步前進(jìn)都會(huì)給工業(yè)、能源等多個(gè)領(lǐng)域帶來巨大改變，而運(yùn)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(shí)間都是在研究中度過的，但他卻沒有感到絲毫枯燥。對(duì)于科研，梁湧始終秉持一個(gè)信念：要確定取得研究成果的實(shí)用價(jià)值，并堅(jiān)持不斷創(chuàng)新。

帶著這種科研理念，2014年完成博士學(xué)習(xí)的梁湧毅然選擇回國，來到清華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院任教，希望能為我國的能源領(lǐng)域增添更多的運(yùn)籌優(yōu)化色彩。長期以來，經(jīng)管學(xué)院都極為注重綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，提倡嚴(yán)謹(jǐn)創(chuàng)新。來到這個(gè)科研夢(mèng)想的起航地，梁湧心中充滿希望，濃厚的學(xué)術(shù)氛圍也時(shí)常激勵(lì)他不斷前進(jìn)。

回國后，他繼續(xù)博士時(shí)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(jì)的命脈，但在電力工業(yè)得到快速發(fā)展的同時(shí)，我國一些偏遠(yuǎn)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(jì)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(fēng)電能源上。

“風(fēng)電屬于可再生能源，是我國重點(diǎn)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(yán)重的發(fā)展瓶頸?！绷簻タ谥械摹捌款i”還不止一點(diǎn)，例如要想獲得豐富的風(fēng)力資源，在密集的城市和工廠自然不可取，這就導(dǎo)致大量風(fēng)電資源無法與現(xiàn)有的輸電網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)的風(fēng)力電廠輸送到城市中去。這樣一來，風(fēng)力發(fā)電廠的選址就會(huì)耗費(fèi)決策者很多精力，再加上高昂的輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，使得許多決策者望而卻步。“該如何有效地把風(fēng)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?。

除了這一瓶頸，缺乏連續(xù)性更是風(fēng)力發(fā)電最為人詬病的一點(diǎn)?！斑€有更讓人頭疼的，那就是資源輸出不穩(wěn)定?！绷簻パa(bǔ)充道。據(jù)他介紹，當(dāng)一天當(dāng)中的用電高峰來臨時(shí)，利用風(fēng)力產(chǎn)生的電往往無法充分供給，而當(dāng)用電低谷來臨時(shí)，電力卻在源源不斷地輸出。“這就會(huì)造成大量的‘棄風(fēng)‘棄光等現(xiàn)象出現(xiàn)?！绷簻?duì)此分析，這其中主要的原因還是因?yàn)闊o法找到較好的辦法平衡風(fēng)電的輸出。經(jīng)過與團(tuán)隊(duì)的仔細(xì)分析與思考，梁湧意識(shí)到是否可以通過構(gòu)建風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)，再搭配上一些小規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)施，以此來幫助風(fēng)電順利輸出呢？

一不做二不休，為了解決風(fēng)力輸電網(wǎng)造價(jià)過高和風(fēng)電不可控性所帶來的棄風(fēng)問題，梁湧與團(tuán)隊(duì)推陳出新，將供應(yīng)鏈管理思想和理論引入到風(fēng)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(luò)，在連接風(fēng)力資源豐富的風(fēng)廠地址時(shí)，再通過選擇如何在輸電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上設(shè)置合適的儲(chǔ)能裝置，最終達(dá)到最小化輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本和棄風(fēng)量。

團(tuán)隊(duì)利用數(shù)學(xué)建模的方式，為原本復(fù)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(jìn)一步把該問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)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(fù)雜度。最終，團(tuán)隊(duì)成功建立了求解最優(yōu)風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)的模型。利用這樣的風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)，通過添加一些小型的儲(chǔ)能裝置，決策者就能大幅降低整個(gè)輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)費(fèi)用和棄風(fēng)量，為國家可再生能源及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的未來發(fā)展提供了重要指導(dǎo)。

攀軸輻樞紐網(wǎng)絡(luò)之高峰

通過研究風(fēng)電資源輸出不穩(wěn)定的問題，梁湧開啟了軸輻樞紐網(wǎng)絡(luò)研究的大門。其實(shí)，對(duì)于優(yōu)化問題研究者來說，軸輻樞紐網(wǎng)絡(luò)并不陌生，目前它已經(jīng)在物流網(wǎng)絡(luò)等涉及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域里已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，卻時(shí)常會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)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(duì)網(wǎng)絡(luò)中斷問題，著手研究可靠的軸輻樞紐模型設(shè)計(jì)。

這一次，他以航空客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為對(duì)象，計(jì)劃采用軸輻樞紐網(wǎng)絡(luò)，分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題上的三層決策展開研究。其一是樞紐選址，可以是單獨(dú)給出的節(jié)點(diǎn)集合，也可以是對(duì)應(yīng)所有需求的起始點(diǎn)和目的地節(jié)點(diǎn)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(jìn)行連接，以及樞紐之間又是如何連接的。其三是對(duì)每一對(duì)起始點(diǎn)—目的地都選擇一條主選路徑和一條備選路徑來對(duì)沖中斷事件帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

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(diǎn)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(yùn)輸帶來的運(yùn)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?cè)谠O(shè)計(jì)模型時(shí)都會(huì)考慮進(jìn)去。”梁湧說道。與此同時(shí)，他還表示，研究不僅會(huì)考慮節(jié)點(diǎn)受到中斷事件影響的問題，還會(huì)考慮到在連接節(jié)點(diǎn)之間的通路也會(huì)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(duì)運(yùn)營成本和懲罰成本只計(jì)算了期望值，也就是風(fēng)險(xiǎn)中性，但如果只計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)中性，那么在某些特定情形下，決策者很可能為風(fēng)險(xiǎn)厭惡，因此梁湧計(jì)劃接下來還要通過對(duì)模型的拓展來考慮風(fēng)險(xiǎn)厭惡的情形。

此外，梁湧團(tuán)隊(duì)打算在整合模型及其拓展問題研究的基礎(chǔ)上，適當(dāng)開展對(duì)運(yùn)營層問題的研究?！熬W(wǎng)絡(luò)如果得到實(shí)際應(yīng)用，最終落腳點(diǎn)要落實(shí)到運(yùn)營層決策上?！倍遥簻ヌ貏e提到，研究還要立足于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，針對(duì)數(shù)據(jù)做最基礎(chǔ)的假設(shè)，設(shè)計(jì)出最普遍也最適用的解決方案，他希望能夠改善航運(yùn)問題實(shí)例，并形成管理案例。

聚焦國民經(jīng)濟(jì) 創(chuàng)優(yōu)化新生命

無論是智能電網(wǎng)，還是風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)，亦或是近來研究的航空網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，梁湧所做的優(yōu)化研究，無一不在對(duì)關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)的重要問題進(jìn)行建模，而且都成功為這些復(fù)雜問題和模型量身定制了切實(shí)可行的方法。

從一個(gè)個(gè)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(diǎn)。近來，他與清華經(jīng)管學(xué)院聯(lián)想講席教授、管理科學(xué)與工程系陳劍，中國人民大學(xué)工業(yè)工程系博士生沈浩、許曄，以及加州大學(xué)伯克利分校申作軍教授基于無人超市項(xiàng)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(dòng)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(dòng)研究論文大賽第一名的成績。

這是一個(gè)針對(duì)全渠道零售商決策問題的項(xiàng)目，梁湧與合作者進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得的一系列成果，為零售商更好地進(jìn)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(jìn)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(yùn)營成本高、難以把握消費(fèi)者心態(tài)等多種缺陷，這樣就會(huì)導(dǎo)致單一的線上渠道出現(xiàn)估值不確定、體驗(yàn)與服務(wù)不便等痛點(diǎn)。而此次，梁湧與合作者就這些急需解決的問題，對(duì)京東X無人超市這類全渠道零售模式的典型代表進(jìn)行了研究。

他們?cè)谇蠼獾哪Ｐ突A(chǔ)之上，利用真實(shí)的銷售數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的搭建，并基于模型的性質(zhì)分析，設(shè)計(jì)了加速算法，創(chuàng)建了一套從選址到庫存管理的科學(xué)決策框架。研究也獲得了有助于零售商更好地進(jìn)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(wù)緊密融合，為消費(fèi)者提供全新的購物體驗(yàn)。這項(xiàng)研究只是梁湧科學(xué)研究工作的一個(gè)縮影，針對(duì)關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)的重要問題，梁湧從事了大量的建模研究，并且為這些復(fù)雜的問題和模型提供了定制化的算法和分析。在社會(huì)生活與經(jīng)濟(jì)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(yīng)用讓這門科學(xué)煥發(fā)著勃勃生機(jī)。

遙看科研前路，梁湧深知任重而道遠(yuǎn)，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(jiān)持與熱愛才會(huì)引領(lǐng)他走向通往成功的正確道路。他與團(tuán)隊(duì)也會(huì)以持久的恒心與堅(jiān)韌的毅力，共同肩負(fù)起身上的責(zé)任，找到科研人生中的最優(yōu)解。