心懷科研赤誠 筑夢中國制造

倪海波

村上春樹在《當(dāng)我談跑步時，我談些什么》中曾寫下這樣的句子：現(xiàn)在是堅忍地累積奔跑距離的時期，所以眼下還不必介意成績?nèi)绾?，只消默默地花上時間累積距離。歐內(nèi)斯特·海明威也曾說過：“持之以恒、不亂節(jié)奏，對于長期作業(yè)實在至為重要。而對于科學(xué)研究而言，這種毅力以及堅持不懈的精神更是不可或缺的?！?/p>

跑步時，吳建國喜歡思考科研問題。在鍛煉的同時，一些科研想法可能會“靈光乍現(xiàn)”。如今，在科研之余，他仍保持著這一習(xí)慣。十多年的科研之路，從國外、到國內(nèi)，如今作為北京大學(xué)工學(xué)院工業(yè)工程與管理系研究員的他，內(nèi)心一直心系著祖國的制造事業(yè)。憑借著扎實的科研基礎(chǔ)以及訓(xùn)練，他在機(jī)理-數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的先進(jìn)制造與復(fù)雜系統(tǒng)監(jiān)測、診斷、質(zhì)量控制以及可靠性預(yù)測等研究領(lǐng)域，特別是在超強(qiáng)金屬基納米復(fù)合材料鑄造、碳鋼與特種鋼制造、3D打印等應(yīng)用中取得了一系列創(chuàng)新性成果，為其工業(yè)化生產(chǎn)與優(yōu)化奠定了研究基礎(chǔ)。在夢想的驅(qū)使之下，他一直在用一位青年科研人的無限熱忱為“中國制造2025”的發(fā)展添磚加瓦。

清華筑夢 海外歷練

理想如晨星，我們永不能觸到，但我們可像航海者一樣，借星光的位置而航行。在2004年吳建國順利考入清華大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)之前，他與大多數(shù)的青年學(xué)子一樣，對于自己未來的專業(yè)學(xué)習(xí)抱有極大的憧憬。因為高中的學(xué)長曾在清華大學(xué)機(jī)械與工程專業(yè)就讀，吳建國通過他，對這個專業(yè)有了初步的認(rèn)知。通過招生老師的介紹，他進(jìn)一步了解到：學(xué)生通過對機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)習(xí)，可以獲取大到飛機(jī)、坦克、機(jī)器人，小到各種產(chǎn)品的制作知識與技能，而從小吳建國就對這些東西充滿了濃厚的興趣。通過大學(xué)四年的學(xué)習(xí)與積淀，他在機(jī)械工程專業(yè)中打下了堅實的基礎(chǔ)。

為了能在這一專業(yè)領(lǐng)域?qū)で蟾蟮耐黄疲究飘厴I(yè)后吳建國選擇走出去看看——去國外深造、學(xué)習(xí)更多的機(jī)械工程領(lǐng)域前沿知識。在順利拿到美國普渡大學(xué)的全額獎學(xué)金之后，2009年8月，吳建國前往該校攻讀機(jī)械工程專業(yè)碩士學(xué)位。因為研究生階段主要從事的是微觀摩擦學(xué)的模擬仿真研究，而這一研究方向更偏向于前沿理論基礎(chǔ)。吳建國直言：相較于這一方向研究，他更偏向于與生活緊密相關(guān)的應(yīng)用研究。因為其高中時期就對數(shù)學(xué)、統(tǒng)計、建模等有濃厚的興趣，結(jié)合自己的興趣以及機(jī)械制造領(lǐng)域的研究背景，吳建國在碩士畢業(yè)之后，選擇前往美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校繼續(xù)攻讀統(tǒng)計專業(yè)的碩士學(xué)位以及工業(yè)與系統(tǒng)工程專業(yè)的博士學(xué)位，并將主要研究方向放在先進(jìn)制造領(lǐng)域的質(zhì)量控制以及復(fù)雜系統(tǒng)可靠性預(yù)測上，為此展開了一系列探索。在扎實的科研基礎(chǔ)以及不懈的科研攻關(guān)下，吳建國在超強(qiáng)輕質(zhì)鎂鋁合金基納米復(fù)合材料鑄造過程中納米顆粒分散情況實時監(jiān)控系統(tǒng)研究中，取得了一系列科研突破。

納米顆粒的分散問題是納米復(fù)合材料制造領(lǐng)域面臨的一個最大的難題。在超強(qiáng)輕質(zhì)復(fù)合材料制造過程中，納米顆粒由于高表面積與體積比、潤濕性差等原因，在液態(tài)金屬中容易聚集成團(tuán)，嚴(yán)重影響其作為納米顆粒增強(qiáng)劑的效果。超聲空化有助于實現(xiàn)納米顆粒在金屬基材中的均勻分散。然而實際生產(chǎn)難以根據(jù)高溫液態(tài)金屬狀態(tài)實時調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，嚴(yán)重制約了超聲空化分散納米顆粒的效果。針對高溫液態(tài)金屬狀態(tài)實時監(jiān)控的難題，吳建國創(chuàng)新性地設(shè)計了一套基于超聲波噪聲信號的實時監(jiān)控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，聲發(fā)射信號通過伸入液態(tài)金屬的鈦棒、傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)入信號處理系統(tǒng)。研究了納米顆粒分散情況與超聲波信號特征的關(guān)系，建立了能對實時超聲信號進(jìn)行分析的統(tǒng)計模型，在國際上首次實現(xiàn)了實時監(jiān)控高溫液態(tài)金屬納米顆粒分散情況，解決了生產(chǎn)工藝參數(shù)實時精確調(diào)整的難題。該研究成果獲得了美國鋁鑄造著名企業(yè)Eck Industries Inc.、美國軍用特種卡車制造企業(yè)Oshkosh Corp（世界500強(qiáng)）等科研合作企業(yè)的高度贊揚。因為此項目的研究成果，吳建國還獲得了美國制造工程師學(xué)會（SME）著名E. Wayne Key研究生獎學(xué)金。

2015年博士畢業(yè)后，吳建國加入了美國得克薩斯大學(xué)艾爾帕索分校，成為了工業(yè)、制造以及系統(tǒng)工程系的一名助理教授，繼續(xù)留在美國從事科學(xué)研究。多年在美國的學(xué)習(xí)、研究，讓吳建國在接受西方教育以及科研氛圍、思想熏陶的同時，也在接受著一系列科研項目的歷練。特別是在攻讀博士學(xué)位及任助理教授期間，吳建國曾作為核心科研成員參與以及主持多個美國科技公關(guān)課題，項目總金額超過1100萬美元，工作涉及超強(qiáng)輕質(zhì)納米復(fù)合材料的顛覆性鑄造工藝技術(shù)的質(zhì)量監(jiān)控與過程優(yōu)化、金屬3D打印缺陷的實時監(jiān)控與無損檢測等領(lǐng)域。在美國多年的研究經(jīng)歷，也成為了他科研經(jīng)歷的積累與沉淀，為他今后科研道路的開辟奠定了堅實的基礎(chǔ)。

創(chuàng)新不懈 科研報國

科學(xué)無國界，但是科學(xué)家是有祖國的。“到祖國最需要的地方去”“為祖國健康工作50年”一直都是吳建國在清華大學(xué)就讀時就耳熟能詳?shù)目谔?。而這些都在潛移默化地影響著他，并逐漸加深著他身為一名科研人的社會責(zé)任感。即使時光流逝，到海外學(xué)習(xí)、深造多年，吳建國也始終未曾忘記自己肩上的使命，祖國的日益強(qiáng)盛、國內(nèi)科研條件的日益完善和對祖國的歸屬感，促使他在學(xué)成之后便踏上了歸國之路。

2017年12月，吳建國以特聘研究員的身份來到了北京大學(xué)工學(xué)院工業(yè)工程與管理系從事科研工作，開始了科研之路新的旅程。因為自己的科研方向與“中國制造2025”是緊密相關(guān)的，國家也給予了這個方向大力支持，所以吳建國表現(xiàn)出了極大的科研自信，也為他科研工作的開展打下了堅實的基礎(chǔ)。

制造業(yè)是保持國家競爭力和經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的基礎(chǔ)，直接體現(xiàn)了一個國家的生產(chǎn)力水平，是區(qū)別發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家的重要因素，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要份額。隨著以物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)信息為特征的新的一輪工業(yè)革命的到來，世界各國政府相繼推出將智能制造作為本國構(gòu)建制造業(yè)競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵舉措。例如，美國的《美國先進(jìn)制造業(yè)伙伴計劃》、德國的“工業(yè)4.0”，中國也在2015年5月印發(fā)了中國實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)《中國制造2025》，而吳建國目前的研究方向就是與中國智能制造息息相關(guān)的。

“我們知道，在制造業(yè)里面有4個核心要素即生產(chǎn)力、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)成本。其與20世紀(jì)五六十年代周恩來總理所提出的‘多快好省本質(zhì)是相同的，即數(shù)量多、速度快、質(zhì)量好、成本省”。而吳建國的主要研究內(nèi)容就與先進(jìn)制造過程的質(zhì)量控制與改善有著密切的聯(lián)系?！爱a(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系到人民群眾的切身利益、關(guān)系到企業(yè)的生存發(fā)展以及國家的形象，生產(chǎn)質(zhì)量問題會嚴(yán)重制約先進(jìn)制造技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，也會影響生產(chǎn)效率和成本。”他說。多年來，在相關(guān)項目的支撐下，吳建國就在這一領(lǐng)域展開了一系列科研攻關(guān)。

增材制造具有制造周期短、材料利用率高以及易于生產(chǎn)出傳統(tǒng)工藝難以甚至無法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等巨大優(yōu)勢，已經(jīng)對航空航天、國防等領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響。然而，由于過程工藝復(fù)雜以及缺乏有效的在線過程監(jiān)控方法，目前增材制造仍然存在諸多質(zhì)量問題，嚴(yán)重制約其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用。

2018年，吳建國成功申請了國家自然科學(xué)基金面上項目“基于多源異構(gòu)傳感的增材制造過程監(jiān)測與質(zhì)量控制研究”，在這一項目的支撐下，他們以沉積熔融和選擇性激光熔融成型為研究對象，針對成型過程多物理現(xiàn)象以及當(dāng)前在線監(jiān)控基于單一功能傳感的局限性，提出基于多源異構(gòu)傳感的在線過程監(jiān)測與質(zhì)量控制；研究在線監(jiān)測信號特征與常見過程故障與質(zhì)量缺陷之間的關(guān)聯(lián)、在線信號動態(tài)演化建模與預(yù)測，以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)成型過程在線監(jiān)測與故障診斷；通過新型統(tǒng)計模型建立質(zhì)量與工藝參數(shù)，以及校正措施與質(zhì)量改進(jìn)的關(guān)系，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)及反饋控制措施的優(yōu)化。通過這一項目，他們將建立一套有效的基于多源異構(gòu)傳感的智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，為增材制造智能在線監(jiān)測與質(zhì)量控制提供理論依據(jù)與關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的理論價值和實踐意義。

除此之外，吳建國還在金屬3D打印中基于二維顯微圖像的孔隙缺陷檢測技術(shù)研究中取得了一系列科研成果?？紫度毕菔墙饘?D打印中最為普遍的質(zhì)量問題，嚴(yán)重制約金屬3D打印在結(jié)構(gòu)和承重等領(lǐng)域的應(yīng)用。傳統(tǒng)的超聲波檢測方法、阿基米德方法、X射線CT掃描等方法要么存在精度與分辨率不高的問題，要么無法檢測三維孔隙的形狀、大小與分布。在這一背景下，吳建國利用統(tǒng)計建模與推斷方法創(chuàng)新性地建立了一套質(zhì)量檢測方法，將二維顯微圖像的氣孔缺陷與三維氣孔缺陷聯(lián)系起來，通過二維顯微圖推估產(chǎn)品三維空間的孔隙率、孔隙缺陷的大小尺寸及分布。該方法不僅能準(zhǔn)確預(yù)測孔隙率，而且能預(yù)測空隙大小、密度等，其低成本、高精度的特點使其具有極高的工業(yè)應(yīng)用價值。該成果發(fā)表在工業(yè)與系統(tǒng)工程專業(yè)旗艦期刊IISE Transactions，并被工業(yè)與系統(tǒng)工程師雜志ISE Magazine選為Featured Article進(jìn)行報道。

在復(fù)雜系統(tǒng)可靠性研究方面，吳建國也進(jìn)行了一系列創(chuàng)新性科研探索。在他的介紹下，記者了解到：隨著傳感與信息技術(shù)的飛速發(fā)展技術(shù)，利用多通道傳感信號對復(fù)雜系統(tǒng)（如航空發(fā)動機(jī)）進(jìn)行健康狀態(tài)監(jiān)測與剩余使用壽命（RUL）預(yù)測越來越普遍。然而，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合和RUL預(yù)測方法要么不足以描述健康狀態(tài)與多傳感信號之間的高度非線性關(guān)系，要么或未充分利用歷史數(shù)據(jù)和已收集的觀測數(shù)據(jù)預(yù)測系統(tǒng)退化的軌跡。為解決傳統(tǒng)方法所面臨的問題，吳建國還提出了一種聯(lián)合預(yù)測模型（JPM），針對多傳感器數(shù)據(jù)開發(fā)了貝葉斯線性模型，然后利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立RUL與各個傳感信號退化曲線參數(shù)的關(guān)系，以此對系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與剩余壽命預(yù)測。在美國NASA航空發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)上的實例分析表明，該方法在預(yù)測精度上相比于其他已有方法具有極大提升。

育人不倦 砥礪前行

不管是在求學(xué)中砥礪前行，還是在科研中深耕勞作，每當(dāng)遇到困難有所動搖時，吳建國便會靜靜地坐下來，回想初心。在他看來，科學(xué)研究需要人們發(fā)自心底的熱愛與激情。一直以來，這份信念始終在鼓勵、督促著他，更加努力、專注地從事相關(guān)研究工作。

“我覺得一個團(tuán)隊，最關(guān)鍵的還是導(dǎo)師。首先，導(dǎo)師必須要幫助學(xué)生確立自己的研究方向，其次還能及時地給予他指導(dǎo)與反饋，這樣整個團(tuán)隊的工作效率才會提高?！眳墙▏f。一直以來，他都在以積極樂觀的心態(tài)、專業(yè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度面對自己所從事的科學(xué)研究工作，他希望自己的這份心態(tài)與責(zé)任感，也能對身邊的學(xué)生有更加正向的引導(dǎo)，提升他們對于科研更為全面的認(rèn)知。

孜孜不倦育桃李。在海外從事科研工作時，吳建國就講授過“工業(yè)大數(shù)據(jù)分析”“計算機(jī)輔助制造”“機(jī)器人與柔性制造”等相關(guān)的課程，回國之后，他仍在繼續(xù)指導(dǎo)著美國的學(xué)生，如今，他在美國指導(dǎo)的第一位學(xué)生也即將畢業(yè)，并已順利申請了查普曼大學(xué)的教職工作。目前，他還在承擔(dān)著北京大學(xué)工學(xué)院本科生以及研究生相關(guān)課程的教學(xué)。

在與學(xué)生的相處過程中，吳建國低調(diào)謙和、兢兢業(yè)業(yè)，在教學(xué)過程中，對學(xué)生的指導(dǎo)一絲不茍。在多年的教學(xué)生涯中，他始終將為祖國培養(yǎng)出更多具有獨立科研能力的研究人員作為己任，不斷為祖國播種著科研的種子。

靜水深流、不懈求索。對于吳建國來說，科研如修行，如果想要將科研做好，不僅要耐得住寂寞，還要淡泊名利、經(jīng)得起外界的誘惑，而走向成功的途徑唯有興趣與堅持。在科學(xué)的征途上沒有平坦大道可走，只有不畏勞苦沿著崎嶇山路攀登的人才有希望達(dá)到光輝的頂點。在“新一代智能制造”的時代洪流中，吳建國仍會堅守著自己的那份科學(xué)信念篤行不輟。