聚焦科技創(chuàng)新，發(fā)力產(chǎn)學(xué)研深度融合
——記汕頭大學(xué)工學(xué)院電子信息工程系主任范衠

劉 佳

隨著機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，時(shí)至今日，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，在人類(lèi)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色。值得注意的是，雖然中國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域起步較晚，但目前中國(guó)已成為全球第三個(gè)具備工業(yè)機(jī)器人完整產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)家。為了在機(jī)器人2.0時(shí)代為中國(guó)機(jī)器人贏得追趕甚至超越的機(jī)會(huì)，汕頭大學(xué)工學(xué)院電子信息工程系主任范衠埋首人工智能、群體智能、計(jì)算智能、設(shè)計(jì)自動(dòng)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺(jué)等機(jī)器人相關(guān)的多領(lǐng)域研究，積極開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)學(xué)研合作，為推動(dòng)中國(guó)機(jī)器人從“制造”到“智造”不斷貢獻(xiàn)自己的力量。

首創(chuàng)精神，解決“老大難”問(wèn)題

在汕頭市潮陽(yáng)區(qū)海門(mén)鎮(zhèn)洪洞村，華能海門(mén)電廠(chǎng)依山傍海而建。這座南方電網(wǎng)首座百萬(wàn)千瓦級(jí)超超臨界的煤電電廠(chǎng)，憑借大容量高參數(shù)的煤電機(jī)組成為當(dāng)之無(wú)愧的“煤電上的王冠”。在成為粵東電網(wǎng)穩(wěn)定有力的供應(yīng)保障之前，海門(mén)電廠(chǎng)面臨一個(gè)巨大的考驗(yàn)：如何解決數(shù)以千計(jì)的精密儀器和復(fù)雜的煤電發(fā)電管道所帶來(lái)的檢修難題，是決定海門(mén)電廠(chǎng)順利運(yùn)轉(zhuǎn)與否的關(guān)鍵。

海門(mén)電廠(chǎng)的檢修之難，同樣吸引了范衠的視線(xiàn)。如何在電廠(chǎng)工作的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保持安全高效、靈敏機(jī)動(dòng)的檢修流程，是范衠要解決的核心問(wèn)題。在與海門(mén)電廠(chǎng)進(jìn)行詳盡的溝通后，范衠將自己的研究靶向指向了對(duì)熱力管道泄漏點(diǎn)的檢測(cè)和封堵這一實(shí)際難題。

熱力管道泄漏點(diǎn)的檢測(cè)和封堵是電廠(chǎng)維護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，又因其對(duì)檢修的專(zhuān)業(yè)度和熟練度要求極高，長(zhǎng)期以來(lái)，這一工作只能由取得相關(guān)職業(yè)技術(shù)認(rèn)證和具有帶壓堵漏經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人來(lái)完成。這一高溫高壓有噴濺物的工作環(huán)境極為惡劣，對(duì)操作工人的身體危害極大，同時(shí)有極大的操作風(fēng)險(xiǎn)，稍有不慎就會(huì)造成工人嚴(yán)重燙傷乃至管道爆炸的嚴(yán)重后果。基于安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的多重要求，在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域深耕多年的范衠結(jié)合電廠(chǎng)實(shí)際工作環(huán)境和與機(jī)器人相關(guān)的最新研究成果，向海門(mén)電廠(chǎng)交出了他的解決方案——“熱力管道在線(xiàn)智能修復(fù)機(jī)器人”。

使用機(jī)器人代替工人作業(yè)，工人的安全得到了保證，那機(jī)器人的工作能力如何呢？范衠及其團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的機(jī)器人用實(shí)績(jī)回答：熱力管道中的檢修補(bǔ)漏工作，機(jī)器人不僅能做，而且做得更快更好。

范衠在中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新大會(huì)

針對(duì)熱力管道修復(fù)時(shí)的復(fù)雜環(huán)境，范衠首先在機(jī)器人的“眼睛”上下功夫，引入多套機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，使其可以對(duì)管道進(jìn)行三維重建，從而建立精密的工作地圖，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，機(jī)器人可憑借這一工作地圖快速識(shí)別和定位泄漏點(diǎn)，讓機(jī)器人做到即時(shí)反應(yīng)、迅速“到位”；同時(shí)運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，將專(zhuān)業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)充分融合到智能機(jī)器人的控制當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)互融的智能化操作，有效避免了因操作誤差產(chǎn)生的損失或減產(chǎn)；在具體操作中，范衠設(shè)計(jì)出專(zhuān)用于管道捻打堵漏的機(jī)械臂末端執(zhí)行器，保證機(jī)器人在電廠(chǎng)管道泄漏的情況下可以實(shí)現(xiàn)快速堵漏。目前，這臺(tái)國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)的用于熱力管道在線(xiàn)修復(fù)的帶壓堵漏智能機(jī)器人已在海門(mén)電廠(chǎng)投入使用，它可以在生產(chǎn)不停機(jī)的情況下對(duì)泄漏管道進(jìn)行修復(fù)，保障維修人員安全的同時(shí)，避免由于電廠(chǎng)熱力管道的損壞擴(kuò)大而造成損失，在海門(mén)電廠(chǎng)工作效率和操作安全性提升方面均有突出貢獻(xiàn)。

情牽汕頭，產(chǎn)學(xué)研結(jié)碩果

國(guó)家高層次人才、廣東省“揚(yáng)帆計(jì)劃”緊缺急需人才、中國(guó)僑界貢獻(xiàn)獎(jiǎng)創(chuàng)新人才、汕頭市首屆優(yōu)秀人才青年英才、汕頭市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才……擁有一系列耀眼頭銜的范衠，是如何與機(jī)器人研發(fā)結(jié)緣的呢？

對(duì)范衠來(lái)說(shuō)，機(jī)器人研究，既是他求學(xué)期間的不懈追求，也是他此后投身的終身事業(yè)。在完成華中科技大學(xué)本碩階段的學(xué)習(xí)后，范衠遠(yuǎn)赴美國(guó)密歇根州立大學(xué)攻讀博士學(xué)位，并在此階段主持并參與了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金項(xiàng)目“Automated Design of Mechatronic Systems Using Genetic Programming and Bond Graph（融合基因編程和鍵合圖的機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)）”，對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)設(shè)計(jì)展開(kāi)了深入研究。博士畢業(yè)后，范衠受聘于丹麥科技大學(xué)，歷任助理教授和副教授，主持并參與了丹麥技術(shù)創(chuàng)新局“Automated Design of Advanced Mechatronic Systems（先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)）”等3項(xiàng)國(guó)家級(jí)科技項(xiàng)目，結(jié)合基因編程和鍵合圖的方法，充分挖掘智能機(jī)器人多方面潛力，在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化的理論研究和實(shí)際運(yùn)用領(lǐng)域協(xié)同發(fā)力，獲得了多項(xiàng)具有明顯前瞻性和實(shí)用性的研究成果。優(yōu)渥的環(huán)境、卓越的成就并未磨滅范衠的報(bào)國(guó)之心，在他看來(lái)，機(jī)器人研究應(yīng)用已進(jìn)入對(duì)機(jī)器人自主決策能力、運(yùn)動(dòng)和交互能力提出更高要求的新階段，而中國(guó)機(jī)器人長(zhǎng)期停留在系統(tǒng)集成的制造階段。面對(duì)“機(jī)器人革命”帶來(lái)的巨大機(jī)遇，國(guó)內(nèi)機(jī)器人研究滯后的情況亟待改善。鑒于這種情況，范衠決心回國(guó)，力求以自身所學(xué)所見(jiàn)的國(guó)際前沿專(zhuān)業(yè)知識(shí)幫助中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨后，范衠與求賢若渴的汕頭大學(xué)一拍即合，他在汕頭這座“特別有魅力”的城市定居下來(lái)。

多年海外經(jīng)歷帶來(lái)的國(guó)際視野，讓范衠充分認(rèn)識(shí)到科研與產(chǎn)業(yè)結(jié)合、多學(xué)科協(xié)同發(fā)展的重要性。用科研擁抱產(chǎn)業(yè)，用綜合的機(jī)器人技術(shù)解決企業(yè)的痛點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，是范衠不懈的追求。范衠希望可以將機(jī)器人研發(fā)及應(yīng)用作為切入點(diǎn)，推動(dòng)汕頭經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量變革、效率變革，為汕頭創(chuàng)新發(fā)展注入新活力。為此，范衠以廣東省數(shù)字信號(hào)與圖像處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、進(jìn)化智能與機(jī)器人國(guó)際聯(lián)合研究中心主任、汕頭市機(jī)器人與智能制造研究院執(zhí)行院長(zhǎng)等多重身份積極投入到產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化的進(jìn)程中，從智能機(jī)器人技術(shù)研發(fā)及成果轉(zhuǎn)化、基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理算法的開(kāi)發(fā)及智能優(yōu)化算法研究領(lǐng)域入手，為企業(yè)提供了多套具有重要應(yīng)用價(jià)值的智能機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。

自2012年定居汕頭以來(lái)，范衠先后研發(fā)了用于生產(chǎn)領(lǐng)域的電廠(chǎng)智能監(jiān)盤(pán)機(jī)器人、平衡示教機(jī)械臂及用于溫室采摘、道路裂縫檢測(cè)、電廠(chǎng)巡檢等的兩代多用途復(fù)合型機(jī)器人系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品，范衠用設(shè)計(jì)自動(dòng)化的方法對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并充分結(jié)合深度學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法，兼顧實(shí)用性和靈活性，使相關(guān)機(jī)器人在準(zhǔn)確高效完成當(dāng)前任務(wù)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)面向不同設(shè)計(jì)要求的快速定制。這些已經(jīng)投入使用的機(jī)器人產(chǎn)品幫助相關(guān)企業(yè)在人員安全性、操作穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)快速提升，獲得了相關(guān)應(yīng)用企業(yè)的廣泛好評(píng)。

除此之外，范衠充分挖掘機(jī)器人視覺(jué)方面的潛力，其開(kāi)發(fā)的智能圖像處理算法，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)生產(chǎn)生活領(lǐng)域，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。如應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的鋼坯字符識(shí)別項(xiàng)目和鋼筋端面識(shí)別項(xiàng)目，可快速地對(duì)圖像中的鋼筋斷面進(jìn)行識(shí)別定位和有效計(jì)數(shù)，大大減少了生產(chǎn)環(huán)境中鋼筋斷面計(jì)數(shù)的人力成本；或應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的眼科疾病輔助診斷系統(tǒng)，為視盤(pán)檢測(cè)的研究提供了新的方法和思路，對(duì)早期發(fā)現(xiàn)和治療不同的眼部疾病具有重要價(jià)值；在生態(tài)保護(hù)領(lǐng)域，范衠基于深度學(xué)習(xí)的智能圖像處理算法也有積極應(yīng)用：他發(fā)明的中華白海豚背鰭定位與識(shí)別系統(tǒng)，融合圖像處理方法和深度學(xué)習(xí)算法對(duì)中華白海豚背鰭進(jìn)行定位與識(shí)別，對(duì)于生物行為研究和海洋生態(tài)保護(hù)有重要意義。

同時(shí)，為設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足用戶(hù)需求的不同構(gòu)型機(jī)器人，以及不斷提高機(jī)器人解決問(wèn)題的能力，范衠極為重視智能優(yōu)化算法的研究。在智能進(jìn)化算法領(lǐng)域，范衠提出了集中基于分解的（MOEA/D）和基于支配的（NSGA-II）兩大類(lèi)多目標(biāo)進(jìn)化算法優(yōu)點(diǎn)的多目標(biāo)進(jìn)化算法，可同時(shí)提高多目標(biāo)算法的收斂性和分布性。此外，范衠還提出了一種基于分解排序（DBS）與角度選擇（ABS）的多目標(biāo)算法MOEA/D-SAS，有效解決了種群收斂性和多樣性平衡的問(wèn)題。在約束多目標(biāo)進(jìn)化算法領(lǐng)域，范衠提出從無(wú)約束Pareto前沿反向搜索到約束Pareto前沿的思想，有效克服了傳統(tǒng)約束多目標(biāo)進(jìn)化算法無(wú)法跨越多個(gè)不可行區(qū)的難題。在此基礎(chǔ)上，范衠提出的基于角度約束支配的方法（Angelbased constraint domination principle，ACDP），保持了種群的收斂性、多樣性和可行性方面的優(yōu)勢(shì)，充分體現(xiàn)了所提出的約束處理機(jī)制ACDP的有效性。據(jù)范衠介紹，帶約束條件的多目標(biāo)進(jìn)化算法方面的研究已成為他所帶領(lǐng)的廣東省數(shù)字信號(hào)與圖像處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究特色，相關(guān)研究成果也取得了國(guó)際領(lǐng)先的學(xué)術(shù)地位。對(duì)圖像處理技術(shù)和智能優(yōu)化算法的研究，成為范衠團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人研究領(lǐng)域的理論基石，為機(jī)器人的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)起到良好的支撐作用。

2019年12月，中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)名單新鮮出爐，為汕頭機(jī)器人產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)頗豐的范衠榜上有名。這既是對(duì)他堅(jiān)持產(chǎn)學(xué)研深度融合的極大認(rèn)可，也是對(duì)他堅(jiān)持科技創(chuàng)新服務(wù)社會(huì)、服務(wù)產(chǎn)業(yè)理念的肯定。現(xiàn)在，范衠已主持包括國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和中央軍委科技委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目在內(nèi)的國(guó)家和省部級(jí)科研項(xiàng)目10項(xiàng)，承擔(dān)項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)2000多萬(wàn)元，其代表性成果在IEEE Transactions on Image Processing、IEEE Transactions on Evolutionary Computation等國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表，同時(shí)擔(dān)任廣東省圖象圖形學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)智能機(jī)器人專(zhuān)委會(huì)執(zhí)行委員、廣東省科協(xié)智能制造學(xué)會(huì)聯(lián)合體第一屆專(zhuān)家委員會(huì)委員等職務(wù)，是國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部科技獎(jiǎng)勵(lì)、教育部長(zhǎng)江學(xué)者等項(xiàng)目的評(píng)審專(zhuān)家。

能力越大，責(zé)任越大。為了進(jìn)一步推進(jìn)合作的深度和廣度，范衠還主持了廣東普通高校國(guó)際暨港澳臺(tái)合作創(chuàng)新及國(guó)際合作重大項(xiàng)目“基于進(jìn)化計(jì)算的智能機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)”以及廣東省國(guó)際科技合作基地項(xiàng)目“融合多目標(biāo)進(jìn)化計(jì)算和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人設(shè)計(jì)自動(dòng)化平臺(tái)”，以開(kāi)放、學(xué)習(xí)、融合、創(chuàng)新的心態(tài)，不斷加強(qiáng)交流與合作，積極推進(jìn)科研成果的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)不同地域、不同平臺(tái)間企業(yè)與科研成果的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。

薪火相傳，讓人才成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有生力量

在范衠看來(lái)，在中國(guó)做機(jī)器人，“單打獨(dú)斗”是絕對(duì)行不通的，國(guó)內(nèi)智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)人才缺乏是制約其發(fā)展的重要因素。中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)想要做大做強(qiáng)，人才的培養(yǎng)、引進(jìn)和留存是重中之重。為此，在日常的教學(xué)過(guò)程中，范衠特別重視對(duì)學(xué)生自主研發(fā)能力的培養(yǎng)，尤其強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)思路的創(chuàng)新與實(shí)踐。在他的指導(dǎo)下，汕頭大學(xué)工學(xué)院本科生已經(jīng)可以自行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制作“安防機(jī)器人”等功能性機(jī)器人，具備平移、旋轉(zhuǎn)、自主躲避障礙、尋找識(shí)別目標(biāo)和跟蹤特定目標(biāo)等功能，同時(shí)造價(jià)很低，具有極強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這種形式既激發(fā)了學(xué)生進(jìn)一步鉆研的興趣，也對(duì)科技成果轉(zhuǎn)化起到了良好的示范作用。范衠正在以言傳身教的方式，為我國(guó)機(jī)器人研發(fā)培養(yǎng)“敢想能做”的后備人才。對(duì)于機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)人才的引進(jìn)，范衠也多次建言，希望未來(lái)汕頭能加大智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的投入，并通過(guò)建設(shè)更多的研究院和機(jī)構(gòu)，來(lái)吸引并留住更多相關(guān)領(lǐng)域的人才，以便更好地促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

團(tuán)隊(duì)合影

與此同時(shí)，范衠的研究成果也頻頻出現(xiàn)在科普教育領(lǐng)域，配合不同的科教形式，在不同年齡段學(xué)生的心中種下興趣的種子。范衠與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)的智能科教機(jī)器人、卡片式編程機(jī)器人和EST可視化編程機(jī)器人已經(jīng)量產(chǎn)并投入使用，上述機(jī)器人具備多種人機(jī)交互功能，在青少年科普教育領(lǐng)域大放異彩。此外，通過(guò)體驗(yàn)互動(dòng)、科普講座等形式，范衠與汕頭市的中小學(xué)生建立對(duì)話(huà)，以科教融合的方式培養(yǎng)中小學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，提升科技素養(yǎng)。范衠說(shuō)：“汕頭大學(xué)目前擁有廣東省數(shù)字信號(hào)與圖像處理的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和汕頭市人工智能技術(shù)研究院，這兩個(gè)研究平臺(tái)都能夠直接助力中小學(xué)生人工智能和機(jī)器人教育。當(dāng)孩子們看到身邊的哥哥姐姐們都能夠開(kāi)發(fā)機(jī)器人、開(kāi)發(fā)人工智能算法，就會(huì)覺(jué)得人工智能就在身邊，說(shuō)不定能激發(fā)他們未來(lái)從事相關(guān)研究的積極性?！?/p>

早在2014年，中國(guó)已經(jīng)成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)國(guó)，范衠的愿望就是幫助中國(guó)成長(zhǎng)為機(jī)器人研發(fā)和生產(chǎn)大國(guó)。未來(lái)，范衠將用自身所學(xué)積極推動(dòng)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)生態(tài)的形成與發(fā)展，在機(jī)器人核心技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域不斷突破，繼續(xù)在機(jī)器人研究和應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)掘更多的可能性。