華東師大工科：國家利器的磨刀石

吳雪

近日，一則高校大數(shù)據(jù)專業(yè)排行榜在朋友圈刷屏，華東師范大學(xué)的“數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)”專業(yè)，以綜合評分99.8的成績，位列第二，打榜獲評A+類。這所高校給人以“師范專業(yè)強、文科強”的傳統(tǒng)印象，也就此打破。

事實上，華東師大的數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)是全國高校數(shù)據(jù)專業(yè)中唯一的“國家級一流本科”建設(shè)點。作為新工科專業(yè)和學(xué)科發(fā)展方向，旨在培養(yǎng)具備用數(shù)據(jù)為產(chǎn)業(yè)賦能的能力的“系統(tǒng)架構(gòu)師”和“數(shù)據(jù)科學(xué)家”，研究和開發(fā)支持數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“硬核”數(shù)據(jù)技術(shù)。

除了這個“全國唯一”的專業(yè)，以何積豐院士帶領(lǐng)的軟件可信保障技術(shù)團隊，也是華東師大工科專業(yè)的“重頭戲”。目前，該技術(shù)在國際上達到領(lǐng)先地位。正如何積豐院士所言：“控制軟件是工業(yè)重大裝備的中樞，是國家利器。要讓它足夠鋒利，就需要優(yōu)良的磨刀石。我們就是把鑄劍的磨刀石做好做精，從而提高重大裝備核心控制軟件的質(zhì)量，確保它們安全可信?！?h3>從技術(shù)創(chuàng)新到人才培養(yǎng) 數(shù)據(jù)技術(shù)支撐數(shù)字化轉(zhuǎn)型

數(shù)據(jù)是人類進入數(shù)字經(jīng)濟時代的重要生產(chǎn)要素?！把芯繑?shù)據(jù)就像一百多年前電機和電氣學(xué)科研究絕緣、變壓和輸配電一樣?！比A東師范大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與工程學(xué)院（以下簡稱“數(shù)據(jù)學(xué)院”）院長錢衛(wèi)寧在接受《新民周刊》采訪時表示，華東師范大學(xué)數(shù)據(jù)學(xué)院成立于2016年，其目的不是培養(yǎng)數(shù)據(jù)技術(shù)“駕駛員”，而是具有綜合能力的“造車人”，并且研發(fā)“造車”所要的“硬核”技術(shù)。

近年來，隨著各行各業(yè)加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型，應(yīng)用場景多樣化。這些應(yīng)用背后，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)面臨的使用壓力和服務(wù)方法都受到了挑戰(zhàn)。研究團隊重點突破，主要解決怎樣在用戶同時訪問峰值急劇升高、用戶使用方式不確定的情況下，做到數(shù)據(jù)管理分毫不差。

“以往，數(shù)據(jù)庫面臨的用戶是柜臺后面的服務(wù)人員，用戶是誰，用戶體量，操作流程，都是可預(yù)知的，數(shù)據(jù)是在一個封閉世界里流轉(zhuǎn)。現(xiàn)在，雙11秒殺、12306搶票這些‘現(xiàn)象級應(yīng)用里，有很多不確定性，但最后的支付還是要到后臺的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)里處理?！卞X衛(wèi)寧表示，當(dāng)用戶量的起伏最高相差兩到三個數(shù)量級，原來的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)就不行了，需要有創(chuàng)新性的解決辦法。

“我們叫做彈性事務(wù)處理，用戶量級大的時候，能及時升級;用戶量級小的時候，也可以很節(jié)省，多出的服務(wù)器可以做別的服務(wù)?！卞X衛(wèi)寧說，這一彈性系統(tǒng)，就好比一列火車，如果在上坡時拉力不夠，用多個火車頭推拉，上坡結(jié)束后卸去多余的火車頭，這比一直只用一臺功率更大的火車頭要節(jié)省、有效得多，更不用說對于有些陡坡，只靠一個車頭，最強大的火車頭也無能為力?！斑@是一種系統(tǒng)架構(gòu)上的轉(zhuǎn)變，需要一系列的‘硬核技術(shù)在背后支撐?！?/p>

過去6年，數(shù)據(jù)學(xué)院取得了豐碩的科研成果。其中，在核心數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上的成果在銀行、移動通信、云計算等行業(yè)得到廣泛成功應(yīng)用，為打破國外技術(shù)的壟斷、實施“替代工程”、助力行業(yè)轉(zhuǎn)型升級做出了貢獻。科研團隊曾獲國家科技進步二等獎1次，教育部科技進步一等獎1次，上海市科技進步一等獎2次。

當(dāng)然，利用數(shù)據(jù)來做在線教育，實現(xiàn)“大規(guī)模教育，個性化學(xué)習(xí)”也是大數(shù)據(jù)領(lǐng)域面臨的新問題。“例如，怎么把計算機科學(xué)教育，更高效、有用地普及到課堂，大數(shù)據(jù)發(fā)揮著重要作用?！卞X衛(wèi)寧說。

數(shù)據(jù)學(xué)院從自己學(xué)院的學(xué)生培養(yǎng)開始，利用“水杉在線”在線學(xué)習(xí)平臺實現(xiàn)高質(zhì)量的個性化教學(xué)。從2018年開始，學(xué)生在“水杉在線”上學(xué)習(xí)，后臺收集學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過建模分析對學(xué)生進行動態(tài)畫像，及時反饋學(xué)習(xí)問題。

由于不同人的學(xué)習(xí)路徑和節(jié)奏不一樣，所以學(xué)生可以自己控制學(xué)習(xí)進度自主學(xué)習(xí)，老師和助教更關(guān)注于解決學(xué)習(xí)中的問題。在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)就像一個老師，針對學(xué)習(xí)行為，為學(xué)生提供幫助。隨著用這個系統(tǒng)的學(xué)生越來越多，系統(tǒng)也越來越“聰明”。在線學(xué)習(xí)平臺和學(xué)生之間，實現(xiàn)了“教學(xué)相長”。比如，一個程序代碼錯誤，可能不僅一位學(xué)生會遇到，傳統(tǒng)的方式需要助教為他們逐一排錯和解答?，F(xiàn)在，系統(tǒng)可以為學(xué)生自主解答，老師也可以根據(jù)學(xué)生出錯情況調(diào)整教學(xué)方案統(tǒng)一解答。

此外，圍繞數(shù)據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標，踏實踐行“應(yīng)用驅(qū)動創(chuàng)新”和“開放辦學(xué)”理念，數(shù)據(jù)學(xué)院還發(fā)起成立“數(shù)據(jù)科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)協(xié)作組”，聯(lián)合15所高校40余名專家編寫、出版了《數(shù)據(jù)科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案與核心課程體系》，并組織了系列教材的編寫和出版。

何積豐院士團隊與卡斯柯長期合作，將可信軟件技術(shù)部署軌交行業(yè)。

軟件可信度保障 破除“黑盒子”

2020年12月，去月球挖土的“嫦娥五姑娘”，帶著太空“土特產(chǎn)”重返地球。事實上，“嫦五”從月面起飛、月球軌道交會對接和地月之間再入返回等60%以上的功能，均涉及軟件操控自行實現(xiàn)。

中國科學(xué)院院士、華東師范大學(xué)軟件工程學(xué)院創(chuàng)院院長何積豐告訴《新民周刊》，從天宮一號與神舟飛船自動對接，到上海地鐵線首次實現(xiàn)無人駕駛，這些奇跡的背后，都有華東師范大學(xué)牽頭的《面向重大工業(yè)裝備核心控制軟件的安全可信保障技術(shù)及應(yīng)用》成果身影。

據(jù)了解，這一項目獲得了2019年度上海市科技進步特等獎。目前，僅航天領(lǐng)域，從神舟七號到風(fēng)云四號，這一特等獎項目技術(shù)就在50余個任務(wù)中成功應(yīng)用。

嵌入式軟件是航天器的重要組成部分，其可信性直接影響航天任務(wù)成敗。華東師大軟件工程學(xué)院蒲戈光、陳儀香教授團隊，依托航天五〇二所承研的“航天嵌入式軟件可信性保障關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用”項目，獲得了2019年度北京市科學(xué)技術(shù)進步一等獎。

“除了要控制整個衛(wèi)星的姿態(tài)，控制它的精度，確保萬無一失。用了何院士的形式化方法，測試效率可以從原來的一兩個月，縮短至三到五天?！睅资陙?，為了提高航天嵌入式軟件的質(zhì)量，軟件工作者開展了大量的工作，取得了很好的成效。然而，動態(tài)時序、非確定性和復(fù)雜控制邏輯等深層次的軟件問題仍時有發(fā)生。

在何積豐看來，安全保障閉環(huán)的形成，軟件人和軟件工具要配合好一步步地走，就像繡花功夫一樣急不來。比如，智能懸架以前多應(yīng)用于高端車型，現(xiàn)在中端車型也在逐步配置。“我們正在給上汽、東風(fēng)、一汽甚至是大運、長城等提供行業(yè)解決方案，實現(xiàn)國產(chǎn)化替代?！?/p>

一直以來，團隊努力“破黑盒”，以解決軟件可信保障技術(shù)的三大難題。主要是軟件復(fù)雜性。

“分析難”、軟件正確性“驗證難”、軟件可靠性“保障難”。分析方面，一份用戶需求文件可能好幾百頁，會存在網(wǎng)絡(luò)延遲多變等不確定性;驗證方面，必須讓代碼自動生成替代人工編寫代碼;保障方面，接受國際測評標準嚴、投入大、周期長、成本高。

“如果閉門造車，可能水土不服。”2012年何積豐院士團隊與卡斯柯合作至今，其技術(shù)不僅成功部署于上海軌道交通17號線，還服務(wù)于東非地區(qū)的第一條城市輕軌——埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴輕軌，成為中國第一套“走出去”的自主列車運行控制系統(tǒng)解決方案。

歷經(jīng)十余年深入研究、實操實戰(zhàn)，已有近千名高端軟件人才從這個大項目平臺走向全國近百家企業(yè)。項目團隊表示，未來將繼續(xù)為國產(chǎn)大飛機、深空探測等重大國家級技術(shù)攻關(guān)提供共性技術(shù)，在國際上也形成高端裝備核心軟件的“中國造”品牌。