深耕數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)　成為工業(yè)系統(tǒng)醫(yī)生

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這是一個(gè)充滿(mǎn)創(chuàng)新的時(shí)代。

近些年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)正在由信息化時(shí)代步入智能化時(shí)代。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及群體智能系統(tǒng)正在快速且廣泛地應(yīng)用于軍事、信息、工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、交通等各個(gè)領(lǐng)域。

這也是一個(gè)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的時(shí)代。

大型工業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)的集成度、復(fù)雜度變得越來(lái)越高，保障大型工業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)安全運(yùn)行的任務(wù)也隨之變得越來(lái)越復(fù)雜和必要。通常來(lái)說(shuō)，大型工業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)中各個(gè)控制變量間的高耦合性往往導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)中的某些故障很難得到精確監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確定位，進(jìn)而導(dǎo)致工程師或者自動(dòng)控制系統(tǒng)很難及時(shí)做出相應(yīng)決策以保證系統(tǒng)安全。甚至有時(shí)，一個(gè)局部的異常事件就可能導(dǎo)致整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)的性能下降，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е轮卮蟮陌踩鹿省?/p>

如何提高復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的安全性和可靠性？這個(gè)問(wèn)題不管是在學(xué)術(shù)界還是在工業(yè)界都受到了廣泛關(guān)注。對(duì)此，記者采訪(fǎng)了哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院教授羅浩。

羅浩現(xiàn)工作于哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，主要從事多源數(shù)據(jù)分析與特征提取、自動(dòng)控制系統(tǒng)故障診斷、分布式安全優(yōu)化控制、基于醫(yī)療影像的疾病分析與輔助診斷等方向的研究。他的工作就好比是工業(yè)系統(tǒng)的醫(yī)生。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，診斷控制

“對(duì)工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)里可能發(fā)生的故障進(jìn)行診斷有很多種方法，大致能分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于模型，一類(lèi)是基于數(shù)據(jù)?！绷_浩介紹道。

在西安交通大學(xué)取得學(xué)士學(xué)位之后，2008年，羅浩來(lái)到德國(guó)杜伊斯堡-埃森大學(xué)攻讀碩士學(xué)位。從那時(shí)起，他就開(kāi)啟了故障診斷和容錯(cuò)控制相關(guān)的研究工作，而其最先接觸的就是基于模型這一類(lèi)方法。2012年年初，從他開(kāi)始攻讀博士學(xué)位起，他的研究方向慢慢轉(zhuǎn)向了基于數(shù)據(jù)的診斷與控制方法。

“那個(gè)時(shí)候用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)去解決工業(yè)系統(tǒng)中的故障診斷與容錯(cuò)控制問(wèn)題，在國(guó)際上是前沿研究領(lǐng)域。”回憶起攻讀博士學(xué)位時(shí)所做的研究課題，羅浩仍歷歷在目。那時(shí)候剛好是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)診斷與控制方法技術(shù)剛興起的時(shí)候，他對(duì)當(dāng)時(shí)比較火熱的幾類(lèi)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法做了一些研究，雖然有了一些初步的研究成果，但是相關(guān)理論方法還不太成熟，不過(guò)至少也給了他一些想法、一個(gè)繼續(xù)研究的思路。

2015年年底，羅浩在博士畢業(yè)前夕入選了哈爾濱工業(yè)大學(xué)青年拔尖人才計(jì)劃，并于2016年在德國(guó)杜伊斯堡-埃森大學(xué)獲得工學(xué)博士學(xué)位，博士論文榮獲優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)。畢業(yè)后，羅浩回到國(guó)內(nèi)，入職哈爾濱工業(yè)大學(xué)，沿著博士階段的研究思路繼續(xù)潛心研究數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)診斷與控制工作。終于，經(jīng)過(guò)多年的嘗試與摸索，他逐漸發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的局限。

看清楚了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的癥結(jié)所在，羅浩接下來(lái)在一些國(guó)家級(jí)或省部級(jí)的項(xiàng)目中，有意拓展了自己的研究方法，以便與工業(yè)實(shí)際更好地結(jié)合。

羅浩發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中，出于對(duì)安全性和可靠性的優(yōu)先考慮，大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)往往被封裝，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)不允許第三方做任何改變，這為控制系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整帶來(lái)了設(shè)計(jì)難題，也使得眾多優(yōu)化控制方法雖然有著完美的理論證明，但是往往無(wú)法應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際。對(duì)此，羅浩構(gòu)建了一個(gè)不依賴(lài)特定控制系統(tǒng)的即插即用故障診斷與安全優(yōu)化控制框架。得益于診斷與控制系統(tǒng)的參數(shù)化描述，在這個(gè)框架中診斷與控制系統(tǒng)可以作為設(shè)計(jì)模塊嵌入實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)中。診斷與控制的各個(gè)模塊通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的分析與處理，有效提取擾動(dòng)、故障等異常對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)的影響并分別進(jìn)行反饋補(bǔ)償?？蚣茉试S在不改變?cè)锌刂葡到y(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)中診斷與控制模塊關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的在線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

“對(duì)分布式的故障診斷與控制性能進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化的同時(shí)，提高復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)安全性與可靠性。”羅浩解釋道，他之前都是在研究一些集中式的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，近些年來(lái)才開(kāi)始研究分布式的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。在集中式數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)故障診斷與容錯(cuò)控制方法研究領(lǐng)域中，針對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)象空間和核空間開(kāi)展相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)全球也不超過(guò)五六家。在分布式數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法領(lǐng)域，相關(guān)方向更是幾乎無(wú)人涉足，這一方向在國(guó)際國(guó)內(nèi)屬于前沿，并且有極高的難度和挑戰(zhàn)性。

從2012年到現(xiàn)在，羅浩一直在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域深耕，初步形成了基于子空間映射的一套數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)診斷和控制方法。十多年的累積讓羅浩對(duì)這套方法很自信：這套方法有著堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，肯定會(huì)對(duì)工業(yè)實(shí)際應(yīng)用提供正面參考。2021年，羅浩憑借扎實(shí)的科研工作，入選愛(ài)思唯爾工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域世界前2%科學(xué)家。

打破壁壘，融合醫(yī)工

2021年，羅浩入選哈爾濱工業(yè)大學(xué)青年科學(xué)家工作室學(xué)術(shù)帶頭人。

青年科學(xué)家工作室不算大。用羅浩自己的話(huà)說(shuō)就是：“我們就是一個(gè)特別小規(guī)模的團(tuán)隊(duì)?！辈贿^(guò)“麻雀雖小，五臟俱全”。為了加強(qiáng)跨學(xué)科交流，從成功的經(jīng)驗(yàn)中獲取新的經(jīng)驗(yàn)，羅浩帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、東北大學(xué)、浙江大學(xué)、中南大學(xué)、長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)等兄弟院校保持著密切聯(lián)系。同時(shí)與國(guó)際的合作也一直沒(méi)有間斷過(guò)，即使在受到新冠肺炎疫情影響的今天，羅浩仍然每?jī)芍芏家c來(lái)自德國(guó)、西班牙、美國(guó)、巴基斯坦等國(guó)著名院校的項(xiàng)目合作團(tuán)隊(duì)召開(kāi)線(xiàn)上研討會(huì)。

如今，羅浩的工作室已經(jīng)開(kāi)展了一些比較前沿的研究工作。主要包括兩個(gè)方向，一個(gè)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制;另外一個(gè)是醫(yī)工交叉的疾病輔助診斷技術(shù)：利用多源醫(yī)療數(shù)據(jù)為人體膝關(guān)節(jié)構(gòu)建三維數(shù)字模型，完成骨關(guān)節(jié)多尺度、多功能的數(shù)據(jù)建模，同時(shí)開(kāi)展基于數(shù)字孿生模型的膝關(guān)節(jié)炎輔助診斷方法研究。

“目前我們的這兩個(gè)研究方向中，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法是跨學(xué)科的共性關(guān)鍵技術(shù)。”羅浩說(shuō)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是分析數(shù)據(jù)里的各個(gè)成分，然后把各個(gè)成分在數(shù)據(jù)空間里區(qū)分開(kāi)，再針對(duì)每個(gè)成分的特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)處理。得到的干擾信息，把它扔掉，同時(shí)也可以用它來(lái)做補(bǔ)償，以得到更精確的估計(jì)或者控制?！斑@兩部分我們都開(kāi)展了一些前期的工作，有了一些積累。”羅浩說(shuō)，接下來(lái)他最想做的，就是把實(shí)驗(yàn)室建立起來(lái)，把團(tuán)隊(duì)帶起來(lái)。

在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域深耕多年，羅浩清楚地認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)在的控制學(xué)科不能一直固守已有的東西，需要不斷開(kāi)拓一些新的領(lǐng)域。基于此，他對(duì)未來(lái)的研究方向有一個(gè)初步的想法：打破學(xué)科之間的壁壘，推動(dòng)多學(xué)科深度交叉與融合。用兩條腿走路，一條腿是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷和優(yōu)化控制，另外一條腿就是醫(yī)工交叉。希望兩個(gè)方向能相輔相成，行穩(wěn)致遠(yuǎn)。

踏實(shí)做事，低調(diào)為人

從2016年加入哈爾濱工業(yè)大學(xué)至今，羅浩工作時(shí)間不過(guò)6年。

短短6年間，羅浩主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)子課題2項(xiàng)，教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目1項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)。

值得一提的是，羅浩跟長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)、中車(chē)長(zhǎng)客集團(tuán)合作，開(kāi)發(fā)了一套動(dòng)車(chē)在線(xiàn)評(píng)估監(jiān)測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)，獲得了2021年度吉林省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)?！澳軌颢@獎(jiǎng)，感覺(jué)主要是我們做的工作比較踏實(shí)。”他說(shuō)。從小父母就教育羅浩要認(rèn)真踏實(shí);初中時(shí)候的班主任經(jīng)常教育他要誠(chéng)實(shí)、正直、有志向;在德國(guó)留學(xué)時(shí)期，導(dǎo)師教育他一定要踏踏實(shí)實(shí)做事，并一直鼓勵(lì)他要有自己的想法。長(zhǎng)輩的諄諄教導(dǎo)，羅浩都銘記在心。多年的耳濡目染，讓羅浩也形成了踏實(shí)做事、低調(diào)為人的性格。

“目前參與的項(xiàng)目，我覺(jué)得都是特別小的創(chuàng)新點(diǎn)，但我們是真正在研究一些問(wèn)題，而且是做得比較踏實(shí)的。”羅浩有一套自己的行為準(zhǔn)則：自己提出來(lái)的一些理論，一些方法上的創(chuàng)新、突破，必須腳踏實(shí)地做實(shí)了才行。做研究最重要的事，是先把自己的工作做好，才能得到同行專(zhuān)家，甚至是其他行業(yè)專(zhuān)家的認(rèn)可。

回顧6年來(lái)的工作，羅浩有收獲有成長(zhǎng)，但也有一點(diǎn)小遺憾，那就是與企業(yè)接觸得比較少，除了高鐵項(xiàng)目以外，相關(guān)研究成果在工業(yè)實(shí)際中的應(yīng)用還較少。如何把科研成果更好地服務(wù)于工業(yè)實(shí)際，是他今后努力要做的一件事。

（責(zé)編：張聞）