深耕數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論研究 探索人工智能應(yīng)用創(chuàng)新
——專訪華南師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院教授葉頎

文/陳嵐

[導(dǎo)讀]

葉頎教授在海外學(xué)習(xí)研究多年，一直心系祖國，作為急需人才，在國家海外高層次人才引進(jìn)計劃的號召下，于2016年回國任教，一直從事基礎(chǔ)科學(xué)研究。在深耕機(jī)器學(xué)習(xí)方法與逼近論數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)研究的同時，葉頎團(tuán)隊也積極推動人工智能數(shù)學(xué)理論與算法在醫(yī)療和教育等領(lǐng)域中的應(yīng)用。作為國際原創(chuàng)性研究課題“稀疏機(jī)器學(xué)習(xí)方法”的開創(chuàng)者之一，葉頎教授以深厚的專業(yè)底蘊，將理論與應(yīng)用相互融合，運用稀疏機(jī)器學(xué)習(xí)方法和廣義數(shù)據(jù)分析技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療和智能教育領(lǐng)域中探索創(chuàng)新，向我們展示了探索科學(xué)熱點、領(lǐng)域難點的努力與艱辛。

學(xué)成歸國 投身數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究

《廣東科技》：首先，請您介紹個人及所在機(jī)構(gòu)的基本情況。

葉頎：我的主要研究方向是逼近論及其在機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用。攻讀博士期間，我在美國伊利諾理工大學(xué)師從核函數(shù)逼近方法專家Gregory E. Fasshauer教授；畢業(yè)后前往美國雪城大學(xué)，與計算數(shù)學(xué)專家、首批國家海外高層次人才引進(jìn)計劃入選者許躍生教授展開博士后研究工作；隨后在香港與徑向基函數(shù)專家韓耀宗教授和凌立云教授展開合作研究。期間，我與許躍生教授共同提出了國際原創(chuàng)性研究課題“稀疏機(jī)器學(xué)習(xí)方法”，相關(guān)成果最終整理成122頁的長篇論文發(fā)表于發(fā)表于美國數(shù)學(xué)學(xué)會主辦的期刊Memoirs of the American Mathematical Society（每期只刊發(fā)1篇文章），是該刊首篇有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)的論文，也是國內(nèi)計算數(shù)學(xué)工作者首次在該刊上發(fā)表的長文。

2016年，我回到母校華南師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院（以下簡稱“學(xué)院”）信息與計算科學(xué)系任教。華南師范大學(xué)的數(shù)學(xué)學(xué)科創(chuàng)建于1952年，2000年獲批基礎(chǔ)數(shù)學(xué)博士點。目前，學(xué)院數(shù)學(xué)學(xué)科ESI排名全球前1%，在教育部第四輪學(xué)科評估中被評為“B+”，數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)獲批國家一流本科專業(yè)建設(shè)點，擁有廣東省數(shù)據(jù)科學(xué)工程技術(shù)研究中心省級平臺，合作共建首批國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心粵港澳應(yīng)用數(shù)學(xué)中心及中法基礎(chǔ)數(shù)學(xué)實驗室等。我所在的信息與計算科學(xué)系（以下簡稱“信計系”）構(gòu)建有科學(xué)計算和數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)兩大特色課程群，建設(shè)起了含非正式課程、課外實踐和專業(yè)實習(xí)三位一體的基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的混合產(chǎn)學(xué)研一體化實踐教學(xué)體系。經(jīng)過近10年的發(fā)展，信計系逐步形成了本、碩、博的完整人才培養(yǎng)體系，于2019年獲廣東省一流本科專業(yè)建設(shè)項目，在2021年6月軟科排名位列A專業(yè)。

首屆核函數(shù)逼近方法國際會議

葉頎教授邀請土耳其科學(xué)院院士埃塞姆·阿培丁共同出席GMIC廣州 2019暨科學(xué)復(fù)興節(jié)并進(jìn)行高峰對話

葉頎教授邀請?zhí)乩S夫大學(xué)前校長交流訪問

任教以來，我采用抽象理論、具體算法、落地應(yīng)用三位一體的科研新模式，聯(lián)合國內(nèi)外專家學(xué)者成立了機(jī)器學(xué)習(xí)與最優(yōu)化計算實驗室。實驗室以機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)理論為主要研究目標(biāo)，研究范疇包括逼近論、非光滑分析、支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像配準(zhǔn)算法等國際前沿領(lǐng)域，旨在為人工智能的基礎(chǔ)理論提供原創(chuàng)性的研究方法，并推動相關(guān)算法在教育、醫(yī)療大數(shù)據(jù)中的應(yīng)用，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的輔助軟件等。實驗室主辦了第一、二屆，協(xié)辦第三屆核函數(shù)逼近方法國際會議，邀請澳大利亞科學(xué)院院士、著名數(shù)學(xué)家Ian H. Sloan，香港科技大學(xué)副校長、圖像處理專家汪揚教授，德國斯圖加特大學(xué)Ingo Steinwart教授等人出席大會并作專題報告。在國家自然科學(xué)基金天元數(shù)學(xué)專題講習(xí)班項目資助下，實驗室還舉辦非光滑最優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)暑期學(xué)校，邀請最優(yōu)化理論專家、澳大利亞新南威爾士大學(xué)李國胤教授和圖像處理專家、美國雪城大學(xué)沈立新教授遠(yuǎn)距授課。通過實驗室構(gòu)筑交流平臺，我還邀請了世界各地著名專家學(xué)者訪問實驗室開展學(xué)術(shù)交流活動，包括計算數(shù)學(xué)專家、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)理論的奠基人之一Charles A. Micchelli，IEEE Life Fellow、小波分析專家Charles K. Chui，逼近論專家、以色列特拉維夫大學(xué)前校長Dany Leviatan等人。

碩果累累 賦能精準(zhǔn)醫(yī)療與智能教育

《廣東科技》：您一直投身于基礎(chǔ)學(xué)科的研究，近年來主要取得了哪些科研成果，遇到過哪些困難?

葉頎：我們團(tuán)隊在深耕機(jī)器學(xué)習(xí)方法與逼近論的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)研究的同時，也積極推動人工智能數(shù)學(xué)理論與算法在醫(yī)療和教育大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

在基礎(chǔ)理論方面，我們在稀疏機(jī)器學(xué)習(xí)方法和廣義數(shù)據(jù)分析技術(shù)的研究已取得突破性成果。美國著名數(shù)學(xué)家、菲爾茲獎和沃爾夫獎得主Steve Smale等人已在他們的高引論文中闡述了再生核函數(shù)方法在機(jī)器學(xué)習(xí)理論中的重要性，眾多數(shù)值實驗亦印證了具有稀疏性質(zhì)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法的優(yōu)勢。我們團(tuán)隊在具有更加完善幾何結(jié)構(gòu)的巴拿赫空間中構(gòu)造再生性，獲得了更優(yōu)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。我們開創(chuàng)性地推廣了再生核巴拿赫空間的原始定義，完善了機(jī)器學(xué)習(xí)理論并論證了在一模再生核巴拿赫空間中的廣義表示定理，驗證了相關(guān)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法具有稀疏性質(zhì)的結(jié)論?；谶@些研究成果，我與許躍生教授共同提出的稀疏機(jī)器學(xué)習(xí)方法及相關(guān)成果，已受到新加坡國家科學(xué)院首屆院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士沈佐偉，澳大利亞科學(xué)院院士、分析幾何專家Fedor Sukochev，瑞士工程科學(xué)學(xué)院院士、生物圖像專家Michael Unser等國內(nèi)外著名專家學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究引用。

葉頎教授與徐宗本院士簽訂重點專項協(xié)議

葉頎團(tuán)隊成果胰腺與胰腺癌CT圖像邊緣強(qiáng)化系統(tǒng)

葉頎團(tuán)隊成果胰腺與胰腺癌分割系統(tǒng)

葉頎團(tuán)隊成果中學(xué)數(shù)學(xué)教育大數(shù)據(jù)評估預(yù)測系統(tǒng)

在應(yīng)用方面，我們團(tuán)隊綜合運用原創(chuàng)理論和算法，為精準(zhǔn)醫(yī)療和智能教育賦能。癌癥是威脅人民生命健康的重大疾病，將機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析，助力腫瘤邊界界定、手術(shù)規(guī)劃與術(shù)后評估，對延續(xù)癌癥患者生命有重大意義。我與南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院方馳華主任聯(lián)合負(fù)責(zé)了國家自然科學(xué)基金數(shù)學(xué)天元基金“數(shù)學(xué)與醫(yī)療健康交叉重點專項”。在此專項中，我們綜合利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對胰腺癌CT圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像增強(qiáng)、分割、配準(zhǔn)和演化建模，精確重建胰腺及胰腺癌的三維結(jié)構(gòu)，建立胰腺癌邊界演化模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。目前，團(tuán)隊已研發(fā)胰腺與胰腺癌CT圖像邊緣強(qiáng)化系統(tǒng)、胰腺與胰腺癌分割系統(tǒng)，并基于增強(qiáng)與分割后的圖像數(shù)據(jù)穩(wěn)步推進(jìn)圖像配準(zhǔn)與演化建模等方面的研究。

近年來，我國高度重視人工智能對教育的深遠(yuǎn)影響，積極推動人工智能和教育深度融合，促進(jìn)教育變革創(chuàng)新?；谖覈腔劢逃陌l(fā)展需要及教育大數(shù)據(jù)核心數(shù)學(xué)理論與算法研究缺乏的現(xiàn)實困境，我們利用機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論與核心算法推動人工智能和教育深度融合。在應(yīng)用場景中，我們綜合運用多模態(tài)的教育大數(shù)據(jù)研究中學(xué)數(shù)學(xué)作業(yè)智能設(shè)計和中學(xué)生數(shù)學(xué)綜合素養(yǎng)智能評估，實現(xiàn)中學(xué)數(shù)學(xué)教育的智能化提升和個性化教學(xué)。目前，我們已研發(fā)中學(xué)數(shù)學(xué)智能教育分層系統(tǒng)、數(shù)學(xué)成績預(yù)測系統(tǒng)、數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)分層評估系統(tǒng)，并已在粵港澳大灣區(qū)的中學(xué)進(jìn)行落地測試。

但目前，我國信息化教育效能不高，對教育大數(shù)據(jù)的核心數(shù)學(xué)理論與算法研究依舊缺乏，加之當(dāng)前尚無相關(guān)課題與項目支持該領(lǐng)域的應(yīng)用研究，我們團(tuán)隊在前期探索中，因缺乏能承載海量廣義數(shù)據(jù)運算的高性能服務(wù)器及相關(guān)政策扶持而推進(jìn)困難。面對這些難題，我們一方面沿著已有成果及相關(guān)理論進(jìn)一步加深對中學(xué)數(shù)學(xué)教育大數(shù)據(jù)的分析研究；另一方面不斷健全研究團(tuán)隊，集合最優(yōu)化原理、人工智能算法、教育教學(xué)理論等多領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者，聯(lián)合粵港澳大灣區(qū)中學(xué)、數(shù)據(jù)研究企業(yè)等機(jī)構(gòu)共同推動教育大數(shù)據(jù)研究的產(chǎn)學(xué)研一體化?；诋?dāng)前的研究基礎(chǔ)與完備的團(tuán)隊體系，我們有充分的信心和能力完成系統(tǒng)研究，期待科技管理部門能給予更多的支持與幫助，以便盡速開展教育數(shù)據(jù)收集、智能教學(xué)輔助軟件研發(fā)、多模態(tài)數(shù)據(jù)運算及試點學(xué)校的落地測試等工作，突破教育智能化的理論瓶頸，助推粵港澳大灣區(qū)智慧教育和精準(zhǔn)教學(xué)走在全國前列。

腳踏實地 基于現(xiàn)實應(yīng)用探究核心理論

《廣東科技》：您從事基礎(chǔ)研究多年，最大的感觸是什么？所在機(jī)構(gòu)在鼓勵青年科技工作者從事基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面有哪些措施？

葉頎：“板凳要坐十年冷，文章不寫半句空”，一項成果的創(chuàng)造離不開長期的刻苦鉆研。我曾在華南師范大學(xué)、香港浸會大學(xué)、美國伊利諾理工大學(xué)、美國雪城大學(xué)等高校進(jìn)行了長期的學(xué)習(xí)研究，歷時7年才系統(tǒng)完成了稀疏機(jī)器學(xué)習(xí)方法的國際原創(chuàng)性研究課題。探索創(chuàng)新的過程也是孤獨的旅程，只有沉得住心性、坐得住冷板凳，在所從事的領(lǐng)域里艱苦奮斗，方能有所成就。雖在美國高校學(xué)習(xí)工作多年，但我從未忘記數(shù)學(xué)強(qiáng)國的夢想，學(xué)成歸國后秉承“國家的需要就是我的研究方向”這一信念，將所學(xué)的逼近論、最優(yōu)化理論應(yīng)用到教育和醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，推動國家和廣東省人工智能和大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用發(fā)展。

葉頎教授與學(xué)生調(diào)試服務(wù)器

葉頎教授為實驗室學(xué)生授課

在支持青年教師方面，學(xué)院制定實施了《數(shù)學(xué)學(xué)科建設(shè)專項經(jīng)費與獎勵方案》《數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院突破獎》《華南師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院ESI獎勵辦法》等政策，確保青年教師在教學(xué)、科研和生活等各方面的需求和發(fā)展，協(xié)助其發(fā)表論文、申請發(fā)明專利和軟件著作權(quán)，開通國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流與合作的綠色通道等。學(xué)校還為科研人員提供了一定的購房補助及子女幼兒園、中小學(xué)的入學(xué)支持，多方面全力解決后顧之憂，保障青年科技工作者能專注投入到研究工作中。此外，為充分發(fā)揮黨建引領(lǐng)作用，學(xué)院還籌建了青年教師先鋒黨支部，由我擔(dān)任支部書記，堅持以黨建促科研，充分激發(fā)青年教師群體科研、工作的積極性和創(chuàng)造性，引領(lǐng)廣大青年先鋒黨員同志不忘共產(chǎn)黨員的純潔初心，牢記科研創(chuàng)新人才的偉大使命，在工作中做好表率、作出成績，為科技強(qiáng)國事業(yè)作出自己的貢獻(xiàn)。

《廣東科技》：在提高學(xué)生創(chuàng)新能力及綜合素質(zhì)方面，您有什么建議？

葉頎：數(shù)據(jù)科學(xué)的兩條主線一條是理論，一條是應(yīng)用，兩條主線互相促進(jìn)、共同發(fā)展，沒有牢固的基礎(chǔ)知識和深厚的專業(yè)底蘊是無法孕育出創(chuàng)新成果的。因此，我們在教育教學(xué)過程中應(yīng)高度重視青年學(xué)生的基礎(chǔ)知識儲備，同時耐心引導(dǎo)學(xué)生們時刻保持好奇、質(zhì)疑的精神，鼓勵其主動發(fā)現(xiàn)專業(yè)學(xué)習(xí)、競賽項目中的問題并采取行動，積極尋求解決方法，在實踐探索中找到自己的研究興趣。

隨著數(shù)據(jù)科學(xué)的飛速發(fā)展，數(shù)學(xué)學(xué)科學(xué)生能接觸到更多前沿的應(yīng)用問題，有更多機(jī)會從應(yīng)用問題中提出理論需求，從而運用理論解決實際問題。華南師范大學(xué)信計系很早便引入行業(yè)優(yōu)質(zhì)資源，通過產(chǎn)學(xué)研合作來提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，通過解決來源于企業(yè)、管理機(jī)構(gòu)和科研院所的實際問題，激勵學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的積極性，提高學(xué)生分析、解決實際問題的綜合能力。我一直以來都支持并鼓勵同學(xué)們在加強(qiáng)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的同時，積極參與各類學(xué)術(shù)學(xué)科交流活動與專業(yè)技能競賽，在競賽和項目中成長成才，盡快掌握適應(yīng)行業(yè)和社會發(fā)展需要的前沿技術(shù)。

《廣東科技》：請講述個人研究領(lǐng)域未來發(fā)展的趨勢。

葉頎：機(jī)器學(xué)習(xí)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用不僅體現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，也正在加速融入教育、醫(yī)療、金融等諸多其他領(lǐng)域，越來越多的學(xué)科，乃至行業(yè)的突破將依賴于數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，這種趨勢將延續(xù)至數(shù)字化智能化時代的全面到來，但是，其全方位、深層次的應(yīng)用研究受限于機(jī)器學(xué)習(xí)方法核心數(shù)學(xué)理論的缺失，未來，稀疏機(jī)器學(xué)習(xí)方法和廣義數(shù)據(jù)分析等國際前沿技術(shù)理論的研究大有可為。

此外，我國教育領(lǐng)域的發(fā)展與改革也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，建立符合素質(zhì)教育理念的綜合素質(zhì)評價體系，更全面、客觀、有效地評價學(xué)生，已成為大數(shù)據(jù)時代教育現(xiàn)代化智能化的迫切需求。如何融入大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿科技，挖掘教育大數(shù)據(jù)中主要因素間潛在的關(guān)聯(lián)，對加快構(gòu)建高質(zhì)量數(shù)學(xué)教育體系，提升廣東省教育綜合實力和整體競爭力，建設(shè)粵港澳大灣區(qū)國際教育示范區(qū)至關(guān)重要。

《廣東科技》：最后，請談?wù)剬萍脊芾聿块T加強(qiáng)基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面的意見或建議。

葉頎：一是推進(jìn)校企合作，將高校院所的科研資源與企業(yè)的市場化、社會化需求充分融合，加快高校院所產(chǎn)學(xué)研一體化基地建設(shè)，幫助科研團(tuán)隊獲取研究領(lǐng)域相關(guān)的項目資源，為推動基礎(chǔ)科研與前沿交叉學(xué)科應(yīng)用的融合提供便利條件。二是強(qiáng)化政策扶持，針對基礎(chǔ)研究長期性、不確定性等特點，設(shè)置更加合理的項目評審、考核機(jī)制，給予科研人員更多自主權(quán)，既要力促科研項目順利推進(jìn)，同時也給予科研工作者更多的關(guān)懷和支持。三是加大科研投入，加大科研基礎(chǔ)設(shè)施與重點實驗室的投入建設(shè)，為科研人員提供專業(yè)化平臺開展長期穩(wěn)定的項目科研，為青年科技工作者探索學(xué)科新熱點、領(lǐng)域難點提供經(jīng)費支撐。

（本文素材及圖片由受訪者提供）