凝聽大地之聲
——記北京化工大學信息學院教授俞度立

王 芳 孫雅琴

約兩千年前，東漢張衡創(chuàng)制候風地動儀，世人從此有了監(jiān)測地震的儀器。百余年前，英國人蘭姆獲得點力作用下半序空間的波場解，致使地震學從力學體系中剝離出來，獨成學科。時間又過30余年，有關空腔震源模型的地震波研究為近現(xiàn)代地震勘探奠定了理論基礎。到了2018年，高鐵列車飛馳中形成的振動，在科學家的研究下，從噪聲變?yōu)橐环N新型、綠色震源，并成就了一門新學科——高鐵地震學。

大科學研究造就大科學家。作為相關學術概念和早期研究的主要發(fā)起人，俞度立參與和見證了高鐵地震學從無到有的醞釀和勃發(fā)。2011—2021年，10年時間，他秉持著一份學者直面當下、勇于開拓的責任與擔當，在豐富的跨學科對話、多學科交叉協(xié)作中，一步步走向以力學、電子學、信息技術與人工智能等多種學科為基礎的大科學研究，將一個源于生活的簡單想法，鍛造成了禁得起科學驗證的新學科、地球物理的新分支，與同行們一起掀起了國內(nèi)外的研究熱潮。

研發(fā)媲美“順風耳”的微機電系統(tǒng)（MEMS），聆聽來自大地的聲音，俞度立相信，在不遠的未來，在高鐵地震學的保駕護航下，中國高鐵將又快又安全。

在產(chǎn)品研發(fā)中，走上跨學科對話之路

微機電系統(tǒng)是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業(yè)技術,它的操作范圍在微米范圍內(nèi)。數(shù)字檢波器基于精密的MEMS，對地球內(nèi)部有著極其敏銳的細聽細辨能力。20多年來，俞度立研發(fā)的系列MEMS加速度傳感器產(chǎn)品在商業(yè)上具有全球創(chuàng)新領先地位，得到了業(yè)界的廣泛認可。也正是在這一研發(fā)過程中，他走上了跨學科對話的道路。

1996—2009年，俞度立在美國輸入/輸出（Input/Output）公司擔任高級資深工程師。其間，他承擔公司關鍵MEMS加速度傳感器產(chǎn)品的主要研發(fā)工作，并將其在世界范圍的油氣勘探行業(yè)應用。主要研究方向是傳感器系統(tǒng)理論、MEMS設計、集成電路芯片開發(fā)及測試、化工行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IOT研發(fā)及生物微機電系統(tǒng)（BioMEMS），獲得了16項美國專利。

在針對工業(yè)界創(chuàng)新性產(chǎn)品的研發(fā)中，俞度立膽大心細，緊緊地抓住了機遇。他在產(chǎn)品研發(fā)中發(fā)現(xiàn)，面向?qū)嶋H需求的研發(fā)工作學科跨度非常大，研究者只有力學背景還不夠，必須展開跨學科研究與深入對話，主動同半導體芯片設計領域、微電子制造領域進行合作。他意識到，必須有數(shù)學基礎、物理基礎，才能同這些研究者進行有效對話，于是第一個在研究組中提出，要打破壁壘，交叉融合，建立一支基于多學科基礎知識的整合研發(fā)團隊。

正是帶著這種不拘一格、敢于突破的精神，最終，俞度立所在研究組在業(yè)界創(chuàng)新開發(fā)出一體化的新數(shù)學架構(gòu)和仿真架構(gòu)，成功解決了產(chǎn)品研發(fā)的瓶頸問題。也正是因為最初的這次經(jīng)驗和歷練，俞度立在跨學科研究上的信心變強、意志愈堅，步子越邁越大，越走越遠，所研發(fā)的相關數(shù)字檢波器產(chǎn)品在中國石油界得到了大量的推廣和應用，地質(zhì)資料定位打井單井油氣產(chǎn)量創(chuàng)大油區(qū)歷史新高，得到了國內(nèi)學術界和企業(yè)界的認可。

2009年，久居海外不懈奮斗的俞度立作為國家高層次計劃人才被引進回國，擔任中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所二級研究員。國內(nèi)對科學研究的重視，讓他感到興奮不已，摩拳擦掌想要大干一場。其間，他獲批主持承擔國家科技重大專項“油氣專項”的重點課題，并負責著手組建有4名國家高層次人才計劃引進人才組成的技術實力完善的研發(fā)團隊，進一步朝著大課題、大團隊、大科學的方向前進。基于早前的跨學科研究經(jīng)驗，他更加游刃有余地進行信息技術、物聯(lián)網(wǎng)的快速學習和研究。課題的研究對象MEMS加速度數(shù)字檢波器由3個核心芯片組成，包括MEMS加速度芯片、ASIC芯片、MCU數(shù)據(jù)傳輸DSP SOC芯片。最終，3個核心芯片全部由團隊自主設計，在國內(nèi)外代工完成。傳感器測試、標定及系統(tǒng)集成在國內(nèi)完成，如今其技術核心已具備物聯(lián)網(wǎng)的雛形。

2016年，“十三五”的開局之年，俞度立受邀參加一個科技部座談會。在會上，他一以貫之地瞄準新興技術，挑戰(zhàn)高難度，提出大力開展人工智能領域研究，設立一個30年攻關的新題，以兩個為期15年的科技重大專項為依托，進行長期攻關。這一想法，不僅得到了科技部的認可，也吸引了北京化工大學的關注。2017年1月，在北京化工大學信息科學與技術學院院長的全球競聘演講現(xiàn)場，俞度立再次提出來一個總體思路——發(fā)展ABC，即人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)（Big Data）和化學化工（Chemistry & Chemical Engineering）相結(jié)合的想法，又一次獲取了來自校方的認可。此后的5年中，俞度立以院長的身份，從人才引進和學科建設入手，致力于學院師資隊伍的多元化建設，為跨學科研究鋪路打基，作出了貢獻。

對事故的不懈思考，啟發(fā)開創(chuàng)新學科

2011年6月30日，京滬高鐵正式通車。同年7月23日晚間，在甬臺溫鐵路溫州境內(nèi)，由北京南開往福州的D301次列車與杭州開往福州南的D3115次列車忽然發(fā)生追尾事故。事故給中國剛剛起步的高鐵事業(yè)造成較大沖擊。因恰逢暑期，俞度立早早訂了車票，所以帶著小女兒在事故通車第二天就踏上了南下旅途。他回憶起當時的情形：“雖然沒有改變原定的旅行計劃，但其實我和家人對于高鐵安全還是有所擔心的，尤其還帶著小女兒。所以，在多重因素的沖擊下，我開始思考，利用我的專業(yè)，可以為提升高鐵安全做些什么。”

從2011年起，這個念頭作為一個業(yè)余的探索目標，一直縈繞在俞度立的腦海。能不能做？需要什么條件？聯(lián)動哪些學科？一閑下來，他就會想一想。除了力學、微電子學背景，他還與信息新興技術、人工智能結(jié)合起來，逐漸有了一個大致可行的構(gòu)思。因為在構(gòu)思的過程中，俞度立關注到人工智能，這還啟發(fā)了他在2014年便將人工智能運用到自己主持的一個中石化項目中去，帶領團隊在國內(nèi)率先研發(fā)了一款相對先進的系統(tǒng)級芯片（SOC）。將儀器前端智能化，且把邊緣計算的能力賦予智能傳感器，這種想法在當時具有相當?shù)某靶?。幾年間，思考、實踐、總結(jié)、改進，如此反復。逐漸地，俞度立從原來開發(fā)性能單一的產(chǎn)品的思維中走出來，進一步去了解性能、成本、可靠性等多工業(yè)化因素，學術視野由此變得越來越廣闊。作為高鐵地震學概念的提出者，俞度立在早期探索中，一步步形成了深刻的認識，確立了要推動大科學研究的立場。

“差不多在2017年年底，阿爾法狗出來后，我確信人工智能的研究熱潮與所構(gòu)思的高鐵地震學中各學科交叉形成了閉環(huán)條件，具備了可行性。我覺得基本成熟了，可以開始行動了，我需要更多人來幫助我、支持我。”苦心孤詣的階段該結(jié)束了，他迫不及待地要發(fā)動更多人參與進來。于是，俞度立將相關構(gòu)思向身邊同事和盤托出，得到了積極的響應。

在今天，業(yè)內(nèi)人士提到高鐵地震學時，2018年1月在西安召開的第一次學術研討會，已成為一個繞不過去的關鍵事件。作為主要組織者和發(fā)起人，俞度立在會上積極倡導發(fā)展高鐵地震學研究，并很快就在會后利用團隊開發(fā)的高精度3D3C MEMS加速度計振動傳感器采集了實際高鐵數(shù)據(jù)。在得到了初步數(shù)據(jù)后，這年下半年，國內(nèi)又召開了一場規(guī)模上百人的高鐵地震學研討會，與會者不僅有國內(nèi)知名專家，還有海外的華人專家。這些早期的研究者共聚一堂，高度認可了俞度立等人的大方向，開始就各種發(fā)散性的問題進行探討，面對一門新生學科，人人都顯得干勁十足。

高鐵地震學研究，安全守護高鐵運維

2018年可以說是高鐵地震學的誕生元年。俞度立創(chuàng)立的一流科技創(chuàng)新團隊同中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、北京大學和西安交通大學等單位率先聯(lián)合開展高鐵地震學研究。同年，同為高鐵地震學學科發(fā)起人的葉大年院士、李幼銘研究員等學者和俞度立一起成立“高鐵地震學聯(lián)合研究組”。研究組的研究針對高鐵路基安全、地震預測、智慧城市地下空間探測與監(jiān)測等重大問題需求，變革性地把高鐵噪聲源轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫膬?yōu)質(zhì)震源，探索以高鐵震源為代表的移動組合震源激發(fā)地震波場新理論，發(fā)展基于移動組合震源的地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測、動態(tài)監(jiān)測等系列新技術。

在從事高鐵地震學研究中，俞度立率領團隊發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)彈性波方程框架性欠缺，提出了全新的非對稱性理論和相應方法，使得“高鐵地震學研究”取得重要進展。研究表明，高鐵列車是十分穩(wěn)定且可任意次疊加的“人造震源”，同時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學理論存在系統(tǒng)原理上的缺陷，需要重新審視并發(fā)展“偶應力”和“廣義連續(xù)介質(zhì)”架構(gòu)。團隊采用廣義連續(xù)介質(zhì)力學理論，建立一套全新的方程及算法，相關工作獲得了國內(nèi)外專家的廣泛認同和肯定。他們用從0到1的創(chuàng)新思維和嚴謹求實的科學精神，把論文寫在了祖國大地上。

與此同時，高鐵地震學研究的快速發(fā)展和廣闊前景也得到了國家科技部的高度重視。2021年，“變革性技術關鍵科學問題”重點專項設立了高鐵地震學課題，預期實現(xiàn)對高鐵線路覆蓋區(qū)域的智能一體化實時監(jiān)測技術，打造嶄新的安全信息平臺，為高鐵運維提供實時性的安全決策。作為具有中國自主創(chuàng)新的獨立安全技術系統(tǒng)，項目研究成果將大大有利于提高中國高鐵技術走出國門的競爭力。與此同時，守護中國高鐵又快又安全。

“挑戰(zhàn)杯”全國特等獎，一起無畏地向前闖

如今，在俞度立面積約550平方米的實驗室里，有人在做芯片的研發(fā)、測試工作，也有人在做傳感器系統(tǒng)的設計、搭建工作。存放服務器的房間里，空調(diào)24小時不間斷地嗡嗡運行。說起實驗室的一切，俞度立如數(shù)家珍。他指著一只可穿戴數(shù)據(jù)手套，興致勃勃地介紹道：“這是今年3月份，在第十七屆‘挑戰(zhàn)杯’全國大學生課外學術科技作品競賽上，我們學院獲得特等獎的作品，可以配合語音播報，進行手語識別，幫助聽障人士更高效地與外界溝通?！?/p>

在國內(nèi)，三大賽猶如大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領域的奧林匹克運動會，指教育部中國高等教育學會排名前三的賽事：中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽；“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽；“挑戰(zhàn)杯”中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃大賽（暨“創(chuàng)青春”全國大學生創(chuàng)業(yè)大賽）。雖說參賽者為大學生，但是背后均有科研領域的資深專家指導，獲獎作品背后凝聚著許多研究生的科研成果。因此，每年的三大賽都是國內(nèi)高校展現(xiàn)科研特色和實力的“比武大擂臺”。

“基于柔性傳感器和加速度計的智能手勢識別控制系統(tǒng)”的靈感，來源于兩年前學院師生一次針對疫情下如何幫助我國聽障人士融入社會這一話題的激烈討論。所以，大家決定以“手語識別”為切入點，依托信息科學與技術學院“微系統(tǒng)與可穿戴醫(yī)療設備及生物傳感技術”一流創(chuàng)新平臺，發(fā)揮科研特長，提出了研發(fā)可穿戴設備實現(xiàn)手勢識別與控制的方案，致力于推動聽障人士與普通人之間的無障礙溝通。俞度立作為項目顧問，針對項目的重點、難點等從大方向上給予了指導。

最終，師生們本著問題意識、嚴謹態(tài)度，經(jīng)過不斷溝通、改進、完善，研發(fā)出了一款基于自主研發(fā)的柔性傳感器和高速采集裝置的手勢識別控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有不受光線干擾、價格低、易推廣、精度高、體積小等優(yōu)勢，完美解決了初衷問題。同時技術有良好的遷移性，可以和其他領域相互結(jié)合。兩年來，作品先后獲得第十一屆北京市“挑戰(zhàn)杯”特等獎、華為云杯全國一等獎。而在第十七屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中，共有來自全國264所高校的1500余件作品參加終審答辯，團隊旗開得勝，創(chuàng)作的作品成為特等獎49件作品之一。

回憶起這次比賽，俞度立顯得十分驚喜。他說：“此前學校還沒有拿到這個級別的國賽大獎。所以，我也沒什么負擔，跟著年輕老師和學生們一起無畏地闖。最終結(jié)果皆大歡喜，也算是給了大家兩年來的付出一個圓滿的交代?！?/p>

而關于實現(xiàn)國賽大獎零的突破的訣竅，在2022年北京化工大學五四青年表彰大會上，項目負責老師吳迪說：“我認為得益于去年學院組織的實踐教學年上研討的‘具象化專業(yè)技能，拓展實踐育人平臺’的一二課堂聯(lián)動育人方案。第一是搭建分階科技競賽體系，具象專業(yè)知識地圖，解碼專業(yè)興趣。第二是構(gòu)建智慧科創(chuàng)勞動基地，具象專業(yè)應用場景，編碼成長路徑。最后是構(gòu)建‘五業(yè)’全鏈條人才培養(yǎng)機制，具象職業(yè)發(fā)展目標，譯碼人生理想?！北藭r的俞度立坐在現(xiàn)場聽到這些話，頗感欣慰。

師父領進門，修行在自身

從事科研多年，碩果累累，俞度立坦言，離不開早期求學時，恩師們的點化之功。他常常告誡年輕人，在初入學術界時，選擇一位好導師，是非常重要的事情。

改革開放初期，在清華大學讀本科時，那種刻苦學習、積極向上的氛圍；20世紀80年代末90年代初，在美國微制造研究所（IfM）讀博期間，得到的那些學術指引和熏陶，至今都讓他受益匪淺。一路走來所經(jīng)歷的嚴格的學術訓練，造就了俞度立極強的抗壓力。所以在多年的科研生涯中，他從來不畏懼挑戰(zhàn)，視挑戰(zhàn)為機會，變壓力為動力。不過，仍然有那么一些時候，他差一點就選擇了放棄。

“我們常常聽到一些人說，技術就是一層窗戶紙，一捅就破?？墒钱斈阏娴脑谧非笠粋€物理上的極致問題時，那往往是一個綜合性的難題，過程中備受煎熬。”剛回國那幾年，在做傳感器的核心芯片研究時，俞度立帶領團隊一度窮盡了所能想到的可能性，但就是達不到預期目標?！皦毫φ娴暮艽?，但是又不能放棄，投入了那么多心血和經(jīng)費進去，大家的努力不能白費。”于是就不甘心地苦苦堅持著，過了幾個月，俞度立忽然想到，也許在某個方面還可以再去探索一下。憑著多年科研積累下來的直覺，俞度立經(jīng)過反復測試后，在芯片上發(fā)現(xiàn)了一個極其不起眼的3納米的雜質(zhì)。正是這區(qū)區(qū)3納米的雜質(zhì)，影響了整個芯片的效果?！斑@個故事給了整個團隊慘重的教訓，但也激勵著大伙兒練就強大的內(nèi)心，遇到困難再堅持一下，也許幾個月后，就能捅破那層窗戶紙了?！庇岫攘⒏锌馈?/p>

俗話說，師父領進門，修行在個人。俞度立特意將“個人”二字改為了“自身”，用以強調(diào)這種修行是內(nèi)外兼具，全方位的。這么多年，從國外到國內(nèi)，俞度立從來沒有放棄對優(yōu)秀綜合能力的追求，也沒有放棄對個人特質(zhì)和科研天賦的挖掘。在面對研究生和年輕的科研人才時，他也總是身體力行地去影響著他們，創(chuàng)造自由平等、互助互利的團隊氛圍，給予他們盡可能多的試錯機會，去盡可能探索喜歡的課題，而不強求結(jié)果。

2021年年底，因為年齡原因，俞度立卸任院長一職，從繁忙的行政工作回歸教學和科研。他說：“了解科學的邊界，在基于理性的底色上了解個人的邊界，這是我將來的理想。而現(xiàn)在，我很享受這種在安靜的校園一角繼續(xù)凝聽大地之聲，指導研究生思考一些有趣問題的狀態(tài)。人生最好的時刻，就是當下。”