應(yīng)用數(shù)學(xué)架構(gòu)創(chuàng)新“底座”

蔡雨耘　楊士達(dá)

通過一張CT片識(shí)別腎臟的病灶，要花費(fèi)多久時(shí)間？

對(duì)醫(yī)生來說通常需要十幾分鐘，但是對(duì)于醫(yī)學(xué)影像智能輔助診斷系統(tǒng)來說，一分鐘即可。

這套由重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心研發(fā)的輔助系統(tǒng)極大緩解了醫(yī)生的閱片壓力，在減少診斷成本的同時(shí)，用精準(zhǔn)高效的醫(yī)學(xué)影像快速分割技術(shù)提升了診斷的精確性。

數(shù)學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是重大技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)。重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心自成立以來，始終面向社會(huì)需求，用數(shù)學(xué)知識(shí)解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域的實(shí)際問題，讓應(yīng)用數(shù)學(xué)在更多的場(chǎng)景中“應(yīng)用”起來。

基礎(chǔ)科學(xué)回應(yīng)底層技術(shù)關(guān)切

夏日炎炎，路面在驕陽的炙烤下變得滾燙。在南岸區(qū)米蘭路與永寧路路口，“聰明”的紅綠燈能根據(jù)實(shí)時(shí)車流情況調(diào)整間隔秒數(shù)，更高效的信號(hào)指示讓司機(jī)更舒心，消去他們心中的燥熱。

“以前，交通信號(hào)燈都是固定的時(shí)間間隔，就算前方車流量很小，但遇到紅燈時(shí)仍然需要停下，降低了大家的出行效率?！敝貞c國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心常務(wù)副主任劉學(xué)文介紹，“現(xiàn)在我們根據(jù)路口車流量、速度、狀態(tài)、隊(duì)列等檢測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)高效的數(shù)學(xué)公式，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立高效的數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)燈的放行方向和放行時(shí)間，讓通行率提高了30%?！?/p>

從固定間隔到實(shí)時(shí)調(diào)整，看似細(xì)小的改變，其實(shí)對(duì)模型建造和運(yùn)算能力都提出了極大挑戰(zhàn)。怎樣才能讓模型變得更智慧，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的最優(yōu)化？這就得在模型的底層構(gòu)架上實(shí)現(xiàn)突破。數(shù)學(xué)，便是這一切突破的源頭。

“數(shù)學(xué)是一門通用的世界語言，很多事情拋開現(xiàn)象，本質(zhì)都是數(shù)學(xué)問題。”重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心主任楊新民認(rèn)為。作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)在科技創(chuàng)新體系中的地位舉足輕重。一個(gè)數(shù)學(xué)問題的解決，往往能推動(dòng)許多行業(yè)領(lǐng)域的革新。

2020年2月，重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心成立，成為科學(xué)技術(shù)部批準(zhǔn)成立的首批13個(gè)國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心之一，也是重慶首個(gè)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域內(nèi)的國家級(jí)科研平臺(tái)，由國際系統(tǒng)與控制科學(xué)院院士、國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)獲得者楊新民教授擔(dān)任主任。

組織高水平應(yīng)用數(shù)學(xué)研究和數(shù)學(xué)應(yīng)用研究、培養(yǎng)數(shù)學(xué)人才、搭建數(shù)學(xué)家與其他領(lǐng)域科學(xué)家與企業(yè)家合作交流的重要平臺(tái)……目前，重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心聚焦信息科學(xué)、先進(jìn)制造、智能交通和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展需求，集聚數(shù)學(xué)與相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家、行業(yè)專家、企業(yè)家等，共同凝練和解決其中關(guān)鍵的數(shù)學(xué)問題，實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化和應(yīng)用落地。

用數(shù)學(xué)智慧巧解產(chǎn)業(yè)需求難題

怎樣判斷一個(gè)電能表是否需要更換？

人工檢查？太耗費(fèi)人力成本。按照固定的時(shí)間統(tǒng)一更換？有的電能表到期還能使用，盲目更換可能造成資源浪費(fèi)。

“電能表的設(shè)定壽命期限一般是8年，以往是8年一到期便統(tǒng)一更換。”劉學(xué)文介紹，現(xiàn)在重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心正和國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院合作，研發(fā)智能電能表的狀態(tài)評(píng)估運(yùn)維系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)電表每天采集的數(shù)據(jù)，對(duì)電表進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

當(dāng)系統(tǒng)判定電表在8年期限到期后依然性能良好，便可繼續(xù)使用。運(yùn)維系統(tǒng)讓電表壽命“延長”的同時(shí)，也助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

類似這樣面向社會(huì)需求，開展技術(shù)攻關(guān)的例子，在重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心還有很多。對(duì)這里的研究人員來說，數(shù)學(xué)研究不僅限于純理論的突破創(chuàng)新，更重要的是不斷加強(qiáng)與政府部門、高校院所、企業(yè)的合作，讓研究成果更加貼近現(xiàn)實(shí)需求，把論文真正寫在祖國大地上。

但合作并非一帆風(fēng)順。雖說數(shù)學(xué)是解決模型架構(gòu)問題的核心“鑰匙”，但在企業(yè)與中心的交流過程中，企業(yè)往往提出的是一個(gè)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的問題，而非數(shù)學(xué)問題。要將一個(gè)行業(yè)問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)問題，需要雙方不斷磨合與溝通。

“怎樣保障新能源汽車的電池安全？”在一次某企業(yè)與重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心的交流中，該企業(yè)工作人員提出疑問。新能源汽車的電池有兩極，如果一極被瞬間擊穿，電池兩極的離子就會(huì)交叉融合，發(fā)生燃燒爆炸。因此，電池的安全問題對(duì)于新能源汽車制造來說至關(guān)重要。

劉學(xué)文介紹，企業(yè)提出問題后，中心的研究人員便深入分析這個(gè)擊穿的過程是怎樣的、為什么會(huì)被擊穿、什么樣的情況下會(huì)被擊穿、擊穿的臨界點(diǎn)在哪里等問題。最后將這些問題一步步抽絲剝繭，透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質(zhì)，厘清癥結(jié)脈絡(luò)，找到解決方案。

“有時(shí)候找到一個(gè)問題比解決一個(gè)問題還困難?！眲W(xué)文感慨。

現(xiàn)在重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心將研究與行業(yè)企業(yè)深度融合，開展面向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論與方法研究，為重慶的智能化數(shù)字化建設(shè)提供技術(shù)支撐。

搭建研究者與企業(yè)的橋梁

在多車道、匝道、環(huán)島交叉口等復(fù)雜的交通路況下，汽車的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)也能像一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的司機(jī)一樣靈活適應(yīng)，并能在安全的條件下實(shí)現(xiàn)速度變換，平滑流暢地匯入其他車道……近期，重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心、重慶長安汽車股份有限公司、清華大學(xué)的研究人員正針對(duì)復(fù)雜條件下自動(dòng)駕駛軌跡實(shí)時(shí)優(yōu)化問題進(jìn)行研究。目前，該項(xiàng)目已通過中期驗(yàn)收，預(yù)計(jì)在年底結(jié)項(xiàng)。

研究中心、企業(yè)、高校，這三者的合作是如何產(chǎn)生的？這還得從此前召開的一次會(huì)議和重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心出臺(tái)的一個(gè)管理辦法說起。

2021年6月12日，由重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心參與承辦的中國工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)第二屆“數(shù)學(xué)促進(jìn)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展論壇”在重慶開幕。會(huì)場(chǎng)上，氣氛熱烈，面對(duì)來自產(chǎn)業(yè)界的一線問題需求，數(shù)學(xué)專家們十分興奮。

其中，最引人注目的是論壇上發(fā)布的智能制造行業(yè)的十個(gè)數(shù)學(xué)問題。這些問題從中國工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員、與智能制造相關(guān)的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目中征集而來，面向全國張榜求解。借此契機(jī)，重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心接下了重慶長安汽車股份有限公司發(fā)布的“復(fù)雜條件下自動(dòng)駕駛軌跡實(shí)時(shí)優(yōu)化問題”研究項(xiàng)目。

“我們通過舉辦會(huì)議論壇，搭建企業(yè)與科學(xué)家之間溝通的橋梁和合作平臺(tái)?！眲W(xué)文介紹，在這屆數(shù)學(xué)促進(jìn)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展論壇上，通過專家的主旨匯報(bào)，企業(yè)學(xué)習(xí)了最新的學(xué)術(shù)成果，專家也更了解行業(yè)需求。其實(shí)，除了通過會(huì)議連接起行業(yè)和學(xué)界，作為科研創(chuàng)新平臺(tái)，重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心本身也是一個(gè)科研力量的集合點(diǎn)。

重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心以重慶師范大學(xué)為牽頭單位，聯(lián)合北京大學(xué)、中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所等高校院所，與重慶長安汽車股份有限公司、重慶港務(wù)物流集團(tuán)有限公司等企業(yè)開展合作共建。18家共建單位內(nèi)的科研隊(duì)伍、中心內(nèi)30名專職研究人員及眾多兼職科研人員，共同構(gòu)建起重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心的人才競(jìng)爭(zhēng)力。

2021年，重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心出臺(tái)了《重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心共建共享實(shí)施辦法（試行）》，與共建單位簽訂協(xié)議，從制度上統(tǒng)籌各單位的優(yōu)勢(shì)力量。

“例如，在攻克長安汽車自動(dòng)駕駛相關(guān)問題上，我們與清華大學(xué)通力合作，發(fā)揮他們?cè)谳o助智能駕駛領(lǐng)域的研究優(yōu)勢(shì)；在交通信號(hào)燈優(yōu)化項(xiàng)目上，我們邀請(qǐng)重慶交通大學(xué)的研究人員加入研發(fā)團(tuán)隊(duì)?！敝貞c國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹。

在共建共享機(jī)制下，重慶國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心并非“單槍匹馬”地戰(zhàn)斗，而是匯集了與該領(lǐng)域相關(guān)的精銳力量，形成一支支靈活且充滿戰(zhàn)斗力的隊(duì)伍，攻克技術(shù)難題。