秦伟:解构复杂系统运行的秘密

【干思思/科学中国人】

21世纪,以大数据、人工智能等为代表的新兴技术快速发展,正在引领新一轮科技革命与产业变革。在此影响下,无人工厂、共享经济、现代物流等一系列经济新业态不断兴起,深刻影响着人们的生产与生活。但与大众看来天翻地覆的变化不同,在致力于新技术的科学家眼中,这仍是一脉相承的世界。

“无论科技发展程度如何,我们最终都是希望了解这个世界到底是怎么运行的,不光是自然界的运行逻辑,还有我们人类发展历程中产生的工业与社会系统,包括生产、交通、物流等。这些系统现在变得越来越庞大,越来越复杂,越来越难以控制。”上海交通大学工业工程与管理系副主任秦威如是说,他们的目标就是解构人类生产与生活中息息相关的复杂系统运行的秘密。唯有如此,方能更好地管控这些系统,为人类提供更好的服务。《科学中国人》封二人物——秦威

《科学中国人》封二人物——秦威

从物理到自动化

“物理学的视角对我的影响非常大,其实现在从事复杂系统研究的很多科研人员都是统计物理学出身。”秦威介绍。不过,与大部分同行学者的研究经历不同,秦威与物理学结缘始于中学时期。

成立于1904年的黄冈中学,是全国闻名遐迩的高中,创造了无数高考神话还有竞赛传奇,秦威高中时便在这所中学就读。因成绩优异,秦威直接入选了黄冈中学竞赛班。这个班级基本上就为奥林匹克竞赛而设,用1年时间学完整个高中三年知识后就要开始全心准备奥林匹克竞赛,秦威被优先选拔到物理组。高二开始,他所有的学习内容都是围绕物理展开,最终在奥林匹克赛场上他取得了全国物理竞赛一等奖的成绩。

不过,尽管在物理上已表现出卓越的天赋,但实际上很少有人从开始就知道自己想从事的职业方向,尤其是在信息十分匮乏的年代。2000年夏,在面临大学专业的选择时,秦威同样十分茫然,在长辈的指导下,他在清华大学的“一般”专业和上海交通大学“最好”的专业船舶与海洋工程之间,选择了后者。

“不过,虽然回想起来大学专业的选择有些‘随意’,但我现在确实觉得本科读什么专业真的不重要,因为这个阶段主要培养的是自学能力。”在秦威看来,高中时期主要是按照老师的要求进行学习、训练,而到了大学后一切课程都只能靠自己。“不断自我学习的过程,其实就是一个自我了解的过程,我后来方向的不断调整就是基于此。”

尽管选择了船舶与海洋工程专业,但秦威一直对物理抱有极大的兴趣。在这样的兴趣驱动下,有的时候改变命运也许只需要一则广告。

大二的一天,在路过学校一食堂对面的海报亭时,秦威忽然注意到一则源于贝尔实验室的招聘广告,招聘的第一条要求就是自动化专业。

“你知道贝尔实验室诞生了多少诺贝尔奖吗?”再次忆起改变命运的这一天,秦威的语气中满是轻快。

诞生于1925年的美国贝尔实验室,毫不夸张地说至今为止都是这个世界上最伟大的实验室之一。它是晶体管、激光器、太阳能电池、发光二极管、数字交换机、通信卫星、电子数字计算机、C语言、UNIX操作系统、蜂窝移动通信设备、长途电视传送、仿真语言、有声电影、立体声录音以及通信网等许多重大发明的诞生地,并且一共有8位成员获得了诺贝尔奖,其中7人获得的是物理学奖。

就是这样伟大的贝尔实验室,招聘要求第一条竟然就是自动化专业,这让秦威产生了极大的兴趣。尽管根本不清楚自动化专业是什么,也不知道那则招聘广告后面的要求,但自动化3个字已经深深印在了秦威的心中。

“对于一个学物理的人来说,贝尔实验室绝对是最神圣的地方之一。”后来,秦威开始在图书馆到处寻找自动化方面的书籍,越了解越发现他对此非常感兴趣。“它讲的其实就是如何控制一个系统,我也非常感兴趣,特别想了解、学习到底如何去控制,在此驱动下后来就选择了自动化作为第二专业。”

2004年,秦威顺利从上海交通大学毕业,并且获得了船舶与海洋工程学院和自动化系双学士学位。但不同的是,再次站在人生分岔路口时,他远比4年前更加了解自己。“以前选专业可能什么都不了解,但现在我知道我对自动化特别感兴趣,而且要学的话我就要选择最好的地方挑战自己,所以就放弃了本校保研机会,决定去考清华大学自动化专业。”

那年9月,秦威顺利考入了国内自动化专业的殿堂——清华大学自动化系。硕士期间,在导师的指导下,秦威对于系统控制有了更深刻的了解。出于学以致用的想法,研究生毕业后,他进了一家企业工作,但很快就发现这与他的想法背道而驰。“企业与科研院所最大的区别可能就在于导向性,在企业里面工作没有办法带来科研上自由探索的成就感,我还是喜欢做科研。”看到这一点后,秦威立刻选择了辞职,并顺利申请了香港大学工业及制造系统工程系进行博士深造。

物理学视角无疑给了秦威更宏观的思维方式。在香港读博期间,他先后获得了香港大学University Postgraduate Fellowships(UPF奖学金)(全校仅30个名额)与香港“U-21 RFID技术应用创新奖”。2011年加入上海交通大学工业工程与管理系后,秦威主要从事复杂系统建模、控制与优化,以及机器智能理论、方法与应用等领域的研究。他还发起成立中国机械工程学会工业大数据与智能系统分会,以及中国机电一体化协会工业大数据分会,分别担任副总干事和秘书长;先后主持多项国家自然科学基金委、科技部、工信部和上海市科研项目,以及宝钢、玉柴、海尔、联影、同仁堂、微软等企业委托课题,取得了系列科研成果;发表SCI论文30余篇,出版中英文专著多部,并取得多项专利和软件著作权。

“从物理到自动化再到工业工程,看起来差别很大,其实都是一个逻辑,我就是希望了解这个世界以及我们生存的社会背后运行的秘密。”秦威介绍。秦威(二排右三)荣获上海交通大学“政导师”称号

秦威(二排右三)荣获上海交通大学“政导师”称号

复杂网络与工业大数据

“物理学中,有一个常见概念叫相变,简单来讲就是量变到质变的过程。我们的工业与社会系统也是一样,在诞生之初往往只是一个简单的人工系统,但随着人类科学技术不断发展,一旦这些系统规模足够大、关系足够复杂以后就会产生相变,会涌现出一些特别的性质,这在人类设计之初是没有想到的。”秦威介绍,“我们看到的生产制造、港口物流、道路交通,设计的时候都非常复杂,但依据的原理往往是简单的、局部的。而当整个系统组合、运行起来后表现出来的很多性质都超出了想象。”

当量大到一定程度后就会引起质变。正是因此,在处理生产、港口、交通等大型复杂问题时,不仅需要从问题本身出发,还需要跳出局部看系统,如秦威所言即为“将之看成一张多层的、多连接、动态演化的复杂网络”。

近几年来,他先后负责的国家重点研发计划课题“业务驱动的超大型集装箱码头智能化作业规划与决策技术”、国防基础科研计划项目“基于大数据的航空复杂结构件加工车间决策优化技术”及国家自然科学基金项目“基于复杂网络理论的晶圆制造自动化物料运输系统动态调度方法”等,无不基于这一视角进行。

其中,“业务驱动的超大型集装箱码头智能化作业规划与决策技术”项目主要针对的就是上海港和青岛港。港口作为水陆交通枢纽,是国家经济社会发展及参与全球竞争与合作的最重要基础设施之一。伴随人工智能、大数据、自动化等技术的发展,自动化集装箱码头在提高装卸效率、提升生产安全、节能减排、改善作业条件、节约劳动力成本等方面具有明显优势,已成为未来港口的发展方向。

然而,作为自动化集装箱码头“大脑”的智能操作系统,长期以来都被以美国NAVIS系统为代表的国外产品所垄断,研发拥有自主知识产权的大型自动化集装箱码头对国家在物流、交通等领域的发展至关重要。

“这个项目的核心在于数据、模型和算法,我们需要研发一套具有我国完全自主知识产权的基于大数据驱动的智慧码头管控系统。”秦威介绍,他希望通过数据分析,挖掘超大规模集装箱港口运行背后的规律,进而优化、控制系统,提升作业效率。

围绕超大型集装箱码头作业协同优化与智能决策方法这一重要科学问题,在该项目中,秦威带领团队聚焦作业协同智能规划、大数据分析与应用服务、智能管控系统等三方面关键技术,采用“理论模型研究—关键技术突破—支撑系统开发—系统集成应用”的技术路线,开展业务驱动的超大型集装箱码头智能化作业规划与决策技术、云—端融合的超大型集装箱码头作业大数据应用技术、基于多维度全流程仿真的超大型集装箱码头数字孪生系统、基于新一代通信技术的远程可视化实时在线运维管理系统、基于全域融合架构的超大型自动化集装箱码头智能操作系统5项研究工作,为后续建设安全可靠、智能高效的自动化码头提供核心技术支撑。 

“围绕系统进行建模、控制实际上并不是一个新的问题,但随着大数据、物联网等技术的兴起,数据越来越多,特别是港口这样的复杂系统每时每刻都在产生大量的数据,我们能否利用一些大数据、人工智能等新技术方法与手段从整体数据的角度提供优化控制决策?同时,我们能否在这其中形成一套相应的理论方法体系?”秦威表示,这其实是属于两大方面的问题,而工科每个领域又都涉及了非常多细节要点,“要吃透需要花很多时间”。

正是因此,在这一项目中秦威几乎将整个团队、接近20个成员都投入其中。“为什么这么重视这个项目?就是因为它很有代表性,跟我们现在的重点研究方向非常相关,也就是怎样将复杂网络理论与大数据以及工业工程领域的核心优化问题结合起来进行研究。”

秦威介绍,在解决大规模问题时,传统的模型与算法已经出现了很多局限性,而网络理论是相对比较可能的一种方式,因为网络里面的节点非常多,连边也可以非常复杂,与港口、交通等物流系统很类似,那么就可以用网络来刻画物流系统。

“如果站在上帝视角去俯瞰港口就会觉得非常有意思,它就像一个三维空间,空间中密密麻麻的点时刻不停地在运动。要是聚焦其中一个点,比如一个集装箱,你就能清晰地看到它所有的行动轨迹,从船上的某个位置移动到岸上,再经过一条长长的路径移到某个堆场。这就像一个大型动态演化的网络,我们可以继续联想网络拓扑结构的一些特征是否跟我们关注的港口系统的性能指标有关。”秦威介绍,传统方式是将港口分成3个阶段去分析,但实际上每个阶段都是有关联的,如果能够接受各个环节之间的影响,再集成起来去考虑过程的优化控制和调度,肯定可以极大提升效率。“这个项目最大的一个关键点就是希望突破整个码头全域集成调度的难点。”

如今,项目进行至中期,秦威团队已解决了港口目前面临的最大人工调度难题,基于复杂网络开发出一个求解引擎,能够引导码头无人车的运行轨迹,提高效率,为未来实现真正的无人智慧码头奠定了基础。

作为我国首个拥有完全自主知识产权的超大型自动化集装箱码头智能操作系统(ITOS),该项目成果将在洋山港、青岛港得到全面示范应用,进一步提升超大型自动化集装箱码头运营效率,实现整体桥吊平均台时效率达30个自然箱以上,助力单体码头年吞吐能力超600万标准箱,昼夜吞吐量达2万标准箱,并减少作业人员70%以上;有助于突破现有技术在交互响应速度、应变能力、智能化程度和运营规模等方面的局限,打破国外码头智能操作系统市场垄断,有力支撑我国港口行业创新发展与转型升级的需求。未来,项目成果还将在传统码头自动化改造以及以色列海法新港等在建项目中全面应用,以“中国智造”成果助力“一带一路”发展。教师节课题组合影

教师节课题组合影

万物运转的规律

世间万物运转不息,但又循环往复,富有规律。老子在《道德经》中说:“人法地,地法天,天法道,道法自然。”在秦威眼中也是如此,大到宇宙洪荒,小到物流、交通甚至粒子的运动,一切皆有迹可循。因此,无论是物理、自动化,还是工业工程,对他而言只是研究对象不同,其背后本质都是研究系统运行的规律。

比如被广泛应用于重型卡车、大型客车、工程机械、船舶舰艇、发电设备等各个领域的柴油发动机,近年来需求不断增长。然而,与康明斯等国外领先企业相比,我国柴油发动机生产企业在装配质量一致性等指标上还相距甚远,已成为制约其进一步提升国际竞争力的瓶颈。因此,研究柴油发动机装配系统运行的内在规律,形成对工艺过程的深刻理解,建立面向装配质量一致性提升的优化与控制方法迫在眉睫。

在国家自然科学基金面上项目“大数据驱动的柴油发动机装配质量一致性优化与控制方法研究”中,秦威就以柴油发动机装配过程为研究对象,针对柴油发动机装配工序复杂、误差源繁多且存在传递累积效应,海量工艺变量之间存在复杂的关联关系,难以通过机理建模方法实现柴油发动机装配过程的分析、优化与控制等难题,提出大数据驱动的“因果—预测—调控”思路,开展柴油发动机装配质量一致性优化与控制方法研究,以全面突破我国柴油发动机装配质量一致性提升的瓶颈,为我国柴油发动机制造业的智能化转型升级提供理论支撑和应用探索。

在上海市“科技创新行动计划”项目“飞机移动对接位姿追踪与精确测量技术研究”中,秦威还瞄准了国产大飞机。他与商飞集团合作,以机翼与机身整体对接过程为研究对象,通过机器视觉等多种方式的结合,设计出最佳的对接轨迹姿态,使之更好地适应于未来柔性生产发展,同时支撑各种型号飞机的量产,助力国产大飞机腾飞梦。

还有“基于大数据的航空复杂结构件加工车间决策优化技术”项目、“食品无菌纸盒包装机器人自动化生产线”项目、“中医药产品智能制造新模式应用项目”……这些年来,秦威先后承担了国家重点重要项目近20项,研究对象上至航空航天,下至老百姓的衣食住行,应有尽有、包罗万象。

“万物自有其规律可循,我们要做的就是不断追寻系统背后运行的秘密。”秦威如是说道。不仅如此,在科研之外,他也同样遵循“道法自然”的管理原则。

尽管如今已是上海交通大学工业工程与管理系分管科研的副主任以及复杂系统智能优化与决策研究中心主任,但秦威从没将自己定位在团队“管理”角色上。从系统论角度出发,他只将自己看成团队这张大网中的一个“点”。“实际上,一个团队中只要每个人在他的岗位上做好自己的贡献,这个团队必然会发展得越来越好。”

对于秦威而言,更高的职位仅仅意味着更多的责任。从实验室的规划建设到学术交流的活动组织再到团队成员的项目申报,他都事必躬亲。2020年,他协助团队成员成功申报11项国家自然科学基金,其中9项获得资助,资助率在国内遥遥领先。

同时,在学生的培养方面秦威也同样信奉“道法自然”。“物理里面热传导有3种方式,传导、对流与热辐射。其中的热辐射是最持续,也是最润物无声的。我觉得这与教育言传身教理念不谋而合,从课题组走出去的学生往往带有导师的烙印,在人才培养方面老师的表率非常重要。”在此理念下,秦威很少对学生提出过多要求,但一言一行无不让大家深受感染。

这几年来,秦威所教导的课程深受学生们喜爱,其负责的“运筹学”和“大数据分析与机器智能”均入选上海交通大学线上课程建设目录,并牵头承担工业工程教指委首批优质课程建设工作。先后获得上海交通大学“优秀班主任”、机械与动力工程学院非全日制专业学位研究生教育“优秀论文指导教师”等称号,还获得了上海交通大学机械与动力工程学院青年教师教学竞赛一等奖。

世界在飞速发展,但万物运转皆有规律。对于未来,秦威充满了期待,希望能带领团队不断攀登,解开更多复杂系统运转的奥秘。

专家简介:

秦威,上海交通大学工业工程与管理系副主任,复杂系统智能优化与决策研究中心主任。上海交通大学学士、清华大学硕士、香港大学博士。研究方向涉及复杂系统建模、控制与优化,机器智能理论、方法与应用等。

发起成立中国机械工程学会工业大数据与智能系统分会,以及中国机电一体化协会工业大数据分会,分别担任副总干事和秘书长。先后主持多项国家自然科学基金委、科技部、工信部和上海市科研项目,以及宝钢、玉柴、海尔、联影、同仁堂、微软等企业委托课题,取得了系列科研成果,发表S C I论文30余篇,出版中英文专著多部,并取得多项专利和软件著作权。

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