摘要：数学，被誉为“自然科学上的皇冠”。在高端芯片、智能制造、国家安全等关键领域扮演重要角色。近日，中国教育在线重庆分站走进重庆师范大学，采访了国际系统与控制科学院院士、重庆国家应用数学中心主任、重庆师范大学教授杨新民，听他讲述在过去多年的科研生涯中，如何带领团队
在重庆，很多师生第一次“认识”杨新民，是几年前学校组织观看的杨新民院士线上科普公益讲座视频。
杨新民是国际系统与控制科学院院士，也是一位在运筹学领域深耕30多年的数学家。对他来讲，数学就是最熟悉、最得力的“武器”。
“面对突发性事件，我们可以使用数学模型，根据已有数据，推演、预测它的发展趋势。”杨新民想到在抗击“非典”时，数学界曾建立模型对其演变趋势进行推演。
杨新民还发动“朋友圈”，邀请数学领域的院士专家做线上科普公益讲座，单场讲座吸引超过17万人次观看。
在一场场高传播率的科普讲座中，很多人第一次切身感受到数学的魅力。
国际系统与控制科学院院士杨新民
数学，被誉为“自然科学上的皇冠”。在高端芯片、智能制造、国家安全等关键领域扮演重要角色。近日，中国教育在线重庆分站走进重庆师范大学，采访了国际系统与控制科学院院士、重庆国家应用数学中心主任、重庆师范大学教授杨新民，听他讲述在过去多年的科研生涯中，如何带领团队用好数学，解决产业发展中“卡脖子”问题。
从两卡车纸质文档中，寻求出重庆支柱产业
杨新民出生于四川省泸州市，家中排行老二。回忆起自己走进数学殿堂的初衷，杨新民表示，母亲算术能力很强，家中五兄妹长大后都从事了和算术有关的工作。“另外，我的小学数学老师是位美女，她总对我进行鼓励式教育，这点对我的数学启蒙教育非常重要。”
1979年，恢复高考的第三年，杨新民考入重庆师范学院（今重庆师范大学），成为数学系的一名学生。大学毕业后因成绩优异，留校任教。1985年，他考上重庆大学硕士研究生，选择运筹学为研究方向。
运筹学是一门将复杂问题抽象为数学模型，再用数学的理论和方法去求最优解的学科，研究的是最优化问题，实用性很强，应用领域很广。
“我是1979级学生，那时国家各个学科百废待兴，我们有着广阔的研究空间。陈景润等老一辈科学家身上的家国情怀，77、78级师兄师姐们因经历过‘上山下乡’的实践经历，对知识的渴望、严谨认真的学习和科研态度，都深深感染了我。”杨新民说，那时整个社会学习氛围高涨，人们物质生活虽然贫乏，但精神世界却很富足。
这种环境下，1987年杨新民所在的团队和当时的重庆市计划委员会合作，共同完成了“重庆产业政策研究”的课题，用数据来寻求重庆应该发展的支柱产业。
那时，计算机尚未普及，各个单位统计的数据都是纸质文档。杨新民记得，他们团队从统计局拉了整整两卡车纸质文档，然后和学生一起整理这些数据，再对数据进行分析，建立了多目标优化模型。
通过建模、数据分析以及与各个单位的交流，杨新民团队得出结论：重庆应该选择汽车、摩托车和机械等产业为支柱产业。
“这个政策指导了重庆很长一段时间的产业发展，我也备受鼓舞，觉得应该将运筹学运用到更广阔的领域去。”杨新民说。
此后，杨新民便开始探索如何将数学系从一个教学型团队转变成教学科研型团队。
大胆尝试：运筹学+大数据与人工智能
2017年暑假，对于杨新民及其团队来说，是一个令人难忘的夏天。
刚放假没多久，杨新民就带领团队去西安交通大学做了一场学术交流，在这次交流中，大家讨论的主要问题就是大数据与人工智能。
回到重庆，杨新民立即召集团队成员开了一场学术会议，他在会上提出：“我们一直在做运筹学方面的研究，运筹学最核心的研究就是最优化问题，而大数据与人工智能的很多问题都可以归结为最优化问题。我们要结合国家需求，转变思维，将运筹学同大数据与人工智能相结合。”
图注：杨新民与运筹学团队开展研讨
“作为一名数学科学工作者，我时常会关注国家最新的政策、国内外最新的科研动态，对学科的发展、最新的研究方向保持强敏感度。”杨新民说。
经过几年转型探索，杨新民带领团队进行的大数据与人工智能的研究成果初显：2018年领衔的成果“向量最优化问题的理论研究”获国家自然科学奖二等奖，这是重庆市第三项国家自然科学奖，也是西部地方高校获得的第一项国家自然科学奖。2019年获批国家自然科学基金重大项目“最优化问题的人工智能方法”，项目经费1968万元，这是国家自然科学基金委成立以来重庆获批的首个重大项目。
2020年2月经中华人民共和国科学技术部批准，重庆国家应用数学中心应运而生，是首批13个国家应用数学中心之一。杨新民担任中心主任，带领团队主要聚焦数学与信息科学、数学与先进制造、数学与智能交通、数学与生物医学四个方向进行重点研究。
比如，中心和国网重庆市电力公司合作了项目：基于非凸稀疏多目标优化的生活用电能表信息化评价校准关键技术研究，使电能表检定校准变得智能；与重庆医科大学附属儿童医院合作开展“针对肾脏病和新生儿疾病的知识图谱构建”和“机器学习方法在儿童慢病防控中的应用”等项目，利用人工智能技术辅助精准诊断和医疗；与中电智安科技有限公司、重庆攸亮科技有限公司合作，通过数学算法的方式来预测交通流量短期或长期的变化，提前进行预判，让路径规划与信号灯更加智能化，使每个路口通行的车辆数量与速度达到最优的方式......
图注：“全国高校黄大年式教师团队”最优化与控制团队合影
“作为一名科技工作者，我希望带领团队运用数学来解决一批制约产业发展的‘卡脖子’问题，推动科技成果转化和应用落地，为重庆的产业转型升级作出贡献。”杨新民说。
数学算法做基础，解决长安汽车“卡脖子”问题
2021年，由重庆国家应用数学中心牵头，联合清华大学和北京智行者科技有限公司共同揭榜，获批“复杂条件下自动驾驶轨迹实时优化问题”揭榜挂帅项目1项，项目经费600万元，由重庆市科技局与重庆长安汽车股份有限公司共同拨款资助。
图注：2022年杨新民作为独立董事出席重庆长安汽车股份有限公司2021年度业绩说明会
杨新民表示，中心最优化与智能汽车团队在自动驾驶决策控制算法研究上，针对分层式和端到端式架构存在的问题，采用集成式决策控制框架，构建约束最优控制模型，并设计基于强化学习的优化算法，探索出求解大规模非线性优化问题的新范式。
通俗来说，目前市面上无人自动驾驶汽车的软件研究一般采用两种模式，一种是马斯克力推的端到端模型，通过大量的车辆路况测试，将“算力饲料”喂养给专门定制的大模型，实现复杂交通场景下的无人汽车自动驾驶。另一种是感知+决策+控制的分层模式，即感知、决策和控制为相互独立的模块，分别进行算法的研发。当通过这种分层模式来完成相应的自动驾驶任务时，感知负责识别环境信息，然后传递数据给决策模块，在决策模块给出相应的指令之后，控制算法再对车辆执行机构进行具体的操作，进而实现车辆的全自动无人驾驶。
杨新民团队将决策控制集成于一体，构建了约束最优控制模型，并提出一种基于强化学习的优化算法。这些原创性的科研成果对自动驾驶技术的进一步产业化具有重要意义。
“中心团队针对复杂交通场景下动态约束表达困难，约束最优控制模型解的可行性难以保证的问题，采用了凸近似原理及障碍罚函数方法，通过模型与数据的深度融合，开发快速智能优化求解技术，显著提升了自动驾驶的安全性。这是‘采用集成式决策控制框架，构建约束最优控制模型’里优化算法的具体实现方式。”杨新民解释道。
另外，杨新民团队还和长安汽车合作了“智能座舱声场分区控制”项目，针对基于扬声器阵列的声场分区问题，提出了多目标优化控制方法，探索出声场分区自适应控制的新技术。成果可为用户创造私密独立的声音空间，提供个性化的局部声体验。
据悉，长安汽车是重庆国家应用数学中心核心共建单位，双方在自动驾驶、设计开发、驾乘安全等领域开展了深度合作，利用中心在数学、计算机等学科的科研优势，合力解决长安在自主创新中遇到的卡脖子问题。
产教融合：“项目制”人才培养模式，激发学生自主学习和实践创新能力
除了帮助企业、政府解决现实难题，杨新民也一直不忘教书育人的初心。多年来坚持为重庆师范大学数学学院本科生上《数学分析》课程，带领团队精心培养高质量硕士和博士研究生。
图注：杨新民为本科生授课《数学分析》
杨新民表示，多年的产教融合实践经历，让他深刻体会到国家在高端芯片与软件、智能科技、新材料等关键领域顶尖人才的紧缺，要想解决众多产业“卡脖子”问题，根源还是加强学科拔尖人才的培养。
在杨新民的主导下，重庆国家应用数学中心于2021年开始独立招收硕士研究生，现设有全日制研究生专业计算数学、应用数学和运筹学与控制论等，非全日制研究生专业人工智能。研究方向主要包括最优化数值方法、电力系统建模及优化、智慧金融中的对抗安全、车辆工程中的数学问题、智慧医疗诊断系统数学优化、最优化问题的机器学习方法、自动驾驶中的最优控制问题、深度学习实践与应用、边缘计算与应用等。
教学上，杨新民格外注重培养学生的自主学习能力和实践、创新能力。他回忆，大一时曾自学了实变函数，与“78级”的学生一同参加考试，不仅顺利通过，还获得了免修资格；担任助理讲师时，即便不能上台讲课，他也要提前把课备好，在听其他老师讲课的过程中，分析他们的讲课方法和解题思路，并与自己的思路进行对比……
多年求学、科研、校企育人的经历，让杨新民明白，现在是终身学习时代，只有让学生拥有自主学习的能力，有深入实践探索的机会，未来才有可能在某项领域做出创新的科研成果。
图注：杨新民与博士生合影
为此，重庆国家应用数学中心在硕士、博士人才培养上，重点采用“项目制”人才培养模式。即导师将企业项目引入课堂，结合实际项目搭建学生科研训练体系，建立起以科研项目为牵引的紧密型校企导师组和联合指导机制。通过与企业的深度合作，让学生有机会参与到前沿AI项目的研发中，在实践中不断提升学生将理论知识转化为解决实际问题的能力，激发学生对未知领域的好奇心与探索欲。
在这种育人模式下，第一批全日制研究生还有一年毕业，第一批人工智能专业非全日制研究生也在今年9月入学。未来，这些学子进入社会，走进企业，能否为祖国的发展做出贡献，为企业切实解决“卡脖子”问题，杨新民及其团队期待满满。
在杨新民眼中，自己的本职工作是一名老师，一名数学科学家。他们那一代科研工作者受惠于改革开放的时代氛围，传承着老一辈科学家的精神和信仰，如今也希望自己能把这份信仰传承下去，教书育人，为祖国的繁荣昌盛尽绵薄之力。
文/蒋金花
来源：中国教育在线西南站
