在山東科技大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)創(chuàng)新研究院的測(cè)試場(chǎng)地，一場(chǎng)科技與速度的較量正精彩上演。一輛智能車以驚人的0.5毫秒響應(yīng)速度，正在錯(cuò)綜復(fù)雜的障礙物間精準(zhǔn)閃避，每一次動(dòng)作都干脆利落，引得在場(chǎng)人員陣陣驚嘆。
車內(nèi)，車載屏幕上的藍(lán)色軌跡線歡快跳動(dòng)，實(shí)時(shí)、清晰地展示著張煥水團(tuán)隊(duì)所研發(fā)算法的運(yùn)行軌跡。與國(guó)際主流的 SQP 和 IPM 算法相比，這一算法在計(jì)算效率上提升了數(shù)十倍，展現(xiàn)出強(qiáng)大的實(shí)力。
“這是個(gè)小小的開(kāi)端。”山東科技大學(xué)教授張煥水站在屏幕前，目光從容堅(jiān)定。他向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，優(yōu)化是現(xiàn)實(shí)世界最基礎(chǔ)且應(yīng)用廣泛的科學(xué)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出的全新優(yōu)化算法是一次重大突破。它通過(guò)優(yōu)化路徑實(shí)現(xiàn)“最快最穩(wěn)”收斂，在智能車軌跡跟蹤、航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制、計(jì)算機(jī)三維圖像恢復(fù)、AI 深度學(xué)習(xí)等眾多領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證中，都展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，成為多領(lǐng)域核心技術(shù)更新替代的關(guān)鍵力量。
作為2020年度國(guó)家自然科學(xué)基金委代表性資助成果入選者，也是自動(dòng)化領(lǐng)域唯一入選項(xiàng)目，張煥水帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性的提出新的優(yōu)化方法，成為梯度下降和牛頓迭代這些百年算法之外完全獨(dú)立的基礎(chǔ)優(yōu)化算法——成果被國(guó)家自然科學(xué)基金委列為2024年“突破性原創(chuàng)成果典型案例”。
張煥水在作報(bào)告
未知迷霧中探尋真理之光
1988年，懷揣著數(shù)學(xué)專業(yè)知識(shí)的張煥水，毅然投身最優(yōu)控制領(lǐng)域。彼時(shí)，他目光堅(jiān)定地表示：“本科的數(shù)學(xué)積淀，加上碩士、博士期間對(duì)最優(yōu)控制的鉆研，讓我深知數(shù)學(xué)與控制之間千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，也讓我對(duì)探索最優(yōu)控制的本質(zhì)充滿了熱忱?！?span style="display:none">owr速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
最優(yōu)控制，作為上個(gè)世紀(jì)偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，是現(xiàn)代控制理論誕生的標(biāo)志，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，始終吸引著無(wú)數(shù)科研工作者的目光。然而，在這片充滿未知的領(lǐng)域中，難題如影隨形。
70年代，乘性噪聲隨機(jī)干擾下的最優(yōu)控制研究雖取得突破，但時(shí)滯情形下的隨機(jī)線性二次控制，卻因傳統(tǒng)方法的局限和現(xiàn)有工具的缺失，成為一座難以跨越的險(xiǎn)峰，長(zhǎng)期困擾著科研界。
“就像開(kāi)車時(shí)突然遇到濃霧，既避開(kāi)障礙，又要找到最優(yōu)路線，但方向盤(pán)的響應(yīng)還存在延遲。”張煥水常這樣向?qū)W生解釋時(shí)滯隨機(jī)控制的復(fù)雜性。
2005年，張煥水將目光聚焦于此，踏上了這場(chǎng)充滿挑戰(zhàn)的科研征程。這是一條從無(wú)知到認(rèn)知的漫漫長(zhǎng)路，其間充滿了失敗與成功的反復(fù)交織。在這跌宕起伏的過(guò)程中，他深刻體會(huì)到了從迷茫到撥云見(jiàn)日的喜悅。
在這場(chǎng)科研攻堅(jiān)戰(zhàn)中，張煥水并非孤軍奮戰(zhàn)。王宏霞、徐娟娟等先后五屆博士研究生，與他并肩作戰(zhàn)。在最艱難的日子里，為了驗(yàn)證一個(gè)方程的正確性，他們不分晝夜、不論場(chǎng)合，頻繁地展開(kāi)討論。那一個(gè)個(gè)激烈的討論場(chǎng)景，仿佛還在眼前：辦公室里，燈光徹夜未熄，他們圍坐在一起，各抒己見(jiàn)；實(shí)驗(yàn)室中，儀器設(shè)備嗡嗡作響，他們一邊操作，一邊交流；甚至在微信上，張煥水與徐娟娟的學(xué)術(shù)交流記錄就多達(dá)數(shù)百頁(yè)，每一頁(yè)都書(shū)寫(xiě)著他們的熱愛(ài)與堅(jiān)持。
“和張老師的學(xué)術(shù)討論具有透徹感和緊迫感?！眻F(tuán)隊(duì)成員、山東科技大學(xué)教授王宏霞回憶。
功夫不負(fù)有心人，張煥水團(tuán)隊(duì)的努力終于迎來(lái)了豐碩的成果。他們創(chuàng)立的隨機(jī)控制Riccati - ZXL 方程，如同一把鑰匙，為從根本上解決時(shí)滯情形隨機(jī)控制問(wèn)題奠定了理論基礎(chǔ)，讓著名的 Smith 預(yù)估器首次能夠應(yīng)用于乘性噪聲隨機(jī)系統(tǒng)。
2020 年 10 月，國(guó)家自然科學(xué)基金委基金要聞以“我國(guó)學(xué)者在最優(yōu)控制問(wèn)題的研究方面取得新進(jìn)展”為題，對(duì)他們的成果進(jìn)行了報(bào)道，對(duì)他們的科研工作高度認(rèn)可。
“前期的研究，就像是一場(chǎng)艱苦的修行，讓我們學(xué)會(huì)了如何做真正有價(jià)值的研究，如何抓住問(wèn)題的本質(zhì)去解決問(wèn)題。更重要的是，它磨煉了我們做不明白永不放棄的執(zhí)著心?！睆垷ㄋ锌?。帶著這份執(zhí)著與堅(jiān)持，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)乘勝追擊，進(jìn)一步攻克了始于 60 年代的非正則 LQ 控制以及一般情形下的分散式最優(yōu)控制等系列基本問(wèn)題，為傳統(tǒng)最優(yōu)控制理論的發(fā)展和完善做出了全面而深入的貢獻(xiàn)。
張煥水和團(tuán)隊(duì)成員在開(kāi)組會(huì)討論
冷板凳坐熱 以恒心筑牢基礎(chǔ)研究之基
科研潮流如洶涌浪潮般不斷翻騰，當(dāng)人工智能成為眾人矚目的科研熱詞時(shí)，張煥水的辦公桌卻宛如一座靜謐的學(xué)術(shù)港灣，依舊堆滿了優(yōu)化與控制理論的經(jīng)典著作。那些泛黃的書(shū)頁(yè)，仿佛在訴說(shuō)著歲月里對(duì)基礎(chǔ)研究的執(zhí)著堅(jiān)守。
在指導(dǎo)研究生的組會(huì)上，張煥水總是語(yǔ)重心長(zhǎng)地說(shuō)：“萬(wàn)變不離其宗，無(wú)論科學(xué)技術(shù)如何日新月異、飛速發(fā)展，經(jīng)典的基礎(chǔ)理論始終是科研大廈的基石，不可或缺?！边@番話語(yǔ)，源于他的定力，這種定力源自他對(duì)科研規(guī)律的深刻認(rèn)知。
在指導(dǎo)研究生的過(guò)程中，張煥水十分注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的深入理解與研究能力。他常常向?qū)W生傳授“先特殊后一般”的研究方法，引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)問(wèn)題這個(gè)“淺灘”入手，逐步駛向復(fù)雜理論體系的“深?！薄Ｋ托牡亟忉尩溃骸爸挥邪鸦A(chǔ)打牢，才能在科研的道路上走得更穩(wěn)、更遠(yuǎn)?！?span style="display:none">owr速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
“做基礎(chǔ)研究需要‘慢功夫’，要持之以恒，要專注?！蓖鹾晗蓟貞?，“在張老師帶領(lǐng)下，我們?cè)瓌?chuàng)性的提出了基于最優(yōu)控制原理優(yōu)化算法，但該算法的收斂性證明卡了三個(gè)多月，張老師建議我們‘先從特殊情況入手，把簡(jiǎn)單問(wèn)題吃透，復(fù)雜問(wèn)題自然會(huì)露出破綻'。我們從開(kāi)始的懷疑，到如法大膽嘗試，最終攻克收斂性和收斂速率分析的困難?！?span style="display:none">owr速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
張煥水常說(shuō)，他唯一的天賦可能就是做事情認(rèn)真和堅(jiān)持。他堅(jiān)信，“持之以恒的做，肯定能做到山頂”。
從1988年至今，三十多個(gè)春秋悄然流逝，張煥水的研究始終如一地堅(jiān)守在最優(yōu)控制這個(gè)基礎(chǔ)領(lǐng)域。長(zhǎng)期的深耕細(xì)作，讓他如同一位技藝精湛的工匠，逐漸看清了控制領(lǐng)域許多挑戰(zhàn)性問(wèn)題復(fù)雜的本質(zhì)。
在實(shí)際場(chǎng)地中進(jìn)行軌跡跟蹤控制算法調(diào)試 受訪者供圖
理論到應(yīng)用 打開(kāi)無(wú)限可能
科學(xué)的創(chuàng)新猶如一把神奇的鑰匙，總能打開(kāi)一扇扇通往未知領(lǐng)域的大門(mén)，帶來(lái)眾多技術(shù)瓶頸的突破。當(dāng)團(tuán)隊(duì)成功提出 OCP 優(yōu)化方法后，如何將其廣泛地應(yīng)用到實(shí)際中，升級(jí)現(xiàn)有的軟件算法，便成為了張煥水團(tuán)隊(duì)下一步研究的重點(diǎn)戰(zhàn)略方向。
團(tuán)隊(duì)率先開(kāi)啟了智能車路徑跟蹤控制與避障的研究。
研究現(xiàn)場(chǎng)，氣氛緊張而熱烈，各種儀器設(shè)備有序運(yùn)轉(zhuǎn)，顯示屏上不斷跳動(dòng)著復(fù)雜的數(shù)據(jù)。張煥水指著屏幕向大家介紹道：“精準(zhǔn)的跟蹤控制算法計(jì)算過(guò)程極為復(fù)雜，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法收斂速度慢，根本無(wú)法滿足在線計(jì)算的需求。而我們的 OCP 優(yōu)化方法卻展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算速度提升了 10 - 20 倍。”
為進(jìn)一步拓展 OCP 優(yōu)化方法的應(yīng)用范圍，張煥水團(tuán)隊(duì)積極尋求跨領(lǐng)域的合作機(jī)會(huì)。他們分別與電氣工程領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域、巖土力學(xué)領(lǐng)域的老師們合作，開(kāi)展了一系列深入的研究。經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員們?nèi)找箞?jiān)守、不懈的努力，無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都清晰地表明，OCP 優(yōu)化方法顯著優(yōu)越于其他各領(lǐng)域的經(jīng)典優(yōu)化方法。
更讓人驚喜的是，在深入研究的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) OCP 優(yōu)化方法具有大規(guī)模優(yōu)化深度學(xué)習(xí)的巨大潛力。張煥水興奮地向記者展示著實(shí)驗(yàn)結(jié)果：“這是 OCP 優(yōu)化算法在圖像分類和視覺(jué)定位中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從這些數(shù)據(jù)和圖像中可以明顯看出，其效果顯著超越了當(dāng)前普遍使用的 ADAM 算法?！?br>
在張煥水的影響下，他的學(xué)生們也深受鼓舞。博士生呂傳志回憶道：“老師常說(shuō)‘科研是一場(chǎng)修行，透過(guò)現(xiàn)象看到本質(zhì)，真正的快樂(lè)就來(lái)自看透本質(zhì)的那一刻’。在老師的感染下，我對(duì)科研產(chǎn)生了濃厚的興趣，養(yǎng)成了良好的科研習(xí)慣，也逐漸體會(huì)到了科研帶來(lái)的樂(lè)趣?！?span style="display:none">owr速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
三十年堅(jiān)守，張煥水始終堅(jiān)信：“只要認(rèn)真持之以恒地做事，就能在自己從事的研究領(lǐng)域做到世界領(lǐng)先，為國(guó)家的科技進(jìn)步做出真正的貢獻(xiàn)，不辜負(fù)國(guó)家的培養(yǎng)和支持。”這份信念，如同燃燒的火焰，激勵(lì)著他不斷前行。
本文鏈接：張煥水：控制科學(xué)"最優(yōu)解"的破譯者與攀登者http://m.sq15.cn/show-11-29702-0.html
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