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杨桐:算法“侦探”的日常

来源: 南开新闻网     发稿时间: 2019-02-01 18:24

  

南开新闻网记者 蓝芳

        前不久,杨桐获得了2018年天津市大学生创新创业奖学金的创新特等奖。这是这位“获奖小能手”斩获的又一奖项。自2013年入读南开大学以来,从本科到研究生的五年半时间里,杨桐保持着每个学年都有奖进账的霸气“传统”:曾先后连续三次获南开大学综合一等奖学金、连续三次获南开大学三好学生,获研究生国家奖学金、南开大学本科生优秀毕业论文(设计)、国家大学生创新创业项目二等奖、美国大学生数学建模竞赛(MCM/ICM)二等奖;同时作为核心成员,2017年其所在小组斩获了“小平科技创新团队”荣誉(全国仅50支学生团队获得)、第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖、第十四届“挑战杯”天津市大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。

  “今年是我在南开度过的第六年,或者说是第九年,我高中就是南开中学的。可以说,南开见证了我的学习与成长,给予了我荣誉与肯定。”眼前这位漂亮的女孩,如今是人工智能学院的一名2017级硕士研究生,科研成为了她平凡却又“靓丽”的日常。“自动化是我报读南开大学的第一志愿,多年来在良师益友的指导和帮助下,我得以从更为专业的角度感受到了人工智能及系统自动化的魅力。因此,我大三就决定保研,因为对控制算法的热爱,所以选择控制科学与工程专业继续深造。”

  “学生真的很优秀。”人工智能学院党委副书记、副院长韩玲言谈举止中按捺不住对杨桐的赞许。“学院自2018年5月成立以来,积极谋划学科发展、凝心聚力培养人才,推出书记、院长等领衔的‘南开智造——智库系列公开课’,为本科新生配备班导师、开设面向本科生的实验室课程,积极打造‘先进机器人与人工智能’创新实践课堂等,旨在多项举措激发学生创新潜质。希望有越来越多的AI学子像杨桐一般勇立创新创业潮头,在更广阔的时代舞台展现南开智慧。”

  “文献像是悬疑小说”

  “我从大二开始,就对方勇纯教授课题组的研究方向很感兴趣。”杨桐说,自己本是抱着试一试的心态发邮件联系方勇纯教授,结果当天下午就收到了教授的回信,最终经过面试获得了课题组的一个保研名额。“大四进组,主要是对一类欠驱动系统的自动控制展开研究,是方老师和孙宁老师带我走上了科研之路。”

  即便是学霸,新的起步一样是一次负重飞行。“刚刚接触控制算法,一个接一个的公式让人眼花缭乱。”进入课题组后,在导师孙宁的带领下,杨桐开始了对桅杆式吊车的运动控制进行研究,然而当时组内先前并未开展过类似系统的研究,一切都要从零开始。“就是查阅大量与欠驱动桅杆式吊车相关的文献,学习其运动特性,构建数学模型,一边摸索一边思考可以突破的创新点。文献查阅、算法移植、否定重试,一次次循环。”整整两个月,除了专业课的学习,杨桐把所有时间都投入到实验室中,从构建模型做起,到设计行之有效的控制方法,直到最后实现对桅杆式吊车以“少”控“多”的控制目标。

  “这种成就感是巨大的。”杨桐说,进行控制算法的推导,主要是笔头工作,“就像做高考的数学证明题那种,通常就是自己拿着笔和纸在那算。证明推到完成了,再将算法输入到控制器里,在平台上进行实验。”有时1个星期,有时好几个月,这样的算法推导工作没有可预测的时间期限。然而,周密严谨的证明过程却激起了她极强的好奇心与兴趣,文献于她而言,就像一部充满悬疑的侦探小说,复杂的解密过程着实给她带来不断的满足感与成就感。

  “最难忘的经历就是大四的时候写第一篇英文论文。”杨桐直言,正是那段从绝望到成功的经历,真正让她笃定了自己的科研道路。第一次将科研成果转化为高水平论文,“英语真的都不知道怎么写,最简单一句话里的主谓宾都写不通顺,是孙老师手把手指导的,一句句帮我修改。论文写作其实很难,好的科研工作写不好会变得平凡,如何突出主题、描述好研究成果需要费很大功夫。那篇文章写了挺长时间,得有半年多。”从一开始被老师标注出上百个注释,到获得老师对论文“实属不易”的夸奖,以及最后成功发表在国际顶级期刊上,杨桐完成了自己第一个科研工作。那段时间,她常常都最后一个离开实验室。奇妙的是,当她渐渐关闭实验室的灯光直至漆黑,自己内心的那盏灯却越发明亮。“走在回宿舍的路上,感觉天上的星月就是我的战袍,那么明亮,那么纯粹,让人充满力量。”

  自大四第一项科研工作以来,杨桐已作为学生第一作者在《IEEE工业电子学汇刊》、《IEEE工业信息学汇刊》、《IEEE系统、人与控制论:系统汇刊》等自动化领域、控制应用领域国际顶级期刊发表5篇论文,其基于对桅杆式吊车建模及消摆研究,获得了南开大学本科生优秀毕业论文(设计)的荣誉。

  “以少控多”的科研思维

  “欠驱动,你可以大致地想象为‘欠一个、欠几个’,驱动不全。比如人的手指,一根手指有两个活动关节,却只需要用一根筋进行控制。在这个语境下,‘一根筋’就是基于控制算法的传输信号,它需要同时控制两个动量。简单地说就是以少控多。”欠驱动桅杆式吊车是杨桐的研究方向:桅杆式吊车状态量之间存在着非常强的耦合特性,同时涉及俯仰和旋转运动,会产生复杂的离心力,导致其动力学方程十分复杂,呈现出高度的非线性和耦合性,进一步增加了控制的难度。“我的研究就是考虑吊车在实际使用状态下有可能面临的各种外部干扰和未知摩擦,在设计吊车时,对其运动规划、非线性控制方面提出若干种方法,以提高系统的工作效率。”杨桐介绍道。

  “有些系统本身的特性就是欠驱动,比如平衡车是无法调整运动的角度的,只能通过轮子的驱动转动来实现这一点;还有些是基于产品产业化的角度,如果设计能够用重量更轻、花费更少、能耗更低的欠驱动来代替,那自然是有应用价值的。”

  控制算法是实现“以少控多”欠驱动的灵魂。杨桐表示,其所在课题组的研究成果都相当有工业应用前景,有些已经应用在了现实的工业生产中。这对她们来说,是很好的激励。“就是觉得挺有意义的,我们组和大型起重机厂合作搭建了大型工业吊车,将设计的控制算法用过去后,效率的确大大提升。可以看到智能化的起重设备真的可以减少人力消耗。我们做的工作很有意义,有实际的生产意义。”

  用控制算法解决现实中各种复杂情况和问题,需要控制算法是总而概之、高度凝练的,而这需要其设计者具备发现问题、凝练问题、解决问题的能力。为了培养自己的科研素养,杨桐还抓住一切机会走出课堂和实验室的围墙,打破传统科研观念的束缚,与各行各业的学者们积极交流,积极参加各类学术竞赛。

  “真正的创新往往诞生于思想的碰撞中。”从大二起她就与本专业同学组队参加国家大学生创新创业项目、美国大学生数学建模竞赛(MCM/ICM),参加全国大学生电子设计竞赛、第六届“华为杯”中国大学生智能设计竞赛等,并都载誉而归。尤其是2017年,她与组里的两位师姐一同组成“欠驱动系统团队”,从校内赛开始,一路晋级至国赛。3位女学生组成的团队在与众多5—8人的团队同场竞技中,最终收获了第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。同年,团队还被授予2017年度“小平科技创新团队”的称号。

  “以少控多”、“以少胜多”,所谓“Less Is More”,精简却不简单。常年设计控制算法、接受“以少控多”的科研思维训练,锻炼了杨桐她们对问题的敏感性以及解决问题的靶向性,而这正是新兴领域工科人才的良好素养。

  杨桐最喜欢的电影是《肖申克的救赎》,男主人公用近20年的时间设计潜逃的毅力让她很受触动。“以后也想当老师,因为自己性格的原因,比较喜欢单纯地塌下心来做研究。”杨桐说,课题组给了她一种潜移默化的影响。“方老师、孙老师,还有吴易鸣师姐等组员,真的是感觉到他们是单纯地基于对科研的兴趣而专心做科研,并没有功力的目的。”专注沉潜,学霸的这份从容宁静致远。

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