深耕數據驅動技術　成為工業系統醫生

謝更好

這是一個充滿創新的時代。

近些年來，隨著大數據的涌現、人工智能技術的發展，人類社會正在由信息化時代步入智能化時代。數據驅動技術及群體智能系統正在快速且廣泛地應用于軍事、信息、工業、經濟、交通等各個領域。

這也是一個充滿挑戰的時代。

大型工業復雜系統的集成度、復雜度變得越來越高，保障大型工業復雜系統安全運行的任務也隨之變得越來越復雜和必要。通常來說，大型工業復雜系統中各個控制變量間的高耦合性往往導致復雜系統中的某些故障很難得到精確監測和準確定位，進而導致工程師或者自動控制系統很難及時做出相應決策以保證系統安全。甚至有時，一個局部的異常事件就可能導致整個工業系統的性能下降，造成嚴重的經濟損失或導致重大的安全事故。

如何提高復雜工業系統的安全性和可靠性？這個問題不管是在學術界還是在工業界都受到了廣泛關注。對此，記者采訪了哈爾濱工業大學航天學院教授羅浩。

羅浩現工作于哈爾濱工業大學航天學院，主要從事多源數據分析與特征提取、自動控制系統故障診斷、分布式安全優化控制、基于醫療影像的疾病分析與輔助診斷等方向的研究。他的工作就好比是工業系統的醫生。

數據驅動，診斷控制

“對工業自動控制系統里可能發生的故障進行診斷有很多種方法，大致能分為兩類，一類是基于模型，一類是基于數據?！绷_浩介紹道。

在西安交通大學取得學士學位之后，2008年，羅浩來到德國杜伊斯堡-埃森大學攻讀碩士學位。從那時起，他就開啟了故障診斷和容錯控制相關的研究工作，而其最先接觸的就是基于模型這一類方法。2012年年初，從他開始攻讀博士學位起，他的研究方向慢慢轉向了基于數據的診斷與控制方法。

“那個時候用數據驅動去解決工業系統中的故障診斷與容錯控制問題，在國際上是前沿研究領域?！被貞浧鸸プx博士學位時所做的研究課題，羅浩仍歷歷在目。那時候剛好是數據驅動診斷與控制方法技術剛興起的時候，他對當時比較火熱的幾類數據驅動方法做了一些研究，雖然有了一些初步的研究成果，但是相關理論方法還不太成熟，不過至少也給了他一些想法、一個繼續研究的思路。

2015年年底，羅浩在博士畢業前夕入選了哈爾濱工業大學青年拔尖人才計劃，并于2016年在德國杜伊斯堡-埃森大學獲得工學博士學位，博士論文榮獲優秀博士論文獎。畢業后，羅浩回到國內，入職哈爾濱工業大學，沿著博士階段的研究思路繼續潛心研究數據驅動診斷與控制工作。終于，經過多年的嘗試與摸索，他逐漸發現了傳統數據驅動方法的局限。

看清楚了傳統數據驅動的癥結所在，羅浩接下來在一些國家級或省部級的項目中，有意拓展了自己的研究方法，以便與工業實際更好地結合。

羅浩發現，在實際工業系統中，出于對安全性和可靠性的優先考慮，大多數工業系統中的控制系統往往被封裝，其結構和參數不允許第三方做任何改變，這為控制系統參數的實時優化調整帶來了設計難題，也使得眾多優化控制方法雖然有著完美的理論證明，但是往往無法應用于工業實際。對此，羅浩構建了一個不依賴特定控制系統的即插即用故障診斷與安全優化控制框架。得益于診斷與控制系統的參數化描述，在這個框架中診斷與控制系統可以作為設計模塊嵌入實際工業控制系統中。診斷與控制的各個模塊通過對測量數據進行不同的分析與處理，有效提取擾動、故障等異常對系統性能帶來的影響并分別進行反饋補償?？蚣茉试S在不改變原有控制系統的基礎上，實現工業系統中診斷與控制模塊關鍵設計參數的在線優化設計。

“對分布式的故障診斷與控制性能進行實時優化的同時，提高復雜工業系統安全性與可靠性?！绷_浩解釋道，他之前都是在研究一些集中式的數據驅動方法，近些年來才開始研究分布式的數據驅動方法。在集中式數據驅動故障診斷與容錯控制方法研究領域中，針對動態系統象空間和核空間開展相關研究的機構全球也不超過五六家。在分布式數據驅動方法領域，相關方向更是幾乎無人涉足，這一方向在國際國內屬于前沿，并且有極高的難度和挑戰性。

從2012年到現在，羅浩一直在數據驅動領域深耕，初步形成了基于子空間映射的一套數據驅動診斷和控制方法。十多年的累積讓羅浩對這套方法很自信：這套方法有著堅實的理論基礎，肯定會對工業實際應用提供正面參考。2021年，羅浩憑借扎實的科研工作，入選愛思唯爾工業自動化領域世界前2%科學家。

打破壁壘，融合醫工

2021年，羅浩入選哈爾濱工業大學青年科學家工作室學術帶頭人。

青年科學家工作室不算大。用羅浩自己的話說就是：“我們就是一個特別小規模的團隊?！辈贿^“麻雀雖小，五臟俱全”。為了加強跨學科交流，從成功的經驗中獲取新的經驗，羅浩帶領團隊與國內的清華大學、西安交通大學、東北大學、浙江大學、中南大學、長春工業大學等兄弟院校保持著密切聯系。同時與國際的合作也一直沒有間斷過，即使在受到新冠肺炎疫情影響的今天，羅浩仍然每兩周都要與來自德國、西班牙、美國、巴基斯坦等國著名院校的項目合作團隊召開線上研討會。

如今，羅浩的工作室已經開展了一些比較前沿的研究工作。主要包括兩個方向，一個是自動控制系統的故障診斷與容錯控制;另外一個是醫工交叉的疾病輔助診斷技術：利用多源醫療數據為人體膝關節構建三維數字模型，完成骨關節多尺度、多功能的數據建模，同時開展基于數字孿生模型的膝關節炎輔助診斷方法研究。

“目前我們的這兩個研究方向中，數據驅動方法是跨學科的共性關鍵技術?！绷_浩說。簡單來說，就是分析數據里的各個成分，然后把各個成分在數據空間里區分開，再針對每個成分的特點進行相關處理。得到的干擾信息，把它扔掉，同時也可以用它來做補償，以得到更精確的估計或者控制?！斑@兩部分我們都開展了一些前期的工作，有了一些積累?！绷_浩說，接下來他最想做的，就是把實驗室建立起來，把團隊帶起來。

在數據驅動領域深耕多年，羅浩清楚地認識到，現在的控制學科不能一直固守已有的東西，需要不斷開拓一些新的領域?；诖?，他對未來的研究方向有一個初步的想法：打破學科之間的壁壘，推動多學科深度交叉與融合。用兩條腿走路，一條腿是數據驅動的故障診斷和優化控制，另外一條腿就是醫工交叉。希望兩個方向能相輔相成，行穩致遠。

踏實做事，低調為人

從2016年加入哈爾濱工業大學至今，羅浩工作時間不過6年。

短短6年間，羅浩主持國家自然科學基金項目2項、國家重點研發計劃重點專項子課題2項，教育部高等教育司產學合作協同育人項目1項，參與國家自然科學聯合基金重點項目1項、國家國防科技工業局國防基礎科研計劃項目1項。

值得一提的是，羅浩跟長春工業大學、中車長客集團合作，開發了一套動車在線評估監測和評估系統，獲得了2021年度吉林省科技進步獎二等獎?！澳軌颢@獎，感覺主要是我們做的工作比較踏實?！彼f。從小父母就教育羅浩要認真踏實;初中時候的班主任經常教育他要誠實、正直、有志向;在德國留學時期，導師教育他一定要踏踏實實做事，并一直鼓勵他要有自己的想法。長輩的諄諄教導，羅浩都銘記在心。多年的耳濡目染，讓羅浩也形成了踏實做事、低調為人的性格。

“目前參與的項目，我覺得都是特別小的創新點，但我們是真正在研究一些問題，而且是做得比較踏實的?！绷_浩有一套自己的行為準則：自己提出來的一些理論，一些方法上的創新、突破，必須腳踏實地做實了才行。做研究最重要的事，是先把自己的工作做好，才能得到同行專家，甚至是其他行業專家的認可。

回顧6年來的工作，羅浩有收獲有成長，但也有一點小遺憾，那就是與企業接觸得比較少，除了高鐵項目以外，相關研究成果在工業實際中的應用還較少。如何把科研成果更好地服務于工業實際，是他今后努力要做的一件事。

（責編：張聞）