聚焦科技創新，發力產學研深度融合
——記汕頭大學工學院電子信息工程系主任范衠

劉 佳

隨著機器人相關技術的發展和機器人應用場景的不斷拓展，時至今日，機器人已廣泛應用于生產和生活領域，在人類社會各個領域扮演著越來越重要的角色。值得注意的是，雖然中國在機器人領域起步較晚，但目前中國已成為全球第三個具備工業機器人完整產業鏈的國家。為了在機器人2.0時代為中國機器人贏得追趕甚至超越的機會，汕頭大學工學院電子信息工程系主任范衠埋首人工智能、群體智能、計算智能、設計自動化、機器學習、機器視覺等機器人相關的多領域研究，積極開展技術創新與產學研合作，為推動中國機器人從“制造”到“智造”不斷貢獻自己的力量。

首創精神，解決“老大難”問題

在汕頭市潮陽區海門鎮洪洞村，華能海門電廠依山傍海而建。這座南方電網首座百萬千瓦級超超臨界的煤電電廠，憑借大容量高參數的煤電機組成為當之無愧的“煤電上的王冠”。在成為粵東電網穩定有力的供應保障之前，海門電廠面臨一個巨大的考驗：如何解決數以千計的精密儀器和復雜的煤電發電管道所帶來的檢修難題，是決定海門電廠順利運轉與否的關鍵。

海門電廠的檢修之難，同樣吸引了范衠的視線。如何在電廠工作的動態過程中，保持安全高效、靈敏機動的檢修流程，是范衠要解決的核心問題。在與海門電廠進行詳盡的溝通后，范衠將自己的研究靶向指向了對熱力管道泄漏點的檢測和封堵這一實際難題。

熱力管道泄漏點的檢測和封堵是電廠維護的關鍵環節，又因其對檢修的專業度和熟練度要求極高，長期以來，這一工作只能由取得相關職業技術認證和具有帶壓堵漏經驗的技術工人來完成。這一高溫高壓有噴濺物的工作環境極為惡劣，對操作工人的身體危害極大，同時有極大的操作風險，稍有不慎就會造成工人嚴重燙傷乃至管道爆炸的嚴重后果。基于安全性、穩定性、準確性的多重要求，在機器人研發領域深耕多年的范衠結合電廠實際工作環境和與機器人相關的最新研究成果，向海門電廠交出了他的解決方案——“熱力管道在線智能修復機器人”。

使用機器人代替工人作業，工人的安全得到了保證，那機器人的工作能力如何呢？范衠及其團隊自主設計的機器人用實績回答：熱力管道中的檢修補漏工作，機器人不僅能做，而且做得更快更好。

范衠在中國產學研合作創新大會

針對熱力管道修復時的復雜環境，范衠首先在機器人的“眼睛”上下功夫，引入多套機器視覺系統，使其可以對管道進行三維重建，從而建立精密的工作地圖，當泄漏發生時，機器人可憑借這一工作地圖快速識別和定位泄漏點，讓機器人做到即時反應、迅速“到位”；同時運用深度學習技術，將專業人員的經驗充分融合到智能機器人的控制當中，從而實現人機互融的智能化操作，有效避免了因操作誤差產生的損失或減產；在具體操作中，范衠設計出專用于管道捻打堵漏的機械臂末端執行器，保證機器人在電廠管道泄漏的情況下可以實現快速堵漏。目前，這臺國內外首創的用于熱力管道在線修復的帶壓堵漏智能機器人已在海門電廠投入使用，它可以在生產不停機的情況下對泄漏管道進行修復，保障維修人員安全的同時，避免由于電廠熱力管道的損壞擴大而造成損失，在海門電廠工作效率和操作安全性提升方面均有突出貢獻。

情牽汕頭，產學研結碩果

國家高層次人才、廣東省“揚帆計劃”緊缺急需人才、中國僑界貢獻獎創新人才、汕頭市首屆優秀人才青年英才、汕頭市科技創新領軍人才……擁有一系列耀眼頭銜的范衠，是如何與機器人研發結緣的呢？

對范衠來說，機器人研究，既是他求學期間的不懈追求，也是他此后投身的終身事業。在完成華中科技大學本碩階段的學習后，范衠遠赴美國密歇根州立大學攻讀博士學位，并在此階段主持并參與了美國國家科學基金項目“Automated Design of Mechatronic Systems Using Genetic Programming and Bond Graph（融合基因編程和鍵合圖的機電系統自動化設計）”，對機電系統的自動設計展開了深入研究。博士畢業后，范衠受聘于丹麥科技大學，歷任助理教授和副教授，主持并參與了丹麥技術創新局“Automated Design of Advanced Mechatronic Systems（先進機電系統的自動化設計）”等3項國家級科技項目，結合基因編程和鍵合圖的方法，充分挖掘智能機器人多方面潛力，在機電系統設計自動化的理論研究和實際運用領域協同發力，獲得了多項具有明顯前瞻性和實用性的研究成果。優渥的環境、卓越的成就并未磨滅范衠的報國之心，在他看來，機器人研究應用已進入對機器人自主決策能力、運動和交互能力提出更高要求的新階段，而中國機器人長期停留在系統集成的制造階段。面對“機器人革命”帶來的巨大機遇，國內機器人研究滯后的情況亟待改善。鑒于這種情況，范衠決心回國，力求以自身所學所見的國際前沿專業知識幫助中國機器人產業發展。隨后，范衠與求賢若渴的汕頭大學一拍即合，他在汕頭這座“特別有魅力”的城市定居下來。

多年海外經歷帶來的國際視野，讓范衠充分認識到科研與產業結合、多學科協同發展的重要性。用科研擁抱產業，用綜合的機器人技術解決企業的痛點、難點問題，是范衠不懈的追求。范衠希望可以將機器人研發及應用作為切入點，推動汕頭經濟發展質量變革、效率變革，為汕頭創新發展注入新活力。為此，范衠以廣東省數字信號與圖像處理技術重點實驗室主任、進化智能與機器人國際聯合研究中心主任、汕頭市機器人與智能制造研究院執行院長等多重身份積極投入到產學研轉化的進程中，從智能機器人技術研發及成果轉化、基于深度學習的圖像處理算法的開發及智能優化算法研究領域入手，為企業提供了多套具有重要應用價值的智能機器人及相關技術領域的解決方案。

自2012年定居汕頭以來，范衠先后研發了用于生產領域的電廠智能監盤機器人、平衡示教機械臂及用于溫室采摘、道路裂縫檢測、電廠巡檢等的兩代多用途復合型機器人系統等一系列產品，范衠用設計自動化的方法對機器人產品進行優化設計，并充分結合深度學習和優化算法，兼顧實用性和靈活性，使相關機器人在準確高效完成當前任務的同時，可實現面向不同設計要求的快速定制。這些已經投入使用的機器人產品幫助相關企業在人員安全性、操作穩定性實現快速提升，獲得了相關應用企業的廣泛好評。

除此之外，范衠充分挖掘機器人視覺方面的潛力，其開發的智能圖像處理算法，已廣泛應用于多個生產生活領域，并取得了顯著的經濟效益和社會效益。如應用于工業領域的鋼坯字符識別項目和鋼筋端面識別項目，可快速地對圖像中的鋼筋斷面進行識別定位和有效計數，大大減少了生產環境中鋼筋斷面計數的人力成本；或應用于醫療領域的眼科疾病輔助診斷系統，為視盤檢測的研究提供了新的方法和思路，對早期發現和治療不同的眼部疾病具有重要價值；在生態保護領域，范衠基于深度學習的智能圖像處理算法也有積極應用：他發明的中華白海豚背鰭定位與識別系統，融合圖像處理方法和深度學習算法對中華白海豚背鰭進行定位與識別，對于生物行為研究和海洋生態保護有重要意義。

同時，為設計出滿足用戶需求的不同構型機器人，以及不斷提高機器人解決問題的能力，范衠極為重視智能優化算法的研究。在智能進化算法領域，范衠提出了集中基于分解的（MOEA/D）和基于支配的（NSGA-II）兩大類多目標進化算法優點的多目標進化算法，可同時提高多目標算法的收斂性和分布性。此外，范衠還提出了一種基于分解排序（DBS）與角度選擇（ABS）的多目標算法MOEA/D-SAS，有效解決了種群收斂性和多樣性平衡的問題。在約束多目標進化算法領域，范衠提出從無約束Pareto前沿反向搜索到約束Pareto前沿的思想，有效克服了傳統約束多目標進化算法無法跨越多個不可行區的難題。在此基礎上，范衠提出的基于角度約束支配的方法（Angelbased constraint domination principle，ACDP），保持了種群的收斂性、多樣性和可行性方面的優勢，充分體現了所提出的約束處理機制ACDP的有效性。據范衠介紹，帶約束條件的多目標進化算法方面的研究已成為他所帶領的廣東省數字信號與圖像處理技術重點實驗室的研究特色，相關研究成果也取得了國際領先的學術地位。對圖像處理技術和智能優化算法的研究，成為范衠團隊在機器人研究領域的理論基石，為機器人的設計、開發起到良好的支撐作用。

2019年12月，中國產學研合作創新獎獲獎名單新鮮出爐，為汕頭機器人產業貢獻頗豐的范衠榜上有名。這既是對他堅持產學研深度融合的極大認可，也是對他堅持科技創新服務社會、服務產業理念的肯定?，F在，范衠已主持包括國家自然科學基金面上項目和中央軍委科技委基礎研究項目在內的國家和省部級科研項目10項，承擔項目總經費2000多萬元，其代表性成果在IEEE Transactions on Image Processing、IEEE Transactions on Evolutionary Computation等國際頂級期刊發表，同時擔任廣東省圖象圖形學會常務理事、中國人工智能學會智能機器人專委會執行委員、廣東省科協智能制造學會聯合體第一屆專家委員會委員等職務，是國家自然科學基金、教育部科技獎勵、教育部長江學者等項目的評審專家。

能力越大，責任越大。為了進一步推進合作的深度和廣度，范衠還主持了廣東普通高校國際暨港澳臺合作創新及國際合作重大項目“基于進化計算的智能機器人系統自動優化設計”以及廣東省國際科技合作基地項目“融合多目標進化計算和深度神經網絡的機器人設計自動化平臺”，以開放、學習、融合、創新的心態，不斷加強交流與合作，積極推進科研成果的應用與產業化發展，以實現不同地域、不同平臺間企業與科研成果的優勢互補，為中國機器人產業的發展添磚加瓦。

薪火相傳，讓人才成為產業發展的有生力量

在范衠看來，在中國做機器人，“單打獨斗”是絕對行不通的，國內智能機器人產業人才缺乏是制約其發展的重要因素。中國機器人產業想要做大做強，人才的培養、引進和留存是重中之重。為此，在日常的教學過程中，范衠特別重視對學生自主研發能力的培養，尤其強調設計思路的創新與實踐。在他的指導下，汕頭大學工學院本科生已經可以自行設計、開發、制作“安防機器人”等功能性機器人，具備平移、旋轉、自主躲避障礙、尋找識別目標和跟蹤特定目標等功能，同時造價很低，具有極強的市場競爭力。這種形式既激發了學生進一步鉆研的興趣，也對科技成果轉化起到了良好的示范作用。范衠正在以言傳身教的方式，為我國機器人研發培養“敢想能做”的后備人才。對于機器人領域相關人才的引進，范衠也多次建言，希望未來汕頭能加大智能機器人產業的投入，并通過建設更多的研究院和機構，來吸引并留住更多相關領域的人才，以便更好地促進產業發展。

團隊合影

與此同時，范衠的研究成果也頻頻出現在科普教育領域，配合不同的科教形式，在不同年齡段學生的心中種下興趣的種子。范衠與企業合作開發的智能科教機器人、卡片式編程機器人和EST可視化編程機器人已經量產并投入使用，上述機器人具備多種人機交互功能，在青少年科普教育領域大放異彩。此外，通過體驗互動、科普講座等形式，范衠與汕頭市的中小學生建立對話，以科教融合的方式培養中小學生的科技創新能力，提升科技素養。范衠說：“汕頭大學目前擁有廣東省數字信號與圖像處理的重點實驗室和汕頭市人工智能技術研究院，這兩個研究平臺都能夠直接助力中小學生人工智能和機器人教育。當孩子們看到身邊的哥哥姐姐們都能夠開發機器人、開發人工智能算法，就會覺得人工智能就在身邊，說不定能激發他們未來從事相關研究的積極性?！?/p>

早在2014年，中國已經成為全球最大的工業機器人消費國，范衠的愿望就是幫助中國成長為機器人研發和生產大國。未來，范衠將用自身所學積極推動我國機器人產業生態的形成與發展，在機器人核心技術和應用領域不斷突破，繼續在機器人研究和應用領域發掘更多的可能性。