科研路上的興趣與思考
——記電子科技大學教授李福生

劉有婷 范德強

如何評判自己當下的研究方向是否正確？李福生給出的回答是依據興趣。如何在自己的人生道路上走得更好？他則說要善于思考。多年來，電子科技大學李福生教授致力于網絡化與智能化儀器科學與技術、人工智能與云計算技術、自動化測控技術、智能化電機控制器技術、智能風電裝備與控制技術及智能無人機控制器領域的研究，在理論和實踐方面取得了一系列成就。他說：“我們首先要追隨自己純粹的科研興趣，然后通過思考將興趣轉化成對社會有實際意義的事情”。

游子歸國

凡是見過李福生，哪怕與其只有一面之緣的人，幾乎都會被他身上所流露出的儒雅氣質所折服。細框的黑邊眼鏡、樸素得體的服飾，舉止間一派從容溫和。就連談話時，他也是時而嚴謹機敏、無一遺漏，時而妙語連珠、幽默橫生，全然一派中國傳統儒士與西方精英兼容的形象。

李福生出生于福建，自古江南多才子，依山傍水的閩地更是聚集了文人的靈秀之氣，歷史上曾出過朱熹、柳永、李贄、陳景潤等眾多文人才子。生長于此的李福生秉承了此地的鐘毓之氣，自小思慮機敏，并喜好手工機巧之術，時常拆解一些簡單的器具，研究清楚其中的工作原理之后再組裝回原型，在這拆解和組裝的過程中李福生獲得了莫大的樂趣。

20歲時，李福生走出福建，考入上海交通大學攻讀學士和碩士學位。因為從小喜歡多思多慮的緣故，當時的李福生就隱隱感覺到高端科技一定會成為未來科研的主流方向，因此先后選擇了核工程與動力機械工程專業。為了學習工程科學，在本碩期間他掌握了包括模擬仿真計算、編程等在內的計算機技能，讓他沒想到的是，這會跟隨他之后的整個科研道路，并成為其中不可或缺的重要工具。

后來當李福生回憶起自己在上海交大的那段求學時光時，他總會用特別溫和的語氣來表達自己的感恩及幸運。原來，碩士時期的他師承我國著名的能源與發動機燃燒專家，現今的上海交通大學副校長、中國工程院院士黃震，作為集科研知識與成就于一身的資深學者，黃震院士在發動機燃燒與排放控制、大氣污染控制及能源政策戰略研究等方面取得了眾多成果。而作為黃震院士的學生，李福生在長期追隨其學習的過程中，逐漸理解了科學研究中復雜的知識及嚴謹的實驗方法，同時還掌握了團隊合作及交流的方式，為他日后的科研工作做了重要鋪墊。因此，后來每當李福生談起在上海交通大學的求學經歷時，總是會直言不諱地表示黃震院士的影響足以讓他感悟終生。

李福生在成都清水河畔

但是，喜歡探索的李福生并沒有滿足于在國內的研究見識，7年后，碩士畢業的他離開了充滿吳儂軟語的上海，飄洋過海遠赴美國的北卡羅萊納州立大學，攻讀核科學與工程專業的博士學位，并在此之后因為興趣修讀了統計學的碩士學位。或許是冥冥中注定，從計算機到統計學，李福生逐步找到了自己真正感興趣的科研方向，并且掌握了與人工智能相關的科研知識及技能。

經過多年的積累，在美國留學時期的李福生開始大放異彩。在當時，他和課題組成員通過軟件模擬研發出新的算法，成功解決了電路中高速采集的脈沖堆積問題。由于該算法使得科研人員在眾多實驗中，可用粒子加速器代替含有有害物質的同位素，因此面世之后，先后被廣泛應用于石油、醫療器械及成像等領域，得到了國內外學術界的一致認可。也因此，李福生曾和荷蘭皇家殼牌集團、美國貝克休斯公司等國際石油巨頭保持密切合作。對于這樣一位在科研上極具天賦且能夠深入鉆研的研究者，李福生的博士生導師曾評價道：“李福生博士的研究成就具有獨創性和多樣性，并被全世界范圍內的同行接受并認可，在我1967年以來指導的41位博士研究生中，我把李博士排在前4位。”

眼看著自己在國外學術領域已經展露鋒芒，并在北卡羅萊納州立大學做到了研究教授的職位，照此推算，如果繼續留在國外發展，李福生并不會缺少不錯的機遇與資源。然而，他本就是中國走出來的學者，故國的山水、文化都深深地烙印在他的血液中，即使是在國外，他也時刻關注著國內的發展動態。他深知，隨著經濟飛躍式的發展，我國的工業、醫療、航空航天等領域對能源、環保安全的需求也在不斷加大，然而我國在相關方面的技術卻仍存在短板。因此，2018年，他毅然放棄了國外的大好發展前景，帶著滿腹的學識回歸祖國，并就職于位于四川成都的電子科技大學自動化工程學院。

長期以來，電子科技大學以電子信息科學技術為核心，在研究方向上覆蓋了整個電子類學科，擁有多個國家級實驗室，在電子信息方面被譽為世界一流大學。在李福生看來，既然自己回國的重點是在“做事”上，勢必就要選擇最為合適的平臺，給自己爭取充分施展拳腳的空間，從而盡可能多地為國家科技發展貢獻自己的力量。因此，電子科技大學自然成為了他回國從事科研工作的最佳選擇。

與科研合作者、英國工程技術學會會士（IET Fellow）凌永權教授（左1）探討創新

科技報國

回國后的李福生非常清楚自己的定位。“基礎研究者更多地在于追求一種普遍的真理或理論突破，而作為工科領域的研究者，我更希望以基礎研究為核心，落實科技成果產業化，推動我國能源探測及環保安全等領域的高技術裝備的升級。”李福生微笑地總結自己歸國后的研究規劃。

多年的研究生涯養成了李福生廣闊的研究視野，他清楚地認識到在當下的社會發展環境中，能源探測及環保安全等領域對于光譜分析技術的需求。不論是國內還是國外，隨著工業和科技的發展，對能源的需求都在呈現逐步加大的趨勢，而新能源和可再生能源成本又相對偏高，因此，即使世界能源走勢面臨諸多不確定因素，化石能源主體地位在短期內仍然難以替代。十九大報告中曾指出，要推動能源供給革命，建立多元供應體系。因此，增加對能源的探測及開采量成為了當下時代的重要任務。

然而李福生在經過全面而深入的調查后，卻清楚地認識到，我國科研在能譜分析領域起步晚，在理論研究、測量精度、數據分析能力等方面仍有很多不足，難以支撐我國在能源探測方面的需求，因而導致了與能源探測相關的很多精密儀器與科學儀器需要大量依賴進口。

比如，我國高端的光譜儀器大多都是由國外進口，國外的生產商近乎統治了我國的光譜儀器市場，所生產的光譜儀占據了我國在該領域市場銷量的90%左右。“市場被擠壓導致的直接后果就是我國光譜儀行業的發展嚴重發生萎縮，同時還嚴重束縛了我國能源探測工作的開展。”李福生一邊皺眉說道，一邊用右手的大拇指摩挲著左手大拇指的關節，這是他思考時的習慣性動作。“因此，必須要研制出能源安全，國家急需的高技術光譜勘探裝備，推動我國能源行業的技術升級，同時擴大國內光譜儀器市場。”李福生總結道。

基于上述考慮，李福生毅然決定在國家自然科學基金的支持下，開展“源于基本參數法的XRF光譜快速建模理論及智能反演算法研究”項目，研究高效可靠和智能化的XRF光譜測量創新性理論方法。在研究中，他將基于基本參數法研究快速生成完整XRF光譜的創新性模型，通過實驗驗證運用該模型生成光譜數據的準確性，并在光譜大數據的基礎上運用深度學習算法實現待測樣品的元素種類的定性判別和元素含量的精準定量分析。同時，他還將人工智能方法用于解決儀器硬件參數自動優化，該創新思路為研制具有自學習、自診斷、自決策等優點的智能科學儀器建立了理論基礎和方法。

事實上，這一項目的開展不僅能夠對我國能源探測事業的發展大有裨益，對我國環保工作的細化升級也起到了重要的影響。長期以來，隨著光譜科學研究的逐步發展和光譜分析技術應用領域的不斷擴大，在線定性定量檢測技術的快捷性和準確性成為科學家關注的焦點。2020年，國務院辦公廳印發的《關于構建現代環境治理體系的指導意見》強調通過使用監測方法提高治污能力。而李福生在該項目的研究中開展的關于光譜信息分析中光譜數據的多來源，以及對超出定標范圍的未知樣品準確分析等的研究，使得我國對于環境污染的分析能夠更為快速和細致，推動了我國環保事業更上一層樓。

但在研究國家能源、環保安全的高技術裝備方面，李福生的規劃并不止如此，他還成功研發了高精度X射線光譜成分分析儀。相比市面上普通的光譜分析儀器，該產品具有更高的靈敏度、準確度，不僅能實現無損檢測，而且測量的范圍更大，可廣泛應用于石油、天然氣煤層氣勘探與開采，鈾礦探測以及金屬、食物、植物、土壤的檢測等。相當于在這些工作中做到將龐大的巖芯分析實驗室微縮成一個小型高效的井下探測儀，在檢測地層元素含量及巖性等的過程中，提高儀器的飽和度、滲透率及含和飽和度的測量精度。在李福生及其團隊的努力下，根據該成果研發出的手持X射線光譜成分分析儀目前已經投產到第四代，這對于擺脫對國外技術的依賴，實現我國在地質考古、公共安全、環境保護、食品安全等領域的探測設備核心部件的升級及市場國產化產生了實際且重大的影響。

在李福生以橫向的目光關注光譜分析儀器在能源探測及環保安全領域的應用時，他注意到了其在無人機探測方向的使用安全問題。原來，科研人員在開展能源探測、防災救災等工作的過程中，有時難免會遇到人力難以到達的艱險地帶。在這種情況下，利用無人機搭載光譜儀，代替人類前往無人地帶進行探測就成為了科研人員不錯的選擇。然而，單架的無人機在空中飛行的時候經常會因為電機損壞或承載力不足等各種因素發生墜機事故，而一旦墜機，安裝在上面的光譜儀也難免隨之墜毀。那么，降低無人機的墜機風險，就成為了保障光譜儀使用安全，順利開展無人機探測工作的重要因素。

那么，如何降低無人機墜機風險呢？對此，李福生給出的答案是研發組合式無人機。事實上，在國外市場上，組合式無人機領域在多年前就有人踏足，但國內市場的發展卻因為一直存在著大型無刷電機的產品不成熟、載重相對較弱、植保無人機配套服務滯后、行業標準混亂等問題而始終處于幾乎停滯的狀態。在這種缺乏外界研發經驗的情況下，李福生便開始憑借自己多年來在計算機及工程領域的研究，將多種高精度傳感器組，以及高性能的處理數據的算法結合，最終研發出了較普通產品具備更為優秀的控制效果的新型無人機。“該新型無人機還改善了植保無人機在工作過程中對時變系統的適應能力和工作效果。”李福生頗為滿意地說道。

作為導師為2020級骨干訓練營新生開講座傳道解惑

與優秀企業合作并試圖攻克核心技術問題

不僅如此，李福生扶了扶眼鏡框架，進一步向記者介紹到，目前，他正在研究一種新型可變形的空中機器人，該空中機器人實質上是由多架矢量無人機組合而成的，通過不同的組合方式來產生不同的特性來滿足各種要求，增大其對探測儀器的承載能力。“這樣一來，如果其中一架無人機發生故障，剩下的幾架也會通過自由組合繼續工作，不會產生墜機的結果。”這樣一來，科研人員便可以更加放心地利用無人機搭載光譜儀器開展能源探測及防災救災等方面的工作。另外，除了降低墜機風險外，該新型可變形空中機器人還具有自由組合的特性。“無人機的這種高自由度，為其搭載的光譜儀器提供了更多在空中探測的可能。”李福生解釋道。

事實上，不論是光譜儀器還是組合無人機的研發，李福生都是走在領域的前端，并沒有太多前人的經驗可供他借鑒。他在整個過程中就像在摸著石頭過河，不停地摸索，一遍遍地試錯。“很多個通宵都是這么熬過來的，面對外界的質疑，實驗的失敗，我們都必須把內心的急切、迷茫的情緒壓制下來，走過一道道研究的彎路之后，才能找到僅有的那幾條能夠達到自己目標的路。”李福生語氣溫和地說道。如今，這種苦心鉆研的毅力不僅出現在關于光譜儀器與組合無人機的研發中，還出現在關于智慧工廠的研究中。

在提及智慧工廠這一研究方向時，李福生介紹道，這是光譜儀的另一大應用領域。李福生認為，隨著中國制造業越來越發達，產品工業材料尤其是合金材料的質量成為大家關注的焦點之一，在過去發生的諸多嚴重工業事故中，一半以上是由于合金材料混料與管道系統損壞引起的。因此，監控生產過程中生產設備合金材質的變化，確保安全生產比以往任何時候都顯得重要。“然而一般的抽樣檢驗存在安全隱患，對于涉及的所有關鍵材質以全檢代替抽樣檢驗才是安全生產的保證。”李福生語氣嚴肅地說道。因此，他將XRF光譜儀應用到了合金材料的分析鑒別中，然后將分析得到的數據傳輸到企業的智慧工廠體系以及企業質量把控的軟件中，有效地避免了工業生產中使用不合格或者規格不符的合金材料，為生產出質量合格，令人放心的工業產品做出了重要保障。

在通過光譜儀進行合金材料分析的基礎上，李福生還開展了關于DPM技術開發的研究，以此來對產品零部件進行標識。所謂DPM技術，便是通過激光蝕刻、機打撞擊、噴墨打印、化學腐蝕等方法，將符號直接印刷、澆鑄或蝕刻在部件上，通過使用滿足廠商、供應商或法規要求的流程，直接在物品或部件上打上“永久性”的符號。通過這項操作，產品在整個壽命周期內都是可以識別的，當部件處于不利或惡劣環境條件下，其他的標識方法不可使用時，DPM技術可以實現永久性的部件跟蹤。基于該技術，李福生和迅鐳智能（廣州）科技有限公司合作，開展了“開發實驗室建設及DPM條碼識別技術研發”項目，將光譜儀分析得出的材料信息以二維碼的形式打印在硬件材料上，使得生產者可以通過掃碼的方式直接進入材料信息系統，從而達到降低停工期、開銷和成本，同時提高企業的效率的目的。

對于李福生來說，為工業生產提供分析服務，提高企業生產質量及效率是智能工廠主要的目的。基于這一初衷，李福生又開展了“智慧工廠解決方案”項目，致力于工業智能化、大數據方面的研究與應用。在該研究中，李福生通過智能排產APS系統幫助企業快速制定符合各種生產的約束條件（人機料法環），滿足計劃目標與策略的、優化的詳細生產作業計劃，實現縮短制造提前期，削減庫存，提高交貨期的遵守，有效實現客戶的利益增長。同時，憑借DNC程序管理系統從程序的上傳、關聯、調用、回傳等整個應用流程，幫助企業車間所有機床使用一臺計算機進行聯網管理，實現車間的完全網絡化管理，該技術可為工業企業提供智能分析、決策服務，從而讓工業制造變得更加智能、高效。

桃李芬芳

在一次次對復雜科研難題的攻關中，李福生逐漸明白，克服困難的過程是科研必須要付出的代價，而支撐自己持之以恒地與困難抗衡的重要因素就是興趣。因此，他在指導學生開展科學研究的時候總是會精心地逐步培養他們的興趣。

“培養學生的興趣要像我們平常喝茶一樣，要一杯一杯地品味不同階段的味道，如果一下子給他們灌輸太多的內容，他們喝撐了，以后可能就不想學了。”因此，他總是會先給學生設立小的目標，待其完成之后再逐步設立更大的目標，吸引著學生一步步深入探索，感受科研的樂趣。

“功利心淡一些，用純粹的感興趣的心來思考及做事，他們會在這條路上走得更遠。”李福生淡淡地笑著說道，而這，也是他多年來堅持從事科研工作的真實寫照。