腳踏實地卻又仰望星空的人
——記香港大學電機電子工程系終身教授侯云鶴

曹笑軒

侯云鶴在美國參加2022運籌學與管理科學學會（INFORMS）年會

正看著電視，突然斷電了，屋里一片漆黑，只得點上蠟燭照明……這樣的場景，存在于許多70后、80后的記憶中。現(xiàn)在，我國電網(wǎng)發(fā)展成熟，人們已經(jīng)習慣了電力無處不在：做飯要用電，天氣熱了開空調要用電，手機要充電，甚至汽車也要充電……

電力系統(tǒng)如此重要，會不會像以前一樣突然斷電？也不是沒有這個可能。2003年美國和加拿大就曾出現(xiàn)過大范圍的停電事故，導致重大損失。未來，隨著人們日常生活越來越電氣化，電力系統(tǒng)將變得越來越重要。而隨著我國雙碳目標的提出，可以預見，未來電力系統(tǒng)必然會接入更多的可再生能源。電力系統(tǒng)變得越來越復雜，不再是以前多架幾根電線這么簡單了。

如果電力系統(tǒng)出了故障，該怎么辦？這個看似簡單的問題，背后卻有很深的學問。對此，《科學中國人》采訪了香港大學電機電子工程系終身教授、電氣工程和能源工程專業(yè)主任侯云鶴。他長期從事電力系統(tǒng)風險分析和電力系統(tǒng)彈性評估及策略構建方面的研究工作。由他主持研發(fā)的電力系統(tǒng)故障恢復在線決策支持系統(tǒng)在美國電科院成員電力公司中投入商業(yè)化運行，是唯一在北美電力系統(tǒng)實現(xiàn)商業(yè)化的香港開發(fā)的軟件。

從工程師到教授，從美國到香港……侯云鶴的學術道路一步一個腳印，不斷向前延伸。他用自己的才華、勤奮和豐碩成果，鋪就了一條多彩的學術軌跡。

博采眾長 學會多角度看問題

侯云鶴辦公室的書架上，放著三張照片，分別是他與3位導師的合影。

第一張是他與博士生導師——中國科學院院士、華中科技大學教授程時杰的照片。

侯云鶴與程時杰院士頗有些淵源。侯云鶴在讀本科的時候就喜歡自己搗鼓點兒小發(fā)明，因此也寫過一篇論文。等到畢業(yè)實習的時候，正好是程時杰帶他們。程時杰是學校里德高望重的人物。侯云鶴把自己的論文拿給他看時，其實并沒有抱太大的希望。他覺得程時杰平時非常忙，一篇本科三年級學生的論文或許并不會被重視。

“實習的時候，我們師生都住在一個筒子樓里面。有一天下班，大概晚上12點多了，我路過程老師房間。房間還亮著燈。我就在門口望了一下，恰好看到他桌子上放著我那篇文章，當時就覺得很不可思議。”侯云鶴回憶，果然過了幾天，程老師就把他叫過去，明明白白、仔仔細細地指出了他的文章哪里好、哪里不好。程時杰對待學生的認真態(tài)度和深厚的學問深深打動了侯云鶴，讓他篤定了要跟隨這位導師學習，榜樣的力量從此鞭策他不斷前行。

第二張是他與吳復立教授的合影。

侯云鶴讀博士二年級的時候，一次偶然的機會，他接觸到了電氣工程領域的著名學者吳復立。當時還是香港大學副校長的吳復立到華中科技大學作報告。正是在這次報告會上，侯云鶴了解到，香港大學和清華大學在深圳成立了一個研究所，可以聯(lián)合培養(yǎng)學生。他果斷選擇去深圳，成為吳復立的學生。正是在吳教授的引導之下，侯云鶴走上了研究的道路。

侯云鶴至今還清晰記得第一次見吳復立時的情景：他把自己在國內發(fā)表的幾篇論文拿給老師看。吳復立提出的意見是：文章要立足價值寫清楚，這樣大家才能知道你在做什么，能產(chǎn)生怎樣的價值。“我當時就有種醍醐灌頂?shù)母杏X，他跟我理解的層次真不一樣。我一開始寫文章的主要目的就是把它發(fā)表出來。而老師所想的是寫出來的文章將來有什么用。”侯云鶴說。

吳復立給侯云鶴另外一個重要的啟發(fā)就是：思考問題要從最基礎的理論出發(fā)。這一點侯云鶴讀了多年博士之后才深有感悟：“他永遠以基礎為出發(fā)點，強調理論要從最基礎的角度出發(fā)，模型要做到由繁入簡、干干凈凈。這和他的為人很像，做事很正直。”

2005年，侯云鶴從華中科技大學博士畢業(yè)，之后繼續(xù)跟著吳復立在深圳從事博士后研究。那時的吳復立在香港、深圳兩頭跑，但每周不管刮風下雨，他都要堅持到深圳聽學生的報告，和每一個學生單獨談半小時到一個小時。

博士后工作期間，侯云鶴主要有兩個研究方向，一個是如何規(guī)劃電力系統(tǒng)，一個是研究電力市場化，即電力市場怎么樣引入金融工具。時過境遷回頭看，電力市場化如今充分展現(xiàn)了其應用價值，對此侯云鶴頗有些感慨。

做了幾年博士后研究工作后，侯云鶴打算到企業(yè)找工作。之所以有這樣的選擇是因為他大學本科畢業(yè)后，曾在武漢供電局上過兩年班，一開始做工程師，后來在局辦做秘書。不論是與工程師還是與領導打交道，他都感覺很愉快。抱定主意后他投了簡歷，很快就收到了幾份不錯的工作邀請。當他興沖沖地跑去找吳復立，陳述自己的計劃時，導師的叮嚀給了他新的思路：“吳老師很鄭重地跟我談，說我做學問蠻好的，再加上我有在企業(yè)工作過的背景，清楚一線的需求，何不將這兩個優(yōu)勢結合起來做更加深入的科研。”深受啟發(fā)的侯云鶴從此開啟了不一樣的科研人生。

吳復立退休后去了美國，侯云鶴有機會就去拜訪他，給他講講研究的進展等，就像當初學生時代作報告一樣。正是在美國，侯云鶴與吳復立拍了張合影，一直保存在書架上。

第三張是侯云鶴與在美國留學的導師——劉鎮(zhèn)欽的合影。

2008年，在吳復立的推薦下，侯云鶴來到美國愛荷華州立大學，跟著劉鎮(zhèn)欽教授做研究，最初接觸的項目就是到美國電科院進行合作研究。劉鎮(zhèn)欽與美國工業(yè)界有很多合作。他告訴侯云鶴，有很多工業(yè)界的人，他們不怎么懂理論，也不能清晰地表達他們實際的需求。

“劉老師當時告訴我，我最重要的工作應該是從工業(yè)界找到一般性的需求，然后把它科學化，解決了之后再用回到工業(yè)界。”劉鎮(zhèn)欽認為，有影響力的工作，關鍵是要從工業(yè)一般需求里面找到科學問題，這才是獨特的貢獻，而這靠的是對學科的深刻認識。導師的這些觀點，讓侯云鶴受益無窮。

2009年起，劉鎮(zhèn)欽前往愛爾蘭都柏林國立大學任教，侯云鶴追隨導師多年，跟他學到了不少讓自己獲益終身的學習思維方式和研究方法。正是這些思維和方法照亮了侯云鶴之后的人生航程。多年后，劉鎮(zhèn)欽有一次到香港來，侯云鶴跟他一起照了相，將相片一直保存在書架上。

師恩如燈，照亮前行。時至今日，細數(shù)起數(shù)位科研前輩對自己的影響，侯云鶴仍充滿了感激：“幾位老師對我最大的影響就是讓我明白，看問題應該從不同的角度去看。比如電氣工程中的問題，可以從最基礎的理論去理解，也可以從最實用的角度去解決。科學的發(fā)展，就需要這種多樣性。”侯云鶴說，他把老師們的照片放在辦公室，就是要督促自己，鞭策自己不斷吸納各方精髓，博采眾長，從而走出一條傳承與發(fā)展相得益彰的科研路。

精巧構思實現(xiàn)電網(wǎng)的“自愈”夢想

電力工業(yè)從最初誕生起，實際上就是一門生意：人們要用電器，電廠就架一根電線過去。隨著用電的場景越來越多，電線也越來越多、越來越復雜，最終形成了一個龐大的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)用的是交流電，在不同的節(jié)點需要同步赫茲，否則會不穩(wěn)定。因此電力系統(tǒng)需要一個統(tǒng)一的協(xié)調控制中心。

從20世紀80年代開始，各個國家的電力系統(tǒng)開始市場化。市場化的結果之一是節(jié)點分散，控制模式也不一樣。另一個結果是，電力基礎設施投資不夠，導致容量不夠。2003年美國和加拿大發(fā)生的大范圍停電事故就是這個原因導致的。

停電不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，另一方面也讓人們認識到了電網(wǎng)的脆弱。因此，極端狀況下電力系統(tǒng)的運行逐漸成了研究的重點。

侯云鶴在美國做研究員的時候，正參與美國電科院（EPRI）委托的通用電力系統(tǒng)極端條件下恢復理論和工具的開發(fā)工作。他主要負責“電力系統(tǒng)故障恢復決策支持系統(tǒng)構建理論研究”“電力系統(tǒng)故障恢復決策支持系統(tǒng)開發(fā)”“基于開關模型的系統(tǒng)恢復策略”及“電力系統(tǒng)決策支持工具核心技術研究和開發(fā)”項目，同時也是“下一代電力控制中心功能設計”項目的第二負責人。現(xiàn)在，他的研究成果已取得國際性的影響，并得到廣泛的應用。

其實早在20世紀50年代，人們就已經(jīng)意識到電力系統(tǒng)的恢復是一個很重要的事情，但是一直沒有取得實質性進展。“一個系統(tǒng)要全部恢復，那它運行時的全部約束條件都要考慮進去。而且還有優(yōu)化的問題，要先恢復誰、后恢復誰？”復雜的約束條件，讓很多人都不知道該從何入手。

“以前的電力系統(tǒng)恢復，一般都是極力找出一條最短的路，但是因為選擇太多、變化太快，根本找不到。比如，電力系統(tǒng)有故障的時候，有些設備壞了，等恢復到一半兒的時候才發(fā)現(xiàn)這個情況。這就像好好的路走著走著，突然橋斷了，走不下去了。”侯云鶴回憶說，自己的導師劉鎮(zhèn)欽對此有清醒的認識，他認為電力系統(tǒng)既然是個很復雜的問題，就不要指望在理論上算出最優(yōu)來，而應該把它拆解開，變成工程上一個個可解的小問題，最后再把它組合回去。

侯云鶴采取的正是這個辦法。在此基礎上，他提出了“系統(tǒng)恢復通用里程碑”的概念，即將拆分開的節(jié)點視作一個里程碑，同時設計了很多工具包，根據(jù)不同的條件，可以選擇相應的工具包去解決問題。只要最后能打通各個里程碑達到目的就行。“這就好比要從香港到北京，中間的廣州、武漢、鄭州都算是節(jié)點，至于怎么從香港到廣州，得自己想辦法。”侯云鶴設計的工具包，實際上是一系列精巧的優(yōu)化模型與算法，在世界上首次給出了電力系統(tǒng)在故障和災變情況下進行復雜的恢復過程的完整解決方案。

基于這一創(chuàng)新思想，侯云鶴回到香港后和同事開發(fā)了世界上第一套電力系統(tǒng)故障恢復的在線決策支持系統(tǒng)“System Restoration Navigator, SRN”，并且通過EPRI的測試。

“這還是得益于在電力公司工作的經(jīng)驗。”侯云鶴說，他對一些工程上的問題非常清楚，與美國的工程師也能聊得來。因此2009年到香港任教后，美國電科院還繼續(xù)與他合作開發(fā)軟件原型。于是就有了世界上第一套電力系統(tǒng)故障恢復的在線決策支持系統(tǒng)，而且正式5.0版在EPRI成員的電力公司投入應用，獲得了美國電科院技術轉移獎。IEEE智能電網(wǎng)電子月刊（IEEE Smart Grid Newsletter）曾頭版報道了這個研究成果，稱其為“將自愈電網(wǎng)的夢想逐步變?yōu)楝F(xiàn)實”。

緊跟前沿 探索一般性理論

在電氣工程領域，目前有兩個前沿課題，侯云鶴的研究都有所涉及。

侯云鶴（左一）和小組研究生合影

一個是再生能源的接入。現(xiàn)在，全世界都在提碳中和，其發(fā)展趨勢就是要慢慢達到碳的零排放。這不可避免需要用可再生能源發(fā)電，那這些電力該怎么接入電網(wǎng)？目前，世界上大部分的工業(yè)、農(nóng)業(yè)還依靠汽油、柴油，如果它們全都電氣化了，會怎么樣？“可以預見，到時整個電力系統(tǒng)的負荷特性都會改變。”侯云鶴說，那時電力系統(tǒng)應該怎么運行，還需要進行很多探索。

其實，在這方面，侯云鶴一直在探索。他主持了一項國家自然科學基金重大項目，即與中國電科院合作，到2030年設計出我國可再生能源增長的軌跡。“這個軌跡就是可再生能源慢慢增長，同時老電廠慢慢退役的過程。它的設計需要科學的方法，需要理論的支撐。”侯云鶴說，然而到目前為止，關于可再生能源接入研究，都是基于優(yōu)化理論做出一點結果，缺乏一般性的方法。

侯云鶴認為要找到一般性的方法，需要引進一些新的觀點，包括信息論的觀點。目前有幾個學生在跟著他一起做這方面的嘗試。他們的目標是在近幾年做出一般性的理論。

另一個前沿課題是電力系統(tǒng)的彈性研究。近些年，人們越來越認識到，由于氣候變化和可再生能源的接入，大量的發(fā)電設備和電力系統(tǒng)高度依賴氣候。然而，由于全球氣候變化，以前很少出現(xiàn)的極端事件，現(xiàn)在變得越來越頻繁，對此該怎么應對？“比如，香港經(jīng)常有臺風。如果電廠都是靠太陽能和風電的話，臺風一起，就會出現(xiàn)故障。這種情況已經(jīng)不能算是傳統(tǒng)意義上的故障了。”侯云鶴說。

除了自然的極端事件，還有一些人為的極端事件。現(xiàn)在的電力系統(tǒng)都有中央控制，中央控制數(shù)據(jù)都是在網(wǎng)絡上傳送的，這就涉及信息安全的問題。如果有黑客攻擊，怎么保證信息安全？

“這就需要提高電力系統(tǒng)的彈性。”侯云鶴說，近些年，由于這種新情況的出現(xiàn)，電力系統(tǒng)恢復的概念已經(jīng)被進一步延伸，被一個更廣義的名詞所替代——彈性。

從做極端情況下電力系統(tǒng)的恢復開始，侯云鶴研究電力系統(tǒng)的彈性已經(jīng)有十幾年了，現(xiàn)在仍然在研究。“我希望能夠得出一個一般性的理論。能夠把之前的研究都結合起來，做出一點點成果。”侯云鶴說。

現(xiàn)在電力系統(tǒng)涉及的學科越來越多了。“比如，可再生能源的接入設計，其中就涉及物理學科、電力學科、機械的一些學科，還有數(shù)學、計算機等學科。”侯云鶴認為，電力系統(tǒng)作為一個能源系統(tǒng)，未來會越來越復雜。

一起探索 期待青出于藍

侯云鶴現(xiàn)在是香港大學電氣工程專業(yè)和能源工程專業(yè)的主任，負責教學計劃的安排，具體來說就是：要開哪些課，課程設置怎么樣，給老師安排哪些課。“有些課很重要，但是找不到人來教，就要去找老師來教。”侯云鶴說，專業(yè)主任主要就是負責這些事情。隨著新能源在電力系統(tǒng)中所占比例的提升和新型電力系統(tǒng)的建設，侯云鶴相應地進行了大量的教學改革，包括新教學內容的引入和教學方法的革新。

除了教學管理，侯云鶴也會親自帶學生。迄今為止，他培養(yǎng)了10名博士、15名博士后，所有畢業(yè)生均在學術界和工業(yè)界繼續(xù)學術研究工作。他帶學生，有一個原則：快樂。“學生學完一門課能從中體會到思維的快樂；或者是做完一項研究，整個研究過程是快樂的。”在侯云鶴心中，能夠把事業(yè)和愛好結合到一起，那才是最成功的教育。

帶學生做研究的時候，侯云鶴覺得自己更像個教練員，而學生就像是運動員。學生最后一定會做得比自己好。“傳授知識只是其中很小的一部分，培養(yǎng)對學術的欣賞能力和對高品位學術的追求才更加重要。我?guī)Р┦浚嗟牟皇羌寄苄缘呐嘤枺潜M力提供一些方法，它不一定管用，但我想讓他們知道，我是跟他們在一起探索。”授人以魚不如授人以漁，科研路上相伴相行，這正是當年劉鎮(zhèn)欽教授帶給侯云鶴的感受，如今，他也希望給學生帶去同樣的感受。

時至今日，侯云鶴回想起那段經(jīng)歷仍深有體會：2010年，一個偶然的機會，他到美國麻省理工學院信息與決策實驗室作訪問科學家。在那里，侯云鶴碰到了一群杰出的科研同伴，“他們思考的是人類最基礎的事情，也是對人類未來有影響的一些事情”。那段時光雖然短暫，但讓侯云鶴對自己和團隊的科研方向有了深刻的啟發(fā)：有些人是仰望星空的，有些人是腳踏實地干事的。人類要進步，這些人都不能少。如今，自己的團隊建設日益走上規(guī)模，他也給自己定下了這樣的愿望：做腳踏實地卻又仰望星空的人，做人如此，做研究也是如此。