深耕數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù) 成為工業(yè)系統(tǒng)醫(yī)生
——記哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院教授羅浩

謝更好

這是一個充滿創(chuàng)新的時代。

近些年來，隨著大數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，人類社會正在由信息化時代步入智能化時代。數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)及群體智能系統(tǒng)正在快速且廣泛地應(yīng)用于軍事、信息、工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、交通等各個領(lǐng)域。

這也是一個充滿挑戰(zhàn)的時代。

大型工業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)的集成度、復(fù)雜度變得越來越高，保障大型工業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)安全運(yùn)行的任務(wù)也隨之變得越來越復(fù)雜和必要。通常來說，大型工業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)中各個控制變量間的高耦合性往往導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)中的某些故障很難得到精確監(jiān)測和準(zhǔn)確定位，進(jìn)而導(dǎo)致工程師或者自動控制系統(tǒng)很難及時做出相應(yīng)決策以保證系統(tǒng)安全。甚至有時，一個局部的異常事件就可能導(dǎo)致整個工業(yè)系統(tǒng)的性能下降，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е轮卮蟮陌踩鹿省?/p>

如何提高復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的安全性和可靠性？這個問題不管是在學(xué)術(shù)界還是在工業(yè)界都受到了廣泛關(guān)注。對此，記者采訪了哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院教授羅浩。

羅浩現(xiàn)工作于哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，主要從事多源數(shù)據(jù)分析與特征提取、自動控制系統(tǒng)故障診斷、分布式安全優(yōu)化控制、基于醫(yī)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(yè)系統(tǒng)的醫(yī)生。

數(shù)據(jù)驅(qū)動，診斷控制

團(tuán)隊(duì)合影（一排右一為羅浩）

“對工業(yè)自動控制系統(tǒng)里可能發(fā)生的故障進(jìn)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(shù)據(jù)?！绷_浩介紹道。

在西安交通大學(xué)取得學(xué)士學(xué)位之后，2008年，羅浩來到德國杜伊斯堡-埃森大學(xué)攻讀碩士學(xué)位。從那時起，他就開啟了故障診斷和容錯控制相關(guān)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(xué)位起，他的研究方向慢慢轉(zhuǎn)向了基于數(shù)據(jù)的診斷與控制方法。

“那個時候用數(shù)據(jù)驅(qū)動去解決工業(yè)系統(tǒng)中的故障診斷與容錯控制問題，在國際上是前沿研究領(lǐng)域?！被貞浧鸸プx博士學(xué)位時所做的研究課題，羅浩仍歷歷在目。那時候剛好是數(shù)據(jù)驅(qū)動診斷與控制方法技術(shù)剛興起的時候，他對當(dāng)時比較火熱的幾類數(shù)據(jù)驅(qū)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(guān)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(xù)研究的思路。

2015年年底，羅浩在博士畢業(yè)前夕入選了哈爾濱工業(yè)大學(xué)青年拔尖人才計(jì)劃，并于2016年在德國杜伊斯堡-埃森大學(xué)獲得工學(xué)博士學(xué)位，博士論文榮獲優(yōu)秀博士論文獎。畢業(yè)后，羅浩回到國內(nèi)，入職哈爾濱工業(yè)大學(xué)，沿著博士階段的研究思路繼續(xù)潛心研究數(shù)據(jù)驅(qū)動診斷與控制工作。終于，經(jīng)過多年的嘗試與摸索，他逐漸發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的局限。

看清楚了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動的癥結(jié)所在，羅浩接下來在一些國家級或省部級的項(xiàng)目中，有意拓展了自己的研究方法，以便與工業(yè)實(shí)際更好地結(jié)合。

羅浩發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中，出于對安全性和可靠性的優(yōu)先考慮，大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)往往被封裝，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)不允許第三方做任何改變，這為控制系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時優(yōu)化調(diào)整帶來了設(shè)計(jì)難題，也使得眾多優(yōu)化控制方法雖然有著完美的理論證明，但是往往無法應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際。對此，羅浩構(gòu)建了一個不依賴特定控制系統(tǒng)的即插即用故障診斷與安全優(yōu)化控制框架。得益于診斷與控制系統(tǒng)的參數(shù)化描述，在這個框架中診斷與控制系統(tǒng)可以作為設(shè)計(jì)模塊嵌入實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)中。診斷與控制的各個模塊通過對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的分析與處理，有效提取擾動、故障等異常對系統(tǒng)性能帶來的影響并分別進(jìn)行反饋補(bǔ)償?？蚣茉试S在不改變原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)中診斷與控制模塊關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的在線優(yōu)化設(shè)計(jì)。

“對分布式的故障診斷與控制性能進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化的同時，提高復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)安全性與可靠性。”羅浩解釋道，他之前都是在研究一些集中式的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，近些年來才開始研究分布式的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法。在集中式數(shù)據(jù)驅(qū)動故障診斷與容錯控制方法研究領(lǐng)域中，針對動態(tài)系統(tǒng)象空間和核空間開展相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)全球也不超過五六家。在分布式數(shù)據(jù)驅(qū)動方法領(lǐng)域，相關(guān)方向更是幾乎無人涉足，這一方向在國際國內(nèi)屬于前沿，并且有極高的難度和挑戰(zhàn)性。

從2012年到現(xiàn)在，羅浩一直在數(shù)據(jù)驅(qū)動領(lǐng)域深耕，初步形成了基于子空間映射的一套數(shù)據(jù)驅(qū)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(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，肯定會對工業(yè)實(shí)際應(yīng)用提供正面參考。2021年，羅浩憑借扎實(shí)的科研工作，入選愛思唯爾工業(yè)自動化領(lǐng)域世界前2%科學(xué)家。

打破壁壘，融合醫(yī)工

2021年，羅浩入選哈爾濱工業(yè)大學(xué)青年科學(xué)家工作室學(xué)術(shù)帶頭人。

青年科學(xué)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(guī)模的團(tuán)隊(duì)?！辈贿^“麻雀雖小，五臟俱全”。為了加強(qiáng)跨學(xué)科交流，從成功的經(jīng)驗(yàn)中獲取新的經(jīng)驗(yàn)，羅浩帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)的清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、東北大學(xué)、浙江大學(xué)、中南大學(xué)、長春工業(yè)大學(xué)等兄弟院校保持著密切聯(lián)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(xiàng)目合作團(tuán)隊(duì)召開線上研討會。

如今，羅浩的工作室已經(jīng)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(tǒng)的故障診斷與容錯控制；另外一個是醫(yī)工交叉的疾病輔助診斷技術(shù)：利用多源醫(yī)療數(shù)據(jù)為人體膝關(guān)節(jié)構(gòu)建三維數(shù)字模型，完成骨關(guān)節(jié)多尺度、多功能的數(shù)據(jù)建模，同時開展基于數(shù)字孿生模型的膝關(guān)節(jié)炎輔助診斷方法研究。

“目前我們的這兩個研究方向中，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法是跨學(xué)科的共性關(guān)鍵技術(shù)。”羅浩說。簡單來說，就是分析數(shù)據(jù)里的各個成分，然后把各個成分在數(shù)據(jù)空間里區(qū)分開，再針對每個成分的特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)處理。得到的干擾信息，把它扔掉，同時也可以用它來做補(bǔ)償，以得到更精確的估計(jì)或者控制。“這兩部分我們都開展了一些前期的工作，有了一些積累。”羅浩說，接下來他最想做的，就是把實(shí)驗(yàn)室建立起來，把團(tuán)隊(duì)帶起來。

在數(shù)據(jù)驅(qū)動領(lǐng)域深耕多年，羅浩清楚地認(rèn)識到，現(xiàn)在的控制學(xué)科不能一直固守已有的東西，需要不斷開拓一些新的領(lǐng)域。基于此，他對未來的研究方向有一個初步的想法：打破學(xué)科之間的壁壘，推動多學(xué)科深度交叉與融合。用兩條腿走路，一條腿是數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷和優(yōu)化控制，另外一條腿就是醫(yī)工交叉。希望兩個方向能相輔相成，行穩(wěn)致遠(yuǎn)。

踏實(shí)做事，低調(diào)為人

從2016年加入哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)子課題2項(xiàng)，教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目1項(xiàng)，參與國家自然科學(xué)聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)、國家國防科技工業(yè)局國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)。

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

“目前參與的項(xiàng)目，我覺得都是特別小的創(chuàng)新點(diǎn)，但我們是真正在研究一些問題，而且是做得比較踏實(shí)的?！绷_浩有一套自己的行為準(zhǔn)則：自己提出來的一些理論，一些方法上的創(chuàng)新、突破，必須腳踏實(shí)地做實(shí)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(yè)專家的認(rèn)可。

回顧6年來的工作，羅浩有收獲有成長，但也有一點(diǎn)小遺憾，那就是與企業(yè)接觸得比較少，除了高鐵項(xiàng)目以外，相關(guān)研究成果在工業(yè)實(shí)際中的應(yīng)用還較少。如何把科研成果更好地服務(wù)于工業(yè)實(shí)際，是他今后努力要做的一件事。