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科学家说 | 席裕庚:在不确定的世界里,怎样把事情做成

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科学家说

繁霜尽是心头血,洒向千峰秋叶丹。

中国科协之声联合全国学会策划“科学家说”栏目,推出独家科学家自述,以第一视角分享科学家的成长经历和报国之路,共同感悟时代的科学家精神。本期,我们与中国自动化学会一起,走近中国预测控制领域科学家——席裕庚。



人物简介

席裕庚,中国自动化学会特聘顾问,第七、八、九届理事会副理事长。上海交通大学讲席教授,曾担任电子信息学院院长、自动化系主任等职。他长期致力于模型预测控制、大规模系统控制与优化、智能机器人系统与技术等领域的研究,是我国预测控制领域的开拓者,为推动预测控制在我国的传播、研究和应用做出了杰出贡献。

现在常常听到人们说“闭环”,其实在有些场合,只是为了表达“封闭”的意思。当“反馈”“闭环”“优化”这些词从工程领域流向管理层甚至用于人生指导时,是不是更应该回归它们最朴素的本质——在不确定的世界里,怎样一步一步把事情做成。

我的答案是八个字:追求卓越,砥砺前行,即通过“优化”确定如何一步步把事情做好,但每一步通过执行效果的“反馈”进行修正,两者融合在滚动优化的“闭环”中,以此克服不确定性的影响。这八个字,从无意到有心,我用了大半辈子来理解和践行。

“滚动优化”,助我在逆境中坚定前行

我长期从事预测控制研究。很多人问我,预测控制到底是什么?我有时会反问:你过马路的时候,是不是先看好对面,然后规划一条路线,接着就闭着眼睛冲过去?

当然不是。你一边走一边看,左边来车了你停一下,右边有个坑你绕一下。你心里有个大目标——到马路对面去。但你每一步都在根据当下的情况调整。

这就是预测控制。学术点说叫“滚动优化”,通俗地讲,就是“凡事要有长远的规划,但实施时需走一步看一步,每一步要根据看到的实际情况重新优化调整规划”。

有意思的是,我第一次实践这个道理,并不是在科学研究的大学实验室,而是在动荡时期我工作的湖南邵阳市电子仪器厂。

1970年,我结束了一年多在湖南洞庭湖军垦农场的劳动锻炼,被分到邵阳市金笔厂。

在这段动荡的时期,工厂的发展举步维艰。那是我人生的最低点。我在不断的反思和剖析中重新认识自己,用毛主席青年时期奋斗的语句激励自己:“我们总要努力,我们总要拼命向前。”因为未来总会需要我们。

可光有“努力”是不够的。怎么努力?

我给自己定学习计划。一月一月地定,一周一周地检查。说实话,我明知道这些计划不可能完美完成——环境变化难以预料,意志不够坚定,学习资料欠缺——但我偏要按照“完不成”的标准来定。每周结束,复盘一下,再重新调整月计划,实施新的下周计划。

这不就是滚动优化吗?目标大一点,事情一步步做,做一段检查一下,再定个大目标,再做。

那时候我还没学过自动控制,更不知道什么叫预测控制。但这种方法论,已经在我最困顿的日子里,帮助我在充满不确定性的环境下去追逐我的目标。

在电子仪器厂那几年,我自学了计算机和逻辑设计,读了《中国通史》《世界史》《中国文学史》,学习了自然辩证法、哲学、美学的相关著作。没有人要求我,也没有人指导我。我就是觉得,国家需要发展,就一定会需要知识,需要能做事的人。机会总是留给有准备的人——这句话,我在那个时候就深信不疑。

人生也是“滚动”出来的

1977年,国家恢复高考,1978年,开始全面招收研究生。

我听到这个消息,激动得几乎睡不着觉。说句老实话,当时的动机并不崇高——我家在上海,爱人小孩都在上海,按当年的户籍制度,我想靠自己调回去,几乎不可能。唯一的办法,就是考回上海的研究生。

当时邵阳市电子仪器厂领导很支持,我白天在厂里上班,晚上点灯复习。我选了自动控制专业,我爱人在上海帮我借来了备考的教材。虽然我以前是学力学的,但一直喜欢数学和逻辑,所以突击学习自动控制不算太吃力。



1978年报考上海交通大学自动控制研究生准考证

我报了上海交通大学的研究生,导师是张钟俊先生——中国自动控制学科的奠基人之一。结果考得很好。

还没等到学校报到,又接到通知:教育部要从这批研究生中抽取10%参加公派留学的外语考试。阴差阳错,我又考上了。更戏剧性的是,我考的是英语,但德国方面提供了奖学金,而德语考生不够数,组织上决定从英语考得好的人里选一批转去德国。就这样,1979年4月,我成了公派留学生前往德国。

你看,人生哪有什么直线?全是滚动出来的。

憋着一口气,把灯点到凌晨

我们是改革开放后最早走出国门的那批人,刚到德国,就能体验到物资丰富、生活水平高、社会秩序稳定、工作高效。德国人对我们很友好。在语言学校的时候,他们办地方节日,欢迎中国学生一起参加,第二天还登在报纸上。德国人对中国古老悠久的历史、美丽的风景和可口的膳食十分感兴趣,但对我国科学技术的发展了解甚少。特别在学术领域,他们动辄讲美国、日本如何,根本不关心中国的进展。

我们这批人心里都憋着一口气。中国人不笨,只是我们发展晚了。既然出来了,就一定要学硬本事回去。那时候的口号很朴素,叫“振兴中华,实现四个现代化”。压力也大——全国就派了这么些人出来,大家目光都盯着你呢。

我学的、考的都是英语,德语知识和能力几乎为零。到德国后基金会安排我们学了半年德语,然后我到了慕尼黑工业大学进入专业学习。

导师安排我先听课做实验。我们在语言学校学的半年德语对付专业学习远远不够,第一个学期极为艰难。由于所有课都是德语讲授,教授在黑板上写板书,我无法跟上,只好先原样描下来,回去再查字典。实验说明书厚厚一沓,全是德文,光看懂就要花几天。那时候国内连一本像样的德汉字典都找不到,我托亲戚好不容易弄到一本简明德汉字典,稍微复杂一点的词就查不到。

不久,我开始开展课题研究,实验室良好的计算条件吸引着我拼命干。因为长时间盯着屏幕,右眼出现调节疲劳,看近处完全聚不了焦,我只能戴了眼罩用一只眼睛继续工作,但视力继续下降,眼镜刚配就不能用了,直至配了右眼300度的远视眼镜才止住。

在后续的课题研究中,由于取得了很好的结果,导师希望我延长一些时间完成博士论文,得到了教育部的批准。为提高工作效率,我改变了工作习惯,白天先思考问题拟定方案,晚上等同事走了,再到实验室上机干到凌晨两三点。德国同事都知道我这个习惯。博士毕业时,他们亲手做了一顶博士帽给我戴上,帽檐周边是他们研究所大楼的轮廓,在我那间办公室的窗口,还特地粘了一盏点亮的小灯泡——因为他们都知道,我总是深夜加班。



顺利完成博士答辩,一众同事簇拥席裕庚(右一)回到办公室,他头戴那顶自带灯泡的特殊博士帽格外醒目

那盏小灯泡,后来成了我人生的一个隐喻:从湖南小城的油灯,到慕尼黑深夜的终端,再到回国后的实验室——我这一辈子,就是靠着一盏又一盏发光的灯,一步步走过来的。

两篇文献,一个方向

1980年10月的一天,秘书通知我到导师办公室。导师刚从美国开完会回来,非常干脆地跟我说:“我听到一种新的控制算法,很有趣。你可以研究。”

他给了我两篇文献。就两篇,把我引入了预测控制的新领域。



席裕庚(右一)与学生讨论预测控制应用于合成氨变换工段方案

我从那两篇文献开始,一边啃,一边自己编程序做仿真。导师随后去美国做了半年访问学者,我留在研究所里,自己定方向,自己查文献,自己设计实验,自己推理论。每天都会产生很多结果,每天也会遇到很多问题。遇到问题就再查文献,再改算法,再推公式。

这中间有很多折磨人的时刻。比如我发现仿真里出现“冒尖”现象——计算结果跑到某个阶段,突然冒出一个波峰,理论上一时推不出原因。我反复试,最后发现是模型截断所致,通过加上某个修正项,消掉了这个尖。问题解决了。

还有更让人挠头的事。我推导一个关于二阶系统稳定性的不等式条件,三个条件都证出来了,第四个条件死活证不出来。这不是什么高深的问题,但就是没人做过,也没人会去做。怎么办?我把所有参数全部离散化,分成间距极小的各种可能组合,用简单的判断程序快速测试了所有组合——全部稳定。这至少给了我一个底气:虽然理论上尚未证出,但实际上大概率没问题。

这个不等式,我后来一直没放下。回国后偶尔还会想起来,觉得“马上就能证出来了”,一头扎进去一两个小时,出不来就再放下。最后是在完全不搭界的情景下——在参加上海市高校职称评审时,晚上没事,拿起来又推——居然成了。那是1990年以后的事了。

你说这有什么实用价值?可能没有。但这就是做研究的感觉:有些东西会一直挂在你心里,因为你知道那个坎还没过去。

预测控制到底教给我们什么?

说了这么多,得回到正题:到底什么是预测控制?

我换个方式讲。你想把一个水槽的水位控制到某个高度。有一种方法是,你把阀门开关的时间全部算好,算得精确无误,然后按这个计划执行——这叫开环控制。但现实中有各种意外:阀门卡了一下,水压变了,甚至今天温度不一样。你照着老计划走,肯定偏。



席裕庚为本科生上自动控制原理课程

预测控制怎么做?你先搞清楚这个水位对外界作用的反应规律——阀门开一点,水位怎么变化,画出这种动态因果性关系的定量曲线。有了这个关系,你想达到目标,就可以反过来求一个最优的阀门操作序列。但算完之后,你不要像开环控制那样照着全部执行,而只执行第一步操作,然后测量实际水位是否真的按此规律变化,并纠正可能出现的偏差,然后重新优化计算,再执行新结果的第一步操作,如此随时间不断推进。这叫滚动优化。



2014年,席裕庚在学生论坛感悟人生

它的哲理极其简单:你有宏大目标,但你每一步都根据真实情况重新决策。这样不管中间窜出什么意外,你都能及时应对。

预测控制不是理论上的“最优”,但它是在不确定性环境中追逐最优的合理方法。所以我说,预测控制“不是最优,胜似最优”。

这个思路,其实不只用在工业上。例如管理中的滚动规划,可以对未来五年进行规划,执行一年后,根据实际情况调整,重新规划未来五年,如此不断滚动实施,也是这个道理。

甚至你的人生选择,不也是定一个目标、走一段、根据结果再调整吗?预测控制,说到底是一种智慧,不是一堆公式。

张先生与那场“非开不可”的会

无论在德国还是回国后,我的恩师张钟俊院士始终给我最大的支持。他是我报考研究生时的导师,虽然没有在他门下拿学位,但他一直把我当为学生。我从德国回来,他让我当他的助手,要我开新课、写教材,还把博士生交给我参与指导。



回国后张钟俊院士指导席裕庚深入学术研究

更重要的是,他带领和教会我们开展学科建设、打造一流控制学科。1987年第一次全国重点学科评估时,张先生把我叫到家里,协助他打分填表。看到其他单位的材料,他有紧迫感,评估一结束就召集骨干开会,亲自制定了交大控制学科的五年发展规划——这可能是全国高校控制学科里,第一份正式的学科建设规划。

举办重大国际学术会议,是推动学科国际化发展的极佳机遇。经中国科协、中国自动化学会建议,上海市拟申办2000年第三届亚洲控制会议。张先生全力支持申办工作,并在1994年初会见亚控会执委会主席时表达了这一意愿。经多方努力,1994年7月申办取得成功。遗憾的是张先生于1995年年底去世,未能亲眼看到这一重要会议的筹备与成功召开。

随着第三届亚控会的申办成功,会议的诸多事项开始具体落实,首先要解决的问题是,会议主办单位除了中国自动化学会、上海市科协、上海市自动化学会外,还有哪个实体单位来具体承办。1996年11月,我接到了会议总主席的电话,问上海交大能不能接过这个任务,我毫不犹豫地答应了。

为什么答应?有两个原因。第一,中国已成功申办1999年在北京举行的世界控制大会,如果再办好2000年亚洲控制会议,能极大提升国内控制学科的国际声望。第二,交大的学科建设需要有新的突破和大的动作。

当时我担任上海市科协副主席、上海交大控制学科首席教授,同时在中国自动化学会、上海市自动化学会任职,身份恰好覆盖会议多家主办单位,能调动充足人脉与各类资源助力办会。

会场选址、论文审稿、参会注册、论文集出版、议程排布等所有环节,团队都反复调研、精细规划。我们立志办成一届比肩汉城亚控会的高水平亚洲控制会议。



席裕庚与参与第三届亚洲控制会议的团队人员合影

终会议圆满成功。五百余人注册参会,境外代表三百多名,日韩学者参会规模可观。全流程运行标准完全接轨国际,诞生多项国内学术会议首创实践,硬件配套保障完善,获得参会专家广泛好评。更关键的是,借此契机我们锻炼出一支成熟的国际会议承办队伍。

给年轻人的话

如果让我给今天学控制的年轻人提点建议,我想说三句话。

第一,保持真实,追求本质。真实是科学研究的基本准则,虽然常常需要对真实内容进行后续加工,包括写论文、申请项目等,但不论如何,始终应该坚持真实这一底线,清醒地认识到在加工后面的真实,不要把加工变成“忽悠”。做人做研究都是这样。

第二,要有“滚动优化”的思维。目标可以高远,但不能闭着眼睛照着计划死走。要善于每一步都根据真实情况重新计算、重新出发。这不只是算法,是做事的方法。

第三,接受新事物,但别被它带着跑。现在人工智能、大模型很热,但控制论的核心是智慧——我把它叫“结构性智能”,它不仅告诉你“怎么做”,而且还让你知道“为什么这么做”,从而可启发你做得更多、做得更好。机器人能替人干活,但它替不了人思考为什么这么干。这一点,是我们的优势。



席裕庚80岁时回顾人生历程

回头看我这辈子,从湖南小城的油灯,到慕尼黑深夜的终端,再到交大的讲台——每一盏灯都不算亮,但每一盏都够我看清眼前的路。

在不确定的人生里,你要有远大的目标,更要敢于每一步都重新计算、重新出发。

那顶博士帽上的小灯泡,现在早就找不到了。但没关系。

灯,一直亮着。

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