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这支数学“国家队”,攻关也跨界(解码)

来源:人民日报2020-03-23 09:35

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  服务地方发展、打造“超强大脑”,江苏应用数学中心——

  这支数学“国家队”,攻关也跨界(解码)

  人民日报记者 姚雪青

  核心阅读

  作为基础科学,数学正越来越广泛地应用于不同行业和领域,影响和改变着我们的生活。

  日前,相关高校作为依托单位的首批13个国家应用数学中心公布,将聚焦发展需求,搭建合作平台,推进数学与工程应用、产业化的对接融通。各高校和行业人才的合作交流、取长补短,也会激发新的科研方向和应用领域,让研发、转化、落地的链条更加顺畅。

  日前,科技部公布首批13个国家应用数学中心名单,相关高校作为依托单位获准建设。其中,南京大学牵头、联合东南大学建设的江苏应用数学中心榜上有名,将聚焦智能算法领域,进一步搭建校企合作平台,推动科研成果的转化。

  “数学是一门古老的学科,近代数学的发展推动着现代社会的进步,每一次工业革命都是以数学为先导。我国的5G标准,也是因为科学家们将一篇十几年前的数学论文变成了现实。”江苏应用数学中心主任、南京大学数学系主任秦厚荣教授介绍,现代社会发展中,许多问题的核心都是数学。

  数学与不同专业交叉融合,不断改变我们的生活

  日常生活中,我们能通过电视、网络及时了解世界各地的讯息,这是数学方法用于信息的压缩、传递和解码;我们点开手机,购物平台根据不同特点,显示出“千人千面”的推送,背后有着复杂的数学模型;我们经常发现,购买的东西并不是直线抵达所在的城市,这是数学分支中运筹学在生活中的运用……此外,城市建设与社会发展中也存在许多数学问题,比如气象预测、污染防治、交通规划。

  “这些都是数学与不同专业的交叉融合,展现出这门基础科学逐渐从幕后走向台前、不断影响和改变我们生活的过程。”秦厚荣介绍,这体现了数学为其他学科提供理论支撑、为各种行业提供研究方法、为多元领域给予应用手段。

  数学是自然科学皇冠上的明珠,也是重大技术创新的基础。2019年,四部门联合制定《关于加强数学科学研究工作方案》,提出建设应用数学中心的指导意见,搭建数学科学与数学应用领域的交流平台,聚焦、提出、凝练和解决一批国家重大科技任务、重大工程、区域及企业发展重大需求中的数学问题,成为航空航天、国防安全、生物医药等领域的重要支撑。

  在秦厚荣看来,江苏国家应用数学中心的建立宗旨,也在于立足和服务地方经济发展和社会创新。江苏的工业总产值约占全国的1/8。制造业总量虽然规模大,但面临发展不均衡的问题。如何顺应新一轮科技革命和产业变革、加快实现高质量发展?以工业制造业为例,转型升级不仅依赖于新材料新技术的运用,工业大数据的核心更在于基于数学建模算法的创新应用。

  随着数学在高新科技、重大工程、公共安全特别是人工智能等领域扮演越来越重要的角色,人们对其的认知、了解和重视程度也在逐渐改变和加深。“数学学科本身也将在不断解决新问题、新挑战中,在不同行业、不同领域的实际应用和检验中,迎来向更宽广、更纵深发展的契机。”秦厚荣说。

  结合发展需求和特色学科确定研究课题

  首批13个应用数学“国家队”的研究方向各有侧重,但核心目标都是服务于国家重大战略需求、面向解决制约产业发展的瓶颈问题,促进重大技术创新。

  江苏应用数学中心所聚焦侧重的智能算法,是数据科学与新型算法结合的产物,该领域的研究涉及微分方程、几何拓扑、运筹优化、概率统计等应用数学的各分支及方向。

  在分析国家社会需求和盘点特色学科的基础上,中心针对医疗图像和智能诊断、雷达探测和芯片模拟、信息通信和智能控制、飞行器研究和设计、智慧城市等智能算法的关键性应用场景,首批建立了5个研究课题组。成员来自各共建高校,包括欧洲科学院院士、长江学者、国家级教学名师、杰出青年等各类人才。

  前不久,该中心的医学图像处理数学团队和一家三甲医院的“超声诊疗医生团队”,针对病人的就诊B超影像资料,开展了一场乳腺肿瘤的良恶性诊断比赛。医生团队由老中青专家医生组成,根据B超影像结合医学知识和临床经验独立评判;数学团队由两名硕士生组成,利用B超影像设计算法,快速地自动给出评判。

  根据病理检查“金标准”的裁决,双方几乎打成平手。医生团队专家认为,基于数学的图像处理方法,利用特征提取、大数据分析和快速算法,可以提供客观、稳定和精准的分析结果,有助于减轻医生负担、提高效率及准确率、缓解医疗资源不均,为分级诊疗和智慧医疗服务。

  “医学图像的精准分析和处理,是精准医疗和智慧诊疗的关键。”南京大学数学系教授杨孝平说,医学影像的处理还存在着很多挑战,如目标边界模糊和缺失的影像分割问题、深度学习的理论问题等,对于这些问题的解决,数学将起关键作用。

  杨孝平介绍,中心建成以后,将从小团队走向大团队,进行集中攻关和联合攻关,更加紧密地对接和解决现实问题,实现产学研全链条的学科资源整合优化,有望为我国的高端医疗装备提供具有自主知识产权的原创技术和支撑做出贡献。

  听起来十分高大上的有限元高频仿真算法及软件课题,探索高效求解高波数声波和电磁波散射问题,可应用于雷达探测、芯片设计与天线研发等工程领域。比如通过高频电磁仿真,可更精确识别目标飞行器或改进雷达设计。杰出青年基金获得者、南京大学数学系教授武海军说,高频波动问题的数值模拟是数学和工程领域的公认难题。

  有限元高频仿真软件,目前国内还是空白,国际上有一些行业软件,但往往不适用于求解实际高频波动问题,这项“卡脖子”工程,有待通过算法研究实现突破。“在这一领域,南京大学数学系在理论研究方面走在全国甚至世界前列,中心成立后将与共建单位在软件研发、实际应用方面合作发展。”武海军说。

  校企联手推进数学应用的创新、转化和落地

  在这里,各项科研课题具体如何开展呢?南京大学数学系副主任邓卫兵教授介绍,关键在于“跨界融合”。

  这从中心的联合建设单位名单就可见一斑:南京大学、东南大学联合了苏州大学、中国矿业大学、南京航空航天大学等多所高校,合作企业涉及医疗卫生、航空航天、信息产业、工业制造等行业,各自都有着优势领域及王牌方向。

  联合多单位进行数学应用的协同创新,不仅可打破校内学科界限,也将突破校外的研究壁垒,促进政产学研融合,打造“超强大脑”,充分而精准地调配资源,开展广泛交叉的科学研究及应用研究,推进科研成果的落地。

  五大重点课题中的“管道流的理论分析及智能计算”,瞄准航空工程中的发动机设计开展研究,其基础是空气动力学,除了在航空航天领域用于飞行器的制造之外,也广泛应用于能源材料、交通运输、建筑学等方面。

  该课题团队由南京航空航天大学千人计划专家领衔。南航数学学科的发展紧密围绕航空航天特色开展,具有多学科交叉研究的基础;课题组其他成员分别来自南京大学、南京师范大学等高校,具有基础理论、流体力学等细分领域的学科优势,不同成员之间能取长补短。

  “这样的强强联合,不仅能推动航空发动机领域的研究,也会激发出新的科研方向、应用领域,推动学校之间、校企之间、跨区域之间交流制度的形成和完善。”邓卫兵说,中心建立后还将整合优势资源开展更深入的应用研究。

  下一步,这支“国家队”还有两大规划设想。

  在科研应用上,中心将集聚全省数学科研力量,形成人才集聚效应,建立政产学研成果转化的长效机制,打通科技创新的最后一公里。

  目前,依托中心和南京大学数学系,成立了南京市政府备案的新型研发机构——南京南数数据运筹科学研究院,一头沟通政府、企业需求,一头连接高校、专家资源。“既避免了科研资源因找不到市场方向而产生浪费,也让实际需求快速找到对应的技术支持,使科技成果转化更加便捷、高效。”邓卫兵说。

  在人才培养上,也有望改变以往聘请院外、校外兼职教授缺乏机制、资金与渠道的难题,通过数理基础、技术研发、应用落地3个层面的交叉融合,培养一大批跨专业的复合型人才。

[ 责编:孔繁鑫 ]
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