当前位置: 首页 人工智能 吴奖人物丨坚持人工智能算法与实际系统“软硬结合”——访南开大学人工智能学院教授、院长方勇纯

吴奖人物丨坚持人工智能算法与实际系统“软硬结合”——访南开大学人工智能学院教授、院长方勇纯

人工智能人物访谈篇之一

编者按:

《人工智能人物》是吴文俊人工智能科学技术奖原创科技自媒体公众号。旨在交流人工智能科技前沿趋势,对话人工智能领军人物思想,解读中国智能科学技术最高奖成长基因,搭建有态度的人工智能产业生态聚合平台。

《人工智能人物》首次推出访谈栏目,我们采访了第七届吴文俊人工智能自然科学奖一等奖获得者——南开大学人工智能学院院长方勇纯教授,以下为方勇纯教授的独家报道。

获奖人物介绍

方勇纯,男,1973年生,南开大学人工智能学院教授、院长,教育部长江学者特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者。现为中国自动化学会理事、中国图象图形学学会常务理事、天津市图像图形学学会副理事长、中国自动化学会控制理论专业委员会委员等。

曾荣获陈翰馥奖、天津市专利奖金奖、中国自动化学会青年科学家奖、天津市自然科学二等奖、天津青年五四奖章、天津青年科技奖、天津市高等教育教学成果一等奖、宝钢优秀教师奖等奖励。2017年,凭借“一类欠驱动机器人系统的轨迹规划与跟踪控制”项目成果获得第七届吴文俊人工智能自然科学奖一等奖。

近年来,针对一类欠驱动系统,方勇纯教授创新性地提出了基于轨迹规划和系统能量分析等设计方法,很好地实现了以“少”控“多”的控制目标,并较好地提升了这类系统的暂态性能。 方勇纯教授将所设计的轨迹规划与跟踪控制方法成功应用于自行开发的32吨级工业桥式吊车,大幅提高了系统的运送效率与安全性,开创了全自主无人化的吊车操作方式,提高了工作效率,降低了事故率,具有非常突出的应用前景。

人工智能人物:您为何选择自动化领域作为研究方向,与您想实现的理想有关吗?

方勇纯:1992年,我以优异成绩被保送进入浙江大学,当时作为保送生,我可以随意挑选专业,但苦于对大学专业一无所知,我只好在内心暗自告诫自己:倘若选择的专业能将喜欢做的研究成果真正应用到产业中该有多好啊。听完浙江大学招收保送生的老师介绍后,我便不假思索的选择了自动化专业。从那时起,我的理想开始萌芽,希望今后的研究成果可以成为“开展能够真正应用于工业生产的研究”。

从1992年开始,我一直坚持在自动化领域从事相关方向研究。1994年,我从特殊培养的混合班要回到专业中去,还可以再自由选择一次专业,这时我仍然毫不犹豫地留在了自动化专业。我从1996年本科毕业,有幸面试攻读硕士,当时一些自动化专业的推免生选择了去计算机、信电等方向,而我仍然选择了控制专业,到浙江大学工业控制研究所攻读硕士。

自动化不仅是未来科技的基石,更是制造业的“皇冠”。仔细想想,这么多年来,只有实现各类系统的“自动化”,才会有现今科技变革朝着智能化方向阔步前进的基础和动力,这个美好的梦想一直萦绕在我的心中,使我始终坚持自己的正确选择。但具体到现在从事的这项欠驱动系统方面的研究,我是从1999年开始着手进行。我清楚的记得,这是当时指导老师Darren Dawson教授在我博士生阶段引入到这个方向,其起源是美国南卡罗来纳州的海港起重机出现重大技术需求,我便从此踏上了吊车方面的研究工作。

从攻读博士开始,我一直从事机器人与非线性控制方面的研究。机器人是人工智能的杰出“代表”,但我认为,当前的机器人技术距离人类的期望还很遥远,还有很多难题等待我们去探索。我非常喜欢这方面的研究,这也正是我梦想的方向,在这个领域努力耕耘,乐此不疲。在研究中,我们希望能从系统的实际需求出发,找到解决问题的方法之后再应用于实际系统。具体的研究主要集中在桥式吊车等欠驱动系统,在该研究方向我们发表了一些代表性学术论文,研制了32吨级安全高效自动桥式吊车系统,得到了学术同行的认可。2015年,我获得了国家杰出青年科学基金、“中国自动化学会青年科学家奖”等奖励,指导的博士生孙宁也获得了“中国自动化学会优秀博士学位论文奖”。

人工智能人物:您在研究过程中遇到过怎样的困境,又是如何克服的?

方勇纯:对于我而言,我想通过自己的努力提升工程实际系统的性能,特别是将研究成果应用到实际系统中是我最开心的事情。可以预见,工程研究的最终目标是把理论与实际结合在一起,通过方法来解决实际问题,提升系统的性能。当前,我们和发达国家,如美国、德国、日本等相比较,我国的自动化程度仍然处于相对落后的水平,对于我们这一代研究人员而言,通过自己的努力来缩小这个差距是应尽的责任。但说实在话,研究工作其实非常辛苦。记得我在攻读博士期间,曾经为了证明一种控制方法的性能,苦苦思索了一个多月,尝试了各种方法,用掉了厚厚几叠草稿纸仍一无所获,就在最后想要放弃的时候,导师Darren Dawson教授的鼓励使我坚持了下来。Darren Dawson教授在非线性控制领域有着丰硕的成果,他直截了当地告诉我:您若缺乏坚持精神必将一事无成!后来,我又经过数周的努力,总算较好地解决了多个核心技术问题,当时那种“柳暗花明”和“欣喜若狂”的喜悦真是难以言表。

我攻读博士时的指导教师Darren Dawson教授是非线性控制领域的著名学者,他对学生要求特别严格。当时,我还记得写第一篇论文时被他批评得恨不得钻地洞,觉得他严厉得不近人情,但现在特别感谢导师当年对我的严格要求。而我攻读硕士时的两位导师,浙江大学的王树青老师和王宁老师都非常严谨认真,我回国之后一直非常关心我的发展。这些老师是我学术路上的引路人,他们对我的影响非常大。

另外,我很庆幸回国时加入了卢桂章教授领导的南开大学机器人研究所,卢先生是我国机器人领域的权威学者,他厚重的学术功底,以及机器人所其他教授的敬业勤奋,都深深影响着我并使我受益良多。

人工智能人物:能介绍一下您的实验室和研究团队吗?

方勇纯:我的实验室在南开大学人工智能学院,主要包括欠驱动系统,移动机器人,以及微纳操作机器人三个研究方向。主要成员除了我,还有孙宁副教授、张雪波副教授、郭宪博士等人。经过十多年的工作积累与努力创新,实验室在各类起重机及欠驱动机器人研究方面取得了很好的研究成果。发表高水平期刊论文数十篇,包括在Automatica及IEEE汇刊论文20多篇,授权发明专利20多项。

至于我的研究团队,除了我本人之外,还包括几名年轻老师,他们都非常优秀敬业,发展势头很好,能与他们合作共事,我倍感开心;当然,研究生也是团队的核心力量,我们的绝大部分学生都是推免生,这些同学基础扎实,在科研方面既有天分又足够努力,我时常庆幸自己能有机会指导他们,感受他们“青出于蓝而胜于蓝”这个过程,非常有成就感!此外,我这个小的研究团队隶属于南开大学机器人所这个大团队,这是一个非常温馨的大家庭,师生之间关系融洽,大家取长补短,共同努力来进行科研攻关,相处非常愉快!

人工智能人物:您对培育科研团队有何心得,对当前高校培养科研人才有何看法?

方勇纯:我认为在科研团队建设方面自己是非常幸运的。一方面,年轻的同事们都非常努力,另一方面,团队的各位研究生也足够刻苦聪明。由于整个团队氛围十分和谐,大家都团结向上努力进取,我不需要刻意做什么事情来培育科研团队,仅仅是尽我所能在经费、实验用房和设备等方面为他们争取更好的科研条件,并分享自己起步时的一些经验教训,努力做好协调工作,使我个人的奋斗和团队的目标完全一致。这样每个人都能充分发挥自己的才干,并形成最大的合力,整个团队的发展就水到渠成可以达成新的高度了。我对团队目前的发展水平很满意,当然,我们在协同攻关时也遇到过不少困难,例如在开展国家科技支撑计划课题过程中,由于高校在工程研发方面经验不多,在搭建实际工业吊车时经常遇到难题,但团队成员刻苦努力,一些研究生甚至瞒着我在工厂熬夜通宵,最后众志成城,高质量地完成了研究项目。

关于高校科研环境对于杰出人才的培育,这是一个非常大的主题,我认为相对宽松的环境更容易激发人的创新意识,而温馨的集体则有利于提高个人的工作积极性,并进而提升整个团队的工作效率,这些对于培育杰出人才而言都是非常关键的。

人工智能人物:您在获奖后的研究方向是什么?获奖后项目有什么最新进展?

方勇纯:我的研究方向是智能机器人,具体包括欠驱动机器人,微纳操作机器人等。其中,17年获得吴文俊人工智能自然科学一等奖的是欠驱动机器人方面的成果。我们的主要贡献集中在基于能量的控制方法与轨迹规划技术。我们在欠驱动系统控制中最早引入了机器人轨迹规划的思想,深入研究系统的运动特性,通过轨迹规划构造出驱动状态的理想轨迹,这种处理方法对于桥式吊车等欠驱动系统控制而言非常有效。我自99年开始进行欠驱动系统方面的研究,至今已将近20年了,很庆幸我们的研究工作得到了同行的认可。

17年获得吴文俊人工智能奖之后,我们得到了更多的关注,为持续深入欠驱动方面的研究带来了不少便利条件。自获奖以来,我们一直在努力推进成果的实际应用和产业化,目前,联合研制的32吨安全高效自动起重机已稳定工作一段时间,各项技术模块化方面的工作也在稳定进行之中。17年,关于桥式吊车高效消摆方面的专利获得了天津市专利奖金奖;18年,安全高效自动操作桥式吊车系统,在第二十届中国国际工业博览会上获得高校展区优秀展品奖一等奖。此外,由于欠驱动系统方面的工作,我于17年入选了教育部长江学者特聘教授,18年获得了第五届陈翰馥奖。

总之,非常感恩评审专家和各位同行对我们工作的认可,使我们能有幸获得17年的吴文俊人工智能自然科学奖的一等奖,这为我们的进一步发展带来了更好的机会。

人工智能人物:您对人工智能技术应用和产业化有何见解?

方勇纯:如前所述,面向典型行业,解决实际问题,这是目前人工智能领域的一个发展趋势。为了充分发挥人工智能技术的威力,必须对所服务的行业有足够的了解,为此要深入理解生产过程对于深度学习,机器视觉等智能科技的实际需求;同时,人工智能技术离不开数据的支撑,所以在应用中要建立数据思维。

我个人认为,唯有坚持人工智能算法与实际系统“软硬结合”,实现智能方法与产业应用的“两翼齐飞”,才能真正推动人工智能技术的应用和产业化,同时,也可以通过国民经济建设中的实际需求来推动人工智能方法的纵深发展。

人工智能人物:您的研究成果对人工智能技术应用有何实际推动?

方勇纯:人工智能,顾名思义,即模拟人类感知、思维、决策的过程,使系统能具有一定的人类智能,从而高质量地完成各种复杂任务。作为一门交叉性非常强的应用性学科,人工智能的最终落脚点在于实际应用。

面向典型行业,解决实际问题,这是目前人工智能领域的一个发展趋势。而我们的研究成果和这个趋势非常吻合!具体来说,考虑到吊运类欠驱动机器人系统,例如行吊,船吊等,在实际操作中面临的问题,我们基于人工智能方法提出了相应的轨迹规划与跟踪控制方法,最终实现了这类系统的高性能无人化操作,并在工业吊车上进行了真正应用。这方面的成果对于类似人工智能技术的产业化应用具有很好的借鉴作用,也有利于推动相关人工智能技术的发展应用。

 

人工智能人物:获奖项目成果取得哪些新进展?

方勇纯:本项目属于信息科学、先进制造等领域的一项前沿交叉性研究,旨在从理论上解决桥式吊车等欠驱动机器人的控制问题,为其在先进制造业、建筑业、物流业等领域的应用奠定理论基础。方勇纯教授2003年从美国康奈尔大学全职到南开大学任教,组建了欠驱动系统课题组,经过十余年努力,课题组取得了一系列重大的原创性研究成果,主要包括:

(1) 率先将能量分析的思想引入到桥式吊车的控制问题,通过高效控制驱动状态与非驱动状态之间的能量转换,以及系统能量的快速衰减,很好地提升了非驱动状态的暂态性能。先后提出了自适应控制策略、基于末端轨迹的控制策略、考虑饱和约束的输出反馈控制策略等方法,很好地解决了参数未知、速度不可测、控制量受限等情况下桥式吊车的控制难题。

(2) 引入机器人轨迹规划方法,创新性地将欠驱动系统的镇定控制问题分解为驱动状态的运动规划和跟踪控制器设计两个子问题,在很大程度上降低了设计与分析的理论难度。在欠驱动吊车轨迹规划与跟踪控制方面取得了一系列研究成果,首次提出了基于耦合分析的轨迹规划、最短时间轨迹规划等方法,设计了适用于绳长时变、复杂工作环境等情况的多种高性能跟踪控制方法。

(3) 将欠驱动桥式吊车轨迹规划与跟踪控制方面的研究成果进行扩展,成功解决了地面移动机器人、小型无人机等欠驱动机器人系统的自动控制问题,并通过理论分析和实验结果验证了这些方法的优良性能。

(4) 将所设计的轨迹规划与跟踪控制方法成功应用于自行开发的32吨级工业桥式吊车,大幅提高了系统的运送效率与安全性。目前该项目的部分技术已经在天津起重设备有限公司生产的吊车上得到了成功应用,正在积极推进深层次产业化。

本项目研究成果已入选国家自然科学基金优秀成果选编(六)。获国家杰出青年科学基金、天津青年科技奖、中国自动化学会青年科学家奖、天津市中青年科技创新领军人才、中国自动化学会优秀博士学位论文奖、《控制理论与应用》优秀论文奖、WCICA2016最佳应用论文奖(1/810)、首届全国高校自动化专业青年教师实验设备设计“创客大赛”银奖、中国自动化学会青年学术年会最佳论文(应用)奖(1/89)、关肇直奖提名奖、天津市优秀博士论文、宝钢优秀教师奖等奖励。研究团队入选天津市重点领域创新团队、第一完成人多次应邀做大会报告、国际性大会会前专题讲座及各类邀请报告。

获奖后的项目进展主要是:2017年,关于桥式吊车高效消摆方面的专利获得了天津市专利奖金奖;2018年,安全高效自动操作桥式吊车系统,在第二十届中国国际工业博览会上获得高校展区优秀展品奖一等奖。此外,由于欠驱动系统方面的工作,方勇纯教授于2017年入选了教育部长江学者特聘教授,2018年获得了第五届陈翰馥奖。 获奖者寄语

方勇纯:人工智能技术是当前世界各国争夺的焦点,我们正好赶上这个时代何其幸运!让我们大家共同努力,牢记科教兴国的历史使命,不忘初心,继续奋斗,力争在智能科技等方面取得更多,更好的成果!

版权属于:大风号

原文地址:http://78soft.com/article/38112.html

转载时必须以链接形式注明原始出处及本声明。

最热文章

热门标签