在重慶，很多師生第一次“認識”楊新民，是幾年前學校組織觀看的楊新民院士線上科普公益講座視頻。
楊新民是國際系統與控制科學院院士，也是一位在運籌學領域深耕30多年的數學家。對他來講，數學就是最熟悉、最得力的“武器”。
“面對突發性事件，我們可以使用數學模型，根據已有數據，推演、預測它的發展趨勢。”楊新民想到在抗擊“非典”時，數學界曾建立模型對其演變趨勢進行推演。
楊新民還發動“朋友圈”，邀請數學領域的院士專家做線上科普公益講座，單場講座吸引超過17萬人次觀看。
在一場場高傳播率的科普講座中，很多人第一次切身感受到數學的魅力。
國際系統與控制科學院院士楊新民
數學，被譽為“自然科學上的皇冠”。在高端芯片、智能制造、國家安全等關鍵領域扮演重要角色。近日，中國教育在線重慶分站走進重慶師范大學，采訪了國際系統與控制科學院院士、重慶國家應用數學中心主任、重慶師范大學教授楊新民，聽他講述在過去多年的科研生涯中，如何帶領團隊用好數學，解決產業發展中“卡脖子”問題。
從兩卡車紙質文檔中，尋求出重慶支柱產業
楊新民出生于四川省瀘州市，家中排行老二。回憶起自己走進數學殿堂的初衷，楊新民表示，母親算術能力很強，家中五兄妹長大后都從事了和算術有關的工作。“另外，我的小學數學老師是位美女，她總對我進行鼓勵式教育，這點對我的數學啟蒙教育非常重要。”
1979年，恢復高考的第三年，楊新民考入重慶師范學院（今重慶師范大學），成為數學系的一名學生。大學畢業后因成績優異，留校任教。1985年，他考上重慶大學碩士研究生，選擇運籌學為研究方向。
運籌學是一門將復雜問題抽象為數學模型，再用數學的理論和方法去求最優解的學科，研究的是最優化問題，實用性很強，應用領域很廣。
“我是1979級學生，那時國家各個學科百廢待興，我們有著廣闊的研究空間。陳景潤等老一輩科學家身上的家國情懷，77、78級師兄師姐們因經歷過‘上山下鄉’的實踐經歷，對知識的渴望、嚴謹認真的學習和科研態度，都深深感染了我。”楊新民說，那時整個社會學習氛圍高漲，人們物質生活雖然貧乏，但精神世界卻很富足。
這種環境下，1987年楊新民所在的團隊和當時的重慶市計劃委員會合作，共同完成了“重慶產業政策研究”的課題，用數據來尋求重慶應該發展的支柱產業。
那時，計算機尚未普及，各個單位統計的數據都是紙質文檔。楊新民記得，他們團隊從統計局拉了整整兩卡車紙質文檔，然后和學生一起整理這些數據，再對數據進行分析，建立了多目標優化模型。
通過建模、數據分析以及與各個單位的交流，楊新民團隊得出結論：重慶應該選擇汽車、摩托車和機械等產業為支柱產業。
“這個政策指導了重慶很長一段時間的產業發展，我也備受鼓舞，覺得應該將運籌學運用到更廣闊的領域去。”楊新民說。
此后，楊新民便開始探索如何將數學系從一個教學型團隊轉變成教學科研型團隊。
大膽嘗試：運籌學+大數據與人工智能
2017年暑假，對于楊新民及其團隊來說，是一個令人難忘的夏天。
剛放假沒多久，楊新民就帶領團隊去西安交通大學做了一場學術交流，在這次交流中，大家討論的主要問題就是大數據與人工智能。
回到重慶，楊新民立即召集團隊成員開了一場學術會議，他在會上提出：“我們一直在做運籌學方面的研究，運籌學最核心的研究就是最優化問題，而大數據與人工智能的很多問題都可以歸結為最優化問題。我們要結合國家需求，轉變思維，將運籌學同大數據與人工智能相結合。”
圖注：楊新民與運籌學團隊開展研討
“作為一名數學科學工作者，我時常會關注國家最新的政策、國內外最新的科研動態，對學科的發展、最新的研究方向保持強敏感度。”楊新民說。
經過幾年轉型探索，楊新民帶領團隊進行的大數據與人工智能的研究成果初顯：2018年領銜的成果“向量最優化問題的理論研究”獲國家自然科學獎二等獎，這是重慶市第三項國家自然科學獎，也是西部地方高校獲得的第一項國家自然科學獎。2019年獲批國家自然科學基金重大項目“最優化問題的人工智能方法”，項目經費1968萬元，這是國家自然科學基金委成立以來重慶獲批的首個重大項目。
2020年2月經中華人民共和國科學技術部批準，重慶國家應用數學中心應運而生，是首批13個國家應用數學中心之一。楊新民擔任中心主任，帶領團隊主要聚焦數學與信息科學、數學與先進制造、數學與智能交通、數學與生物醫學四個方向進行重點研究。
比如，中心和國網重慶市電力公司合作了項目：基于非凸稀疏多目標優化的生活用電能表信息化評價校準關鍵技術研究，使電能表檢定校準變得智能；與重慶醫科大學附屬兒童醫院合作開展“針對腎臟病和新生兒疾病的知識圖譜構建”和“機器學習方法在兒童慢病防控中的應用”等項目，利用人工智能技術輔助精準診斷和醫療；與中電智安科技有限公司、重慶攸亮科技有限公司合作，通過數學算法的方式來預測交通流量短期或長期的變化，提前進行預判，讓路徑規劃與信號燈更加智能化，使每個路口通行的車輛數量與速度達到最優的方式......
圖注：“全國高校黃大年式教師團隊”最優化與控制團隊合影
“作為一名科技工作者，我希望帶領團隊運用數學來解決一批制約產業發展的‘卡脖子’問題，推動科技成果轉化和應用落地，為重慶的產業轉型升級作出貢獻。”楊新民說。
數學算法做基礎，解決長安汽車“卡脖子”問題
2021年，由重慶國家應用數學中心牽頭，聯合清華大學和北京智行者科技有限公司共同揭榜，獲批“復雜條件下自動駕駛軌跡實時優化問題”揭榜掛帥項目1項，項目經費600萬元，由重慶市科技局與重慶長安汽車股份有限公司共同撥款資助。
圖注：2022年楊新民作為獨立董事出席重慶長安汽車股份有限公司2021年度業績說明會
楊新民表示，中心最優化與智能汽車團隊在自動駕駛決策控制算法研究上，針對分層式和端到端式架構存在的問題，采用集成式決策控制框架，構建約束最優控制模型，并設計基于強化學習的優化算法，探索出求解大規模非線性優化問題的新范式。
通俗來說，目前市面上無人自動駕駛汽車的軟件研究一般采用兩種模式，一種是馬斯克力推的端到端模型，通過大量的車輛路況測試，將“算力飼料”喂養給專門定制的大模型，實現復雜交通場景下的無人汽車自動駕駛。另一種是感知+決策+控制的分層模式，即感知、決策和控制為相互獨立的模塊，分別進行算法的研發。當通過這種分層模式來完成相應的自動駕駛任務時，感知負責識別環境信息，然后傳遞數據給決策模塊，在決策模塊給出相應的指令之后，控制算法再對車輛執行機構進行具體的操作，進而實現車輛的全自動無人駕駛。
楊新民團隊將決策控制集成于一體，構建了約束最優控制模型，并提出一種基于強化學習的優化算法。這些原創性的科研成果對自動駕駛技術的進一步產業化具有重要意義。
“中心團隊針對復雜交通場景下動態約束表達困難，約束最優控制模型解的可行性難以保證的問題，采用了凸近似原理及障礙罰函數方法，通過模型與數據的深度融合，開發快速智能優化求解技術，顯著提升了自動駕駛的安全性。這是‘采用集成式決策控制框架，構建約束最優控制模型’里優化算法的具體實現方式。”楊新民解釋道。
另外，楊新民團隊還和長安汽車合作了“智能座艙聲場分區控制”項目，針對基于揚聲器陣列的聲場分區問題，提出了多目標優化控制方法，探索出聲場分區自適應控制的新技術。成果可為用戶創造私密獨立的聲音空間，提供個性化的局部聲體驗。
據悉，長安汽車是重慶國家應用數學中心核心共建單位，雙方在自動駕駛、設計開發、駕乘安全等領域開展了深度合作，利用中心在數學、計算機等學科的科研優勢，合力解決長安在自主創新中遇到的卡脖子問題。
產教融合：“項目制”人才培養模式，激發學生自主學習和實踐創新能力
除了幫助企業、政府解決現實難題，楊新民也一直不忘教書育人的初心。多年來堅持為重慶師范大學數學學院本科生上《數學分析》課程，帶領團隊精心培養高質量碩士和博士研究生。
圖注：楊新民為本科生授課《數學分析》
楊新民表示，多年的產教融合實踐經歷，讓他深刻體會到國家在高端芯片與軟件、智能科技、新材料等關鍵領域頂尖人才的緊缺，要想解決眾多產業“卡脖子”問題，根源還是加強學科拔尖人才的培養。
在楊新民的主導下，重慶國家應用數學中心于2021年開始獨立招收碩士研究生，現設有全日制研究生專業計算數學、應用數學和運籌學與控制論等，非全日制研究生專業人工智能。研究方向主要包括最優化數值方法、電力系統建模及優化、智慧金融中的對抗安全、車輛工程中的數學問題、智慧醫療診斷系統數學優化、最優化問題的機器學習方法、自動駕駛中的最優控制問題、深度學習實踐與應用、邊緣計算與應用等。
教學上，楊新民格外注重培養學生的自主學習能力和實踐、創新能力。他回憶，大一時曾自學了實變函數，與“78級”的學生一同參加考試，不僅順利通過，還獲得了免修資格；擔任助理講師時，即便不能上臺講課，他也要提前把課備好，在聽其他老師講課的過程中，分析他們的講課方法和解題思路，并與自己的思路進行對比……
多年求學、科研、校企育人的經歷，讓楊新民明白，現在是終身學習時代，只有讓學生擁有自主學習的能力，有深入實踐探索的機會，未來才有可能在某項領域做出創新的科研成果。
圖注：楊新民與博士生合影
為此，重慶國家應用數學中心在碩士、博士人才培養上，重點采用“項目制”人才培養模式。即導師將企業項目引入課堂，結合實際項目搭建學生科研訓練體系，建立起以科研項目為牽引的緊密型校企導師組和聯合指導機制。通過與企業的深度合作，讓學生有機會參與到前沿AI項目的研發中，在實踐中不斷提升學生將理論知識轉化為解決實際問題的能力，激發學生對未知領域的好奇心與探索欲。
在這種育人模式下，第一批全日制研究生還有一年畢業，第一批人工智能專業非全日制研究生也在今年9月入學。未來，這些學子進入社會，走進企業，能否為祖國的發展做出貢獻，為企業切實解決“卡脖子”問題，楊新民及其團隊期待滿滿。
在楊新民眼中，自己的本職工作是一名老師，一名數學科學家。他們那一代科研工作者受惠于改革開放的時代氛圍，傳承著老一輩科學家的精神和信仰，如今也希望自己能把這份信仰傳承下去，教書育人，為祖國的繁榮昌盛盡綿薄之力。
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