華東師大工科：國家利器的磨刀石

吳雪

近日，一則高校大數據專業排行榜在朋友圈刷屏，華東師范大學的“數據科學與大數據技術”專業，以綜合評分99.8的成績，位列第二，打榜獲評A+類。這所高校給人以“師范專業強、文科強”的傳統印象，也就此打破。

事實上，華東師大的數據科學與大數據技術專業是全國高校數據專業中唯一的“國家級一流本科”建設點。作為新工科專業和學科發展方向，旨在培養具備用數據為產業賦能的能力的“系統架構師”和“數據科學家”，研究和開發支持數字化轉型的“硬核”數據技術。

除了這個“全國唯一”的專業，以何積豐院士帶領的軟件可信保障技術團隊，也是華東師大工科專業的“重頭戲”。目前，該技術在國際上達到領先地位。正如何積豐院士所言：“控制軟件是工業重大裝備的中樞，是國家利器。要讓它足夠鋒利，就需要優良的磨刀石。我們就是把鑄劍的磨刀石做好做精，從而提高重大裝備核心控制軟件的質量，確保它們安全可信。”

從技術創新到人才培養 數據技術支撐數字化轉型

數據是人類進入數字經濟時代的重要生產要素。“研究數據就像一百多年前電機和電氣學科研究絕緣、變壓和輸配電一樣。”華東師范大學數據科學與工程學院（以下簡稱“數據學院”）院長錢衛寧在接受《新民周刊》采訪時表示，華東師范大學數據學院成立于2016年，其目的不是培養數據技術“駕駛員”，而是具有綜合能力的“造車人”，并且研發“造車”所要的“硬核”技術。

近年來，隨著各行各業加速數字化轉型，應用場景多樣化。這些應用背后，傳統數據管理系統面臨的使用壓力和服務方法都受到了挑戰。研究團隊重點突破，主要解決怎樣在用戶同時訪問峰值急劇升高、用戶使用方式不確定的情況下，做到數據管理分毫不差。

“以往，數據庫面臨的用戶是柜臺后面的服務人員，用戶是誰，用戶體量，操作流程，都是可預知的，數據是在一個封閉世界里流轉。現在，雙11秒殺、12306搶票這些‘現象級應用里，有很多不確定性，但最后的支付還是要到后臺的數據庫系統里處理。”錢衛寧表示，當用戶量的起伏最高相差兩到三個數量級，原來的數據庫系統就不行了，需要有創新性的解決辦法。

“我們叫做彈性事務處理，用戶量級大的時候，能及時升級;用戶量級小的時候，也可以很節省，多出的服務器可以做別的服務。”錢衛寧說，這一彈性系統，就好比一列火車，如果在上坡時拉力不夠，用多個火車頭推拉，上坡結束后卸去多余的火車頭，這比一直只用一臺功率更大的火車頭要節省、有效得多，更不用說對于有些陡坡，只靠一個車頭，最強大的火車頭也無能為力。“這是一種系統架構上的轉變，需要一系列的‘硬核技術在背后支撐。”

過去6年，數據學院取得了豐碩的科研成果。其中，在核心數據管理系統上的成果在銀行、移動通信、云計算等行業得到廣泛成功應用，為打破國外技術的壟斷、實施“替代工程”、助力行業轉型升級做出了貢獻。科研團隊曾獲國家科技進步二等獎1次，教育部科技進步一等獎1次，上海市科技進步一等獎2次。

當然，利用數據來做在線教育，實現“大規模教育，個性化學習”也是大數據領域面臨的新問題。“例如，怎么把計算機科學教育，更高效、有用地普及到課堂，大數據發揮著重要作用。”錢衛寧說。

數據學院從自己學院的學生培養開始，利用“水杉在線”在線學習平臺實現高質量的個性化教學。從2018年開始，學生在“水杉在線”上學習，后臺收集學習行為數據，系統通過建模分析對學生進行動態畫像，及時反饋學習問題。

由于不同人的學習路徑和節奏不一樣，所以學生可以自己控制學習進度自主學習，老師和助教更關注于解決學習中的問題。在線學習系統就像一個老師，針對學習行為，為學生提供幫助。隨著用這個系統的學生越來越多，系統也越來越“聰明”。在線學習平臺和學生之間，實現了“教學相長”。比如，一個程序代碼錯誤，可能不僅一位學生會遇到，傳統的方式需要助教為他們逐一排錯和解答。現在，系統可以為學生自主解答，老師也可以根據學生出錯情況調整教學方案統一解答。

此外，圍繞數據專業人才培養目標，踏實踐行“應用驅動創新”和“開放辦學”理念，數據學院還發起成立“數據科學與工程專業建設協作組”，聯合15所高校40余名專家編寫、出版了《數據科學與工程專業人才培養方案與核心課程體系》，并組織了系列教材的編寫和出版。

何積豐院士團隊與卡斯柯長期合作，將可信軟件技術部署軌交行業。

軟件可信度保障 破除“黑盒子”

2020年12月，去月球挖土的“嫦娥五姑娘”，帶著太空“土特產”重返地球。事實上，“嫦五”從月面起飛、月球軌道交會對接和地月之間再入返回等60%以上的功能，均涉及軟件操控自行實現。

中國科學院院士、華東師范大學軟件工程學院創院院長何積豐告訴《新民周刊》，從天宮一號與神舟飛船自動對接，到上海地鐵線首次實現無人駕駛，這些奇跡的背后，都有華東師范大學牽頭的《面向重大工業裝備核心控制軟件的安全可信保障技術及應用》成果身影。

據了解，這一項目獲得了2019年度上海市科技進步特等獎。目前，僅航天領域，從神舟七號到風云四號，這一特等獎項目技術就在50余個任務中成功應用。

嵌入式軟件是航天器的重要組成部分，其可信性直接影響航天任務成敗。華東師大軟件工程學院蒲戈光、陳儀香教授團隊，依托航天五〇二所承研的“航天嵌入式軟件可信性保障關鍵技術和應用”項目，獲得了2019年度北京市科學技術進步一等獎。

“除了要控制整個衛星的姿態，控制它的精度，確保萬無一失。用了何院士的形式化方法，測試效率可以從原來的一兩個月，縮短至三到五天。”幾十年來，為了提高航天嵌入式軟件的質量，軟件工作者開展了大量的工作，取得了很好的成效。然而，動態時序、非確定性和復雜控制邏輯等深層次的軟件問題仍時有發生。

在何積豐看來，安全保障閉環的形成，軟件人和軟件工具要配合好一步步地走，就像繡花功夫一樣急不來。比如，智能懸架以前多應用于高端車型，現在中端車型也在逐步配置。“我們正在給上汽、東風、一汽甚至是大運、長城等提供行業解決方案，實現國產化替代。”

一直以來，團隊努力“破黑盒”，以解決軟件可信保障技術的三大難題。主要是軟件復雜性。

“分析難”、軟件正確性“驗證難”、軟件可靠性“保障難”。分析方面，一份用戶需求文件可能好幾百頁，會存在網絡延遲多變等不確定性;驗證方面，必須讓代碼自動生成替代人工編寫代碼;保障方面，接受國際測評標準嚴、投入大、周期長、成本高。

“如果閉門造車，可能水土不服。”2012年何積豐院士團隊與卡斯柯合作至今，其技術不僅成功部署于上海軌道交通17號線，還服務于東非地區的第一條城市輕軌——埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴輕軌，成為中國第一套“走出去”的自主列車運行控制系統解決方案。

歷經十余年深入研究、實操實戰，已有近千名高端軟件人才從這個大項目平臺走向全國近百家企業。項目團隊表示，未來將繼續為國產大飛機、深空探測等重大國家級技術攻關提供共性技術，在國際上也形成高端裝備核心軟件的“中國造”品牌。