應用數學架構創新“底座”

蔡雨耘　楊士達

通過一張CT片識別腎臟的病灶，要花費多久時間？

對醫生來說通常需要十幾分鐘，但是對于醫學影像智能輔助診斷系統來說，一分鐘即可。

這套由重慶國家應用數學中心研發的輔助系統極大緩解了醫生的閱片壓力，在減少診斷成本的同時，用精準高效的醫學影像快速分割技術提升了診斷的精確性。

數學是自然科學的基礎，也是重大技術創新發展的基礎。重慶國家應用數學中心自成立以來，始終面向社會需求，用數學知識解決經濟社會各領域的實際問題，讓應用數學在更多的場景中“應用”起來。

基礎科學回應底層技術關切

夏日炎炎，路面在驕陽的炙烤下變得滾燙。在南岸區米蘭路與永寧路路口，“聰明”的紅綠燈能根據實時車流情況調整間隔秒數，更高效的信號指示讓司機更舒心，消去他們心中的燥熱。

“以前，交通信號燈都是固定的時間間隔，就算前方車流量很小，但遇到紅燈時仍然需要停下，降低了大家的出行效率。”重慶國家應用數學中心常務副主任劉學文介紹，“現在我們根據路口車流量、速度、狀態、隊列等檢測數據設計高效的數學公式，并結合機器學習方法建立高效的數學模型，實時動態調整信號燈的放行方向和放行時間，讓通行率提高了30%。”

從固定間隔到實時調整，看似細小的改變，其實對模型建造和運算能力都提出了極大挑戰。怎樣才能讓模型變得更智慧，實現運算的最優化？這就得在模型的底層構架上實現突破。數學，便是這一切突破的源頭。

“數學是一門通用的世界語言，很多事情拋開現象，本質都是數學問題。”重慶國家應用數學中心主任楊新民認為。作為自然科學的基礎，數學在科技創新體系中的地位舉足輕重。一個數學問題的解決，往往能推動許多行業領域的革新。

2020年2月，重慶國家應用數學中心成立，成為科學技術部批準成立的首批13個國家應用數學中心之一，也是重慶首個在基礎研究領域內的國家級科研平臺，由國際系統與控制科學院院士、國家自然科學獎二等獎獲得者楊新民教授擔任主任。

組織高水平應用數學研究和數學應用研究、培養數學人才、搭建數學家與其他領域科學家與企業家合作交流的重要平臺……目前，重慶國家應用數學中心聚焦信息科學、先進制造、智能交通和生物醫學等領域的發展需求，集聚數學與相關領域科學家、行業專家、企業家等，共同凝練和解決其中關鍵的數學問題，實現科技成果轉移轉化和應用落地。

用數學智慧巧解產業需求難題

怎樣判斷一個電能表是否需要更換？

人工檢查？太耗費人力成本。按照固定的時間統一更換？有的電能表到期還能使用，盲目更換可能造成資源浪費。

“電能表的設定壽命期限一般是8年，以往是8年一到期便統一更換。”劉學文介紹，現在重慶國家應用數學中心正和國網重慶市電力公司電力科學研究院合作，研發智能電能表的狀態評估運維系統。該系統可以根據電表每天采集的數據，對電表進行評價分析。

當系統判定電表在8年期限到期后依然性能良好，便可繼續使用。運維系統讓電表壽命“延長”的同時，也助力實現“雙碳”目標。

類似這樣面向社會需求，開展技術攻關的例子，在重慶國家應用數學中心還有很多。對這里的研究人員來說，數學研究不僅限于純理論的突破創新，更重要的是不斷加強與政府部門、高校院所、企業的合作，讓研究成果更加貼近現實需求，把論文真正寫在祖國大地上。

但合作并非一帆風順。雖說數學是解決模型架構問題的核心“鑰匙”，但在企業與中心的交流過程中，企業往往提出的是一個行業領域內的問題，而非數學問題。要將一個行業問題轉變為數學問題，需要雙方不斷磨合與溝通。

“怎樣保障新能源汽車的電池安全？”在一次某企業與重慶國家應用數學中心的交流中，該企業工作人員提出疑問。新能源汽車的電池有兩極，如果一極被瞬間擊穿，電池兩極的離子就會交叉融合，發生燃燒爆炸。因此，電池的安全問題對于新能源汽車制造來說至關重要。

劉學文介紹，企業提出問題后，中心的研究人員便深入分析這個擊穿的過程是怎樣的、為什么會被擊穿、什么樣的情況下會被擊穿、擊穿的臨界點在哪里等問題。最后將這些問題一步步抽絲剝繭，透過現象發現本質，厘清癥結脈絡，找到解決方案。

“有時候找到一個問題比解決一個問題還困難。”劉學文感慨。

現在重慶國家應用數學中心將研究與行業企業深度融合，開展面向產業應用的數學基礎理論與方法研究，為重慶的智能化數字化建設提供技術支撐。

搭建研究者與企業的橋梁

在多車道、匝道、環島交叉口等復雜的交通路況下，汽車的自動駕駛系統也能像一個經驗豐富的司機一樣靈活適應，并能在安全的條件下實現速度變換，平滑流暢地匯入其他車道……近期，重慶國家應用數學中心、重慶長安汽車股份有限公司、清華大學的研究人員正針對復雜條件下自動駕駛軌跡實時優化問題進行研究。目前，該項目已通過中期驗收，預計在年底結項。

研究中心、企業、高校，這三者的合作是如何產生的？這還得從此前召開的一次會議和重慶國家應用數學中心出臺的一個管理辦法說起。

2021年6月12日，由重慶國家應用數學中心參與承辦的中國工業與應用數學學會第二屆“數學促進企業創新發展論壇”在重慶開幕。會場上，氣氛熱烈，面對來自產業界的一線問題需求，數學專家們十分興奮。

其中，最引人注目的是論壇上發布的智能制造行業的十個數學問題。這些問題從中國工業與應用數學學會會員、與智能制造相關的國家重點實驗室、國家重點研發計劃項目中征集而來，面向全國張榜求解。借此契機，重慶國家應用數學中心接下了重慶長安汽車股份有限公司發布的“復雜條件下自動駕駛軌跡實時優化問題”研究項目。

“我們通過舉辦會議論壇，搭建企業與科學家之間溝通的橋梁和合作平臺。”劉學文介紹，在這屆數學促進企業創新發展論壇上，通過專家的主旨匯報，企業學習了最新的學術成果，專家也更了解行業需求。其實，除了通過會議連接起行業和學界，作為科研創新平臺，重慶國家應用數學中心本身也是一個科研力量的集合點。

重慶國家應用數學中心以重慶師范大學為牽頭單位，聯合北京大學、中國科學院數學與系統科學研究院應用數學研究所等高校院所，與重慶長安汽車股份有限公司、重慶港務物流集團有限公司等企業開展合作共建。18家共建單位內的科研隊伍、中心內30名專職研究人員及眾多兼職科研人員，共同構建起重慶國家應用數學中心的人才競爭力。

2021年，重慶國家應用數學中心出臺了《重慶國家應用數學中心共建共享實施辦法（試行）》，與共建單位簽訂協議，從制度上統籌各單位的優勢力量。

“例如，在攻克長安汽車自動駕駛相關問題上，我們與清華大學通力合作，發揮他們在輔助智能駕駛領域的研究優勢；在交通信號燈優化項目上，我們邀請重慶交通大學的研究人員加入研發團隊。”重慶國家應用數學中心相關負責人介紹。

在共建共享機制下，重慶國家應用數學中心并非“單槍匹馬”地戰斗，而是匯集了與該領域相關的精銳力量，形成一支支靈活且充滿戰斗力的隊伍，攻克技術難題。