為工業(yè)工程發(fā)展注入新活力
——記清華大學工業(yè)工程系系主任李京山

李 莉 于德萍

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。歷史反復證明，一個國家的繁榮，高度依賴于其制造業(yè)的實力。近年來，工業(yè)4.0使世界制造業(yè)進入一個智慧、互聯(lián)、韌性、可持續(xù)的新時代。為順應這一趨勢，中國也在持續(xù)快速發(fā)展制造業(yè)。然而，與世界先進水平相比，中國制造業(yè)仍然存在大而不強的問題，因此，中國制造業(yè)面臨高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級任務緊迫而艱巨。

從30年前選擇出國深造，到2021年放棄在美國多年的終身執(zhí)教教席，李京山回到清華大學工業(yè)工程系任職系主任，他期望用自身的知識助力國家發(fā)展?！斑@不是一個袖手旁觀的時代，在過去的100年里，工業(yè)工程始終勇立潮頭，并逐漸發(fā)展成為涵蓋多領域、融合多學科的全新的專業(yè)方向，在締造制造業(yè)強國，實現(xiàn)粗放式向內(nèi)涵式發(fā)展的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)國家發(fā)展從富到強的轉(zhuǎn)變中起著至關重要的作用。更廣泛、更深刻的挑戰(zhàn)與機遇為工業(yè)工程的發(fā)展注入了新的活力，作為工業(yè)工程人，我愿保持對專業(yè)的熱愛，自強不息、厚德載物，帶著清華人的烙印匯入時代的洪流中?！睉┣醒赞o中飽含著李京山的一腔報國熱忱。而做什么、為什么、怎么做，則更系統(tǒng)地展示了李京山對未來規(guī)劃及執(zhí)行嚴謹務實的態(tài)度與前瞻性的考量。

做什么——產(chǎn)業(yè)升級急需新方法

李京山的研究方向涉及系統(tǒng)建模、分析和控制，成果應用于生產(chǎn)、服務和醫(yī)療等多個領域?！肮I(yè)工程旨在做數(shù)字化、智能化、可持續(xù)發(fā)展的復雜工業(yè)服務系統(tǒng)。我的工作圍繞這些目標展開，建模、分析、控制是方法，智能制造和智慧醫(yī)療是兩個主要的應用方向?！崩罹┥浇榻B。

工業(yè)4.0是基于工業(yè)發(fā)展的不同階段做出的劃分。工業(yè)1.0是蒸汽機時代，工業(yè)2.0是電氣化時代，工業(yè)3.0是信息化時代，工業(yè)4.0則是利用信息化技術促進產(chǎn)業(yè)變革的時代，即智能化時代，是基于數(shù)據(jù)，應用智能化方法實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)各方面的優(yōu)化控制。

制造業(yè)和醫(yī)療行業(yè)對經(jīng)濟和社會發(fā)展都極為重要。除通常被稱為工業(yè)4.0的智能制造系統(tǒng)外，人們對智慧互聯(lián)醫(yī)療系統(tǒng)的興趣也日益濃厚，于是李京山順勢提出了醫(yī)療4.0的概念。要實現(xiàn)工業(yè)4.0、醫(yī)療4.0，基本需經(jīng)歷信息化、數(shù)據(jù)化、智能化階段。但目前來說無論制造企業(yè)還是醫(yī)療單位，幾乎都停留在數(shù)據(jù)化這一階段，從數(shù)據(jù)化向智能化轉(zhuǎn)變?nèi)沃氐肋h。李京山坦言：“談到智能化，很多人認為就是數(shù)據(jù)的可視化，但這遠遠不夠。真正的智能化，應該是運用大數(shù)據(jù)、人工智能這些分析方法，結合優(yōu)化控制的算法，對數(shù)據(jù)進行分析，然后將分析結果應用到實際生產(chǎn)中，改變、優(yōu)化原有的生產(chǎn)、控制流程，多、快、好、省地實現(xiàn)工業(yè)制造目標?！?/p>

李京山在威斯康星大學工作時留影

智能化新時代的到來，需要有與之適應的新方法。找到行業(yè)痛點，通過研究將其上升為理論問題，再將研究結果應用到實際中，推動制造業(yè)、醫(yī)療行業(yè)實現(xiàn)從數(shù)據(jù)化到智能化轉(zhuǎn)變是李京山的目標?！霸O備能很好地運行，靠的是核心算法，而在高端裝備領域我們對國外的依賴性很強，如何解決‘卡脖子’的關鍵問題，是我們正在努力的方向?！崩罹┥秸f，“‘雙碳’目標的提出，又對高效低耗、綠色節(jié)能提出了新要求，有沒有可能通過新的優(yōu)化的方法，在現(xiàn)有設備基礎上開發(fā)出新的裝備，從而進一步地減少能耗？所以我們的工作，不只考慮單一的設備，而是要做整體性、系統(tǒng)性的考慮，以數(shù)字化和雙碳轉(zhuǎn)型為契機，縱向串聯(lián)產(chǎn)業(yè)鏈的綜合性軟硬件結合的協(xié)調(diào)優(yōu)化與開發(fā)?！?/p>

系統(tǒng)性工作的開展，需要多學科知識、多元的思維、敏銳的眼光和開闊的視野，而李京山豐富的求學和工作經(jīng)歷，為他開展此類工作提供了助力。

為什么——響應時代進步的訴求

20世紀80年代，李京山在清華大學度過了他人生中一段寶貴的求學時光。刻苦的學習過程，為他打下了扎實的專業(yè)基礎，“自強不息，厚德載物”的清華校訓則成為植根他心底的精神力量。李京山所學的自動化專業(yè)，被稱為“萬金油”專業(yè)，電子、計算機、數(shù)學、機械等知識都涉獵，學科涉及面廣，“跨行”較容易，這為李京山后來進行學科交叉研究打下了基礎。

清華畢業(yè)后，李京山繼續(xù)深造，中國科學院自動化所的碩士經(jīng)歷，讓他在科研路上迅速成長；密歇根大學安娜堡分校電機工程與計算機科學系的博士歷程，則為他打開了學習國際先進知識和技術之門。初到美國，處在一個陌生的環(huán)境，人會有種種不適應，但因為有堅定的目標，李京山迅速調(diào)整心態(tài)，找到了自己的坐標，如饑似渴地汲取知識的養(yǎng)分。

李京山（左一）在密歇根大學參加畢業(yè)答辯

但象牙塔內(nèi)所學的理論知識，無法滿足李京山對知識的無限渴望和旺盛的好奇心。偏應用的工程科學，科學技術在真正工程前沿的應用和發(fā)展，才是他所追求的星辰大海。于是，博士畢業(yè)后，李京山選擇進入通用汽車公司研發(fā)中心制造系統(tǒng)研究實驗室工作。2000年至2006年的6年時間，李京山取得了眾多科研上的突破，從通過優(yōu)化汽車生產(chǎn)設備的控制力、大大提高通用汽車公司的汽車生產(chǎn)率，到在汽車生產(chǎn)過程中的能耗與污染領域里很好地實現(xiàn)了汽車生產(chǎn)的綠色化……回顧在企業(yè)工作的這段時光，李京山坦言，這是他觸摸行業(yè)脈搏、尋找個人方向的一段重要經(jīng)歷。

從事工程領域研究的傳統(tǒng)路徑是在產(chǎn)業(yè)或?qū)W術單個領域內(nèi)深耕，李京山則一改傳統(tǒng)，分階段在產(chǎn)業(yè)和學術界工作十數(shù)年，以達到在學術研究與產(chǎn)業(yè)應用雙領域內(nèi)交互發(fā)展的目標。多年在美國通用公司進行產(chǎn)業(yè)研究及應用積累的經(jīng)驗，讓他帶著問題于2006年加入肯塔基大學電機與計算機工程系和制造中心繼續(xù)進行基礎攻關，因表現(xiàn)突出，他多次獲得最佳論文獎、早期職業(yè)獎等榮譽。正值科研上升期的李京山，在2010年又加入威斯康星大學麥迪遜分校工業(yè)與系統(tǒng)工程系開展研究，并在2014年獲得終身正教授職位。他的研究興趣也由生產(chǎn)領域拓展至醫(yī)療服務系統(tǒng)的設計、分析和控制。在這十余年中，基于其在理論及應用上的卓越成果，李京山先后于2017年、2020年成為電氣和電子工程師學會會士、工業(yè)與系統(tǒng)工程師學會會士。

在美國幾十年的科研生涯中，李京山主持了近百個來自政府部門、工業(yè)界和醫(yī)療機構的各種項目，并取得了眾多原創(chuàng)性成果。在多個研究單位任職，他也建立了一套自己的科研、人才培養(yǎng)、教學、管理理念。

在異國他鄉(xiāng)，李京山一步步站穩(wěn)腳跟并做到頂尖；面對優(yōu)越的條件待遇和美好的未來遠景，他沒有忘記自己來到這里的初心。隨著積累日深，李京山想要為祖國做些事情的心愿也日益迫切。當時機來臨，他毅然返回了祖國。

怎么做——前瞻性解決復雜難題

在國外時，李京山會時常回國進行交流與合作，走訪過很多國內(nèi)的高校、企業(yè)，更會經(jīng)常回到母校清華大學。從清華附小、清華附中到清華大學，清華見證了李京山一路的成長。從國外歸來，再次回到母校，李京山希望自己能為清華大學及國內(nèi)相關學科的發(fā)展貢獻力量。

李京山說：“我的經(jīng)歷很特別，通過在海外的學習、工作，我知道國外學校里、工業(yè)界的情況；回國后又了解了國內(nèi)的情況，知道了我們跟國外的區(qū)別在哪里，所以更清楚我們工作的側重點在哪里。而且我曾在企業(yè)工作過，這樣就避免了‘閉門造車’，對產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向有前瞻，而不是跟在別人后面做‘修修補補’的工作?！?/p>

習慣了海外的工作節(jié)奏、生活環(huán)境，回國初期李京山也會有很多不適應。雖然回國前也做了一些準備，但仍有一些想不到、預判不準確的地方。面對困難，他的想法是，如果已經(jīng)下定決心去做，就一定要把事情做好。

學校的大力支持堅定了李京山的信心，他馬不停蹄地投入各項工作中。回國后，李京山仍然重視與企業(yè)的良性互動與溝通，目前已經(jīng)與國內(nèi)多家制造企業(yè)建立了密切的合作關系。在醫(yī)療服務方面，他也與多家醫(yī)院開啟了合作。近期李京山團隊與清華長庚醫(yī)院合作，雙方成立了智慧醫(yī)院系統(tǒng)研究中心，一方面通過對長庚醫(yī)院手術中心進行優(yōu)化，提高手術室的利用率，減少病人的等待時間；另一方面在醫(yī)院擴建的背景下，可以對醫(yī)院流程和病人就醫(yī)流程進行軟硬件結合的整體優(yōu)化，以有效服務更多的病人?！巴ㄟ^優(yōu)化醫(yī)療智慧管理這些內(nèi)容，我們希望研究成果能在長庚醫(yī)院落地；更希望成果輻射出去，讓全國更多的醫(yī)院和醫(yī)聯(lián)體應用我們的成果，提高我國醫(yī)院的現(xiàn)代化水平，改善病人的就醫(yī)環(huán)境。”

除為企業(yè)、醫(yī)院解決實實在在的問題，李京山也未停止對前瞻性問題的探索，并獲得了國家科研資金的支持。在國家自然科學基金項目“新能源產(chǎn)品復雜制造系統(tǒng)分析與優(yōu)化的集成理論框架”中，李京山就帶領團隊進行了攻關。

新能源產(chǎn)品制造系統(tǒng)屬于中國兩大發(fā)展戰(zhàn)略——智能制造和“雙碳”戰(zhàn)略的重疊領域，因此，新能源產(chǎn)品的制造至關重要。然而，新能源產(chǎn)品制造系統(tǒng)紛繁復雜，包括多產(chǎn)品混流生產(chǎn)，連續(xù)和離散制造流程的耦合，快速變化的環(huán)境、時間敏感性約束和能源密集型運營等特征?！霸谌蛐履茉串a(chǎn)品制造系統(tǒng)中，由于生產(chǎn)過程不可靠導致的制造能力無法滿足需求是亟須解決的核心問題之一。2016年12月，蘋果公司宣布，2015年9月和10月生產(chǎn)的某些iPhone 6S電池必須更換，因為它們會在剩余電量30%以上的情況下意外關機。據(jù)報道，這是因為某個電池組件在組裝前，在空氣中暴露了過長的時間，導致電池退化加快。2017年7月，特斯拉宣布，由于公司某類電池的生產(chǎn)嚴重不足，導致Model S和Model X汽車的交付量比需求量低40%。除了電池制造，還有一些行業(yè)也受到生產(chǎn)能力不足的影響。例如，在光伏產(chǎn)業(yè)中，太陽能電池板所需的硅材料的生產(chǎn)嚴重低于需求。這些事件均表明，制造業(yè)如何滿足智能手機和平板電腦、便攜式和可穿戴設備、電動和氫能汽車、發(fā)電和能源管理等方面日益增長的需求至關重要。為了實現(xiàn)技術的快速發(fā)展，需要實現(xiàn)新能源產(chǎn)品的高效、高質(zhì)量的綠色生產(chǎn)制造?！崩罹┥浇榻B。

對這類復雜制造系統(tǒng)進行分析與控制極具挑戰(zhàn)，在目前還沒有有效解決方案的背景下，業(yè)界和學術界均在急切地尋求突破。李京山的目標是，提出全新的集成數(shù)據(jù)驅(qū)動學習、多尺度系統(tǒng)建模、優(yōu)化控制等方法，建立新能源產(chǎn)品復雜制造系統(tǒng)的理論框架，實現(xiàn)新能源產(chǎn)品生產(chǎn)的優(yōu)化控制和能耗優(yōu)化，并使研究成果成為更廣泛的制造系統(tǒng)理論，助力產(chǎn)品制造業(yè)在國內(nèi)的發(fā)展，為促進國家的繁榮強盛作出貢獻。

工業(yè)工程大有可為

作為博士生導師，在工業(yè)界和學術界都有過工作經(jīng)歷的李京山，希望學生能有更多的機會去嘗試各種各樣的事情。他說：“通過實習，學生能了解行業(yè)的發(fā)展情況；而且很多學生其實并沒有想好將來要做什么，通過實習他可以知道自己更喜歡什么?！彼?，李京山很支持學生去實習，也會幫助學生尋找實習機會。

李京山坦言，每個老師都有自己培養(yǎng)學生的特點，很難說哪一種風格一定比另一種好。他很注重與學生的溝通與交流，每周都會抽出大量時間與學生逐個面對面討論，學生推導的公式、文章中的每一句話，他都會逐字逐句認真去訂正。他不會直接指定學生干什么，而是通過跟他們的交流，了解他們的研究興趣。他知道沒有興趣很難做出漂亮的工作，對個人而言，堅持長期的努力需要大量的興趣作為支撐；對國家的產(chǎn)業(yè)升級來說，群體的長期堅持才可能突破層層封鎖的技術壁壘，所以他總會盡可能為學生找到他們既有興趣又適合他們做的課題。

“真正解決工程問題是非常重要的，從0到1的研究其實更有意思。導師最大的任務是能夠把學生盡快地帶到領域的前沿，讓學生知道應該以怎樣的態(tài)度去迎接挑戰(zhàn)。”李京山希望學生能夠超越導師，去開創(chuàng)新的方向，成為所在領域的領軍人物。

2022年1月4日，清華大學邱勇校長簽署任命通知，正式聘任李京山為工業(yè)工程系主任，在受聘系主任的同時，李京山獲授“加弗爾·薩文迪（Gavriel Salvendy）講席教授”榮譽。這是2009年9月，清華大學工業(yè)工程系首任系主任加弗爾·薩文迪教授捐贈清華大學教育基金會、為工業(yè)工程系系主任設立的榮譽。

2001年10月11日，清華大學工業(yè)工程系剛成立時，曾特聘美國工程院院士、普渡大學加弗爾·薩文迪教授出任首屆系主任和講席教授。建系以來，工業(yè)工程系本著高起點、高水平、開放式的辦學方針，參照國際一流的標準，建立了既與世界一流大學接軌又與中國經(jīng)濟社會發(fā)展需要相符合的工業(yè)工程學科和教育體系。引進一流的師資，以國際化的視野探索教育改革，追求學術卓越，廣泛開展國際合作，形成了開放式辦學、重視創(chuàng)新能力培養(yǎng)和實踐教育的鮮明特色。

“在教育與研究方面建成世界一流的工業(yè)工程系，致力于提高中國和世界的生產(chǎn)力、提高人民的生活質(zhì)量與生活水平。”這是工業(yè)工程系的立系宗旨。秉持此宗旨，作為工業(yè)工程系的新一屆系主任，李京山將與全系師生和廣大校友一同踔厲奮發(fā)、踵事增華，努力培養(yǎng)國家急需的，擁有系統(tǒng)思維、人文素養(yǎng)、運籌帷幄能力和國際視野的，并臻于至善的工程與管理復合型創(chuàng)新人才。同時，李京山將帶領大家，在與國家戰(zhàn)略的結合中奮楫篤行，聚焦復雜工業(yè)、服務與人機系統(tǒng)的優(yōu)化、智能化和可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)學科前沿基礎理論的創(chuàng)新和工程實踐的突破，解決復雜系統(tǒng)的綜合效能問題，將清華大學工業(yè)工程系建設成名列世界前茅的工業(yè)工程院系。

李京山介紹，工業(yè)工程誕生于19世紀的美國，是美國七大工程學科之一，距今已有100多年的歷史，它融工程和管理于一體，對工業(yè)發(fā)達國家的經(jīng)濟與社會發(fā)展起了巨大的推動作用。國際經(jīng)驗表明，任何一個國家的工業(yè)化和信息化過程都離不開工業(yè)工程的突出貢獻。

近年來，無論是在師資規(guī)模、學生就業(yè)還是企業(yè)需求等方面，我國的工業(yè)工程專業(yè)均迎來了日新月異的發(fā)展局面，并伴隨時代變化，發(fā)展成為一門系統(tǒng)性的綜合數(shù)理、工程和社會學知識，集管理與優(yōu)化于一體的交叉科學。但工業(yè)工程也面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇，需要不斷探索新的方法，解決新的問題。

對工業(yè)工程的未來，李京山始終充滿信心，他說：“‘非精不能明其理，非博不能至于約’。科學發(fā)展與技術進步的最新成果已被融合到工業(yè)工程中并得以弘揚發(fā)展。大數(shù)據(jù)、人工智能、機器人、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、碳中和、精準醫(yī)療、人機協(xié)同等正逐漸成為工業(yè)工程學科發(fā)展中新的研究與應用領域。而更廣泛且深刻的挑戰(zhàn)與機遇，也將為工業(yè)工程的發(fā)展注入新的活力。工業(yè)工程的‘系統(tǒng)之真知識’必將在國家高質(zhì)量發(fā)展與滿足社會重大需求方面大有作為，為我國下一階段的經(jīng)濟與社會轉(zhuǎn)型，提高人民的生活水平，建設和諧富裕的強大國家，作出非凡貢獻。”

專家簡介

李京山，本科畢業(yè)于清華大學自動化系，中國科學院自動化所碩士，美國密歇根大學安娜堡分校電機工程與計算機科學系博士。在美國肯塔基大學電機與計算機工程系和制造中心、通用汽車公司研發(fā)中心制造系統(tǒng)研究實驗室有過豐富工作經(jīng)歷。曾任美國威斯康星大學麥迪遜分校工業(yè)與系統(tǒng)工程系終身正教授（至2021年9月）。現(xiàn)為清華大學工業(yè)工程系系主任、加弗爾·薩文迪（Gavriel Salvendy）講席教授，電氣和電子工程師學會會士、工業(yè)與系統(tǒng)工程師學會會士。李京山的主要研究領域包括系統(tǒng)建模、分析和控制，并應用在生產(chǎn)、服務和醫(yī)療領域，做出了許多重要的原創(chuàng)性工作，發(fā)表了大量經(jīng)同行評議的期刊和會議論文，著有2本教材，編纂了7本叢書。他曾獲得美國國家科學基金會早期職業(yè)獎、IEEE機器人與自動化學會早期職業(yè)獎、多項國際頂級期刊與會議大獎和最佳教材獎，以及威斯康星大學多項榮譽獎項。曾任多個國際頂級年會主席和著名期刊資深編輯，曾參與組織過多個旗艦國際會議，獲得過諸多來自政府部門、工業(yè)界和醫(yī)療機構的研究經(jīng)費支持。