秦威：解構復雜系統運行的秘密

干思思

世間萬物運轉不息，但又循環往復，富有規律。老子在《道德經》中說：“人法地、地法天、天法道、道法自然?！痹谇赝壑幸彩侨绱?，大到宇宙洪荒，小到物流、交通甚至粒子的運動，一切皆有跡可循。因此，無論是物理、自動化，還是工業工程，對他而言只是研究對象不同，其背后本質都是研究系統運行的規律。

21世紀，以大數據、人工智能等為代表的新興技術快速發展，正在引領新一輪科技革命與產業變革。在此影響下，無人工廠、共享經濟、現代物流等一系列經濟新業態不斷興起，深刻影響著人們的生產與生活。但與大眾看來天翻地覆的變化不同，在致力于新技術的科學家眼中，這仍是一脈相承的世界。

“無論科技發展程度如何，我們最終都是希望了解這個世界到底是怎么運行的，不光是自然界的運行邏輯，還有我們人類發展歷程中產生的工業與社會系統，包括生產、交通、物流等。這些系統現在變得越來越龐大，越來越復雜，越來越難以控制?！鄙虾＝煌ù髮W工業工程與管理系副主任秦威如是說，他們的目標就是解構人類生產與生活中息息相關的復雜系統運行的秘密。唯有如此，方能更好地管控這些系統，為人類提供更好的服務。

從物理到自動化

“物理學的視角對我的影響非常大，其實現在從事復雜系統研究的很多科研人員都是統計物理學出身?！鼻赝榻B。不過，與大部分同行學者的研究經歷不同，秦威與物理學結緣始于中學時期。

成立于1904年的黃岡中學，是全國聞名遐邇的高中，創造了無數高考神話還有競賽傳奇，秦威高中時便在這所中學就讀。因成績優異，秦威直接入選了黃岡中學競賽班。這個班級基本上就為奧林匹克競賽而設，用1年時間學完整個高中三年知識后就要開始全心準備奧林匹克競賽，秦威被優先選拔到物理組。高二開始，他所有的學習內容都是圍繞物理展開，最終在奧林匹克賽場上他取得了全國物理競賽一等獎的成績。

不過，盡管在物理上已表現出卓越的天賦，但實際上很少有人從開始就知道自己想從事的職業方向，尤其是在信息十分匱乏的年代。2000年夏，在面臨大學專業的選擇時，秦威同樣十分茫然，在長輩的指導下，他在清華大學的“一般”專業和上海交通大學“最好”的專業船舶與海洋工程之間，選擇了后者。

“不過，雖然回想起來大學專業的選擇有些‘隨意’，但我現在確實覺得本科讀什么專業真的不重要，因為這個階段主要培養的是自學能力?！痹谇赝磥?，高中時期主要是按照老師的要求進行學習、訓練，而到了大學后一切課程都只能靠自己?！安粩嘧晕覍W習的過程，其實就是一個自我了解的過程，我后來方向的不斷調整就是基于此?！?/p>

盡管選擇了船舶與海洋工程專業，但秦威一直對物理抱有極大的興趣。在這樣的興趣驅動下，有的時候改變命運也許只需要一則廣告。

大二的一天，在路過學校一食堂對面的海報亭時，秦威忽然注意到一則源于貝爾實驗室的招聘廣告，招聘的第一條要求就是自動化專業。

秦威

“你知道貝爾實驗室誕生了多少諾貝爾獎嗎？”再次憶起改變命運的這一天，秦威的語氣中滿是輕快。

誕生于1925年的美國貝爾實驗室，毫不夸張地說至今為止都是這個世界上最偉大的實驗室之一。它是晶體管、激光器、太陽能電池、發光二極管、數字交換機、通信衛星、電子數字計算機、C語言、UNIX操作系統、蜂窩移動通信設備、長途電視傳送、仿真語言、有聲電影、立體聲錄音以及通信網等許多重大發明的誕生地，并且一共有8位成員獲得了諾貝爾獎，其中7人獲得的是物理學獎。

就是這樣偉大的貝爾實驗室，招聘要求第一條竟然就是自動化專業，這讓秦威產生了極大的興趣。盡管根本不清楚自動化專業是什么，也不知道那則招聘廣告后面的要求，但自動化3個字已經深深印在了秦威的心中。

“對于一個學物理的人來說，貝爾實驗室絕對是最神圣的地方之一?！焙髞?，秦威開始在圖書館到處尋找自動化方面的書籍，越了解越發現他對此非常感興趣?！八v的其實就是如何控制一個系統，我也非常感興趣，特別想了解、學習到底如何去控制，在此驅動下后來就選擇了自動化作為第二專業?！?/p>

2004年，秦威順利從上海交通大學畢業，并且獲得了船舶與海洋工程學院和自動化系雙學士學位。但不同的是，再次站在人生分岔路口時，他遠比4年前更加了解自己?！耙郧斑x專業可能什么都不了解，但現在我知道我對自動化特別感興趣，而且要學的話我就要選擇最好的地方挑戰自己，所以就放棄了本校保研機會，決定去考清華大學自動化專業?！?/p>

那年9月，秦威順利考入了國內自動化專業的殿堂——清華大學自動化系。碩士期間，在導師的指導下，秦威對于系統控制有了更深刻的了解。出于學以致用的想法，研究生畢業后，他進了一家企業工作，但很快就發現這與他的想法背道而馳?！捌髽I與科研院所最大的區別可能就在于導向性，在企業里面工作沒有辦法帶來科研上自由探索的成就感，我還是喜歡做科研?！笨吹竭@一點后，秦威立刻選擇了辭職，并順利申請了香港大學工業及制造系統工程系進行博士深造。

物理學視角無疑給了秦威更宏觀的思維方式。在香港讀博期間，他先后獲得了香港大學University Postgraduate Fellowships（UPF獎學金）（全校僅30個名額）與香港“U-21 RFID技術應用創新獎”。2011年加入上海交通大學工業工程與管理系后，秦威主要從事復雜系統建模、控制與優化，以及機器智能理論、方法與應用等領域的研究。他還發起成立中國機械工程學會工業大數據與智能系統分會，以及中國機電一體化協會工業大數據分會，分別擔任副總干事和秘書長；先后主持多項國家自然科學基金委、科技部、工信部和上海市科研項目，以及寶鋼、玉柴、海爾、聯影、同仁堂、微軟等企業委托課題，取得了系列科研成果；發表SCI論文30余篇，出版中英文專著多部，并取得多項專利和軟件著作權。

秦威（二排右三）榮獲上海交通大學“政導師”稱號

“從物理到自動化再到工業工程，看起來差別很大，其實都是一個邏輯，我就是希望了解這個世界以及我們生存的社會背后運行的秘密?！鼻赝榻B。

復雜網絡與工業大數據

“物理學中，有一個常見概念叫相變，簡單來講就是量變到質變的過程。我們的工業與社會系統也是一樣，在誕生之初往往只是一個簡單的人工系統，但隨著人類科學技術不斷發展，一旦這些系統規模足夠大、關系足夠復雜以后就會產生相變，會涌現出一些特別的性質，這在人類設計之初是沒有想到的?！鼻赝榻B，“我們看到的生產制造、港口物流、道路交通，設計的時候都非常復雜，但依據的原理往往是簡單的、局部的。而當整個系統組合、運行起來后表現出來的很多性質都超出了想象?！?/p>

當量大到一定程度后就會引起質變。正是因此，在處理生產、港口、交通等大型復雜問題時，不僅需要從問題本身出發，還需要跳出局部看系統，如秦威所言即為“將之看成一張多層的、多連接、動態演化的復雜網絡”。近幾年來，他先后負責的國家重點研發計劃課題“業務驅動的超大型集裝箱碼頭智能化作業規劃與決策技術”、國防基礎科研計劃項目“基于大數據的航空復雜結構件加工車間決策優化技術”及國家自然科學基金項目“基于復雜網絡理論的晶圓制造自動化物料運輸系統動態調度方法”等，無不基于這一視角進行。其中，“業務驅動的超大型集裝箱碼頭智能化作業規劃與決策技術”項目主要針對的就是上海港和青島港。港口作為水陸交通樞紐，是國家經濟社會發展及參與全球競爭與合作的最重要基礎設施之一。伴隨人工智能、大數據、自動化等技術的發展，自動化集裝箱碼頭在提高裝卸效率、提升生產安全、節能減排、改善作業條件、節約勞動力成本等方面具有明顯優勢，已成為未來港口的發展方向。

然而，作為自動化集裝箱碼頭“大腦”的智能操作系統，長期以來都被以美國NAVIS系統為代表的國外產品所壟斷，研發擁有自主知識產權的大型自動化集裝箱碼頭對國家在物流、交通等領域的發展至關重要。

“這個項目的核心在于數據、模型和算法，我們需要研發一套具有我國完全自主知識產權的基于大數據驅動的智慧碼頭管控系統?！鼻赝榻B，他希望通過數據分析，挖掘超大規模集裝箱港口運行背后的規律，進而優化、控制系統，提升作業效率。

圍繞超大型集裝箱碼頭作業協同優化與智能決策方法這一重要科學問題，在該項目中，秦威帶領團隊聚焦作業協同智能規劃、大數據分析與應用服務、智能管控系統等三方面關鍵技術，采用“理論模型研究—關鍵技術突破—支撐系統開發—系統集成應用”的技術路線，開展業務驅動的超大型集裝箱碼頭智能化作業規劃與決策技術、云—端融合的超大型集裝箱碼頭作業大數據應用技術、基于多維度全流程仿真的超大型集裝箱碼頭數字孿生系統、基于新一代通信技術的遠程可視化實時在線運維管理系統、基于全域融合架構的超大型自動化集裝箱碼頭智能操作系統5項研究工作，為后續建設安全可靠、智能高效的自動化碼頭提供核心技術支撐。

“圍繞系統進行建模、控制實際上并不是一個新的問題，但隨著大數據、物聯網等技術的興起，數據越來越多，特別是港口這樣的復雜系統每時每刻都在產生大量的數據，我們能否利用一些大數據、人工智能等新技術方法與手段從整體數據的角度提供優化控制決策？同時，我們能否在這其中形成一套相應的理論方法體系？”秦威表示，這其實是屬于兩大方面的問題，而工科每個領域又都涉及了非常多細節要點，“要吃透需要花很多時間”。

教師節課題組合影

正是因此，在這一項目中秦威幾乎將整個團隊、接近20個成員都投入其中?！盀槭裁催@么重視這個項目？就是因為它很有代表性，跟我們現在的重點研究方向非常相關，也就是怎樣將復雜網絡理論與大數據以及工業工程領域的核心優化問題結合起來進行研究?！?/p>

秦威介紹，在解決大規模問題時，傳統的模型與算法已經出現了很多局限性，而網絡理論是相對比較可能的一種方式，因為網絡里面的節點非常多，連邊也可以非常復雜，與港口、交通等物流系統很類似，那么就可以用網絡來刻畫物流系統。

“如果站在上帝視角去俯瞰港口就會覺得非常有意思，它就像一個三維空間，空間中密密麻麻的點時刻不停地在運動。要是聚焦其中一個點，比如一個集裝箱，你就能清晰地看到它所有的行動軌跡，從船上的某個位置移動到岸上，再經過一條長長的路徑移到某個堆場。這就像一個大型動態演化的網絡，我們可以繼續聯想網絡拓撲結構的一些特征是否跟我們關注的港口系統的性能指標有關?！鼻赝榻B，傳統方式是將港口分成3個階段去分析，但實際上每個階段都是有關聯的，如果能夠接受各個環節之間的影響，再集成起來去考慮過程的優化控制和調度，肯定可以極大提升效率?！斑@個項目最大的一個關鍵點就是希望突破整個碼頭全域集成調度的難點?！?/p>

如今，項目進行至中期，秦威團隊已解決了港口目前面臨的最大人工調度難題，基于復雜網絡開發出一個求解引擎，能夠引導碼頭無人車的運行軌跡，提高效率，為未來實現真正的無人智慧碼頭奠定了基礎。

作為我國首個擁有完全自主知識產權的超大型自動化集裝箱碼頭智能操作系統（ITOS），該項目成果將在洋山港、青島港得到全面示范應用，進一步提升超大型自動化集裝箱碼頭運營效率，實現整體橋吊平均臺時效率達30個自然箱以上，助力單體碼頭年吞吐能力超600萬標準箱，晝夜吞吐量達2萬標準箱，并減少作業人員70%以上；有助于突破現有技術在交互響應速度、應變能力、智能化程度和運營規模等方面的局限，打破國外碼頭智能操作系統市場壟斷，有力支撐我國港口行業創新發展與轉型升級的需求。未來，項目成果還將在傳統碼頭自動化改造以及以色列海法新港等在建項目中全面應用，以“中國智造”成果助力“一帶一路”發展。

萬物運轉的規律

世間萬物運轉不息，但又循環往復，富有規律。老子在《道德經》中說：“人法地，地法天，天法道，道法自然?！痹谇赝壑幸彩侨绱?，大到宇宙洪荒，小到物流、交通甚至粒子的運動，一切皆有跡可循。因此，無論是物理、自動化，還是工業工程，對他而言只是研究對象不同，其背后本質都是研究系統運行的規律。

比如被廣泛應用于重型卡車、大型客車、工程機械、船舶艦艇、發電設備等各個領域的柴油發動機，近年來需求不斷增長。然而，與康明斯等國外領先企業相比，我國柴油發動機生產企業在裝配質量一致性等指標上還相距甚遠，已成為制約其進一步提升國際競爭力的瓶頸。因此，研究柴油發動機裝配系統運行的內在規律，形成對工藝過程的深刻理解，建立面向裝配質量一致性提升的優化與控制方法迫在眉睫。

在國家自然科學基金面上項目“大數據驅動的柴油發動機裝配質量一致性優化與控制方法研究”中，秦威就以柴油發動機裝配過程為研究對象，針對柴油發動機裝配工序復雜、誤差源繁多且存在傳遞累積效應，海量工藝變量之間存在復雜的關聯關系，難以通過機理建模方法實現柴油發動機裝配過程的分析、優化與控制等難題，提出大數據驅動的“因果—預測—調控”思路，開展柴油發動機裝配質量一致性優化與控制方法研究，以全面突破我國柴油發動機裝配質量一致性提升的瓶頸，為我國柴油發動機制造業的智能化轉型升級提供理論支撐和應用探索。

在上海市“科技創新行動計劃”項目“飛機移動對接位姿追蹤與精確測量技術研究”中，秦威還瞄準了國產大飛機。他與商飛集團合作，以機翼與機身整體對接過程為研究對象，通過機器視覺等多種方式的結合，設計出最佳的對接軌跡姿態，使之更好地適應于未來柔性生產發展，同時支撐各種型號飛機的量產，助力國產大飛機騰飛夢。

還有“基于大數據的航空復雜結構件加工車間決策優化技術”項目、“食品無菌紙盒包裝機器人自動化生產線”項目、“中醫藥產品智能制造新模式應用項目”……這些年來，秦威先后承擔了國家重點重要項目近20項，研究對象上至航空航天，下至老百姓的衣食住行，應有盡有、包羅萬象。

“萬物自有其規律可循，我們要做的就是不斷追尋系統背后運行的秘密?！鼻赝缡钦f道。不僅如此，在科研之外，他也同樣遵循“道法自然”的管理原則。

盡管如今已是上海交通大學工業工程與管理系分管科研的副主任以及復雜系統智能優化與決策研究中心主任，但秦威從沒將自己定位在團隊“管理”角色上。從系統論角度出發，他只將自己看成團隊這張大網中的一個“點”?！皩嶋H上，一個團隊中只要每個人在他的崗位上做好自己的貢獻，這個團隊必然會發展得越來越好?！?/p>

對于秦威而言，更高的職位僅僅意味著更多的責任。從實驗室的規劃建設到學術交流的活動組織再到團隊成員的項目申報，他都事必躬親。2020年，他協助團隊成員成功申報11項國家自然科學基金，其中9項獲得資助，資助率在國內遙遙領先。

同時，在學生的培養方面秦威也同樣信奉“道法自然”?！拔锢砝锩鏌醾鲗в?種方式，傳導、對流與熱輻射。其中的熱輻射是最持續，也是最潤物無聲的。我覺得這與教育言傳身教理念不謀而合，從課題組走出去的學生往往帶有導師的烙印，在人才培養方面老師的表率非常重要?！痹诖死砟钕?，秦威很少對學生提出過多要求，但一言一行無不讓大家深受感染。

這幾年來，秦威所教導的課程深受學生們喜愛，其負責的“運籌學”和“大數據分析與機器智能”均入選上海交通大學線上課程建設目錄，并牽頭承擔工業工程教指委首批優質課程建設工作。先后獲得上海交通大學“優秀班主任”、機械與動力工程學院非全日制專業學位研究生教育“優秀論文指導教師”等稱號，還獲得了上海交通大學機械與動力工程學院青年教師教學競賽一等獎。

世界在飛速發展，但萬物運轉皆有規律。對于未來，秦威充滿了期待，希望能帶領團隊不斷攀登，解開更多復雜系統運轉的奧秘。