核心閱讀

作為基礎(chǔ)科學(xué)，數(shù)學(xué)正越來越廣泛地應(yīng)用于不同行業(yè)和領(lǐng)域，影響和改變著我們的生活。

日前，相關(guān)高校作為依托單位的首批13個國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心公布，將聚焦發(fā)展需求，搭建合作平臺，推進數(shù)學(xué)與工程應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化的對接融通。各高校和行業(yè)人才的合作交流、取長補短，也會激發(fā)新的科研方向和應(yīng)用領(lǐng)域，讓研發(fā)、轉(zhuǎn)化、落地的鏈條更加順暢。

日前，科技部公布首批13個國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心名單，相關(guān)高校作為依托單位獲準(zhǔn)建設(shè)。其中，南京大學(xué)牽頭、聯(lián)合東南大學(xué)建設(shè)的江蘇應(yīng)用數(shù)學(xué)中心榜上有名，將聚焦智能算法領(lǐng)域，進一步搭建校企合作平臺，推動科研成果的轉(zhuǎn)化。

“數(shù)學(xué)是一門古老的學(xué)科，近代數(shù)學(xué)的發(fā)展推動著現(xiàn)代社會的進步，每一次工業(yè)革命都是以數(shù)學(xué)為先導(dǎo)。我國的5G標(biāo)準(zhǔn)，也是因為科學(xué)家們將一篇十幾年前的數(shù)學(xué)論文變成了現(xiàn)實。”江蘇應(yīng)用數(shù)學(xué)中心主任、南京大學(xué)數(shù)學(xué)系主任秦厚榮教授介紹，現(xiàn)代社會發(fā)展中，許多問題的核心都是數(shù)學(xué)。

數(shù)學(xué)與不同專業(yè)交叉融合，不斷改變我們的生活

日常生活中，我們能通過電視、網(wǎng)絡(luò)及時了解世界各地的訊息，這是數(shù)學(xué)方法用于信息的壓縮、傳遞和解碼;我們點開手機，購物平臺根據(jù)不同特點，顯示出“千人千面”的推送，背后有著復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型;我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，購買的東西并不是直線抵達所在的城市，這是數(shù)學(xué)分支中運籌學(xué)在生活中的運用……此外，城市建設(shè)與社會發(fā)展中也存在許多數(shù)學(xué)問題，比如氣象預(yù)測、污染防治、交通規(guī)劃。

“這些都是數(shù)學(xué)與不同專業(yè)的交叉融合，展現(xiàn)出這門基礎(chǔ)科學(xué)逐漸從幕后走向臺前、不斷影響和改變我們生活的過程。”秦厚榮介紹，這體現(xiàn)了數(shù)學(xué)為其他學(xué)科提供理論支撐、為各種行業(yè)提供研究方法、為多元領(lǐng)域給予應(yīng)用手段。

數(shù)學(xué)是自然科學(xué)皇冠上的明珠，也是重大技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。2019年，四部門聯(lián)合制定《關(guān)于加強數(shù)學(xué)科學(xué)研究工作方案》，提出建設(shè)應(yīng)用數(shù)學(xué)中心的指導(dǎo)意見，搭建數(shù)學(xué)科學(xué)與數(shù)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的交流平臺，聚焦、提出、凝練和解決一批國家重大科技任務(wù)、重大工程、區(qū)域及企業(yè)發(fā)展重大需求中的數(shù)學(xué)問題，成為航空航天、國防安全、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的重要支撐。

在秦厚榮看來，江蘇國家應(yīng)用數(shù)學(xué)中心的建立宗旨，也在于立足和服務(wù)地方經(jīng)濟發(fā)展和社會創(chuàng)新。江蘇的工業(yè)總產(chǎn)值約占全國的1/8。制造業(yè)總量雖然規(guī)模大，但面臨發(fā)展不均衡的問題。如何順應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革、加快實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展?以工業(yè)制造業(yè)為例，轉(zhuǎn)型升級不僅依賴于新材料新技術(shù)的運用，工業(yè)大數(shù)據(jù)的核心更在于基于數(shù)學(xué)建模算法的創(chuàng)新應(yīng)用。

隨著數(shù)學(xué)在高新科技、重大工程、公共安全特別是人工智能等領(lǐng)域扮演越來越重要的角色，人們對其的認(rèn)知、了解和重視程度也在逐漸改變和加深。“數(shù)學(xué)學(xué)科本身也將在不斷解決新問題、新挑戰(zhàn)中，在不同行業(yè)、不同領(lǐng)域的實際應(yīng)用和檢驗中，迎來向更寬廣、更縱深發(fā)展的契機。”秦厚榮說。

結(jié)合發(fā)展需求和特色學(xué)科確定研究課題

首批13個應(yīng)用數(shù)學(xué)“國家隊”的研究方向各有側(cè)重，但核心目標(biāo)都是服務(wù)于國家重大戰(zhàn)略需求、面向解決制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，促進重大技術(shù)創(chuàng)新。

江蘇應(yīng)用數(shù)學(xué)中心所聚焦側(cè)重的智能算法，是數(shù)據(jù)科學(xué)與新型算法結(jié)合的產(chǎn)物，該領(lǐng)域的研究涉及微分方程、幾何拓?fù)洹⑦\籌優(yōu)化、概率統(tǒng)計等應(yīng)用數(shù)學(xué)的各分支及方向。

在分析國家社會需求和盤點特色學(xué)科的基礎(chǔ)上，中心針對醫(yī)療圖像和智能診斷、雷達探測和芯片模擬、信息通信和智能控制、飛行器研究和設(shè)計、智慧城市等智能算法的關(guān)鍵性應(yīng)用場景，首批建立了5個研究課題組。成員來自各共建高校，包括歐洲科學(xué)院院士、長江學(xué)者、國家級教學(xué)名師、杰出青年等各類人才。

前不久，該中心的醫(yī)學(xué)圖像處理數(shù)學(xué)團隊和一家三甲醫(yī)院的“超聲診療醫(yī)生團隊”，針對病人的就診B超影像資料，開展了一場乳腺腫瘤的良惡性診斷比賽。醫(yī)生團隊由老中青專家醫(yī)生組成，根據(jù)B超影像結(jié)合醫(yī)學(xué)知識和臨床經(jīng)驗獨立評判;數(shù)學(xué)團隊由兩名碩士生組成，利用B超影像設(shè)計算法，快速地自動給出評判。

根據(jù)病理檢查“金標(biāo)準(zhǔn)”的裁決，雙方幾乎打成平手。醫(yī)生團隊專家認(rèn)為，基于數(shù)學(xué)的圖像處理方法，利用特征提取、大數(shù)據(jù)分析和快速算法，可以提供客觀、穩(wěn)定和精準(zhǔn)的分析結(jié)果，有助于減輕醫(yī)生負(fù)擔(dān)、提高效率及準(zhǔn)確率、緩解醫(yī)療資源不均，為分級診療和智慧醫(yī)療服務(wù)。

“醫(yī)學(xué)圖像的精準(zhǔn)分析和處理，是精準(zhǔn)醫(yī)療和智慧診療的關(guān)鍵。”南京大學(xué)數(shù)學(xué)系教授楊孝平說，醫(yī)學(xué)影像的處理還存在著很多挑戰(zhàn)，如目標(biāo)邊界模糊和缺失的影像分割問題、深度學(xué)習(xí)的理論問題等，對于這些問題的解決，數(shù)學(xué)將起關(guān)鍵作用。

楊孝平介紹，中心建成以后，將從小團隊走向大團隊，進行集中攻關(guān)和聯(lián)合攻關(guān)，更加緊密地對接和解決現(xiàn)實問題，實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研全鏈條的學(xué)科資源整合優(yōu)化，有望為我國的高端醫(yī)療裝備提供具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)技術(shù)和支撐做出貢獻。

聽起來十分高大上的有限元高頻仿真算法及軟件課題，探索高效求解高波數(shù)聲波和電磁波散射問題，可應(yīng)用于雷達探測、芯片設(shè)計與天線研發(fā)等工程領(lǐng)域。比如通過高頻電磁仿真，可更精確識別目標(biāo)飛行器或改進雷達設(shè)計。杰出青年基金獲得者、南京大學(xué)數(shù)學(xué)系教授武海軍說，高頻波動問題的數(shù)值模擬是數(shù)學(xué)和工程領(lǐng)域的公認(rèn)難題。

有限元高頻仿真軟件，目前國內(nèi)還是空白，國際上有一些行業(yè)軟件，但往往不適用于求解實際高頻波動問題，這項“卡脖子”工程，有待通過算法研究實現(xiàn)突破。“在這一領(lǐng)域，南京大學(xué)數(shù)學(xué)系在理論研究方面走在全國甚至世界前列，中心成立后將與共建單位在軟件研發(fā)、實際應(yīng)用方面合作發(fā)展。”武海軍說。

校企聯(lián)手推進數(shù)學(xué)應(yīng)用的創(chuàng)新、轉(zhuǎn)化和落地

在這里，各項科研課題具體如何開展呢?南京大學(xué)數(shù)學(xué)系副主任鄧衛(wèi)兵教授介紹，關(guān)鍵在于“跨界融合”。

這從中心的聯(lián)合建設(shè)單位名單就可見一斑：南京大學(xué)、東南大學(xué)聯(lián)合了蘇州大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等多所高校，合作企業(yè)涉及醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天、信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)制造等行業(yè)，各自都有著優(yōu)勢領(lǐng)域及王牌方向。

聯(lián)合多單位進行數(shù)學(xué)應(yīng)用的協(xié)同創(chuàng)新，不僅可打破校內(nèi)學(xué)科界限，也將突破校外的研究壁壘，促進政產(chǎn)學(xué)研融合，打造“超強大腦”，充分而精準(zhǔn)地調(diào)配資源，開展廣泛交叉的科學(xué)研究及應(yīng)用研究，推進科研成果的落地。

五大重點課題中的“管道流的理論分析及智能計算”，瞄準(zhǔn)航空工程中的發(fā)動機設(shè)計開展研究，其基礎(chǔ)是空氣動力學(xué)，除了在航空航天領(lǐng)域用于飛行器的制造之外，也廣泛應(yīng)用于能源材料、交通運輸、建筑學(xué)等方面。

該課題團隊由南京航空航天大學(xué)千人計劃專家領(lǐng)銜。南航數(shù)學(xué)學(xué)科的發(fā)展緊密圍繞航空航天特色開展，具有多學(xué)科交叉研究的基礎(chǔ);課題組其他成員分別來自南京大學(xué)、南京師范大學(xué)等高校，具有基礎(chǔ)理論、流體力學(xué)等細(xì)分領(lǐng)域的學(xué)科優(yōu)勢，不同成員之間能取長補短。

“這樣的強強聯(lián)合，不僅能推動航空發(fā)動機領(lǐng)域的研究，也會激發(fā)出新的科研方向、應(yīng)用領(lǐng)域，推動學(xué)校之間、校企之間、跨區(qū)域之間交流制度的形成和完善。”鄧衛(wèi)兵說，中心建立后還將整合優(yōu)勢資源開展更深入的應(yīng)用研究。

下一步，這支“國家隊”還有兩大規(guī)劃設(shè)想。

在科研應(yīng)用上，中心將集聚全省數(shù)學(xué)科研力量，形成人才集聚效應(yīng)，建立政產(chǎn)學(xué)研成果轉(zhuǎn)化的長效機制，打通科技創(chuàng)新的最后一公里。

目前，依托中心和南京大學(xué)數(shù)學(xué)系，成立了南京市政府備案的新型研發(fā)機構(gòu)——南京南數(shù)數(shù)據(jù)運籌科學(xué)研究院，一頭溝通政府、企業(yè)需求，一頭連接高校、專家資源。“既避免了科研資源因找不到市場方向而產(chǎn)生浪費，也讓實際需求快速找到對應(yīng)的技術(shù)支持，使科技成果轉(zhuǎn)化更加便捷、高效。”鄧衛(wèi)兵說。

在人才培養(yǎng)上，也有望改變以往聘請院外、校外兼職教授缺乏機制、資金與渠道的難題，通過數(shù)理基礎(chǔ)、技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用落地3個層面的交叉融合，培養(yǎng)一大批跨專業(yè)的復(fù)合型人才。