中国科学院院⼠、哈尔滨⼯业⼤学教授李惠是⼀名桥梁⼯程专家,研究⽅向为桥梁智能科学与技术,即通过⼈⼯智能与桥梁⼯程学科交叉监测桥梁结构健康状态,为桥梁安全“把脉”。李惠的研究成果⼴泛应⽤于我国特⼤桥梁,如世界⾸座跨度超1000⽶的斜拉桥苏通⼤桥、世界最⼤公铁两⽤桥沪苏通⼤桥、浙江⾈⼭⻄堠⻔⼤桥、粤港澳⼤湾区南沙⼤桥等。
李惠表示,获得国家杰出⻘年科学基⾦项⽬(以下简称杰⻘项⽬)资助对其科学研究⽣涯影响巨⼤。“杰⻘项⽬振奋了我的科学精神,提升了我的科研品味,提⾼了我的科学研究尤其是基础科学研究⽔平。”她近⽇在接受《中国科学报》采访时说。
科学性、基础性、创新性最重要
李惠曾于2005年获得杰⻘项⽬资助。彼时,结构健康监测是新兴交叉研究⽅向,她对这⼀⽅向极感兴趣,获得杰⻘项⽬资助让她能静下⼼来,⻓期从事这个崭新且具挑战性的研究。谈及撰写杰⻘项⽬申请书的经历,李惠表示,研究成果的科学性、基础性、创新性是最重要的;其次,申请⼈的国内外学术影响⼒和活跃度也⾮常重要。“撰写杰⻘项⽬申请书和准备答辩,是⼀个深刻思考个⼈研究对学科发展贡献的过程。”她对《中国科学报》说。
⾃攻读博⼠学位开始,李惠就致⼒于⼟⽊⼯程交叉创新研究。她是我国较早开展结构振动控制研究的学者,在主动调频质量阻尼控制、半主动控制和形状记忆合⾦⾃恢复智能控制领域取得了系列成果,尤其是提出了斜拉桥智能负刚度控制理论,⼤幅提升了振动控制效果,且深刻揭示了智能控制机理。在杰⻘项⽬的资助下,李惠给⾃⼰设定更⾼的标准和要求——做具有更⾼创新⽔平的基础研究。
“获得杰⻘项⽬资助对我影响⾮常⼤,让我的研究理念、研究品味发⽣了很⼤变化。”李惠说。
何为科研品味?李惠表示,好的科研品味是追求研究对象的本质,抓住其最核⼼、最本质的第⼀性原理;同时,要⽤数学语⾔对原理机制进⾏表述,从⽽使研究具有普适性。正如法国哲学家、物理学家笛卡尔所说,“⼀切问题都可以转化为数学问题”。当科学家是李惠⼉时的梦想。
受杰⻘项⽬资助,李惠获得5年160万元经费⽀持,这让她带着⼉时的科研梦想扬帆启航,开始研究结构健康监测。⼤型桥梁造价昂贵。由于多处于潮湿、⾼盐、台⻛等恶劣环境中,且每天有⼤量⻋辆经过,腐蚀、疲劳等因素导致桥梁产⽣累积损伤,降低了安全性。此外,⻛致振动和地震等灾害也会对桥梁服役安全造成很⼤威胁。结构健康监测则是保障重⼤⼯程结构安全的重要技术。
然⽽,如何实时准确监测和诊断⼀座⼤型桥梁的全⽣命周期健康,是⼀个国际难题。
针对这⼀难题,李惠率先将⼈⼯智能深度学习与桥梁⼯程交叉融合,研究桥梁结构健康诊断理论。“结构健康诊断就是从数据中挖掘与桥梁健康有关的特征指标,然后像给⼈看病⼀样,诊断结构是否存在损伤、是否需要进⾏修复和控制,从⽽确保桥梁在全⽣命周期内安全运⾏。”李惠解释说。
通过杰⻘项⽬的资助及后续15年的不懈创新,李惠建⽴了桥梁结构健康监测⼤数据挖掘与安全评定理论和技术体系,其中包括桥梁结构局部损伤的计算机视觉识别算法和相关模式机器学习算法、结构整体损伤的稀疏动⼒反演算法、桥梁结构流场偏微分⽅程机器学习算法、湍流物理机器学习模型、桥梁⻛致振动涡动⼒学及涡激振动识别与建模的物理机器学习算法,并将上述算法开发为软件,⼴泛应⽤于实际桥梁健康诊断,为保障⼤型桥梁服役安全提供了坚实的基础理论和先进技术⽀撑。
这些成果让李惠在国际上率先开辟并引领了结构健康监测数据科学的研究,使结构健康监测进⼊了⼀个新时期,推动了桥梁智慧科学与技术新领域的发展。李惠的成果已经应⽤于国内外上百座⼤型桥梁监测数据的分析挖掘和安全诊断,能够及时识别涡激振动并报警。“桥梁是我国科技的⼀张名⽚。我国建设了世界上数量最多、规模最⼤的桥梁,桥梁科技和桥梁建设⽔平世界领先,其中也包括桥梁健康监测基础理论、技术和系统。”李惠充满信⼼地说。
李惠⻓期扎根这⼀研究领域,2015年,她获得国际结构健康监测年度⼈物奖;2018年,她作为第⼀完成⼈完成的“⼤型桥梁结构健康监测数据挖掘与安全评定关键技术”项⽬,获得国家科技进步奖⼆等奖;2021年,她因在桥梁健康监测基础理论和⼯程实践⽅⾯的贡献,获得美国⼟⽊⼯程师协会G.W.豪斯纳奖章;2023年,她因在桥梁⻛⼯程机器学习理论和⼯程实践⽅⾯的贡献,获得美国⼟⽊⼯程师协会R.H.斯坎伦奖章。
当前,我国正在推动数字化、信息化建设。桥梁结构健康监测技术不仅⽤于⼤型桥梁,未来其联合⼈⼯智能技术还将⼴泛应⽤于中⼩型桥梁。李惠希望进⼀步发展更先进、低造价的结构健康监测技术。
助⼒青年科学家攀登科研“珠峰”从切身参与杰⻘项⽬申请,到多年担任该项⽬评审专家,在李惠看来,“杰⻘项⽬是我国最好的⼈才资助项⽬之⼀,给⻘年⼈做顶尖成果提供了机会,为提⾼我国基础科学研究⽔平发挥了巨⼤的作⽤”。
当前,⾛过30个年头的杰⻘项⽬正在进⾏系列改⾰,其中包括三期滚动⽀持。⾸期5年400万元(数学和管理科学每项为280万元)资助期满后,择优遴选给予第⼆个5年滚动⽀持,资助强度加倍达到800万元;资助期满后,再择优遴选给予第三个5年1600万元的资助。在李惠看来,“滚动⽀持”是⼀个积极举措。
⼀⽅⾯,它可以使获得杰⻘项⽬的年轻⼈继续努⼒,把项⽬做好,争取滚动⽀持;另⼀⽅⾯,可以使他们静下⼼来,⻓期聚焦更有挑战性的难题的研究。采访中,李惠多次表示,应建⽴⿎励⻘年科学家冒险、⻓期静⼼攻关具有挑战性课题的制度和环境,这样⻘年科学家即使失败也没有后顾之忧。
同时,年轻⼈要有勇⽓、有梦想、有情怀,要把科学当成兴趣,有强烈的好奇⼼,科学是事业⽽不是谋⽣的⼿段,只有这样才能够在杰⻘项⽬的滚动⽀持下,攀登科研领域的“珠峰”,做出推动学科发展的历史性重⼤成果,为建设科技强国作贡献。获得杰⻘项⽬资助、实现⼈⽣理想的李惠,也希望为⻘少年圆梦出⼀份⼒。
2021年8⽉,她带领团队设⽴“菁华智慧奖助学⾦”,每年捐款5万元资助⿊⻰江省同乐村低收⼊家庭的⼤中⼩学⽣顺利完成学业。此外,他们每年还给⼴⻄⾦秀县捐赠图书500册,供中⼩学⽣阅读。“教育是⺠族的⼤事,但这件事不能全靠国家,我们有能⼒也应该为国家教育作贡献,让困难家庭的孩⼦不因经济问题⽽失学。我们也希望为孩⼦们树⽴⼀个榜样,等将来他们成⻓起来、有能⼒的时候,再去帮助其他有困难的⼈。”李惠说。