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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標準,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、幾何拓撲、運籌優(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“金標準”的裁決,雙方幾乎打成平手。醫(yī)生團隊專家認為,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)定和精準的分析結(jié)果,有助于減輕醫(yī)生負擔、提高效率及準確率、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)圖像的精準分析和處理,是精準醫(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。
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