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口述历史
我国信号处理与智能控制专家——李衍达院士

秉承尊重历史、以史为鉴、弘扬传承的理念,中国自动化学会于2015年特别打造“口述历史”系列访谈栏目,走访学会和自动化学科发展息息相关的老一辈科学家,探寻心灵深处的记忆,记录心路历程的点滴,为当代自动化领域科技工作者了解历史、传承老一辈科学家的宝贵科学思想和精神财富提供有益借鉴。

本期学会采访的是李衍达院士。李衍达,信号处理与智能控制专家,清华大学教授,中国科学院院士,长期从事信号处理理论及地震勘探数据处理方法的研究。1979年至1981年作为中国第一批赴美访问学者在麻省理工学院访问。曾主持自然科学基金重大项目,先后获一次国家自然科学奖及四次国家教委科技进步奖等。


图1 学会秘书处采访李衍达院士

左起分别 陶则宇、吕爱英、王成红、李衍达、王飞跃、张楠、王坛、魏征

一、不凡读书经历铺就成功道路

1936年,李衍达生于广东东莞县城,因家中经济困难,读书几经辗转,在东莞沅涌小学上至三年级后又举家迁至广州读书。李衍达天生聪慧,初二时插班考入广雅中学(清末张之洞创办),期间品学皆优,校长深爱其才,特许免试录取于广雅高中。

在广雅中学的读书经历让李衍达学会了独立生活,培养了很强的自学习惯和自强精神。他生性好奇,勇于探索未知,尤其对物理课充满了兴趣,除课上所学外,还博览课外群书。就这样,读书便成了他一生的嗜好,这也让他在后来的学习与工作中受益匪浅。

高中毕业后,李衍达考入清华大学电机工程系。清华大学严格的要求与严谨的学风,不仅让他在基础知识方面打下了坚实的基础,也让他在思想方法和学习方法上有了很大程度的提升。在校期间,李衍达积极参加课外活动,大学二年级参加了关于“电磁场本质”的课外科技活动,主要探讨电磁场的出现是否会使物质“消失”。为了讨论这个问题,李衍达特别学习了自然辩证法。而将辩证法思想与研究工作自觉地相结合,也是他在大学时期最重要的收获之一。


图2 大学期间的李衍达

大学三年级,李衍达从电机工程系电机专业转到新设立的自动控制系自动化专业学习。1958年,由于工作需要,李衍达被提前抽调到清华大学电机工程系当老师,随即参加了我国第一台数控机床的研制工作。当时国内还没有程序控制计算机,清华的一批青年对此也是知之甚少,但正是这一群敢想敢干的年轻人经过一两年的奋战,终于成功自主设计和制造出我国首台程控计算机,研制出了我国首台钻床程控计算机并投入生产。

从1960年起,李衍达便担任电机工程系的科研秘书、科研科长及中国科学院技术科学部电工组秘书等工作,同时为学生讲授“脉冲电路”课程,参加编写《电子技术基础》教科书,还主持数控钻床计算机的研制工作。60年代末,李衍达又主持了感应同步器数字显示装置的研制工作,在全国首先试制成功并投产,促进了该仪器在我国的应用。

二、成为第一批赴美访问学者,赴MIT进修两年

1978年,李衍达通过考试成为第一批赴美访问学者,获得了赴美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)进修的机会。

进修期间,李衍达主修方向从微型计算机转变为了信号处理,其主要原因为李衍达师从的奥本海默教授曾是声学、语言学及信号处理学会主席。李衍达当时对数字领域处理还处于入门阶段,奥本海默教授计划将其主修内容调整为对几门主要课程的学习。但李衍达不想自己不远万里进修只为补学几门课,他打定主意立下信念,一定要参与麻省理工学院数字信号处理小组最前沿性的研究工作。


图3  19世纪70年代末,李衍达与林家翘(C.C. Lin)先生在麻省理工学院

于是,李衍达充分利用时间用自学的方法补学数字信号处理的相关课程,并以极其出色的表现通过了奥本海默教授的重重考验,成功进入信号处理小组,独立开展课题研究。李衍达的课题内容选择了利用相位函数重构信号的理论,他意识到相位谱同波的延迟密切相关,利用波延迟可以获得地层结构的信息,最终经过几个月的探索,李衍达提出了利用相位函数重构信号理论进行反射波抵达时间估计的一种方法。“相位函数居然还可以用在波延迟和地质结构的研究。”他的想法极大地启发了奥本海默教授,也得到了奥本海默教授的充分认可和肯定。

进修前,李衍达在清华大学主要任务是教学,科研方向主要是跟踪模仿。而进修期间的学习和经历,却让李衍达充分认识到了科研的真理在于“创新”。李衍达意识到不论是电子线路、信号处理还是反馈控制,其实都是信息传递和处理的问题,彼此都是相互关联的。这一想法极大地启发了李衍达,为其后来的科学研究提供了很多创新思路与方向。


三、开辟地震勘探数据处理技术新道路

1981年李衍达从美国回国,用了整整十年的时间致力于运用信号处理新方法开展油气勘探工作,即用信号处理的办法寻找30千米底下的油气泡,这在当时的环境下并非易事。

当时寻找油气的主要方法是“地震勘探法”,即:地质学家根据地质考察,分析地区的生油、成油条件,然后在可能有生油与储油的地区通过人工爆炸方式产生地震波,地震波向下传播到几千米的油层再反射到地面,通过在地面安装的检波器收集反射波,再经计算机处理便可得到地下构造的断面图。地质工程师结合经验便可推理出藏油的构造,最后通过打井勘探加以证实。但是在勘探初期,打井的成功率往往很低,且海上打井成本很高,这就对打井出油的精准度有了较高的要求。所以李衍达团队的任务便是协助地质工程师更好地判断油层,提高打井的命中率。但经过一段时间的努力研究,收效却并不理想。

于是,李衍达开始重新思考勘探工作的路线与方法。最后,李衍达提出,用地震勘探法确定的井位成功率低,其原因不是计算机处理得不够精准,而是用地震勘探得到的数据并不足以确定地下油层的位置,也就是信息量不足的问题。因此只能通过补充新的有关地下油层的信息量来解决,知识补充得越多,对问题的解决越有效。 

图4  1992年左右,李衍达带领博士生张学工,罗晖到胜利油田物探公司开展合作研究,为物探公司技术人员讲解地震勘探信号的智能处理

当李衍达环顾勘探的全过程时,便发现可以通过两个途径了解地下油层。一是通过打井、测井获得地下油层局部详细信息;二是通过地质工程师根据地质条件对地下油层进行推断和分析来获得地下油层信息。那么如果能将这两种信息都纳入到地震勘探的数据中,便能很好地解决信息量不足的问题。但是要实现这一方法又是难上加难。一是地质学、测井学和地震勘探技术隶属不同学科,自成体系,工程师往往只能掌握其中一项技术;二是三种技术的要求各不相同,地质工程师的知识模糊难以准确的定量描述,测井数据分辨率高,空间上作用范围窄,地震数据在空间上作用范围宽,但在局部深度上分辨率较低且地震数据的数据量十分庞大,大型计算机处理过程复杂,人工难以干预,加大了精确定位油田的难度。

20世纪80年代中期,清华大学常迵教授出国访问回来后为李衍达带来国外最新的技术信息:一种新型计算机——工作站,其性能相当于中、大型计算机,但体积小,易于人工操作和人机交互。李衍达即刻意识到,难得的机会来了——在工作站上一定有可能实现上述三者的结合。于是,李衍达大胆作出决断,坚定信念,克服一切困难,带领团队开拓了一条新路,初步实现了三者的结合,并用这种新方法在胜利油田上成功打出了三口新的高产井。

目前,在工作站上将地震勘探、地质工程师解释与测井数据同时处理,人机交互已成为油气勘探的重要手段。

四、醉心科研勇拓科研新领域

1991年,在地震勘探数据处理技术道路上行至10年,地震勘探技术已颇具成效之时,李衍达又将目光瞄准了新的领域——互联网。

李衍达在美国的学习经历让他认识到信息对一个国家的重要性,“一个国家没有信息是不行的,它相当一个国家的神经,信息系统相当人体的一个神经系统,人体光有肌肉、光有大脑是不够的,还要有神经系统”。而在这时又恰逢国外传来要搞信息高速公路的消息,这马上触动了李衍达的神经,由此便开启了他对信息技术的探索之路。

1994年,李衍达率先在清华大学建立网络信息研究组,并将多年研究的智能信息处理与智能控制方法应用于网络控制和网络信息检索。他侧重于智能信息处理的研究,譬如人工神经元网络、模糊系统、专家系统、进化算法的理论模型及其在网络信息智能控制中的应用,获得了多项成果。

1996年年逾60的李衍达先生,凭借对数据的敏感及好奇的本性,又发现了一个崭新的学术领域——生物信息学。李衍达意识到,DNA如果用网络信息的思维进行解释,那么可以将其视为一个将人体中的蛋白质与28种氨基酸进行编码调控的编码本。为了验证这一想法,从1997年开始,李衍达便开启了用计算机的编码技术去研究DNA编码规律的探索之旅,以期打开生物信息之门。抱着极大的热枕,李衍达开始动员他的学生学习《生物学概论》、《遗传学》等与生物相关的课程,在掌握生物课知识后,再用信息的办法去解决DNA的信息编码问题。项目伊始,大多数学生因课题“前途未卜”都纷纷选择了放弃,直到开题第三年,终于有学生成功自学两门课程,并用计算维数的方法证明了DNA 序列是一个分维序列,应该用分维序列的方法解释DNA 的行为,相关研究成果也得到了公开发表,生物信息学的研究由此便拉开了序幕。


图5  2007年8月23日李衍达在生物信息学全国研究生暑期学校上做结业典礼报告

李衍达研究的生物信息学不同于一般意义上作为研究工具来为生物学家服务的生物信息的研究,而是专门用来研究DNA内部信息规律,真正解决生物核心问题的学科研究。就这样随着生物信息学领域的不断发展,从1998年发展至今其研究内容也愈益丰富,研究范围也愈益广泛,愈发开拓。

五、心系学会发展,语重心长寄语后人

现如今李衍达已经年逾八旬,他一生的科研方向都紧跟国家的战略发展需求。在谈及对青年科技工作者的寄语与希望时,李老语重心长的提出了三点建议。一是要有前沿大局观,敢为人先;二是要有创新意识,想别人之不敢想;三是要持之以恒,坚守初心。 

图6 李衍达院士语重心长寄语后人

2021年是中国自动化学会成立60周年,在历届理事会的领导和推动下,中国自动化学会发生了翻天覆地的变化。李老作为学会第六、七、八届理事会副理事长,参与和见证了学会的发展。现如今,中国自动化学会无论从会员规模,还是业务活动,都已得到了蓬勃的发展。

面对学会未来的发展,李老感慨地嘱咐道:中国自动化学会是一个有着光荣历史的学会,希望学会能够继续发扬传统,紧跟时代发展的步伐,锐意进取,开拓创新。不仅要重视基础,更要注重人才培养,将人才培养置于学会发展的首位,积极探索人才培养模式,切实团结广大科技工作者,肩负起用知识创新推动我国自动化技术发展的历史重任。


编后语:李衍达先生现已年逾八旬,但身体健硕,思维清晰。在对李衍达先生的采访过程中,我们感受到了老一辈科学家迎难而上的开拓精神、求真务实的实干精神、严谨治学的科研精神以及勇担使命的爱国精神,对当代科研学者的成长具有激励鞭策的深远意义。我们希望通过此次采访,探寻李衍达先生心路历程的点滴,让广大科技工作者能够了解老一辈科学家的科研历史,传承和发扬老一辈科学家追求真理、开拓创新、无私奉献的高尚品质,推动我国自动化事业的发展与繁荣。在此,衷心祝愿李衍达院士健康长寿、万事如意。

 

来源:学会秘书处