段海濱：讓生物智能「上天」

作者：童璟（傳播學碩士，某中央媒體科技記者）

責編：宮奧博

本期嘉賓

段海濱，1976年生，北京航空航天大學導航、制導與控制學科教授、博士生導師，飛行器控制一體化技術國防科技重點實驗室學術帶頭人，國家傑出青年科學基金獲得者。曾入選 「萬人計劃」——中組部首批青年拔尖人才、科技部中青年創新領軍人才、教育部新世紀優秀人才、北京市科技新星等，獲中國青年科技獎、中國青年五四獎章、全國優秀科技工作者、北京青年五四獎章、茅以升北京青年科技獎、吳文俊人工智慧科學技術創新一等獎、中國航空學會青年科技獎、中國自動化學會首屆青年科學家獎等。目前是IEEE高級會員、國際自控聯（IFAC）智能自主運動體技術委員會（TC7.5）委員、中國自動化學會控制理論專業委員會委員、中國航空學會制導/導航與控制分會副主任委員兼青年工作委員會副主任委員，第十二屆中華全國青年聯合會常委兼科學技術界別副主任委員，第六屆中國青年科技工作者協會理事。

主要從事基於仿生智能的無人機自主飛行控制研究。作為項目負責人主持國家自然科學基金重點項目、國家「863」計劃、總裝預研基金、空裝預研、海裝預研、陸航預研等課題。作為第一或通訊作者在IEEE、AIAA等國際期刊發表SCI論文60餘篇。在Springer出版英文專著1部、在科學出版社出版中文2部。授權發明專利21項、實用新型專利5項。作為第一完成人獲省部級一、二等獎各2項，擔任國際期刊Int J of Intelligent Computing and Cybernetics創刊主編。

在北京航空航天大學新主樓的一間狹小的辦公室里，記者見到了段海濱。

這間辦公室的面積不大，但小小空間顯然經過了精心布局：一進門面對著明凈的大窗戶，窗戶邊是辦公桌，辦公桌的對面是一個兩人座沙發，房間4個角擺放著4組高高聳立的鐵皮柜子。在辦公桌上方的天花板上懸掛著一隻站在松枝上老鷹，它似乎因發現了獵物而目光炯炯，正伺機翱翔；書櫃的頂上放著很多款無人機和戰鬥機模型，紅色的雨水管道上巧立著美麗的蝴蝶、蜜蜂、七星瓢蟲、螞蟻等昆蟲。

「房間里這些生物都是我們目前研究的對象。」段海濱告訴記者。

老鷹、昆蟲、飛機，它們有怎樣的聯繫？一名從事飛機自動化研究的教師為何要「不務正業」研究這些動物？它們又能給飛機自動化飛行帶來哪些靈感呢？

執著刻苦追夢求學路

在段海濱辦公室同門一側的牆上，掛著一幅《鐵骨寒梅》的國畫，這是他非常喜歡的一幅畫，畫的主角是寒雪中怒放的朵朵梅花。

「梅花香自苦寒來。」某種程度上，段海濱在特殊而艱辛的求學經歷中所取得的進步和成績，也離不開這幾個字所言的規律。

他的求學故事頗為勵志，曾有人將其概括為「從中專生逆襲成博導」。「那都是過去時了，人得一直往前看。」但在記者一再請求下說起「當年」，段海濱也承認自己「超級刻苦」。

20世紀90年代初，初中畢業的段海濱最終選擇了「跳農門」，報考了西安航空工業技術專科學校機械工程系，當初填寫志願時以為當飛行員或者修理飛機。「當時我們山東只有5個人來這個學校。」段海濱回憶道，他的不少同學來自農村，大都遵從父母的安排來讀中專。他很珍惜在西安航專的機會，「我覺得我能來已經很不錯了，既來之，則安之。」當時學校的「分流」機制，可以讓1/3的學生在兩年之後有機會讀大專。這讓段海濱看到了繼續深造的希望。

「我當時想，既然有這樣的機會，我就應該要努力，更要『笨鳥先飛』。」段海濱說。

他說那時的自己簡直是「書獃子」，每天早晨四五點起床、洗漱、看書，然後跑步；到了晚上宿舍熄燈了，他又跑去樓道看書——看的不是消遣娛樂的書籍，而是專業課書籍和英語。

不惜力的付出終有回報。「我的成績肯定不是專業第一，肯定不是學霸。」兩年之後，憑著挑燈夜戰的刻苦努力和優異的學習成績，段海濱成為西安航專機械製造工藝與設備專業的大專生。

他沒有因實現了「小目標」而有絲毫鬆懈。讀大專一年級時，他順利通過了大學英語四級考試，這使他備受鼓舞。「有人就半開玩笑跟我說，你應該去讀本科，都達到本科生畢業的英語水平要求了。」之後，他一鼓作氣，成為當時學校里第一個通過大學英語六級的畢業生。又有人「敲邊鼓」，「你的英語水平可以研究生畢業了。」

或許在那時，讀研夢想的種子就埋在了段海濱的心中。大專畢業，他從古都西安來到風光旖旎的江南名城——江蘇無錫，進入中國航空動力控制系統研究所工作。對於許多人來說，研究所的工作可謂「理想」， 但是在段海濱這裡，一份好工作依然扼不住心愿種子的萌發，「或許是我『一根筋』吧，我也猶豫了許久，一開始也邊工作邊參加機電一體化本科的自學考試，但是讀研的『初心』一直沒有放棄，最終決定考研。」

2011年，段海濱在韓國水原大學訪問

2011年，段海濱在韓國水原大學訪問。俗話說，隔行如隔山，從純機械類跨到純電類專業，對於沒有經歷系統高中教育和本科教育的他而言更是談何容易。為了專心準備考試，段海濱選擇了破釜沉舟，從無錫來到南京，成為「南漂」一族，在南京航天航空大學「蹭課」備考。段海濱坦言，其實那段時間他有極大的精神壓力，一方面，他的高中數學是「空白」，全靠自學；中專起點還從機械專業換到自動化專業，一切都是從頭開始；另一方面，家裡對他破釜沉舟的人生選擇也很不解。

「有志者事竟成，破釜沉舟，百二秦關終屬楚； 苦心人天不負，卧薪嘗膽，三千越甲可吞吳。」那時，段海濱在每一個筆記本上都寫下了這句話，也正是這樣的信念支撐他扛過了最艱難的時刻。頂著巨大的壓力，在沒日沒夜的備考中躑躅前行。事實也證明，努力不會被辜負。在工作4年之後的秋天，段海濱成為南航的一名研究生，之後他又在南航繼續攻讀博士學位。

找准研究方向——交叉學科

讀博期間，段海濱的專業方向是控制理論與控制工程，博士生導師王道波教授是南航一名理論和工程結合的很好的教授，在導師的悉心指導下，他將蟻群演算法和飛行模擬轉檯控制相結合來做研究。這意味著在本專業之外，他還得研究「螞蟻」。

螞蟻是一種很特別的動物，在運動中，它們會通過感知同伴在路徑中留下的信息素及其濃度，進而尋找到最佳路徑。演算法旨在「優化」，「比如到某個地方有很多路徑，但是最短的路徑可能會堵車，為了快一點，你可以走略長的道路，但是又不能走太長，這就是考慮時間和距離的優化。」段海濱打比方說道。

這樣的創新研究離不開導師王道波的鼎力支持。「我的導師給我提供了很好的平台，而且言傳身教，鼓勵我們參加學術會議。」段海濱說，參加不同的會議也的確讓他大開眼界。「當時我的感覺是，從會上學到的東西和獲得的靈感超過平時3個星期。」正所謂「問渠那得清如許，為有源頭活水來」。

2005年，段海濱博士畢業來到北航工作。初來北航的一兩年，他在博士論文研究方向上繼續深耕——繼續研究蟻群優化演算法，並獲得了國家自然科學基金青年基金支持，這是他學術上的第一桶金。

「說起來，當時的我很『不務正業』呀！」段海濱說道。從最初的蟻群優化演算法，再到粒子群優化演算法、人工蜂群優化演算法，後來又自創了鴿群優化演算法，這位自動化專業研究者的研究卻始終沒有脫離「生物」，有的本科生背後戲稱他為「螞蟻老師」。

雖「不務正業」，但段海濱卻樂此不疲。他的想法是，「如果死死抱著自己的方向不放，堅持走老路，很難做出新的東西。所以，我的定位就是『交叉學科』。」

在北航任教幾年之後，段海濱面向國家重大需求和國際學術前沿，在交叉方向上不斷演化並不斷聚焦：一是仿生視覺中的仿鷹眼的強視覺感知，二是生物群體智能，並將兩者融合應用於無人機自主飛行控制。

2007年，段海濱（右）在夏威夷IEEE SSCI會議期間與粒子群優化創始人Russell Eberhart（中）和James Kennedy（左）合影

段海濱還記得，在產生了對鷹眼視覺進行研究的想法後不久，恰好有一個申請省部級課題的機會。於是，他就寫成了申請書。「其實寫申請書時我就感覺到，這次90%的概率是中不了，後來果然沒有中。」他說，但是他依然提交了申請書。

「你不能因為可能失敗，就不去嘗試，就算會失敗，也要去努力，只能有所總結，提煉經驗，失敗都是暫時的。」他也經常跟學生們說，「第一，要超級刻苦努力；第二，要有充分信心；第三，不能等到完全具備條件時再去努力。」

功夫不負有心人，第二年他再次以鷹眼視覺的研究申請國家級項目，在上一年申請書基礎上，他加以提煉和修改，最終順利申請到了項目。這也讓他對自己的研究方向更有信心，「可以看出，國家對這樣的交叉研究極為重視、非常鼓勵。」他說。

建構跨學科的橋樑

在進行科普講座時，段海濱總是用簡單的語言來解釋自己的專業——自動控制器是運動體的大腦。「比如飛機，它的飛行控制器就是飛機的大腦，而雷達等感測器等好比人的眼睛。」

他相信「眼腦不分離」「明亮的眼睛和聰明的大腦是不分離的，有很強的關聯性，換言之，智能感知和自主控制是密不可分的。」

所以，基於仿生智能的無人機自主飛行控制也可以通俗地理解為：一方面研究大腦，就是如何仿生，讓大腦更聰明；另一方面是仿生感知，讓眼睛更準確清晰。「我研究的鷹眼視覺主要用在無人機上，」他說，實際中存在速度和精度的矛盾——算的速度很快，精度會下降，精度提高，速度又會降低。「我想通過仿生技術來克服這一對矛盾。」

同時，他還對生物群體智能極有興趣，而說起這些「有意思」的動物他更是如數家珍。

比如他一直感興趣的螞蟻，根據分工，螞蟻可以分為蟻后、雄蟻、工蟻、兵蟻四種，其群體行為的一個顯著特徵是分工明確。同時，螞蟻還有兩個胃，其中一個為自己所用；一個是嗉囊，也被稱為「社會胃」，用來儲藏多餘的食物，餵養分享給同伴。

另一種昆蟲蜜蜂卻和螞蟻有區別，雖然蜜蜂也分為蜂后、雄蜂和工蜂，但是工蜂在短暫的一生中勤奮勞作隨日齡的增長變換分工。比如，幼年蜂主要在蜂巢內工作；青年蜂則承擔飼餵、釀蜜、守衛等工作；壯年蜜蜂則主要負責采蜜；老年蜂則從事尋找蜜源的工作。

再比如大雁，它們總是成群結隊形成「雁陣」，長途遷徙時有整齊的「編隊」，排成「人」或「一」字形，並在飛行中不斷更換頭雁的位置。狼也是一種經常群體行動的典型動物，並且狼群捕獵時，內部分工明確，各司其職，配合默契。

段海濱告訴記者，無人機飛行時，以群體智能的優勢來實現個體所不具備的功能異常關鍵，這也是他關注生物群體智能的原因。「這就好比雖然一個人力氣很大，但是幾個孩子上來，也會將他絆倒。」

在他看來，諸如此類的動物群體行為和分工、變化機制，都值得在無人機上運用。

「比方說，工蜂在不同階段扮演不同角色，其實無人機也可以『一專多能』，完成多項任務。比如，大雁的編隊行為是為了省力，那麼無人機怎麼編隊才能省油飛得遠？如何變化隊形？再比如，無人機進行分工時可否模擬狼群的群體行為？」這些都是段海濱腦中思考的問題。

2013年，段海濱在第十五屆北京國際航展留影

2013年，段海濱在第十五屆北京國際航展留影。他的老本行還是自動化專業，「自動化專業是我的根，也是多年的老本行」，他要做的，是用新的方法和思路，給出老本行里問題的新答案。

「我要做的是，在不同學科間建立一座橋樑。」他向記者解釋道，狼的分工機制很優異，那麼怎麼把這種機制用到無人機上？這就是他的工作——從動物行為中找出若干能為無人機所用的功能，提煉出機制，建立模型，進行關鍵技術攻關。

腳踏實地，仰望星空

在不同學科和研究之間建立一座橋樑並非易事。最終研究成果提交之後，還要進行樣機開發、飛行驗證等。

「國家在這方面有重大需求，我們就應該『把論文寫在祖國的大地上』，國家需要什麼，我們就做什麼。」段海濱說。

不過，段海濱也坦言：「交叉學科挖東西，本身就比較難。」但是他並不畏懼科學道路遠征之難，他認為如果做本專業，自然輕鬆，但是很難出成果；交叉學科研究雖道阻且長，但是很有意義。「這好比走羊腸小道還是大道。」他說，「走大道當然快，但是走得人多，總有人比你更快；羊腸小道走得人少，短期內走的慢，但往往具有開創性，即使到半山腰走不動了，可能也比呼呼跑上山頂有價值。」

他常常鼓勵學生說，「做交叉學科就是挖金礦，挖金礦就是大浪淘沙。一是要花工夫去做，二是要有學術視野的敏銳度。」

他說，花工夫去做，就是要腳踏實地，埋頭苦幹；想要有學術敏銳度，那就要不時抬起頭，仰望星空——多看、多想、多交流。

對於段海濱，勤奮和刻苦似乎已經內化為他的性格和基因。「做科研一定要能吃苦。」這是他自學生時代以來的習慣，也源自在導師身邊的耳濡目染。「王道波老師就非常能吃苦，常年在高原做飛行試驗，甚至大年初一也不休息，也會到實驗室，這一直在影響和鞭策著我。」

在大學成了教授，併入選了國家傑出青年科學基金獲得者、科技部中青年科技創新領軍人才、萬人計劃——中組部首批青年拔尖人才，段海濱依然很「拼」，節假日幾乎沒有過休息，平日里工作到深夜是常態，現在剛過不惑之年，「感覺體力明顯下降」，這一年「偶爾偷懶會在1點鐘之前睡覺。」

長期持續工作加上熬夜，他的身體也曾發出過警告。有一次，他正在給學生上課，突然就覺得身體難受，感覺一說話就要暈倒，儘管再三忍耐，但是仍難以堅持。後來醫生告誡他的藥方是：少熬夜，多運動。

「你看我現在體態較胖，其實去年我比現在還胖。」採訪時，段海濱「自爆」，「以前我開車上下班，運動量幾乎是零，去年底在學校內租了個房子，走到辦公室10多分鐘。」於是，他就利用這十幾分鐘的時間走路、爬樓梯，當做運動，「實在沒有別的時間。」

然而有學術會議等學習交流的機會，他一般都會擠時間參加，也支持和鼓勵研究生去參加，並鼓勵研究生要主動跟領域「大牛」們交流。在他看來，參加學術會議的確能打開思路，拓展學術視野，還能結識國內外同行和良師益友，「做前沿的研究一定要多看、多想、多交流。」

上好課，帶好學生，做好科研

2009年，還是副教授的段海濱成為博導，這讓他感到有了更多的責任。「學校給了我很好的平台，有了自己的團隊之後，可以做更多的事情，個人也可更快速地成長。」

目前，段海濱指導10個博士，10多個碩士。他對學生的嚴要求，從一周兩次不同類別的例會就可以看出——周四1次，周六1次。

段海濱仿生自主飛行系統研究組部分人員合影

周四的例會他會與每一個學生面對面交流，進展如何？有沒有遇到什麼困難？雖然平均給每個學生的時間只有大約5分鐘，但是卻能給予學生督促和幫助，因而周四的例會是每個研究生逐一跟導師彙報進展和科研上存在的問題，雷打不動，如果因為出差不能跟學生見面，他也會重新安排時間跟學生逐一交流。周六的例會是課題組全體成員研討，由博士生輪流主持，兩個研究生主講，其他研究生做簡短講解和討論交流，一講自己的科研進展，二講本領域國內外最新前沿成果。

段海濱也承認自己對學生要求「確實很嚴格」「其實在研究生階段做的具體內容，畢業之後80%不用再做了。更多的時候，是做研究的過程、態度以及其間形成的修養、能力、價值觀支撐你繼續走下去。」段海濱很贊成耶魯大學校長Richard Charles Levin教授的觀點，「大學教育的本質是，不是老師教會學生了什麼，而是等學生畢業之後，把所學的專業知識全部忘掉，他還會什麼。」

因而在選拔學生時，他十分看重的是學生刻苦與否，以及格局的大小。「假設一個學生很聰明，做科研很厲害，但是格局太小，我想他也不會走得太遠。」嚴師出高徒，段海濱所在的仿生自主飛行系統研究組的絕大多數博士研究生都獲得了國家獎學金，並且每年都有研究生在國際期刊發表多篇較高水平的學術論文。在科研之外，肩負著五門課的教學任務，「本學期三門課，下學期兩門課。」

科研和教學重任在肩的段海濱確實很忙碌。採訪的前一天晚上，他半夜兩點半才睡；在採訪中，有學生來辦公室找他、有學生打電話找他；採訪結束之後，還有研究組例會等著他。

「人的精力是有限的，我要繼在繁雜的瑣事上繼續做減法，專註教學和科研。」段海濱說，「聚焦做好目前最重要的三件事：上好課，帶好學生，做好科研。」是的，這也正是一名大學教授的使命和職責。

本文刊登在《今日科苑》雜誌2017年6月刊青年才俊欄目。

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