——记华中科技大学自动化学院教授张海涛

本刊记者　余 华

　　
　　1977年7月出生的张海涛目前是华中科技大学自动化学院最年轻的教授之一，他的履历简洁却不简单。在中国科学技术大学自动化系从本科读到博士，可谓十年寒窗。2005年博士毕业后他只用了短短的五年就一跃被破格晋升为教授、博导，被评为教育部新世纪优秀人才、华中学者，还是湖北省杰出青年基金获得者、武汉市晨光计划入选者。很多人会感慨他的学术之途走的如此迅捷，他坦然道，其实大部分人的天分都是相近的，自己并没有什么超常的天赋。有的只是坚守着自己的理想和方向，勤奋努力一路攀登。
　　
科研：兴趣与追求的融合
　　
　　作为一名科研工作者，张海涛是幸运的。因为他所从事的科研工作，正是他的兴趣所在，也正是他人生追求的重要内容。张海涛主要从事模型预测控制理论与应用研究，针对记忆减退型非线性系统，深入开展了系统建模、预测控制器设计及其稳定性和鲁棒性分析的关键问题研究，并在纳米静电喷印微环境控制系统中获得了成功的应用。
　　2006年12月至2008年1月，张海涛远赴英国剑桥大学工程系从事博士后研究工作，期间他将预测控制从单个体系统推广到多智能体系统，研究了个体预测智能对于生命群集到达协调一致行为并降低群集内通信成本的关键性作用，发展了群集预测控制策略；提出了“涡旋”群集构型的协调控制方法；系统分析了几类典型边界条件对群集涌现行为的影响机制，并在多机器人协调控制中获得了成功的应用。
　　靠着执着的科研精神、较高的学术水平和很强的科研能力，张海涛取得了丰硕的科研成果。在记忆减退型非线性系统的建模与约束预测控制领域，他设计了高精度的Hammerstein/Wiener/Volterra模型辨识策略，将其从集中参数推广到分布参数系统，并分别对记忆减退型和面向模块型非线性系统的未来动态演化趋势进行预测，进而发展了约束预测控制方法，提高了闭环系统的控制精度和瞬态性能，拓展了系统闭环稳定区域，并在实际控制系统中进行了实验验证。鉴于他的杰出工作，他应邀参编了英文专著Advanced Model Predictive Control；获得了国家自然科学基金纳米制造基础重大研究计划培育项目和青年基金项目的资助，自主研发了纳米静电喷印平台装备及其附属高精度高均匀度微环境控制腔体，将所设计的非线性模型预测控制方法成功应用于纳米静电喷印微环境控制和射流与沉积过程控制。
　　在多智能体系统的模型预测控制领域，他的工作的特色在于从自然界生命群集的动力学行为中提炼个体间互动和个体智能对群集涌现的本质规律，用于多智能体系统建模、分析与控制。成果得到了美国科学院院士H.E.Stanley教授、德国科学院院士D.Helbing教授、10余位IEEE Fellow、以及普林斯顿大学I.D.Couzin教授、加州理工学院M.C.Cross教授、麻省理工学院S.Kim博士等著名学术机构学者的正面评价。
　　为此，他受美国科学院院长R.J.Cicerone的邀请，赴美国加州尔湾参加第15届中美青年科学家前沿科学会议做大会报告,并担任多智能体系统分析与控制分会主席。英国剑桥大学 J.M.Maciejowski教授（模型预测控制领域国际著名学者、IEEE、IET Fellow、前欧洲控制联合会主席、前国际测量与控制学会主席、剑桥大学工程系信息工程部主任）在评价他的博士后工作时指出“申请者将群集动力学和预测控制有机结合，做出了重要的工作，是剑桥控制组近年来最成功的访问研究之一”。基于预测控制工作，他被推选为IEEE Senior Member，并担任SCI国际期刊Asian Journal of Control的副编辑。他还应邀于2007-2012年在剑桥大学、莱斯特大学、伦敦大学、加州大学等英美德澳港10余所大学做关于多智能体预测控制方面的专题演讲，在2012年亚洲控制会议上担任讲座和研讨会主席，并在2011年-2013年的三次中国控制会议上专门组织了“多智能体预测控制”主题邀请分会。他应邀为IEEE电路与系统杂志撰写的长文在该杂志近五年的引用排名第三。其在纳米精度宏微运动控制的成果在套色印刷行业也创造了超过2000万元的新增产值。
　　
成果：汗水和艰辛的结晶
　　
　　张海涛才华横溢，这点是毋庸置疑的，单从他的科研成果就可见一斑。但看得见的是成果，看不见的是隐藏在他的才华背后的汗水和艰辛。年纪轻轻的他几乎把所有的时间都投入到了实验室里，他的勤奋，他的执着，不禁让许多人动容。
　　张海涛目前正主持一项国家自然科学基金“纳米制造基础”重大研究计划培育项目——纳米制造微环境预测控制研究。他在该方面的杰出工作表现，得到了国际学术界的认可。
　　国际系统辨识领域著名学者、IET/IMA Fellow、英国谢菲尔德大学S.A.Billings教授指出，他“提出了分布参数系统的多通道Hammerstein非线性时空分离方法”；IEEE Trans. Systems Man and Cybernetics-C最佳论文得主、Automatica编委、荷兰Delfts大学B.D. Schutter教授将他的工作做为分布参数系统建模的代表性工作进行介绍；IEEE Control Society副主席、IEEE Fellow、新加坡国立大学S.Ge教授对其工作也进行了长篇评述，指出“发展的Hammerstein时空模型较之以往方法更适合用在控制系统设计，（因为）它是纯数据驱动，需要更少的先验知识”。IFAC前副主席、法国洛林大学J.Ragot教授指出，张将“Laguerre滤波器用于控制器设计中”；IEEE Computation Intelligence Society副主席、IEEE Fellow、米兰理工大学A. Cesare教授指出，张的“基于遗忘因子的方法可以解决知识集中过时信息的去除问题”；IET Fellow、新加坡资讯技术研究所P.K.Meher，指出张“基于Laguerre多项式的控制算法对变化的时滞、阶次和结构参数具有很好的适应性，且计算复杂度低，性能优于传统方法”。
　　除了这些，通过已经结题的项目“分布式生物医学系统的模型预测控制”和“微生物群集的协调动力学行为机制研究”，张海涛揭示了个体对未来运动轨迹的预测智能对于群集演化达到协调一致行为的关键作用，构建了多智能体系统预测控制策略，提高了群集的紧密程度和同步效率；发展了不依赖于全局信息的分布式“涡旋”构型控制方法，实现了多智能体在不同轨道“涡旋”上的相位均匀分布，揭示了鱼群和昆虫群“涡旋”的动力学规律；针对边界约束多智能体系统，设计了不依赖于个体间吸引作用的稳定群集控制方法,发现了两类典型边界条件下，群集以概率1收敛到速度同步的规律；发现并解释了多智能体构型从“类液体”（即相邻个体距离从外部到内部逐渐缩小）到“类晶体”（即相邻个体距离保持恒定）的相变规律；提炼了自然界群集领导力传播方式和奇异行为对群集演化过程的影响规律。
　　上述科研成果同样得到了科学界的认可，美国科学院院士、美国波士顿大学Willam Fairfield杰出教授H.E.Stanley（波尔兹曼奖获得者）和以色列物理学会前主席S.Havlin教授（英国物理学会和美国物理学会Fellow、美国物理学会Nicholson奖、Landau杰出物理学研究奖、德国洪堡奖、威兹曼奖获得者）共同撰文，评价“加快了群集动力学模型收敛速度，避免了碰撞”。H.E.Stanley等还将他的工作进行了拓展，通过个体视野调整，进一步加快了群集同步收敛速度。
　　印度工程院院士、印度理学院教授D.Ghose评价“提出了一系列预测控制算法及其解析分析策略，改进了Vicsek模型的收敛性，加快了线性群集动力学系统到达同步一致的速度”。IEEE Fellow、美国加州理工学院R.M.Murray教授肯定了张海涛的工作“将模型预测控制用于群集动力学一致性设计，加快了收敛速度”。IEEE Fellow、美国德州大学F.L.Lewis教授评价“提出具有动力学预测机制的群集行为控制”。普林斯顿大学I.D.Couzin教授和美国西北大学C.Huepe博士联合撰文评价“设计的方法加快了群集收敛速度”、“简化的非线性动力学模型提供了重要的工具，能帮助理解新奇的群集现象并探索其基本规律”。韩国首尔国立大学S.Seo教授和美国麻省理工学院S.Kim博士评价“张等提出了不依赖吸引作用的改进Reynold模型，分析了个体间交互对群集动力学的作用，显示了通过有限距离通信实现群集分布式控制的可能性”。
　　尽管已经向学术界展示了其强大的科研能力，可“壮士惜日短，愁人知夜长”，张海涛不敢对自己有丝毫放松和懈怠，针对纳米柔性电子制造的控制技术，他将从静电喷印射流控制、沉积自组织构型控制和纳米精度定位控制三方面展开研究，最终成果将被集成在纳米静电喷印平台中，以保证柔性基板上微纳器件性能的一致性。张海涛还很年轻，科研的道路还很长，我们相信他一定能为科学事业做出更多更大的贡献。