——记汕头大学工学院电子信息工程系主任范衠

　　

刘 佳

　　

　　

　　随着机器人相关技术的发展和机器人应用场景的不断拓展，时至今日，机器人已广泛应用于生产和生活领域，在人类社会各个领域扮演着越来越重要的角色。值得注意的是，虽然中国在机器人领域起步较晚，但目前中国已成为全球第三个具备工业机器人完整产业链的国家。为了在机器人2.0时代为中国机器人赢得追赶甚至超越的机会，汕头大学工学院电子信息工程系主任范衠埋首人工智能、群体智能、计算智能、设计自动化、机器学习、机器视觉等机器人相关的多领域研究，积极开展技术创新与产学研合作，为推动中国机器人从“制造”到“智造”不断贡献自己的力量。

　　

首创精神，解决“老大难”问题

　　在汕头市潮阳区海门镇洪洞村，华能海门电厂依山傍海而建。这座南方电网首座百万千瓦级超超临界的煤电电厂，凭借大容量高参数的煤电机组成为当之无愧的“煤电上的王冠”。在成为粤东电网稳定有力的供应保障之前，海门电厂面临一个巨大的考验：如何解决数以千计的精密仪器和复杂的煤电发电管道所带来的检修难题，是决定海门电厂顺利运转与否的关键。

　　海门电厂的检修之难，同样吸引了范衠的视线。如何在电厂工作的动态过程中，保持安全高效、灵敏机动的检修流程，是范衠要解决的核心问题。在与海门电厂进行详尽的沟通后，范衠将自己的研究靶向指向了对热力管道泄漏点的检测和封堵这一实际难题。

　　热力管道泄漏点的检测和封堵是电厂维护的关键环节，又因其对检修的专业度和熟练度要求极高，长期以来，这一工作只能由取得相关职业技术认证和具有带压堵漏经验的技术工人来完成。这一高温高压有喷溅物的工作环境极为恶劣，对操作工人的身体危害极大，同时有极大的操作风险，稍有不慎就会造成工人严重烫伤乃至管道爆炸的严重后果。基于安全性、稳定性、准确性的多重要求，在机器人研发领域深耕多年的范衠结合电厂实际工作环境和与机器人相关的最新研究成果，向海门电厂交出了他的解决方案——“热力管道在线智能修复机器人”。

　　使用机器人代替工人作业，工人的安全得到了保证，那机器人的工作能力如何呢？范衠及其团队自主设计的机器人用实绩回答：热力管道中的检修补漏工作，机器人不仅能做，而且做得更快更好。

　　针对热力管道修复时的复杂环境，范衠首先在机器人的“眼睛”上下功夫，引入多套机器视觉系统，使其可以对管道进行三维重建，从而建立精密的工作地图，当泄漏发生时，机器人可凭借这一工作地图快速识别和定位泄漏点，让机器人做到即时反应、迅速“到位”；同时运用深度学习技术，将专业人员的经验充分融合到智能机器人的控制当中，从而实现人机互融的智能化操作，有效避免了因操作误差产生的损失或减产；在具体操作中，范衠设计出专用于管道捻打堵漏的机械臂末端执行器，保证机器人在电厂管道泄漏的情况下可以实现快速堵漏。目前，这台国内外首创的用于热力管道在线修复的带压堵漏智能机器人已在海门电厂投入使用，它可以在生产不停机的情况下对泄漏管道进行修复，保障维修人员安全的同时，避免由于电厂热力管道的损坏扩大而造成损失，在海门电厂工作效率和操作安全性提升方面均有突出贡献。

　　

情牵汕头，产学研结硕果

　　国家高层次人才、广东省“扬帆计划”紧缺急需人才、中国侨界贡献奖创新人才、汕头市首届优秀人才青年英才、汕头市科技创新领军人才……拥有一系列耀眼头衔的范衠，是如何与机器人研发结缘的呢？

　　对范衠来说，机器人研究，既是他求学期间的不懈追求，也是他此后投身的终身事业。在完成华中科技大学本硕阶段的学习后，范衠远赴美国密歇根州立大学攻读博士学位，并在此阶段主持并参与了美国国家科学基金项目“Automated Design of Mechatronic Systems Using Genetic Programming and Bond Graph（融合基因编程和键合图的机电系统自动化设计）”，对机电系统的自动设计展开了深入研究。博士毕业后，范衠受聘于丹麦科技大学，历任助理教授和副教授，主持并参与了丹麦技术创新局“Automated Design of Advanced Mechatronic Systems（先进机电系统的自动化设计）”等3项国家级科技项目，结合基因编程和键合图的方法，充分挖掘智能机器人多方面潜力，在机电系统设计自动化的理论研究和实际运用领域协同发力，获得了多项具有明显前瞻性和实用性的研究成果。优渥的环境、卓越的成就并未磨灭范衠的报国之心，在他看来，机器人研究应用已进入对机器人自主决策能力、运动和交互能力提出更高要求的新阶段，而中国机器人长期停留在系统集成的制造阶段。面对“机器人革命”带来的巨大机遇，国内机器人研究滞后的情况亟待改善。鉴于这种情况，范衠决心回国，力求以自身所学所见的国际前沿专业知识帮助中国机器人产业发展。随后，范衠与求贤若渴的汕头大学一拍即合，他在汕头这座“特别有魅力”的城市定居下来。

　　多年海外经历带来的国际视野，让范衠充分认识到科研与产业结合、多学科协同发展的重要性。用科研拥抱产业，用综合的机器人技术解决企业的痛点、难点问题，是范衠不懈的追求。范衠希望可以将机器人研发及应用作为切入点，推动汕头经济发展质量变革、效率变革，为汕头创新发展注入新活力。为此，范衠以广东省数字信号与图像处理技术重点实验室主任、进化智能与机器人国际联合研究中心主任、汕头市机器人与智能制造研究院执行院长等多重身份积极投入到产学研转化的进程中，从智能机器人技术研发及成果转化、基于深度学习的图像处理算法的开发及智能优化算法研究领域入手，为企业提供了多套具有重要应用价值的智能机器人及相关技术领域的解决方案。

　　自2012年定居汕头以来，范衠先后研发了用于生产领域的电厂智能监盘机器人、平衡示教机械臂及用于温室采摘、道路裂缝检测、电厂巡检等的两代多用途复合型机器人系统等一系列产品，范衠用设计自动化的方法对机器人产品进行优化设计，并充分结合深度学习和优化算法，兼顾实用性和灵活性，使相关机器人在准确高效完成当前任务的同时，可实现面向不同设计要求的快速定制。这些已经投入使用的机器人产品帮助相关企业在人员安全性、操作稳定性实现快速提升，获得了相关应用企业的广泛好评。

　　除此之外，范衠充分挖掘机器人视觉方面的潜力，其开发的智能图像处理算法，已广泛应用于多个生产生活领域，并取得了显著的经济效益和社会效益。如应用于工业领域的钢坯字符识别项目和钢筋端面识别项目，可快速地对图像中的钢筋断面进行识别定位和有效计数，大大减少了生产环境中钢筋断面计数的人力成本；或应用于医疗领域的眼科疾病辅助诊断系统，为视盘检测的研究提供了新的方法和思路，对早期发现和治疗不同的眼部疾病具有重要价值；在生态保护领域，范衠基于深度学习的智能图像处理算法也有积极应用：他发明的中华白海豚背鳍定位与识别系统，融合图像处理方法和深度学习算法对中华白海豚背鳍进行定位与识别，对于生物行为研究和海洋生态保护有重要意义。

　　同时，为设计出满足用户需求的不同构型机器人，以及不断提高机器人解决问题的能力，范衠极为重视智能优化算法的研究。在智能进化算法领域，范衠提出了集中基于分解的（MOEA/D）和基于支配的（NSGA-II）两大类多目标进化算法优点的多目标进化算法，可同时提高多目标算法的收敛性和分布性。此外，范衠还提出了一种基于分解排序（DBS）与角度选择（ABS）的多目标算法MOEA/D-SAS，有效解决了种群收敛性和多样性平衡的问题。在约束多目标进化算法领域，范衠提出从无约束Pareto前沿反向搜索到约束Pareto前沿的思想，有效克服了传统约束多目标进化算法无法跨越多个不可行区的难题。在此基础上，范衠提出的基于角度约束支配的方法（Angel-based constraint domination principle，ACDP），保持了种群的收敛性、多样性和可行性方面的优势，充分体现了所提出的约束处理机制ACDP的有效性。据范衠介绍，带约束条件的多目标进化算法方面的研究已成为他所带领的广东省数字信号与图像处理技术重点实验室的研究特色，相关研究成果也取得了国际领先的学术地位。对图像处理技术和智能优化算法的研究，成为范衠团队在机器人研究领域的理论基石，为机器人的设计、开发起到良好的支撑作用。

　　2019年12月，中国产学研合作创新奖获奖名单新鲜出炉，为汕头机器人产业贡献颇丰的范衠榜上有名。这既是对他坚持产学研深度融合的极大认可，也是对他坚持科技创新服务社会、服务产业理念的肯定。现在，范衠已主持包括国家自然科学基金面上项目和中央军委科技委基础研究项目在内的国家和省部级科研项目10项，承担项目总经费2000多万元，其代表性成果在IEEE Transactions on Image Processing、IEEE Transactions on Evolutionary Computation等国际顶级期刊发表，同时担任广东省图象图形学会常务理事、中国人工智能学会智能机器人专委会执行委员、广东省科协智能制造学会联合体第一届专家委员会委员等职务，是国家自然科学基金、教育部科技奖励、教育部长江学者等项目的评审专家。

　　能力越大，责任越大。为了进一步推进合作的深度和广度，范衠还主持了广东普通高校国际暨港澳台合作创新及国际合作重大项目“基于进化计算的智能机器人系统自动优化设计”以及广东省国际科技合作基地项目“融合多目标进化计算和深度神经网络的机器人设计自动化平台”，以开放、学习、融合、创新的心态，不断加强交流与合作，积极推进科研成果的应用与产业化发展，以实现不同地域、不同平台间企业与科研成果的优势互补，为中国机器人产业的发展添砖加瓦。

　　

薪火相传，让人才成为产业发展的有生力量

　　在范衠看来，在中国做机器人，“单打独斗”是绝对行不通的，国内智能机器人产业人才缺乏是制约其发展的重要因素。中国机器人产业想要做大做强，人才的培养、引进和留存是重中之重。为此，在日常的教学过程中，范衠特别重视对学生自主研发能力的培养，尤其强调设计思路的创新与实践。在他的指导下，汕头大学工学院本科生已经可以自行设计、开发、制作“安防机器人”等功能性机器人，具备平移、旋转、自主躲避障碍、寻找识别目标和跟踪特定目标等功能，同时造价很低，具有极强的市场竞争力。这种形式既激发了学生进一步钻研的兴趣，也对科技成果转化起到了良好的示范作用。范衠正在以言传身教的方式，为我国机器人研发培养“敢想能做”的后备人才。对于机器人领域相关人才的引进，范衠也多次建言，希望未来汕头能加大智能机器人产业的投入，并通过建设更多的研究院和机构，来吸引并留住更多相关领域的人才，以便更好地促进产业发展。

　　与此同时，范衠的研究成果也频频出现在科普教育领域，配合不同的科教形式，在不同年龄段学生的心中种下兴趣的种子。范衠与企业合作开发的智能科教机器人、卡片式编程机器人和EST可视化编程机器人已经量产并投入使用，上述机器人具备多种人机交互功能，在青少年科普教育领域大放异彩。此外，通过体验互动、科普讲座等形式，范衠与汕头市的中小学生建立对话，以科教融合的方式培养中小学生的科技创新能力，提升科技素养。范衠说：“汕头大学目前拥有广东省数字信号与图像处理的重点实验室和汕头市人工智能技术研究院，这两个研究平台都能够直接助力中小学生人工智能和机器人教育。当孩子们看到身边的哥哥姐姐们都能够开发机器人、开发人工智能算法，就会觉得人工智能就在身边，说不定能激发他们未来从事相关研究的积极性。”

　　早在2014年，中国已经成为全球最大的工业机器人消费国，范衠的愿望就是帮助中国成长为机器人研发和生产大国。未来，范衠将用自身所学积极推动我国机器人产业生态的形成与发展，在机器人核心技术和应用领域不断突破，继续在机器人研究和应用领域发掘更多的可能性。