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孙小倩:航空交通研究的平衡之美

来源:  发布时间:2022-06-27

孙雅琴

 

 

航空交通网络是由空管航路管制网络、航空公司航线运行网络、航空物流运输网络构成的复杂航空运行巨系统,具有节点异构性、网络规模性、调控时变性的特征。北京航空航天大学(以下简称“北航”)国家空管新航行系统技术重点实验室副教授孙小倩的研究就是从航空交通多参与者的角度出发,基于多源异质海量航空实际运行数据,对其进行建模分析及优化调控。为此,她探索航空交通网络的运行机理与规律,同时通过产学研合作,推动以航空交通应用为背景的成果。

2022年,站在科研人生第三个7年的尾巴上,孙小倩凭借在航空交通网络、多模式交通系统、大规模复杂系统韧性等方向的突出成绩,从激烈的竞争中脱颖而出,一举斩获第二十四届茅以升科学技术奖-北京青年科技奖。对此她说,是努力所得,也是机遇赠予。

 

飞行器设计的多准则决策

 

总结起来,孙小倩的科研生涯是由“37年”组成的。20012008年,第 一个7年,她在有着浓厚国防军工文化的西北工业大学(以下简称“西工大”)度过。西工大的校训是“公诚勇毅”,校风是“三实一新”。孙小倩的本科专业是电气工程及自动化,之后以优异的成绩保研到电子与电力传动专业。她记忆中的大学生活,课业非常重,整日上课、自习。多年以后,她感慨,正因为这样严格的要求才让她打下了一个好底子,有机会前往德国留学。

20082015年,科研生涯的第二个7年,孙小倩在德国宇航院(German Aerospace CenterDLR)空中交通系统研究所完成了博士学业,并随后继续开展博士后研究。其间,她主要进行飞行器设计的多准则优化。德国人注重工程应用的科研风格,给她留下了深刻印象。“我们是系统分析组、飞行器设计组、航空交通基础设施与过程组、航空公司运营组四组联动。我在系统分析组,负责基于多准则的飞行器概念设计。研究所要求将这部分工作跟市场需求紧密结合。所以,我不仅要考虑设计,还要考虑市场、维修等因素,然而各种要素存在着潜在冲突,需要选一个折中的方案,多准则决策是我科研的一大特色。”

其间,孙小倩参与了德国联邦教育研究部BMBF下一代机场系统预研项目“机场2030”项目。“德国人热衷无起落架飞机(Ground-based Landing Gear System),飞机设计最重要的目标之一就是减重。结构重量减轻,意味着行李或乘客等有效载荷就可相应增加。”孙小倩和同事提出,额外设计个起落架,就像“滑板”,当飞机起飞后,“滑板”就留在停机坪上。它可以自动回到跑道,并利用精准定位技术,预判、识别飞机的降落。相比传统飞机,无起落架飞机在减重、耗油量、增加收益等方面都有着巨大优势。

混合机翼飞机(Blended Wing BodyBWB)也是孙小倩在德国时就接触的研究。“在国内叫‘翼身融合体’,这意味着机翼部分也可装载乘客。德国人重视乘客的体验感,所以不光考虑设计,也考虑乘客的接受度、满意度及运营风险等。我所在的课题组,要对此进行技术评估。”这又是多准则的,让各类要素保持微妙的平衡,在孙小倩看来极有意思。

 

科学价值与国家需求相结合

 

2015年,孙小倩决定回国发展。“刚落地北京,国家空管新航行系统技术重点实验室(以下简称‘实验室’)主任张军院士就请我去北航作报告。张院士名声在外,我是慕名前去。”那天报告一结束,张院士开门见山,邀请孙小倩加入北航。回想起来,孙小倩说她考虑了不到5分钟就决定了。“北航科教平台广阔,科研氛围创新自由,又大力支持年轻学者,特别那还是一个拥有四五十名教授的院士团队,我立刻就心动了。”

20152022年,这是孙小倩科研生涯的第三个7年。相比母校西工大的厚重整肃,北航校训是“德才兼备,知行合一”,校风是“艰苦朴素、勤奋好学、全面发展、勇于创新”。在这里,她主持完成了国家自然科学基金中德国际合作与交流项目和青年基金各1项,参与重点项目和重大研究计划等4项,相关研究涉及无人机临近空间平台与卫星组网机理与验证研究、航空网络运行安全与优化等。迄今,孙小倩共发表论文90余篇,其中在《交通科学》(Transportation Science)、《交通研究》A/B/C/E系列(Transportation Research Part A/B/C/E)等期刊上发表一作或通讯《科学引文索引》(SCI)论文50余篇,谷歌学术引用1300余次(3篇基本科学指标数据库<ESI>高被引论文),引用学者包括英国皇家工程院院士、美国麻省理工学院航空航天系副主任、哈佛大学教授等;获国际/国内会议最佳论文奖6次。因突出表现,她先后入选北航“卓越百人”、“青年拔尖”和“青年科学家团队”人才计划;获2018年中国智能交通协会科学技术一等奖1项(排名第5),2019年国家科学技术进步奖二等奖1项(排名第9),2020年交通运输部青年科技英才称号,2021年中国航空学会航电与空管分会优秀青年学者称号,2022年第二十四届茅以升科学技术奖-北京青年科技奖。

航空交通网络优化设计研究,孙小倩做得挺有成就感。“在我国航空公司运营中,除飞机购置成本外,机组人员费用、燃油费用等也相当高。飞行成本高,票价便降不下来。”孙小倩认为,如能改善运营网络的结构,低票价将成为现实。“比如,西安到北京客流量大,可以针对性地采用大型飞机,将每次运载的乘客数量从300人提升到600人甚至800人。或者采用与高铁合作的模式,航空公司收益提高,自然可让利给消费者,降低票价,进而刺激消费,拉动市场,实现多方共赢。”

城市空中交通无人机是孙小倩的在研项目之一。“如今在杭州,无人机货运已经应用到外卖行业。早高峰时期,在应用程序上下单没多久,无人机载着咖啡就送来了。”此外,这项研究还可应用于载客。在大城市,从市中心到机场往往要倒好几趟地铁,开车还常遇拥堵路段。如果坐无人机,假使以100千米每小时的速度,可能20分钟就到了,效率大大提高。城市空中交通无人机的出现,有助于缓解城市交通压力,在几年内有望落地推广。

孙小倩相信,好奇心和信念感之于科学家有重要意义,所以她总是在做既具科研价值又对社会有益的研究,在个人兴趣和社会责任间寻求平衡。如今,航空交通网络研究与航空工程结合的“大交通”已成为发展趋势。国家提倡打造综合交通规划建设运营大平台,推动实现“规划一张图、布局一张网、运行一张表、出行一张票”,孙小倩也正致力于此。

 

科研与教学紧密融合

 

近年来,产学研一条龙已经发展为实验室的一大特色。实验室在张军院士的带领下,秉持“大团队、大项目、大科研、大奖项”的理念,依托中国民航空管局、数据通信有限责任公司、北京首都国际机场等进行产学研合作,在成都、杭州等均建立了校企合作的创新研究院。

紧跟实验室开放的步伐,孙小倩以全球视野与国际同行保持着紧密的联系。她是航空交通领域知名期刊《航空运输管理杂志》(Journal of Air Transport Management)副主编、国际民航组织航空航天工程教育联盟理事会委员、中国交通运输协会青年科技工作者委员会委员,以及由美国联邦航空局和欧洲航行安全组织举办的航空交通国际研究会议(ICRAT45名学术委员中仅有的两名中国学者之一,是航空研究探讨会(SOAR16名学术委员中仅有的中国学者。2018年、2019年,她先后以德国亚琛工业大学冯卡门学者、德国德累斯顿工业大学德累斯顿学者的身份出国访学。20197月—20223月,她还担任北京航空航天大学国际通用工程学院副院长,发挥国际合作特长,多次组织承办国际学术会议,为北航打造出了国际合作与交流的新名片。

目前,孙小倩课题组(Multi-Modal Mobility Networks)有5名硕士生和5名博士生。她让学生以兴趣、能力及优势等选择研究方向,航线网络设计、无人机路径规划、机器学习智能优化算法、航空公司运营优化等方向都有人在做。她还根据学生的职业规划,进行精准培养。“北航已取消对硕士生的论文发表要求,如有学生对发文章不感兴趣,我就会让其尽早到行业单位实习并安心写毕业论文。”在孙小倩看来,一名合格的导师不仅要让学生顺利毕业,还要让他们找准自己的人生道路,培养他们成为优秀的航空航天人才。

(责编:王芳)


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2022年7月

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