科研路上的兴趣与思考
作者：刘有婷 范德强
来源：《科学中国人·上半月》2021年第02期
如何评判自己当下的研究方向是否正确？李福生给出的回答是依据兴趣。如何在自己的人生道路上走得更好？他则说要善于思考。多年来，电子科技大学李福生教授致力于网络化与智能化仪器科学与技术、人工智能与云计算技术、自动化测控技术、智能化电机控制器技术、智能风电装备与控制技术及智能无人机控制器领域的研究，在理论和实践方面取得了一系列成就。他说：“我们首先要追随自己纯粹的科研兴趣，然后通过思考将兴趣转化成对社会有实际意义的事情”。
游子归国
凡是见过李福生，哪怕与其只有一面之缘的人，几乎都会被他身上所流露出的儒雅气质所折服。细框的黑边眼镜、朴素得体的服饰，举止间一派从容温和。就连谈话时，他也是时而严谨机敏、无一遗漏，时而妙语连珠、幽默横生，全然一派中国传统儒士与西方精英兼容的形象。
李福生出生于福建，自古江南多才子，依山傍水的闽地更是聚集了文人的灵秀之气，历史上曾出过朱熹、柳永、李贽、陈景润等众多文人才子。生长于此的李福生秉承了此地的钟毓之气，自小思虑机敏，并喜好手工机巧之术，时常拆解一些简单的器具，研究清楚其中的工作原理之后再组装回原型，在这拆解和组装的过程中李福生获得了莫大的乐趣。
20岁时，李福生走出福建，考入上海交通大学攻读学士和硕士学位。因为从小喜欢多思多虑的缘故，当时的李福生就隐隐感觉到高端科技一定会成为未来科研的主流方向，因此先后选择了核工程与动力机械工程专业。为了学习工程科学，在本硕期间他掌握了包括模拟仿真计算、编程等在内的计算机技能，让他没想到的是，这会跟随他之后的整个科研道路，并成为其中不可或缺的重要工具。
后来当李福生回忆起自己在上海交大的那段求学时光时，他总会用特别温和的语气来表达自己的感恩及幸运。原来，硕士时期的他师承我国著名的能源与发动机燃烧专家，现今的上海交通大学副校长、中国工程院院士黄震，作为集科研知识与成就于一身的资深学者，黄震院士在发动机燃烧与排放控制、大气污染控制及能源政策战略研究等方面取得了众多成果。而作为黄震院士的学生，李福生在长期追随其学习的过程中，逐渐理解了科学研究中复杂的知识及严谨的实验方法，同时还掌握了团队合作及交流的方式，为他日后的科研工作做了重要铺垫。因此，后来每当李福生谈起在上海交通大学的求学经历时，总是会直言不讳地表示黄震院士的影响足以让他感悟终生。
但是，喜欢探索的李福生并没有满足于在国内的研究见识，7年后，硕士毕业的他离开了充满吴侬软语的上海，飘洋过海远赴美国的北卡罗莱纳州立大学，攻读核科学与工程专业的博士学位，并在此之后因为兴趣修读了统计学的硕士学位。或许是冥冥中注定，从计算机到统计学，李福生逐步找到了自己真正感兴趣的科研方向，并且掌握了与人工智能相关的科研知识及技能。
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经过多年的积累，在美国留学时期的李福生开始大放异彩。在当时，他和课题组成员通过软件模拟研发出新的算法，成功解决了电路中高速采集的脉冲堆积问题。由于该算法使得科研人员在众多实验中，可用粒子加速器代替含有有害物质的同位素，因此面世之后，先后被广泛应用于石油、医疗器械及成像等领域，得到了国内外学术界的一致认可。也因此，李福生曾和荷兰皇家壳牌集团、美国贝克休斯公司等国际石油巨头保持密切合作。对于这样一位在科研上极具天赋且能够深入钻研的研究者，李福生的博士生导师曾评价道：“李福生博士的研究成就具有独创性和多样性，并被全世界范围内的同行接受并认可，在我1967年以来指导的41位博士研究生中，我把李博士排在前4位。”
眼看着自己在国外学术领域已经展露锋芒，并在北卡罗莱纳州立大学做到了研究教授的职位，照此推算，如果继续留在国外发展，李福生并不会缺少不错的机遇与资源。然而，他本就是中国走出来的学者，故国的山水、文化都深深地烙印在他的血液中，即使是在国外，他也时刻关注着国内的发展动态。他深知，随着经济飞跃式的发展，我国的工业、医疗、航空航天等领域对能源、环保安全的需求也在不断加大，然而我国在相关方面的技术却仍存在短板。因此，2018年，他毅然放弃了国外的大好发展前景，带着满腹的学识回归祖国，并就职于位于四川成都的电子科技大学自动化工程学院。
长期以来，电子科技大学以电子信息科学技术为核心，在研究方向上覆盖了整个电子类学科，拥有多个国家级实验室，在电子信息方面被誉为世界一流大学。在李福生看来，既然自己回国的重点是在“做事”上，势必就要选择最为合适的平台，给自己争取充分施展拳脚的空间，从而尽可能多地为国家科技发展贡献自己的力量。因此，电子科技大学自然成为了他回国从事科研工作的最佳选择。
科技报国
回国后的李福生非常清楚自己的定位。“基础研究者更多地在于追求一种普遍的真理或理论突破，而作为工科领域的研究者，我更希望以基础研究为核心，落实科技成果产业化，推动我国能源探测及环保安全等领域的高技术装备的升级。”李福生微笑地总结自己归国后的研究规划。
多年的研究生涯养成了李福生广阔的研究视野，他清楚地认识到在当下的社会发展环境中，能源探测及环保安全等领域对于光谱分析技术的需求。不论是国内还是国外，随着工业和科技的发展，对能源的需求都在呈現逐步加大的趋势，而新能源和可再生能源成本又相对偏高，因此，即使世界能源走势面临诸多不确定因素，化石能源主体地位在短期内仍然难以替代。十九大报告中曾指出，要推动能源供给革命，建立多元供应体系。因此，增加对能源的探测及开采量成为了当下时代的重要任务。
然而李福生在经过全面而深入的调查后，却清楚地认识到，我国科研在能谱分析领域起步晚，在理论研究、测量精度、数据分析能力等方面仍有很多不足，难以支撑我国在能源探测方面的需求，因而导致了与能源探测相关的很多精密仪器与科学仪器需要大量依赖进口。
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比如，我国高端的光谱仪器大多都是由国外进口，国外的生产商近乎统治了我国的光谱仪器市场，所生产的光谱仪占据了我国在该领域市场销量的90%左右。“市场被挤压导致的直接后果就是我国光谱仪行业的发展严重发生萎缩，同时还严重束缚了我国能源探测工作的开展。”李福生一边皱眉说道，一边用右手的大拇指摩挲着左手大拇指的关节，这是他思考时的习惯性动作。“因此，必须要研制出能源安全，国家急需的高技术光谱勘探装备，推动我国能源行业的技术升级，同时扩大国内光谱仪器市场。”李福生总结道。
基于上述考虑，李福生毅然决定在国家自然科学基金的支持下，开展“源于基本参数法的XRF光谱快速建模理论及智能反演算法研究”项目，研究高效可靠和智能化的XRF光谱测量创新性理论方法。在研究中，他将基于基本参数法研究快速生成完整XRF光谱的创新性模型，通过实验验证运用该模型生成光谱数据的准确性，并在光谱大数据的基础上运用深度学习算法实现待测样品的元素种类的定性判别和元素含量的精准定量分析。同时，他还将人工智能方法用于解决仪器硬件参数自动优化，该创新思路为研制具有自学习、自诊断、自决策等优点的智能科学仪器建立了理论基础和方法。
事实上，这一项目的开展不仅能够对我国能源探测事业的发展大有裨益，对我国环保工作的细化升级也起到了重要的影响。长期以来，随着光谱科学研究的逐步发展和光谱分析技术应用领域的不断扩大，在线定性定量检测技术的快捷性和准确性成为科学家关注的焦点。2020年，国务院办公厅印发的《关于构建现代环境治理体系的指导意见》强调通过使用监测方法提高治污能力。而李福生在该项目的研究中开展的关于光谱信息分析中光谱数据的多来源，以及对超出定标范围的未知样品准确分析等的研究，使得我国对于环境污染的分析能够更为快速和细致，推动了我国环保事业更上一层楼。
但在研究国家能源、环保安全的高技术装备方面，李福生的规划并不止如此，他还成功研发了高精度X射线光谱成分分析仪。相比市面上普通的光谱分析仪器，该产品具有更高的灵敏度、准确度，不仅能实现无损检测，而且测量的范围更大，可广泛应用于石油、天然气煤层气勘探与开采，铀矿探测以及金属、食物、植物、土壤的检测等。相当于在这些工作中做到将庞大的岩芯分析实验室微缩成一个小型高效的井下探测仪，在检测地层元素含量及岩性等的过程中，提高仪器的饱和度、渗透率及含和饱和度的测量精度。在李福生及其团队的努力下，根据该成果研发出的手持X射线光谱成分分析仪目前已经投产到第四代，这对于摆脱对国外技术的依赖，实现我国在地质考古、公共安全、环境保护、食品安全等領域的探测设备核心部件的升级及市场国产化产生了实际且重大的影响。
在李福生以横向的目光关注光谱分析仪器在能源探测及环保安全领域的应用时，他注意到了其在无人机探测方向的使用安全问题。原来，科研人员在开展能源探测、防灾救灾等工作的过程中，有时难免会遇到人力难以到达的艰险地带。在这种情况下，利用无人机搭载光谱仪，代替人类前往无人地带进行探测就成为了科研人员不错的选择。然而，单架的无人机在空中飞行的时候经常会因为电机损坏或承载力不足等各种因素发生坠机事故，而一旦坠机，安装在上面的光谱仪也难免随之坠毁。那么，降低无人机的坠机风险，就成为了保障光谱仪使用安全，顺利开展无人机探测工作的重要因素。
那么，如何降低无人机坠机风险呢？对此，李福生给出的答案是研发组合式无人机。事实上，在国外市场上，组合式无人机领域在多年前就有人踏足，但国内市场的发展却因为一直存在着大型无刷电机的产品不成熟、载重相对较弱、植保无人机配套服务滞后、行业标准混乱等问题而始终处于几乎停滞的状态。在这种缺乏外界研发经验的情况下，李福生便开始凭借自己多年来在计算机及工程领域的研究，将多种高精度传感器组，以及高性能的处理数据的算法结合，最终研发出了较普通产品具备更为优秀的控制效果的新型无人机。“该新型无人机还改善了植保无人机在工作过程中对时变系统的适应能力和工作效果。”李福生颇为满意地说道。
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不仅如此，李福生扶了扶眼镜框架，进一步向记者介绍到，目前，他正在研究一种新型可变形的空中机器人，该空中机器人实质上是由多架矢量无人机组合而成的，通过不同的组合方式来产生不同的特性来满足各种要求，增大其对探测仪器的承载能力。“这样一来，如果其中一架无人机发生故障，剩下的几架也会通过自由组合继续工作，不会产生坠机的结果。”这样一来，科研人员便可以更加放心地利用无人机搭载光谱仪器开展能源探测及防灾救灾等方面的工作。另外，除了降低坠机风险外，该新型可变形空中机器人还具有自由组合的特性。“无人机的这种高自由度，为其搭载的光谱仪器提供了更多在空中探测的可能。”李福生解释道。
事实上，不论是光谱仪器还是组合无人机的研发，李福生都是走在领域的前端，并没有太多前人的经验可供他借鉴。他在整个过程中就像在摸着石头过河，不停地摸索，一遍遍地试错。“很多个通宵都是这么熬过来的，面对外界的质疑，实验的失败，我们都必须把内心的急切、迷茫的情绪压制下来，走过一道道研究的弯路之后，才能找到仅有的那几条能够达到自己目标的路。”李福生语气温和地说道。如今，这种苦心钻研的毅力不仅出现在关于光谱仪器与组合无人机的研发中，还出现在关于智慧工厂的研究中。
在提及智慧工厂这一研究方向时，李福生介绍道，这是光谱仪的另一大应用领域。李福生认为，随着中国制造业越来越发达，产品工业材料尤其是合金材料的质量成为大家关注的焦点之一，在过去发生的诸多严重工业事故中，一半以上是由于合金材料混料与管道系统损坏引起的。因此，监控生产过程中生产设备合金材质的变化，确保安全生产比以往任何时候都显得重要。“然而一般的抽样检验存在安全隐患，对于涉及的所有关键材质以全检代替抽样检验才是安全生产的保证。”李福生语气严肃地说道。因此，他将XRF光谱仪应用到了合金材料的分析鉴别中，然后将分析得到的数据传输到企业的智慧工厂体系以及企业质量把控的软件中，有效地避免了工业生产中使用不合格或者规格不符的合金材料，为生产出质量合格，令人放心的工业产品做出了重要保障。
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比如，我国高端的光谱仪器大多都是由国外进口，国外的生产商近乎统治了我国的光谱仪器市场，所生产的光谱仪占据了我国在该领域市场销量的90%左右。“市场被挤压导致的直接后果就是我国光谱仪行业的发展严重发生萎缩，同时还严重束缚了我国能源探测工作的开展。”李福生一边皱眉说道，一边用右手的大拇指摩挲着左手大拇指的关节，这是他思考时的习惯性动作。“因此，必须要研制出能源安全，国家急需的高技术光谱勘探装备，推动我国能源行业的技术升级，同时扩大国内光谱仪器市场。”李福生总结道。
基于上述考虑，李福生毅然决定在国家自然科学基金的支持下，开展“源于基本参数法的XRF光谱快速建模理论及智能反演算法研究”项目，研究高效可靠和智能化的XRF光谱测量创新性理论方法。在研究中，他将基于基本参数法研究快速生成完整XRF光谱的创新性模型，通过实验验证运用该模型生成光谱数据的准确性，并在光谱大数据的基础上运用深度学习算法实现待测样品的元素种类的定性判别和元素含量的精准定量分析。同时，他还将人工智能方法用于解决仪器硬件参数自动优化，该创新思路为研制具有自学习、自诊断、自决策等优点的智能科学仪器建立了理论基础和方法。
事实上，这一项目的开展不仅能够对我国能源探测事业的发展大有裨益，对我国环保工作的细化升级也起到了重要的影响。长期以来，随着光谱科学研究的逐步发展和光谱分析技术应用领域的不断扩大，在线定性定量检测技术的快捷性和准确性成为科学家关注的焦点。2020年，国务院办公厅印发的《关于构建现代环境治理体系的指导意见》强调通过使用监测方法提高治污能力。而李福生在该项目的研究中开展的关于光谱信息分析中光谱数据的多来源，以及对超出定标范围的未知样品准确分析等的研究，使得我国对于环境污染的分析能够更为快速和细致，推动了我国环保事业更上一层楼。
但在研究国家能源、环保安全的高技术装备方面，李福生的规划并不止如此，他还成功研发了高精度X射线光谱成分分析仪。相比市面上普通的光谱分析仪器，该产品具有更高的灵敏度、准确度，不仅能实现无损检测，而且测量的范围更大，可广泛应用于石油、天然气煤层气勘探与开采，铀矿探测以及金属、食物、植物、土壤的检测等。相当于在这些工作中做到将庞大的岩芯分析实验室微缩成一个小型高效的井下探测仪，在检测地层元素含量及岩性等的过程中，提高仪器的饱和度、渗透率及含和饱和度的测量精度。在李福生及其团队的努力下，根据该成果研发出的手持X射线光谱成分分析仪目前已经投产到第四代，这对于摆脱对国外技术的依赖，实现我国在地质考古、公共安全、环境保护、食品安全等领域的探测设备核心部件的升级及市场国产化产生了实际且重大的影响。
在李福生以横向的目光关注光谱分析仪器在能源探测及环保安全领域的应用时，他注意到了其在无人机探测方向的使用安全问题。原来，科研人员在开展能源探测、防灾救灾等工作的过程中，有时难免会遇到人力难以到达的艰险地带。在这种情况下，利用无人机搭载光谱仪，代替人类前往无人地带进行探测就成为了科研人员不错的选择。然而，单架的无人机在空中飞行的时候经常会因为电机损坏或承载力不足等各种因素发生坠机事故，而一旦坠机，安装在上面的光谱仪也难免随之坠毁。那么，降低无人机的坠机风险，就成为了保障光谱仪使用安全，顺利开展无人机探测工作的重要因素。
那么，如何降低无人机坠机风险呢？对此，李福生给出的答案是研发组合式无人机。事实上，在国外市场上，组合式无人机领域在多年前就有人踏足，但国内市场的发展却因为一直存在着大型无刷电机的产品不成熟、载重相对较弱、植保无人机配套服务滞后、行业标准混乱等问题而始终处于几乎停滞的状态。在这种缺乏外界研发经验的情况下，李福生便开始凭借自己多年来在计算机及工程领域的研究，将多种高精度传感器组，以及高性能的处理数据的算法结合，最终研发出了较普通产品具备更为优秀的控制效果的新型无人机。“该新型无人机还改善了植保无人机在工作过程中对时变系统的适应能力和工作效果。”李福生颇为满意地说道。
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不僅如此，李福生扶了扶眼镜框架，进一步向记者介绍到，目前，他正在研究一种新型可变形的空中机器人，该空中机器人实质上是由多架矢量无人机组合而成的，通过不同的组合方式来产生不同的特性来满足各种要求，增大其对探测仪器的承载能力。“这样一来，如果其中一架无人机发生故障，剩下的几架也会通过自由组合继续工作，不会产生坠机的结果。”这样一来，科研人员便可以更加放心地利用无人机搭载光谱仪器开展能源探测及防灾救灾等方面的工作。另外，除了降低坠机风险外，该新型可变形空中机器人还具有自由组合的特性。“无人机的这种高自由度，为其搭载的光谱仪器提供了更多在空中探测的可能。”李福生解释道。
事实上，不论是光谱仪器还是组合无人机的研发，李福生都是走在领域的前端，并没有太多前人的经验可供他借鉴。他在整个过程中就像在摸着石头过河，不停地摸索，一遍遍地试错。“很多个通宵都是这么熬过来的，面对外界的质疑，实验的失败，我们都必须把内心的急切、迷茫的情绪压制下来，走过一道道研究的弯路之后，才能找到仅有的那几条能够达到自己目标的路。”李福生语气温和地说道。如今，这种苦心钻研的毅力不仅出现在关于光谱仪器与组合无人机的研发中，还出现在关于智慧工厂的研究中。
在提及智慧工厂这一研究方向时，李福生介绍道，这是光谱仪的另一大应用领域。李福生认为，随着中国制造业越来越发达，产品工业材料尤其是合金材料的质量成为大家关注的焦点之一，在过去发生的诸多严重工业事故中，一半以上是由于合金材料混料与管道系统损坏引起的。因此，监控生产过程中生产设备合金材质的变化，确保安全生产比以往任何时候都显得重要。“然而一般的抽样检验存在安全隐患，对于涉及的所有关键材质以全检代替抽样检验才是安全生产的保证。”李福生语气严肃地说道。因此，他将XRF光谱仪应用到了合金材料的分析鉴别中，然后将分析得到的数据传输到企业的智慧工厂体系以及企业质量把控的软件中，有效地避免了工业生产中使用不合格或者规格不符的合金材料，为生产出质量合格，令人放心的工业产品做出了重要保障。
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