陈彩莲：在信息与控制的世界里，来一些奇思妙想

编者按

“中国青年女科学家奖”是欧莱雅和联合国教科文组织“为投身于科学的女性”计划在中国的发展和延伸，由中华全国妇女联合会、中国科学技术协会、中国联合国教科文组织全国委员会以及欧莱雅中国于2004年联合设立，已成为专门面向广大女科技工作者的全国性奖项。截止第19届，共有204位女科学家脱颖而出，她们弘扬科学家精神，矢志科技报国。女科学家，一代耀一代。

果壳采访了第十九届“中国青年女科学家奖”的部分获奖女科学家，让我们一起听听她们与科学的故事。

被采访者：

陈彩莲 上海交通大学电子信息与电气工程学院/工业自动化

上海交通大学自动化系特聘教授 陈彩莲

2003年的一天，陈彩莲刚来香港还没多久，这位正在城市大学攻读控制与系统专业博士学位的浙江姑娘无暇出门领略香江风光，几乎所有的时间都拿来和各种方程式死磕。眼前那堆已经磨了一个月的理论推导看起来还是没有眉目，但直觉告诉她，方向没有错。困顿之余，她拿出闲置好一阵子的画笔，涂抹起来。她想画一根羽毛，火焰一样的羽毛，同时，她告诉自己，“还需要更多的耐心”，要相信灵感之火总会被点燃。

喜欢物理，想做科研

2023年的年末，我们采访了此时身份已是上海交通大学自动化系特聘教授的陈彩莲，她刚刚获得第十九届的中国青年女科学家奖。说到当年这副画作，陈教授惊觉时间匆匆，不经意间二十年竟然过去了，幸有画笔定格下来那个苦苦思索、寻求突破的状态，她把它取名为《燃》。

陈彩莲画作《燃》，2003

“燃”这个字在如今的网络语境下代表着热血澎湃的励志感，甚至形成了青年人当中的一种亚文化，而青年时代的陈彩莲，确实充满了“好燃”的特质，二十多年前，主动选择工业自动化的女生并不多，但陈彩莲从小喜欢物理，高中时还在班会上宣称过以后要做科学家。她觉得，科学家就是要去发射人造卫星的，所以上大学后就读了这个专业。本科和研究生期间，她不仅专业成绩出众，还会去图书馆里借阅诺伯特·维纳和克劳德·香农的书。维纳是控制论的开创者，而香农则是信息论的创始人，了解这类领域开山鼻祖型人物的思想，不仅让她窥探到了学科的博大与奥妙，也让她厘清了自己想要什么——做科研，去搞懂这个世界上还没有答案的许多问题。

学生时代的陈彩莲

目标感非常清晰的她，早早就选好了自己的导师，“其实我在硕士期间做研究的时候就看了他的文章，我一直以为他在澳大利亚，后来他说已经转到了香港城市大学，我就跟着去读了博士。”

她成了国际知名的自动控制专家冯刚教授来香港后招收的第一位博士生，而在博士期间完成的论文《离散时间模糊系统的H_inf.输出反馈控制及其在混沌控制中的应用》，获得了美国电气与电子工程师协会（IEEE）评选出的“2005年度《IEEE模糊系统汇刊》杰出论文奖”。《IEEE模糊系统汇刊》是模糊系统领域最顶尖的期刊，在中国国内学者中，此次是首度获奖。

2006年，陈彩莲在香港城市大学获得控制与系统专业博士学位

这是同行们一致认为可以“吹很久”的荣誉，不过，陈彩莲对此有清醒的认识：“这是对该成果所对应的研究体系的认可，而这个体系是导师和他的合作者最初建立起来的，我相当于站在巨人肩膀上向上迈了一步而已。有一年有人做过统计，《IEEE模糊系统汇刊》过去十年里引用最高的论文，排第一的是我导师的一篇介绍模糊控制系统的综述论文，排第三的就是我和他合作的这篇文章。后来，我也带着我的学生获了多次最佳论文奖，我会告诉他们，你的工作做得不错，但是你要知道这是对你所属的这个体系的认可。”

真问题以及问题的本质

模糊系统理论是在自动控制专家L. A. Zadeh（扎德）于1965年提出的模糊逻辑概念上发展起来的一套理论，用来对现实世界当中那些模糊和不明确的现象进行建模，通过模仿人脑思维的特点，来处理常规数学方法难以解决的模糊信息，使得自动控制和智能决策可以拓展到许多复杂领域。在香港读博那段时间，陈彩莲意识到了自己并不想只是做纯理论，作为一名工业自动化领域的科研人员，她希望能把理论研究拓展到实际的工程中去。“我觉得论文获奖这方面还是其次，重要的是做有意义的研究，而且要做真问题。”

2008年，陈彩莲在香港举办的IEEE计算智能世界大会上与扎德教授交谈

2008年，她加入了上海交通大学电子信息与电气工程学院自动化系，刚一入职，就想着带学生们一起去工厂。

“到了钢铁厂以后，领导也都非常关心，非常欢迎，派了几个人说你们带着陈老师到现场去看一看。到了现场，那边的工长说，这是要下去看吗？因为他觉得你一个女老师，学生里面还有两三个女孩，虽然没有表达出来，但心里是犯嘀咕的，我们也就没有多说什么，后来我就反复去那个厂，终于等到了一次高炉休风期。在钢铁制造中，高炉平时是连续不断地烧的，10年15年才会彻底检修一次。我就领着学生直接戴着安全帽钻到了高炉里边，那些工人正在把耐火砖弄下来，检修好了再替换新的重新装上去，整个过程中我们就去看里面的传感器部署是什么样的，比如说一些热电偶，在墙壁里它是怎么安装的……等等，多次接触下来，他们才慢慢对我们有了认可。”

通过现场实地考察，陈彩莲根据自己的学科知识，针对钢厂实施方案提出了自己的传感器网络部署设计，将网络分布式感知的想法加入到了工程控制之中，这在当时可以说极具创新性。“我一直和学生们强调，一定要从实际当中去发现问题，然后再来做提炼，就不仅仅是一个工程问题。因为你是研究人员，你比一般的一线工人有优势的地方在于，你要一下子能看到问题的本质是什么，然后用一种新的创新方式去解决它。”

2010年左右，陈彩莲在听了加拿大滑铁卢大学沈学民院士和庄卫华院士的报告之后，接触了当时比较前沿的车联网研究，意识到这是智能交通领域的一个大方向，于是也开始在国内开始研发车车/车路通信设备，并与特大城市的交通特点相结合，为移动交通感知和车辆移动控制提出自己的方案。“我属于半路起家，突然特别感兴趣就做了起来，然后发现里面很有意思。”

车联网概念在那时候对大多数人来说还很陌生，“我们就跟大家说是要研发一种车车通信的设备，也就是要让汽车能够相互说话，一个非常重要的应用就是保证行车安全。像美国的交通局曾在密西根州部署了两万辆装载了通信设备的车辆，他们进行了大量实测研究，证明这的确能够很大程度地减少交通事故。”现在更多采用的方式是让车直接跟通信的基站去沟通，基站再发布一些重要的信息，对整个区域进行广播，“比如说我们开车在路上，通过导航能很快知道那条路上发生了拥堵，拥堵原因是什么，有没有事故，有事故的话是否已经处理完了，这些信息的背后都有大量工程技术在发挥作用，其中就包括移动感知技术。”

通过跟上海市交通信息中心合作，搭建路面的实时感知与信息汇聚系统，他们团队在该市高架匝道口的交通引导方面做了很多工作。

工业网关测试床与IEEE标准

这些年来，工业物联网一直是陈彩莲的研究主线。

“以前的生产，是制造大批量的同质产品，而现在越来越多的生产需求，变成了制造小批量的个性化产品，这就需要增加产线的灵活重组能力和柔性。原先为了实现这个柔性，都是把生产线停下来，人工去配置一些相关参数再重新上线，以切换到另外一种产品，现在我们希望它能够自动去切换，而且在未来，我们希望它更加随心所欲，比如说你要定制一辆汽车，到生产前一个小时都可以修改订单要求。怎样才能够实现这一切？网络要能够互联，数据要能够互通，然后系统要能够互操作，我通过一键下发指令，你现场的产线就做一个相应的匹配和改动。”

这就是所谓工业物联网，其中最核心的一个设备就是网关，它负责数据收集、网络互联和指令下发这一系列重要的功能。在她的主持下，上海交大已经建成了包含一百多个时间敏感网络(TSN)网关的测试床，针对未来工厂里面各种各样的情形，都可以提前在测试床里做测试。在实际当中，也已经应用到了一些产线，如浙江中控的3C制造，还有上海飞机制造有限公司零号车间的C919总装自动化测试平台。

陈彩莲团队开发的网关测试床已经应用到了一些实际当中的生产线

最近，她所主持的国家重点研发计划“网络协同制造与智能工厂”中的重点专项“面向智能工厂的现场级工业物联网关键设备研发”以“优秀”的成绩顺利通过了验收，获得了专家组一致好评并鼓励项目组尽快开展成果转化工作。

在承担重大项目的过程中，陈彩莲也接受了新的任务，就是要带领中国工作组去向IEEE标准化委员会提交两个标准的立项，一个是“时间敏感网络网关测试标准”，一个是“数字化表征的连接性要求标准”。其中“数字化表征的连接性要求标准”是一个全新的标准，和谁都没有冲突，通过得比较顺利，而“时间敏感网络网关测试标准”在立项申请中则经历了她所说的“没有硝烟的战争”，遇到了极大的阻力。

阻力来自于“时间敏感网络标准”是由国际知名标准化工作组制定的，“我们要立的是支持他们标准的设备的相关测试标准，涉及到后面的测试仪器、测试床、测试报告应该怎么出。他们大的规划里面本来是想做的，但还没怎么做起来，也就是我们动作比较快，抢先一步了。”

所以在立项提交以后，“时间敏感网络标准”工作组的主席就强烈反对，说这个东西和他们的是重复的，“我就在会上跟大家解释说我们这是一个网关，涉及到的是协议转换，和你们的是不同的，他就说你们没有说涉及协议转换呀，我发现他急了。”

接下去，双方在网上一通唇枪舌战。陈彩莲心想，“我们有责任代表国家队坚持去闯，绝不能遇到阻力就认输。”于是据理力争，毫不退让。最后评审委员会发起投票，有一个人动议，又有一个人附议，“没想到这就神奇地通过了。”

这件事之所以那么重要，是因为标准之争背后，其实是对于知识产权的一个布局。“所以我们也要尽快申请国际和国内的几十项专利，形成一个专利池，把和我们标准相关的知识产权给固化下来。未来大家如果真的按照这个标准去施行，那么就相当于我们保护了整个国家在这个领域的知识产权和体系。”至于它最后能不能变成一个大家都去施行的标准，还需要看产业界如何推动，因此陈彩莲也希望能够联合更多企业一起参与其中。

搭建科学与工程之间的桥梁

2018年，陈彩莲参与的团队科研项目“网络系统的分布式感知与协同控制基础理论与方法”荣获了国家自然科学奖二等奖。最近，她所在的上海交大自动化系更是从整体战略上提出了感知-传输-控制一体化的研究体系，在团队负责人关新平教授的带领下，一共有20多个老师带着学生一起参与进来。

“现在我们真正在思考的，是整个网络系统的容量，对于车联网、工业物联网或其他网络都是适用的，可以根据不同的应用领域去做相应扩展。”比如大团队里有一支队伍做水下传感网络，还有一支队伍做医疗智能诊疗网络，而陈彩莲的队伍则专注于工业网络。大家和而不同，又彼此受益。比如智能诊疗仪器的高精度控制部件，现在也被用在了国产光刻机上，而陈彩莲也将它引入到了C919关键部件的检测仪器研制当中。“我和上飞说，我给你们用了目前最牛的技术。”

“当年维纳研究控制论的时候，基于他和神经科学家有十多年的合作，提出来一个非常重要的概念，叫做反馈，就是说把信息反馈和机器还有人的整个行为连接在一起去做，那时候还没有香农的信息论。我们提出来感知通信联合的模型，以及现在我们提出来的感知-传输-控制一体化设计的总体思想，其实从维纳的书里面都能找到一些最原始的影响，我说不清楚是不是真的从他那里来，但是我们在信息丰富时代提出来的系统设计理念，我觉得很多时候是受了维纳和香农等巨人们的科学思想的影响。”

陈彩莲认为，这些伟人们提出的信息论和控制论是技术科学层面的成就，而自己现在做的是比技术科学更往下沉的工作，叫做工程科学，它可以作为技术科学和工程应用之间的一个桥梁。“工程科学的一个好处就是可以马上变得易于推广，更接近真正的工业应用本身。”

保持想象力，保持好奇心

从小喜欢画画的陈彩莲，学着画瓷器花瓶

当被问及“做你的这些研究需要有什么样的特质”，陈彩莲想了一下说，“我觉得，想要做得好的话，非常重要的一点是要有想象力。”

从孩童时代开始，她就很喜欢画画，初中时美术老师甚至建议她去接受专门的培训，但父母怕孩子太沉迷会影响学习，于是极力反对，不过这并不影响她一直把画画当作重要的爱好。“这可能是我会比一般人稍微会多一点奇思妙想，或者说天马行空的瞎想的原因。”

2005年，她第一次去美国俄勒冈州波特兰市参加美国控制会议，坐船游览了美丽的威拉米特河，就提笔画下了两岸的现代建筑和河边横错的高架桥，以及在快艇上飞驰而欢呼的人们。两年后的一天，她在英国曼彻斯特焦耳图书馆推导公式，一抬头偏瞥见了墙上一幅不规则瓷砖拼嵌而成的风景画，让她想起了自己画的“波特兰”，于是就重新找出来，改造成了《墙上的波特兰》。2006年圣诞节和新年期间，她从英国前往瑞士度假，去了很喜欢的城市卢塞恩，终于踏上了心心念念的卡贝尔桥。虽然是冬日，桥上还覆盖着白雪，却可以想象夏日鲜花盛开之际这座桥的卓尔不凡。于是她在那个冬日，用暖色调画出了夏日的绚烂，并将之命名为《冬天的夏日狂想》。

陈彩莲画作《墙上的波特兰》，2007

陈彩莲画作《冬天的夏日狂想》，2007

每到一个国外城市，陈彩莲都会去参观当地的博物馆或美术馆，“特别是到了欧洲，像乌菲兹美术馆，我就很惊叹于文艺复兴时期的艺术家们，除了对艺术的想象，还有各种各样不拘一格的呈现方式，而且你会发现数学还有科学和艺术，真的可能会有相通之处。”

所以，她提醒自己，搞研究也不能囿于一隅，要经常往别处看看。“我没有想法了就会出去走一走……非常奇妙的，上周末的时候，我送完孩子去上课，走到了新的设计大楼，这幢大楼是交大设计学院的院长亲自设计的，利用中国传统木质架构，形成了类似国外教堂的穹顶，一层层台阶让我很有冲动往上走。那天里面正好有一个建筑人类学论坛，我听了他们的几个讲座，突然有种豁然开朗的感觉。”

“我一直在试图定义工业网络系统，定义它的内涵和外延，也一直没有想通到底应该怎么去做，特别是工业现场级的定义。那天他们提到人类学研究里面，经常用的方法就叫做field，田野调查，我立刻想到这和我说的现场就是一模一样的概念。都是要深入到最前线，去获得最一手的资源和数据，本地处理完再传上去。有很多搞数据分析的人，他可以在数据这个层面做非常有意思的分析，但他们不关心去现场应该采集什么数据，也不知道我做出来的数据对现场有什么价值。而人类学这个最核心的思想方法，真的是和我们不谋而合，对我接下去进一步做好我的研究有很大的启发。”

因为对这个世界的想象与好奇是如此重要，陈彩莲也十分珍惜自己的学生和孩子身上的这些东西。

有个学生，非常焦虑自己一篇文章都还没写出来，她就鼓励他把兴趣放得宽一些，结果这个学生和她谈完了之后，写了一首诗，在校庆的诗歌创作大赛上获得了一等奖，整个人的自信心就增强了很多，后面也因为科研成果获得突破，获得了国家奖学金。

她家的孩子则完全是“散养”状态，不鸡娃不紧逼，用她开玩笑的话来说，就是“成绩可以不好，但亲子关系一定要好”。家里养了一只猫，一天，孩子问她：“妈妈，你说猫知不知道自己是一只猫？”陈彩莲很惊讶他能问出这些稀奇古怪的问题，“在我眼里，他说不定就是一个奇才……我也不想给他刻意的训练说要变成什么样，我觉得他们这一代应该更加追求个性，我想尽可能保护孩子的好奇心和想象力。”

采访/撰文：小庄

编辑：吴欧

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