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智慧水利与Digital Water 
发布时间:2019-12-12  浏览次数: 信息来源 作者降亚楠

  水是生命之源,自人类诞生以后人与水的关系从非常简单慢慢变得极度复杂和微妙起来。我们最开始利用自然(逐水而居)、顺从自然(远离洪泛区),慢慢的我们开始与洪水作斗争,开始大规模地蓄水、引水、调水和排水。当今社会经济的发展让我们跟水之间的关系变得前所未有的复杂,水科学也在这个历史过程中诞生、萌芽并慢慢变得花繁叶茂。

  水循环本身的复杂性及其与社会经济发展的不解之缘决定了水科学研究目前的难度和深度。当前最新的理念和科学技术都会在被全球的水科学研究者用最短的时间引进水科学领域,Deep learning,Digital water和Digital twins就是目前我所访问的埃克塞特大学水系统研究中心Fu Guangtao教授课题组近期的研究重点之一。一向以物理机制的模型见长的水系统研究中心开始拥抱物理机制不明有点统计味道的数据驱动的模型了,这让我一时难以理解。在与合作教授深入讨论并认真阅读最新文献的基础上,我了解到目前人工智能领域最新的技术——深度学习在众多的科研领域都有非常成功的应用,尤其是2012年以后,以深度人工神经网络(Deep Artificial Neural Network, Deep ANN)为代表的深度学习以惊人的性能和表现解决了以往人工智能(Artificial Intelligence, AI)领域难以解决的问题。

  当前受到气候变化和人类活动的双重影响,应对变化环境下的粮食安全和可持续发展需要构建基于交叉学科的越来越复杂的模型,大数据和人工智能未来会有广阔的应用前景,也会发挥更重要的作用。随着信息技术和计算机芯片的高速发展,以大数据、5G和人工智能为代表的新一代智能信息化技术已经来临,水利行业也在向智慧水利大踏步迈进。以深度学习为代表的基于大数据的数据驱动模型已经在遥感图像分类、水质分析预测、水文预报、地下水动态预报、随机水文地质学等方面有了广泛的应用。美国学者Shen Chaopeng更是以一篇长达36页的综述全面阐述了深度学习在诸多学科的应用现状并展望了深度学习在水文水资源领域应用的巨大潜力。在多次重点的文献研读和小组讨论后,我意识到深度学习是当前智慧水利和Digital water研究领域的重点、难点和热点。结合之前的研究基础迅速拟定了一年里的研修重点——尝试用新技术来更好地解决农业生态水文领域里的相关问题。并在后续的研究工作中重点关注该前沿技术。

  确定了方向之后的生活变得有非常有规律,每周的CWS Seminar、每两周的组会我一次不落、午餐期间和众多学者的交流和讨论我也积极参加,这一切让自己收获很多。访学期间我做了2次有针对性的汇报,并参加了2次国际学术会议。国外同行的部分研究让我觉得非常有启发。比如两位教授联合指导的一位博士生,为了解决洪水期间树干在桥墩前堆积这一问题,他们首先设计了一个有针对性的室内实验,并通过实验和思考构建一个具有物理机制的模型,在此基础之上编程求解,进而借助于遥感手段提取了相关信息,并用来进行模型的验证和应用。短短3年的时间里这一问题就有了突破性的进展。经验丰富的指导教师的巧妙谋划和一个基础扎实勤奋刻苦的年轻学生组成的一个小团队展现出了惊人的战斗力。也用较短的时间收获了丰硕的果实。还有一位年轻的女学者,重点关注洪水期间阻断交通这一问题,基于博士期间的洪水风险研究基础,与交通领域的学者合作,进一步详细定量分析了交通阻断后导致人们绕行所带来的额外花费,所获得的研究结果可以直接用来对整个英国的桥梁进行分类,并提出了需要优先加固和改建的桥梁。理论性极强的科学研究又一次以最快的速度紧密结合了生产实践,产生了实实在在的效益。

  国外学者对科研的热爱和全身心投入也让我感触良多。比如我之前联系的英国皇家工程学院院士、英国的首位水信息学教授Prof. Dragan Savic FREng,在临行之前他遗憾地告诉我他要离开他工作了20多年的埃克塞特大学去往荷兰KWR Water Research Institute担任CEO,因此他提议由他和Fu Guangtao教授联合指导我在Exeter的访问。他可是1998年埃克塞特大学水系统研究中心的联合创始人,有什么原因让他在慎重思考以后离开自己成长和成名的学术机构呢?可能原因有很多(英国脱欧、想换一个环境、更好的待遇),一时众说纷纭。在一次大会上他做主旨报告时吐露了一点信息,其实是为了更好、更快、更全面地开展自己的科研工作,最大化地实现自己的理想和抱负。此言是否属实?我随后认真浏览了一遍大会报告手册,在这次会议上由他参与的分会报告有10余个,而且多个题目都是当前水信息领域最前沿的内容,可见此言绝对可信。再比如隔壁办公室的一位老教授,每天风雨无阻地准时到办公室办公,偶尔不在也是因为外出做实验或参加学术会议,经常能看到他在办公室里与学生深入讨论科研问题,也经常能看到他对着两个屏幕敲代码改论文的身影。在即将离开Exeter回国的时候,一位新入学的博士引起了我的注意,他大概60多岁,已经有了两个非常可爱的外孙女。他的自我介绍几乎全面回顾了自己的一生,从幼年跟着父母在海外读书,之后回到英国继续上学,再到青年时代痴迷汽车改装学了机械,随后几十年的工程师生涯,再到眼下决定攻读水信息学领域的博士学位,他的丰富经历让人深思。谈及攻读博士学位的原因,他说了一句话“就是因为痴迷Digital Water领域的新技术和新理念”,简言之好奇心和兴趣。

  一年的时间短暂而充实,深入的思考让自己更加坚定了认真做好科研教学工作的决心。期间也经历了英国脱欧、中美贸易战、香港学生的蒙面示威、中国留学生自发唱国歌等令人深思的让人觉得远在天边又近在眼前事件,再回想起6月份中共中央办公厅和国务院办公厅联合印发的《关于进一步弘扬科学家精神加强作风和学风建设的意见》,这一年觉得自己成长了,相信今后会以崭新的姿态投入到今后的教学和科研工作中去,为母校发展尽自己的一点心、一份力。最后要感谢国家留学基金委的资助,感谢学校和学院的大力支持,感谢自己离校期间同事们的热心帮助。

                                                                        ——水利与建筑工程学院教师   降亚楠


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