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更廣、更細、更難, 需要雄心耐力和功力

(2015-12-22 15:02:21) 下一個

更廣、更細、更難, 需要雄心耐力和功力 “厚重”但靈巧，“飄逸”卻精準

不過很快，新生活，新環境，新領域的新鮮感和興趣就被學術上沒有進展的不安所取代。

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一本書的力量：與黃琳老師的交往與相關回憶精選

已有 1696 次閱讀2015-12-21 18:18|係統分類:人物紀事推薦到群組

一本書的力量：與黃琳老師的交往與相關回憶

王飛躍

很大程度上，黃琳老師是我走上控製領域最早的專業領路人。就學術成就而言，他也是中國控製理論界我十分敬重的一位真正學者。今年是黃琳老師杖朝之年，回憶往昔三十餘年的交往和影響，謹以此文作為紀念，並祝黃老師八十歲生日快樂、身體健康！

從力學到控製

上世紀八十年代初，當我決定從力學轉入控製之後，自己在浙江大學力學係固體力學教研室的幾位老師和同事，都向我推薦了黃琳老師。特別是丁皓江、吳淇泰還有後來的徐博侯老師，分別是黃老師在北大數學力學係的同班同學或學生，認為以我的力學背景，去北大讀黃琳老師的博士生最合適，否則跨行太大。

我一方麵為有此機會而感到非常高興，同時也有些擔心。因為在此三年之前，力學係曾發生過一件在研究生中影響很大的事，就是作為答辯委員會主任的王仁東教授（我從事斷裂力學研究時的碩士導師，浙大化工控製專業的創始人之一），否定了係裏一位碩士研究生的畢業論文答辯，致使這位年紀很大的學生無法按時畢業。這位學生的導師是從事解析力學(即一般力學)教研的汪家禾老先生，其碩士論文是關於經典控製理論的根軌跡方法的擴展研究。我的導師反對其論文的理由就是題目太古老，而且已經有計算機了，再修修補補地去研究這些簡單的代數方程的精確或者近似解沒有實際意義。

當時感覺力學裏與控製最近的就是解析力學，因此擔心力學係老師研究控製的方向可能比較古典。可吳淇泰老師向我介紹了黃老師的工作，特別是黃老師來浙大的控製講座和剛出版的專著《係統與控製理論中的線性代數》，讓我十分激動和向往。當時，我對線性代數、張量分析、抽象代數等非常感興趣，買下並讀了書店中差不多所有相關的書籍（那時此類書籍十分少，價格也便宜，不像今天，如要全買非破產不可）。記得當時還“望字生義”地買了幾本書，包括萬哲先教授的《李代數》和《典型群》，是用繁體字寫的，還以為李代數或李群是我們中國人提出的概念，典型群自然是有點政治上的聯想。

我隨即去北京拜訪黃琳老師，這是我第二次進京，住在北大勺園。當時黃老師希望我在經濟係統的非線性控製問題上做一些研究，給我看了幾篇英文論文的影印本，並推薦了二本關於流形的數學書。後來我隻在浙大圖書館找到其中一本，就是美國華盛頓大學的Boothby教授的《DifferentiableManifolds and Riemannian Geometry》，花了半年認真讀完。可惜，當時唯一讓我感到高興的是，自己李群的書沒有白買白學，或許今後研究有用。

但後來黃老師告訴我，他可能要出國做訪問學者，因此無法招我做博士生了。在北大的幾天，我還拜訪了王仁、郭仲衡、武際可和王敏中等幾位教授。

從北大回浙大之後，我先參加了浙大無線電係周文老師（同班同學的父親，很快成為研究生院的院長和後來的浙江省科技廳的廳長）組織的機器人研討，又參加了浙大化工與工業控製的一些活動，開始了控製領域的研究與學習。

當然，黃老師的《係統與控製理論中的線性代數》一書是我下功夫最大的控製基礎理論專著。開始以為憑自己的代數功底，這應該是一本易讀的書，不會花太多的時間。很快，就發現自己大錯特錯：這本書需要耐力和功力，因為除抽象程度外，無論是在內容還是在深度上，都比之前讀過的純數學相關著作更廣、更細、更難。年輕時覺得什麽都簡單，順理即可成章，但今天回味起來，黃老師一定下了大氣力和苦功夫寫下這本專著。前段時間黃老師告我他正在修訂此書，讓我感歎不已，不知自己到了八十，還有這般雄心和氣力？

讀完黃老師的這本書之後，我接著讀了Wonham的《線性多變量控製：一種幾何方法》，競然十分順暢，感覺二本書的特色是一本“厚重”但靈巧，一本“飄逸”卻精準，把線性控製係統的拓撲空間結構及各類同構等價關係講的十分透徹，皆可作為控製領域的經典之作。再讀其它控製教科書，感覺太容易了。可惜，當時自己除了讀書，幾乎沒有產出。寫的唯一的論文是關於含參數的李雅普諾夫方程解正定性的判斷方法，是把日本人緒方勝彥寫的《現代控製工程》的一個具體問題抽象廣義化，再按黃老師書中關於李雅普諾夫代數方程的一般討論之思路，構造成由各不變量表示的解析解，然後對含參數係統穩定的正定性質進行分析。這好像是我的第一篇控製論文，投出後被有條件接收但須修改，其中一個重要原因是我隻引用了黃老師和緒方勝彥的書作為參考文獻，竟然沒引一篇研究論文（很不應該，那時我已或完成了十餘篇論文，應知道論文該如何寫）! 遺憾的是，那時我已經人在國外，主攻智能控製，學的是計算機係的形式語言、定理證明、編譯方法和計算理論之類，對經典控製一時沒了興趣，也沒心思和時間修改這篇論文，所以最終沒有發表。

但我發表的第一篇控製論文還是與李雅普諾夫相關：我用變分法把各類不同最優平滑器和過濾器的推導統一起來，十分成功，發表在《浙江大學學報》。本想借助力學中的廣義變分思想，進一步引入廣義的李雅普諾夫函數，研究非線性控製的最佳濾波問題及其數值解法。後來，我與黃老師談起此亊，他告我自己寫過一篇關於李雅普諾夫的雜文，據考證李氏是自殺的，讓我大吃一驚。李雅普諾夫是自己非常喜歡的控製學家之一，黃老師這篇雜文手寫稿的影印件，現在應該還在我一堆老資料箱的某個角落裏。

從國內到囯外

就這樣，我走上了控製之路。黃老師出國訪問之後，由浙大化工係工控實驗室呂勇哉教授的介紹，我也跟著赴美隨George. N. Saridis和Robert(Bob) McNaughton兩位教授攻讀智能控製的博士學位。

不過很快，新生活，新環境，新領域的新鮮感和興趣就被學術上沒有進展的不安所取代。當時George雖然“心”在智能控製，但“身”在機器人係統，而且嚴格分清智能控製和機器人兩個方向。可是智控小組人很少，而且沒人知道具體方向在哪裏。因為自己的力學背景，我很想參加具體而不是抽象的機器人問題研究，但不被允許，心裏十分苦悶。Bob是形式語言、編譯解析和定理證明的專家，課講得極好，但年事已高，隻教學不做具體研究。加上因為自己要準備博士資格考試，人工智能的課雖然下了苦功，成績也不錯，但隻因開始缺課太多得了“B”，心裏更加不高興，覺得這“智能”科學跟文學一樣，太不嚴格，無法搞下去。不到兩年，我就想轉回力學，但最後還是被兩位導師勸消了念頭。

作為“補償”，我選了幾門與經典控製和數學力學相關的課，想輕鬆自信一下。控製選了三門，一是必修的“線性係統”，二是George的“隨機係統的自組織控製”，三是Mark Balas教授關於H_∞控製的課。沒想到，黃老師《係統與控製理論中的線性代數》的功力在這些課的學習中得到了充分的發揮，別人都覺得難，但我卻上得十分容易，還發生了許多故事。

最輕鬆的“線性係統”是必修課，由一位華裔老教授講授，用的是Chi-Tsong Chen的《LinearSystem Theory and Design》，我一口氣在書中找出近十個錯誤，並寫信給紐約州立大學的陳教授，得到他十分熱情的回信感謝。但這門課我還是得了“B”，因為上課時從不聽講，成了自己讀報紙的專門時間，結果期中考試時提前答完讀《人民日報》海外版讓老師發現，扣了40分。我雖然答對了試卷上所有的問題，但兩處寫的不“規範”，各扣20。開始以為老師弄錯了，後來明白原因就認了：早來的同學告訴我，他是當時台灣行政院院長的妹夫，家族裏許多人在土改時被殺，看到《人民日報》，差不多就是西班牙鬥牛看到了鬥牛士的紅布。最後，盡管期終考試100分，但成績還是“B”。加上人工智能，這就是自己在美讀書的二個B。

上George的課就更有故事了。教科書是他自己寫的，之前已由中國科學院自動化研究所鄭應平教授等譯成中文發表。我讀過後也寫了十多頁的糾錯，興衝衝地給George看，沒想到第二天他把我叫到辦公室，很嚴肅地告訴我：這是他過去的工作，忘掉，向前走，別浪費時間！開課沒幾天，我們就“吵”起來，我對他在黑板上的推導表示反對，他讓我上去自己推。我毫不客氣地走上前推完之後，他看了一會，然後突然把黑板擦往教室後麵狠狠一扔，氣衝衝的喊到：Class dismissed（課取消了）！班上的學生都傻眼了，我更是不知所措。一同上課的大陸同學陳耀斌勸我去向George道歉，我想了一天後去了，可沒想到George像什麽也沒有發生一樣，讓我“Forget it”！我算領教了這位一定程度上與自己情同父子的導師之“火爆”脾氣。不過，我沒有忘記，還把“吵”的問題仔細地研究了一下，寫成報告給他。後來，這份報告成了我倆發表的論文中唯一的一篇他為第一作者的文章：“On Successive Approximation of Optimal Control of Stochastic Dynamic Systems ”，其思想與後來的ADP（Approximateor Adaptive Dynamic Programming）不謀而合，隻是我們當時設想用特殊函數逼近，而不是神經網絡做逼近。這是因為受力學的影響，但特殊函數與後來的RBF網絡應有密切的聯係。很高興的是，感謝劉德榮教授的努力，我們實驗室目前在ADP的研究上絕對是世界上的重鎮之一。

Mark的課也十分有趣：他是位朋克+嘻皮士+西部牛仔式的教授，要在大陸僅憑其衣著服飾就能被趕出校門，但課講得極其棒。講義課本用的是Vidyasagar的新著《ControlSystem Synthesis：A Factorization Approach》，當時大家覺得很難讀，班上幾乎沒有人能跟上Mark的節奏。但有了黃老師的書墊底，對我卻很順暢，沒兩天就寫了此書的書評發表，還利用Bezout恒等式把書中的一個結果推廣到廣義動力學係統，寫下《廣義動力的係統的雙共素分式表示》，與Mark一同發表在IEEETransactions on Automatic Control，這是我發表的第一篇英文控製論文。George看了很不高興，警告我不可分心，要專心智能控製。我不以為然，認為不過就是一個課堂筆記，今日回想起來，很不應該。其實這個結果沒有多大意義，因為假設條件太強。後來天津大學的高誌偉老師給我寫信，指出問題，並把條件放鬆，一起寫了廣義係統的第二篇文章，還是發表在TAC上。

這些工作都受黃老師間接的影響，因為他的書給我從事控製理論研究打下了極好極強的基礎。這種基礎和慣性，就是二十年後還讓我回頭研究了最經典的Lead-Lag補償問題，並給出其解析解。其實我堅持認為經典頻域的控製問題，就是控製理論的物理學部分，不能放棄。但很多人不認同自己的想法，我就一口氣寫了三篇Lead-Lag補償器的文章，不過隻發表了二篇。第三篇已被錄用，可主編來信說又不發了，因為問題“太古老”！在我的帶動下，自己在清華任教的一位畢業博士生用群論解決了一般多級Lead-Lag補償器序列的通解問題，新加坡國立大學的一位教授也給出了一組本質上一樣的新解，但皆因太“經典”沒能發表。直到現在，多數控製教科書上仍然按數值逼近的“試湊法”教學生！我曾把自己這方麵文章的單行本給黃老師看，因為這類文章寄存著自己的專業感情，希望有機會以此結果重寫經典教科書中控製的頻域分析部分。不過回想起來也“後怕”：如果導師王仁東先生還健在的話，作這類研究我恐怕是連碩士學位也拿不到。

雖然黃老師的影響在，但一段時間我們沒有了聯係，直到1988年春。在那一年費城舉辦的lEEE機器人與自動化國際大會(ICRA)上，我和陳耀斌見到正與哈佛大學何毓琦教授合作的鄭應平老師，並一同驅車去新澤西訪問當時美國駐華大使夫人包柏漪的父親包新弟先生。原來包先生和鄭父與錢學森同為交大機械係的學生，而且住在一個宿舍。一路上我才知道鄭應平教授也是北大數學力學係畢業，還是黃老師的學生和合作者，而且了解到黃老師正在麻省大學的Amherst分校訪問，與我讀書的RPI隻要一個小時多的車程。鄭老師告訴我，他們翻譯George的書時就發現了許多錯誤。就這樣，我與黃老師又聯係上了。此後，我就開始動員George邀請黃老師到我校來講座。那個時候美國學校很少邀請中國學者來作正式講座。我把黃老師的情況介紹之後，George欣然讓學校正式發出邀請，讓我非常感激。隻是成行卻在一年之後的1989年初秋，我驅車去 Amherst接黃老師在我家住了幾天，做了一次關於線性係統魯棒控製的講座，這就是我們在美國的唯一一次會麵。

從國外到國內

1993年我第一次回國，去清華參加第一屆華人智能控製世界大會，並拜訪了黃老師，記得那次黃老師帶我們一行參觀了未名湖，還拍了很多照片。

其實之前，我們有過幾次聯係，記得一次是為王選的學生去RPI讀博士之事，二是我工作有了第一筆科研經費後，請黃老師推薦學生。黃老師為我推薦了一位碩士畢業的年輕老師，開始跟我做機器人，後做神經網絡，可惜因為博士資格考試課程與力學差得太遠，二次沒有通過，隻能轉到航空與機械係完成其博士學業。

正式回國工作後，特別是接任鄭應平擔任首屆主任的複雜係統與智能科學實驗室主任之後，無論是在科研工作、實驗室建設、自動化學會發展都得到了黃老師的許多幫助與支持。但因自己的精力都移到社會計算、平行係統和知識自動化等方向，控製限於計算控製、平行控製和ADP、ABC及LDS，與黃老師的方向重合不多，所以專業交流反而少了。黃老師當選中國科學院院士之後，曾邀請我去北大做過一次講座。講座之前，我由衷地對大家說：黃老師當選院士，我不覺得有必要向他祝賀，這樣的學者當選，我們應該向中國科學院祝賀。

說來慚愧，較全麵了解黃老師在控製理論上的早期曆史貢獻還是近年的事。2013年，作為國際自動控製聯合會 IFAC的Fellow評選委員會成員，我才第一次比較全麵地了解黃老師上世紀六十年代對控製理論十分基礎和重要的學術貢獻。遺憾的是，現在許多專業人士，包括國際國內，對此並不十分了解。

1963年，黃老師的論文“On the estimation of the decayingtime”是唯一被在瑞士召開的三年一次的第二屆IFAC世界大會錄用的中國論文。不過因為政治原因，黃老師不能出席大會，而由宋健代表作論文報告。IFAC世界大會之後，中國自動化學會專門組織會議，傳達大會情況。與會的屠善澄先生（自己在美時的同學屠安之父，又一個小小世界）介紹，黃老師的論文受到外國學者的極大興趣和關注，並追問問題的實際背景。（其實問題源於飛機穩定性問題）。

1964年，黃老師與由他指導做畢業論文的學生鄭應平、張迪合作，完成“李雅普諾夫第二方法與最優控製器分析設計問題”，發表於《自動化學報》。文中給出單輸入多輸出SIMO的“極點配置”定理，這要比1965年Bass和Gura給出的SISO解和1967年Wonham給出的MIMO解都早，而極點配置是現代控製的奠基性定理之一，意義十分重大。而且，黃老師他們還證明了二次型最優控製問題線性反饋解的存在性，唯一性，這又是現代控製的另一奠基性成果，而國際上Kleinman是工作多年後獲得類似成果。可惜的是，黃老師的曆史性的重大貢獻並沒有得到相應的承認和榮譽，就是今天還是如此。不過，當IFAC的Fellow評選委員會了解了這些情況後，一致同意推舉黃老師為IFAC Fellow。