在搜索引擎中鍵入你想找的內(nèi)容，轉(zhuǎn)瞬之間，計(jì)算機(jī)就會(huì)從海量數(shù)據(jù)中迅速鎖定結(jié)果。這看似簡單的鍵入和鎖定背后，其實(shí)凝聚著計(jì)算機(jī)科學(xué)家對(duì)海量數(shù)據(jù)處理算法的不斷優(yōu)化。從事智能計(jì)算領(lǐng)域研究的西安電子科技大學(xué)劉靜教授，就是這樣一個(gè)專注于高性能智能優(yōu)化與學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)的研究者。
“智能計(jì)算就是秉著從大自然中獲取智慧的理念，在自然界、生物界規(guī)律的啟迪下，根據(jù)其原理模仿、設(shè)計(jì)求解問題、處理數(shù)據(jù)、挖掘有用信息的算法。其最具代表性的進(jìn)化計(jì)算就是一類新型的全局優(yōu)化算法，主要是通過向自然學(xué)習(xí)、借鑒生物進(jìn)化機(jī)制來求解問題。這類算法的主要優(yōu)點(diǎn)在于其本質(zhì)上的并行性、廣泛的可應(yīng)用性、算法的高度穩(wěn)健性和簡明性，以及全局優(yōu)化性?！眲㈧o介紹說，“智能計(jì)算可靠有效，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)工程領(lǐng)域，并且成為大數(shù)據(jù)處理的有效途徑之一?！?/p>
自2000年師從人工智能領(lǐng)域知名專家焦李成教授，劉靜就與智能計(jì)算結(jié)下不解之緣，并逐漸開拓出自己的一片天地。2013年劉靜作為第三完成人獲得國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，2014年獲得吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新二等獎(jiǎng)。
進(jìn)化計(jì)算：“優(yōu)勝劣汰”帶給計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的啟發(fā)
“從自然界獲得啟發(fā)是科學(xué)研究的重要途徑。人類借助生物進(jìn)化的思想和原理，模擬自然界所具有的優(yōu)化與學(xué)習(xí)能力，并設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)可使用的優(yōu)化、學(xué)習(xí)算法來解決一系列實(shí)際工程問題，這就是智能計(jì)算中進(jìn)化算法的基本思路?！眲㈧o介紹說。
進(jìn)化計(jì)算是近年來信息科學(xué)、人工智能與計(jì)算機(jī)科學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。它是一大類借鑒生物自然選擇與遺傳變異機(jī)制的并行、隨機(jī)、自適應(yīng)、穩(wěn)健的搜索算法，其核心思想源于這樣的基本認(rèn)識(shí)：從簡單到復(fù)雜、從低級(jí)到高級(jí)的生物進(jìn)化過程本身是一個(gè)自然的、并行發(fā)生的、穩(wěn)健的優(yōu)化過程，這一過程的目標(biāo)是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，生物種群通過“優(yōu)勝劣汰”及遺傳變異來達(dá)到進(jìn)化的目的。
鮮明的生物學(xué)背景是進(jìn)化算法的特點(diǎn)之一?！艾F(xiàn)代進(jìn)化論所揭示的進(jìn)化機(jī)制在本質(zhì)上是一種魯棒搜索和優(yōu)化過程。生物物種在進(jìn)化過程中所解決的各種問題具有混沌、偶然、暫態(tài)和非線性相互作用等特點(diǎn)，具有這樣特點(diǎn)的問題正是傳統(tǒng)優(yōu)化方法所難以解決的?！眲㈧o說。
生物進(jìn)化顯然是一種求解優(yōu)化問題的過程。給定了初始條件和環(huán)境約束，通過選擇可以得到與最優(yōu)解盡可能接近的表現(xiàn)型（表現(xiàn)出來的行為）。但是環(huán)境又持續(xù)不斷地變化著，物種跟在環(huán)境變化的后面，不斷地向一個(gè)新的最優(yōu)解進(jìn)化。這就是進(jìn)化算法這類模擬自然進(jìn)化的計(jì)算方法的思想源泉。進(jìn)化算法就是基于以上思想發(fā)展起來的一類隨機(jī)搜索技術(shù)，進(jìn)化算法從選定的初始解出發(fā)，通過不斷迭代逐步改進(jìn)當(dāng)前解，直至最后搜索到最優(yōu)解或滿意解。
“生物進(jìn)化的過程不僅可以在計(jì)算機(jī)上模擬實(shí)現(xiàn)，同樣地，計(jì)算機(jī)也可以模擬進(jìn)化過程，開拓新的優(yōu)化計(jì)算方法，并應(yīng)用到求解實(shí)際復(fù)雜問題上。在信息爆炸的時(shí)代，如不能利用已有知識(shí)縮小搜索空間、優(yōu)化搜索算法，運(yùn)算的難度將難以想象。”劉靜說。
生物進(jìn)化系統(tǒng)對(duì)人工智能的理論和方法研究有極強(qiáng)的借鑒意義，作為一種典型的基于生物進(jìn)化理論的問題求解方法，自20世紀(jì)50年代以來，進(jìn)化計(jì)算就得到了較大關(guān)注。我國進(jìn)化計(jì)算理論的研究主要開始于90年代。
“進(jìn)化算法被廣泛認(rèn)為是可成功應(yīng)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程技術(shù)、管理科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域的一種自組織、自適應(yīng)人工智能技術(shù)?！眲㈧o介紹說，“進(jìn)化算法因其特別適合于求解復(fù)雜優(yōu)化問題，特別是大規(guī)模、非線性、多極值、無形式化目標(biāo)函數(shù)表達(dá)、多目標(biāo)的優(yōu)化問題與機(jī)器學(xué)習(xí)問題的特點(diǎn)，得到了多學(xué)科的廣泛重視?！?/p>
“簡單來說，我們的工作就是要設(shè)計(jì)高效處理信息的方法，在同等計(jì)算機(jī)條件下更好、更快地處理數(shù)據(jù)，挖掘有用信息，為大數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)?！眲㈧o總結(jié)說。
致力于“理論基礎(chǔ)＋模型構(gòu)建＋工程應(yīng)用”
到目前為止，劉靜在進(jìn)化計(jì)算領(lǐng)域的三項(xiàng)主要學(xué)術(shù)創(chuàng)新可以概括為“一項(xiàng)理論，兩個(gè)模型?！?/p>
第一個(gè)創(chuàng)新是發(fā)展進(jìn)化算法的基礎(chǔ)理論?！斑M(jìn)化算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)還比較薄弱，此方面研究的重要問題之一就是問題難度預(yù)測——其目的就是要在不運(yùn)行算法的前提下預(yù)測所求解問題對(duì)于算法的難度，并根據(jù)這些預(yù)測指標(biāo)結(jié)果對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)‘極大化效益、極小化代價(jià)’的目標(biāo)?！?/p>
針對(duì)此問題，劉靜首次將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)概念引入進(jìn)化計(jì)算問題難度預(yù)測指標(biāo)的設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步發(fā)展了進(jìn)化算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，建立了第一個(gè)基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性的難度預(yù)測指標(biāo)Motif Difficulty。此指標(biāo)被認(rèn)為是對(duì)優(yōu)化領(lǐng)域基礎(chǔ)問題——問題難度預(yù)測研究方面的典型方法之一。
“該指標(biāo)的建立，對(duì)去除進(jìn)化算法搜索的隨機(jī)性及在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)高性能進(jìn)化算法，提供了有力依據(jù)和理論指導(dǎo)。”劉靜說。
該理論創(chuàng)新的相關(guān)成果《網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)化優(yōu)化與學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用》，因在進(jìn)化算法理論基礎(chǔ)創(chuàng)新上的重要貢獻(xiàn)，獲得了2014年吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
第二個(gè)創(chuàng)新在優(yōu)化模型方面，她提出了第一個(gè)能夠高效求解超過10000維函數(shù)優(yōu)化問題的進(jìn)化優(yōu)化模型——多智能體進(jìn)化優(yōu)化模型。這一模型改進(jìn)了傳統(tǒng)進(jìn)化算法容易陷入局部最優(yōu)且計(jì)算量過大，因而難于求解大規(guī)模優(yōu)化的問題的缺點(diǎn)。
“多智能體系統(tǒng)是多個(gè)智能體組成的集合，是將大而復(fù)雜的系統(tǒng)建設(shè)成小的、彼此互相通信和協(xié)調(diào)的、易于管理的系統(tǒng)。”劉靜解釋說，“在多智能體系統(tǒng)中，各智能體之間互相通信，彼此協(xié)調(diào)，并行地求解問題，因此能有效地提高問題求解的能力?！?/p>
此模型可高效求解數(shù)值優(yōu)化問題、大規(guī)模約束滿足問題及大規(guī)模組合優(yōu)化問題，是第一種能夠高效求解如此大規(guī)模優(yōu)化問題的進(jìn)化優(yōu)化模型。在2015年度IEEE國際進(jìn)化計(jì)算大會(huì)“大數(shù)據(jù)優(yōu)化競賽”上，劉靜團(tuán)隊(duì)開發(fā)的多智能體遺傳大數(shù)據(jù)優(yōu)化算法榮獲第一名。
第三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是在學(xué)習(xí)模型方面。劉靜提出了第一個(gè)能夠高效處理上千萬海量數(shù)據(jù)的進(jìn)化學(xué)習(xí)模型——組織協(xié)同進(jìn)化學(xué)習(xí)模型。“針對(duì)傳統(tǒng)進(jìn)化算法計(jì)算量大，難于高效處理大規(guī)模學(xué)習(xí)問題的狀況，我們將經(jīng)濟(jì)學(xué)中‘組織’的概念與協(xié)同機(jī)制引入傳統(tǒng)進(jìn)化計(jì)算，利用交易代價(jià)理論引導(dǎo)分類器間的相互競爭與協(xié)同，以自動(dòng)地建立組織結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上形成了組織協(xié)同進(jìn)化學(xué)習(xí)模型?！?/p>
該模型突破了千萬級(jí)海量數(shù)據(jù)分類、萬維以上大規(guī)模優(yōu)化計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)，成功應(yīng)用于海量數(shù)據(jù)挖掘、超大規(guī)模集成電路布圖優(yōu)化等問題；模型的訓(xùn)練時(shí)間隨數(shù)據(jù)量和特征屬性的增長呈近線性增長，是第一種能夠高效處理如此大規(guī)模學(xué)習(xí)問題的進(jìn)化學(xué)習(xí)模型。
在第二、三個(gè)創(chuàng)新基礎(chǔ)上產(chǎn)生的學(xué)術(shù)成果，不僅發(fā)表于進(jìn)化領(lǐng)域的國際頂級(jí)期刊，劉靜還作為成果《基于自然智能的學(xué)習(xí)與優(yōu)化基礎(chǔ)理論研究》的第三完成人，獲得了國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
劉靜的三個(gè)創(chuàng)新使得她在解決智能信息處理領(lǐng)域?qū)Ω咝蠼獯笠?guī)模NP難問題取得突出進(jìn)步。在算法標(biāo)準(zhǔn)測試的幾個(gè)公開問題，如無約束數(shù)值優(yōu)化、組合優(yōu)化欺騙HIFF問題、皇后問題及數(shù)據(jù)分類等中，劉靜的研究均達(dá)到國際先進(jìn)水平，并已進(jìn)入解決超大規(guī)模集成電路布圖規(guī)劃、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析等實(shí)際應(yīng)用層面。
興趣產(chǎn)生不可思議的能量
“我認(rèn)為編程是從事智能計(jì)算領(lǐng)域研究的重要基礎(chǔ)之一。大學(xué)時(shí)我就喜歡編程，不愛看小說，也不愛逛街?！眲㈧o語氣輕快，說起與編程結(jié)緣之路，她顯得很興奮?！八性O(shè)計(jì)的算法都是讓計(jì)算機(jī)來執(zhí)行的，而程序就是研究者與計(jì)算機(jī)的紐帶、共同語言！如何將你的想法告訴計(jì)算機(jī)，就靠程序了！”
1990年，正上小學(xué)六年級(jí)的劉靜收到了人生中第一臺(tái)電腦——“中華學(xué)習(xí)機(jī)”?！靶枰锨г?，父親是一個(gè)普通藍(lán)領(lǐng)，幾乎花掉他大半年的工資。父親還為我報(bào)名參加了編程培訓(xùn)班。”在這臺(tái)電腦上，劉靜開始學(xué)習(xí)了第一種編程語言——BASIC語言。
熱愛與興趣的力量隨著劉靜長大漸漸凸顯。1996年，劉靜從西安中學(xué)考入西安電子科技大學(xué)，成為計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)的一名學(xué)生，編程也漸漸從興趣變成她人生的方向?！按笠粫r(shí)常常一頭鉆進(jìn)機(jī)房，通宵編程。大二時(shí)擁有了自己的電腦，可是宿舍每晚11點(diǎn)熄燈，只好每周末把笨重的電腦搬到班級(jí)位于男生宿舍的科技活動(dòng)室，以有更多時(shí)間開發(fā)喜愛的分形圖像系統(tǒng)?！?/p>
劉靜打開一副顏色艷麗鮮亮的蝴蝶圖案，這是她當(dāng)年讀大學(xué)時(shí)參加挑戰(zhàn)杯的軟件作品。這是當(dāng)年她們開發(fā)的軟件產(chǎn)生的一幅分形圖像，局部無限放大后依舊呈現(xiàn)出與大圖完全相同的形狀和結(jié)構(gòu)。放大來看，圖片的顏色多樣且絢麗?！斑@全都是通過編程實(shí)現(xiàn)的，形狀、顏色、紋理也不例外。雖然這是我近二十年前的工作，但現(xiàn)在仍是我最喜歡的工作之一，因?yàn)閺乃医佑|到了復(fù)雜性科學(xué)，開始了我的科研人生！每當(dāng)迷茫的時(shí)候，看看當(dāng)年我們的‘分形’作品，就會(huì)讓我更加堅(jiān)定從事科研工作的初心！”
“我的每一天，除了吃飯睡覺，以及處理必要事項(xiàng)外，就都是科研時(shí)間?！比缃?，劉靜已致力智能計(jì)算研究10余年，她的熱情依舊不減，她的經(jīng)歷同時(shí)也生動(dòng)地展現(xiàn)出熱愛與興趣能給一名學(xué)者帶來多么不可思議的能量。
如今，智能所也因眾多劉靜這樣熱愛科研的人展現(xiàn)出蓬勃的活力。目前國內(nèi)在進(jìn)化計(jì)算方向的兩位國家自然基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，一個(gè)是劉靜，另一個(gè)就是她的同事公茂果教授。實(shí)驗(yàn)室推崇一種追求卓越的氛圍，國際化的視野，助力劉靜的成長。
“我們實(shí)驗(yàn)室在焦老師的帶領(lǐng)下，非常注重國際交流。焦老師常說的一句話就是‘走出校門就是國門’！我們一直都以這樣的標(biāo)準(zhǔn)來要求自己的科研工作。”在獲得博士學(xué)位后，劉靜兩次獲得澳大利亞國家研究基金的資助，在昆士蘭大學(xué)和新南威爾士大學(xué)作博士后研究三年。劉靜的科研成果得到國內(nèi)外同行的廣泛認(rèn)可，她2015年成為進(jìn)化計(jì)算領(lǐng)域國際頂級(jí)期刊《IEEE Trans. Evolutionary Computation》的Associate Editor。國際化視野推動(dòng)了劉靜所在的智能感知與圖像理解教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的快速發(fā)展。2011年回國后，劉靜就一直負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的國際交流工作，先后完成了參與的歐盟“瑪莉·居里計(jì)劃”項(xiàng)目、成功申請(qǐng)成立了西電第一個(gè)科技部國家國際科技合作基地——智能感知與計(jì)算國際聯(lián)合研究中心，以及西電第一個(gè)教育部“智能感知與計(jì)算國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”。
秉承高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求的風(fēng)格，劉靜將對(duì)科研和教育工作的熱愛和認(rèn)真，傳遞給一批批青年學(xué)子。除承擔(dān)多門留學(xué)生的純英文授課課程外，2011年開始，劉靜堅(jiān)持用英文講授“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)大三的雙語基礎(chǔ)課程——《算法設(shè)計(jì)與分析》?！斑@是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)很重要的一門基礎(chǔ)課程，有基礎(chǔ)理論、也有編程實(shí)踐，英文授課難度很大！但是，有難度才有挑戰(zhàn)，才能引起學(xué)生的重視，從而提高學(xué)生水平！所以我結(jié)合中國學(xué)生的實(shí)際情況，堅(jiān)持用英文授課，為學(xué)生揭開國際化交流的面紗，讓它不再神秘而遙遠(yuǎn)；堅(jiān)持課堂上現(xiàn)場跟學(xué)生一起編寫算法程序，幫助學(xué)生跨越從理論算法到實(shí)踐編程的鴻溝！”劉靜說。
“態(tài)度決定一切！我招研究生的條件就是具有積極主動(dòng)學(xué)習(xí)態(tài)度的、愿意和我一起追求卓越的學(xué)生！”在談到學(xué)生教育時(shí)，不時(shí)發(fā)出笑聲、一直語調(diào)十分輕快的劉靜表情漸漸變得嚴(yán)肅，語速也慢下來。“我希望不僅能教給他們本領(lǐng)域的知識(shí)，更重要的是關(guān)注學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題能力的提升將讓他們受益一生?！?/p>
如今，劉靜團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有博士生6人，碩士生16人，包括來自荷蘭、坦桑尼亞、也門等國家的5名留學(xué)生?！皬娜腴T手把手地教，論文無數(shù)遍的修改，連標(biāo)點(diǎn)、空格的小問題也不放過，到能在本領(lǐng)域國際期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文，對(duì)于每個(gè)學(xué)生，這樣的學(xué)習(xí)過程都將成為他人生的寶貴財(cái)富。無論做什么事，精益求精的態(tài)度是我希望我的每一位學(xué)生都能堅(jiān)持的！”
2015年，劉靜指導(dǎo)的三名研究生在IEEE國際進(jìn)化計(jì)算大會(huì)“大數(shù)據(jù)優(yōu)化競賽”上榮獲第一名。她所指導(dǎo)的碩士、博士已在SCI一區(qū)、二區(qū)期刊發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。在剛畢業(yè)的2016屆碩士中，劉靜指導(dǎo)的碩士一名榮獲校優(yōu)秀碩士學(xué)位論文特等獎(jiǎng)、兩名榮獲校優(yōu)秀碩士學(xué)位論文一等獎(jiǎng)。
“智能計(jì)算是計(jì)算機(jī)發(fā)展較新也較熱的一個(gè)方向，應(yīng)用前景十分廣闊。隨著人工智能的再次興起以及信息技術(shù)迅速發(fā)展帶來的對(duì)大數(shù)據(jù)高效處理的迫切需求，智能計(jì)算也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇！”劉靜說。下一步，她將進(jìn)一步研究面向大數(shù)據(jù)優(yōu)化與學(xué)習(xí)的智能體協(xié)同進(jìn)化網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的問題難度分析模型，探索兩大創(chuàng)新——多智能體進(jìn)化優(yōu)化模型及組織協(xié)同進(jìn)化學(xué)習(xí)模型與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的深度結(jié)合，并將新模型用于流數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等典型大數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)化學(xué)習(xí)問題。
“有研究者曾說過，人們對(duì)于進(jìn)化算法所表現(xiàn)出的如此之大的熱望或多或少出于這樣的信念：世界就是這樣的奇妙，萬物就是這樣的和諧。存在于我們?nèi)祟愡M(jìn)化自身的優(yōu)化原理或許正是求解任何復(fù)雜優(yōu)化問題所應(yīng)遵循的天賜之道”，劉靜說，“這種處理優(yōu)化問題的仿生觀點(diǎn)，的確已經(jīng)為我們帶來了與傳統(tǒng)方法絕然不同、新穎、有趣而極具開發(fā)價(jià)值的學(xué)術(shù)思想，在這個(gè)方向上我們大有可為。”
（文/西電新聞中心·付一楓 圖片/閆毅強(qiáng)）
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