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矢志原始创新,用科学理论为重大建设提供坚实支撑​——记新当选的中国科学院院士、同济大学教授李杰

来源:河南人民的朋友圈我和我的祖国   时间:2020-11-18  浏览:

他和学生提出的(de)“广义概率(lv)密(mi)度(du)演化方程”,被国(guo)外(wai)学者(zhe)称为(wei)“李—陈方程”;他和团队创(chuang)立的(de)大型生命线(xian)工程网(wang)络可(ke)靠性分析(xi)理论,成为(wei)国(guo)际同行广泛(fan)认(ren)可(ke)的(de)“RDA方法”。凭(ping)借开(kai)创(chuang)性的(de)研究工作(zuo)和突出的(de)学术(shu)成就(jiu),2013年(nian),他被丹麦王国(guo)奥尔堡大学授予(yu)荣誉(yu)博士学位(wei);2014年(nian),他被美(mei)国(guo)土(tu)木工程师协会授予(yu)Freudenthal(弗洛(luo)伊登(deng)瑟尔)奖章;2017年(nian),他当(dang)选国(guo)际结构安(an)全性与可(ke)靠性协会主席。

他时常对(dui)(dui)青年学(xue)(xue)生(sheng)说(shuo):“真正能让(rang)你(ni)安慰(wei)一(yi)(yi)生(sheng)的(de),是你(ni)解(jie)决了困惑我们人类发展的(de)基本的(de)关键的(de)科学(xue)(xue)问(wen)题(ti)。”这(zhei)是对(dui)(dui)青年学(xue)(xue)者(zhe)的(de)勉(mian)励,也是他身为一(yi)(yi)个科学(xue)(xue)家(jia)的(de)心声。

他,就是(shi)新(xin)当选的中国科(ke)学(xue)院院士、同济大学(xue)土木工程(cheng)(cheng)学(xue)院教授(shou)李杰。他数(shu)十(shi)年如一(yi)日,始(shi)终心怀学(xue)术使(shi)命和科(ke)学(xue)追求,一(yi)直(zhi)奋进在(zai)结构工程(cheng)(cheng)理论创新(xin)的最(zui)前沿(yan),矢志用(yong)科(ke)学(xue)理论为国家重大工程(cheng)(cheng)建设提供坚实支撑。 

揭开“随机世界”的科学奥秘,为复杂高层建筑安全保驾护航

“鉴于(yu)您对(dui)概率密度演(yan)化(hua)理论的(de)发(fa)展(zhan),以(yi)及在大规模生命线(xian)工程抗震设计方面的(de)贡(gong)献,美(mei)国土木(mu)工程师协会决定授予您Freudenthal Medal(弗洛伊(yi)登瑟尔奖(jiang)章)。”2014年,授予李(li)(li)杰教授的(de)颁(ban)奖(jiang)词这样(yang)写道。该奖(jiang)被国际公认为(wei)工程可靠性与结(jie)构(gou)随(sui)机动力学领域的(de)个人(ren)最高学术荣誉,李(li)(li)杰教授成为(wei)该奖(jiang)设立40年来(lai)首位(wei)获奖(jiang)的(de)亚洲学者。

何谓“概率密(mi)度演(yan)化理论”? “我们生活在(zai)一个充满不确定(ding)性(xing)的(de)(de)世界(jie)中,但人们总是希望获得确定(ding)性(xing)的(de)(de)结果(guo)。”李(li)杰教授介绍说(shuo),“概率密(mi)度演(yan)化理论就(jiu)是希望用一种精确的(de)(de)方(fang)式,反映随机(ji)系统中概率结构的(de)(de)变化规律,而我们建(jian)立的(de)(de)‘广(guang)义概率密(mi)度演(yan)化方(fang)程’,则揭示(shi)了确定(ding)性(xing)系统与(yu)随机(ji)系统之间的(de)(de)内在(zai)联系。”

在(zai)土木工程(cheng)中,地震、飓风、火灾等(deng)自然(ran)灾害可能在(zai)何时、何地发生,强(qiang)度(du)多(duo)大,破坏性有多(duo)么严重(zhong),建(jian)筑结构的(de)(de)(de)材(cai)料(liao)性质如何,都是不(bu)确定的(de)(de)(de)、随机的(de)(de)(de)。怀着(zhe)对关键科(ke)学问题(ti)探究(jiu)的(de)(de)(de)热(re)情,李杰改变了(le)(le)(le)传统的(de)(de)(de)研究(jiu)思路,自上(shang)世(shi)纪90年代初开始这一(yi)研究(jiu)。经过10余年创新探索,他提出了(le)(le)(le)“基(ji)于物理研究(jiu)随机系(xi)统”的(de)(de)(de)思想,并在(zai)此(ci)基(ji)础上(shang)发现(xian)了(le)(le)(le)“随机系(xi)统中概(gai)率结构的(de)(de)(de)变化(hua),在(zai)本(ben)质上(shang)取(qu)决于系(xi)统物理状态的(de)(de)(de)变化(hua)”这一(yi)规律,实现(xian)了(le)(le)(le)认识上(shang)的(de)(de)(de)突破。

团队将研(yan)究的(de)(de)概(gai)率密度(du)演(yan)化理(li)论(lun)运用于随(sui)机动(dong)力(li)系(xi)统的(de)(de)分析(xi)。在(zai)土木工(gong)(gong)(gong)程(cheng)中(zhong),高层建(jian)筑的(de)(de)地震倒塌、跨海大桥的(de)(de)风(feng)毁事件等等,无不与随(sui)机动(dong)力(li)系(xi)统的(de)(de)分析(xi)相关。然而,经典的(de)(de)随(sui)机动(dong)力(li)学理(li)论(lun),难以(yi)解决复杂结(jie)(jie)构与各种不确定灾害(hai)之间(jian)的(de)(de)灾变分析(xi)。应(ying)用李杰和他的(de)(de)团队所发展的(de)(de)概(gai)率密度(du)演(yan)化理(li)论(lun),则能较好地解决大型复杂工(gong)(gong)(gong)程(cheng)结(jie)(jie)构设计(ji)中(zhong)的(de)(de)灾害(hai)响应(ying)分析(xi)问题,从而可(ke)以(yi)通(tong)过科学的(de)(de)结(jie)(jie)构抗灾可(ke)靠性(xing)设计(ji)措施,为工(gong)(gong)(gong)程(cheng)结(jie)(jie)构保驾护航。

中国(guo)学(xue)者的原创(chuang)成(cheng)果引起了国(guo)际(ji)学(xue)术界的高度关注。“‘广义概率密度演(yan)化方法’为结(jie)构可(ke)靠(kao)性开辟了新的道路,是一项具有突(tu)破性的进展(zhan)。”国(guo)际(ji)结(jie)构安全性与可(ke)靠(kao)性协(xie)会前主席、美国(guo)工程院院士安(Ang)评价说。

2009年,李(li)杰教授和他(ta)的合作者陈建(jian)兵(bing)博(bo)士的学(xue)(xue)术专(zhuan)著(zhu)(zhu)《结构随机动力(li)学(xue)(xue)(Stochastic Dynamics of Structures)》由国际著(zhu)(zhu)名出版(ban)(ban)集团(tuan)John Wiley & Sons出版(ban)(ban),在国际同行(xing)中(zhong)引(yin)起热烈反响。

重要理(li)论成(cheng)果直接支撑重大(da)工(gong)程建(jian)设(she)(she):我(wo)国容积最大(da)的1.2万立(li)方米特大(da)型混凝土消化(hua)池抗震设(she)(she)计、华东500千伏(fu)骨干电网高压输电塔抗风可靠(kao)性(xing)分(fen)析、牙买加西摩兰大(da)桥(位于10度高烈度地震区)抗震可靠(kao)度设(she)(she)计、总(zong)高632米的上海(hai)中心大(da)厦抗震可靠(kao)性(xing)分(fen)析……在这些国内外重点(dian)工(gong)程建(jian)设(she)(she)中,“概率密度演化(hua)理(li)论”都发挥(hui)了重要的科学支持(chi)作用。这一重要理(li)论成(cheng)果荣获2016年度国家自然科学奖二等奖。

事(shi)实上(shang),不限于土木工(gong)程(cheng)领(ling)域,“概率密(mi)度演(yan)化理论”现(xian)已被(bei)40余个(ge)国家(jia)机械工(gong)程(cheng)、航(hang)空航(hang)天工(gong)程(cheng)、海洋工(gong)程(cheng)乃至生(sheng)物(wu)医(yi)学等(deng)多个(ge)领(ling)域的学者所(suo)关注、引用以(yi)及应用,充分展现(xian)了(le)基(ji)础理论研究的魅力(li)和广泛价(jia)值。 

支撑地下管网的科学抗震设计,让城市“大动脉”脉动不息

大(da)地(di)震(zhen)(zhen)突如其(qi)来(lai),供水中(zhong)断(duan)、电力中(zhong)断(duan)、煤(mei)气中(zhong)断(duan)、交通瘫痪……城(cheng)市的(de)“大(da)动脉(mai)”瞬间(jian)停止(zhi)跳动。如何能让大(da)城(cheng)市的(de)“生(sheng)命线(xian)工(gong)程”在地(di)震(zhen)(zhen)中(zhong)免遭(zao)重(zhong)创?唯有科(ke)学的(de)抗(kang)震(zhen)(zhen)设计。李(li)杰教授和团队(dui)从看(kan)不见、摸不着(zhe)的(de)城(cheng)市地(di)下(xia)管(guan)网(wang)的(de)抗(kang)震(zhen)(zhen)入手,开(kai)始(shi)了长期的(de)艰苦探索。

针(zhen)对(dui)大型工(gong)(gong)程网络(luo)分(fen)析中的(de)(de)复杂性难(nan)题,李杰(jie)教授(shou)和他的(de)(de)团队独辟蹊径,提出了“基于结构函数递推分(fen)解(jie)”的(de)(de)技(ji)术思路,建(jian)立(li)了“递推分(fen)解(jie)理论”,有效解(jie)决了大型生(sheng)命线(xian)工(gong)(gong)程网络(luo)分(fen)析中的(de)(de)复杂性问(wen)题,取得了这一研究领域的(de)(de)重(zhong)要科学进展(zhan)。

在其(qi)后(hou)的(de)(de)十余年间,以(yi)(yi)递(di)(di)推(tui)(tui)(tui)分解(jie)原理为(wei)(wei)核心,李杰教授(shou)和(he)他(ta)的(de)(de)团队系统研(yan)究了最小(xiao)(xiao)割递(di)(di)推(tui)(tui)(tui)分解(jie)技术(shu)、快速递(di)(di)推(tui)(tui)(tui)分解(jie)技术(shu)、考虑相关(guan)失效的(de)(de)递(di)(di)推(tui)(tui)(tui)分解(jie)技术(shu),形成了以(yi)(yi)解(jie)析图论为(wei)(wei)特征的(de)(de)网(wang)(wang)络连(lian)通(tong)可(ke)靠(kao)性分析理论体系,为(wei)(wei)500万以(yi)(yi)上人(ren)口的(de)(de)特大(da)型城市、上千个节点(dian)的(de)(de)大(da)型生命(ming)线工程(cheng)网(wang)(wang)络的(de)(de)抗震可(ke)靠(kao)性分析提供了精确、高(gao)效的(de)(de)技术(shu)工具(ju)。而同期,国内外对此问题研(yan)究的(de)(de)最好水平(ping)是100个节点(dian)以(yi)(yi)内的(de)(de)中小(xiao)(xiao)型生命(ming)线工程(cheng)网(wang)(wang)络。

与此(ci)同时,他们还深入研究(jiu)了大型(xing)生命线网络的抗(kang)灾优化(hua)设计理(li)论和关键技术,为(wei)大型(xing)生命线工程(cheng)网络系(xi)统的抗(kang)震设防、抗(kang)震设计与系(xi)统优化(hua),提(ti)供了基础理(li)论与技术支撑工具。

由此,李(li)杰教授也成为国(guo)际上少数(shu)几位(wei)在(zai)这一方向具有领(ling)先(xian)地位(wei)的学者,被(bei)公(gong)认为我(wo)国(guo)生命线工程研究的代表(biao)人(ren)物(wu)。

理论的进(jin)步带来了技术(shu)的跨(kua)越式发展。在(zai)李杰(jie)教授(shou)和团队积极奔走、推动下,研究(jiu)成果先后应(ying)用于沈阳市(shi)、郑(zheng)州市(shi)、上海浦东新区等(deng)10余个(ge)城市(shi)生(sheng)命线工程(cheng)的抗(kang)震可靠性分析之中。这些工程(cheng)应(ying)用实例,成为(wei)迄(qi)今(jin)为(wei)止国内外最大(da)规模的生(sheng)命线工程(cheng)网络(luo)抗(kang)震分析和技术(shu)改造工程(cheng)项目。

2008年汶川大(da)地震(zhen)后(hou),李杰(jie)带领(ling)课题组深入灾区,应(ying)用(yong)所(suo)发展的这(zhei)些技术先后(hou)完(wan)成(cheng)了都江堰、绵竹等6个(ge)受(shou)灾城(cheng)(cheng)市供水(shui)(shui)网(wang)络系统的应(ying)急(ji)恢复和灾后(hou)系统改造(zao)研究工作(zuo),为(wei)这(zhei)些城(cheng)(cheng)市震(zhen)后(hou)供水(shui)(shui)管网(wang)的应(ying)急(ji)修复和改造(zao)设计(ji)提供了科(ke)学支持与关键技术建议,为(wei)灾区节省了大(da)量工程投资。

“递推(tui)分(fen)解理论”在国际上(shang)逐渐得(de)到学术同(tong)行(xing)的广泛认可,被认为是分(fen)析大(da)型生命线工程系统(tong)可靠性的首选(xuan)方法(fa)。“递推(tui)分(fen)解技术”已经被国际同(tong)行(xing)们系统(tong)跟(gen)踪、学习。

身为(wei)上海(hai)防灾(zai)救(jiu)灾(zai)研(yan)究(jiu)所(suo)的(de)带(dai)头人,李(li)杰(jie)教授还带(dai)领研(yan)究(jiu)所(suo),汇聚(ju)同济大学(xue)(xue)优势学(xue)(xue)科力量,通过开展基础性、前瞻性科学(xue)(xue)技(ji)术研(yan)究(jiu),取得了(le)一批(pi)重要的(de)学(xue)(xue)术成果,培养了(le)一支专业从事防灾(zai)减(jian)灾(zai)的(de)科研(yan)队伍,有力地提(ti)升(sheng)了(le)上海(hai)城(cheng)市运行(xing)安全及(ji)防灾(zai)管理水平,为(wei)上海(hai)城(cheng)市安全提(ti)供(gong)了(le)科技(ji)保障,研(yan)究(jiu)成果还辐射全国,为(wei)国家防灾(zai)减(jian)灾(zai)与救(jiu)灾(zai)事业发挥了(le)引(yin)领与示范作用。

“我们希(xi)望(wang)将地震、火灾(zai)、风灾(zai)、洪涝、生命线工程(cheng)事故(gu)等城市面临(lin)的(de)(de)多种灾(zai)害放进计算机里(li),进行模拟(ni)和情景(jing)仿(fang)真,实现对(dui)城市安(an)全风险的(de)(de)动态(tai)预报,为上海市城市综(zong)合防(fang)灾(zai)和安(an)全风险治理持续提供有力的(de)(de)科(ke)技支(zhi)撑。”李杰说。 

执著于学术原始创新,倾情为国培养栋梁之才

“我们(men)这(zhei)些年来(lai)开展的研(yan)究(jiu)工作(zuo)(zuo)得到了国(guo)际同(tong)行的认可,我内心(xin)里是欣慰的。这(zhei)说明了在(zai)科研(yan)工作(zuo)(zuo)中坚持创(chuang)新精(jing)神的价值。”李杰教(jiao)授说。在(zai)他看(kan)(kan)来(lai),创(chuang)新是科研(yan)的灵魂(hun),一项研(yan)究(jiu)工作(zuo)(zuo)有(you)(you)(you)(you)没有(you)(you)(you)(you)价值,首(shou)先要看(kan)(kan)它(ta)有(you)(you)(you)(you)没有(you)(you)(you)(you)真(zhen)正的科学创(chuang)新。

“这(zhei)得益于我(wo)师从朱伯龙(long)先(xian)生(sheng)期(qi)间的(de)心(xin)得。那时,每次学术讨论,朱先(xian)生(sheng)都要问我(wo)‘有没有new idea’‘是(shi)不是(shi)真正的(de)new idea’。”李杰教(jiao)授(shou)说(shuo),这(zhei)些教(jiao)导,在他(ta)心(xin)中留(liu)下了(le)深深的(de)印记。

一直以来,李杰教授(shou)十分注重(zhong)在学(xue)(xue)(xue)术(shu)团队中(zhong)倡导弘(hong)扬真正(zheng)的(de)(de)科学(xue)(xue)(xue)精(jing)神。“在李老(lao)(lao)师带(dai)领下(xia),我们学(xue)(xue)(xue)术(shu)梯(ti)队对基(ji)本(ben)科学(xue)(xue)(xue)问(wen)题长期(qi)坚(jian)持(chi)、锐意创(chuang)(chuang)新。没有长期(qi)坚(jian)持(chi),就不(bu)会有深(shen)入系统(tong)的(de)(de)成果;没有锐意创(chuang)(chuang)新,就不(bu)会有一流的(de)(de)科学(xue)(xue)(xue)发现。”团队中(zhong)的(de)(de)青年学(xue)(xue)(xue)者陈建兵教授(shou)说:“李老(lao)(lao)师特(te)别重(zhong)视学(xue)(xue)(xue)术(shu)梯(ti)队的(de)(de)建设,特(te)别鼓励并支持(chi)我们年轻人在学(xue)(xue)(xue)术(shu)上(shang)的(de)(de)独立创(chuang)(chuang)新和探索。”

持续的(de)(de)科(ke)学创新探索(suo),催生了高(gao)质量原创研究(jiu)成(cheng)果(guo),也直接(jie)支撑(cheng)了高(gao)水平(ping)青年人(ren)才培养(yang)。更(geng)让人(ren)感(gan)佩不已的(de)(de),是李杰教授(shou)那颗为师为学的(de)(de)赤(chi)诚之心。

“作(zuo)为(wei)导师(shi),你(ni)自(zi)己(ji)要先蹲(dun)下身子(zi),扶起(qi)学生,一(yi)(yi)(yi)步(bu)步(bu)把他放(fang)到自(zi)己(ji)的肩(jian)上,之后(hou)你(ni)再(zai)站起(qi)来(lai),把学生推上山峰。”“老师(shi)和学生,就如同是同一(yi)(yi)(yi)战(zhan)(zhan)壕的战(zhan)(zhan)友,要一(yi)(yi)(yi)起(qi)研究、一(yi)(yi)(yi)起(qi)工作(zuo),恰如老兵之于新兵。”……听闻这样的师(shi)者心声,谁(shei)能不为(wei)之动容(rong)?

在李杰教(jiao)授的(de)(de)(de)书柜中,整齐叠(die)放着一(yi)个个文件盒,这是(shi)他为每(mei)一(yi)个学(xue)(xue)(xue)(xue)生(sheng)(sheng)(sheng)建(jian)立的(de)(de)(de)学(xue)(xue)(xue)(xue)术档案。里面(mian)不(bu)仅有他亲笔(bi)修(xiu)改过的(de)(de)(de)学(xue)(xue)(xue)(xue)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)毕业(ye)论文手稿(gao),还有记(ji)录他每(mei)次与(yu)学(xue)(xue)(xue)(xue)生(sheng)(sheng)(sheng)面(mian)对面(mian)交流、探讨学(xue)(xue)(xue)(xue)术问题的(de)(de)(de)一(yi)份份手写纪要。在科研(yan)工作的(de)(de)(de)间隙(xi),李杰教(jiao)授还会时常(chang)拿起某个已毕业(ye)学(xue)(xue)(xue)(xue)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)手稿(gao),饶有兴致地翻阅(yue),回(hui)望(wang)这个学(xue)(xue)(xue)(xue)生(sheng)(sheng)(sheng)在同济成长(zhang)的(de)(de)(de)学(xue)(xue)(xue)(xue)术轨(gui)迹。“做老师(shi)最大(da)的(de)(de)(de)幸福(fu),就是(shi)看到你的(de)(de)(de)学(xue)(xue)(xue)(xue)生(sheng)(sheng)(sheng)超过你。”他一(yi)脸满足的(de)(de)(de)神情(qing)。

尽管(guan)长年在结构工程领域深(shen)耕(geng),李(li)杰教授却有(you)着浓烈的人文(wen)情(qing)怀,他热爱文(wen)学(xue),鼓励(li)学(xue)生多阅读文(wen)史哲书籍来滋养心灵。他常对学(xue)生说:“你们要通(tong)过自己的研(yan)究(jiu)探索实践,对科学(xue)问(wen)题的认识(shi)不(bu)断变(bian)得深(shen)刻、变(bian)得有(you)境界,从而涵养作为一个真正(zheng)学(xue)者的性情(qing)。”

迄(qi)今为(wei)止,他指导(dao)的67名(ming)博士(shi)毕业生(sheng)中(zhong),多数已(yi)成为(wei)这一(yi)领域的中(zhong)坚力量(liang),其中(zhong)已(yi)有12人晋升(sheng)正教授(shou),2人获得(de)国家自然科学基金委杰出青(qing)年(nian)基金。

在全国土木工程青年学者论坛上,李杰这样寄语:“希望你们接过接力棒,思考什么是真正关键的科学问题,在国家迈向新时代的新征程中,扛起我们原始创新的大旗!” (黄(huang)艾娇)

 

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