熊芬芬：在不確定的世界中找尋確定的方法

劉玉杰

熊芬芬

飛行器是一個復雜的系統(tǒng)，由氣動、結構、動力、控制、隱身等多個學科組成，各學科相互影響，相互制約。傳統(tǒng)的串行設計模式由于沒有充分考慮各學科的協(xié)同效應，設計結果難以達到系統(tǒng)最優(yōu)解，從而降低了飛行器的綜合性能。為了克服上述弊端，適應現(xiàn)代先進飛行器設計的要求，20世紀80年代起，以美國NASA Langley研究中心的Sobieszczanski-Sobieski等為代表的一批航空領域的科學家和工程技術人員提出并逐步完善了一種新的飛行器設計方法：多學科設計優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）。

在人類文明成功掙脫地球引力，飛往廣闊宇宙深空的偉大時代里，如何在幾何外形、氣動力系數(shù)、環(huán)境干擾等不確定因素耦合作用下，通過多學科優(yōu)化設計方法，為現(xiàn)有的飛行器提供系統(tǒng)最優(yōu)解，使飛行器在飛行過程中更加穩(wěn)健和可靠，是北京理工大學宇航學院副教授熊芬芬永恒的研究主題和不懈的追求。

幸運的人生

人的一生總是在確定與不確定中度過，也總是在不確定中尋找確定。

和很多高考填志愿情況不理想、最后面臨調劑的人一樣，高中畢業(yè)后的熊芬芬對于北京理工大學的飛行器設計與工程專業(yè)到底是做什么的，一點都不了解。但唯一確定的事情是，既然被分到了這個專業(yè)，她肯定會盡其所能學好這個專業(yè)。本科畢業(yè)后，學習能力很強的熊芬芬，被順利保送本校的研究生，加入了楊樹興院士的課題組。

幸運似乎是從遇到好導師開始的。楊老師非常關心學生，在生活方面，有的學生家里條件不好，楊老師會主動資助其出國的部分費用。在工作方面，楊老師以身作則，踏實勤奮、謙虛謹慎，名利面前不爭不搶，這些良好的品質也在無形中影響著熊芬芬，讓她也養(yǎng)成了腳踏實地，扎實謙遜的作風。“楊老師問我，想不想直博，我就說想?！蹦芨鴹罾蠋熇^續(xù)做研究，熊芬芬怎么可能拒絕，更何況讀博就離她想當大學老師的夢想更近了。

博士期間，楊樹興院士建議熊芬芬出國學習，拓寬視野，增長自己的學識。2007年9月，熊芬芬前往美國西北大學深造，成為機械工程專業(yè)的聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生，為期兩年。

“我又遇到了一個特別好的導師——陳衛(wèi)老師，她現(xiàn)在已經是美國工程院院士了?！眲偟矫绹男芊曳?，因為英文不好，文章寫得也不好，受到了陳衛(wèi)老師很多的批評，但是也感受到了陳衛(wèi)老師對她細致的輔導。“陳衛(wèi)老師從寫文章到做PPT，包括PPT要怎么演講，一點一點幫我摳細節(jié)?！眱赡甑牧魧W經歷對熊芬芬的科研生涯產生了非常重要的影響，她的科研能力有了很大的提升。

2011年，熊芬芬博士畢業(yè)，她的博士學位論文被評為2011年北京市優(yōu)秀博士學位論文。“在美國，大量邏輯思維的鍛煉給了我很大的幫助，特別是在科研寫作方面，我覺得自己的成長是突飛猛進的。”

博士畢業(yè)后，熊芬芬選擇留在北京理工大學教書和做研究。“雖然工作一點都不輕松，很辛苦，壓力也很大，周六周日也沒有休息，經常出差，但是我還是很喜歡這份工作?！?/p>

茨威格在《人類群星閃耀時》這本書里寫道：“一個人生命中最大的幸運，莫過于在他的人生中途，即在他年富力強的時候發(fā)現(xiàn)了自己的使命。”當我們?yōu)榱四撤N使命或者夢想而生活時，未必一定要中大獎，也能從每天的生活中找到幸福的感覺。熊芬芬就是這樣幸運的人。

不確定的研究

隨著計算機資源的發(fā)展，數(shù)值模擬與仿真技術逐漸成為工程系統(tǒng)性能分析和設計的主要手段。但物理建模與數(shù)值模擬始終存在如：幾何模型、初始和邊界條件、模型參數(shù)等各類不確定性，嚴重影響數(shù)值模擬結果的可信度。想要充分利用數(shù)值仿真模擬物理過程，必須首先對模型實現(xiàn)有效的不確定性量化（Uncertainty Quantification，UQ），評估其可信度。而這正好是熊芬芬的主要研究課題之一。

從博士開始，熊芬芬一直從事不確定性量化和優(yōu)化設計研究。熊芬芬解釋道，飛行器在設計之初就包含了很多不確定性，她就是通過在設計中考慮這種不確定性對飛行器的影響，對不確定性進行有效量化，使飛行器的設計更加穩(wěn)健，一旦飛行器在飛行過程中受到波動，其性能不至于下降太大，從而保證任務安全可靠。

目前由于工程復雜，數(shù)值模擬存在計算耗時、不確定性參數(shù)高維，現(xiàn)有方法均面臨維數(shù)災難、精度低、適用范圍有限等諸多難題。熊芬芬和某部合作，面向計算流體力學（CFD）模擬可信度評價活動，發(fā)展高效、高可信度的參數(shù)不確定度量化方法，解決高維不確定度量化的“維數(shù)災難”問題，希望為國家數(shù)值風洞工程驗證與確認系統(tǒng)研發(fā)提供技術支撐和理論依據。

而在飛行軌跡規(guī)劃和制導研究方面，熊芬芬則是在計算效率上做了很多努力。“因為很多情況下，飛行器的軌跡優(yōu)化是需要能夠在線實時進行優(yōu)化的?！币坏┪曳降娘w行狀態(tài)發(fā)生變化，或者敵方的態(tài)勢發(fā)生了改變，就需要進行一些在線實時的軌跡規(guī)劃，而實時在線進行飛行軌跡規(guī)劃需要非?？斓乃俣?，所以效率方面一定要有足夠的速度保證。

熊芬芬設計出基于滾動凸優(yōu)化和深度學習的多約束協(xié)同制導方法，將其應用于在線協(xié)同制導，利用先進的數(shù)值方法，使得制導能靈活處理多約束，提高制導性能。在飛行器協(xié)同作戰(zhàn)中具有廣闊的應用前景，有效保證了系統(tǒng)的攻擊和防御性能。

熊芬芬的研究方向一直都是從理論和方法論的層面提出一些非常前沿的算式，目前還暫時無法應用到具體的工程中，但她相信未來一定能將這些先進的方法應用到實際工程中去，她的研究就會非常有價值。

女性的人生

當被問及，這么多年從事科學研究的過程中遇到最大的挑戰(zhàn)是什么時，熊芬芬的回答多少讓人有些出乎意料。大多數(shù)科研工作者常常會說自己在科研上遇到的瓶頸是最大的挑戰(zhàn)，而熊芬芬認為，“因為我是在一個大課題組里，大家一起努力攻關，最后總能把問題解決，沒有遇到那種邁不過去的困難”。

而真正讓熊芬芬感到比較困難的是工作和家庭之間的權衡，她總覺得自己精力有限，很難在兩者之間找到平衡。在自己的研究領域女性總是很少，“父母可能就覺得女孩應該怎么樣，這個標簽一貼，女孩就覺得‘我不做這個或者我做不好這個’，所以在我們領域女生確實特別少”。熊芬芬還調侃說，唯一閃亮的地方，就是她出席學術會議時，只有一位女性，確實非常耀眼。

如今，熊芬芬的第一個孩子剛上一年級，小的今年還不到兩歲，她總想著參與孩子們更多的人生?！肮ぷ麇e過一點，我后面再慢慢趕上，但是孩子的時間錯過了，后面可能就沒有機會去彌補了?！毙芊曳乙矔悦＃貏e是研究項目有些落后的時候，人很容易陷入焦慮的情緒里，但她總對自己說：“我兩邊都兼顧著，慢一點沒關系?！?/p>

沒有一種情感可以代替無私的母愛，而做母親又給了她全新的女性體驗和女性視角，來看待對學生的教育，“克制自己，不能因為壓力大而向學生發(fā)脾氣”。

熊芬芬每周和學生開一次組會，每個學生都在跟進一個科研項目，她讓學生在跟進項目的過程進行學習，鍛煉邏輯思維能力。學生們隨時都能找熊芬芬進行學術上的討論，“我對學生的要求不會很嚴格，會給他們一定的自由度”。熊芬芬的原則是，事事都要有回應，交給學生的事情，學生答應了，就要做到。

“因為學生的父母也會跟我打電話，有一些交流，他們把孩子交給我了，我就需要認真負責?！毙芊曳椰F(xiàn)在負責著8個孩子——6個學生孩子和她的2個孩子，把她的生活填充得滿當當?shù)摹?/p>

熊芬芬常調侃自己，明明自己是兩個院士的學生，卻沒有那么優(yōu)秀。但她知道做科研只有堅持下去，才能做出成果。今后，熊芬芬還將在不確定性量化分析、飛行器軌跡優(yōu)化與制導等方面，與更多合作單位開展更深入的研究，面向“十四五”規(guī)劃，她期待做出實際的應用成果。