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新民周刊丨【校庆70周年封面报道】华东师大工科:国家利器的磨刀石

2021年10月14日

【新民周刊·校庆70周年封面报道】



”安全保障闭环的形成,软件人和软件工具要配合好一步步地走,就像绣花功夫一样急不来。“


  近日,一则高校大数据专业排行榜在朋友圈刷屏,华东师范大学的“数据科学与大数据技术”专业,以综合评分99.8的成绩,位列第二,打榜获评A+类。这所高校给人以“师范专业强、文科强”的传统印象,也就此打破。

  事实上,华东师大的数据科学与大数据技术专业是全国高校数据专业中唯一的“国家级一流本科”建设点。作为新工科专业和学科发展方向,旨在培养具备用数据为产业赋能的能力的“系统架构师”和“数据科学家”,研究和开发支持数字化转型的“硬核”数据技术。

  除了这个“全国唯一”的专业,以何积丰院士带领的软件可信保障技术团队,也是华东师大工科专业的“重头戏”。目前,该技术在国际上达到领先地位。正如何积丰院士所言:“控制软件是工业重大装备的中枢,是国家利器。要让它足够锋利,就需要优良的磨刀石。我们就是把铸剑的磨刀石做好做精,从而提高重大装备核心控制软件的质量,确保它们安全可信。”


从技术创新到人才培养数据技术支撑数字化转型


  数据是人类进入数字经济时代的重要生产要素。“研究数据就像一百多年前电机和电气学科研究绝缘、变压和输配电一样。”华东师范大学数据科学与工程学院(以下简称“数据学院”)院长钱卫宁在接受《新民周刊》采访时表示,华东师范大学数据学院成立于2016年,其目的不是培养数据技术“驾驶员”,而是具有综合能力的“造车人”,并且研发“造车”所要的“硬核”技术。

  近年来,随着各行各业加速数字化转型,应用场景多样化。这些应用背后,传统数据管理系统面临的使用压力和服务方法都受到了挑战。研究团队重点突破,主要解决怎样在用户同时访问峰值急剧升高、用户使用方式不确定的情况下,做到数据管理分毫不差。

  “以往,数据库面临的用户是柜台后面的服务人员,用户是谁,用户体量,操作流程,都是可预知的,数据是在一个封闭世界里流转。现在,双11秒杀、12306抢票这些‘现象级’应用里,有很多不确定性,但最后的支付还是要到后台的数据库系统里处理。”钱卫宁表示,当用户量的起伏最高相差两到三个数量级,原来的数据库系统就不行了,需要有创新性的解决办法。

  “我们叫做弹性事务处理,用户量级大的时候,能及时升级;用户量级小的时候,也可以很节省,多出的服务器可以做别的服务。”钱卫宁说,这一弹性系统,就好比一列火车,如果在上坡时拉力不够,用多个火车头推拉,上坡结束后卸去多余的火车头,这比一直只用一台功率更大的火车头要节省、有效得多,更不用说对于有些陡坡,只靠一个车头,最强大的火车头也无能为力。“这是一种系统架构上的转变,需要一系列的‘硬核’技术在背后支撑。”

  过去6年,数据学院取得了丰硕的科研成果。其中,在核心数据管理系统上的成果在银行、移动通信、云计算等行业得到广泛成功应用,为打破国外技术的垄断、实施“替代工程”、助力行业转型升级做出了贡献。科研团队曾获国家科技进步二等奖1次,教育部科技进步一等奖1次,上海市科技进步一等奖2次。

  当然,利用数据来做在线教育,实现“大规模教育,个性化学习”也是大数据领域面临的新问题。“例如,怎么把计算机科学教育,更高效、有用地普及到课堂,大数据发挥着重要作用。”钱卫宁说。

  数据学院从自己学院的学生培养开始,利用“水杉在线”在线学习平台实现高质量的个性化教学。从2018年开始,学生在“水杉在线”上学习,后台收集学习行为数据,系统通过建模分析对学生进行动态画像,及时反馈学习问题。

  由于不同人的学习路径和节奏不一样,所以学生可以自己控制学习进度自主学习,老师和助教更关注于解决学习中的问题。在线学习系统就像一个老师,针对学习行为,为学生提供帮助。随着用这个系统的学生越来越多,系统也越来越“聪明”。在线学习平台和学生之间,实现了“教学相长”。比如,一个程序代码错误,可能不仅一位学生会遇到,传统的方式需要助教为他们逐一排错和解答。现在,系统可以为学生自主解答,老师也可以根据学生出错情况调整教学方案统一解答。

何积丰院士团队与卡斯柯长期合作,将可信软件技术部署轨交行业。

  此外,围绕数据专业人才培养目标,踏实践行“应用驱动创新”和“开放办学”理念,数据学院还发起成立“数据科学与工程专业建设协作组”,联合15所高校40余名专家编写、出版了《数据科学与工程专业人才培养方案与核心课程体系》,并组织了系列教材的编写和出版。


软件可信度保障破除“黑盒子”


  2020年12月,去月球挖土的“嫦娥五姑娘”,带着太空“土特产”重返地球。事实上,“嫦五”从月面起飞、月球轨道交会对接和地月之间再入返回等60%以上的功能,均涉及软件操控自行实现。

  中国科学院院士、华东师范大学软件工程学院创院院长何积丰告诉《新民周刊》,从天宫一号与神舟飞船自动对接,到上海地铁线首次实现无人驾驶,这些奇迹的背后,都有华东师范大学牵头的《面向重大工业装备核心控制软件的安全可信保障技术及应用》成果身影。

  据了解,这一项目获得了2019年度上海市科技进步特等奖。目前,仅航天领域,从神舟七号到风云四号,这一特等奖项目技术就在50余个任务中成功应用。

  嵌入式软件是航天器的重要组成部分,其可信性直接影响航天任务成败。华东师大软件工程学院蒲戈光、陈仪香教授团队,依托航天五〇二所承研的“航天嵌入式软件可信性保障关键技术和应用”项目,获得了2019年度北京市科学技术进步一等奖。

  “除了要控制整个卫星的姿态,控制它的精度,确保万无一失。用了何院士的形式化方法,测试效率可以从原来的一两个月,缩短至三到五天。”几十年来,为了提高航天嵌入式软件的质量,软件工作者开展了大量的工作,取得了很好的成效。然而,动态时序、非确定性和复杂控制逻辑等深层次的软件问题仍时有发生。

  在何积丰看来,安全保障闭环的形成,软件人和软件工具要配合好一步步地走,就像绣花功夫一样急不来。比如,智能悬架以前多应用于高端车型,现在中端车型也在逐步配置。“我们正在给上汽、东风、一汽甚至是大运、长城等提供行业解决方案,实现国产化替代。”

  一直以来,团队努力“破黑盒”,以解决软件可信保障技术的三大难题。主要是软件复杂性。

  “分析难”、软件正确性“验证难”、软件可靠性“保障难”。分析方面,一份用户需求文件可能好几百页,会存在网络延迟多变等不确定性;验证方面,必须让代码自动生成替代人工编写代码;保障方面,接受国际测评标准严、投入大、周期长、成本高。

  “如果闭门造车,可能水土不服。”2012年何积丰院士团队与卡斯柯合作至今,其技术不仅成功部署于上海轨道交通17号线,还服务于东非地区的第一条城市轻轨——埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴轻轨,成为中国第一套“走出去”的自主列车运行控制系统解决方案。

  历经十余年深入研究、实操实战,已有近千名高端软件人才从这个大项目平台走向全国近百家企业。项目团队表示,未来将继续为国产大飞机、深空探测等重大国家级技术攻关提供共性技术,在国际上也形成高端装备核心软件的“中国造”品牌。


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记者丨吴雪

来源丨新民周刊

编辑丨梁欢

编审丨戴琪