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马永胜:行稳致远,一生一事

2021-12-17 | 祝传海 | 来源 公号“科学中国人”2021-12-16 |

2021年是马永胜决意回国、投身祖国工程信息学事业的第一年,迎着9月开学季的阳光,他在南方科技大学度过了第一个教师节。马永胜感慨良多,人生中的每一个时刻他都全力以赴,没有浪费一次机会,一路顺利走到了现在。这位刚回国不久的资深教授多年来醉心于计算机辅助产品设计及集成制造,致力于先进信息学特征理论,并把该理论扩展应用于跨学科网络化协同工程、智能信息语义学等方面。在这些技术理论研究的基础上,他和团队坚持开展深度信息集成、产品全生命周期管理的技术研究,取得了丰硕的成果。

站在全新的起点上,马永胜将继续与先进的工业软件为伴,挑战新的目标,为中国的计算机辅助产品设计、分析和集成制造发挥独属于他的光和热。

马永胜(清华大学精仪系1981级校友)

迈向更广阔的世界

出生于内蒙古自治区乌兰察布市科布尔镇的马永胜,似乎从很小的时候就开始对外面的世界有着莫名的向往。家乡给他的馈赠是坚定的性格。在那个特别困难的年代里,读书是摆在他面前的唯一一条能连通外面世界的路。

年少的马永胜似乎习惯了离家进入各个寄宿学校的不安与适应,一直很努力。1979年,他幸运地考入了内蒙古集宁一中,这是当地最好的高中。“在那么困难的情况下,我们的老师花了非常多的精力,钻研了很多教学方法,让我们一整个班的学生都考上了大学,其中有五个考上了清华大学。”马永胜正是五个考入清华大学的学生之一,时隔多年他仍然感谢老师们的辛勤奉献,他们像一棵棵枝繁叶茂的大树,扎根于西北边陲,为学生们遮风挡雨,培养出一批又一批的学生;让这些“吃苦”的孩子考入心仪的大学,送更多的“白桦树”苗子到外面的世界扎根成长。

1981年的秋天,走进清华大学这所培养了众多杰出校友的一流学府,马永胜仍是最活跃、最勤奋的学生之一。从当时欠发达的内蒙古走进清华大学,成为他人生的又一个转折点。初入清华大学的他,就读于精密仪器系。“一说到精密仪器,我总是会想到一些上天入地的神奇又精准的仪器,对我有着非常大的吸引力,我觉得在这个专业的学习一定是充满挑战的。”

抱着这样的想法,马永胜像海绵一样不停地吸收各种新知识,参加各种社团活动。5年的清华岁月倏忽而过,他很快就要毕业了。忙着本科毕业设计的他,受到了蔡复之和张玉峰两位老师的关心和照顾。“我当时在天津做项目,老师就派车从北京把仪器设备送到工厂,让我们这些学生用上学校当时最先进的设备;他们常深入工厂给我们最好的科研指导,引导我们做出最好的结果。”马永胜从老师们的身上看到了一种追求科学事业的宝贵精神,他们把做学问的方法变成生活中最自然的习惯,持续地坚持下去。这是他在清华就读期间收获的宝贵财富,让他在日后的人生中受益无穷。

1987年,清华大学学生部和精仪系为马永胜争取到了非常难得的深造机会——国家公派去英国曼彻斯特理工大学(UMIST)攻读博士学位。马永胜再一次有了迈向更广阔世界的机会。

据了解,曼彻斯特是英国第二大的城市,是世界上最早的工业化城市,也是英国重要的交通枢纽与商业、金融、工业、文化中心。坐落在此的曼彻斯特理工大学更是实力不俗,在英国乃至全球都享有极高的声誉,学术地位一流,校友包括25位诺贝尔奖得主和众多国际名人。

尽管基础扎实、求知若渴,但英语不太好、短时间无法融入英国文化环境的情况,让马永胜的求学之路面临巨大的挑战。在新的语言和文化环境中,他发现最困难的地方是如何克服文化上的鸿沟,如何建立起中国人自己的自信。“我们要虚心学习外国先进的科学技术,随着时间的推移,我们就更能体会到中国人的兼容并蓄、不屈不挠的家国理念,文化精神、制度也是非常优秀的,慢慢地,就有了一种自信。”这样的自信给了马永胜克服语言学习和文化差异,从容不迫地在国际舞台交流和绽放的勇气。

来到英国的马永胜,师从Dr.G. BarrowDr.S. Hinduja开始系统学习CAD/CAM(计算机辅助设计和计算机辅助制造)基本理论。在两位导师细致认真的指导下,马永胜针对计算机辅助智能加工早期软件技术理论与系统开发,进行了深入的研究,取得了不小的收获。

当时CAD/CAM系统功能还十分有限,在复杂刀具轨迹生成方面一直存在无法预测材料剩余几何形状及难以有效进行加工工况仿真的问题。马永胜利用Voronoi图算法,完整解决了铣削加工穴和开放表面的螺旋(外出和切进)轨迹生成的终极层收敛问题。并且他还利用二维轮廓演进,有效预测加工切削角度与余量,因而为切削加工参数优化提供了量化计算的前提条件。最终马永胜以优异的成绩拿到了博士的学位,为科研之路打下了非常扎实的基础。

英国恩师对待学术的认真和对学术的执着追求,深刻地影响了马永胜的人生轨迹。面对博士毕业后第一次工作的选择,马永胜选择了坚守初心,继续从事CAD/CAM专门技术研究,并在钻研学习的过程中,不断思考科学研究与实践应用的关系。“经过这么多年的求学,终于毕业了,我觉得是时候用自己的专业知识服务社会了。”在他看来,用研究的理论方法解决具体工业中的实践问题才是他想要达到的最终目的。

1993年,马永胜加入新加坡义安理工学院从事教学和研究工作。其间,他成功利用关联特征的概念,很好地完成了CAD/CAPP/CAM集成,解决了计算机辅助模具设计与制造集成中的复杂几何曲面与刀具轨迹生成的依赖关系建模中一系列难题,并因此受聘精密橡胶制品公司兼职技术顾问,成功地把关联特征概念应用于工程盖板设计、鹰架架构设计等计算机软件的开发。“当时新加坡政府正聚集一批人才从事精密工程工作,这正是我在英国学到的东西,所以去新加坡参与精密工程研究,将所学的知识转化为实践应用,是我应该要干的事。”马永胜说。

如果说进入集宁一中是马永胜接受优秀教育的第一步,来到清华大学是他人生逐梦的第二步,那么从清华大学被公派到英国曼彻斯特理工大学读研,就是他近距离接触广阔世界的第三步,而从英国飞往新加坡,开始人生的第一份工作,则是马永胜迈向事业奋斗更广阔前景的第四步。在新加坡面对着日新月异、欣欣向荣的新兴技术领域,马永胜一往无前。

2018年,马永胜(左三)在加拿大阿尔伯塔大学任教期间与毕业学生合影

追求一生的事业

在追求卓越先进技术的初心驱使下,为了有机会参与最具挑战性的研发项目,1996年,马永胜辞去新加坡义安理工学院的工作,加入新加坡制造技术研究院,开始模具方面的软件设计工作。在这里,他和南洋理工大学Tor Shu BengGrame Britton两位教授合作,得到了新加坡政府400万新元(约2000万人民币)的资助,带领团队研发基于UGUnigraphics)模具的自动设计软件。软件开发的过程充满了技术和人才挑战,马永胜和团队两年内开发出注塑模具设计软件产品Quick Mould

在传统的设计方法下,当时做一个模具的三维设计需要大概3个月的时间,但马永胜开发的Quick Mould只需要34个星期就可以完成一套模具的三维设计。在此后的两年时间里,Quick Mould在新加坡的23个工厂进行了试用,试用结果表明,模具工厂的生产效率大幅度提高,形成了很可观的经济效益。

Quick Mould产品是在世界知名的Unigraphics这个软件基础上开发的,所以Unigraphics公司对我们的研发十分关注。”1998年,Unigraphics(现西门子NX PLM)公司下决心收购Quick Mould。接着马永胜又领导完成了Quick MouldMould Wizard的商品化研发,并由此验证了关联特征理论在工程软件设计、开发、应用和维护及周期管理的巨大优势,形成了有效的方法论。

Mould Wizard软件一经上市,便成为模具自动设计领域的宠儿,从1998年至今,23年过去了,Mould Wizard软件仍然畅销于国际市场。“我后来想想,一个很重要的原因就是我们软件工业研发的语义学规范性和标准化基础非常扎实,我们的软件拥有‘健康的骨骼’,这个‘骨骼’能够为软件的进一步发展提供长期的动力。”

对此,马永胜有一种极大的满足感。“我做了一个不错的工作,锻炼自己的同时也收获了领导团队科研和产品化经验。”对马永胜来说,这不仅是从做学问到实践应用的变化,也是一次从软件应用研究到软件设计师的角色转变。通常开发软件是由软件专业工程师完成的,而马永胜学的是机械制造,所以他是从制造的角度出发研究软件技术,然后又用软件的技术来解决工程问题。至此,一个全新的领域——工程信息学展现在了马永胜的面前,他的研究因而走入了新的阶段。

2000年,新世纪之交,马永胜选择到南洋理工大学当教授,继续他工程信息学的研究。当时的他在软件开发方面取得了很多成果,但他并没有满足于此,还想继续挑战自己,在学术上有更多的建树,于是他萌生了回高校的想法。“如果说人生是一条每个人都要走的路,那你一生可做的事情,便如同千千万万条小径、岔路。然而面向理想到达巅峰的路,却仅有一条:择一事,终一生。”对马永胜来说,教书育人就是那个“终一生”的事业。就这样,他在南洋理工大学开启了新征程,一待就是整整7年的时间。

在此期间,马永胜于2003年独创性地提出“关联特征”原创理论,即以工程语义为基本建模元素,利用面向对象的异构自适应动态程序镶嵌原理,实现多面向特征通用语义图论表达方法。为了验证这一理论,马永胜把这一理论深入大量地应用于工业实际中,尤其针对模具生产行业,对复杂塑料模具设计进行基于面向对象的前卫软件开发,发表了基于关联特征的冷却水道设计、标准零件模板库和标准组件库等权威文章。

虽然研究成果很多,但马永胜追求的永远是更多的研究进展。2007年一个新的契机出现,让他决定离开新加坡。“那个时候新加坡的大学都处在转型期,最后他们都选择了北美的教学体制进行改制,也是这段时间让我有机会接触北美的一些大学。经过对比和分析,我突然间发现我想做的领域在北美有更为深厚的基础,我觉得应该要往前冲,到那里去接受和实践更先进的理念。”当时,加拿大阿尔伯塔大学正好在招聘100名预聘的教授,马永胜顺利地申请成功,拿到了一个永久教职,这一年,他刚刚42岁。“对我们从事学术的人来说,在四十多岁的年龄能够拿到一个永久教职,是一种安全感,也是科研事业的阶段性收获。”

比起新加坡,北美大陆的广袤无垠无疑更吸引马永胜。到了加拿大,他需要面对一个新的环境,不再是熟悉的模具设计研发,而是陌生的油砂开采研究。“从油砂中提炼重油,需要经过复杂的热开采技术变成石油的工艺。这个跨度还是很大的,从精密工业到油砂工业,对我来说是一次从单一学科研究转变到跨学科综合的锻炼。”

马永胜继续发挥他在高难度特征信息集成的长处,研发了高效的CAD/CAE优化方法,并应用到各种产品设计优化、ERP系统数据集成和升级定制与互操作性改进方面。他还扩展关联特征理论到化工流程设计与设备设计优化中,在跨学科知识综合、信息流动与共享、复杂约束求解和系统化归一优化等方面有了重要的突破。在加拿大工作的8年时间里,他和多家公司建立了持续的合作关系,获得一系列资助累计超过500万加元。

在如此丰厚的资助和科研成果的背后,马永胜早已成为一位在学术理论、技术研发、工业应用多方面研究全面均衡发展的资深教授,这时他才有了足够的底气完成心底的那个愿望——那就是回到祖国,服务祖国。“我是国家公派出去的,我有责任和义务回到祖国,报效我的国家。”

2019年访问南方科技大学时与所教学生合影

展望未来之路

20217月,马永胜举家回到了暌违33年的祖国。回国的旅程因为新冠肺炎疫情而变得异常艰难,但这一切都无法动摇马永胜回国的心。“疫情隔断了很多的交流,也让我们发现全球化不再是那么理所当然的事情,国界变得更加明确。我也悟出一个道理,科学技术是无国界的,但科学技术的使用是有国界的,在哪里使用、为谁服务都是有它的范围。这也是我决定回国的一个重要原因。”

虽然回国的路程很曲折,但是南方科技大学却让马永胜感受到了许多温暖。“我特别感谢南方科技大学各级领导和负责人事的老师,工作做得很到位,让我觉得很温馨,在这么困难的情况下,有一群老师在后边支持我,我特别感谢他们。”

入职南方科技大学后,马永胜要做的第一件事,是在南方科技大学建设市、省乃至国家级的工程设计分析仿真软件研发重点实验室。“建好研究团队和实验室,在最短的时间内能够有产出,为自己的工作找到支撑点,这就是我要做的事情。”马永胜说,他是个急性子,特别着急怎么样才能又好又快出成果,总有一种紧迫感。考虑到他的年龄,马永胜认为,他能够在国内健康工作十余年就是他的最大目标。正是因为十余年的时间并不算长,反而让他的紧迫感更甚。而后续,马永胜还将建设创新实践中心,打造一支卓越团队,并率领这个团队卓有成效地开展工业软件科研攻关工作,同时为我国培养创新型高端人才。

目前,马永胜将主攻方向定位在“核心智能设计分析优化”的关键工业软件的研发上。该工作的最终目标是实现核心CAD/CAE/CAx智能工业软件产业化,推动更多中国自主开发的工业软件工具和技术走向市场,为早日实现制造强国的战略目标作出贡献。他计划把工程语义学与网络化、服务化、复杂化,以及智能化的算法与多物理交叉科学结合起来,集中攻克微粒度通用特征核心模型及应用扩展机制的难题,为建立真正的通用无间隙数字物理孪生内核模型和多学科多体系应用共享信息平台界面而努力。

马永胜(前排中)南方科技大学团队合影

除了学术上的无尽追求外,传道授业解惑也是马永胜现阶段的教育理想。他认为,一个时代有一个时代的教育方式,教育的方式是日新月异的。“比方说新冠肺炎疫情暴发的时候,我们的教育就一定要适应疫情所带来的困扰,很多学校选择了网上教学,但网上教学需要考虑很多问题,学生是不是能够集中注意力,是不是能够学透,是不是能交作业,考试是不是还是传统课室现场考试方式?”马永胜说,教学的细节里是一环扣一环的知识传递,也是一环扣一环地验证学习效果,如果想要达成最终的教学目的,就一定要做最细致的工作,这是教育的职责所在。

“我个人有较长时间的工程教学经验,最近和融亦鸣教授一起出了一本书,专门研究如何以项目为导向的机械设计毕业设计教学方法。”这是马永胜从2009年起一直讲授“高级机械设计项目”(Capstone Senior Design)课程的总结。近年来他把该课程引入清华大学深圳国际研究生院、北京理工大学和南方科技大学,开始学生团队自主项目设计的尝试,教学效果获得了师生的一致认可。“大家都知道在高校里面‘工科毕业设计’是非常关键的一环,在毕业设计里,你要传承什么样的价值,运用什么样的教学元素,毕业的时候学生才能信心满满地接受社会的检验?这都是非常值得思索的课题。”

马永胜教授的很多学生在毕业多年后重返校园时,还总会提起这门课,他们常常和他说,“这门课相当于给毕业生戴上了一个桂冠”。由此可见“高级机械设计项目”这门课的重要性。

而在如何培养学生方面,马永胜则说了自己的两个层次:一个是硕士以下的学生,他会重点培养学生的基本工程实践技能,培养学生能够学以致用;另一个是博士以上的学生,他特别强调博士生要敢于探索和想象一些前所未有的领域,敢于用数学和物理的手段验证自己想象出来的东西。“这很重要,从想象转换成科学,这恰恰是做研究的高端人才应该做的事情。”马永胜谈他的体会,这些研究方法也都是他的老师们教给他的,做学问的方法、对待科研的精神、对学生的鼎力支持,这是一种传承,而这样的传承还在继续。

当前,我国正在全面推进制造强国战略,其中在“战略任务和重点”中提出工业强基工程,在各工业领域实现自主核心技术和基础零部件、关键基础材料的自主保障。而目前国际贸易摩擦已经让我国重大领先行业的基础技术受到不公平的负面冲击,形成严重制约我国持续发展的不少“卡脖子”瓶颈。可以看到,我国还需要从基础核心技术做起,以刻不容缓的态度,大力研发自主核心技术,彻底打破受制于人的局面。

而马永胜的工作目标正是基于《中国制造2025》行动纲领,着眼于产品智能设计和验证,为推动中国创造走向市场,解决“卡脖子”瓶颈,作出贡献。他说:“科学技术是不会止步的,走在科研道路上的我也是一样的。我的理想,也在这个过程中不断实践、不断更新。相信在工程信息学领域,我能做的事还有很多。”


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