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他是2021全球Top1%高被引数学家,曾是UCLA数学系终身教授,今又成Egon Balas奖唯一中国得主
深科技 | 2021-12-08 06:28:20    阅读:498   发布文章

日前,中国数学家印卧涛获得 2021 年度 EgonBalas 奖,他是目前获得该奖项的唯一中国科学家。从几十年前的数学爱好者、到数学家、再到给其他数学爱好者出题,他已然找到了藏在兴趣中的人生密码。


 

据该奖项官网介绍,INFORMS 优化协会的 EgonBalas 奖成立于 2020 年,每年颁发给在优化领域做出贡献的人。截至获奖当年的 1 月 1 日,获奖者获得最高学位不应超过 15 年。该奖项主要嘉奖在优化领域具有创新性和影响力的工作,包括理论、算法和/或计算,获奖者可获得 3000 美元奖金和一份引用证书。

 

官方颁奖词称,印卧涛的研究从理论分析到实用算法,再涵盖到代码开发。在全球范围内,他是算子分裂方法、并行和分布式计算、无中心优化、压缩感知和变分图像处理领域最有影响力的研究者之一。尤其是对成像科学的贡献,为高效优化算法注入了理论严谨性,并在过去 15 年间产生了持久影响。与此同时,他也是 2021 年度全球 top1% 高被引的数学家。

 

基础数学 Buff 加持,运筹学与计算机科学的底层逻辑


自高中起,他就对数学和物理非常感兴趣,本科则到南京大学数学系学习。他说,报志愿时所有第一志愿都是数学,第二志愿是计算机。本科期间,他也曾接触到运筹学,他发现运筹学能把实际问题通过一层抽象变成数学模型,然后运用相关知识或工具去解决实际问题。

 

2006 年,印卧涛获得哥伦比亚大学博士学位。读博期间,他主要研究随机过程和最优化,这或许为日后他加入产业界埋下了伏笔。

 

他用天气预报的例子,解释了数学在计算机科学中的作用和角色。首先,需要利用微分方程,将天气的物理过程转换成数学表达,微分方程随着时间演化,而如何控制演化过程的误差,则与级数展开相关。另外,在实现算法的同时要考虑数据结构,以保证算法的有效性。

 

基础数学是简洁高效的美,而运筹学在实际运用中显得更加有用和有趣。数学与计算科学家印卧涛谈到,运筹学是一个典型的交叉科学,与应用数学、经济学、工业工程和管理科学都有关联。

智能决策与运筹学密不可分。作为一个工具,运筹学正变得越来越重要,比如最优化方法、博弈论等已应用在 AI 和新能源等诸多领域。以新能源领域为例,广受关注的光伏发电,由于受天气影响较为明显,因此产生的电能并不稳定。如何准确预测产电量、并将不稳定的能源合适地调度到用户侧,正是决策优化和自动控制领域面临的新问题。

 

此外,运筹学中的一些基本理论包括多目标优化、双层优化,也可用于日常生活。这些理论在数据科学的研究和开发中,更是必不可少。

 

算子分裂新方法与无中心优化,显著提升计算效率,被引 28000+


目前,他已在高效计算方法的研究上取得不少影响力的成果。以算子分裂为例,其实质是将复杂数学问题分解为一组简单的子问题,此前他和学生发现的 Davis-Yin Splitting 算子分裂新方法,对算子分裂的发展做出了突破性贡献[1]

 

他表示,计算是把一个复杂场景变成最简单的可算的单元,Davis-Yin Splitting 方法的优势在于以下三个方面:

 

首先,Davis-Yin Splitting 方法是一种单调算子的分裂法。单调算子是一种性质比较好的算子,也是很多具体算子的抽象,比如凸函数的梯度、对称正定矩阵、反对称矩阵等。这种抽象且性质好的算子,可让很多计算问题简化成一个单调算子求根问题。

 

其次,Davis-Yin Splitting 的计算效率比较高,可直接分解更复杂的三单调算子问题,无需引入额外变量。

 

此外,该算法的理论很简单,且对一系列问题都具备较好的加速效果。

 

对于无中心优化,印卧涛解释称它涉及到不同的原理。目前,CPU 和 GPU 单核处理速度不够快,为加快解决复杂问题,需同时使用多个 CPU 和 GPU,这便是并行优化,它可分为有中心优化和无中心优化。

 

有中心优化的特点是存在一个进行数据汇总和调度的中心节点,其它所有计算节点都需与其通讯。也就是说,只要一个中心节点出问题就会导致整体通讯瘫痪。而他开发的无中心优化,去掉了中心节点,每个节点只与相邻节点通讯,或只跟少数的几个其他节点通讯,通讯瓶颈问题得以借此攻克。

 

此外,无中心优化在深度学习领域也展现出一定优势,它可将新旧机器在一个网络里混合起来同时发挥作用。这时,不再需要一个中心同步或者调度所有数据,深度学习的成本也可得到降低。

 

 

过去 10 年左右,在大数据分布式并行优化方面,他已完成多项优秀工作。据谷歌学术,其论文引用记录已超 28000 次,其中 4 篇被引数超过 1000 次,H 指数达70。这些高被引论文的共同特征,在于使用简单的新方法去解决相关问题。

 

加入业界,打造中国首个免费开放的商用求解器 MindOpt


2013 年,他在加州大学洛杉矶分校(UCLA)开始担任数学系终身教授。2019 年,其加入阿里巴巴达摩院决策智能实验室,担任负责人和研究员。

 

他介绍称,该实验室主要研究优化求解器技术、时间序列技术、可解释的 AI 技术;同时,在新能源相关的预测和调度项目,验证技术的落地性。

 

印卧涛带领团队在短短一两年之内开发出商用级别的优化求解器 MindOpt,多次在国际权威的 Mittelmann 榜单获得第一名。

 

求解器的主要功能是解决数学规划问题,在云计算、金融、能源等领域应用广泛,亦是智能决策场景的不可或缺的基础工具。由于技术壁垒高,几十年来高性能商用求解器技术始终由少数欧美企业主导,直至最近 2 年才有国内厂商崭露头角。

 

2020 年,他带领团队发布了求解器 MindOpt,并率先在内部做测试,结果显示一年能为阿里云节省成本数亿元。随后,求解器向社会免费开放测试,并于 2021 年云栖大会新增了黑盒优化功能。

 

具体来说,求解器是一款基础工具,类似于运筹优化中间的 CPU。因此,求解器往往是基于不同的应用场景而产生不同的价值。比如在能源领域,可提升新能源消纳率,从而让调度的成本更低、稳定性更强。

 

另据悉,在复杂系统的运筹优化方面,决策智能实验室也取得一些成果,例如“达灵”计算资源优化、“龙灵”零售个性化流量优化等。

 

目前,印卧涛的工作主要是指导决策智能实验室,完成具体的项目,并在一些重点的赛道上将研发的技术实践进行落地。此外,他也参与过 Alibaba Global Mathematics Competition 的出题与审核。

 

学术融合产业,迸发强大合力


从 UCLA 到业界,他表示:“这是一个逐渐转变的过程。”学术界和产业界的工作节奏和模式是不同的。因此,如何将个人目标与企业目标相匹配,是成功跨界的一个重要因素。

 

经过磨合和学习,他发现在企业里,基于内部孵化场景所产生需求很丰富,可做的事情也比较多。同时,院内支持长期投入,这对于研究和产出的平衡很重要。而丰富的人才结构更容易形成一股合力。

 

他表示,自己的兴趣点在大规模计算,为了把问题解决得更快更好,需要将多个 CPU 和机器并行,进行分布式计算。而在未来三至五年内,他希望将 AI 运用到求解器的研发中,帮助求解器提高性能。


-End-


参考:

1、Davis, D., Yin, W. A Three-Operator SplittingScheme and its Optimization Applications. Set-Valued Var. Anal 25, 829–858(2017).


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