新院士@上海 丨用科學理論為重大建設提供堅實支撐!同濟大學教授李傑當選的中國科學院院士

fans news 發佈 2021-11-18T14:30:27+00:00

他,就是新當選的中國科學院院士、同濟大學土木工程學院教授李傑。他數十年如一日,始終心懷學術使命和科學追求,一直奮進在結構工程理論創新的最前沿,矢志用科學理論為國家重大工程建設提供堅實支撐。

他和學生提出的「廣義概率密度演化方程」,被國外學者稱為「李—陳方程」;他和團隊創立的大型生命線工程網絡可靠性分析理論,成為國際同行廣泛認可的「RDA方法」。憑藉開創性的研究工作和突出的學術成就,2013年,他被丹麥王國奧爾堡大學授予榮譽博士學位;2014年,他被美國土木工程師協會授予Freudenthal(弗洛伊登瑟爾)獎章;2017年,他當選國際結構安全性與可靠性協會主席。

他時常對青年學生說:「真正能讓你安慰一生的,是你解決了困惑我們人類發展的基本的關鍵的科學問題。」這是對青年學者的勉勵,也是他身為一個科學家的心聲。

他,就是新當選的中國科學院院士、同濟大學土木工程學院教授李傑。他數十年如一日,始終心懷學術使命和科學追求,一直奮進在結構工程理論創新的最前沿,矢志用科學理論為國家重大工程建設提供堅實支撐。

揭開「隨機世界」的科學奧秘,為複雜高層建築安全保駕護航

「鑑於您對概率密度演化理論的發展,以及在大規模生命線工程抗震設計方面的貢獻,美國土木工程師協會決定授予您Freudenthal Medal(弗洛伊登瑟爾獎章)。」2014年,授予李傑教授的頒獎詞這樣寫道。該獎被國際公認為工程可靠性與結構隨機動力學領域的個人最高學術榮譽,李傑教授成為該獎設立40年來首位獲獎的亞洲學者。

何謂「概率密度演化理論」? 「我們生活在一個充滿不確定性的世界中,但人們總是希望獲得確定性的結果。」李傑教授介紹說,「概率密度演化理論就是希望用一種精確的方式,反映隨機系統中概率結構的變化規律,而我們建立的『廣義概率密度演化方程』,則揭示了確定性系統與隨機系統之間的內在聯繫。」

在土木工程中,地震、颶風、火災等自然災害可能在何時、何地發生,強度多大,破壞性有多麼嚴重,建築結構的材料性質如何,都是不確定的、隨機的。懷著對關鍵科學問題探究的熱情,李傑改變了傳統的研究思路,自上世紀90年代初開始這一研究。經過10餘年創新探索,他提出了「基於物理研究隨機系統」的思想,並在此基礎上發現了「隨機系統中概率結構的變化,在本質上取決於系統物理狀態的變化」這一規律,實現了認識上的突破。

團隊將研究的概率密度演化理論運用於隨機動力系統的分析。在土木工程中,高層建築的地震倒塌、跨海大橋的風毀事件等等,無不與隨機動力系統的分析相關。然而,經典的隨機動力學理論,難以解決複雜結構與各種不確定災害之間的災變分析。應用李傑和他的團隊所發展的概率密度演化理論,則能較好地解決大型複雜工程結構設計中的災害響應分析問題,從而可以通過科學的結構抗災可靠性設計措施,為工程結構保駕護航。

中國學者的原創成果引起了國際學術界的高度關注。 「『廣義概率密度演化方法』為結構可靠性開闢了新的道路,是一項具有突破性的進展。」國際結構安全性與可靠性協會前主席、美國工程院院士安(Ang)評價說。

2009年,李傑教授和他的合作者陳建兵博士的學術專著《結構隨機動力學(Stochastic Dynamics of Structures)》由國際著名出版集團John Wiley & Sons出版,在國際同行中引起熱烈反響。

重要理論成果直接支撐重大工程建設:我國容積最大的1.2萬立方米特大型混凝土消化池抗震設計、華東500千伏骨幹電網高壓輸電塔抗風可靠性分析、牙買加西摩蘭大橋(位於10度高烈度地震區)抗震可靠度設計、總高632米的上海中心大廈抗震可靠性分析……在這些國內外重點工程建設中,「概率密度演化理論」都發揮了重要的科學支持作用。這一重要理論成果榮獲2016年度國家自然科學獎二等獎。

事實上,不限於土木工程領域,「概率密度演化理論」現已被40餘個國家機械工程、航空航天工程、海洋工程乃至生物醫學等多個領域的學者所關注、引用以及應用,充分展現了基礎理論研究的魅力和廣泛價值。

支撐地下管網的科學抗震設計,讓城市「大動脈」脈動不息

大地震突如其來,供水中斷、電力中斷、煤氣中斷、交通癱瘓……城市的「大動脈」瞬間停止跳動。如何能讓大城市的「生命線工程」在地震中免遭重創?唯有科學的抗震設計。李傑教授和團隊從看不見、摸不著的城市地下管網的抗震入手,開始了長期的艱苦探索。

針對大型工程網絡分析中的複雜性難題,李傑教授和他的團隊獨闢蹊徑,提出了「基於結構函數遞推分解」的技術思路,建立了「遞推分解理論」,有效解決了大型生命線工程網絡分析中的複雜性問題,取得了這一研究領域的重要科學進展。

在其後的十餘年間,以遞推分解原理為核心,李傑教授和他的團隊系統研究了最小割遞推分解技術、快速遞推分解技術、考慮相關失效的遞推分解技術,形成了以解析圖論為特徵的網絡連通可靠性分析理論體系,為500萬以上人口的特大型城市、上千個節點的大型生命線工程網絡的抗震可靠性分析提供了精確、高效的技術工具。而同期,國內外對此問題研究的最好水平是100個節點以內的中小型生命線工程網絡。

與此同時,他們還深入研究了大型生命線網絡的抗災優化設計理論和關鍵技術,為大型生命線工程網絡系統的抗震設防、抗震設計與系統優化,提供了基礎理論與技術支撐工具。

由此,李傑教授也成為國際上少數幾位在這一方向具有領先地位的學者,被公認為我國生命線工程研究的代表人物。

理論的進步帶來了技術的跨越式發展。在李傑教授和團隊積極奔走、推動下,研究成果先後應用於瀋陽市、鄭州市、上海浦東新區等10餘個城市生命線工程的抗震可靠性分析之中。這些工程應用實例,成為迄今為止國內外最大規模的生命線工程網絡抗震分析和技術改造工程項目。

2008年汶川大地震後,李傑帶領課題組深入災區,應用所發展的這些技術先後完成了都江堰、綿竹等6個受災城市供水網絡系統的應急恢復和災後系統改造研究工作,為這些城市震後供水管網的應急修復和改造設計提供了科學支持與關鍵技術建議,為災區節省了大量工程投資。

「遞推分解理論」在國際上逐漸得到學術同行的廣泛認可,被認為是分析大型生命線工程系統可靠性的首選方法。「遞推分解技術」已經被國際同行們系統跟蹤、學習。

身為上海防災救災研究所的帶頭人,李傑教授還帶領研究所,匯聚同濟大學優勢學科力量,通過開展基礎性、前瞻性科學技術研究,取得了一批重要的學術成果,培養了一支專業從事防災減災的科研隊伍,有力地提升了上海城市運行安全及防災管理水平,為上海城市安全提供了科技保障,研究成果還輻射全國,為國家防災減災與救災事業發揮了引領與示範作用。

「我們希望將地震、火災、風災、洪澇、生命線工程事故等城市面臨的多種災害放進計算機里,進行模擬和情景仿真,實現對城市安全風險的動態預報,為上海市城市綜合防災和安全風險治理持續提供有力的科技支撐。」李傑說。

執著於學術原始創新,傾情為國培養棟樑之才

「我們這些年來開展的研究工作得到了國際同行的認可,我內心裡是欣慰的。這說明了在科研工作中堅持創新精神的價值。」李傑教授說。在他看來,創新是科研的靈魂,一項研究工作有沒有價值,首先要看它有沒有真正的科學創新。

「這得益於我師從朱伯龍先生期間的心得。那時,每次學術討論,朱先生都要問我『有沒有new idea』『是不是真正的new idea』。」李傑教授說,這些教導,在他心中留下了深深的印記。

一直以來,李傑教授十分注重在學術團隊中倡導弘揚真正的科學精神。「在李老師帶領下,我們學術梯隊對基本科學問題長期堅持、銳意創新。沒有長期堅持,就不會有深入系統的成果;沒有銳意創新,就不會有一流的科學發現。」團隊中的青年學者陳建兵教授說:「李老師特別重視學術梯隊的建設,特別鼓勵並支持我們年輕人在學術上的獨立創新和探索。」

持續的科學創新探索,催生了高質量原創研究成果,也直接支撐了高水平青年人才培養。更讓人感佩不已的,是李傑教授那顆為師為學的赤誠之心。

「作為導師,你自己要先蹲下身子,扶起學生,一步步把他放到自己的肩上,之後你再站起來,把學生推上山峰。」「老師和學生,就如同是同一戰壕的戰友,要一起研究、一起工作,恰如老兵之於新兵。」……聽聞這樣的師者心聲,誰能不為之動容?

在李傑教授的書櫃中,整齊疊放著一個個文件盒,這是他為每一個學生建立的學術檔案。裡面不僅有他親筆修改過的學生的畢業論文手稿,還有記錄他每次與學生面對面交流、探討學術問題的一份份手寫紀要。在科研工作的間隙,李傑教授還會時常拿起某個已畢業學生的手稿,饒有興致地翻閱,回望這個學生在同濟成長的學術軌跡。「做老師最大的幸福,就是看到你的學生超過你。」他一臉滿足的神情。

儘管長年在結構工程領域深耕,李傑教授卻有著濃烈的人文情懷,他熱愛文學,鼓勵學生多閱讀文史哲書籍來滋養心靈。他常對學生說:「你們要通過自己的研究探索實踐,對科學問題的認識不斷變得深刻、變得有境界,從而涵養作為一個真正學者的性情。」

迄今為止,他指導的67名博士畢業生中,多數已成為這一領域的中堅力量,其中已有12人晉升正教授,2人獲得國家自然科學基金委傑出青年基金。

在全國土木工程青年學者論壇上,李傑這樣寄語:「希望你們接過接力棒,思考什麼是真正關鍵的科學問題,在國家邁向新時代的新征程中,扛起我們原始創新的大旗!」

來源:周到

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