信息与计算科学:战“疫”中的“参谋”

发布者:数学与统计学院发布时间:2020-03-18浏览次数:13


    

    教师简介:昝永利,齐鲁工业大学(山东省科学院)数学与统计学院信息与计算科学专业教师。博士,毕业于山东大学数学学院主要从事复杂网络、传播动力学、最优化理论等领域的研究;主要教授运筹与优化、离散数学、工科数学分析等专业课程。


    大家好,我是齐鲁工业大学(山东省科学院)数学与统计学院信息与计算科学专业的昝永利老师,今天我想和大家聊聊信息与计算科学在抗击新冠病毒这场战役中的作用。



    冗长的公示,枯燥的计算,繁复的推理,数学的确是一门让人头疼费神的学问!似乎很久以来,数学与其他基础学科一样遭受“冷遇”,但近年来,伴随着“华为事件”特别是中美贸易“拉锯战”,党和国家对基础学科特别是数学越来越受到重视,2019年甚至被称作“数学年”!伴随着人工智能、大数据时代的开启,人们不再怀疑学好数学的重要性,但“数学”到底是个啥?




    数学是研究数量、结构、变化、空间以及信息等概念的一门学科,被称之为“学问的基础”。实际上,数学作为一门基础学科,广泛运用于科学技术、产业、金融、体育、艺术等,人工智能时代,说数学无处不在,无所不能,可一点也不为过!


    不信?下面就来看几个小例子吧!




    你一定知道世界首部数字动画“玩具总动员”吧?他是苹果公司创始人乔布斯收购的皮克斯动画工作室制作的。乔布斯召集了大量的乍看之下与动画制作毫不相关的数学家。他们采用精密复杂的数学公式,解决了动画设计中分辨率放大后失真,出现线条断开或者看起来凹凸不平的“阶梯现象”,这样我们才得以看到那些栩栩如生的动画人物。有了数学家的参与,动画制作时间和经费大大减少,最终,“玩具总动员”在全世界获得了3.6亿美元的超高票房!


    现代社会,几乎没有谁能离开网络,网络俨然成了人们生活的“必需品”。大家应该都有通过网络搜索信息的经历,那你知道我们是如何从“浩瀚”的网络资源中又快又准地找到所需要信息的呢?以谷歌为例,世界最大的网络公司“谷歌”的创始人之一——谢尔盖·布林是斯坦福大学应用数学的博士,他和他的合作伙伴拉里·佩奇一起运用数学算法开发出了精巧的搜索引擎,利用数学运算一一计算出包含搜索词条的信息中有多少不符的信息,之后将其汇集成数据库,向用户提供所需的信息。依托这个技术,人们查找资料方可“信手拈来”。

    如果没有数学,真的难以想象谷歌搜索引擎将如何运行!


    2019年末以来,武汉爆发的“新冠肺炎”疫情时刻牵动着亿万人民的心!白衣天使在战“疫”前线救治病人,一批批“最美逆行者”令人动容!为最终打赢这场战“疫”,数学家们则拿起了“数学模型”这一重要武器,为战胜“新冠病毒”做出了可谓“专业化”的贡献。


    要想赢得这场没有硝烟的“人民战争”,必须坚持信息的公开透明。此次病毒的传播到底如何从武汉向外传播?不同省市疫情的发展呈现怎样的差别?封城、社区化隔离等一系列措施对减缓疾病传播起到了多大的作用?新型冠状病毒传染性有多强?何时达到峰值?拐点何时到来?这些人民群众所关心的问题,都需要通过数学和统计建模结果来实现!



    著名的数学家伯努利曾经说过:“在与人类福祉相关的问题上,如果没有一点分析和计算所能提供的全部知识,就不要作出任何决定。”大数据时代,像“封城”、“封路”等每一道防控疫情的决策,不应只是出自领导者经验的反映、主观的感受,或是有限信息条件下的“差不多”判断,而应该是基于大数据基础上的科学化、精准化、高效化的决策。



    那么,武汉“封城”有效吗?中美英科学家通过模型预测和分析给出了答案。通过结合流行病学和人类流动性数据,研究人员发现出行限制使从武汉到中国其他城市的2019年新型冠状病毒(2019-nCoV)传播速度减慢了2.91天(95%置信区间:2.54-3.29)。结果表明,有超过130个城市(覆盖了中国一半以上的地理区域和人口)受益于此干预措施。这种延迟为建立和加强其他控制措施提供了时间,从而对于遏制该流行病至关重要。



    除了隔离、口罩等防护措施外,大家翘首期盼的是有效药物的筛选与研发。从已有的成千上万种药品中,寻找对新冠病毒有效的药品,无异于大海捞针,采用数值仿真模拟技术,就可以将寻找的范围缩减到几十种药物中,大大提高了筛选效率。


    有效药物的研发是一项复杂、耗时非常长、耗资巨大、成功率非常低的工作,往往需要实力非常雄厚的跨国药企才有能力完成。科技的进步与数值计算技术的发展为药物的研发插上了腾飞的翅膀。通过病毒的基因序列,设计程序,利用数值计算,就可以快速合成一系列可能有效的药物结构模型,开发相应的药物,进入临床试验。



    在新型冠状病毒肆虐期间,大家居家学习工作之余仍有一些难以避免的外出,比如处在小区公共活动场所、公园、校园、超市、办事大厅等人员相对密集的场所,这时需要尽量与人保持距离。问题来了,当进入到一个已有多人的公共场所,如何选择一个自己的最佳站位?


    最佳位置是离我们最近的人有最远的距离。这实际上可以转化极大极小散度优化问题,通过数值计算即可得到最优答案。



    面对扑面而来的人工智能时代,没有谁不想抢得先机,特别是即将升入大学的高三同学。那么,在大学里,到底有没有这样一个专业,既有完备的数学知识、数学模型理论,又兼备计算机算法知识?不错,真有这么一个数学类专业,它就是信息与计算科学专业,它也是大学教育中仅有的4个数学类专业之一。齐鲁工业大学(山东省科学院)数学与统计学院设有本专业,它或许真的会成为你心仪的大学专业,简要介绍一下:



    齐鲁工业大学(山东省科学院)数学与统计学院信息与计算科学专业是山东省应用型特色名校重点建设专业,获评首批“山东省一流本科专业”。本专业已有近20年的办学历史,师资力量雄厚,专业教师博士比达85%以上。“科教融合”为专业建设带来了丰富的办学资源特别是平台优势,其中,国家超算济南中心是我们专业的“国字号”育人平台,你大学里的实习实践将有机会在这里完成!