冰雪融化，魚兒逆流而上擱淺在石灘；海水升溫，鯨豚聲吶失效迷失了方向；習(xí)慣在冰面上行動(dòng)的北極熊開始花費(fèi)更多的時(shí)間在陸地上覓食……氣候變暖正威脅著自然生態(tài)系統(tǒng)，使生活在地球上的動(dòng)物面臨前所未有的生存危機(jī)。

2022年6月21日，一場(chǎng)旨在加速氣候科學(xué)研究，推進(jìn)萬物電氣化以拯救地球的主題演講于第七屆MATLAB EXPO中國(guó)用戶線上大會(huì)上舉行。MathWorks全球客戶成功工程總監(jiān)Tanya Morton博士呼吁建設(shè)一個(gè)更潔凈的電氣化未來需要三方協(xié)同努力：科學(xué)家借助云計(jì)算和人工智能的進(jìn)步加速研究，及時(shí)告知?dú)夂蜃兓⒃鲞M(jìn)理解；工程師快速創(chuàng)新以實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)脫碳，讓一切電氣化，并設(shè)計(jì)可持續(xù)產(chǎn)品；教育工作者持續(xù)培養(yǎng)下一代，進(jìn)一步推動(dòng)氣候科學(xué)發(fā)展。她用大量生動(dòng)的實(shí)例展示出如何借助MathWorks的MATLAB和Simulink工具推進(jìn)科學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)、教育的發(fā)展以拯救地球。

加速對(duì)氣候變化的理解

霍金先生曾預(yù)言由于太陽宜居帶的外擴(kuò)，地球會(huì)在2600年的時(shí)候變成一個(gè)溫度超過460℃的大火球。而如果人類不控制二氧化碳排放的話，這一致命危機(jī)將會(huì)加速發(fā)生。而今科學(xué)家正在使用數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算和人工智能來加速人們對(duì)于氣候變化的理解，喚起其保護(hù)環(huán)境的意識(shí)。

科學(xué)家使用數(shù)據(jù)分析能力對(duì)溫度上升進(jìn)行建模，使用云計(jì)算和人工智能來分析海冰的衛(wèi)星圖像。科學(xué)家通常使用的研究冰層變化的衛(wèi)星數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在云上，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可能耗時(shí)很長(zhǎng)，但是人工智能并行計(jì)算可以縮短算法的執(zhí)行時(shí)間并更快地交付研究成果。人工智能還可以加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)，幫助識(shí)別數(shù)據(jù)集中的模式，并建立準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型。而且隨著越來越多科學(xué)家愿意公布自己的數(shù)據(jù)和算法代碼（MATLAB），通過云計(jì)算協(xié)作，全球科學(xué)的進(jìn)步將會(huì)進(jìn)一步加速。

此外，科學(xué)家還使用人工智能預(yù)測(cè)旱災(zāi)。旱災(zāi)通過標(biāo)準(zhǔn)化的降水指數(shù)來衡量，本質(zhì)上是衡量降雨量。在埃塞爾比亞的阿瓦什河流域旱災(zāi)的研究項(xiàng)目中，科學(xué)家結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，支持向量回歸，以及自助法和提升法兩種集成方法，還使用小波分析對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從而給出更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。事實(shí)上，他們的預(yù)測(cè)結(jié)果也與觀測(cè)到的降水指數(shù)的數(shù)據(jù)擬合度非常高。

人工智能對(duì)于當(dāng)代社會(huì)的重要性毋庸置疑。MathWorks公司中國(guó)區(qū)總經(jīng)理曹新康表示，以人工智能為主題的課程是現(xiàn)在工程界和科學(xué)界最受歡迎的課程之一，人工智能正在各行各業(yè)快速落地、應(yīng)用，加速工程，比如全球流行病預(yù)測(cè)、氣候變化、電動(dòng)汽車等，而且深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究的前沿，幫助加速藥物篩選、宇宙探索等的科學(xué)研究。

用萬物電氣化來解決氣候危機(jī)

如果說氣候科學(xué)有助于我們理解氣候變化的趨勢(shì)和影響，那么解決氣候危機(jī)則需要靠工程師和產(chǎn)業(yè)的力量。

在產(chǎn)業(yè)方面，各行各業(yè)的工程師正在積極使用人工智能以及建模和仿真來實(shí)現(xiàn)萬物電氣化。我們知道，目前有很多種解決辦法可以減少溫室氣體排放，而本次演講Tanya Morton博士重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)領(lǐng)域：可再生發(fā)電，以及將這種電力作為我們的主要能源。她將這兩者配合使用的情況，稱為萬物電氣化。

正因?yàn)殡娏ιa(chǎn)是現(xiàn)今溫室氣體的主要來源，我們迫切地需要改變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少煤炭消費(fèi)，多利用風(fēng)能、太陽能和潮汐能等可再生能源發(fā)電。而人工智能在轉(zhuǎn)向可再生能源的過程中發(fā)揮了重要的作用。

比如這個(gè)來自韓國(guó)能源研究所的海上風(fēng)力發(fā)電的例子。過去十年，得益于量產(chǎn)的增加和效率的提高，海上風(fēng)力發(fā)電的安裝成本下降了50%，但是維護(hù)成本依舊居高不下。高效低成本的運(yùn)營(yíng)依賴于有效的維護(hù)。工程師分析了來自多個(gè)渦輪的傳感器的數(shù)千個(gè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，包括正則化線性回歸、多項(xiàng)式曲線擬合和決策樹，還使用了深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)并訓(xùn)練了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他們?cè)u(píng)估每種算法，預(yù)測(cè)關(guān)鍵渦輪部件的載荷何時(shí)超過建議的限值，并估計(jì)每個(gè)部件剩余的使用壽命。設(shè)計(jì)出成功率為90%以上的“預(yù)測(cè)性維護(hù)模型”降低了海上風(fēng)力發(fā)電的維護(hù)成本，推進(jìn)了可再生能源的發(fā)展。而且為了監(jiān)控渦輪的運(yùn)行，工程師還為算法創(chuàng)建了一個(gè)儀表板應(yīng)用。使用了MATLAB支持完整的人工智能工作流的功能，包括訪問來自傳感器文件或數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，分析、預(yù)處理和標(biāo)注數(shù)據(jù)，開發(fā)人工智能模型，并將他們安裝在桌面APP、企業(yè)系統(tǒng)或嵌入式設(shè)備。

除了預(yù)測(cè)性維護(hù)之外，工程師還可以通過MATLAB和Simulink對(duì)整個(gè)分布式電網(wǎng)的并網(wǎng)、電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制進(jìn)行測(cè)試、分析和仿真。這有三大好處：一是可以極大的縮短項(xiàng)目周期，二是可以減少項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，提早發(fā)現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的一些風(fēng)險(xiǎn)和缺陷，三是可以降低成本浪費(fèi)。

再比如建模和仿真幫助鋼鐵生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)電氣化。傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，而使用Boston Metal公司的專利技術(shù)——熔融氧化物電解法——生產(chǎn)液態(tài)鐵的副產(chǎn)品是氧而不是碳。Boston Metal團(tuán)隊(duì)改造了鋼鐵行業(yè)，使其以成本更低的方式生產(chǎn)鋼鐵。而且基于模型的設(shè)計(jì)方法使該團(tuán)隊(duì)能夠高效的工作，他們構(gòu)建了完整的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，這讓團(tuán)隊(duì)能夠?qū)φ諗?shù)字孿生，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模和測(cè)試，以確保團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備好開啟系統(tǒng)時(shí)，一切都會(huì)正常工作。MathWorks提供幫助各行各業(yè)工程師適應(yīng)電氣化大趨勢(shì)的示例，包括快速簡(jiǎn)單開始仿真的組件示例，支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考示例，以及提供可調(diào)整的模型并演示完整工作流的設(shè)計(jì)解決方案。

曹新康認(rèn)為，電機(jī)正在取代燃油發(fā)電機(jī)。現(xiàn)在綠色技術(shù)方面的投資正在持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2027年可再生能源市場(chǎng)將達(dá)到1.1萬億元，而且儲(chǔ)能是下一個(gè)大的技術(shù)方向。MathWorks正在構(gòu)建完整的MATLAB電氣化的方案，包括AI在可再生能源的應(yīng)用，MathWorks也將持續(xù)致力于幫助客戶成功轉(zhuǎn)向基于人工智能的能源管理和電氣化。

培養(yǎng)下一代來拯救地球

MathWorks重視教育，與公司的基因有關(guān)。MATLAB軟件最初是美國(guó)新墨西哥大學(xué)Clever Moler教授在20世紀(jì)70年代寫的用于教學(xué)的一個(gè)小工具軟件。隨后又經(jīng)過斯坦福大學(xué)學(xué)生Jack Little的C語言重寫，同時(shí)移植到IBM PC上，從而擁有更廣泛的功能。而且公司的第一筆收入也是通過賣給美國(guó)麻省理工學(xué)院的版權(quán)獲得的。可以說MathWorks公司是憑借著教育逐步發(fā)展起來。而今MathWorks意識(shí)到教育工作者正面臨著培養(yǎng)拯救地球的下一代工程師和科學(xué)家的艱巨任務(wù)。

在博世工程印度公司意識(shí)到新畢業(yè)的工程師進(jìn)入公司需要長(zhǎng)達(dá)一年的相關(guān)培訓(xùn)才能掌握有效開展電動(dòng)汽車項(xiàng)目所需的技能時(shí)，他們決定開設(shè)一門新的大學(xué)課程來講授基于模型的系統(tǒng)工程，他們與印度國(guó)立理工學(xué)院科澤科德分院、MathWorks合作開發(fā)了涵蓋了如再生制動(dòng)、能量?jī)?chǔ)存和電動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等電動(dòng)汽車基礎(chǔ)知識(shí)的課程。該課程通過電動(dòng)汽車系統(tǒng)建模和仿真的實(shí)操練習(xí)，使理論不再空洞，讓學(xué)生能夠積累實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。MathWorks提供下載資料，幫助教育工作者開發(fā)和改進(jìn)課程，而且使用MathWorks的示例也可以讓講課更生動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如果他們想在課程中引用計(jì)算，MathWorks也提供資源和點(diǎn)子，比如提供許多學(xué)科的課件，特定主題的資源。

要完成產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合，教育工作者還要培養(yǎng)學(xué)生的研究能力，一種常見方法是通過畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。MathWorks的卓越創(chuàng)新計(jì)劃提供50多個(gè)啟發(fā)性項(xiàng)目供學(xué)生選擇，涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括人工智能和可再生能源，學(xué)生注冊(cè)并完成后可獲得證書。每個(gè)項(xiàng)目都有各自的論壇，幫助學(xué)生相互學(xué)習(xí)。在談及如何幫助國(guó)內(nèi)大學(xué)生用技術(shù)手段來推動(dòng)氣候發(fā)展時(shí)，曹新康表示，專門為教育客戶提供的Campus-Wide License（正版全校授權(quán)），一套采購(gòu)，在校的任何學(xué)生、老師、員工，在任何地方，任何設(shè)備，都可以使用全部工具箱的最新版本的產(chǎn)品。以清華大學(xué)為例：MathWorks為清華大學(xué)提供的MATLAB、Simulink、Grader及Online Training Suite（在線培訓(xùn)課程套件）等MathWorks產(chǎn)品，全校就有幾萬人用于教學(xué)和學(xué)術(shù)研究。

目前已經(jīng)有超過80所雙一流985的學(xué)校，都已經(jīng)成為其校園版的客戶。而且MathWorks為高校提供完善的保障服務(wù)，包括及時(shí)響應(yīng)學(xué)校的IT部門的老師的要求，有一支專門負(fù)責(zé)高校的教學(xué)科研的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，有一支專門支持教育團(tuán)隊(duì)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，和有一支專門支持教育的市場(chǎng)團(tuán)隊(duì)。

正如曹新康所說，拯救地球，基于數(shù)據(jù)與模型。MathWorks正以自身推出的強(qiáng)大產(chǎn)品助推工程師、科學(xué)家和教育工作者解決氣候危機(jī)。我們也希望越來越多的企業(yè)、機(jī)關(guān)、社會(huì)團(tuán)體和高校能夠加入進(jìn)來，為保護(hù)地球上的所有生命貢獻(xiàn)自己的力量，以自己的方式和能量拯救地球。