2023年CSIAM应用数学落地成果认证名单
（项目名/主要完成人/项目简要）
大规模油藏复杂化学驱油数值模拟方法
程爱杰、陈国、袁益让
化学驱油或化学采油，是指通过注入化学剂（聚合物、表面活性剂、碱等），改善油藏地层流体的性质，达到提高原油采收率的目的。国内各大油田普遍采用化学驱油技术。油藏数值模拟是油田开发方案优化调整的重要工具，国际上的商业化软件对化学驱油机理描述不够完善，不能适应我国油田的实际情况。上世纪九十年代起，山东大学陆续承担了国家“八五”攻关项目、国家攀登计划项目、国家重点基础研究发展规划项目以及国家科技重大专项课题，在化学驱油的建模、数值计算方法理论和应用方面进行了深入研究，结合化学驱油机理和偏微分方程的特性，综合运用有限体积方法、算子分裂法、交替方向法以及顺风排序、角点网格、代数多重网格法以及自动历史拟合等技术研究了化学驱油数值模拟方法，与大庆油田合作研发出了稳定可靠的数值模拟软件。该方法采油机理丰富，油藏描述功能完善，模拟稳定可靠，适应国内油田实际开发环境，替代了商用软件，适合大规模油藏复杂化学驱油长时间数值模拟，在油田开发中获得了广泛的应用和推广，创造了可观的经济效益。“大庆油田高含水后期4000万吨以上持续稳产高效勘探开发技术”获得2010年度国家科技进步奖（特等），山东大学是完成单位之一。
国产通用型科学计算软件
李若、卢朓、廖汉卿
北京大学重庆大数据研究院基础软件科学研究中心在北京大学、北京大学数学科学学院、北京大学大数据分析与应用技术国家工程实验室的共同支持下，聚焦通用型科学计算软件“卡脖子”的核心数学问题、开展前沿引领的创新研究、突破关键核心技术，现已实现从架构设计到关键核心技术突破的完全独立自主研发、源代码自主编写的国产通用型科学计算软件——北太天元数值计算通用软件（以下简称“北太天元”）。
北太天元以应用数学内核为基础，整合物理、计算机、工程等方面的技术，在实现通用型科学计算软件真正国产化的同时，为各行业的国产工业软件提供真正意义上的国产底层计算环境，也为国家填补该领域的空白，具有极强的行业牵引性。本软件不仅实现了在国产科学计算软件内核根技术与产品方面的重大突破，同时也为所有之前因被禁受限的高校与有关企事业单位的工作提供了真正国产自主可控、安全可靠的科学计算环境。同时，北太天元可以促使应用数学将以往的科研成果转化为实际生产力与生产工具，且将在研发过程中沉淀的经验转化为知识，作用于教育，助力高精尖科技型人才培养，从根本问题上解决“卡脖子”的现状。
矿井复杂地质动力系统方法
乔建永、马念杰、王志强
本成果的工程背景是采矿工程。针对煤炭开采引发的地质系统应力应变规律这一国家重大需求，提出矿井复杂地质动力系统模型，把采矿工程两大支柱关键技术难题转化为数学问题。证明了如下两个定理，推动了相关技术的原理性变革。
一、矿井巷道成灾的花瓣定理及其应用
考虑巷道围岩静力学中著名的Kastner方程反问题，通过位移变换迭代动力系统，把围岩控制问题转化为Fatou花瓣定理逆问题，导出巷道成灾花瓣定理：花瓣形弹塑性曲线为安全临界曲线。这个预警判据的工程验证与上述预警完全吻合。实现了包括应用贝叶斯网络预测方法寻找花瓣，应用工程技术恢复或补偿花瓣，提出用工程技术阻止出现花瓣，取得巷道“0”冒顶的突出成效。
二、采场矿压峰值点极限定理及其应用
发现颠覆现场认知的采动应力场重分布规律的科学问题，证明了矿压峰值点极限定理：如开采高度不超过巷道高度，末采矿压峰值点收敛于巷道靠近工作面一侧的巷帮上方，在极限点处实施工程切顶。以该定理为依据，研发了“两无一快”的末采专利技术。一次性解决了原末采技术的一系列问题，现场可每年挽回11%的浪费煤炭。
嵌入式低资源环境下图模式匹配方法及应用
邹磊、苟向阳、刘钰
随着5G、高速城域网络的快速发展，路由器等嵌入式数据通信设备的更新和计算负载不断提升。为了解决嵌入式低资源环境和面向高通量路由更新的条件下的快速路由查找、定位和转发问题，提高路由设备数据更新和查找的效率，同时简化整体路由系统的设计、提升系统的易用性和可维护性，实现产品级的“降本增效”，进一步巩固我国数据通信产品的国际技术竞争力，2019年以来北京大学团队和华为数据通信产品线技术团队（依托“华为技术有限公司与北京大学数学联合实验室”）经过三年多的联合研究和工程实践，提出并实现了以“高速图流上图模式匹配”为核心的全新技术路线，项目将高速更新环境下的路由查找任务建模为图流环境下的图模式匹配，并运用图论，概率计算等数学方法，在资源受限的环境下实现了更高的路由数据更新和检索效率。该项目同时还构建了一整套基于查询子图拓扑结构的DSL（Domain Specific Language 领域描述语言），为路由规则提供了规范化的表达方式，提升了系统功能的易读性和可用性。
该项目的关键技术已被华为公司新一代路由产品的核心组件吸收，提高了路由设备数据更新和查找的效率，并提升了系统的易用性和可维护性, 进一步巩固了我国数据通信产品的国际技术竞争力。
2022年CSIAM应用数学落地成果认证名单
（项目名/主要完成人/项目简要）
OFDM系统高频相位噪声消除
薛江、孟德宇、徐宗本
随着5G时代的到来，移动通信向着“高频率，大带宽”演进，高频结合多天线技术，移动通信的传输速率预期将得到几倍甚至十几倍的抬升。但是，随之而来的高频器件失真问题成为影响移动通信系统性能突破的瓶颈，其中相位噪声正是最主要的影响因素。
解决相位噪声问题，通常有两种方式。第一，采用更高精度的物理器件，但是高频高精度器件的主要供应商无一例外都受到美国的技术管控，国内无法获得。第二，通过算法研究，用先进的数学技术来弥补器件的不足。本项目正是采用这种方式解决了相位噪声问题。
本项目采用了元学习思想，利用少量的导频作为“元数据”，利用海量的非导频数据作为“脏数据”，设计基于元学习相噪消除网络，利用导频数据提供的有效梯度与非导频数据梯度之间的相似性，从非导频数据中恢复出大量的可信数据，将其判决结果作为导频来使用，这种方式非常有效的解决了相位噪声估计所面临的导频不足问题。
实验表明，采用元学习思想设计的相位噪声消除方法，在高频高阶调制场景下，距离相噪的完美消除仅仅相差0.3dB，系统传输速率基本接近理想值，在国产非受控器件上，距离完美消除仅相差0.8dB。该结果已经通过华为的转化认证，在传统通信场景，WIFI都有广泛的应用前景。
超声人工智能诊断系统
孔德兴、吴法、王守超
本项目通过引入旋转不变性、Split Dropout等新概念，设计了一种新型的深度学习算法，并在此基础上，针对甲状腺结节智能诊断研发出一套《超声人工智能诊断系统》。该系统能快速探测甲状腺超声图像中的甲状腺结节、自动标出结节的具体位置并精确探测其边界，测量其面积，同时给出结节的良恶性结论并自动生成超声报告。
本项目产品已在700多家医院得到了成功应用，并实现了产业化，取得了良好的社会效益和经济效益。国务院副总理孙春兰到浙江大学医学院附属第一医院实地考察了该系统的应用情况，并给予了充分肯定。2019年杭州市西湖区人大会通过票决，该系统被票选为“十大民生实事”之一，已在所有街道医院部署，有45000多人利用该系统进行诊断，为国家分级诊疗提供了新思路；该分级诊疗模式受到了国家卫生健康委及业界的高度赞赏，称之为“西湖模式”，并入选国家卫生健康委人工智能应用落地30最佳案例。中央电视台《走近科学》对该系统进行了报道，在学术界、产业界等领域引起了重要反响；该成果被人民日报作为数学与医药交叉领域中的标志性成果进行了报道；潘云鹤院士在“2019年世界人工智能大会”报告中介绍了该成果，评价为：“这是中国医疗装备走向世界前沿的重要机遇”。
云计算资源管理的智能决策方法
李济炜、孔祥云、印卧涛
当前各行各业系统在逐步上云，对云计算服务的需求量和安全稳定要求越来越高。阿里云ECS拥有超过百个大型机房，单个集群物理机规模达10万以上。在这种大规模下，面临的技术挑战尤其复杂。
达摩院的决策智能团队与阿里云的ECS团队，从2017年开始紧密合作，共同完成了多项云计算资源管理的智能决策方法的研究和落地，每年为阿里云节省数亿元成本。
一、异常监控与诊断。将云服务器故障诊断的需求抽象为在高维度空间中定位出关键组合的组合优化问题，并设计多种高效求解方法，辅以时间序列智能异常检测算法，构建云服务智能故障检测与诊断分析工具。故障洞察准确率大于90%，风险排查提效近百倍。
二、库存需求预估。如通过仿真的方式来评估用户保障配额quota对应的指标，并通过不需要梯度的黑盒优化的算法进行求解，产出的quota值需求满足率＞99.5%。
三、碎片整理调度。对于虚拟机频繁创建和释放造成了碎片化资源浪费问题，建设阿里云库存重调度决策系统，以MindOpt数学规划求解器为核心，基于块坐标下降的逼近求解框架，并增加领域预处理和启发式方法，实现快速求解。其中MindOpt线性规划求解器是团队在2020年开始发布的通用求解器，近两年不断更新，获得不错的成绩，当前正开放在阿里云官网，可免费下载使用。
首届CSIAM应用数学落地成果认证名单
（项目名/主要完成人/项目简要）
5G网络性能的建模与优化
主要完成人：罗智泉、王楠斌、陈昕
5G基站可调参数多、选值范围大，只有参数值与实际通信环境匹配才能把基站性能在网络中发挥出来。传统的通过路测信号强度的现网调参方法无法解决5G超大规模参数组合的挑战，亟需一种基于数学模型、高效算法的智能化技术方案来破解网络效能优化问题。本项目从网络端对端的角度出发，首次提出“现实网络统计模拟技术构想（SRCON）”和“基于ADMM的分布式算法框架”两大技术方案，对数据驱动的5G无线信道环境、用户流量、频谱效率等建模，并在5G网络系统优化的学术无人区中，取得了阶段性重大创新与突破。目前技术成果已在全球多个运营商网络应用，支撑5G网络级频谱效率优化和网络性能提升，助力运营商网络性能进入TOP标杆，中国区比拼、欧洲P3排名领先。
洋山四期自动化码头智能操作系统关键模块
主要完成人：吕长虹、王超、谢瑾奎
上海港于2015年2月与华东师范大学签订了“洋山港四期自动化码头软件开发”项目。华东师大运筹优化团队历时三年时间，利用图论、动态规划等运筹学理论和方法，完成了桥机工作计划、自动配载等核心关键模块的数学建模、算法设计和软件实施。该团队开发的算法和软件已经在洋山四期自动化码头平稳运行三年多时间，产生了良好的社会和经济效益。
国家领导人在2018年新年祝词中，洋山自动化码头正式开港被列入2017年度国家科技创新和重大工程建设的十大捷报之一。洋山四期自动化码头工程获得2020年度上海市科技进步特等奖（华东师范大学是获奖单位之一）。
多组分渗流方程的高效求解方法
主要完成人：张晨松、吴淑红、王宝华
多组分渗流方程的快速求解算法是油藏模拟软件有效性和稳健性的关键，常被比喻为数值模拟器的心脏。项目组利用偏微分方程的特点和离散方法的性质，为不同应用场景构造了多阶段预条件方法、半解析解耦方法、代数多重网格法、组合型预条件方法等一整套解决方案，并开发了油藏模拟线性求解软件模块。该模块被集成到国产新一代油藏模拟软件HiSim中，在国内外多个油田区块的精细刻画、产能建设、方案调整研究中得到应用，并发挥重要作用。得益于这些求解算法，HiSim可在普通台式机上对精细油藏模型进行高效模拟，已经成为HiSim软件核心竞争力的体现。中石油专家认为“求解算法收敛速度快、可靠性强，可以满足各种不同的精度需求，达到国际同类软件的先进水平”。
机器学习与确定性机理融合的高精度地图制作与评估体系
主要完成人：杨志坚、吕锡亮、刘奋
现代科技改变了人们的出行方式，自动驾驶和智慧城市提供了实现零碰撞理想交通社会的可能性。作为自动驾驶和智慧城市重要基石的数字基础建设，高精度地图正在发挥至关重要的支撑作用，而数学，特别是应用数学在解决高精度地图制作的核心科学问题方面具有不可替代的地位。
武汉大学杨志坚教授和吕锡亮教授团队和武汉中海庭数据技术有限公司刘奋博士团队在高精度地图制作上进行了四年的合作，其中关于车道线数学表示、点云纠偏的稳定性算法、众包车辆投放策略和质量检验体系的数学模型等成果均已在产线上使用。
数学的应用使得高精度地图的制作更加准确，更新更加快捷，质量更加可靠。
