熊芬芬：在不确定的世界中找寻确定的方法

刘玉杰

飞行器是一个复杂的系统，由气动、结构、动力、控制、隐身等多个学科组成，各学科相互影响，相互制约。传统的串行设计模式由于没有充分考虑各学科的协同效应，设计结果难以达到系统最优解，从而降低了飞行器的综合性能。为了克服上述弊端，适应现代先进飞行器设计的要求，20世纪80年代起，以美国NASA Langley研究中心的Sobieszczanski-Sobieski等为代表的一批航空领域的科学家和工程技术人员提出并逐步完善了一种新的飞行器设计方法：多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）。

在人类文明成功挣脱地球引力，飞往广阔宇宙深空的伟大时代里，如何在几何外形、气动力系数、环境干扰等不确定因素耦合作用下，通过多学科优化设计方法，为现有的飞行器提供系统最优解，使飞行器在飞行过程中更加稳健和可靠，是北京理工大学宇航学院副教授熊芬芬永恒的研究主题和不懈的追求。

幸运的人生

人的一生总是在确定与不确定中度过，也总是在不确定中寻找确定。

和很多高考填志愿情况不理想、最后面临调剂的人一样，高中毕业后的熊芬芬对于北京理工大学的飞行器设计与工程专业到底是做什么的，一点都不了解。但唯一确定的事情是，既然被分到了这个专业，她肯定会尽其所能学好这个专业。本科毕业后，学习能力很强的熊芬芬，被顺利保送本校的研究生，加入了杨树兴院士的课题组。

幸运似乎是从遇到好导师开始的。杨老师非常关心学生，在生活方面，有的学生家里条件不好，杨老师会主动资助其出国的部分费用。在工作方面，杨老师以身作则，踏实勤奋、谦虚谨慎，名利面前不争不抢，这些良好的品质也在无形中影响着熊芬芬，让她也养成了脚踏实地，扎实谦逊的作风。“杨老师问我，想不想直博，我就说想。”能跟着杨老师继续做研究，熊芬芬怎么可能拒绝，更何况读博就离她想当大学老师的梦想更近了。

博士期间，杨树兴院士建议熊芬芬出国学习，拓宽视野，增长自己的学识。2007年9月，熊芬芬前往美国西北大学深造，成为机械工程专业的联合培养博士研究生，为期两年。

“我又遇到了一个特别好的导师——陈卫老师，她现在已经是美国工程院院士了。”刚到美国的熊芬芬，因为英文不好，文章写得也不好，受到了陈卫老师很多的批评，但是也感受到了陈卫老师对她细致的辅导。“陈卫老师从写文章到做PPT，包括PPT要怎么演讲，一点一点帮我抠细节。”两年的留学经历对熊芬芬的科研生涯产生了非常重要的影响，她的科研能力有了很大的提升。

2011年，熊芬芬博士毕业，她的博士学位论文被评为2011年北京市优秀博士学位论文。“在美国，大量逻辑思维的锻炼给了我很大的帮助，特别是在科研写作方面，我觉得自己的成长是突飞猛进的。”

博士毕业后，熊芬芬选择留在北京理工大学教书和做研究。“虽然工作一点都不轻松，很辛苦，压力也很大，周六周日也没有休息，经常出差，但是我还是很喜欢这份工作。”

茨威格在《人类群星闪耀时》这本书里写道：“一个人生命中最大的幸运，莫过于在他的人生中途，即在他年富力强的时候发现了自己的使命。”当我们为了某种使命或者梦想而生活时，未必一定要中大奖，也能从每天的生活中找到幸福的感觉。熊芬芬就是这样幸运的人。

不确定的研究

随着计算机资源的发展，数值模拟与仿真技术逐渐成为工程系统性能分析和设计的主要手段。但物理建模与数值模拟始终存在如：几何模型、初始和边界条件、模型参数等各类不确定性，严重影响数值模拟结果的可信度。想要充分利用数值仿真模拟物理过程，必须首先对模型实现有效的不确定性量化（Uncertainty Quantification，UQ），评估其可信度。而这正好是熊芬芬的主要研究课题之一。

从博士开始，熊芬芬一直从事不确定性量化和优化设计研究。熊芬芬解释道，飞行器在设计之初就包含了很多不确定性，她就是通过在设计中考虑这种不确定性对飞行器的影响，对不确定性进行有效量化，使飞行器的设计更加稳健，一旦飞行器在飞行过程中受到波动，其性能不至于下降太大，从而保证任务安全可靠。

目前由于工程复杂，数值模拟存在计算耗时、不确定性参数高维，现有方法均面临维数灾难、精度低、适用范围有限等诸多难题。熊芬芬和某部合作，面向计算流体力学（CFD）模拟可信度评价活动，发展高效、高可信度的参数不确定度量化方法，解决高维不确定度量化的“维数灾难”问题，希望为国家数值风洞工程验证与确认系统研发提供技术支撑和理论依据。

而在飞行轨迹规划和制导研究方面，熊芬芬则是在计算效率上做了很多努力。“因为很多情况下，飞行器的轨迹优化是需要能够在线实时进行优化的。”一旦我方的飞行状态发生变化，或者敌方的态势发生了改变，就需要进行一些在线实时的轨迹规划，而实时在线进行飞行轨迹规划需要非常快的速度，所以效率方面一定要有足够的速度保证。

熊芬芬设计出基于滚动凸优化和深度学习的多约束协同制导方法，将其应用于在线协同制导，利用先进的数值方法，使得制导能灵活处理多约束，提高制导性能。在飞行器协同作战中具有广阔的应用前景，有效保证了系统的攻击和防御性能。

熊芬芬的研究方向一直都是从理论和方法论的层面提出一些非常前沿的算式，目前还暂时无法应用到具体的工程中，但她相信未来一定能将这些先进的方法应用到实际工程中去，她的研究就会非常有价值。

女性的人生

当被问及，这么多年从事科学研究的过程中遇到最大的挑战是什么时，熊芬芬的回答多少让人有些出乎意料。大多数科研工作者常常会说自己在科研上遇到的瓶颈是最大的挑战，而熊芬芬认为，“因为我是在一个大课题组里，大家一起努力攻关，最后总能把问题解决，没有遇到那种迈不过去的困难”。

而真正让熊芬芬感到比较困难的是工作和家庭之间的权衡，她总觉得自己精力有限，很难在两者之间找到平衡。在自己的研究領域女性总是很少，“父母可能就觉得女孩应该怎么样，这个标签一贴，女孩就觉得‘我不做这个或者我做不好这个，所以在我们领域女生确实特别少”。熊芬芬还调侃说，唯一闪亮的地方，就是她出席学术会议时，只有一位女性，确实非常耀眼。

如今，熊芬芬的第一个孩子刚上一年级，小的今年还不到两岁，她总想着参与孩子们更多的人生。“工作错过一点，我后面再慢慢赶上，但是孩子的时间错过了，后面可能就没有机会去弥补了。”熊芬芬也会迷茫，特别是研究项目有些落后的时候，人很容易陷入焦虑的情绪里，但她总对自己说：“我两边都兼顾着，慢一点没关系。”

没有一种情感可以代替无私的母爱，而做母亲又给了她全新的女性体验和女性视角，来看待对学生的教育，“克制自己，不能因为压力大而向学生发脾气”。

熊芬芬每周和学生开一次组会，每个学生都在跟进一个科研项目，她让学生在跟进项目的过程进行学习，锻炼逻辑思维能力。学生们随时都能找熊芬芬进行学术上的讨论，“我对学生的要求不会很严格，会给他们一定的自由度”。熊芬芬的原则是，事事都要有回应，交给学生的事情，学生答应了，就要做到。

“因为学生的父母也会跟我打电话，有一些交流，他们把孩子交给我了，我就需要认真负责。”熊芬芬现在负责着8个孩子——6个学生孩子和她的2个孩子，把她的生活填充得满当当的。

熊芬芬常调侃自己，明明自己是两个院士的学生，却没有那么优秀。但她知道做科研只有坚持下去，才能做出成果。今后，熊芬芬还将在不确定性量化分析、飞行器轨迹优化与制导等方面，与更多合作单位开展更深入的研究，面向“十四五”规划，她期待做出实际的应用成果。