“人機(jī)合一”的引路人

劉亞輝（右）在指導(dǎo)學(xué)生做研究

    作為一名青年科技工作者，早在自動(dòng)駕駛還沒(méi)有成為熱點(diǎn)的時(shí)候，劉亞輝就瞄準(zhǔn)了汽車的轉(zhuǎn)向輔助以及轉(zhuǎn)向人機(jī)協(xié)同研究，破解汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中駕駛員運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)特征描述及其量化這一國(guó)際性難題，也由此獲得了北京市科協(xié)剛剛評(píng)選出的第二十屆茅以升北京青年科技獎(jiǎng)。

    “多花點(diǎn)工夫，沒(méi)問(wèn)題。”這是當(dāng)年他邊讀博士邊做科研時(shí)，老師對(duì)他的教誨。現(xiàn)在已經(jīng)成了大學(xué)老師的劉亞輝也時(shí)常鼓勵(lì)自己的學(xué)生，“遇到困難不要灰心，總能‘磨’出成果。”正是靠著這份信念和付出，他拿下了清華大學(xué)首屆年度教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)。

    曾獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)

    劉亞輝介紹，汽車的轉(zhuǎn)向操縱已經(jīng)從傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向、固定助力特性的輔助轉(zhuǎn)向，朝駕駛員操縱與輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制相耦合的“人-車協(xié)同交互”發(fā)展，尤其是自動(dòng)駕駛汽車研究熱潮的興起，對(duì)研究人機(jī)協(xié)同轉(zhuǎn)向提出了新的挑戰(zhàn)，汽車與駕駛員轉(zhuǎn)向操縱的交互性能成為關(guān)系汽車行駛安全與駕駛舒適性的關(guān)鍵。建立汽車轉(zhuǎn)向路感定量解析、人-車協(xié)同轉(zhuǎn)向操縱舒適性評(píng)價(jià)體系，是實(shí)現(xiàn)汽車人機(jī)協(xié)同轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

    針對(duì)國(guó)內(nèi)外均缺少路感規(guī)律性量化描述的問(wèn)題，劉亞輝提出了車輛固有路感概念，并建立了車輛固有路感量化模型。劉亞輝解釋，轉(zhuǎn)向路感是指輪胎與地面之間的相互作用及其致使的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化信息，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)駕駛員形成的運(yùn)動(dòng)及力的反饋，是駕駛員對(duì)車輛進(jìn)行操控的重要信息之一。轉(zhuǎn)向路感的解析量化是汽車轉(zhuǎn)向輔助與人機(jī)協(xié)同的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題。針對(duì)該問(wèn)題，劉亞輝從車輛轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)分析出發(fā)，建立了車輛固有路感的量化模型，將轉(zhuǎn)向路感由轉(zhuǎn)向力單一參數(shù)表征，擴(kuò)展到車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)定量描述，解決了輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中汽車轉(zhuǎn)向路感匹配的難題。

    這項(xiàng)研究成果目前已應(yīng)用到行業(yè)重大需求中：基于車輛固有路感的匹配設(shè)計(jì)技術(shù)，研制的自主電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自2009年開始應(yīng)用于長(zhǎng)安汽車、東風(fēng)汽車、通用五菱汽車、華晨汽車等汽車主機(jī)廠，產(chǎn)品技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，截至2017年底，累計(jì)應(yīng)用318萬(wàn)套，直接經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)26億元。

    而以這項(xiàng)學(xué)術(shù)成果為核心技術(shù)之一，劉亞輝以第二完成人獲得“2014國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)”、“2011北京市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)”。

    “多花點(diǎn)工夫，沒(méi)問(wèn)題”

    劉亞輝說(shuō)，圍繞轉(zhuǎn)向輔助和人機(jī)協(xié)同的研究從自己攻讀博士期間，借調(diào)到清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室時(shí)起就開始著手了。在圍繞汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)展開研究的過(guò)程中，也伴隨著許多苦惱。“雖然現(xiàn)在自動(dòng)駕駛汽車是十分前沿、熱點(diǎn)的話題，但在當(dāng)時(shí)還是一件看上去有些遙遠(yuǎn)的事情。”

    那時(shí)劉亞輝還是北京航空航天大學(xué)的學(xué)生，2004年前后，他完成了學(xué)校的課業(yè)，來(lái)到清華大學(xué)參與課題。“有時(shí)候會(huì)感覺(jué)自己基礎(chǔ)沒(méi)那么好，清華的同學(xué)花一點(diǎn)時(shí)間就能夠完成的，我可能會(huì)比較吃力。”由于進(jìn)展比較慢，劉亞輝感到有些沮喪。老師時(shí)常鼓勵(lì)他，“多花點(diǎn)工夫，沒(méi)問(wèn)題。”

    那時(shí)，劉亞輝每天清晨騎著自行車從北航的宿舍，來(lái)到清華東北角汽車研究所的小院；晚上結(jié)束一天的工作后，再騎車回到宿舍休息。沿著北四環(huán)到五道口之間的鐵路線，這條騎行的道路，來(lái)來(lái)回回不知走了多少次。“別人晚上八九點(diǎn)就下班了，我都會(huì)熬到夜里12點(diǎn)，院門關(guān)閉前才走。”很多次，由于加班搞研究，錯(cuò)過(guò)了研究所院門的關(guān)閉時(shí)間，他只能將自行車舉過(guò)墻頭扔出小院，再自己翻墻出去，騎車回宿舍。

    “我不聰明，但我不怕比別人多付出時(shí)間和精力。”現(xiàn)在已經(jīng)成了大學(xué)老師的劉亞輝也時(shí)常鼓勵(lì)自己的學(xué)生，“遇到困難不要灰心，總能‘磨’出成果。”

    找到人機(jī)協(xié)同的“黑匣子”

    2009年起，劉亞輝開始在清華大學(xué)做博士后研究，此后的3年內(nèi)，以前一直致力于汽車轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)研究的他，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題:由于駕駛員與車輛轉(zhuǎn)向協(xié)同操縱過(guò)程中，上肢不僅接收車輛轉(zhuǎn)向阻力矩反饋，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加的主動(dòng)操縱力矩也會(huì)改變駕駛員轉(zhuǎn)向操縱特性，影響駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向路感的接收與判斷。因而提取轉(zhuǎn)向操縱中駕駛員運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)特征，并評(píng)估駕駛員轉(zhuǎn)向操縱運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)特性與轉(zhuǎn)向操縱舒適性的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，是汽車轉(zhuǎn)向輔助與轉(zhuǎn)向人機(jī)協(xié)同的又一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，而具有普適性的駕駛員運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)特征描述及其量化，是亟待解決的國(guó)際性難題。

    “系統(tǒng)開發(fā)好之后，需要駕駛員的評(píng)價(jià)。但評(píng)價(jià)結(jié)果十分主觀，甚至可以說(shuō)千變?nèi)f化，缺少一定之規(guī)。”他一直記得當(dāng)時(shí)一位老教授曾對(duì)他說(shuō)過(guò)的話，“研究汽車本身可能很簡(jiǎn)單，但一旦研究涉及駕駛員的特征因素，系統(tǒng)就變得極其復(fù)雜。”如何解決這個(gè)難題，為看似主觀的評(píng)價(jià)找到量化的指標(biāo)，讓劉亞輝煞費(fèi)苦心。

    人對(duì)汽車轉(zhuǎn)向的操縱是通過(guò)上肢幾組肌肉群共同作用來(lái)完成的，而它們?cè)谕瓿刹倏v時(shí)輸出有效生物功的效率，是否能成為一個(gè)客觀的指標(biāo)呢？探索之中，劉亞輝將目光投向了能夠反映肌肉活動(dòng)情況的肌電信號(hào)。“通過(guò)捕捉并提取有效的肌電信號(hào)，我們能夠找到轉(zhuǎn)向操縱物理輸入和駕駛員上肢做功之間的某種聯(lián)系，找出人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)之間的駕駛員轉(zhuǎn)向操縱機(jī)能學(xué)特性這一‘黑匣子’。”基于此，他提出了駕駛員轉(zhuǎn)向操縱效率的生理特性表達(dá)方法，建立了駕駛員轉(zhuǎn)向操縱效率量化模型，提出了基于駕駛員運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)的協(xié)同轉(zhuǎn)向操縱舒適性客觀評(píng)價(jià)方法，解決了汽車轉(zhuǎn)向人機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)中駕駛員生理特性描述的難題。這項(xiàng)研究引起了世界上最大的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)公司——日本JTEKT株式會(huì)社的注意。2010年，JTEKT研究中心向劉亞輝拋出了橄欖枝，他作為訪問(wèn)學(xué)者來(lái)到日本，在研究中心繼續(xù)開展該項(xiàng)研究。

    當(dāng)老師比做科研更有挑戰(zhàn)

    2011年底，劉亞輝留校在清華大學(xué)汽車工程系成為了一名教師。從學(xué)生到老師的轉(zhuǎn)變，成了他人生的重大轉(zhuǎn)折。“當(dāng)學(xué)生的時(shí)候，一直把高校老師的工作幻想得很清閑，覺(jué)得一年放寒暑兩個(gè)長(zhǎng)假，還有周末雙休，應(yīng)該比較輕松。工作以后才發(fā)現(xiàn)，當(dāng)老師比當(dāng)學(xué)生要忙多了。當(dāng)學(xué)生圍繞課題展開科研，一個(gè)難點(diǎn)一個(gè)難點(diǎn)地攻關(guān)，目標(biāo)十分明確。而當(dāng)老師則必須時(shí)刻站在領(lǐng)域的前沿做‘引路人’，不能被‘浪’打下去。開拓事業(yè)千頭萬(wàn)緒，那種操心是無(wú)時(shí)無(wú)刻不在的。”

    此外，2014年底，清華大學(xué)發(fā)布關(guān)于全面深化教育教學(xué)改革的意見，要求教師將堅(jiān)持人才培養(yǎng)作為第一責(zé)任，“深化人事制度改革，確保教師把主要精力投入到教學(xué)和人才培養(yǎng)，發(fā)揮教學(xué)環(huán)節(jié)和師生互動(dòng)在促進(jìn)學(xué)生全面成長(zhǎng)中的主渠道作用。”作為年輕教師的劉亞輝選擇講授《汽車構(gòu)造》這一專業(yè)課。

    從來(lái)沒(méi)有教課經(jīng)驗(yàn)的他，開始了“痛苦”地摸索。“我的第一次試講，由于非常緊張，沒(méi)有通過(guò)。直到第二次試講才通過(guò)，2016年開始教課。”劉亞輝一度感覺(jué)十分焦慮，“清華的學(xué)生都是驕子，怎么才能把課講得讓他們愛(ài)聽，又對(duì)他們有用呢？”為了向前輩學(xué)習(xí)，劉亞輝要求將自己的課放在每周的最后，在他前面上課的老師的每節(jié)課，他都去聽，仔細(xì)借鑒、學(xué)習(xí)。為了把握好授課節(jié)奏，劉亞輝將他所有課上需要用到的PPT都打印出來(lái)，每一頁(yè)上都寫滿筆記，“每一頁(yè)講幾分鐘，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都在哪里，全部標(biāo)記在紙質(zhì)PPT上，一點(diǎn)一點(diǎn)掂量摸索。”

    就這樣，劉亞輝的課逐漸獲得了老師、同學(xué)們的認(rèn)可，“2017年，我拿到了清華大學(xué)首屆年度教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)，這對(duì)于我來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是很大的鼓舞。”