王光远

王光远 王光远,工程力学家。长期从事地震工程的研究。早年提出建筑物整体的简化空间计算方法;近年来,提出结构模糊优化设计理论,随后发展为“结构软设计”,致力于将模糊数学应用于结构设计大系统全局优化的理论研究。

王光远 - 生平概况

王光远,1924年3月25日出生于河南省温县南韩村一个小学教师的家里。该村位于太行脚下黄河之滨,是一个美丽的地方。由于当时天灾人祸,他从小备尝生活之艰辛。他在父亲的影响下,很早就树立了“科学救国”和“教育救国”的思想。

1930年,他进入本村小学学习,1933年入开封省立第三小学,1936年,入省立开封初级中学。1937年,日本侵略军大举入侵,从华北进逼河南,学校解散。王光远时年13岁,不得不离开家庭只身逃亡陕西。为了能到国立中学接受正常的教育,他历尽千辛万苦,又只身奔赴甘肃天水,进入国立第五中学。为了能安静读书,他曾在山坡挖洞居住两年之久。1940年,他以全省会考第二名的优异成绩初中毕业,免试进入高中。这时河南省开始连续3年的大旱,受到“水、旱、蝗、汤(恩伯)”四大灾害的摧残,饿殍遍野,王光远的家人陆续逃到陕西,住在乡下的窑洞里,生活十分困难。为此,他决定缩短学习期限,于1942年以同等学力考取国立西北农学院水利系。在抗日战争期间,那是后方学习和生活条件最优越的大学之一。

他在该校学习期间,有幸受到著名力学家孟昭礼的特别培养。当时孟先生正在撰写《超稳结构应力分析之基本原理》一书,这是国内较早的一本高等结构力学教材,其中包括孟先生自己的许多研究成果。孟先生首先教会王光远,然后让他检验书中的公式推导和计算书中的全部例题和习题。在此项工作中,王光远不仅学习了先进的科学知识,更重要的是切身体会了孟先生严格的治学态度和孜孜不倦追求科学真理的高贵品质,这对王光远的一生产生了重大影响。

1946年,王光远获学士学位。毕业后被分配到黄河水利委员会参加花园口堵口工程,任新堤第一段工程员。王光远每天奔波在所辖100多公里的大堤上,检查工作。有一次在薄弱段出现险情,黄河水眼看就要越过大堤时,王光远率先跳入水中,组成人墙,在人墙后面填抛土袋,终于保住了大堤。

这时孟昭礼应邀回北洋大学(现天津大学)任教,他推荐王光远担任他的助教,从此,王光远终生从事工程力学的教学和科研工作。大家公认“听孟先生讲课是一种享受”。王光远在担任他的助教的3年期间,认真地聆听了他的每一堂课,这对王光远成为一个优秀教师和获得突出的教学效果,起了重要的作用。

1949年,孟先生由于积劳成疾,患了严重的肺病,失去了工作能力。孟先生向领导表示,坚持要王光远接替他的全部工作,这样,王光远就负担了土木系理论力学、材料力学、结构力学和弹性力学的全部讲课任务和他原有的助教工作。这些高强度的教学工作量使王光远养成了拼命工作的习惯。王光远于1949年暑假被提升为教员,1950年被提升为讲师。

1950年10月,高教部在全国工科院校选派了第一批助教和讲师到哈尔滨工业大学作为师资研究生跟苏联专家学习,王光远是其中之一。第一年学习俄语,后三年学习业务和教学方法。王光远由于基础较好,两年就完成了全部学习计划,并提出了一篇较好的毕业论文《以变形法解刚架的简捷方法》。苏联专家库滋民在苏联权威性论文集《结构力学研究》中曾专文介绍这个方法。

1952年,王光远提前两年在研究班毕业后,立即被任命为哈尔滨工业大学建筑力学教研室主任。该室负责全校材料力学、结构力学和弹塑性理论的教学和科研工作。此后四年,王光远虽然也做了一些科研工作,如结构强度、振动和稳定性分析方法的简化等,但他把主要精力放在了提高教学质量上。他开展了大量的教学法活动和研究,使这个教研室成了哈尔滨工业大学教学效果最好的教研室之一。在此期间,王光远还协助苏联专家们培养了大批研究生和进修教师,这些人后来都成为中国各主要工科大学的骨干教师和领导人。

1955年,国务院提出十大研究课题,其中土木建筑方面的就是“抗地震结构的计算方法”。考虑了国家的迫切需要、结构力学发展的趋势和本人的主客观条件后,王光远响应号召,参与了开辟当时在中国尚属空白的这个研究领域的工作。

当时,中国科学院土木建筑研究所(现国家地震局工程力学研究所)决定将这个课题作为该所的主攻方向。1956年,王光远应该所所长刘恢先的邀请,担任了该所的兼职副研究员。这时,他在哈尔滨工业大学亦被提升为副教授。

从1956年到1964年,王光远在地震工程理论方面作出了一系列创造性的研究成果,并创立了“建筑物空间整体计算理论”。这些工作直到“文化大革命”后期才得以总结并写出专著《建筑结构的振动》和《应用分析动力学》 。

1959年,哈尔滨工业大学土木系独立建院,成为哈尔滨建筑工程学院。同年,经国家批准,王光远等开始培养四年制研究生。“文化大革命”以前,他共培养研究生6名,其中李桂青、刘季现在都已成为博士生导师。

从1978年恢复研究生招生以来,王光远主要从事研究生的培养工作和科学研究工作。到1990年为止,他已培养出硕士23人、博士5人,并指导博士后5人。在此期间,他和他的学生们建立了“结构模糊随机优化设计理论”、“工程大系统全局性优化理论”和“结构模糊随机振动理论”,并且初步建立了“结构维修理论”的框架。这些工作已总结在《结构优化设计》 、 《工程软设计理论》和正在编写的《结构模糊随机振动理论》中。

王光远治学严谨,为人正直诚恳,深受师生们的爱戴。他一贯倡导民主学风,把自己的学术思想毫无保留地公之于众,让大家在民主平等的气氛中讨论。他还把自己的一些比较成熟的科学构思,甚至是半成熟的研究成果交给研究生,并把自己积累的大量资料及时推荐给学生,让研究生们自己解决其中的一些困难问题。这样,不但使研究生们得到了有效的锻炼,而且扩大了研究成果,真正收到了教学相长的效果。他对研究生们的指导严肃认真,提出“高起点,严要求”。他善于根据自己对学科发展的预测,结合学生本人的知识结构和兴趣,以及主客观条件为学生确定研究方向和课题,然后加以及时有效的指导。1981年,王光远加入了中国共产党,1984年,他获得黑龙江省特级劳动模范称号,1986年获建设部劳动模范称号,1988年获省优秀共产党员称号,1990年获全国高等学校先进科技工作者称号和黑龙江省高等学校优秀教学一等奖。他还是首批享受国家特殊津贴的科学家。

王光远还担任中国力学学会副理事长,中国科学院技术科学部土木建筑学科组成员,国务院学位委员会力学评议组成员,国家自然科学基金委学科评议组成员,国家教委科技委土木、建筑、水利学科组成员,国际结构安全与可靠性协会(LASSAR)委员,国际刊物《Engineering Optimization》编委,他还是6个全国性期刊的副主编或编委。

王光远 - 空间整体计算理论

50年代以前,在建筑物的分析和设计中都是把真实的结构假想地切割成一系列平面体系进行计算。实际上建筑物的各个部分相互影响和相互制约,形成一个空间整体,它和平面体系的工作状态是很不相同的。

50年代后期,王光远在中国科学院土木建筑研究所兼职期间,与他的助手周锡元、徐祥文和肖光先进行了各种单层厂房的大模型静力和动力试验,首先证明了厂房整体的振动和单片平面排架的振动不仅有量(频率)的不同,而且有质的不同(出现多组空间振型);同时证明了厂房横向变形和振动时,各排架只在本身平面内移动,宏观上形成屋盖以剪切变形为主的现象,而弯曲变形可以近似地不予考虑。这和苏联专家提出的基本假定是针锋相对的。

在此基础上建立了工业厂房空间整体静力和动力的计算理论:各层楼板和屋盖被简化为一组剪切梁,而横向排架、框架和山墙构成了上述剪切梁系的弹性约束。为了检验这个理论和取得刚度参数的数据,王光远和他的助手们还对十几座真实的厂房进行了实测。结果证明,这个理论不仅计算简便,而且非常符合建筑物的实际工作情况。

此项研究成果被评定为1964年国家重大科研成果,被一些设计规范所采用,并在1978年获得全国科学大会奖。

王光远 - 随机优化设计理论

由于结构设计是根据现有的信息,利用试验和计算的办法,预测各种设计方案在其未来使用期间的各种表现(位移、应力等反应),所以具有强烈的不确定性。首先,结构未来工作环境是不可能准确预知的,这就是荷载的随机性。其次,荷载还常常具有强烈的模糊性,例如地震荷载与地震烈度和场地分类有关,而烈度和场地分类都是模糊的。此外,结构设计方案优劣的标准(目标函数)和结构反应的允许范围(约束)也都具有模糊性。过去的结构设计都不考虑这些不确定性,不但使设计不够合理,而且出现了一些不可解决的矛盾。

1940年代后期,苏联首先考虑结构设计中的随机因素,将概率论和数理统计的方法引入结构设计,产生了安全度理论;以超载系数、材料匀质系数和工作条件系数来考虑荷载、材料和环境的一些随机性因素。这个理论受到各国的重视,纷纷加以研究,它的继续发展就形成了现在的结构可靠性理论。

王光远和他的学生王文泉进一步考虑了结构设计中的模糊因素,于1984年在国内外首先发表了《结构模糊优化设计理论》,使设计中得到的不再是一个所谓的“最优解”,而是一族“满意解”。这样,就可以在满意解族中作进一步优选,找出正式采用的设计方案。这项成果获得了1986年国家教委科技进步一等奖和1987年国家自然科学三等奖。

在此基础上,王光远和他的学生陈树勋和谭东耀进一步提出了多目标多约束的普遍型的结构模糊随机优化设计理论。这个成果还推动了模糊数学的发展。

在研究过程中,王光远发现在结构设计中还存在第三种不确定信息,他称之为“未确知信息”。它是由于条件限制,在进行设计时尚无法确知而又必须利用的信息,也就是说,它是由于决策者所掌握的信息不足以确定事物的真实状态和数量关系而带来的纯主观的认识上的不确定性。

在充分考虑上述三种不确定性因素和充分利用人类经验的基础上,王光远将这种优化设计称为“软设计”。最近他和他的学生武爱虎又提出了结构软设计的实用方法。

目前,系统的可靠度被定义为系统在使用期间能正常工作的概率,这说明只考虑了事物的随机性。王光远在研究结构软设计理论过程中,提出了“广义可靠度”的概念和计算方法,即在系统内部或系统所处环境中的任何不确定性因素(随机性、模糊性和未确知性)都会导致系统工作状态的不确定性,从而带来系统的可靠性的各种问题。

王光远 - 工程系统优化理论

目前,国内外的工程优化都局限于对单个结构设计的优化,但一个工程项目大多是由一系列结构所组成的工程系统,对各个结构单独进行优化后所组成的工程系统却并不一定优化,这是因为全局利益往往要求某些局部作出牺牲,只对各个局部分别进行优化就是割裂了各局部间的联系,因此,研究工程大系统的全局性优化理论和方法是个十分重要而又十分困难的课题。王光远自1983年开始研究,直到1989年初步建立了比较简单的工程系统的相应的理论。

工程项目是各种各样的,它们形成不同的系统,应该有不同的计算模型。作为理论初创,王光远和他的学生谭东耀首先研究了递阶串联系统型的工程项目。这种大系统是由若干级的子系统组成,每一级包含若干子系统,它们都是必不可少的,也就是说任何一个子系统的失效都将导致大系统的失效。若将较简单的并联部分作为一个子系统,对土建工程而言,这个计算模型就可以有较大的覆盖面。

王光远采用所有结构、子系统和大系统的可靠度作为指标进行全局优化,优化的目标函数中包括当前投资(造价)和长远经济效益(失效损失的期望值),经过结构、子系统和大系统间的不断协调,求出工程大系统的最优可靠度分配,然后各个结构就可以按其最优可靠度进行本身的优化设计。这就是在工程系统全局的优化指导下的结构优化设计。

目前,王光远和他的学生们还在研究各种更复杂的工程系统的全局优化问题。例如,以网络系统作为各种生命线工程的计算模型,以及各种串并联组合系统等。

此外,工程系统中还存在强烈的模糊性,例如系统中各元素逻辑关系的模糊性、干扰因素(荷载等)的模糊性和各元素和子系统失效准则的模糊性。目前,他们正在逐步深入地研究这种“模糊工程系统”的全局优化理论和技术。

王光远 - 模糊随机振动理论

50年代后期,在苏联、美国、日本和中国同时开始考虑风和地震过程的随机性,不约而同地把风和地震对结构的作用模拟为平稳和非平稳高斯型连续随机过程,从而在60年代很快就形成了结构随机振动理论。王光远从1957年就开始这样作,他的研究工作理论上在当时是领先的,但由于缺少统计资料和快速计算工具,论文发表较迟。

1982年,王光远开始研究地震烈度和建筑场地分类的模糊性。由于地震时地面运动的模型与地震烈度和场地分类有密切关系,这样便产生了模糊随机干扰和结构的模糊随机振动的概念,但要解决这个问题却遇到严重的数学困难。

先从比较简单的情况下手,王光远和他的学生欧进萍1985年提出将地震地面运动模拟为具有模糊参数的随机过程,并给出了计算方法。目前他们在继续研究模糊随机干扰下结构动力反应(模糊随机振动)的普遍性理论。为此,他们提出了动态模糊集合、模糊过程、模糊随机过程等概念,这就把模糊数学从静态推到了动态。这项研究成果,使欧进萍1988年获得了首届霍英东青年基金。

1985年,提出了竖向地震作用下高耸结构纵向振动的计算方法;1982年,提出地震烈度的模糊综合评定法;1983年,提出桁架结构设计的两相优化法;1990年,提出具有耦联因素的抗震结构建筑场地等级的模糊综合评定方法;1990年,提出结构服役期间的动态可靠度及其维修理论的初步框架;1990年,提出未确知信息的概念及其数学处理方法。

近年来,王光远还提出了建立工程软科学的思想。他认为,工程科学是根据工程的目的,以效益和经济兼顾为准则,对各级各类工程问题进行决策的科学。从软科学的定义来看,它基本上应属于软科学的范畴。
从土建工程的性质来看,相应的工程软科学应包括:
(1)工程项目的可行性分析与论证;
(2)工程系统的组成和结构选型;
(3)工程系统的全局优化;
(4)结构的不确定性优化设计(结构软设计);
(5)工程系统和结构的实施(建造)规划;
(6)工程系统和结构的科学管理和维修;
(7)工程系统的经济学与设计心理学。

在研究方向上,他提出必须建立以下基本观点:决策的优化意识,工程大系统的全局观念,不确定性信息处理的科学化,充分利用人的经验,以及工程科学的人工智能化。概括起来,他的关于建立工程软科学的建议可以归结为以下三点:
工程科学的研究对象 应该从对单个结构的研究扩大到对工程大系统的全局性综合研究,甚至还可以通过工程项目的可行性论证与全社会耦联起来。
工程科学的研究内容 应该从结构的分析和设计扩大到工程寿命的全过程,即研究从工程项目的可行性分析开始直到工程中各个设施报废的全过程中所包含的一切问题。
工程科学的研究手段 应该从以力学分析和结构试验为主扩大到充分利用专家经验和软、硬科学的一切成就。

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