王光遠 -中國工程院院士

王光遠

中國工程院院士
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王光遠,現任哈爾濱工業大學教授,曾任中國力學學會副理事長,國務院學位委員會和國家自然科學基金會學科組成員。50年代從事地震工程理論研究,將地面運動模擬為非平穩高斯型連續隨機過程,並提出了豎向地震作用下結構反應計算方法。

  • 姓名
    王光遠
  • 國籍
    中國
  • 民族
  • 出生日期
    1924.03.25
  • 性別
  • 籍貫
    河南省溫縣
  • 逝世日期
    -

生平概況簡單介紹

王光遠,1924年3月25日出生于河南省溫縣南韓村一個國小教師的家裏。該村位于太行腳下黃河之濱,是一個美麗的地方。由于當時天災人禍,他從小備嘗生活之艱辛。他在父親的影響下,很早就樹立了“科學救國”和“教育救國”的思想。

1930年,他進入本村國小學習,1933年入開封省立第三國小,1936年,入省立開封初級中學。1937年,日本侵略軍大舉入侵,從華北進逼河南,學校解散。王光遠時年13歲,不得不離開家庭隻身逃亡陝西。為了能到國立中學接受正常的教育,他歷盡千辛萬苦,又隻身奔赴甘肅天水,進入國立第五中學。為了能安靜讀書,他曾在山坡挖洞居住兩年之久。1940年,他以全省會考第二名的優異成績國中畢業,免試進入高中。這時河南省開始連續3年的大旱,受到“水、旱、蝗、湯(恩伯)”四大災害的摧殘,餓殍遍野,王光遠的家人陸續逃到陝西,住在鄉下的窯洞裏,生活十分困難。為此,他決定縮短學習期限,于1942年以同等學力考取國立西北農學院水利系。在抗日戰爭期間,那是後方學習和生活條件最優越的大學之一。

他在該校學習期間,有幸受到著名力學家孟昭禮的特別培養。當時孟先生正在撰寫《超穩結構應力分析之基本原理》一書,這是國內較早的一本高等結構力學教材,其中包括孟先生自己的許多研究成果。孟先生首先教會王光遠,然後讓他檢驗書中的公式推導和計算書中的全部例題和習題。在此項工作中,王光遠不僅學習了先進的科學知識,更重要的是切身體會了孟先生嚴格的治學態度和孜孜不倦追求科學真理的高貴品質,這對王光遠的一生產生了重大影響。

1946年,王光遠獲學士學位。畢業後被分配到黃河水利委員會參加花園口堵口工程,任新堤第一段工程員。王光遠每天奔波在所轄100多公裏的大堤上,檢查工作。有一次在薄弱段出現險情,黃河水眼看就要越過大堤時,王光遠率先跳入水中,組成人牆,在人牆後面填拋土袋,終于保住了大堤。

這時孟昭禮應邀回北洋大學(現天津大學)任教,他推薦王光遠擔任他的助教,從此,王光遠終生從事工程力學的教學和科研工作。大家公認“聽孟先生講課是一種享受”。王光遠在擔任他的助教的3年期間,認真地聆聽了他的每一堂課,這對王光遠成為一個優秀教師和獲得突出的教學效果,起了重要的作用。

王光遠王光遠

1949年,孟先生由于積勞成疾,患了嚴重的肺病,失去了工作能力。孟先生向領導表示,堅持要王光遠接替他的全部工作,這樣,王光遠就負擔了土木系理論力學、材料力學、結構力學和彈性力學的全部講課任務和他原有的助教工作。這些高強度的教學工作量使王光遠養成了拼命工作的習慣。王光遠于1949年暑假被提升為教員,1950年被提升為講師。

1950年10月,高教部在全國工科院校選派了第一批助教和講師到哈爾濱工業大學作為師資研究生跟蘇聯專家學習,王光遠是其中之一。第一年學習俄語,後三年學習業務和教學方法。王光遠由于基礎較好,兩年就完成了全部學習計畫,並提出了一篇較好的畢業論文《以變形法解剛架的簡捷方法》。蘇聯專家庫滋民在蘇聯權威性論文集《結構力學研究》中曾專文介紹這個方法。

1952年,王光遠提前兩年在研究班畢業後,立即被任命為哈爾濱工業大學建築力學教研室主任。該室負責全校材料力學、結構力學和彈塑性理論的教學和科研工作。此後四年,王光遠雖然也做了一些科研工作,如結構強度、振動和穩定性分析方法的簡化等,但他把主要精力放在了提高教學質量上。他開展了大量的教學法活動和研究,使這個教研室成了哈爾濱工業大學教學效果最好的教研室之一。在此期間,王光遠還協助蘇聯專家們培養了大批研究生和進修教師,這些人後來都成為中國各主要工科大學的骨幹教師和領導人。

1955年,國務院提出十大研究課題,其中土木建築方面的就是“抗地震結構的計算方法”。考慮了國家的迫切需要、結構力學發展的趨勢和本人的主客觀條件後,王光遠回響號召,參與了開闢當時在中國尚屬空白的這個研究領域的工作。

當時,中國科學院土木建築研究所(現國家地震局工程力學研究所)決定將這個課題作為該所的主攻方向。1956年,王光遠應該所所長劉恢先的邀請,擔任了該所的兼職副研究員。這時,他在哈爾濱工業大學亦被提升為副教授。

從1956年到1964年,王光遠在地震工程理論方面作出了一系列創造性的研究成果,並創立了“建築物空間整體計算理論”。這些工作直到“文化大革命”後期才得以總結並寫出專著<建築結構的振動>和<套用分析動力學> 。

1959年,哈爾濱工業大學土木系獨立建院,成為哈爾濱建築工程學院。同年,經國家批準,王光遠等開始培養四年製研究生。“文化大革命”以前,他共培養研究生6名,其中李桂青、劉季現在都已成為博士生導師。

從1978年恢復研究生招生以來,王光遠主要從事研究生的培養工作和科學研究工作。到1990年為止,他已培養出碩士23人、博士5人,並指導博士後5人。在此期間,他和他的學生們建立了“結構模糊隨機最佳化設計理論”、“工程大系統全局性最佳化理論”和“結構模糊隨機振動理論”,並且初步建立了“結構維修理論”的架構。這些工作已總結在<結構最佳化設計> 、 <工程軟設計理論>和正在編寫的《結構模糊隨機振動理論》中。

王光遠治學嚴謹,為人正直誠懇,深受師生們的愛戴。他一貫倡導民主學風,把自己的學術思想毫無保留地公之于眾,讓大家在民主平等的氣氛中討論。他還把自己的一些比較成熟的科學構思,甚至是半成熟的研究成果交給研究生,並把自己積累的大量資料及時推薦給學生,讓研究生們自己解決其中的一些困難問題。這樣,不但使研究生們得到了有效的鍛煉,而且擴大了研究成果,真正收到了教學相長的效果。他對研究生們的指導嚴肅認真,提出“高起點,嚴要求”。他善于根據自己對學科發展的預測,結合學生本人的知識結構和興趣,以及主客觀條件為學生確定研究方向和課題,然後加以及時有效的指導。1981年,王光遠加入了中國共產黨,1984年,他獲得黑龍江省特級勞動模範稱號,1986年獲建設部勞動模範稱號,1988年獲省優秀共產黨員稱號,1990年獲全國高等學校先進科技工作者稱號和黑龍江省高等學校優秀教學一等獎。他還是首批享受國家特殊津貼的科學家。

王光遠還擔任中國力學學會副理事長,中國科學院技術科學部土木建築學科組成員,國務院學位委員會力學評議組成員,國家自然科學基金委學科評議組成員,國家教委科技委土木、建築、水利學科組成員,國際結構安全與可靠性協會(LASSAR)委員,國際刊物《Engineering Optimization》編委,他還是6個全國性期刊的副主編或編委。

空間整體計算理論

50年代以前,在建築物的分析和設計中都是把真實的結構假想地切割成一系列平面體系進行計算。實際上建築物的各個部分相互影響和相互製約,形成一個空間整體,它和平面體系的工作狀態是很不相同的。

50年代後期,王光遠在中國科學院土木建築研究所兼職期間,與他的助手周錫元、徐祥文和肖光先進行了各種單層廠房的大模型靜力和動力試驗,首先證明了廠房整體的振動和單片平面排架的振動不僅有量(頻率)的不同,而且有質的不同(出現多組空間振型);同時證明了廠房橫向變形和振動時,各排架隻在本身平面內移動,巨觀上形成屋蓋以剪下變形為主的現象,而彎曲變形可以近似地不予考慮。這和蘇聯專家提出的基本假定是針鋒相對的。

在此基礎上建立了工業廠房空間整體靜力和動力的計算理論:各層樓板和屋蓋被簡化為一組剪下梁,而橫向排架、架構和山牆構成了上述剪下梁系的彈性約束。為了檢驗這個理論和取得剛度參數的資料,王光遠和他的助手們還對十幾座真實的廠房進行了實測。結果證明,這個理論不僅計算簡便,而且非常符合建築物的實際工作情況。

此項研究成果被評定為1964年國家重大科研成果,被一些設計規範所採用,並在1978年獲得全國科學大會獎。

隨機最佳化設計理論

由于結構設計是根據現有的信息,利用試驗和計算的辦法,預測各種設計方案在其未來使用期間的各種表現(位移、應力等反應),所以具有強烈的不確定性。首先,結構未來工作環境是不可能準確預知的,這就是荷載的隨機性。其次,荷載還常常具有強烈的模糊性,例如地震荷載與地震烈度和場地分類有關,而烈度和場地分類都是模糊的。此外,結構設計方案優劣的標準(目標函式)和結構反應的允許範圍(約束)也都具有模糊性。過去的結構設計都不考慮這些不確定性,不但使設計不夠合理,而且出現了一些不可解決的矛盾。

1940年代後期,蘇聯首先考慮結構設計中的隨機因素,將概率論和數理統計的方法引入結構設計,產生了安全度理論;以超載系數、材料勻質系數和工作條件系數來考慮荷載、材料和環境的一些隨機性因素。這個理論受到各國的重視,紛紛加以研究,它的繼續發展就形成了現在的結構可靠性理論。

王光遠和他的學生王文泉進一步考慮了結構設計中的模糊因素,于1984年在國內外首先發表了《結構模糊最佳化設計理論》,使設計中得到的不再是一個所謂的“最優解”,而是一族“滿意解”。這樣,就可以在滿意解族中作進一步優選,找出正式採用的設計方案。這項成果獲得了1986年國家教委科技進步一等獎和1987年國家自然科學三等獎。

在此基礎上,王光遠和他的學生陳樹勛和譚東耀進一步提出了多目標多約束的普遍型的結構模糊隨機最佳化設計理論。這個成果還推動了模糊數學的發展。

在研究過程中,王光遠發現在結構設計中還存在第三種不確定信息,他稱之為“未確知信息”。它是由于條件限製,在進行設計時尚無法確知而又必須利用的信息,也就是說,它是由于決策者所掌握的信息不足以確定事物的真實狀態和數量關系而帶來的純主觀的認識上的不確定性。

在充分考慮上述三種不確定性因素和充分利用人類經驗的基礎上,王光遠將這種最佳化設計稱為“軟設計”。最近他和他的學生武愛虎又提出了結構軟設計的實用方法。

目前,系統的可靠度被定義為系統在使用期間能正常工作的概率,這說明隻考慮了事物的隨機性。王光遠在研究結構軟設計理論過程中,提出了“廣義可靠度”的概念和計算方法,即在系統內部或系統所處環境中的任何不確定性因素(隨機性、模糊性和未確知性)都會導致系統工作狀態的不確定性,從而帶來系統的可靠性的各種問題。

工程系統最佳化理論

目前,國內外的工程最佳化都局限于對單個結構設計的最佳化,但一個工程項目大多是由一系列結構所組成的工程系統,對各個結構單獨進行最佳化後所組成的工程系統卻並不一定最佳化,這是因為全局利益往往要求某些局部作出犧牲,隻對各個局部分別進行最佳化就是割裂了各局部間的聯系,因此,研究工程大系統的全局性最佳化理論和方法是個十分重要而又十分困難的課題。王光遠自1983年開始研究,直到1989年初步建立了比較簡單的工程系統的相應的理論。

工程項目是各種各樣的,它們形成不同的系統,應該有不同的計算模型。作為理論初創,王光遠和他的學生譚東耀首先研究了遞階串聯系統型的工程項目。這種大系統是由若幹級的子系統組成,每一級包含若幹子系統,它們都是必不可少的,也就是說任何一個子系統的失效都將導致大系統的失效。若將較簡單的並聯部分作為一個子系統,對土建工程而言,這個計算模型就可以有較大的覆蓋面。

王光遠採用所有結構、子系統和大系統的可靠度作為指標進行全局最佳化,最佳化的目標函式中包括當前投資(造價)和長遠經濟效益(失效損失的期望值),經過結構、子系統和大系統間的不斷協調,求出工程大系統的最優可靠度分配,然後各個結構就可以按其最優可靠度進行本身的最佳化設計。這就是在工程系統全局的最佳化指導下的結構最佳化設計。

目前,王光遠和他的學生們還在研究各種更復雜的工程系統的全局最佳化問題。例如,以網路系統作為各種生命線工程的計算模型,以及各種串並聯組合系統等。

此外,工程系統中還存在強烈的模糊性,例如系統中各元素邏輯關系的模糊性、幹擾因素(荷載等)的模糊性和各元素和子系統失效準則的模糊性。目前,他們正在逐步深入地研究這種“模糊工程系統”的全局最佳化理論和技術。

模糊隨機振動理論

50年代後期,在蘇聯、美國、日本和中國同時開始考慮風和地震過程的隨機性,不約而同地把風和地震對結構的作用模擬為平穩和非平穩高斯型連續隨機過程,從而在60年代很快就形成了結構隨機振動理論。王光遠從1957年就開始這樣作,他的研究工作理論上在當時是領先的,但由于缺少統計資料和快速計算工具,論文發表較遲。

1982年,王光遠開始研究地震烈度和建築場地分類的模糊性。由于地震時地面運動的模型與地震烈度和場地分類有密切關系,這樣便產生了模糊隨機幹擾和結構的模糊隨機振動的概念,但要解決這個問題卻遇到嚴重的數學困難。

先從比較簡單的情況下手,王光遠和他的學生歐進萍1985年提出將地震地面運動模擬為具有模糊參數的隨機過程,並給出了計算方法。目前他們在繼續研究模糊隨機幹擾下結構動力反應(模糊隨機振動)的普遍性理論。為此,他們提出了動態模糊集合、模糊過程、模糊隨機過程等概念,這就把模糊數學從靜態推到了動態。這項研究成果,使歐進萍1988年獲得了首屆霍英東青年基金。

1985年,提出了豎向地震作用下高聳結構縱向振動的計算方法;1982年,提出地震烈度的模糊綜合評定法;1983年,提出桁架結構設計的兩相最佳化法;1990年,提出具有耦聯因素的抗震結構建築場地等級的模糊綜合評定方法;1990年,提出結構服役期間的動態可靠度及其維修理論的初步架構;1990年,提出未確知信息的概念及其數學處理方法。

近年來,王光遠還提出了建立工程軟科學的思想。他認為,工程科學是根據工程的目的,以效益和經濟兼顧為準則,對各級各類工程問題進行決策的科學。從軟科學的定義來看,它基本上應屬于軟科學的範疇。

從土建工程的性質來看,相應的工程軟科學應包括:

(1)工程項目的可行性分析與論證;

(2)工程系統的組成和結構選型;

(3)工程系統的全局最佳化;

(4)結構的不確定性最佳化設計(結構軟設計);

(5)工程系統和結構的實施(建造)規劃;

(6)工程系統和結構的科學管理和維修;

(7)工程系統的經濟學與設計心理學。

在研究方向上,他提出必須建立以下基本觀點:決策的最佳化意識,工程大系統的全局觀念,不確定性信息處理的科學化,充分利用人的經驗,以及工程科學的人工智慧化。概括起來,他的關于建立工程軟科學的建議可以歸結為以下三點:

工程科學的研究對象應該從對單個結構的研究擴大到對工程大系統的全局性綜合研究,甚至還可以通過工程項目的可行性論證與全社會耦聯起來。

工程科學的研究內容應該從結構的分析和設計擴大到工程壽命的全過程,即研究從工程項目的可行性分析開始直到工程中各個設施報廢的全過程中所包含的一切問題。

工程科學的研究手段應該從以力學分析和結構試驗為主擴大到充分利用專家經驗和軟、硬科學的一切成就。

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