得奖率只有0.14%!浙大3名男生斩获美国数学大奖

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  • 来源:浙江大学教务网_上海电机学院官网_长春理工大学教务管理系统北林
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其实,万事万物皆可成数学题。不信?那就来瞧瞧这道美国大学生数学建模大赛的题目吧——

“加勒比海的波多黎各地区遭遇了飓风袭击,岛上人员伤亡严重,电力、网络、道路等基础设施也几近瘫痪,请你为无政府组织设计一种方案,能够合理地安排无人机运送三种不同的医疗包到受灾地点,并且对道路进行探测勘察。”

无人机飞出去了还要回来吗,集装箱又该放在哪呢?这样一个庞大的救灾系统,涉及到无人机的线路、时间、运送方法等N多个变量,还要结合当地的地形、气候等现实条件。这是美国大学生数学建模大赛(以下简称美赛)的竞赛题。此题一出,不少选手都表示根本无从下手,赛后纷纷在网上吐槽。

这道题,也同样难住了浙大海宁国际校区的三位大二学生。但经过四天激烈的头脑风暴、缜密的统筹考虑和严谨的运算证明后,他们把方案写成了长达30页的论文发给了主办方,并一举斩获美赛特等奖,同时获得了象征着B题(备注:该赛设置了ABCDEF六个不同组别的题目)最优解的INFORMS奖。他们就是浙大伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院(ZJUI)电子与计算机工程专业2017级的学生林航正、袁金松和童心浩。

右起:林航正、袁金松、童心浩

“那四天见证了我对团队贡献的极限”

为了在比赛中脱颖而出,林航正、袁金松和童心浩三人在前期准备时就找准了方向。2019年的寒假,他们三人早早地回到了学校,开始了为期一周的赛前准备——研读往年特等奖的论文,学习前人优秀的模型、算法和撰文。经过了七天的“闭关训练”后,他们拿到了比赛题目——派遣无人机,开发空中救灾反应系统。那么,他们是如何在短短四天的时间内,拿出尽善尽美的方案的呢?这和团队强大的综合实力以及高效的分工合作是分不开的。

建模比赛的第一要义是解决问题,而解决问题最重要的就是有清晰的思路。这一点,林航正、袁金松、童心浩三人从一开始就深谙于心。比赛第一天,他们就对题目里所有不明确的争议点,如无人机是否需要回收、是否需要考虑当地的地形因素等都讨论了个遍,并且清晰地列出了之后解题的步骤,而这也为他们在后面焦灼的方案设计和计算过程节省了不少时间。

这四天,是林航正、袁金松、童心浩三人最心无旁骛的四天,整整96个小时,除去吃饭和必要的休息之外,全部贡献给了比赛。一流模型的建立,是三个人群策群力的结果。

除此之外,数学建模需要大量复杂的数学计算,离不开MATLAB建模软件。编码能力一流的袁金松在团队中除了建模之外,还担任了编码计算的工作。他谦虚地自嘲是算法的搬运工,“从早到晚都在码代码”。

算法需要通过编码来实现,得到数据,才能进行下一步的计算,袁金松令人艳羡的编码能力可以说基本为团队扫除了计算过程中的障碍。而林航正和童心浩在建立模型和思考算法之外,以突出的文字功底在团队里担任了英文论文撰写的工作。得益于明确的团队分工,三个人都在比赛中发挥了自己最大限度的能力。他们表示,那短短的四天,见证了各自对团队贡献的极限,也使他们收获了丰富的团队合作经验。

吃饭的时候都在“吵架”

比赛过程中,困难总是不可避免的,这也正是美赛的魅力所在。而他们三人可以说是遇到了不计其数的困难,甚至有一次,造成了团队内部的重大分歧。

在方案已经完成了70%,即将收尾的时候,他们意外地在编码的过程中发现救灾系统中的关键——无人机在运货到达岛上之后,无法在规划的时间内飞回进行回收,那就意味着整个的时间表和方案的合理性出了问题。任凭前面考虑得多么缜密,在最后的要紧关头还是出错了,功亏一篑,这是他们最不想看到的局面。这一下子他们三个人都发了懵,每个人都有自己的想法,连吃饭的时候都在“吵架”。

思维灵活跳跃的童心浩认为,可以在计算时直接将无人机整体的飞行进行提速,这样就可以易如反掌地达到他们想要的效果。但是这个想法很快遭到了两位严谨的队友的一致反对,计算中已经采用了无人机载货后的最大速度了,再提速就会失去方案的真实性,在一个本就错误的前提下,即便能自圆其说,也不会得到评委的肯定。

在林航正和袁金松的坚持下,童心浩做出了让步。事实证明,他们的选择是正确的,当天晚上,林航正和袁金松二人就发现他们在编码时忽略了一个简单却又极其重要的条件,就是无人机在载货时和卸货后的飞行速度是有区别的,而他们之前都是一股脑地用了同一个数据,调整速度之后,果然问题迎刃而解。童心浩说,这使他认识到解决问题不应该这么简单粗暴、得过且过,一步一个脚印才是正道,而这也是他此次参赛的最大收获。

光鲜背后,是这样的努力和付出

值得一提的是,此次美赛,他们三人除了获得只占全部参赛队伍的0.14%的特等奖(Outstanding Winner)之外,还获得了由国际统筹学与管理科学学会颁发的冠名奖(INFORMS Award)。这也代表着,他们三人的解法是所有参赛队伍中B题的最优解。

当谈到自己方案的亮点时,他们给出了两个字——细节。当别人都只是将不同的医疗包混为一谈简单打包的时候,他们却学习使用了AHP算法,利用多变量权重计算方法,得出了三种医疗包运送时最优的比例。面对不完整的题目信息,他们更是不厌其烦地提出了十种假设,其中包括了对飞行过程中的风速、岛上的地形、无人机的充电时间、无人机能否循环使用等方方面面的处理。

在他们三人看来,美赛是一个高度综合的比赛,不单单考验数学建模能力,也不只是计算机编码的华丽“表演”,它真正看重的是一个团队解决问题的能力,是所有因素的综合比拼。在解决问题这个层面上,虽说条条大路通罗马,但要想脱颖而出,就必须精益求精。

林航正、袁金松和童心浩三人表示,他们能在美国大学生建模大赛中成功取得最高奖项,也得益于浙大海宁国际校区的中外合作办学模式。他们三人就读的电子与计算机工程专业是浙江大学和美国伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区(UIUC)合办的。电子与计算机工程专业着力于让学生自上而下地理解计算机系统,从应用软件到操作系统再到硬件、电路,是一个综合性很强、覆盖范围颇广的专业。

袁金松表示,计算机科学在中国是传统的工科专业,但是在浙大海宁国际校区,他们不仅要学习常规的高等数学、大学物理等课程,还要学习化学、热力学和量子力学等,这些课程虽然看起来和计算机毫无关联,但能让他们在解决问题时有更广阔的视野和思路,这也对他们此次参赛产生了很大影响。

此外,在浙大海宁国际校区,英文的存在感可谓极强:用的是全英文教材,上的是全英文课程,连作业、论文也都是用英文完成……如此之高的国际化程度,为林航正、袁金松和童心浩三人在美赛中理解英文题目和撰写英文论文扫清了障碍,相比于建模,英文论文对他们三人来说,可谓手到擒来。

“满满当当的课表,又难又多的作业,每周一次的考试……说起学习,同学们都笑着说‘压力山大’!”林航正觉得,在这样的培养模式下,学生需要全身心投入。

一场比赛,或许改变不了太多,获奖之后,还是要回归平凡的生活,但曾经的坚持和拼搏逐渐让他们懂得了努力的意义。他们依然是三个普通的浙大学生,只是在通向未来的路上,走得愈发坚定、自信。

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