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清華90後 MIT助理教授範楚楚獲ACM最佳博士論文獎

如果說哺乳期帶娃麵試斬獲 MIT 助理教授 offer,是 90
後科學家範楚楚踏入社會的第一個驚喜;那麽在工作一年後,得知自己的博士畢業論文獲得 ACM(美國計算機協會,Association
for Computing Machinery) 最佳博士論文獎,想必是的她的又一個人生驚喜。

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圖 | 範楚楚(來源:受訪者)

本科畢業於清華、博士畢業於伊利諾伊大學,29 歲入職 MIT 擔任助理教授,這是陝西女孩範楚楚的學霸履曆。關於此次論文獲獎,她告訴
DeepTech,這篇論文是她的博士生導師提名的。

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圖 | 範楚楚獲得 ACM 最佳論文獎(來源:ACM 官網)

ACM 獎項一般喜歡既有理論貢獻、又有實際應用案例、同時同行評價較高的論文。提名流程一般是先在校內提名,每所大學可提名 1-2
篇博士論文,因此僅學校內部的競爭就已非常激烈。所以每一篇被學校提名的論文就已經是非常優秀的了。

最終參與評選的各校集中提交論文,ACM
評審委員會會選出三份論文,並授予其中一篇最佳論文獎,兩篇榮譽獎。此次其論文入選理由是:這篇工作為嵌入式與信息物理係統的驗證做出了奠基性貢獻,且展示了該技術應用於工業係統的可能性。

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圖 | 範楚楚獲獎論文(來源:受訪者)

獲獎論文主要成果:靈敏性分析

範楚楚的研究方向是形式化方法,該領域在分支上還有很多經典方法,比如模型檢測和抽象解釋,這都是已被驗證的實用數學工具。其中,模型檢測還拿過
2007 年的圖靈獎。

她表示,在計算機科學和軟件工程領域,形式化方法要求所有東西都必須給出嚴謹證明。其主要指導思路是在設計係統時,不僅僅隻是為了優化實際過程中的表現,而是要先理解用戶對於係統的需求是什麽,從而進行相關設計。在設計完之後,還要做驗證並給出嚴謹的證明,證明係統一定會滿足當初的設計要求。

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圖 | 範楚楚在作報告(來源:受訪者)

此前,形式化方法的理論性工作更多集中在程序或電路設計上。近年來,無人車、四旋翼飛機等更多是使用網絡實體係統。以嵌入式係統為例,計算機程序主要是控製一些物理實體,最簡單的例子就是無人駕駛汽車,即算法最終要控製汽車。

因此,範楚楚更關注物理實體上的係統性質,一些跟安全強相關的性質也都跟物理實體相關,比如說汽車必須遵守交通規則,也不能撞車或者撞人。

這些性質是在物理實體上,但又是被算法控製的,所以算法和物理實體是緊密連接的,那麽這時就不能單看某個部分,而這正是形式化方法領域近年來的熱門應用,讓它去結合控製論和機器學習一類的方法,並用在無人駕駛汽車等更複雜的係統上。

說到這裏,範楚楚講述了自己的實習經曆,在加入 MIT
工作之前,她曾在豐田汽車實習過,該公司為了讓汽車尾氣排放達到政府標準,專門設計了一個嵌入式係統去控製車輛的動力係統。

而她本次的獲獎論文,講的正是把一類形式化的方法,具體來說是靈敏度分析,用在嵌入式係統上、特別是非線性混合係統,比如無人車係統上。

人類生活環境中有很多不確定性,獲悉這種不確定性對係統的幹擾過程,就叫做靈敏度分析。比如,一陣風吹過來,四旋翼飛機可能就沒法飛了,甚至會掉下來。在控製係統中,工程師肯定希望係統對大的外界幹擾不太靈敏,這樣才意味著係統的魯棒性很強。這時就會涉及到低靈敏度,即把係統設計得更加安全魯棒。

在範楚楚讀博時,線性係統上的靈敏度分析已得到廣泛研究,但在非線性係統的靈敏度分析上還麵臨著一些困難。因此,她讀博期間主要研究靈敏度分析如何用在非線性係統上,以及如何將程序和動態的物理實體混合在一起。

由於工業界的一些係統並沒有非常適合的模型,讓她去做靈敏度分析。為此,她使用機器學習算法去學習靈敏度分析,然後用靈敏度分析的方法去檢查係統的安全性。當外界遇到幹擾或不確定性,想知道係統有多靈敏,就可以先讓係統運行,然後在其周圍通過靈敏度分析去計算安全閾值。靈敏度分析的好處在於,在遇到外界幹擾時,它能保證係統風險不會超過分析出來的安全閾值。以特定係統的表現為例,想象它周圍被一層安全氣泡包裹著,那麽即便有外界幹擾,係統的真實表現也不會跑出氣泡的外邊,所以也就相應有了安全性的保證。

可用在無人汽車係統和飛機係統中

範楚楚說,該論文成果的應用範圍非常廣泛,而做算法的優勢正在於它不局限於某一個具體應用。

無人車係統和飛機係統的安全性非常重要。很多時候無人車等自主係統的技術已經非常發達,但由於無法證明係統的安全性,因此無人車輛或四旋翼飛機就無法正式投入生產使用。

要證明安全性,就必須用形式化方法,使用模型分析和安全分析等方法,去證明係統的安全性。因此,她的方案在很多係統中都是不可或缺的環節。

以車輛上的特定算法為例,它的自動刹車係統以及尾氣排放係統都要經過靈敏度分析。研究中,她還做過衛星對接係統,假如想把一個大型航天器發到太空,其中一個做法是把航天器分成很多小件,然後在太空中進行一一對接,對接時會有安全性的要求。而她的做法是通過給相關模型設計控製器,然後去驗證控製器的安全性。

基於獲獎論文的成果,此前範楚楚讀博時的導師已經成立位於 UIUC
的初創公司。在獲獎論文中,她開發的幾個軟件工具,也幫助該公司的工程師們去分析設計出來的係統以及算法的靈敏度。

據她介紹,當時美國也有不少機構去讚助這家公司,因此這並不是一個單純盈利的公司,而是探索新成果如何在現實生活中得到應用,以及去發現業界麵臨的相關問題,因此該公司的產品主要是安全分析工具以及檢測工具。

哺乳期帶娃麵試,驚喜遠大於困難

2018 年末範楚楚開始給各個學校投簡曆,2019 年上半年開始參加各種麵試、並於 2020 年秋季入職 MIT
航空航天係。她認為這跟當時找在北美找教職的市場非常好有關,同年還有另一位 UIUC 的女生也拿到了 MIT 的教職。

收到 MIT 入職 offer
之前,她一共麵試了十幾家學校,由於小孩當時才四五個月,其中四場麵試都是帶娃麵試。開始她覺得作為哺乳期媽媽,去找工作會很困難,但是導師和朋友都勸她大膽去嚐試,最終她發現驚喜遠遠大於遇到的困難。

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圖 | 範楚楚(來源:受訪者)

麵試過程一般是 1-2
天,所應聘的學校一般會要求求職者,做一兩個演講來介紹自己的成果,剩下的時間主要是和不同老師進行一對一的麵試。

當時小孩年紀太小,她不想長時間離開孩子,但當時要進行連續三個月的集中麵試,一旦飛走麵試基本就是三天,她也不想把孩子放家裏。於是有幾場麵試,是先生和孩子陪著她麵試的。

範楚楚的愛人是自己的在西北工業大學附屬中學讀高中時的同學,高中畢業後都考上了清華。到申請博士時,兩人關係已經比較穩定,於是同時申請到了伊利諾伊大學,後來在讀博期間結婚。兩人後來的研究領域都屬於計算機,但她先生更偏向機器學習和自然語言處理,而她自己則是研究安全性分析和形式化方法。

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圖 | 左一、左二分別是範楚楚的先生和女兒(來源:受訪者)

她說自己先生是自然語音處理領域的非常讓人佩服的學者,為家庭做了很多犧牲。找工作時,他們同時收到了杜克大學的
offer,但是因為自己更想要 MIT 的工作機會,於是先生就放棄了杜克大學的 offer,選擇距離 MIT
比較近的亞馬遜公司上班。

範楚楚從小生活在陝西漢中市,父母都出身自農村,靠自己努力成為漢中當地高校的老師。中考時,範楚楚被省會西安的西工大附中錄取,父母為了陪她讀書來到西安,並重新入職到一間大專。但她的經曆並非一帆風順,高考參加過兩次,她表示後來在投遞論文和申請教職的過程中,也都曾被拒絕過。

但是回頭來看,這些挫折也磨煉除了更強大的自己。今年是她入職 MIT 的第二年,這位 30
歲科學家的科研之路,也才剛剛開始,未來可期。

華客新聞 | 時事與歷史:清華90後 MIT助理教授範楚楚獲ACM最佳博士論文獎

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