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地球人從太陽系啟程,該怎樣向銀河系大移民?這是在今年有“航天奧林匹克”之稱的國(guó)際空間軌道設(shè)計(jì)大賽(GTOC)上,美國(guó)宇航局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)向世界航天界提出的“燒腦”命題。

從5月下旬至6月中旬,全世界航天大國(guó)衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),投入了對(duì)大賽桂冠的競(jìng)逐。在28天里,各隊(duì)可不斷提交“銀河大移民”新方案,裁判系統(tǒng)電腦自動(dòng)計(jì)算成績(jī)并實(shí)時(shí)更新排名……競(jìng)賽考驗(yàn)智慧、勇氣和毅力,比拼航天大國(guó)探索太空的實(shí)力和潛力。

6月13日凌晨4點(diǎn),本屆賽事最終成績(jī)揭曉:由14名平均年齡不到29歲的國(guó)防科技大學(xué)與西安衛(wèi)星測(cè)控中心聯(lián)隊(duì)(以下簡(jiǎn)稱“聯(lián)隊(duì)”),以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)榮獲冠軍,一舉打破歐美對(duì)賽事冠軍的長(zhǎng)期壟斷。按慣例,中國(guó)將從本屆“趕考學(xué)生”,變成下屆“命題先生”。

“我名字中有個(gè)‘亞’字,賽前讓人不看好我們奪‘冠’。”“聯(lián)隊(duì)”帶頭人、國(guó)防科大空天科學(xué)學(xué)院教授羅亞中笑著說,“從往屆只能旁觀‘望洋興嘆’,到上屆‘一步之遙’屈居亞軍,再到本屆讓歐美同行‘望塵莫及’,中國(guó)太空軌道設(shè)計(jì)競(jìng)技能力實(shí)現(xiàn)了‘三級(jí)跳’。”

“星際移民”挑戰(zhàn)銀河系2100000種分布

瀏陽河畔的國(guó)防科技大學(xué),校園寧靜、整潔?？仗炜茖W(xué)學(xué)院很多看似平凡的電腦機(jī)房和實(shí)驗(yàn)室里,研究的都是航天發(fā)射軌道、空間站交會(huì)對(duì)接等尖端科技課題,走進(jìn)每間屋子都令人驚嘆不已。

“空天樓”A306機(jī)房,是“聯(lián)隊(duì)”參加GTOC大賽的“大本營(yíng)”。這里除了成排的電腦,最引人注目的是一塊白板。比賽期間,“聯(lián)隊(duì)”每次得分有突破,都有隊(duì)員畫個(gè)“笑臉”形時(shí)鐘記錄。伴隨一連串突破,排成U型的時(shí)鐘像條“貪食蛇”繞了一圈,最后“吃”到白板中心的冠軍獎(jiǎng)杯……

在A306機(jī)房,羅亞中接受了本報(bào)記者專訪。

“‘銀河大移民’賽題,就是一個(gè)超級(jí)‘航天計(jì)劃’!”羅亞中說,按照這個(gè)計(jì)劃,人類向銀河系大移民,可選擇目的地多達(dá)10萬個(gè)恒星系,空間橫跨21萬光年,時(shí)間橫跨9000萬年,復(fù)雜程度為GTOC大賽歷屆之最!

“有361個(gè)點(diǎn)的圍棋棋盤,每個(gè)點(diǎn)有‘黑’、‘白’和‘無子’3種狀態(tài),圍棋的搜索空間為3361,比宇宙的原子量大得多;而‘銀河大移民’10萬個(gè)移民目標(biāo),每個(gè)目標(biāo)有‘移民’和‘不移民’兩種狀態(tài),搜索空間為2100000,空間分布復(fù)雜度為圍棋的1029928倍!”

找到最合適的路徑,以盡量少的能耗、盡量高的效率、盡量均勻的分布實(shí)現(xiàn)星際移民……這是所有參賽團(tuán)隊(duì)“銀河攻略”追求的目標(biāo)。

GTOC大賽由歐洲航天局(ESA)于2005年發(fā)起,每1至2年舉行一次。今年,令人“腦洞大開”的命題引來73支專業(yè)隊(duì)伍角逐,規(guī)模為歷屆之最。其中,來自ESA、NASA多個(gè)研究中心及中、美、歐、俄很多大學(xué)和專業(yè)航天機(jī)構(gòu)的參賽隊(duì)伍,實(shí)力強(qiáng)勁。

這不是中國(guó)“航天人”首次參加GTOC大賽。在上屆比賽中,國(guó)防科大參賽隊(duì)曾大幅領(lǐng)先JPL參賽隊(duì),但最終被JPL反超,屈居亞軍。雖然這是亞洲代表隊(duì)在歷屆比賽中最好成績(jī),但羅亞中他們并不滿意:“我們一定要爭(zhēng)世界第一!”

今年剛滿40歲的羅亞中,已經(jīng)有近20年航天軌道設(shè)計(jì)研究履歷,參加過“神舟”飛船交會(huì)對(duì)接等很多航天任務(wù)。“聯(lián)隊(duì)”很多隊(duì)員雖為“80尾”“90后”,但從事航天事業(yè)同樣經(jīng)驗(yàn)豐富。

看起來十分“高大上”的衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)事業(yè),其“燒腦”之艱難與痛苦,外人難以想象。

羅亞中說,他曾經(jīng)為了一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo),在長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月的時(shí)間,夜以繼日不斷轉(zhuǎn)換思路,泡在電腦機(jī)房反復(fù)運(yùn)算驗(yàn)證。隨著任務(wù)期限臨近,那些難以突破的問題“瓶頸”,常會(huì)令人萌生以頭撞墻“撞出”答案的焦慮和沖動(dòng)……

挑戰(zhàn)、失敗、再挑戰(zhàn),懷抱遠(yuǎn)大航天夢(mèng)想的“聯(lián)隊(duì)”成員,面對(duì)挑戰(zhàn)深信磨難經(jīng)歷培養(yǎng)毅力、經(jīng)驗(yàn)積累孕育成功。“再大的難題,我們所需要做的就是把平時(shí)所思、所學(xué)、所用來一次新的凝練,然后運(yùn)用到解題上面。”國(guó)防科技大學(xué)博士生朱閱訸說。

憑策略和毅力戰(zhàn)勝“星辰浩渺”

5月16日,比賽正式開始。“聯(lián)隊(duì)”的運(yùn)算工具除了各類電腦,還包括“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)。

羅亞中說,參加GTOC硬件并非萬能。沒有好的算法和求解思路,即使把全世界的超級(jí)計(jì)算機(jī)集合起來滿負(fù)荷跑一個(gè)月,也沒有辦法保證奪標(biāo)。

為了增加比賽難度,本屆大賽命題設(shè)置了諸多約束條件:每次星際轉(zhuǎn)移時(shí)間間隔有特殊要求,飛船不能“越界”跑出銀河系,也不得太靠近銀河中心……只有參賽人腦+電腦的“攻略復(fù)雜”,才能戰(zhàn)勝銀河系浩渺的“空間復(fù)雜”。

“賽程4周,前期越早提交成績(jī)將擁有越高的積分系數(shù),搶時(shí)間就是搶成績(jī)。中期和后期,則需要不斷戰(zhàn)勝對(duì)手和自我,通過技術(shù)升級(jí)和靈活博弈,實(shí)現(xiàn)脫穎而出。”國(guó)防科大博士生舒鵬說,從一開賽,大家就爭(zhēng)分奪秒進(jìn)入了“拼腦+拼命”狀態(tài)。

從5月22日凌晨4點(diǎn)大賽首次允許提交成績(jī)的那一刻起,各隊(duì)提交方案產(chǎn)生的得分就不斷變化,排名高速更新,競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入白熱化!

“空天樓”A306機(jī)房,氣氛緊張得像要爆炸。出方案,提交;再出方案,再提交!96分起步,1000分,1400分,2000分……

“每一次成績(jī)突破,只會(huì)帶來短暫興奮。過后就會(huì)面臨無比煎熬的‘天花板’。一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)上去,另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就會(huì)降下來,按下葫蘆漂起瓢的疲于奔命感考驗(yàn)所有人的腦力、體力和毅力。”羅亞中說。

不斷冥思苦想、自我懷疑、自我查驗(yàn)——

“會(huì)不會(huì)是構(gòu)型問題?”西安衛(wèi)星測(cè)控中心沈紅新說。

“設(shè)計(jì)思路為什么不反著來倒推?”“聯(lián)隊(duì)”女將張?zhí)祢渾枴?/p>

“能不能像化學(xué)置換反應(yīng)一樣,交換已有的點(diǎn)?”國(guó)防科大博士生黃岸毅說。

“無論是誰,哪怕深夜產(chǎn)生一個(gè)靈感,就趕緊把大家叫起來運(yùn)算和驗(yàn)證想法。”黃岸毅說,5月24日凌晨,他們第一次占據(jù)榜首。但當(dāng)晚,ESA參賽團(tuán)隊(duì)就實(shí)現(xiàn)反超。“聯(lián)隊(duì)”旋即重新開始頭腦風(fēng)暴、自我否定、大膽試錯(cuò),再實(shí)現(xiàn)“反反超”……

比賽期間,遇上端午節(jié)。隊(duì)員楊震從家里帶來粽子,大家在機(jī)房拆開真空包裝袋直接往嘴里塞,吃上幾口就算過了個(gè)端午;熬夜構(gòu)思、運(yùn)算、繪圖,大家的標(biāo)準(zhǔn)宵夜,是羅亞中妻子每晚“探班”買來的大西瓜;到比賽尾段,大家感覺精神疲倦接近極限,相約走出校門在小飯館聚了一餐。飯后,國(guó)防科大博士生舒鵬突然從“去應(yīng)力退火”中萌生靈感提出新方案,大家趕緊跑回機(jī)房連夜測(cè)試,當(dāng)晚分?jǐn)?shù)突破2400。隨后沈紅新和黃岸毅又提出新構(gòu)型,2800大關(guān)輕松突破!

此時(shí),“聯(lián)隊(duì)”已經(jīng)穩(wěn)操勝券。但他們繼續(xù)挑戰(zhàn)新高分,大家開始“跑瘋了”!

6月12日晨,距大賽終場(chǎng)時(shí)間不到24小時(shí)。“聯(lián)隊(duì)”成員舒鵬突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)被棄置的方案有可取之處,經(jīng)過一番優(yōu)化,“棄案”創(chuàng)造新的最好成績(jī),3088分!

但“聯(lián)隊(duì)”還不想停下來。最后20分鐘,“我有個(gè)程序可以試一下!”國(guó)防科大碩士生史兼郡說。

史兼郡提出的這個(gè)程序,運(yùn)行了15分鐘,結(jié)果出來了!“快提交!”3101!

一時(shí)間,A306機(jī)房、“空天樓”內(nèi)外,掌聲、歡呼聲、吶喊聲,此起彼伏……

從“趕考學(xué)生”變“出題先生”

6月13日凌晨4點(diǎn)18分,羅亞中發(fā)了一條朋友圈:“我們是世界冠軍,我們創(chuàng)造了歷史!”

舒鵬的朋友圈:消失了一個(gè)月,去銀河系移民去了……

在如潮的點(diǎn)贊聲中,GTOC大賽發(fā)起人Izzo教授發(fā)來賀信,大贊“聯(lián)隊(duì)”出色成績(jī);很多海外參賽團(tuán)隊(duì)驚呼:中國(guó)“航天青年軍”運(yùn)算能力令人驚嘆,在對(duì)手只能“移民”1000多顆恒星系的時(shí)候,“聯(lián)隊(duì)”已具備“移民”4000多顆恒星系的能力!

負(fù)責(zé)這方面數(shù)據(jù)研究的朱閱訸,提前鉆研了基于“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)編程,“超算”運(yùn)用完全獨(dú)立自主且出神入化。

賽后,由于冠軍相比第二名成績(jī)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)創(chuàng)GTOC大賽歷屆之最,許多參賽隊(duì)要求學(xué)習(xí)冠軍團(tuán)隊(duì)方案。

組委會(huì)旋即將“聯(lián)隊(duì)”最后得到3101分的“銀河大移民”方案公布在官網(wǎng)上。很多“航天人”看后感慨,中國(guó)在航天任務(wù)規(guī)劃、軌道動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)研究上,已經(jīng)達(dá)到世界一流水平。“聯(lián)隊(duì)”的奪冠方案,凸顯中國(guó)航天令人信服的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

羅亞中說:“這次比賽獲得的成果,對(duì)于人類航天事業(yè)具有重要意義。如位于火星和木星之間的‘小行星帶’,數(shù)量龐大的小行星蘊(yùn)含了豐富的特殊資源。運(yùn)用此次大賽移民銀河系策略,可用于找到或優(yōu)化開發(fā)利用‘小行星帶’豐富資源的航天方案。另一方面,‘移民銀河’設(shè)計(jì)了復(fù)雜的空間交會(huì)序列,催生的技術(shù)和方案有助于維護(hù)國(guó)家空間資產(chǎn)安全和提高太空威懾能力。”

根據(jù)GTOC大賽規(guī)則,由于“聯(lián)隊(duì)”此次奪冠,下屆賽事將首次由中國(guó)主辦和由“聯(lián)隊(duì)”命題。“這既是榮譽(yù)也是挑戰(zhàn)。GTOC大賽每屆命題是航天戰(zhàn)略思維與規(guī)劃能力的展示,我們將運(yùn)用中國(guó)智慧,融匯中華文化提出世界級(jí)新命題,促進(jìn)中國(guó)和世界航天科研的交融互鑒、共同發(fā)展。”羅亞中說。(記者蘇曉洲 李國(guó)利 謝櫻)