曹笑軒

侯云鶴在美國參加2022運(yùn)籌學(xué)與管理科學(xué)學(xué)會（INFORMS）年會

正看著電視，突然斷電了，屋里一片漆黑，只得點(diǎn)上蠟燭照明……這樣的場景，存在于許多70后、80后的記憶中。現(xiàn)在，我國電網(wǎng)發(fā)展成熟，人們已經(jīng)習(xí)慣了電力無處不在：做飯要用電，天氣熱了開空調(diào)要用電，手機(jī)要充電，甚至汽車也要充電……

電力系統(tǒng)如此重要，會不會像以前一樣突然斷電？也不是沒有這個(gè)可能。2003年美國和加拿大就曾出現(xiàn)過大范圍的停電事故，導(dǎo)致重大損失。未來，隨著人們?nèi)粘Ｉ钤絹碓诫姎饣?，電力系統(tǒng)將變得越來越重要。而隨著我國雙碳目標(biāo)的提出，可以預(yù)見，未來電力系統(tǒng)必然會接入更多的可再生能源。電力系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，不再是以前多架幾根電線這么簡單了。

如果電力系統(tǒng)出了故障，該怎么辦？這個(gè)看似簡單的問題，背后卻有很深的學(xué)問。對此，《科學(xué)中國人》采訪了香港大學(xué)電機(jī)電子工程系終身教授、電氣工程和能源工程專業(yè)主任侯云鶴。他長期從事電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析和電力系統(tǒng)彈性評估及策略構(gòu)建方面的研究工作。由他主持研發(fā)的電力系統(tǒng)故障恢復(fù)在線決策支持系統(tǒng)在美國電科院成員電力公司中投入商業(yè)化運(yùn)行，是唯一在北美電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的香港開發(fā)的軟件。

從工程師到教授，從美國到香港……侯云鶴的學(xué)術(shù)道路一步一個(gè)腳印，不斷向前延伸。他用自己的才華、勤奮和豐碩成果，鋪就了一條多彩的學(xué)術(shù)軌跡。

博采眾長 學(xué)會多角度看問題

侯云鶴辦公室的書架上，放著三張照片，分別是他與3位導(dǎo)師的合影。

第一張是他與博士生導(dǎo)師——中國科學(xué)院院士、華中科技大學(xué)教授程時(shí)杰的照片。

侯云鶴與程時(shí)杰院士頗有些淵源。侯云鶴在讀本科的時(shí)候就喜歡自己搗鼓點(diǎn)兒小發(fā)明，因此也寫過一篇論文。等到畢業(yè)實(shí)習(xí)的時(shí)候，正好是程時(shí)杰帶他們。程時(shí)杰是學(xué)校里德高望重的人物。侯云鶴把自己的論文拿給他看時(shí)，其實(shí)并沒有抱太大的希望。他覺得程時(shí)杰平時(shí)非常忙，一篇本科三年級學(xué)生的論文或許并不會被重視。

“實(shí)習(xí)的時(shí)候，我們師生都住在一個(gè)筒子樓里面。有一天下班，大概晚上12點(diǎn)多了，我路過程老師房間。房間還亮著燈。我就在門口望了一下，恰好看到他桌子上放著我那篇文章，當(dāng)時(shí)就覺得很不可思議?！焙钤弃Q回憶，果然過了幾天，程老師就把他叫過去，明明白白、仔仔細(xì)細(xì)地指出了他的文章哪里好、哪里不好。程時(shí)杰對待學(xué)生的認(rèn)真態(tài)度和深厚的學(xué)問深深打動了侯云鶴，讓他篤定了要跟隨這位導(dǎo)師學(xué)習(xí)，榜樣的力量從此鞭策他不斷前行。

第二張是他與吳復(fù)立教授的合影。

侯云鶴讀博士二年級的時(shí)候，一次偶然的機(jī)會，他接觸到了電氣工程領(lǐng)域的著名學(xué)者吳復(fù)立。當(dāng)時(shí)還是香港大學(xué)副校長的吳復(fù)立到華中科技大學(xué)作報(bào)告。正是在這次報(bào)告會上，侯云鶴了解到，香港大學(xué)和清華大學(xué)在深圳成立了一個(gè)研究所，可以聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生。他果斷選擇去深圳，成為吳復(fù)立的學(xué)生。正是在吳教授的引導(dǎo)之下，侯云鶴走上了研究的道路。

侯云鶴至今還清晰記得第一次見吳復(fù)立時(shí)的情景：他把自己在國內(nèi)發(fā)表的幾篇論文拿給老師看。吳復(fù)立提出的意見是：文章要立足價(jià)值寫清楚，這樣大家才能知道你在做什么，能產(chǎn)生怎樣的價(jià)值?！拔耶?dāng)時(shí)就有種醍醐灌頂?shù)母杏X，他跟我理解的層次真不一樣。我一開始寫文章的主要目的就是把它發(fā)表出來。而老師所想的是寫出來的文章將來有什么用。”侯云鶴說。

吳復(fù)立給侯云鶴另外一個(gè)重要的啟發(fā)就是：思考問題要從最基礎(chǔ)的理論出發(fā)。這一點(diǎn)侯云鶴讀了多年博士之后才深有感悟：“他永遠(yuǎn)以基礎(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)理論要從最基礎(chǔ)的角度出發(fā)，模型要做到由繁入簡、干干凈凈。這和他的為人很像，做事很正直。”

2005年，侯云鶴從華中科技大學(xué)博士畢業(yè)，之后繼續(xù)跟著吳復(fù)立在深圳從事博士后研究。那時(shí)的吳復(fù)立在香港、深圳兩頭跑，但每周不管刮風(fēng)下雨，他都要堅(jiān)持到深圳聽學(xué)生的報(bào)告，和每一個(gè)學(xué)生單獨(dú)談半小時(shí)到一個(gè)小時(shí)。

博士后工作期間，侯云鶴主要有兩個(gè)研究方向，一個(gè)是如何規(guī)劃電力系統(tǒng)，一個(gè)是研究電力市場化，即電力市場怎么樣引入金融工具。時(shí)過境遷回頭看，電力市場化如今充分展現(xiàn)了其應(yīng)用價(jià)值，對此侯云鶴頗有些感慨。

做了幾年博士后研究工作后，侯云鶴打算到企業(yè)找工作。之所以有這樣的選擇是因?yàn)樗髮W(xué)本科畢業(yè)后，曾在武漢供電局上過兩年班，一開始做工程師，后來在局辦做秘書。不論是與工程師還是與領(lǐng)導(dǎo)打交道，他都感覺很愉快。抱定主意后他投了簡歷，很快就收到了幾份不錯(cuò)的工作邀請。當(dāng)他興沖沖地跑去找吳復(fù)立，陳述自己的計(jì)劃時(shí)，導(dǎo)師的叮嚀給了他新的思路：“吳老師很鄭重地跟我談，說我做學(xué)問蠻好的，再加上我有在企業(yè)工作過的背景，清楚一線的需求，何不將這兩個(gè)優(yōu)勢結(jié)合起來做更加深入的科研?！鄙钍軉l(fā)的侯云鶴從此開啟了不一樣的科研人生。

吳復(fù)立退休后去了美國，侯云鶴有機(jī)會就去拜訪他，給他講講研究的進(jìn)展等，就像當(dāng)初學(xué)生時(shí)代作報(bào)告一樣。正是在美國，侯云鶴與吳復(fù)立拍了張合影，一直保存在書架上。

第三張是侯云鶴與在美國留學(xué)的導(dǎo)師——?jiǎng)㈡?zhèn)欽的合影。

2008年，在吳復(fù)立的推薦下，侯云鶴來到美國愛荷華州立大學(xué)，跟著劉鎮(zhèn)欽教授做研究，最初接觸的項(xiàng)目就是到美國電科院進(jìn)行合作研究。劉鎮(zhèn)欽與美國工業(yè)界有很多合作。他告訴侯云鶴，有很多工業(yè)界的人，他們不怎么懂理論，也不能清晰地表達(dá)他們實(shí)際的需求。

“劉老師當(dāng)時(shí)告訴我，我最重要的工作應(yīng)該是從工業(yè)界找到一般性的需求，然后把它科學(xué)化，解決了之后再用回到工業(yè)界?！眲㈡?zhèn)欽認(rèn)為，有影響力的工作，關(guān)鍵是要從工業(yè)一般需求里面找到科學(xué)問題，這才是獨(dú)特的貢獻(xiàn)，而這靠的是對學(xué)科的深刻認(rèn)識。導(dǎo)師的這些觀點(diǎn)，讓侯云鶴受益無窮。

2009年起，劉鎮(zhèn)欽前往愛爾蘭都柏林國立大學(xué)任教，侯云鶴追隨導(dǎo)師多年，跟他學(xué)到了不少讓自己獲益終身的學(xué)習(xí)思維方式和研究方法。正是這些思維和方法照亮了侯云鶴之后的人生航程。多年后，劉鎮(zhèn)欽有一次到香港來，侯云鶴跟他一起照了相，將相片一直保存在書架上。

師恩如燈，照亮前行。時(shí)至今日，細(xì)數(shù)起數(shù)位科研前輩對自己的影響，侯云鶴仍充滿了感激：“幾位老師對我最大的影響就是讓我明白，看問題應(yīng)該從不同的角度去看。比如電氣工程中的問題，可以從最基礎(chǔ)的理論去理解，也可以從最實(shí)用的角度去解決?？茖W(xué)的發(fā)展，就需要這種多樣性。”侯云鶴說，他把老師們的照片放在辦公室，就是要督促自己，鞭策自己不斷吸納各方精髓，博采眾長，從而走出一條傳承與發(fā)展相得益彰的科研路。

精巧構(gòu)思實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的“自愈”夢想

電力工業(yè)從最初誕生起，實(shí)際上就是一門生意：人們要用電器，電廠就架一根電線過去。隨著用電的場景越來越多，電線也越來越多、越來越復(fù)雜，最終形成了一個(gè)龐大的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)用的是交流電，在不同的節(jié)點(diǎn)需要同步赫茲，否則會不穩(wěn)定。因此電力系統(tǒng)需要一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制中心。

從20世紀(jì)80年代開始，各個(gè)國家的電力系統(tǒng)開始市場化。市場化的結(jié)果之一是節(jié)點(diǎn)分散，控制模式也不一樣。另一個(gè)結(jié)果是，電力基礎(chǔ)設(shè)施投資不夠，導(dǎo)致容量不夠。2003年美國和加拿大發(fā)生的大范圍停電事故就是這個(gè)原因?qū)е碌摹?/p>

停電不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，另一方面也讓人們認(rèn)識到了電網(wǎng)的脆弱。因此，極端狀況下電力系統(tǒng)的運(yùn)行逐漸成了研究的重點(diǎn)。

侯云鶴在美國做研究員的時(shí)候，正參與美國電科院（EPRI）委托的通用電力系統(tǒng)極端條件下恢復(fù)理論和工具的開發(fā)工作。他主要負(fù)責(zé)“電力系統(tǒng)故障恢復(fù)決策支持系統(tǒng)構(gòu)建理論研究”“電力系統(tǒng)故障恢復(fù)決策支持系統(tǒng)開發(fā)”“基于開關(guān)模型的系統(tǒng)恢復(fù)策略”及“電力系統(tǒng)決策支持工具核心技術(shù)研究和開發(fā)”項(xiàng)目，同時(shí)也是“下一代電力控制中心功能設(shè)計(jì)”項(xiàng)目的第二負(fù)責(zé)人。現(xiàn)在，他的研究成果已取得國際性的影響，并得到廣泛的應(yīng)用。

其實(shí)早在20世紀(jì)50年代，人們就已經(jīng)意識到電力系統(tǒng)的恢復(fù)是一個(gè)很重要的事情，但是一直沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。“一個(gè)系統(tǒng)要全部恢復(fù)，那它運(yùn)行時(shí)的全部約束條件都要考慮進(jìn)去。而且還有優(yōu)化的問題，要先恢復(fù)誰、后恢復(fù)誰？”復(fù)雜的約束條件，讓很多人都不知道該從何入手。

“以前的電力系統(tǒng)恢復(fù)，一般都是極力找出一條最短的路，但是因?yàn)檫x擇太多、變化太快，根本找不到。比如，電力系統(tǒng)有故障的時(shí)候，有些設(shè)備壞了，等恢復(fù)到一半兒的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)這個(gè)情況。這就像好好的路走著走著，突然橋斷了，走不下去了?！焙钤弃Q回憶說，自己的導(dǎo)師劉鎮(zhèn)欽對此有清醒的認(rèn)識，他認(rèn)為電力系統(tǒng)既然是個(gè)很復(fù)雜的問題，就不要指望在理論上算出最優(yōu)來，而應(yīng)該把它拆解開，變成工程上一個(gè)個(gè)可解的小問題，最后再把它組合回去。

侯云鶴采取的正是這個(gè)辦法。在此基礎(chǔ)上，他提出了“系統(tǒng)恢復(fù)通用里程碑”的概念，即將拆分開的節(jié)點(diǎn)視作一個(gè)里程碑，同時(shí)設(shè)計(jì)了很多工具包，根據(jù)不同的條件，可以選擇相應(yīng)的工具包去解決問題。只要最后能打通各個(gè)里程碑達(dá)到目的就行?！斑@就好比要從香港到北京，中間的廣州、武漢、鄭州都算是節(jié)點(diǎn)，至于怎么從香港到廣州，得自己想辦法?！焙钤弃Q設(shè)計(jì)的工具包，實(shí)際上是一系列精巧的優(yōu)化模型與算法，在世界上首次給出了電力系統(tǒng)在故障和災(zāi)變情況下進(jìn)行復(fù)雜的恢復(fù)過程的完整解決方案。

基于這一創(chuàng)新思想，侯云鶴回到香港后和同事開發(fā)了世界上第一套電力系統(tǒng)故障恢復(fù)的在線決策支持系統(tǒng)“System Restoration Navigator, SRN”，并且通過EPRI的測試。

“這還是得益于在電力公司工作的經(jīng)驗(yàn)。”侯云鶴說，他對一些工程上的問題非常清楚，與美國的工程師也能聊得來。因此2009年到香港任教后，美國電科院還繼續(xù)與他合作開發(fā)軟件原型。于是就有了世界上第一套電力系統(tǒng)故障恢復(fù)的在線決策支持系統(tǒng)，而且正式5.0版在EPRI成員的電力公司投入應(yīng)用，獲得了美國電科院技術(shù)轉(zhuǎn)移獎(jiǎng)。IEEE智能電網(wǎng)電子月刊（IEEE Smart Grid Newsletter）曾頭版報(bào)道了這個(gè)研究成果，稱其為“將自愈電網(wǎng)的夢想逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)”。

緊跟前沿 探索一般性理論

在電氣工程領(lǐng)域，目前有兩個(gè)前沿課題，侯云鶴的研究都有所涉及。

侯云鶴（左一）和小組研究生合影

一個(gè)是再生能源的接入?，F(xiàn)在，全世界都在提碳中和，其發(fā)展趨勢就是要慢慢達(dá)到碳的零排放。這不可避免需要用可再生能源發(fā)電，那這些電力該怎么接入電網(wǎng)？目前，世界上大部分的工業(yè)、農(nóng)業(yè)還依靠汽油、柴油，如果它們?nèi)茧姎饣耍瑫趺礃?？“可以預(yù)見，到時(shí)整個(gè)電力系統(tǒng)的負(fù)荷特性都會改變。”侯云鶴說，那時(shí)電力系統(tǒng)應(yīng)該怎么運(yùn)行，還需要進(jìn)行很多探索。

其實(shí)，在這方面，侯云鶴一直在探索。他主持了一項(xiàng)國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目，即與中國電科院合作，到2030年設(shè)計(jì)出我國可再生能源增長的軌跡?！斑@個(gè)軌跡就是可再生能源慢慢增長，同時(shí)老電廠慢慢退役的過程。它的設(shè)計(jì)需要科學(xué)的方法，需要理論的支撐?！焙钤弃Q說，然而到目前為止，關(guān)于可再生能源接入研究，都是基于優(yōu)化理論做出一點(diǎn)結(jié)果，缺乏一般性的方法。

侯云鶴認(rèn)為要找到一般性的方法，需要引進(jìn)一些新的觀點(diǎn)，包括信息論的觀點(diǎn)。目前有幾個(gè)學(xué)生在跟著他一起做這方面的嘗試。他們的目標(biāo)是在近幾年做出一般性的理論。

另一個(gè)前沿課題是電力系統(tǒng)的彈性研究。近些年，人們越來越認(rèn)識到，由于氣候變化和可再生能源的接入，大量的發(fā)電設(shè)備和電力系統(tǒng)高度依賴氣候。然而，由于全球氣候變化，以前很少出現(xiàn)的極端事件，現(xiàn)在變得越來越頻繁，對此該怎么應(yīng)對？“比如，香港經(jīng)常有臺風(fēng)。如果電廠都是靠太陽能和風(fēng)電的話，臺風(fēng)一起，就會出現(xiàn)故障。這種情況已經(jīng)不能算是傳統(tǒng)意義上的故障了?！焙钤弃Q說。

除了自然的極端事件，還有一些人為的極端事件?，F(xiàn)在的電力系統(tǒng)都有中央控制，中央控制數(shù)據(jù)都是在網(wǎng)絡(luò)上傳送的，這就涉及信息安全的問題。如果有黑客攻擊，怎么保證信息安全？

“這就需要提高電力系統(tǒng)的彈性?！焙钤弃Q說，近些年，由于這種新情況的出現(xiàn)，電力系統(tǒng)恢復(fù)的概念已經(jīng)被進(jìn)一步延伸，被一個(gè)更廣義的名詞所替代——彈性。

從做極端情況下電力系統(tǒng)的恢復(fù)開始，侯云鶴研究電力系統(tǒng)的彈性已經(jīng)有十幾年了，現(xiàn)在仍然在研究?！拔蚁Ｍ軌虻贸鲆粋€(gè)一般性的理論。能夠把之前的研究都結(jié)合起來，做出一點(diǎn)點(diǎn)成果?！焙钤弃Q說。

現(xiàn)在電力系統(tǒng)涉及的學(xué)科越來越多了?！氨热纾稍偕茉吹慕尤朐O(shè)計(jì)，其中就涉及物理學(xué)科、電力學(xué)科、機(jī)械的一些學(xué)科，還有數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科?！焙钤弃Q認(rèn)為，電力系統(tǒng)作為一個(gè)能源系統(tǒng)，未來會越來越復(fù)雜。

一起探索 期待青出于藍(lán)

侯云鶴現(xiàn)在是香港大學(xué)電氣工程專業(yè)和能源工程專業(yè)的主任，負(fù)責(zé)教學(xué)計(jì)劃的安排，具體來說就是：要開哪些課，課程設(shè)置怎么樣，給老師安排哪些課?！坝行┱n很重要，但是找不到人來教，就要去找老師來教。”侯云鶴說，專業(yè)主任主要就是負(fù)責(zé)這些事情。隨著新能源在電力系統(tǒng)中所占比例的提升和新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，侯云鶴相應(yīng)地進(jìn)行了大量的教學(xué)改革，包括新教學(xué)內(nèi)容的引入和教學(xué)方法的革新。

除了教學(xué)管理，侯云鶴也會親自帶學(xué)生。迄今為止，他培養(yǎng)了10名博士、15名博士后，所有畢業(yè)生均在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界繼續(xù)學(xué)術(shù)研究工作。他帶學(xué)生，有一個(gè)原則：快樂?！皩W(xué)生學(xué)完一門課能從中體會到思維的快樂；或者是做完一項(xiàng)研究，整個(gè)研究過程是快樂的。”在侯云鶴心中，能夠把事業(yè)和愛好結(jié)合到一起，那才是最成功的教育。

帶學(xué)生做研究的時(shí)候，侯云鶴覺得自己更像個(gè)教練員，而學(xué)生就像是運(yùn)動員。學(xué)生最后一定會做得比自己好。“傳授知識只是其中很小的一部分，培養(yǎng)對學(xué)術(shù)的欣賞能力和對高品位學(xué)術(shù)的追求才更加重要。我?guī)Р┦?，更多的不是技能性的培?xùn)，而是盡力提供一些方法，它不一定管用，但我想讓他們知道，我是跟他們在一起探索?！笔谌艘贼~不如授人以漁，科研路上相伴相行，這正是當(dāng)年劉鎮(zhèn)欽教授帶給侯云鶴的感受，如今，他也希望給學(xué)生帶去同樣的感受。

時(shí)至今日，侯云鶴回想起那段經(jīng)歷仍深有體會：2010年，一個(gè)偶然的機(jī)會，他到美國麻省理工學(xué)院信息與決策實(shí)驗(yàn)室作訪問科學(xué)家。在那里，侯云鶴碰到了一群杰出的科研同伴，“他們思考的是人類最基礎(chǔ)的事情，也是對人類未來有影響的一些事情”。那段時(shí)光雖然短暫，但讓侯云鶴對自己和團(tuán)隊(duì)的科研方向有了深刻的啟發(fā)：有些人是仰望星空的，有些人是腳踏實(shí)地干事的。人類要進(jìn)步，這些人都不能少。如今，自己的團(tuán)隊(duì)建設(shè)日益走上規(guī)模，他也給自己定下了這樣的愿望：做腳踏實(shí)地卻又仰望星空的人，做人如此，做研究也是如此。