19年学术长跑换来的源头创新——记国家自然科学二等奖获得者、同济大学教授李杰

抵御自然灾害，捍卫城市安全，总需要一些人未雨绸缪。

面对地震、强台风等灾害，一栋建筑物是屹立不倒，还是不幸成了“楼倒倒”——就结果而言，这到底是确定的还是充满着随机性？如果是后者，那么这种随机性和我们所熟悉的确定的现实世界之间又有怎样的关系？

过去19年，这一问题一直伴随着同济大学土木工程学院教授李杰。他曾和国外同行戏言：“自从开始思考、研究这个问题，我的生活快被毁掉了。”

经过日复一日的坚持，李杰终于收获了“云开日出”的喜悦。由李杰主持完成的《工程结构抗灾可靠性设计的概率密度演化理论》，通过建立广义概率密度演化方程，有效揭示了工程系统中的随机性传播规律。这一项目在2016年度国家科技奖励大会上荣获国家自然科学二等奖。

用一个方程，给结构抗灾可靠性奠基

在工程实际中发现问题，并把它提炼成科学理论问题加以研究解决，再将创新成果应用于实践，推动工程技术发展——这是工程科学研究的最理想状态。

从事科研工作30多年，李杰一直专注于工程结构抗震研究领域。

一说到建筑物抗震，广为流传的一句话就是“小震不坏、大震不倒”。表现在建筑物抗震的设计标准上，除了基于长期工程实践而形成的成熟经验，在科学上能否找到更为坚实的规律、对结构的抗灾可靠性作出保证？

过去很长一段时间，学界的主流观点认为，一栋建筑物在遭遇地震时是否倒塌，和它所遭遇的地震动(即震源释放出来的地震波引起的地面运动)有关。同样一栋房屋，在A地区遭遇地震时丝毫无损，而到B地区发生同级地震时或许就倒塌了。人们认为，这种现象本质上取决于不同地区的地震动。“可是，结构性质的随机性是不是也会对结构倒塌造成重要影响？”从上世纪90年代初，李杰就开始思考这样的问题。

“我是在做结构抗震鉴定时发现的问题。”李杰告诉记者。一次工地采样后进行的实验分析结果让他十分惊讶：材料弹性模量的随机性，会使结构地震响应有大幅度的涨落。这一“差之毫厘、失之千里”的现象倒逼着李杰思考：对工程结构进行抗震设计，是否必须要充分考虑系统的随机性要素。

“建筑物从‘坏’到‘倒’，当中有很长一段路要走，作为结构工程师来说，要确保设计的安全性，必须对这个过程有准确、完整的了解。”李杰希望找到一种精确的方式，反映随机系统中概率结构的变化规律。经过长期探索，他发现了“在随机系统中，概率结构的变化，在本质上取决于系统物理状态的变化”这一科学事实。由他和合作伙伴共同建立的广义概率密度演化方程，成功揭示了确定性系统与随机系统之间的内在联系，在工程结构抗灾可靠性领域实现了原创性突破。

学术缘分，来自“长期积累，偶然得之”

“长期专注于结构工程研究，收获的却是国家自然科学奖，实属不易。”在学术圈内，同行们对于李杰这一获奖成果的含金量看得更为真切。

其实李杰的这份好运背后，也有“寂寞长跑”的过程。在今年获奖之前，李杰上一次摘取国家科技进步奖奖项是在19年前，而且从今天看来，这两个奖项之间还有一段颇具戏剧性的因缘故事。

“我之所以会去研究工程系统中的随机性、非线性问题，源头还是之前那一次获奖后留下的。”李杰回忆，上一次获得国家级奖项时，他刚好40岁，正准备继续对结构抗震领域的一些具体技术性问题展开攻关。在做后续研究时，一些来自工地的实验分析数据让他意识到，或许自己该“慢跑”了。李杰有一种直觉：这个问题的解决，或许需要费些时间。

平时和同行以及学生们聊天，李杰时而会提及一句话，“做学术，讲求一个缘分”。而李杰的经历证明，缘分不是来自所谓的运气，而是“长期积累，偶然得之”的结果。在他看来，这是科学研究最吸引人的地方。

“我们最早提出广义概率密度演化方程是在2002年，但直到2008年，我才真正清晰地认识到这一方程的普遍科学价值。”李杰告诉记者：“有一天晚上，我突然想通了，那样一种‘发现’的喜悦，是难以用语言表述的。”从这一天，再到后来“广义概率密度演化方程”接受实验验证并应用到工程实践，确实如李杰所料，又花了近6年的时间。

李杰的这一科学理论研究成果，已先后应用到我国容积最大的1.2万立方米特大型混凝土消化池抗震设计、总高632米的上海中心大厦抗震可靠性分析，以及位于10度高烈度地震区的牙买加西摩兰大桥抗震的可靠度设计等国内外重点工程中。确保重大工程的安全性，概率密度演化理论发挥了重要的科学支持作用。

这项中国学者的原创研究成果，引起了国际学术界的高度关注。广义概率密度演化方程被国外一些学者直接命名为“李—陈方程”，2014年，因在工程结构与系统可靠性理论方面的原创性学术成果，李杰荣膺美国土木工程师协会颁发的弗洛伊登瑟尔(Freudenthal)奖章，成为该奖设立40年来唯一获奖的亚洲学者。

值得一提的是，李杰的研究成果不仅适用于土木工程领域，国内外一些研究机构还把广义概率密度演化理论应用到了机械工程、航空航天工程、海洋工程和船舶工程等多个其他领域。

在李杰看来，过去30年，一大批堪称“中国奇迹”的超级工程顺利竣工，中国在工程技术层面已经居于世界领先位置。但是，从工程实践的技术操作层面凝练出仍困扰业界的共性问题，并通过科学研究加以解决——这对中国学者来说正处于从“并跑”到“领跑”的关键转折。“越是在这个时候，越是要耐得住寂寞，千万不能急于求成。”李杰坚信，任何一个科学领域的根本创新和突破，来源于一群人的长期坚守，是厚积薄发的结果。用他自己的话来说，“学术缘分来临之前，需要不懈地积累、耐心地等待”。