中国工程院院士陈清泉:科技创新要能坐“冷板凳”,敢于进入“无人区”

  • 严凯
  • 2021-02-04 16:10:14
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四网四流:能源网、信息网、交通网、人文网;能源流、信息流、物质流、价值流。

自“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标提出以来,中国能源产业随即面临全新发展形势:如何在新的时代命题下实现突围,助力“30·60”目标顺利实现?

一个被称之为“四网四流融合”的新理念或许提供了解决之道。该理念由中国工程院院士陈清泉于2012年首次提出。“四网”即能源网、信息网、交通网、人文网;“四流”即能源流、信息流、物质流、价值流。


作为该理念的首倡者,陈清泉认为,在第四次工业革命的浪潮下,数字已经成为生产力,而数字生产力需要得到经济基础与上层建筑的共同支撑。“能源网、信息网、交通网是经济基础的三个支柱,而人文网是上层建筑的重要组成部分。”陈清泉说。

在他看来,通过四网四流融合,可以将人的主观能动性和能源革命、信息革命、交通(出行)革命联动起来,发掘第四次工业革命的数据红利所带来的巨大生产力。
但四网四流融合同样面临着现实障碍。陈清泉认为,尽管中国改革开放40多年来在经济发展上创造了奇迹,但由于发展快速,也留下了“后遗症”。
例如,在科学思想上,以前过于急功近利,不愿意坐‘冷板凳’,不愿意在科研上十年磨一剑,总想着弯道超车。”陈清泉说。
如今,中国经济已经由过去高速增长阶段向高质量发展阶段转变。因此,陈清泉建议,在科学思想上,应从过去的模仿阶段转变,摒弃急功近利和浮躁,要能够坐“冷板凳”,敢于进入“无人区”,给原创性提供更好的氛围。
事实上,除了中国工程院院士头衔,这位现年84岁的权威专家还是英国皇家工程院院士、乌克兰工程科学院院士、匈牙利工程院荣誉院士、香港工程科学院院士暨高级顾问。
他还是世界电动汽车协会创始人和现任主席。由于他提出了电动汽车研究核心和总体指导思想,将汽车技术,电机技术,电力驱动技术,电力电子技术和现代控制理论有机地结合起来,为现代电动汽车学奠定了基础,因此他还被视为“电动汽车之父”。
与其它类似理论不一样的是,陈清泉提出的四网四流融合理论最大的区别是加入了人文因素。在他看来,人文代表先进的思想,能够为未来指明方向。他提倡科学、工程、人文的融合。
他之所以如此关注人文的作用或许与其丰富的人生经历有关。翻开陈清泉的简历不难发现,这位至今仍活跃在科研前沿阵地的权威专家的人生充满传奇色彩。从他生涯所处的时期、地区、社会制度和职业经历的维度,形成了他的融合中西文化的愿景和哲学。
1937年,陈清泉出生于荷兰殖民时代的印度尼西亚的马吉朗市。他的童年和少年时代处于日本占领时期和印度尼西亚独立革命时期。
1957年,他毕业于北京矿业学院,之后在清华大学进修研究生1982年,这位青年才俊获得香港大学哲学博士,打下了良好的人文功底。
事实上,陈清泉本人是跨学科融合的典型代表,他将科学与人文进行深度融合。在四网四流融合理念下,他提倡用环形思维来思考能源革命这个浑厚的时代命题。
202124日,陈清泉将做客麒麟学院,在线直播讲述“四网四流融合助推碳中和”。在此之前,他接受了「能见」的独家专访。
以下是专访节录:
「能见」:在当今世界面临百年未有之大变局,我们也正在迈入第四次工业革命时期,在您看来,我们该如何应对百年变局?在第四次工业革命中,中国该如何抓住历史性的机遇?
陈清泉“百年大变局”其中一个特点是中国的崛起。自改革开放以来,中国仅用短短40多年的时间,走过了西方发达国家要用一两百年走过的道路。这是人类社会的奇迹。
但硬币的另一面是,在大踏步追赶的过程中,尤其是在改革开放初期,由于走的很快,粗放式发展导致我们在科技原创性、环保、碳排放等方面难免会出现发展不平衡、不协调问题。
现在,中国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段。中国的崛起也引起了西方国家的一些反应。而中国崛起的时间线恰逢人类社会迈入第四次工业革命时期。
与前三次工业革命相比,数字生产力是第四次工业革命的典型特征。数据生产力、人工智能的出现改变了人与人之间的关系,改变了生产力,这是颠覆性的变化。
第一次工业革命或者说第一次能源革命,人与人的关系是当面交流。到了第二次工业革命,或者第二次能源革命,人与人的交流可以通过电话、电报、传真等。
进入第四次工业革命,或者说第三次能源革命,我们进入万物互联的时代。万物互联的基础是因为5G/6G。如今,在5G开发方面,我们已经走在了前面。
今天,数字即生产力。可以预见的是,第四次工业革命不但会影响我们这一代,还会影响下一代,我相信它的影响力将会超过前三次工业革命。
我们需要颠覆性地战略思考应对第四次工业革命,突破传统的线性思维。四网四流融合是突破性的环形思维取代线性思维。
改革开放以来,我们发挥了社会主义制度的优势,集中力量办大事,在航天、国防等领域,用比较小的代价,短时间内在科技进步上取得了巨大的成就。
但值得注意的是,我们在科学思想原创性方面还有短板。主要原因是,40多年的快速发展过程中,一些人过于急功近利,不愿意坐“冷板凳”,不愿意在科研上十年磨一剑,总想着弯道超车。
现在,中国经济已经从高速增长阶段转向高质量发展阶段,经济发展和环境保护要平衡发展,因此在科学思想上就要求敢于进入“无人区”。
而敢于进入“无人区”的驱动力是发现。这里要强调的是,发现不是发明,发现比发明更重要,发现要有好奇心,要有理性质疑精神和突破性思维的指引。
我们的科学技术进步巨大,但很大程度上取得的成果比较多是在已有知识的扩展,或在模仿的基础的发展,这也是在一定历史阶段的发展历程,德国开始工业化时也学习了英国,日本明治维新也学习西方。但他们后来有自己的创新,甚至后来者居上。这里主要的是精神层面,要让科学精神在中国大地上真正生根,在中国文化当中生根。科学就是真理,科学家要有最求真理的精神,揭发自然界的规律。
发现往往容易在宽松轻松的环境中产生。历史上,很多诺贝尔奖得主的灵感发现往往不发生在办公室,而是在走廊聊天碰撞、在喝咖啡喝茶讨论、在和朋友清闲聊天的过程中。
“四网四流”融合的理念也是2012年我在德国波茨坦市的可持续发展先进研究院任资深研究员时提出来的。研究院两边都是湖,我在湖边散步时思考,一定要找出能源和信息的相互关系。
后来我就根据在湖边散步时的思考,发现了人的行为、能源和信息的互动关系,发表了论文。然后中国能源集团北京低碳清洁能源研究院周友博士看到了我的论文,组建团队,进一步根据我的理论开发智慧能源操作系统,我们还一起培养了优秀的博士后。
「能见」:您提出“四网四流融合”的核心思想是什么?
陈清泉“四网”指的是能源网、信息网、交通网、人文网;“四流”是指能源流、信息流、物质流、价值流。通过四网四流融合,可以将人的主观能动性和能源革命、信息革命、交通(出行)革命联动起来。
其核心思想是,在人的先进思想(上层建筑)指导下,可以采用先进的信息(经济基础)技术,即将信息和云、5G、人工智能技术结合,从数据变信息,再通过数字化变知识、智能。
然后将此智能和能源(经济基础)融合,就可产生智能能源,将废弃的能源变成有用的能源,同时促进碳中和,提高经济效益和生态效益。这也是人—信息—物理系统三位一体的融合创新。
通过建立人--机(信息)--物理系统形成的新的生产关系,发掘第四次工业革命的数据红利所能带来的巨大生产力,并在前三次工业革命生产力总和的基础上爆发出指数级的增长。
通俗而言,核心就是将一个小三角变成大三角形。里面的三角形是人的行为和能源、信息的关系。外面大的三角形是人文世界、信息世界、物理世界的关系。也就是今天说的数字孪生。
数字孪生能够把物理世界映射到信息世界,所以在信息世界里可以清楚看到物理世界。

「能见」:“四网”中,相对于其它“三网”,您人文网放在了非常重要的位置,怎么理解人文网的重要性?
陈清泉:四网四流理论和现有的其他理论最大的区别就在于我特别强调“人文”。人文网是上层建筑,人的行为、思想意识、法规、法制都是上层建筑。人文代表先进的思想意识,可以为我们指明方向。
数字生产力是第四次工业革命区别于前三次工业革命的典型特征,需要得到经济基础与上层建筑的共同支撑。能源网、信息网、交通网是经济基础的三个支柱,人文网则是上层建筑的重要组成部分。
前面提到数字孪生,但在四网四流的体系中,数字孪生还不够,还要融合孪生,把信息和人文结合,数据变信息,信息变成知识。而信息变知识,一定要把信息世界和人文世界相结合,使它产生知识。产生知识还不够,还要演化孪生,知识不断迭代,可解释,可自主,可弹性,知识变成智能, 这需要人文世界的指导。
第一代人工智能是知识驱动,第二代人工智能是数据驱动,第三代人工智能则要建立在知识和数据相结合的基础上。
智能和能源结合,就产生了智慧能源,也就是能够将废弃的能源被利用,同时促进碳中和;智能和交通结合,就变成智慧交通,使我们的出行低碳、无排放、无堵塞、无伤亡、高效、舒适;智能和城市结合,就变成了智慧城市,低碳、舒适、幸福、安全、健康。
「能见」:在碳中和背景下,四网四流在哪些方面可以助力碳达峰、碳中和目标的实现?
陈清泉:碳达峰、碳中和的远期目标体现了我们国家的大国重任担当。这意味着从现在开始我们要爬坡,到2030年爬到顶峰,然后又要开始下坡,到2060年达到碳中和。
这个过程中,怎么进行爬坡设计至关重要。从现在到2030年,每年的斜坡都会有所不同,因此设计好这些斜坡就要求相关的能源生产和消费等环节一起努力。
上坡的坡度(斜率)和下坡的坡度(斜率)与经济发展和民生息息相关,如果处理不好,甚至会影响到能源安全,因此在这个过程中需要运用到综合思维,需要各个方面发挥作用。
我相信四网四流理论能够提供一个特殊的贡献,即在综合思维方面,一起来设计好这个斜坡的坡度,一定要跨行业的思维,才能产生可建设性,保证上坡和下坡都顺畅,并且可以争取提前达标。

四网四流融合中,人- 机(信息)- 物理世界三位一体高度融合的思想和结构体系,也可应用到碳中和的思想和结构体系,如上图所示。以生产革命、消费革命、技术革命、体系革命为载体,在能源维度,体现在源网荷储协同运行;在交通维度,体现在位移属性到自组织体系建设,再到交通+融合交易的社会价值;在信息维度,则从数据到信息的提炼,再到知识库和图谱的建设,逐渐提升到人工智能+的融合体系;在人文维度,从行为到社会组织再到新文化构建,逐渐向X皆服务的社会体系过渡。
碳达峰和碳中和的双重目标任务是艰巨的,毕竟我们用了40年走了人家两百多年的路,这个过程中累积了很多问题,所以上坡和下坡就要我们有自己的闯劲,在继续发展的同时,考虑到碳中和, 才能行稳致远。希望四网四流融合能够提供指导性意见供参考。
上坡和下坡的设计一定要各个方面一起。不过相对而言,上坡会比下坡更困难,因为只有第一个完成了,第二个才能完成。
「能见」:碳中和目标能否实现,能源央企将要承担重任,在能源革命的大势之下,这些大型能源央企应该如何保持与时代同频共振?
陈清泉:四网四流融合产业发展白皮书公布以后,在国内反应最强烈的是电力能源行业和ICT(信息通信)产业,包括国网综合能源服务集团、国家能源集团、国电投集团、华为技术有限公司等,都曾邀请我进行深入交流。
相反,在外国,反应比较强烈的则是那些大型石油公司。这些外国的石油公司从最高层,到管理层都对发展新能源非常重视,它们从规划、到管理都有长远的综合思想和规划。
而我国的几大石油公司尽管也都在发展新能源产业,但相比国外同行们而言,不论是在战略上,还是规划管理上似乎都有一些差距。
在我们的体制下,每一个央企都有自己的业务范围,长期以来就造成了各自为政的现实局面。四网四流可能是一个机会,要求能源央企们打破各自为政,用综合思维来发展能源产业。
刚才我提到四网四流要在人文先进思想的指导下,要做到可解释性,能够做到迭代,这就需要不同产业之间跨界融合,才能解释清楚。
所以,要打破产业壁垒,做到具有共同建设性。在充分发挥我们的制度优势情况下,考虑怎么弥补短板,需要跨界融合的思维得到发挥。
四网四流融合理论基础的核心就是将多元能源系统的熵增(无序的能源、无用的能源)转化为熵减(有序的能源、可用的能源),也就是将废弃的能源变成有用的能源,并叠加储能系统助力智慧能源系统发展。
以此理论为基础,国家能源集团北京低碳清洁研究院经过示范与验证,采用端边云结构,开发了能源操作系统。从原理来说,它利用了数学里面的分支,自相似性理论。
同样的,我们也可以根据开发能源操作系统的原理开发交通智能汽车的操作系统。开发智慧城市的操作系统。操作系统基本上包含驱动层,内核层和应用层。
在碳中和的背景下,能源发展将面临能源双控、减碳、环境治理等多种约束。但同时,能源清洁低碳将带来新的市场,包括天然气发电、风电、光伏的增量空间,储能、氢能的发展潜力,以及能源基础设施的业务机会。
与此同时,电力体制改革也将产生新业务,主要表现在巨大的综合能源服务市场机会、售电市场以及增量配电网市场等。
「能见」:作为全球知名的电动汽车权威专家,如何看待中国新能源汽车产业的发展?该产业未来将在碳中和过程中能发挥哪些作用?
陈清泉202012月,国办颁布了新能源汽车产业发展规划(2021-2035)。按照规划,到2025年,我国新能源汽车占比将达到20%,能耗12kWh/100km;到2035年占比成为主流。在2020年,我国新能源汽车产量130万辆,占世界新能源汽车产量一半以上,2022年可望达180万辆。
毋庸置疑的是,汽车革命已经来临,中国在新能源汽车产业的发展速度必然会超过发达国家。
汽车革命的主要内涵是电动化、智能化、网联化。汽车革命要和能源革命、信息革命联动起来。智能网联汽车不仅是交通工具,而且是物联网的节点;大数据的源泉;宽带移动的智能终端;5G通讯的推动者;智能网联汽车本身又是计算机和移动分布能源。
由于新能源智能汽车是移动的的分布式能源、储能和信息载体,联动汽车革命、能源革命和信息革命,对碳中和会起助推作用。
在核心技术和卡脖子技术方面,我们要自立自强,集体攻关。例如车体的轻量化;电池的材料、结构和安全性;动力总成的一体化;  汽车电子芯片;高精度传感器等。
成功开发的基本要素包括以下几方面:完善的观念;量化的目标;先进的材料;先进的拓扑结构;先进的分析能力和仿真;先进的测试和鉴定平台;法规标准;智能制造和销售。在人工智能赋能和V2X环境下,不断重新定义汽车。
纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车是互补而不是互相取代。从动力机械来说,就是电动机和内燃机,从能源来说,就是电力(二次能源),氢气(二次能源),汽油、柴油(一次能源)。通过四网四流融合的理论,不同类型的车辆和相应的能源,可以优化互补。加油站、加氢站、充换电站可以适当融合。根据用户需求和能源及基础设施情况,用户可选用一种或两种类型的汽车。我们的目标是绿色能源、智慧出行。绿色、环保、可持续的能源;无排放、无交通堵塞、无交通伤亡、舒适、高效的出行。
新能源汽车产业健康发展我总结了“一二三四”:“一”即创新驱动;“二”即政策+市场双轮驱动;“三”即好的产品、好的基础设施、好的商业模式;“四”即交通网、能源网、信息网、人文网的融合。
对于充电问题,应该清楚认识到,我们需要建设的不仅是充电桩,更是充电网。充电桩和充电网的区别在于,前者是配电网下面的设备,受配电网的控制;而充电网是一群充电桩形成的网络,是微网的组成部分。
充电网可以和配电网交互,利用晚上电网低谷充电,也可以利用太阳能、风能、储能设备充电。而对电网来说,新能源汽车是柔性的负荷,可以通过新能源汽车削峰填谷,从而调节和改变能源的结构。
至于新能源汽车的里程焦虑,不仅需要依靠动力电池技术(包括电池材料和结构)和燃料电池技术的不断进步来解决,也要依靠分析优化人的行为、能源和信息三者的相互关系,基于用户消费习惯,将能源网络和超算信息网络结合,融合各种充电技术(固定式充电、移动式充电、机器人充电、快速充电、中速充电、慢速充电、无线充电以及换电等),探索各方都能接受的车网互动的技术策略、商业模式。
例如,利用智能化技术,让用户通过手机了解离自己最近的充电桩,逐渐消除用户的焦虑。
同时也应该看到,目前不少充电站利用率低、运营亏损。对于这种情况,应充分发挥互联网思维,创新商业模式,挖掘增值服务潜力,将充电站打造成智能运营中心,让用户在充电的同时,可以享受各种增值服务(理发、美容、购物、阅读等),提高充电站的利用率和效益,打造可持续发展的生态链。
我提倡创新需要多维思维:创新的思维方式包括多维综合思维;闭环思维听取反馈信息;循环思维;环性思维取代线性思维;不仅应用数学模型、也要应用大数据和区块链;不仅分析因果关系、也要分析相关关系;人- 信息系统物理系统三位一体的思维;科学、工程、人文融合的思维。