高铁的设计和运行的稳定性、环境污染的模拟及溯源、数字化的工业设计、更精确的天气预报……这些都离不开大规模工程与科学计算。

中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称先进院）研究员蔡小川在接受《中国科学报》记者采访时说：“随着超级计算机进入亿亿次时代，工程与科学计算正在绽放自己独特的魅力。”在先进院，蔡小川工作的科研单元就叫工程与科学计算中心。

1984年，蔡小川从北京大学数学系毕业后赴美国纽约大学库朗数学研究所深造，1989年取得博士学位后又到耶鲁大学开展为期1年的博士后工作。随后，蔡小川开始了自己在美国的教学科研历程。

2008年，先进院成立先进计算与数字工程研究所（以下简称数字所），时任美国科罗拉多大学计算机系主任的蔡小川应邀担任该所的首席科学家。在这之前，蔡小川已有将部分精力投入到国内的打算，可为什么选择深圳呢？

“北京是一座历史悠久的古城，这里的科研脉络庞大，竞争自然要比其他城市激烈。相对而言，深圳则是一个年轻的城市，先进院也刚成立不久，具有宽松、自由、向上的科研氛围。因此，深圳成为我在国内工作的首选地。”

来到先进院后，蔡小川一直担任数字所工程与科学计算中心主任，并将他在美国的研究方向（求解偏微分方程的高可扩展并行算法研究和高性能计算软件开发）引入该研究中心。

家人分别在美国和北京，而自己则独自留在深圳，只是为了追求自己喜欢的科研工作，蔡小川很喜欢自己的选择。“深圳大部分是年轻人，跟他们一起工作的时间久了，发现自己也年轻了很多。我很欣赏这里的科研干劲。”

在国内从事科研工作以来，蔡小川也发现了一些弊端，比如国内的科研往往需要兼顾很多事务性工作。身为工程与科学计算研究中心主任，蔡小川为中心的项目申请花了不少时间，“为保证实验室运行，我们现在大概一半的时间搞科研，另一半的时间用于科研项目的申请。”

相对国内的科研环境，蔡小川觉得,在美国，纯粹科研性质的工作较事务性工作占比大得多。不过，他也承认深圳在办事效率方面已经比国内其他城市高得多。“虽然每年都需要为项目经费投入很大精力，但相比国内其他城市，我们能争取到的经费也是比较多的。”

“然而，申请到的经费大部分只能用于科研仪器设备的购买，有时候花钱也是一件难事。”这点让蔡小川不太适应，比如科研经费中只有相对较少的一部分能用于科研人员工资的支付。因此他认为，在科研经费的使用上可能还需要推出更加合理的标准。

相比蔡小川出国前国内的科研环境，如今的科研体制和机制已发生很大改变。“当年没有考核机制，后来变成文章数量的考核，而如今则是一个相对全面的科研项目考核。”蔡小川认为，国内的科研考核机制正在逐渐趋向合理化。

“现在处于大数据时代，但是怎么使用这些数据是一个巨大的挑战。”他说先进院数字所和中国超级计算深圳中心已建立了良好合作关系，以大数据为背景展开一系列科研工作。

工程与科学计算中心开展的相关科研工作也是大数据在数字化工程工业设计中的典型应用，他希望应用现有的科研环境及实验条件，踏实地开展科研工作。

先进院数字所是为满足中国快速城市化和工业信息化的国家战略需求而成立的，是发展智慧城市和数字工程等方向的应用基础和核心关键技术的科研单元。工程与科学计算中心就是其中非常重要的一员。

蔡小川向记者介绍：“我们最近在做一个高铁的项目，一辆火车开过来，它的稳定性，安全系数都很重要，但如何做这样的试验，需要考虑很多因素，比如风向、风速、天气变化等都会产生影响，试验成本非常高，而我们现在有了超算计算机，可以通过并行求解相关物理方程来模拟高速列车的运行，从而计算出列车运行的安全系数和稳定性，对列车的设计具有极其重要的参考价值。”工程与科学计算在越来越多的领域发挥了非常重要的作用。蔡小川所在的工程与科学计算中心在以下几个领域进行着大量科研工作。

首先，工程与科学计算相关技术已经大量应用到和人们生活息息相关的工程工业设计中，基于数字化的工业设计正在逐步地取代传统的工业设计。

采用数字化工业设计技术，在新产品的整个开发过程中，工程师们可以完全在计算机上建立数字化产品模型，从工业设计开始到产品工程化设计的全过程，采用三维数学模型和3D打印进行产品的设计、评估、修改和完善，并采用数字虚拟样机来代替原来的实物原型实验，在数字状态下进行科学计算仿真分析，然后再对原设计创新进行组合或者改进。

因此，这样常常只需要制作很少的实物原型，就可以使新产品开发获得成功，降低开发成本。

另外，面对国内空气、地下水、工业废料等污染问题日益严重的局面，基于工程与科学计算的环境污染源追溯研究显得非常必要。面向城市的立体空间，通过建筑群及环境的建模，建立污染物扩散与迁移的数学模型，基于工程与科学计算技术，借助超级计算机对探测到的数据进行反演，可快速得到污染源的数目、位置、强度、释放历史等关键信息，为分析突发污染原因，指导应急隔离措施提供重要参考。

相对物理实验，工程与科学计算还有一个极大的优越性——对未来一些现象的预测，比如天气预报就是其中一个典型例子。其主要是通过使用过去和现在的一些天气数据，然后求解流体力学等相关物理方程，从而进行天气预报。随着超级计算机的快速发展，计算科学的预测能力也快速提升。比如，通过计算流固耦合方程，模拟人体体内血液流动、血管壁活动来预测人的生命体特征。这些对人类发展和生活都具有极其重要的意义。

（原载于《中国科学报》 2013-09-03 第6版 研发）