冰雪融化，魚兒逆流而上擱淺在石灘；海水升溫，鯨豚聲吶失效迷失了方向；習慣在冰面上行動的北極熊開始花費更多的時間在陸地上覓食……氣候變暖正威脅著自然生態系統，使生活在地球上的動物面臨前所未有的生存危機。

2022年6月21日，一場旨在加速氣候科學研究，推進萬物電氣化以拯救地球的主題演講于第七屆MATLAB EXPO中國用戶線上大會上舉行。MathWorks全球客戶成功工程總監Tanya Morton博士呼吁建設一個更潔凈的電氣化未來需要三方協同努力：科學家借助云計算和人工智能的進步加速研究，及時告知氣候變化并增進理解；工程師快速創新以實現能源生產脫碳，讓一切電氣化，并設計可持續產品；教育工作者持續培養下一代，進一步推動氣候科學發展。她用大量生動的實例展示出如何借助MathWorks的MATLAB和Simulink工具推進科學研究、產業、教育的發展以拯救地球。

加速對氣候變化的理解

霍金先生曾預言由于太陽宜居帶的外擴，地球會在2600年的時候變成一個溫度超過460℃的大火球。而如果人類不控制二氧化碳排放的話，這一致命危機將會加速發生。而今科學家正在使用數據分析、云計算和人工智能來加速人們對于氣候變化的理解，喚起其保護環境的意識。

科學家使用數據分析能力對溫度上升進行建模，使用云計算和人工智能來分析海冰的衛星圖像。科學家通常使用的研究冰層變化的衛星數據都儲存在云上，進行數據分析可能耗時很長，但是人工智能并行計算可以縮短算法的執行時間并更快地交付研究成果。人工智能還可以加速科學發現，幫助識別數據集中的模式，并建立準確的預測模型。而且隨著越來越多科學家愿意公布自己的數據和算法代碼（MATLAB），通過云計算協作，全球科學的進步將會進一步加速。

此外，科學家還使用人工智能預測旱災。旱災通過標準化的降水指數來衡量，本質上是衡量降雨量。在埃塞爾比亞的阿瓦什河流域旱災的研究項目中，科學家結合人工神經網絡，支持向量回歸，以及自助法和提升法兩種集成方法，還使用小波分析對時間序列數據進行預處理，從而給出更準確的預測。事實上，他們的預測結果也與觀測到的降水指數的數據擬合度非常高。

人工智能對于當代社會的重要性毋庸置疑。MathWorks公司中國區總經理曹新康表示，以人工智能為主題的課程是現在工程界和科學界最受歡迎的課程之一，人工智能正在各行各業快速落地、應用，加速工程，比如全球流行病預測、氣候變化、電動汽車等，而且深度學習、機器學習已經被廣泛應用于科學研究的前沿，幫助加速藥物篩選、宇宙探索等的科學研究。

用萬物電氣化來解決氣候危機

如果說氣候科學有助于我們理解氣候變化的趨勢和影響，那么解決氣候危機則需要靠工程師和產業的力量。

在產業方面，各行各業的工程師正在積極使用人工智能以及建模和仿真來實現萬物電氣化。我們知道，目前有很多種解決辦法可以減少溫室氣體排放，而本次演講Tanya Morton博士重點關注兩個領域：可再生發電，以及將這種電力作為我們的主要能源。她將這兩者配合使用的情況，稱為萬物電氣化。

正因為電力生產是現今溫室氣體的主要來源，我們迫切地需要改變產業結構，減少煤炭消費，多利用風能、太陽能和潮汐能等可再生能源發電。而人工智能在轉向可再生能源的過程中發揮了重要的作用。

比如這個來自韓國能源研究所的海上風力發電的例子。過去十年，得益于量產的增加和效率的提高，海上風力發電的安裝成本下降了50%，但是維護成本依舊居高不下。高效低成本的運營依賴于有效的維護。工程師分析了來自多個渦輪的傳感器的數千個信號，實現了多種機器學習算法，包括正則化線性回歸、多項式曲線擬合和決策樹，還使用了深度學習實現并訓練了人工神經網絡。他們評估每種算法，預測關鍵渦輪部件的載荷何時超過建議的限值，并估計每個部件剩余的使用壽命。設計出成功率為90%以上的“預測性維護模型”降低了海上風力發電的維護成本，推進了可再生能源的發展。而且為了監控渦輪的運行，工程師還為算法創建了一個儀表板應用。使用了MATLAB支持完整的人工智能工作流的功能，包括訪問來自傳感器文件或數據庫的數據，分析、預處理和標注數據，開發人工智能模型，并將他們安裝在桌面APP、企業系統或嵌入式設備。

除了預測性維護之外，工程師還可以通過MATLAB和Simulink對整個分布式電網的并網、電網的動態分析、實時監控、控制進行測試、分析和仿真。這有三大好處：一是可以極大的縮短項目周期，二是可以減少項目風險，提早發現整個項目設計中的一些風險和缺陷，三是可以降低成本浪費。

再比如建模和仿真幫助鋼鐵生產實現電氣化。傳統的鋼鐵生產會產生大量的二氧化碳，而使用Boston Metal公司的專利技術——熔融氧化物電解法——生產液態鐵的副產品是氧而不是碳。Boston Metal團隊改造了鋼鐵行業，使其以成本更低的方式生產鋼鐵。而且基于模型的設計方法使該團隊能夠高效的工作，他們構建了完整的控制系統動態模型，這讓團隊能夠對照數字孿生，對系統進行建模和測試，以確保團隊準備好開啟系統時，一切都會正常工作。MathWorks提供幫助各行各業工程師適應電氣化大趨勢的示例，包括快速簡單開始仿真的組件示例，支持系統設計的參考示例，以及提供可調整的模型并演示完整工作流的設計解決方案。

曹新康認為，電機正在取代燃油發電機。現在綠色技術方面的投資正在持續增長，預計到2027年可再生能源市場將達到1.1萬億元，而且儲能是下一個大的技術方向。MathWorks正在構建完整的MATLAB電氣化的方案，包括AI在可再生能源的應用，MathWorks也將持續致力于幫助客戶成功轉向基于人工智能的能源管理和電氣化。

培養下一代來拯救地球

MathWorks重視教育，與公司的基因有關。MATLAB軟件最初是美國新墨西哥大學Clever Moler教授在20世紀70年代寫的用于教學的一個小工具軟件。隨后又經過斯坦福大學學生Jack Little的C語言重寫，同時移植到IBM PC上，從而擁有更廣泛的功能。而且公司的第一筆收入也是通過賣給美國麻省理工學院的版權獲得的。可以說MathWorks公司是憑借著教育逐步發展起來。而今MathWorks意識到教育工作者正面臨著培養拯救地球的下一代工程師和科學家的艱巨任務。

在博世工程印度公司意識到新畢業的工程師進入公司需要長達一年的相關培訓才能掌握有效開展電動汽車項目所需的技能時，他們決定開設一門新的大學課程來講授基于模型的系統工程，他們與印度國立理工學院科澤科德分院、MathWorks合作開發了涵蓋了如再生制動、能量儲存和電動動力傳動系統等電動汽車基礎知識的課程。該課程通過電動汽車系統建模和仿真的實操練習，使理論不再空洞，讓學生能夠積累實際經驗。MathWorks提供下載資料，幫助教育工作者開發和改進課程，而且使用MathWorks的示例也可以讓講課更生動，激發學生的學習興趣。如果他們想在課程中引用計算，MathWorks也提供資源和點子，比如提供許多學科的課件，特定主題的資源。

要完成產學研的結合，教育工作者還要培養學生的研究能力，一種常見方法是通過畢業設計項目。MathWorks的卓越創新計劃提供50多個啟發性項目供學生選擇，涉及的技術領域包括人工智能和可再生能源，學生注冊并完成后可獲得證書。每個項目都有各自的論壇，幫助學生相互學習。在談及如何幫助國內大學生用技術手段來推動氣候發展時，曹新康表示，專門為教育客戶提供的Campus-Wide License（正版全校授權），一套采購，在校的任何學生、老師、員工，在任何地方，任何設備，都可以使用全部工具箱的最新版本的產品。以清華大學為例：MathWorks為清華大學提供的MATLAB、Simulink、Grader及Online Training Suite（在線培訓課程套件）等MathWorks產品，全校就有幾萬人用于教學和學術研究。

目前已經有超過80所雙一流985的學校，都已經成為其校園版的客戶。而且MathWorks為高校提供完善的保障服務，包括及時響應學校的IT部門的老師的要求，有一支專門負責高校的教學科研的技術團隊，有一支專門支持教育團隊的技術團隊，和有一支專門支持教育的市場團隊。

正如曹新康所說，拯救地球，基于數據與模型。MathWorks正以自身推出的強大產品助推工程師、科學家和教育工作者解決氣候危機。我們也希望越來越多的企業、機關、社會團體和高校能夠加入進來，為保護地球上的所有生命貢獻自己的力量，以自己的方式和能量拯救地球。

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