袁益让:中国计算数学和应用数学科研攀登者

    期次:第7期    作者:赵晓 王巍




  袁益让,山东大学数学学院数学系教授,博士生导师,中共党员。1958年毕业于山东大学数学系,曾任山东大学科学与工程计算实验室主任,山东省数学会理事长,山东大学(理科)学术委员会副主任,山东大学党委委员,山东大学数学系主任,山东大学数学研究所副所长,《计算数学》、《高校计算数学学报》、《山东大学学报(自然科学)》编委,中国工业与应用数学学会常务理事兼油水资源专业委员会主任,中国计算数学学会理事,政府特殊津贴获得者等。曾在《中国科学》、《科学通报》、《SIAMNumber.Anal.》、《ComputationalGeosciences》等国内外著名刊物上发表学术论文280余篇,承担并完成国家重点基础研究课题(973)、国家攀登计划(A、B)项目,国家和部级攻关、国家自然科学基金(数学、力学)、国家博士点基金以及胜利、大庆、长庆等油田重点攻关课题20多项,主持研制多项达到国际先进水平的工程应用软件,在大庆、胜利、长庆等国家主力油田推广使用。在数学基础理论方面,1995年获国家光华科技基金奖三等奖;2003年,《能源数值模拟的理论和应用》获教育部提名国家科技奖(自然科学)一等奖;《有限元方法及应用》、《能源数值模拟的理论、方法和应用》、《油水资源数值模拟方法及应用》先后三次获国家教委科技进步(自然科学)二等奖。在应用技术方面,2010年,袁益让科研梯队获国家科技进步特等奖;《大庆油田高含水后期4000万吨以上持续稳产高效勘探开发技术》、《三维盆地模拟系统研究》获山东省科技进步一等奖;《防止海水入侵主要工程后效与调控模拟研究》获国家水利部科技进步三等奖。
  初见袁益让先生,是在他那一间被书籍包裹着的办公室里。进去之时,袁老书桌上的台灯暖光四溢,光所照亮的地方摆放着整齐密麻的手写书稿。虽已是八十高龄,但袁老精神矍铄,笔耕不辍,这不由地让人肃然起敬。在与袁老交谈时,我们试着放下他身后所环绕的荣誉光环,纯粹用心地聆听他与山大的结缘,与科研的故事,探寻这位老教授内心的赤子情怀。
                  勤奋好学,孜孜不倦
  1954年,袁老考入当时位于青岛的国立山东大学,主修数学。在这之前,他先后在县、乡两级卫生院从事农村基层医疗工作,后以调干生的身份进入山东大学学习。当时学校课堂教学所用的教材是我国首次翻译出版的苏联版全国统一教材,该教材以培养“数学家”为目标,内容深刻、复杂、难懂,但袁老感慨:“当时数理课程学起来虽然吃力困难,但老师教得极其认真负责。”袁老由于未读过高中,因而学习数理的起点很低。据袁老回忆,当时凡是老师讲过的内容,他就会对着教材一个字一个字地抠,一句话一句话地理解,有不懂的地方就利用课堂答疑时间向老师请教,保证所学内容没有知识盲点。在大学四年时间,他的成绩是门门满分。有一次,讲授“理论力学”课程的学校教务长、物理系的郭贻诚教授,在课程结束的期末考试上出了六道题目,当时数学系、物理系两个班的学生只有袁老一人把这六个题目都正确地解答了出来,这让郭先生很是惊讶,因为这些题目里有一道题课本上根本没提到,课堂上也没有讲过。但袁老因平常练题数量多,做题方法早已经融会贯通,所以老师所出的题目难不倒他。
  1955年,袁老获得了“山东大学优秀学生”奖章,由时任山东大学校长华岗亲自颁发。当时正值中国人民志愿军参加抗美援朝战争,学校团委号召学生捐赠自己最珍贵的东西给最可爱的人,袁老无私地捐出了自己刚获得不久的金质奖章。由此可见,他不仅对学习有着满腔的热情,对国家亦有一颗赤子之心。
  1958年,袁老毕业,他选择留校任教,跟随数学系莫叶教授从事复变函数论、数学分析、偏微分方程和奇异积分方程等基础学科的教学和科研工作。1962年2月至1963年1月,袁老在复旦大学数学系进修“复变函数几何理论”、“广义解析函数”、“奇异积分方程”、“索伯列夫空间”、“泛函分析与偏微分方程”等现代数学课程。当时苏联的维库阿在其名著《广义解析函数》的最后一章提出了三个悬而未解的问题,袁老利用自己在复旦大学所学到的理论和多年在函数论、偏微分方程的学习功底,进行思维方法的转换,提出了用广义解析函数预解积分表达式的方法,解决了名著后面所提的问题,先后在《山东大学学报》发表了《一类奇异积分方程的可解性及其对黎曼—哈斯曼问题的应用》,在《数学年刊》发表了《广义卡里曼问题》,在《科学通报》发表了《多连通区域的卡里曼问题》,得到了齐次问题解的个数估计和非齐次问题可解性条件和表达式,在偏微分方程和弹性薄壳理论方面有重要的价值。
  “文革”时期,大量的书籍、文稿被烧毁。袁老是学校重点培养的优秀教师之一,排名在他之前的两位教师先后上了大字报,遭受批斗。而袁老因在当辅导员期间,曾自掏腰包资助学生,在学习和生活上关怀学生,因而深受学生爱戴,在搞运动时,学生站出来力保,他才免受批斗。1976年文革结束,国家恢复了高考招生。袁老于1977年应人民教育出版社邀请,与武汉大学计算教研室张延昌教授合作编写《高等学校试用教材:计算方法》。这本书先后7次印刷,全国100多所高等院校把它作为非计算数学专业的本科生和研究生教材,为国内数学教学打开了一扇天窗。而后,受全国多所院校邀请,袁老在青岛举办了长达一个多月的培训班,帮助其他院校培养计算方法课程的教师。
  从做学子到为人师,袁老凭借自己对学习的满腔热忱和对知识孜孜以求的态度,一步一个脚印,扎扎实实地向前行。正所谓“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,无论是在动荡不安的岁月里,还是在和平美好的年代中,袁老始终朝着求知和探索的方向攀登。
                   带头钻研,攻坚克难
  1960年,袁老随山东大学莫叶教授从事教学和科研工作。莫叶先前曾在上海交通大学任教,他有一学生在济南电力管理局做总工程师,当时正在济南南郊做工程项目,遇到了一难题,即知道室外温度后如何计算变压器内部温度,他向莫叶求教。莫叶当即组织了袁老和其他几名学生一起攻关,最后在莫叶的指导下,袁老完成了“济南南郊变压器线圈的温度预测计算”,后经国家电力总局技术鉴定,在电力系统同类型号变压器运行中得到推广使用。1964年后,袁老转入了数学应用研究,先后完成了“山东淄博南定电厂大型鼓风机叶片的流体力学计算和分析”,济南柴油机厂大马力柴油机《增压器的差分方法强度计算和分析》、《振动频率计算和分析》,山东省济南体育馆《大型顶层框架有限元结构分析和计算》的软件系统,成果被推广应用到济南多个大型建筑工程的框架的设计和计算中,产生了极大的经济和社会效益。
  从1966年开始,袁老连续数年参加学校组织的关于电子束成控计算机设计、高炮指挥仪电子计算机设计、数学模型及软件方面的攻关项目,均取得了一定的成果。1970年,全中国当时仅有两台计算机,一台置于北京,一台放于大庆油田,由于中苏关系恶化,在大庆油田的计算机后转入胜利油田使用。但那边人才紧缺,胜利石油管理局地质科学研究院便求助于山东大学,想邀请学校里数学、计算机方面的教师前往帮助,袁老被安排前往。回忆那段时光,袁老坦言:“当时搞石油生产的人都很不容易,工作环境艰苦,还会遇到各类技术问题,那边的计算机体积大,运算速度也慢。”为了对油田进行合理的开采,袁老和地科院水动力学研究室协作,对油田勘探中压力恢复曲线的图版进行计算和分析,开发和研究油田开发中油水二相渗流驱动问题,得到了有效的数值方法和应用软件。在此期间,还完成了“油水两相渗流驱动问题的变网格有限元方法软件系统”的研制,解决了大水驱问题的计算,应用到了胜利油田开发计算的试生产设计中。其理论成果《关于油水两相渗流平面弹性问题的有限元方法》发表在《石油学报》上(1980),被中国石油学会推荐转载于《中国油气田开发进展》(石油工业出版社,1988),作为石油领域的优秀成果向国外推荐。
  1981年,山东大学计算数学专业被批准为我国首批硕士学位授予专业。袁老开始招收并培养计算数学专业硕士研究生。1985年,袁老晋升为教授;1986年,计算数学专业被批准为我国第三批博士学位授予专业,袁老成为博士生导师。后来,袁老被学校时任副校长潘承洞和导师莫叶推荐到美国留学,学习先进的理论和技术,以便更好地投身祖国的建设。数学大师华罗庚曾说过“做学要班门弄斧”,在访美期间,袁老先后在芝加哥大学和怀俄明大学学习,师从国际著名数学家、油藏数值模拟奠基人J.Douglas.Jr.教授,系统地学习和研究偏微分方程数值解法、油藏数值模拟、分数步方法、半导体器件数值模拟等领域的理论、方法和应用软件。袁老还参加了Douglas教授承担的科研生产项目“半导体器件数值计算方法和软件研制课题”,其理论成果《Finitedifferencemethodsforthetransientbehaviourofasemicondutordevice》发表于Mat.Applic.Comp,1997,是这一领域的首批学术论文,为半导体器件数值模拟奠定了坚实的理论基础。其间,美国时任总统里根被美国议员质问国家研究生产原子弹、氢弹,所产生的核废料怎么处理。里根回答深埋于地下,又被议员质疑发生地震后该怎么办,总统无言以对,对核废料处理问题犯了难,他与科技顾问进行商量,最后确立了“专项科研基金”研究落实此重要问题。袁老参加了怀俄明大学的R.E.Ewing教授的科研梯队,研究了核废料污染问题的数值模拟方法和应用软件的开发,并和Ewing合作发表了《核废料污染问题的特征—混合元方法》的系列学术论文,是这一领域的首批学术论文,对这一领域的数值模拟计算实际应用和系统软件研制,都具有重要的价值。
  1988年,应学校博士点招生的需要,袁老毅然放弃了美国大学提供的珍贵绿卡名额和丰厚报酬,选择回国。在他看来,“我是中国人,就要回到中国,为祖国服务”,这是理所当然、毋庸置疑的事情。回国后,袁老把在美国的所学用在了国内的生产发展中。当时大庆油田在做三次采油(利用油层能量开采石油称为一次采油;向油层注入水,给油层补充能量开采石油称为二次采油;而注入化学的物质来开采出更多的石油,称为三次采油)研究,北京大学、吉林大学和山东大学申请竞争该项科学研究,最后袁老为山东大学争取到国家“八五”重点攻关项目。袁老在美国怀俄明大学工作时,曾与R.E.Ewing教授合作从事强化(三次化学)采油数值模拟计算方法和应用软件研究,1989年与Ewing合作率先在国际上发表了《强化采油有限元方法》的学术论文。因而,袁老在承担国家“八五攻关课题”,带学生做大庆油田的三次采油项目研究时,只用了五年时间,完成软件的效率比美国还高,为大庆油田的深度开采做出了突出的贡献。此项研究成果及袁老学术梯队后续研究《大庆油田高含水后期4000万吨以上持续稳产高效勘探开发技术》获2010年国家科技进步特等奖。
                 硕果累累,贡献突出
  1988年,胜利油田在做三维盆地数值模拟研究,即利用现代计算数学、渗流力学、石油地质和计算机技术,再现盆地油气资源发育生成和运移聚集的过程,用以评估地下有多少石油资源可开采,并具体找到石油分布在什么地区。该研究德国率先有一维盆地数值模拟成果,但中国要想获知,需要交高额的科研费,后期能否开发研究出来也未为可知。胜利油田把这项重大研究交给了山东大学来做,袁老承担起了胜利油田的攻关项目——三维盆地模拟系统研究。袁老利用在美国所学的先进方法,带领学生们搞技术攻关,克服了重重困难,最后计算出胜利油田地下的石油地质贮量为80亿吨,可开采利用的石油地质贮量为40亿吨。当时据胜利石油管理局局长刘兴才说,“此项工作极为重要,是国家决定胜利油田如何发展的重要依据”。随后袁老科研梯队又获得“石油部重点科技公关课题”和“胜利石油管理局重点攻关课题”——“关于盆地三维石油资源运移聚集定量数值模拟技术研究”。先后经6年的科技攻关,袁老的科技团队在国内外第一个研制出“三维运移聚集软件系统”。这一系列的重点攻关项目被称为《三维盆地模拟系统研究》,经石油天然气总公司选定为渤海湾盆地深层油气资源评价软件系统,先后评价了辽河油田、冀东油田、大港油田、中原油田和胜利油田所辖的各坳陷的资源量。经石油天然总公司专家鉴定和评价,袁老带领学生攻克的这项成果是山东大学独有的,乃国际首创,有可能为国家寻找到新油气田。
  在学术研究方面,袁老的成果也很丰硕。袁老在计算数学、工业应用数学、能源和环境科学的数值模拟和应用软件,以及强化采油数值模拟、地层硫酸盐结垢系统、核废料污染数值模拟研究、半导体器件瞬态问题数值模拟等领域做出了开创性的研究成果。他提出了能源数值模拟,用电子计算机模拟地下油藏十分复杂的化学、物理及流体流动的真实过程,以便选出最佳的开采方案和监控措施,包括油田开发中的油水二相渗流驱动、可压缩二相渗流、化学驱油、核废料污染、油田勘探中的油气资源盆地评估等领域的数值模拟计算方法、数值分析理论和实际应用。
  在三维多层油资源运移聚集数值模拟中,袁老从渗流力学、数学原理提出三维多层数学模型、迎风偶合分数步格式,在国内外第一个得到数值计算和理论分析结果,解决这一著名问题,属国际首创;在油藏数值模拟中,提出可压缩二相驱动特征分数步差分法和有限元法,半定问题的数值方法,利用粗细网格配套、双二次插值、高阶差分算子分解技巧,得到了最佳阶估计;对海水入侵工程后效预测,提出三维数学模型,迎风分裂法和特征有限元法,完成数值模拟计算和分析,处于国际先进水平,其应用数值模拟软件已在山东省水利工程中应用。
                 教书育人,著书立说
  袁老在山东大学61年,为山东大学计算数学和应用数学的教学和人才培养做出了突出贡献。他结合计算数学专业的特点和经济建设的需要,在培养高层次数学应用人才方面开辟一条新途径。至今已培养博士研究生42人(外国留学生2人),博士后2人,硕士研究生60余人。目前这些毕业的研究生大部分活跃在国内高校和科研单位,还有的在美、德、英、加拿大等国家学习或工作。据不完全统计,由袁老指导的在高校工作的研究生有26人被评为教授,14人被评为博士生导师。袁老个人撰写的《面向经济建设主战场,探索培养高层次数学应用人才的新途径》获得了多项奖励,包括国家优秀教学成果一等奖、山东省优秀教学成果一等奖、山东大学优秀教学成果一等奖。另外,袁老在培养研究生方面取得的突出成果,让他获得了香港首届“孺子牛金球奖”。
  袁老不仅在教学和人才培养上贡献巨大,在著书立说方面也成就斐然。2005年,70岁的袁老在山东大学正式退休。学校和数学学院支持他退休后继续做研究,保留他在邵逸夫科学馆的办公室,并提供电脑、电话、空调等全套办公用品。退休后的前五年,袁老每天固定工作8个小时。75岁后,承担的科研项目都已圆满完成,培养的博士生也已全部毕业。少了繁琐的会议和杂务,他更专心地写文章、研究学术,每天早晨6点起床,全天工作时间至少6小时。退休后,袁老或独立或与人合作完成了五部著作的编写出版,包括《高维数学物理问题的分数步方法》、《环境科学数值模拟的理论和实际应用》、《能源数值模拟的理论和应用》、《三维油气资源盆地数值模拟的理论和应用》和《渗流力学》,加上早些年出版的《高等学校试用教材:计算方法》,他已撰著了立六本书籍,第七本《油藏数值模拟的理论和矿场实际应用》和第八本《半导体器件数值模拟计算方法的理论和应用》也已被提上出版日程,目前正在准备完成第九本《现代油水资源数值模拟方法的理论和应用》。这些著作的原稿都是袁老退休后一笔一划整理出的手稿,手稿所用的纸张是废弃的打印纸,反面写满了整齐有序的文字和公式。长年累月的书写让袁老的手指结上了厚厚的老茧,沉淀着岁月的沧桑。在采访的最后,袁老言语间有些欣慰地说道:“现在我的身体状况挺好,家离学校也近,每天往返方便,生活过得很充实,我想利用余下的时间出完最后两本书,然后翻译著作,把理论推广到国外。未来,只要山大好,数学学院好,我就好。我是入党多年的老共产党员,能为国家再多做些贡献,是我最大的心愿。”(赵晓 王巍)

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