“人机合一”的引路人

刘亚辉（右）在指导学生做研究

    作为一名青年科技工作者，早在自动驾驶还没有成为热点的时候，刘亚辉就瞄准了汽车的转向辅助以及转向人机协同研究，破解汽车转向过程中驾驶员运动机能学特征描述及其量化这一国际性难题，也由此获得了北京市科协刚刚评选出的第二十届茅以升北京青年科技奖。

    “多花点工夫，没问题。”这是当年他边读博士边做科研时，老师对他的教诲。现在已经成了大学老师的刘亚辉也时常鼓励自己的学生，“遇到困难不要灰心，总能‘磨’出成果。”正是靠着这份信念和付出，他拿下了清华大学首届年度教学优秀奖。

    曾获国家科技进步二等奖

    刘亚辉介绍，汽车的转向操纵已经从传统的机械转向、固定助力特性的辅助转向，朝驾驶员操纵与辅助转向系统控制相耦合的“人-车协同交互”发展，尤其是自动驾驶汽车研究热潮的兴起，对研究人机协同转向提出了新的挑战，汽车与驾驶员转向操纵的交互性能成为关系汽车行驶安全与驾驶舒适性的关键。建立汽车转向路感定量解析、人-车协同转向操纵舒适性评价体系，是实现汽车人机协同转向的关键科学问题。

    针对国内外均缺少路感规律性量化描述的问题，刘亚辉提出了车辆固有路感概念，并建立了车辆固有路感量化模型。刘亚辉解释，转向路感是指轮胎与地面之间的相互作用及其致使的车辆运动状态变化信息，经过转向系统对驾驶员形成的运动及力的反馈，是驾驶员对车辆进行操控的重要信息之一。转向路感的解析量化是汽车转向辅助与人机协同的关键科学技术难题。针对该问题，刘亚辉从车辆转向动力学分析出发，建立了车辆固有路感的量化模型，将转向路感由转向力单一参数表征，扩展到车辆动力学参数定量描述，解决了辅助转向系统设计中汽车转向路感匹配的难题。

    这项研究成果目前已应用到行业重大需求中：基于车辆固有路感的匹配设计技术，研制的自主电动助力转向系统自2009年开始应用于长安汽车、东风汽车、通用五菱汽车、华晨汽车等汽车主机厂，产品技术达到了国际先进水平，截至2017年底，累计应用318万套，直接经济效益超过26亿元。

    而以这项学术成果为核心技术之一，刘亚辉以第二完成人获得“2014国家科技进步二等奖”、“2011北京市科学技术一等奖”。

    “多花点工夫，没问题”

    刘亚辉说，围绕转向辅助和人机协同的研究从自己攻读博士期间，借调到清华大学实验室时起就开始着手了。在围绕汽车转向技术展开研究的过程中，也伴随着许多苦恼。“虽然现在自动驾驶汽车是十分前沿、热点的话题，但在当时还是一件看上去有些遥远的事情。”

    那时刘亚辉还是北京航空航天大学的学生，2004年前后，他完成了学校的课业，来到清华大学参与课题。“有时候会感觉自己基础没那么好，清华的同学花一点时间就能够完成的，我可能会比较吃力。”由于进展比较慢，刘亚辉感到有些沮丧。老师时常鼓励他，“多花点工夫，没问题。”

    那时，刘亚辉每天清晨骑着自行车从北航的宿舍，来到清华东北角汽车研究所的小院；晚上结束一天的工作后，再骑车回到宿舍休息。沿着北四环到五道口之间的铁路线，这条骑行的道路，来来回回不知走了多少次。“别人晚上八九点就下班了，我都会熬到夜里12点，院门关闭前才走。”很多次，由于加班搞研究，错过了研究所院门的关闭时间，他只能将自行车举过墙头扔出小院，再自己翻墙出去，骑车回宿舍。

    “我不聪明，但我不怕比别人多付出时间和精力。”现在已经成了大学老师的刘亚辉也时常鼓励自己的学生，“遇到困难不要灰心，总能‘磨’出成果。”

    找到人机协同的“黑匣子”

    2009年起，刘亚辉开始在清华大学做博士后研究，此后的3年内，以前一直致力于汽车转向辅助系统研究的他，发现了一个问题:由于驾驶员与车辆转向协同操纵过程中，上肢不仅接收车辆转向阻力矩反馈，转向系统施加的主动操纵力矩也会改变驾驶员转向操纵特性，影响驾驶员对转向路感的接收与判断。因而提取转向操纵中驾驶员运动机能学特征，并评估驾驶员转向操纵运动机能学特性与转向操纵舒适性的内在关联，是汽车转向辅助与转向人机协同的又一个关键问题，而具有普适性的驾驶员运动机能学特征描述及其量化，是亟待解决的国际性难题。

    “系统开发好之后，需要驾驶员的评价。但评价结果十分主观，甚至可以说千变万化，缺少一定之规。”他一直记得当时一位老教授曾对他说过的话，“研究汽车本身可能很简单，但一旦研究涉及驾驶员的特征因素，系统就变得极其复杂。”如何解决这个难题，为看似主观的评价找到量化的指标，让刘亚辉煞费苦心。

    人对汽车转向的操纵是通过上肢几组肌肉群共同作用来完成的，而它们在完成操纵时输出有效生物功的效率，是否能成为一个客观的指标呢？探索之中，刘亚辉将目光投向了能够反映肌肉活动情况的肌电信号。“通过捕捉并提取有效的肌电信号，我们能够找到转向操纵物理输入和驾驶员上肢做功之间的某种联系，找出人机协同运动之间的驾驶员转向操纵机能学特性这一‘黑匣子’。”基于此，他提出了驾驶员转向操纵效率的生理特性表达方法，建立了驾驶员转向操纵效率量化模型，提出了基于驾驶员运动机能学的协同转向操纵舒适性客观评价方法，解决了汽车转向人机协同设计中驾驶员生理特性描述的难题。这项研究引起了世界上最大的电动助力转向系统公司——日本JTEKT株式会社的注意。2010年，JTEKT研究中心向刘亚辉抛出了橄榄枝，他作为访问学者来到日本，在研究中心继续开展该项研究。

    当老师比做科研更有挑战

    2011年底，刘亚辉留校在清华大学汽车工程系成为了一名教师。从学生到老师的转变，成了他人生的重大转折。“当学生的时候，一直把高校老师的工作幻想得很清闲，觉得一年放寒暑两个长假，还有周末双休，应该比较轻松。工作以后才发现，当老师比当学生要忙多了。当学生围绕课题展开科研，一个难点一个难点地攻关，目标十分明确。而当老师则必须时刻站在领域的前沿做‘引路人’，不能被‘浪’打下去。开拓事业千头万绪，那种操心是无时无刻不在的。”

    此外，2014年底，清华大学发布关于全面深化教育教学改革的意见，要求教师将坚持人才培养作为第一责任，“深化人事制度改革，确保教师把主要精力投入到教学和人才培养，发挥教学环节和师生互动在促进学生全面成长中的主渠道作用。”作为年轻教师的刘亚辉选择讲授《汽车构造》这一专业课。

    从来没有教课经验的他，开始了“痛苦”地摸索。“我的第一次试讲，由于非常紧张，没有通过。直到第二次试讲才通过，2016年开始教课。”刘亚辉一度感觉十分焦虑，“清华的学生都是骄子，怎么才能把课讲得让他们爱听，又对他们有用呢？”为了向前辈学习，刘亚辉要求将自己的课放在每周的最后，在他前面上课的老师的每节课，他都去听，仔细借鉴、学习。为了把握好授课节奏，刘亚辉将他所有课上需要用到的PPT都打印出来，每一页上都写满笔记，“每一页讲几分钟，各个节点都在哪里，全部标记在纸质PPT上，一点一点掂量摸索。”

    就这样，刘亚辉的课逐渐获得了老师、同学们的认可，“2017年，我拿到了清华大学首届年度教学优秀奖，这对于我来说，无疑是很大的鼓舞。”