地球人從太陽系啟程,該怎樣向銀河系大移民?這是在今年有“航天奧林匹克”之稱的國際空間軌道設計大賽(GTOC)上,美國宇航局(NASA)噴氣推進實驗室(JPL)向世界航天界提出的“燒腦”命題。

從5月下旬至6月中旬,全世界航天大國衛星軌道設計團隊,投入了對大賽桂冠的競逐。在28天里,各隊可不斷提交“銀河大移民”新方案,裁判系統電腦自動計算成績并實時更新排名……競賽考驗智慧、勇氣和毅力,比拼航天大國探索太空的實力和潛力。

6月13日凌晨4點,本屆賽事最終成績揭曉:由14名平均年齡不到29歲的國防科技大學與西安衛星測控中心聯隊(以下簡稱“聯隊”),以絕對優勢榮獲冠軍,一舉打破歐美對賽事冠軍的長期壟斷。按慣例,中國將從本屆“趕考學生”,變成下屆“命題先生”。

“我名字中有個‘亞’字,賽前讓人不看好我們奪‘冠’。”“聯隊”帶頭人、國防科大空天科學學院教授羅亞中笑著說,“從往屆只能旁觀‘望洋興嘆’,到上屆‘一步之遙’屈居亞軍,再到本屆讓歐美同行‘望塵莫及’,中國太空軌道設計競技能力實現了‘三級跳’。”

“星際移民”挑戰銀河系2100000種分布

瀏陽河畔的國防科技大學,校園寧靜、整潔?？仗炜茖W學院很多看似平凡的電腦機房和實驗室里,研究的都是航天發射軌道、空間站交會對接等尖端科技課題,走進每間屋子都令人驚嘆不已。

“空天樓”A306機房,是“聯隊”參加GTOC大賽的“大本營”。這里除了成排的電腦,最引人注目的是一塊白板。比賽期間,“聯隊”每次得分有突破,都有隊員畫個“笑臉”形時鐘記錄。伴隨一連串突破,排成U型的時鐘像條“貪食蛇”繞了一圈,最后“吃”到白板中心的冠軍獎杯……

在A306機房,羅亞中接受了本報記者專訪。

“‘銀河大移民’賽題,就是一個超級‘航天計劃’!”羅亞中說,按照這個計劃,人類向銀河系大移民,可選擇目的地多達10萬個恒星系,空間橫跨21萬光年,時間橫跨9000萬年,復雜程度為GTOC大賽歷屆之最!

“有361個點的圍棋棋盤,每個點有‘黑’、‘白’和‘無子’3種狀態,圍棋的搜索空間為3361,比宇宙的原子量大得多;而‘銀河大移民’10萬個移民目標,每個目標有‘移民’和‘不移民’兩種狀態,搜索空間為2100000,空間分布復雜度為圍棋的1029928倍!”

找到最合適的路徑,以盡量少的能耗、盡量高的效率、盡量均勻的分布實現星際移民……這是所有參賽團隊“銀河攻略”追求的目標。

GTOC大賽由歐洲航天局(ESA)于2005年發起,每1至2年舉行一次。今年,令人“腦洞大開”的命題引來73支專業隊伍角逐,規模為歷屆之最。其中,來自ESA、NASA多個研究中心及中、美、歐、俄很多大學和專業航天機構的參賽隊伍,實力強勁。

這不是中國“航天人”首次參加GTOC大賽。在上屆比賽中,國防科大參賽隊曾大幅領先JPL參賽隊,但最終被JPL反超,屈居亞軍。雖然這是亞洲代表隊在歷屆比賽中最好成績,但羅亞中他們并不滿意:“我們一定要爭世界第一!”

今年剛滿40歲的羅亞中,已經有近20年航天軌道設計研究履歷,參加過“神舟”飛船交會對接等很多航天任務。“聯隊”很多隊員雖為“80尾”“90后”,但從事航天事業同樣經驗豐富。

看起來十分“高大上”的衛星軌道設計事業,其“燒腦”之艱難與痛苦,外人難以想象。

羅亞中說,他曾經為了一個設計目標,在長達5個月的時間,夜以繼日不斷轉換思路,泡在電腦機房反復運算驗證。隨著任務期限臨近,那些難以突破的問題“瓶頸”,常會令人萌生以頭撞墻“撞出”答案的焦慮和沖動……

挑戰、失敗、再挑戰,懷抱遠大航天夢想的“聯隊”成員,面對挑戰深信磨難經歷培養毅力、經驗積累孕育成功。“再大的難題,我們所需要做的就是把平時所思、所學、所用來一次新的凝練,然后運用到解題上面。”國防科技大學博士生朱閱訸說。

憑策略和毅力戰勝“星辰浩渺”

5月16日,比賽正式開始。“聯隊”的運算工具除了各類電腦,還包括“天河”超級計算機。

羅亞中說,參加GTOC硬件并非萬能。沒有好的算法和求解思路,即使把全世界的超級計算機集合起來滿負荷跑一個月,也沒有辦法保證奪標。

為了增加比賽難度,本屆大賽命題設置了諸多約束條件:每次星際轉移時間間隔有特殊要求,飛船不能“越界”跑出銀河系,也不得太靠近銀河中心……只有參賽人腦+電腦的“攻略復雜”,才能戰勝銀河系浩渺的“空間復雜”。

“賽程4周,前期越早提交成績將擁有越高的積分系數,搶時間就是搶成績。中期和后期,則需要不斷戰勝對手和自我,通過技術升級和靈活博弈,實現脫穎而出。”國防科大博士生舒鵬說,從一開賽,大家就爭分奪秒進入了“拼腦+拼命”狀態。

從5月22日凌晨4點大賽首次允許提交成績的那一刻起,各隊提交方案產生的得分就不斷變化,排名高速更新,競爭進入白熱化!

“空天樓”A306機房,氣氛緊張得像要爆炸。出方案,提交;再出方案,再提交!96分起步,1000分,1400分,2000分……

“每一次成績突破,只會帶來短暫興奮。過后就會面臨無比煎熬的‘天花板’。一個關鍵參數上去,另一個關鍵參數就會降下來,按下葫蘆漂起瓢的疲于奔命感考驗所有人的腦力、體力和毅力。”羅亞中說。

不斷冥思苦想、自我懷疑、自我查驗——

“會不會是構型問題?”西安衛星測控中心沈紅新說。

“設計思路為什么不反著來倒推?”“聯隊”女將張天驕問。

“能不能像化學置換反應一樣,交換已有的點?”國防科大博士生黃岸毅說。

“無論是誰,哪怕深夜產生一個靈感,就趕緊把大家叫起來運算和驗證想法。”黃岸毅說,5月24日凌晨,他們第一次占據榜首。但當晚,ESA參賽團隊就實現反超。“聯隊”旋即重新開始頭腦風暴、自我否定、大膽試錯,再實現“反反超”……

比賽期間,遇上端午節。隊員楊震從家里帶來粽子,大家在機房拆開真空包裝袋直接往嘴里塞,吃上幾口就算過了個端午;熬夜構思、運算、繪圖,大家的標準宵夜,是羅亞中妻子每晚“探班”買來的大西瓜;到比賽尾段,大家感覺精神疲倦接近極限,相約走出校門在小飯館聚了一餐。飯后,國防科大博士生舒鵬突然從“去應力退火”中萌生靈感提出新方案,大家趕緊跑回機房連夜測試,當晚分數突破2400。隨后沈紅新和黃岸毅又提出新構型,2800大關輕松突破!

此時,“聯隊”已經穩操勝券。但他們繼續挑戰新高分,大家開始“跑瘋了”!

6月12日晨,距大賽終場時間不到24小時。“聯隊”成員舒鵬突然發現一個被棄置的方案有可取之處,經過一番優化,“棄案”創造新的最好成績,3088分!

但“聯隊”還不想停下來。最后20分鐘,“我有個程序可以試一下!”國防科大碩士生史兼郡說。

史兼郡提出的這個程序,運行了15分鐘,結果出來了!“快提交!”3101!

一時間,A306機房、“空天樓”內外,掌聲、歡呼聲、吶喊聲,此起彼伏……

從“趕考學生”變“出題先生”

6月13日凌晨4點18分,羅亞中發了一條朋友圈:“我們是世界冠軍,我們創造了歷史!”

舒鵬的朋友圈:消失了一個月,去銀河系移民去了……

在如潮的點贊聲中,GTOC大賽發起人Izzo教授發來賀信,大贊“聯隊”出色成績;很多海外參賽團隊驚呼:中國“航天青年軍”運算能力令人驚嘆,在對手只能“移民”1000多顆恒星系的時候,“聯隊”已具備“移民”4000多顆恒星系的能力!

負責這方面數據研究的朱閱訸,提前鉆研了基于“天河”超級計算機的系統編程,“超算”運用完全獨立自主且出神入化。

賽后,由于冠軍相比第二名成績領先優勢創GTOC大賽歷屆之最,許多參賽隊要求學習冠軍團隊方案。

組委會旋即將“聯隊”最后得到3101分的“銀河大移民”方案公布在官網上。很多“航天人”看后感慨,中國在航天任務規劃、軌道動力學等基礎研究上,已經達到世界一流水平。“聯隊”的奪冠方案,凸顯中國航天令人信服的創新和實踐能力。

羅亞中說:“這次比賽獲得的成果,對于人類航天事業具有重要意義。如位于火星和木星之間的‘小行星帶’,數量龐大的小行星蘊含了豐富的特殊資源。運用此次大賽移民銀河系策略,可用于找到或優化開發利用‘小行星帶’豐富資源的航天方案。另一方面,‘移民銀河’設計了復雜的空間交會序列,催生的技術和方案有助于維護國家空間資產安全和提高太空威懾能力。”

根據GTOC大賽規則,由于“聯隊”此次奪冠,下屆賽事將首次由中國主辦和由“聯隊”命題。“這既是榮譽也是挑戰。GTOC大賽每屆命題是航天戰略思維與規劃能力的展示,我們將運用中國智慧,融匯中華文化提出世界級新命題,促進中國和世界航天科研的交融互鑒、共同發展。”羅亞中說。(記者蘇曉洲 李國利 謝櫻)