甲子峥嵘 弦歌而行:浙江大学信息与电子工程学院60周年院史文集
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信息与通信工程学科的发展

张朝阳 虞露 徐文 赵民建 张明 张宏纲 项志宇 李建龙等

浙大信电学院信息与通信工程学科(以下简称信通学科)立足于原无线电专业,经过近60年的传承、改革与转型,逐步形成了新的发展方向与学科特色。信通学科现涵盖通信与信息系统、信号与信息处理两个二级学科,以及自主设立的交叉二级学科海洋信息工程,其中通信与信息系统于2001年获批国家重点学科。

信通学科瞄准国家重大需求和国际学术前沿,开展前沿性、创新性和交叉性研究,以人才培养、科学研究、技术创新、社会服务为己任,建设成为培养信息与通信领域创新型高端人才、信息与通信基础理论和关键技术的研究基地。信通学科秉承“以人为本、整合培养、求是创新、追求卓越”的教育理念,培养面向学科国际前沿和满足国家重大战略需求、具备创新意识和探索精神的高端专家型和领军型人才,积极参与国家卓越工程师教育培养计划,建设通信工程领域国家特色专业。

截至2016年6月,信通学科拥有专任教师41人(外籍3人),中国工程院院士和IEEE Fellow在内的双聘和兼职教师19人,师资队伍具有宽阔的国际视野和良好的国际学术影响力。信通学科参与浙江大学-伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区(ZJU-UIUC)联合学院筹建,与UIUC实行本科生和研究生联合培养;与法国巴黎中央理工-高等电力学院正式实施了双学位博士生国际联合培养。2012—2015年,信通学科累计向境外派出研究生166人次,接收多名境外学生来华攻读硕士、博士学位或进修,毕业生深受企事业用人单位欢迎。

信通学科是国家“211工程”“985工程”重点建设学科,拥有四个省级学科平台,是国际电信联盟、国际标准组织(ISO)、IEEE和国家信息技术有关标准组织会员,同时是数字音视频编解码产业技术创新战略联盟、3D产业联盟成员,具有很好的学科引领和行业辐射能力。信通学科注重空天、陆地、海洋一体化多学科深度交叉与融合,形成了空天、陆地、海洋一体化的学科覆盖面,理论、技术、标准、系统与芯片相贯通的层次化学科发展体系,以及军民结合的学科发展模式。信通学科以国家战略需求为己任,深耕于空天、陆地及海洋一体化发展的关键技术领域,直接服务于探月工程和海洋环境监测与海洋安全等国家重大战略工程、数字电视广播等国家重要民生工程、尖端战术通信装备等国家重要军事应用。2012—2015年,浙大信电学院信通学科转让和实施24项专利技术。

一、学科重点发展方向

目前,信通学科主要有四个发展方向:

“机器视觉与无人系统自主导航”,在国内最先开展地面无人平台视觉导航技术开拓性研究,并在地面自主车和太空无人系统月球车视觉导航方面取得重大突破,为国家探月工程中玉兔号月球车月面复杂环境感知与导航遥操作做出重要贡献,获国防科技进步奖;

“水声信号处理与通信观测”,是国内水声信号处理及通信领域领先的研究基地,拥有宫先仪院士和国家“863计划”海洋环境监测技术主题专家组组长徐文教授等领衔的国际一流研究团队,研究成果获中船重工集团科技进步奖;

“多媒体信息处理与视频通信”,是国内最早从事视频通信及媒体信息实时处理研究的单位之一,在我国数字电视和视频编码基础研究、标准制订、成果转化和产业化推广方面成就卓著,荣获国家科学技术进步奖、国际标准制定贡献奖、中国科协求是杰出青年成果转化奖;

“新一代无线宽带通信与网络”,是国内信息与通信理论及关键技术的重要研究基地,在信息与编码基础理论、通信信号处理、认知通信以及网络融合等方面取得具有国际性影响的突出成果,这些成果被用于满足我国国防和民用通信重大需求,获得了国家广电总局科技创新奖。

二、学科影响力

信通学科在国内外学术界以及产业、行业内都具有较高的影响力。信通学科的10余位教师分别担任IEEE JSAC、TCOM、TWC、CL、JOEJASA等国际知名期刊编委,张宏纲担任IEEE认知网络技术委员会主席,虞露担任IEEE视频信号处理与通信技术委员会委员,钟财军、余官定获评IEEE ComSoc亚太杰出青年研究员奖等。张朝阳、余官定、钟财军等在认知无线通信、中继协作通信和高移动通信方面发表的学术论文得到了国内外众多学者的高度评价并被大量引用。其中,由于张朝阳在认知无线电方向的科研贡献,浙江大学被认知无线电之父列为国际认知无线网络研究的领先机构,显示了信通学科在国际学术界的影响力。信通学科的教师中,张朝阳担任国家基金委专家评审组专家;刘济林担任军委科技创新局某系统专家;徐文担任“863计划”海洋环境监测技术主题专家组召集人、国家自然科学基金委水声重点项目群指导专家;赵志峰担任“中国下一代广播电视网(NGB)自主创新联合行动计划”实施领导小组总体专家委成员、国家发改委宽带中国战略起草组成员,为国防系统和国家科技战略规划提供指导性意见,并组织项目实施和管理。在产业界,信通学科由于掌握在数字电视和视频编码以及芯片系统设计领域的核心技术,始终引领产业发展,产生了显著的社会效益和经济效益。

三、学科贡献力

信通学科坚持以“面向国际前沿、面向国家重大需求”为导向,发挥空、天、地、海一体化学科均衡优势,在多个学科方向上直接服务于国家探月工程和海洋环境监测与海洋安全等国家重大战略工程、数字电视广播等国家重要民生工程、尖端战术通信装备等重要军事应用,产生了突出的社会效益和经济效益。

引领技术标准制定,推动科技成果转化。信通学科注重发挥信通学科基础理论研究与关键技术突破的优势,通过引领先进技术国际/国内标准制定、设计开发系统芯片(SoC)并产业化,实现科技成果转化,持续为国家数字电视发展做出重要贡献。学院培养了一大批国家急需的标准化人才,他们活跃在国际和国内相关标准组织。信通学科陆续获得了国家科技进步奖、国际标准组织贡献奖、中国科协求是杰出青年成果转化奖,成功孵化数字音视频系统芯片设计企业并获新三板上市。

突破关键技术,服务国家重大工程和民生工程。信通学科不断突破视觉感知与控制、水下探测与监测的关键技术难点,服务于国家探月工程、海洋环境监测工程,并为未来火星探测工程提供重要技术积累;融合新一代宽带无线移动通信和数字多媒体广播技术,促进“宽带中国”新兴产业发展,推动数字城市、宽带城市、智慧城市等民生工程,产生重大经济效益;获得国防科技进步奖、中船重工科技进步奖、国家广电总局科技创新奖。

通信理论研究与装备研制相结合,服务国防事业。信通学科坚持通信理论和国防重大工程需求相结合,多项技术达到国际先进水平,服务于国防信息化建设,获得了国防通信领域专家、机关领导的高度认可,在该领域产生重要影响和社会效益。

举办重要学术会议,引领学术发展。信通学科举办环太平洋国际声学会议、无线通信和信号处理国际会议。信通学科多名师生论文分获最佳论文奖,多名教师获“杰出青年研究员”称号。

四、学科代表性成就

(一)制定高效视频编码标准,推动技术进步与产业发展

瞄准核心技术,主导标准制定。数字视频内容已占当今网络流量的80%左右,数字视频内容的高效编码与传输是一项基础共性技术,覆盖芯片、整机与信息服务全产业链,广泛应用于影视娱乐、安防监控、实时通信以及电视广播、公安、交通等行业,但是这一领域的核心技术长期以来被国外强势机构垄断,我国没有关键知识产权的定价权。浙大是国内最早开展数字视频通信与系统芯片设计研究的高校之一,学校以掌握核心技术为基础,推动行业标准制定、技术进步和产业发展,为实施国家技术标准战略做出了突出成绩。信通学科多年来已积累了57项获得国际和国内授权发明专利的核心技术,总计提交国际标准提案153件、国家标准提案280件,曾主导制定了ITU-TH.264即《ISO/IEC14496-10先进视频编码(可伸缩编码)》和《GB/T 20090.2信息技术:先进音视频编码第2部:视频》(AVS1)等标准,曾获ISO/IEC标准制定贡献奖、信息产业重大技术发明奖、中国标准创新贡献奖。信通学科研发了适用于音视频处理系统的嵌入式微处理器IP核,掌握了音视频系统级芯片设计方法和关键技术,为提供数字视频技术的社会服务奠定了坚实的理论和技术基础。

着力产业转化,引导行业发展。2012年以来,作为AVS工作组视频组组长单位,学院与央视等广电领域重要企业合作,将AVS1修订为AVS+,并推进为广播电视行业标准GY/T257.1(AVS+)和IEEE1857国际标准,并通过技术培训、专利许可使用等方式促进标准技术的实施和推广。目前,AVS+已在央视和地方卫视所有高清频道以及南美和东南亚多国上千个数字电视频道中被广泛应用。相比传统的MPEG-2,AVS+可节省一半以上的带宽占用,大大推动了广电行业技术进步,并且打破了这一领域知识产权被国外强势企业垄断的局面,有助于中国产业规避知识产权风险。因此学院获得了2012年国家科技进步二等奖、2012年中国科协求是杰出青年成果转化奖、2013年IEEE标准贡献奖。信通学科四名教授发起创立的学科性公司——杭州国芯科技股份有限公司,专门从事数字音视频系统芯片设计与产业化推广应用,公司开发的芯片产品涵盖(直播)卫星、有线、地面和网络电视等应用领域,已经发展成为国内数字电视市场芯片产品种类最齐全、解调解码芯片出货量最大的本土芯片设计企业,目前杭州国芯已经经过孵化并成功上市新三板(证券代码:836173)。学科自主设计的嵌入式微处理器应用于杭州士兰微公司音频系统芯片,2012—2015年销售量达到400万颗,为企业带来直接经济效益5000余万元。

保持创新优势,实现国内领先。2012—2015年,信通学科继续以科研创新成果为基础,积极推动标准化领域的技术进步。学科带领行业领头企业和优势研究机构共同完成高效视频编码标准的制定(2016年已发布为GY/T299.1),其中应用了虞露研究团队的43项技术提案,该标准压缩效率较AVS1提高1倍,整体达到国际先进水平,部分达到国际领先的水平;提交50项国际标准提案,其中深度感保持、基于视点合成的视间预测等多项技术被ITU-TH.265即《ISO/IEC23008-2高效视频编码(多视频和3D视频编码)》标准采用,提高了3D视频的编码效率和恢复质量。这些新标准的相继推出将进一步提高数字视频通信产业的技术水平,推动超高清、3D和VR视频产业的发展。

(二)突破空—地—海无人平台系统关键技术,服务国家重大工程

信通学科在军民融合战略思想指导下,集中力量,重点突破,在无人平台复杂环境感知及监测通信网络技术方面取得重大突破,研究成果成功应用于国家重大工程,取得明显的社会效益和经济效益。

空天方面,信通学科在月面环境感知和导航的基础理论和关键技术方面进行了深入研究,在广角相机广义统一成像模型与标定、复杂月面光照环境下高精度定位与地形重建等方面取得了一系列技术创新与突破。通过与国家航天相关部门建立良好合作关系,学科开展的合作课题进一步实现成果转化。学科中标并开发完成的“玉兔号”月球车遥操作系统,包含全景图像拼接、立体匹配、三维恢复、月面环境评估、激光点阵三维恢复、视觉里程计、全局路径规划等11个主功能模块,以及数据与信息交互在轨支持软件,为我国2013年12月登陆月球的“玉兔号”月面巡视器成功完成任务做出了重要贡献。

陆地方面,信通学科连续25年承担总装备部有关地面无人平台的“八五”至“十二五”重点预研课题“××机器人导航技术”。“××地面智能机器人复杂环境理解与自主导航技术”(公布名)获得2012年度国防科学技术进步二等奖。

海洋方面,信通学科系统研究了声场与海洋动力同化、水下目标探测与海洋监测的理论、方法和技术,在无人平台载荷声传感器、水下AUV组合导航系统、海洋立体监测等方面取得了创新性成果。学院作为总体单位牵头承担的“863计划”开发的声场与海洋动力环境同步观测系统目前已成功进行示范,2015年年底已可提供南海某近海海域的准实时海洋环境动态变化特性,为业务化运行打好了基础,取得了明显的社会效益。学科研发的“多波束测深技术”系列专利成功转让,通过与无锡海鹰及杭州边界电子技术有限公司合作,推动了多波束测深系统的产业化工作。此外,徐文教授担任了国家自然科学基金委水声重点项目群指导专家和国家“863计划”海洋环境监测技术主题专家组召集人,参与组织国家海洋环境监测领域的战略规划、项目管理、成果转化等工作,并为“蛟龙号”载人潜水器的成功海试与应用示范做出了重要贡献。

(三)融合宽带通信与下一代广播电视网技术,促进“宽带中国”新兴产业发展

宽带产业发展与应用是国家战略性新兴产业发展“十二五”规划的重点领域之一,交互式移动多媒体融合了新一代宽带无线移动通信技术和数字多媒体广播技术,是国家《“宽带中国”战略及实施方案》的重点和核心,也是我国“无线数字城市”建设及通信产业打造的关键所在。信通学科研究团队在国家“下一代广播电视网(NGB)自主创新联合行动计划”(简称“NGB行动计划”)推动下,长期致力于融合宽带接入和数字电视广播,支持“三网融合”产业应用的关键技术研究、开发和推广;基于宽带通信领域的核心技术积累和创新性研究成果,针对国家建设智慧城市的新业态产业升级需求,进行了融合广播功能的宽带多媒体核心技术、系统研发及应用示范,并积极参与国家广电总局下一代广播电视示范网建设。学科团队骨干赵志峰博士多年来担任科技部、国家广电总局“NGB行动计划”实施领导小组总体专家委成员、国家广电总局“三网融合”专家委成员、国家发改委“宽带中国”战略起草组成员。

学科团队通过宽带网络与数字电视广播网络一体化,充分利用现有网络及相关资源,构建“天地一体”的立体型综合网络结构,根据业务发展的需要,提供家庭娱乐、家庭信息化、城市管理、户外电视等应用。该技术经华数数字电视传媒集团应用、推广,已完成产业化,推动杭州成为全国数字城市、宽带城市、智慧城市的重点示范城市,并继续被推广到全国广电网络,服务于浙江全省1300万家庭以及全国其他20多个省的100多个城市,年均创收超过30亿元。目前,该技术已被广泛应用于华数集团拥有的有线宽带、有线数字电视、无线宽带、无线数字电视等“四位一体”的泛在化信息服务网络,实现了融合媒体产业的突破式发展。该技术成果获得了国家广电总局科技创新一等奖。

学科团队完成了有线电视宽带加速系统关键技术研发,利用有线电视网络的覆盖优势,通过在有线电视网络中部署宽带加速系统,可以快速、低成本地实现高带宽业务的部署,突破了当前发展宽带业务所面临的带宽瓶颈和成本压力。团队充分利用传统双向IP网络(有线/无线)接入的上行资源和HFC网络的下行带宽,结合DVB高速下行通道,组建了完整的宽带通道,建立了一种崭新的宽带业务模式。该技术结合国家科技项目“基于三网融合的宽带加速系统项目”和“数字家庭服务关键支撑技术研发与应用示范”,经华数集团应用、推广,已开始产业化,累计实现相关服务收入超过20亿元。该技术成果获得国家广电总局科技创新二等奖。

学科团队通过深化产学研协同发展,发挥了学科服务于国计民生的作用,极大地推进了国家“宽带中国”战略性新兴产业的跨越式发展。

(四)面向国防通信重大需求开展理论研究,推动通信装备研制,有力支持国防现代化

信通学科坚持以通信理论研究为基础,紧密结合国防通信国家重大工程和专用通信行业需求,与我国通信领域国防工业部门和骨干单位协作,合作承担国防通信技术攻关和装备研制任务,积极进行瓶颈技术攻关和创新,在新一代航空平台宽带数据链、大型舰队超视距通信组网系统等装备研制中取得突破性成果,为我国国防信息化装备研制做出了贡献。

信通学科深入挖掘国防通信需求和瓶颈问题,积累创新研究成果。在国防通信领域,10多年来学科团队一直紧密联系国防工业单位,跟踪国防通信需求。2012—2015年,团队在IEEE Trans.上发表论文80余篇,授权发明专利(含国防)30余项,为先进国防通信装备研制打下了理论基础。

信通学科应用通信理论研究成果,解决若干重点国防通信装备瓶颈问题,服务国防现代化建设。学科已建立了一支理论研究、关键算法设计、通信系统设计实现等各个方面均具有突出优势的无线通信团队,并与国防工业部门和军工集团紧密合作,积极开展关键技术攻关和装备研制工作。

信通学科长期坚持通信理论和国防工程需求相结合,从“十五”战术电台,到近5年的航空宽带数据链、舰艇编队超视距通信等诸多创新成果,这些成果突破了通信装备中的技术瓶颈,成功服务于国防现代化建设,其中多项技术甚至达到国际先进水平。学院信通学科已形成鲜明的学科特色,获得了国防通信领域权威专家、有关领导的高度认可,在国防通信领域产生了重要影响。