引言 1第一章研究方法 21工程研究前沿遴选 21.1论文数据获取与预处理 21.2论文主题挖掘 31.3研究前沿确定与解读 42工程开发前沿遴选 42.1专利数据获取与预处理 42.2专利主题挖掘 52.3开发前沿确定与解读 53发展路线图 54术语解释 5第二章领域报告 7一、机械与运载工程 71工程研究前沿 71.1Top 10 工程研究前沿发展态势 71.2Top 3 工程研究前沿重点解读 112工程开发前沿 192.1Top 10 工程开发前沿发展态势 192.2Top 3 工程开发前沿重点解读 23二、信息与电子工程 331工程研究前沿 331.1Top 10 工程研究前沿发展态势 331.2Top 3 工程研究前沿重点解读 382工程开发前沿 492.1Top 10 工程开发前沿发展态势 492.2Top 3 工程开发前沿重点解读 54三、化工、冶金与材料工程 651工程研究前沿 651.1Top 12 工程研究前沿发展态势 651.2Top 3 工程研究前沿重点解读 692工程开发前沿 782.1Top 10 工程开发前沿发展态势 782.2Top 3 工程开发前沿重点解读 82四、能源与矿业工程 921 工程研究前沿 921.1Top 12 工程研究前沿发展态势 921.2Top 4 工程研究前沿重点解读 962工程开发前沿 1092.1Top 12 工程开发前沿发展态势 1092.2Top 4 工程开发前沿重点解读 114目录全球工程前沿Engineering FrontsI全球工程前沿Engineering Fronts五、土木、水利与建筑工程 1241工程研究前沿 1241.1Top 10 工程研究前沿发展态势 1241.2Top 3 工程研究前沿重点解读 1282工程开发前沿 1382.1Top 10 工程开发前沿发展态势 1382.2Top 3 工程开发前沿重点解读 142六、环境与轻纺工程 1501工程研究前沿 1501.1Top 10 工程研究前沿发展态势 1501.2Top 3 工程研究前沿重点解读 1542工程开发前沿 1632.1Top 10 工程开发前沿发展态势 1632.2Top 3 工程开发前沿重点解读 167七、农业 1741工程研究前沿 1741.1Top 11 工程研究前沿发展态势 1741.2Top 3 工程研究前沿重点解读 1792工程开发前沿 1902.1Top 11 工程开发前沿发展态势 1902.2Top 3 工程开发前沿重点解读 195八、医药卫生 2021工程研究前沿 2021.1Top 10 工程研究前沿发展态势 2021.2Top 3 工程研究前沿重点解读 2092工程开发前沿 2212.1Top 10 工程开发前沿发展态势 2212.2Top 3 工程开发前沿重点解读 227九、工程管理 2411工程研究前沿 2411.1Top 10 工程研究前沿发展态势 2411.2Top 4 工程研究前沿重点解读 2452工程开发前沿 2602.1Top 10 工程开发前沿发展态势 2602.2Top 4 工程开发前沿重点解读 264总体组成员 277II1全球工程前沿Engineering Fronts引 言工程科技是改变世界的重要力量，工程前沿代表工程科技未来创新发展的重要方向。当今时代，世界之变、时代之变、历史之变正以前所未有的方式展开，新一轮科技革命和产业变革持续深入演进，人类社会面临前所未有的挑战。前瞻把握世界科技发展动向，准确识变、科学应变、主动求变，已成为各国的共同选择。为研判工程科技前沿发展趋势，敏锐抓住科技革命新方向，中国工程院作为国家工程科技界最高荣誉性、咨询性学术机构，自 2017 年起开展全球工程前沿研究项目，每年研判并发布全球近百项工程研究前沿和工程开发前沿，以期发挥学术引领作用，积极引导工程科技和产业创新发展。2022 年度全球工程前沿研究项目依托中国工程院 9 个学部及中国工程院工程系列期刊，联合科睿唯安开展研究工作。研究以数据分析为基础，以专家研判为核心，遵从定量分析与定性研究相结合、数据挖掘与专家论证相佐证、工程研究前沿与工程开发前沿并重的原则，凝练获得 95 个工程研究前沿和 93 个工程开发前沿，并重点解读 29 个工程研究前沿和 29 个工程开发前沿。为提高前沿研判的科学性，在前五年实践经验的基础上，2022 年度的研究工作进一步创新，在研究最初阶段探索制定技术体系，明确 9 大领域的技术边界和结构，梳理各分支技术之间的关联关系；在重点前沿解读过程中引入发展路线图工具，研判重点工程前沿未来 510 年的发展方向和趋势。本报告是 2022 年度全球工程前沿项目研究成果，由两部分组成：第一部分为研究概况，主要说明研究采用的数据和研究方法；第二部分为领域报告，包括机械与运载工程，信息与电子工程，化工、冶金与材料工程，能源与矿业工程，土木、水利与建筑工程，环境与轻纺工程，农业，医药卫生和工程管理共 9个领域分报告，分别描述与分析各领域工程研究前沿和工程开发前沿概况，并对重点前沿进行详细解读。工程前沿研判是一项复杂且有挑战性的工作。六年来，项目研究聚焦全球工程科技发展的热点和难点，将前沿研究、学术论坛与期刊建设紧密结合，相互促进，逐步探索出一条别具特色的研究路径。工程前沿研究得到了来自我国工程科技界各领域、各机构近千位院士和专家的支持，在此向所有指导工程前沿研究的院士、参与工程前沿研究的专家表示感谢！2第一章研究方法工程是人类借助科学技术改造世界的实践活动。工程前沿指具有前瞻性、先导性和探索性，对工程科技未来发展有重大影响和引领作用的关键方向，是培育工程科技创新能力的重要指引。根据前沿所处的创新阶段，工程前沿可分为侧重理论探索的工程研究前沿和侧重实践应用的工程开发前沿。2022 年度全球工程前沿研究采用专家与数据多轮交互、迭代遴选研判的方法，通过专家研判与数据分析深度融合，在 9 个领域共遴选出 95 个工程研究前沿和 93 个工程开发前沿，并重点解读 29个工程研究前沿和 29 个工程开发前沿。各领域前沿数量分布如表 1.1 所示。工程前沿研究基本流程包括三步：数据对接、数据分析和专家研判。数据对接，主要是领域专家和图书情报专家依据各领域的技术体系，制定论文和专利数据检索式，明确数据挖掘的范围；数据分析，主要是通过共被引聚类形成文献聚类主题、共词聚类形成专利地图，获得前沿主题；专家研判，主要是通过前沿主题筛选、前沿名称修订、专家研讨等方法逐步筛选确定前沿。同时，为弥补因数据第一章 研究方法挖掘算法局限性或数据滞后所导致的前沿性不足，鼓励领域专家结合定量分析结果修正、归并、扩充前沿。研究实施流程如图 1.1 所示，其中绿色部分以数据分析为主，紫色部分以专家研判为主，红色方框为专家与数据多轮深度交互的过程。1 工程研究前沿遴选工程研究前沿遴选包括两种途径：一是基于Web of Science 数据库 SCI 期刊论文和会议论文数据，经数据挖掘聚类形成工程研究前沿主题；二是通过专家提名，提出工程研究前沿问题。以上结果经过专家研判论证、提炼得到备选工程研究前沿，再经过问卷调查和多轮专家研讨，遴选得出 9 个领域 95 个工程研究前沿。1.1 论文数据获取与预处理首先构建中国工程院 9 个学部领域技术体系与 Web of Science 学科的映射关系，获得每个领域对应的学术期刊和学术会议列表。经领域专家核实表 1.1 9 个领域前沿数量分布领域工程研究前沿/个工程开发前沿/个机械与运载工程1010信息与电子工程1010化工、冶金与材料工程1210能源与矿业工程1212土木、水利和建筑工程1010环境与轻纺工程1010农业1111医药卫生1010工程管理1010合计95933全球工程前沿Engineering Fronts与修订后，确定本年度重点分析的 9 个领域共计12 709 本学术期刊和 48 260 个学术会议。此外，针对 79 种综合性国际学术期刊，采用单篇文章归类的方法，即根据文章参考文献的主要归属学科来确定相关期刊中单篇文章的研究领域。针对每个领域的期刊论文和会议论文，参照Web of Science 高被引论文确定方法，综合考虑期刊论文和会议论文差别、出版年等因素，筛选出20162021 年期间发表的被引频次位于前 10%的高影响力论文（截至 2022 年 1 月），作为研究前沿分析的基础数据集。各领域数据源概况如表 1.1.1 所示。图 1.1 全球工程前沿研究流程工程研究前沿工程开发前沿技术体系最终文献专利检索列表专家确定专利检索式专家提名前沿问题专家确定期刊与会议列表专家提名前沿问题候选前沿热点论文数据分析专利数据分析专利地图专家数据交互专家补充前沿文献专利数据分析发展路线图50 研究备选前沿50 开发备选前沿10 个研究前沿10 个开发前沿重点解读3 个研究前沿重点解读3 个开发前沿问卷调查会议研讨1.2 论文主题挖掘基于基础数据集，利用共被引方法对高影响力论文进行聚类分析，获得每个领域的前沿聚类主题，每个聚类主题由一定数量的核心论文组成。其中，20162019 年出版的期刊论文和会议论文，按照核心论文的数量、总被引频次、平均出版年、常被引论文占比依次筛选，每个领域获得 35 个不相似的文献聚类主题；20202021 年出版的期刊论文和会议论文，按照核心论文的数量、总被引频次、常被引论文占比依次筛选，每个领域获得 25 个不相似的文献聚类主题。以上聚类分析中，如果各领域聚类主题有交叉，则递补不交叉的聚类主题，对表 1.1.1 各领域数据源概况序号领域期刊/本会议/个高影响力论文/篇1机械与运载工程5333 02696 9182信息与电子工程99921 306220 6673化工、冶金与材料工程1 2094 259292 7964能源与矿业工程9382 682149 3345土木、水利和建筑工程6501 28471 4846环境与轻纺工程1 3621 376225 1977农业1 363934165 5668医药卫生4 83512 072499 6909工程管理8201 32155 7784第一章研究方法于没有聚类主题覆盖的学科，按照关键词进行定制检索和挖掘，最终筛选得到 9 个领域 772 个备选研究热点（包括相似和不相似的主题），如表 1.2.1所示。1.3 研究前沿确定与解读与论文数据处理挖掘同步，领域专家基于专业背景知识并结合其他综合性科技情报信息，如科技动态、科技政策、新闻报道等进行分析判断，提出工程研究前沿问题，并将其融入前沿确定的每个阶段。在数据对接阶段，图书情报专家将领域专家提出的研究前沿问题转化为检索式，作为初始数据源的重要组成部分；在数据分析阶段，针对没有文献聚类主题覆盖的学科，领域专家提供关键词、代表性论文或代表性期刊，用于定制检索和挖掘；在专家研判阶段，领域专家对照文献聚类结果进行查漏补缺，对于未出现在数据挖掘结果中而专家认为重要的前沿进行第二轮提名，图书情报专家提供数据支撑。最终，领域专家对数据挖掘和专家提名的工程研究前沿素材进行归并、修订和提炼，而后经过问卷调查和多轮会议研讨，每个领域遴选出 10 余个工程研究前沿。工程研究前沿确定后，各领域依据发展前景、受关注度选取 3（或 4）个重点研究前沿，邀请前沿方向的权威专家从国家和机构布局、合作网络、发展趋势、研发重点等角度详细解读前沿。2 工程开发前沿遴选工程开发前沿遴选同样包括两种途径：一是基于 Derwent Innovation 专利检索平台，对 9 个领域53 个学科组中被引频次位于各学科组前 10 000 的高影响力专利家族进行文本聚类，获得 53 张专利地图，领域专家从专利地图中解读出备选工程开发前沿；二是通过专家提名，提出工程开发前沿问题。在这两种途径获得的备选开发前沿基础上，通过多轮专家研讨和问卷调查，最终遴选产生每个领域 10 余个工程开发前沿。2.1 专利数据获取与预处理在数据对接阶段，基于 Derwent Innovation 专利数据库，采用德温特世界专利索引（DWPI）手工代码、国际专利分类表（IPC 分类）、美国专利局分类体系（UC）等专利分类号和特定的技术关键词，初步构建 9 个领域 53 个学科组的专利数据检索范围及检索策略。领域专家对专利检索式删减、增补和完善，并提名备选前沿主题，图书情表 1.2.1 各领域文献聚类结果序号领域聚类主题/个核心论文/篇备选研究热点/个1机械与运载工程10 73443 8331032信息与电子工程22 34296 506713化工、冶金与材料工程29 447119 038614能源与矿业工程16 20468 338965土木、水利和建筑工程7 89334 3021266环境与轻纺工程24 30998 407937农业17 73669 902788医药卫生50 805214 345659工程管理5 66222 140795全球工程前沿Engineering Fronts报专家将其转化为专利检索式。以上两部分检索式整合后确定 53 个学科组的专利检索式，在 20162021 年“DWPI 和 DPCI（德温特专利引文索引）专利集合”中检索（专利引用时间截至2022年1月），进而获得相应学科的专利文献。最后对检索得到的百万量级专利文献根据“年均被引频次”和“技术覆盖宽度”指标进行筛选，综合评估得到每个学科前 10 000 个专利家族。2.2 专利主题挖掘在前面形成的专利家族数据基础上，针对 9 个领域 53 个学科组被引频次位于前 10 000 的高影响力专利家族，开展专利文本语义相似度分析，基于DWPI 标题和 DWPI 摘要字段进行主题聚类，获得53 张能快速直观呈现工程开发技术分布的 Theme Scape 专利地图，以关键词的形式展现所聚集专利的总体技术信息。领域专家在图书情报专家的辅助下，从专利地图中提炼技术开发前沿、归并相似前沿、确定开发前沿名称，得到每个学科组的备选工程开发前沿。同时，为避免遗漏新兴的或交叉的前沿，领域专家重视专利地图中低频次、关联性较低的离群技术点的研判。2.3 开发前沿确定与解读在专利数据处理与挖掘的同时，领域专家基于专业背景知识并结合其他综合情报信息，如产业动态、科技政策、新闻报道等进行分析判断，提出开发前沿问题，并将其融入前沿确定的每个阶段。在数据对接阶段，图书情报专家将领域专家提出的开发前沿问题转化为专利检索式，作为基础数据集的重要组成部分；在数据分析阶段，领域专家开展第二轮前沿提名，补充数据挖掘中淹没的专利量少、影响力尚未显现的新兴技术点；在专家研判阶段，领域专家研读高影响力专利，图书情报专家辅助领域专家从“高峰”“蓝海”和“孤岛”等多角度解读专利地图。最终，领域专家对专利地图解读结果与专家提名前沿进行归并、修订和提炼，得到备选工程开发前沿，而后通过问卷调查或多轮专题研讨，遴选出每个领域 10 余个工程开发前沿。工程开发前沿确定后，各领域依据发展前景、受关注度选取 3（或 4）个重点开发前沿，邀请前沿方向的权威专家从国家和机构布局、合作网络、发展趋势、研发重点等角度详细解读前沿。3 发展路线图技术路线图是描绘技术未来发展趋势的重要工具。为强化工程前沿的学术引领作用，在本年度研究中，各领域深入分析重点工程研究前沿和重点工程开发前沿的发展方向、发展重点和发展趋势，以可视化的方式绘制该前沿未来 510 年的发展路线图。4 术语解释文献（论文）：包括 Web of Science 中经过同行评议的公开发布的研究性期刊论文、综述和会议论文。高影响力论文：指被引频次在同出版年、同学科论文中排名前 10%的论文。文献聚类主题：对高影响力论文进行共被引聚类分析获得的一系列主题和关键词的组合。核心论文：根据研究前沿的获取方式不同，核心论文有两种含义如果是来自数据挖掘经专家修正的前沿，核心论文为高影响力论文；如果是来自专家提名的前沿，核心论文为按主题检索被引频次排前 10%的论文。论文比例：某个国家或机构参与的核心论文数量占全部国家或机构产出核心论文数量的比例。施引核心论文：指引用核心论文的文献。被引频次：指某篇论文被 Web of Science 核心6第一章研究方法合集收录的所有论文引用的次数。平均出版年：指对文献聚类主题中所有文献的出版年取平均数。常被引论文：指引文速度排名前 10%的论文。引文速度：是一定时间内衡量累计被引频次增长速度的指标。在本研究中，每一篇文献的引文速度是从发表的月份开始，记录每个月的累计被引频次。高影响力专利：每个学科依据 DPCI 年均被引频次排前 10 000 的 DWPI 专利家族。核心专利：根据开发前沿的获取方式不同，核心专利有两种含义如果是来自专利地图的前沿，核心专利指高影响力专利；如果是来自专家提名的前沿，核心专利指按主题检索的全部专利。专利比例：某个国家（作为专利优先权国家）或机构参与的核心专利数量占全部国家或机构产出核心专利数量的比例。Theme Scape 专利地图：基于 Derwent Innovation中的 DWPI 增值专利信息，通过分析专利文献中的语义相似度，将相关技术的专利聚集在一起，并以地图形式可视化展现，是形象反映某一行业或技术领域整体面貌的主题全景图。技术覆盖宽度：指每个 DWPI 专利家族覆盖的DWPI 分类的数量。该指标可以体现专利的领域交叉广度。中国工程院学部专业划分标准体系：按照中国工程院院士增选学部专业划分标准（试行）确定，包含机械与运载工程，信息与电子工程，化工、冶金与材料工程，能源与矿业工程，土木、水利与建筑工程，环境与轻纺工程，农业，医药卫生，工程管理共 9 个学部 53 个专业学科。7全球工程前沿Engineering Fronts1 工程研究前沿1.1 Top10 工程研究前沿发展态势机械与运载工程领域 Top 10 工程研究前沿涉及机械工程、船舶与海洋工程、航空宇航科学技术、兵器科学与技术、动力及电气设备工程与技术、交通运输工程等学科方向（表 1.1.1）。其中，属于传统研究深化的有人 机器人非接触式协作、水下导航定位技术、协同式无人驾驶与运行优化技术、高速列车湍流流场的主动/被动控制技术、机器人变刚度控制技术和小微型无人机探测；新兴前沿包括飞行器船舶甲板自主着陆技术、摩擦纳米发电技术、连续多维变构型飞行控制理论与方法和微型机器人主动给药技术。20162021 年，各前沿相关的核心论文发表情况见表 1.1.2。（1）飞行器船舶甲板自主着陆技术飞行器船舶甲板自主着陆是指在飞行器降落阶段，将机载设备得到的信息通过处理，获得精度足够高的降落信息，使飞行器自行完成着陆的过程，涉及船舶与海洋工程、飞行器设计、卫星导航、雷达跟踪、计算机视觉、人工智能等多学科的交叉融合。飞行器船舶甲板着陆技术经历了全人工模式、人工辅助半自动模式、全自动模式以及无人飞行器全自主模式四个阶段。相关研究主要分为两个方面：一是自主着陆引导技术研究，主要用于确定机舰相对位置、生成基准下滑轨迹、计算或测量轨迹跟踪误差等；二是自主着陆控制技术研究，探究具有鲁棒性的着陆控制策略及方法，在复杂环境下实现快速跟踪理想下滑轨迹，并能保持飞行器姿态的稳定性。到目前为止，飞行器船舶甲板着陆技术的研究已经向多信息、全方位、自主化方向发展，同时随着卫星导航、精密雷达、视觉导航、人工智能以及先进控制等相关技术的不断发展，飞行器甲板着陆的可靠性将越来越高，最终实现自动化、智能化着陆。表 1.1.1 机械与运载工程领域 Top10 工程研究前沿序号工程研究前沿核心论文数被引频次篇均被引频次平均出版年1飞行器船舶甲板自主着陆技术819123.882018.02人 机器人非接触式协作316153.672019.73摩擦纳米发电技术211 15755.102019.54水下导航定位技术852 83633.362017.65协同式无人驾驶与运行优化技术1022622.602018.06连续多维变构型飞行控制理论与方法1523215.472017.77微型机器人主动给药技术412 56462.542019.08高速列车湍流流场的主动/被动控制技术2086643.302017.79机器人变刚度控制技术634457.332017.210小微型无人机探测617529.172017.0第二章领域报告一、机械与运载工程8第二章领域报告：机械与运载工程（2）人 机器人非接触式协作人 机器人非接触式协作是指在同一物理空间中机器人与人保持足够的安全距离，同时辅助人类完成特定作业任务、降低人类劳动负担。它凸显了协作机器人的安全性、适应性和舒适性，即在人机协作过程中，机器人不伤害人，机器人能够准确理解人的需求并主动适应人的运动，机器人的动作符合人的认知习惯，让人理解机器人的动作意图。主要的研究方向包括：预防碰撞事件的传感技术与机器人设计方法，探究感知物体距离、接触力、关节力矩等多模态信息的新型传感技术，研究刚柔软耦合的机器人运动规律与变形机理，研发自主回避碰撞的协作机器人；基于机器视觉的人体运动意图的预测方法，研究非结构化环境中的物体识别算法，建立顺应人体操作意图、手眼协调的自适应控制算法，建立人机交互的混合现实界面；分析人体肢体多自由度运动的生物力学特征，揭示人体肢体自然运动规律，建立机器人拟人运动的仿生设计理论与机械生成方法，建立符合人类认知习惯的机器人运动轨迹规划方法与反馈控制技术。随着软材料科学、智能感知技术、人因工程等学科的发展，协作机器人可望在多模态感知、意图识别、环境建模、拟人运动、决策优化等关键技术取得突破，强化人机器人非接触式协作的交互体验与作业效能。（3）摩擦纳米发电技术摩擦纳米发电技术是指两种不同材料在机械力的作用下接触和分离时产生正负静电荷，相应地在材料的上下电极上产生感应电势差，从而驱动电子通过外电路在两个电极之间流动，进而将机械能转变为电能的技术。摩擦纳米发电技术经历了发电原理与工作模式探索、复合式发电拓展与电路集成和自驱动智能微系统三个阶段。相关研究主要分为三个方面：一是对摩擦纳米发电机的机理、材料、结构与性能提升的研究，探究摩擦起电的原理、发电机的工作模式，进而开发高性能的发电机；二是摩擦与压电等多机理融合的复合式发电机拓展并与电源管理电路进行集成，重点研究如何高效采集环境中的多元能量并进行有效转化存储和应用的技术；三是将发电机与传感等功能进行一体化集成，实现能够长期稳定工作的“功能 供能”自驱动智能微系统。摩擦纳米发电技术以其高效采集环境能量、主动式高灵敏传感、易于微小型系统集成等优势，为低功耗可穿戴智能电子器件和微系统的创新发展提供了具有吸引力的技术方案，代表了微系统的发展趋势，在微纳能源、主动传感、自驱动系统等领域具有广泛的应用前景。（4）水下导航定位技术水下导航定位技术是解决各类水下潜航器在特表 1.1.2 机械与运载工程领域 Top10 工程研究前沿逐年核心论文发表数序号工程研究前沿2016201720182019202020211飞行器船舶甲板自主着陆技术1222102人 机器人非接触式协作0010113摩擦纳米发电技术0056464水下导航定位技术26162013915协同式无人驾驶与运行优化技术2320216连续多维变构型飞行控制理论与方法4236007微型机器人主动给药技术15109978高速列车湍流流场的主动/被动控制技术3673109机器人变刚度控制技术13200010小微型无人机探测2301009全球工程前沿Engineering Fronts定坐标系下的位置、姿态、速度等运动状态信息主被动测量问题的一类技术的总称。惯性导航、水声导航、海洋地球物理特性导航是传统水下导航的基本方法。随着导航定位性能要求的不断提升，单一的导航模式已不能满足精度要求。以惯性导航为主，地球物理匹配导航和水声导航等为辅的组合导航系统已成为水下高精度、长航时导航定位技术发展的重要特点。惯性导航装置、海洋地磁场与重力场传感器、水下声波、海床地图、海洋水文环境、全球定位系统、水面浮标、水下信标等多源信息的高精度感知、时间同步、特征融合与匹配、位置推算处理等问题是当前该领域主要的研究热点。天文导航、多潜航器集群协同导航等新型水下自主高精度、高可靠导航方法也越来越受到关注。（5）协同式无人驾驶与运行优化技术由于道路和水路运输系统的复杂性与多样性，其无人化研发应用相较于航空、铁路运输方式起步较晚，但近年来以上两种运输方式运载工具的无人化、少人化以及单体智能技术取得了长足进步，道路交通中港口、物流园区、露天矿山等特定区域的无人驾驶已有规模化应用。水路交通的岛际间航行、渡轮和封闭水域的船舶智能航行也有应用案例。但在道路交通的干线运输和城市交通运输的车辆无人化，水路交通的远距离内河航道、远海和远洋船舶的智能航行仍存在技术瓶颈，突破道路和水路交通运输协同式无人驾驶与运行优化技术关键理论及方法，可以大幅提升无人驾驶可靠性和实现交通系统的高效运行。车辆无人驾驶和运行优化主要集中在群体智能决策控制方面，主要研究方向包括：车辆群体多维立体感知技术；运载过程车辆状态、道路条件、交通环境等各因素对车辆动力学的作用机理；特定区域下时间、空间和任务等高约束影响下的车辆群体决策优化方法，以及时变拓扑结构下异构车辆群体智能控制方法。船舶智能航行与运行优化主要集中在船舶协同远程控制技术方面，主要研究方向包括：复杂海况环境扰动下的船舶多体动力学建模、单船环境态势感知与自主航行、多船协同运动控制理论与方法、多船编队布局与路径规划方法等。未来发展重点强调单体动力学向群体动力学、个体感知向协同感知以及自主决策向交互决策转变，体现单个动作规划向群体系统优化的技术跃迁。（6）连续多维变构型飞行控制理论与方法连续多维变构型飞行器作为一种新兴前沿武器装备，已成为世界各主要军事强国重点发展的方向之一。该类飞行器能够大尺度改变气动构型，实现大飞行包线内的多任务飞行，在未来战场必将发挥颠覆性作用，对维护我国国家安全和发展利益具有重大意义。连续多维变构型飞行控制的主要研究方向包括：连续变形引起的飞行器模型不确定性和非线性分析方法；强不确定环境下飞行动力学耦合控制机理；刚 柔 液耦合的动力学特性与控制系统建模理论；大攻角敏捷机动下的平滑切换控制理论；变构型与飞行器的一体化智能控制方法；跨域无缝自主导航及环境 任务自匹配的在线自主规划决策等。未来连续多维变构型飞行器控制，将在以下方向实现突破：基于自适应强化学习方法的飞行器变形控制；分布式变形结构的网络通信特性和分布式驱动器之间的协调控制问题；时变特性、非线性和不确定性大尺度变体飞行器的飞行控制理论；通信受约束的大数目的驱动器的协调控制；共享信道的大规模分布式系统的协调控制；连续多维大变构下适应力学与控制弱模型、多物理场强耦合、任务与环境等强不确定条件的智能决策、自主控制与轨迹规划方法。（7）微型机器人主动给药技术微型机器人由于其具有体积小、可自主运动与可精确操控等特点，在主动给药和精准治疗等生物医学领域具有很好的发展前景。与传统药物粒子被动依赖于人体循环系统相比，微型机器人主动给药技术可以通过自我驱动或外部环境驱动，让微型机器人精确到达预定组织，从而实现精准给药的目标。目前，主要的驱动方式有化学/生化驱动、外场驱10第二章领域报告：机械与运载工程动和生物驱动等。这一技术的关键在于根据病理情况，有针对性地设计微型机器人的载药、驱动与释药方式，实现药物的精确送达，提高药物的效率，并减少药物副作用。未来，微型机器人主动给药技术在生物/人体安全性，驱动及导航等方面仍然存在诸多挑战。（8）高速列车湍流流场的主动/被动控制技术随着高铁列车速度的不断提高，列车所受到的气动阻力急剧增高，并在总阻力中所占的比重越来越大；与此同时，气动噪声将超过牵引噪声与轮轨噪声成为最主要的噪声源。上述现象会导致巨大的能源消耗和噪声污染问题。列车在高速运行时受到的气动阻力和产生的噪声均与列车周围的湍流流场密切相关。因此，为了保证列车安全运行并达到“节能、环保、舒适”的要求，对列车周围的湍流流场实施主、被动控制成为一个日益突出并亟待解决的问题。而近年来不断发展的主、被动流动控制技术和理论为高速列车湍流流场的控制提供了可能，并已成为领域研究热点。高速列车湍流流场的控制研究旨在通过控制大尺度湍流涡结构或近壁湍流特征，实现减阻的目标，具体的研究方向包括：基于列车气动外形优化的减阻降噪研究；基于仿生结构扰流装置的高速列车气动减阻研究；基于表面球窝结构的被动减阻研究；基于尾部射流的列车减阻研究；基于新型等离子体激励器的高速列车壁面湍流减阻研究等。未来的发展趋势和研究方向包括开发能够适应列车严苛运行环境的高可靠性、高鲁棒性主动流动控制新技术，突破目前控制技术的瓶颈，以及发展基于机器学习的闭环式湍流流动控制方案和理论。（9）机器人变刚度控制技术机器人的刚度刻画了其与外部环境接触交互的行为特性。机器人变刚度技术将顺应机器人的优势与传统刚性机器人的性能相融合，不仅是机器人领域诸多分支的一项使能技术，而且也是机器人“具身智能”的重要体现。随着机器人从空间隔离的自动生产线走进人类工作生活环境，蓬勃兴起的人机协作共融、医疗康复助力、多指精细作业、足式仿生移动、软体机器人等应用依据交互过程的动态事件主动、实时地改变刚度，可以更好地达到任务鲁棒性、协作安全性、动作柔顺性、操作灵巧性、运动高能效的目标。传统变刚度技术通常采用被动变刚度方式，依靠在机器人的刚性结构上串联/并联弹性部件，离线调整弹性元件形态、尺寸的方式来改变机器人的支链刚度，往往导致结构尺寸大、整体质量重、刚度变比小、动态响应慢、“软”“硬”难以兼顾，无法满足新兴应用领域大刚度变比、高带宽、快速响应的要求。融合机器人的材料、结构和控制，实现“结构 驱动 传动 感知 控制”一体化，达成机器人主动变刚度是机器人技术发展的必然趋势，已成为机器人领域的热点。机器人变刚度控制技术的主要研究方向包括：智能材料 智能结构一体设计和控制，实现大变形运动和大刚度变比的统一，达到软体结构的“软”“硬”兼施；突破高功率密度(准)直驱技术，实现“驱动传动感知 控制”一体化，降低结构惯量，提高变刚度控制的快速性；突破机器人全身优化控制方法，降低高维复杂变刚度控制的复杂性，提高变刚度实时性和精准性；针对人 机器人 环境交互应用场景，采用机器学习方法，构建应用场景下的刚度规划库，提高应用场景引导的变刚度智能决策水平。（10）小微型无人机探测近年来，由于携带便利、操控简单、获取渠道多，小微型无人机已经出现滥用状况，无人机被用于非法肇事的可能性大幅增加，成为日益突出的安全威胁。然而，由于小微型无人机具有飞行高度低、速度慢、体积小等特点（“低慢小”目标），导致小微型无人机探测面临诸多挑战。目前探测手段主要有雷达探测、无线电探测、声波探测和光电探测等。雷达探测必须在低空复杂的背景和杂波的干扰下完成目标检测，目前相关研究集中于杂波和干扰抑制技术、回波信号的精细化信号处理技术等方面。无线电探测设备11全球工程前沿Engineering Fronts只能被动侦测空中目标的无线电信号。声学探测方面，由于无人机为电动机式驱动方式，其扰动小、噪声低、速度慢，以致很难被探测到。光电探测设备可以利用不同波段实现目标无人机图像的采集，具有广泛的应用前景。但是，可见光相机的探测距离相对有限，且与探测视野、探测细节不可兼得。红外探测分辨率有限，当距离较远时，很难将无人机像素与噪声点区别开来，基于人工智能的图像信息处理技术逐渐受到高度关注。为了满足实际复杂环境下的无人机探测需求，借助多源信息融合技术集成两种及以上传感器进行联合探测成为未来发展趋势。1.2 Top3 工程研究前沿重点解读1.2.1 飞行器船舶甲板自主着陆技术飞行器船舶甲板着陆技术是衡量舰载飞行器安全飞行的重要指标。根据相关数据统计，在起飞和降落阶段，人为因素所导致的航空事故甚至高达50%。因此，为飞行器提供自动化程度高、导航定位精度可靠的系统性引导降落方案将有助于进一步推广其应用场景，降低人员操作负担，所以研究飞行器甲板着陆技术具有极其重要的现实意义。与固定平台上降落相比较，在移动的船舶上成功降落需要克服更多的挑战，主要是着陆区域狭窄，并且在降落过程中会同时进行平移和旋转运动。此外，着陆阶段不可避免地会面临大气湍流、甲板风、舰船尾流等严重的外部扰动，当天气和海况条件恶劣时，这些情况将会更加复杂。随着科学技术的发展与应用，飞行器自主控制成为当前航空宇航科学与技术、控制科学与工程、信息与通信工程等学科领域的研究热点。为此，飞行器船舶甲板自主着陆是舰载机自主着陆和飞行器自主控制等相关技术的重要发展趋势。飞行器船舶甲板着陆技术经历了全人工模式、人工辅助半自动模式、全自动模式和无人飞行器全自主模式四个阶段。由于着陆环境十分复杂，精确的制导与控制技术成为舰载飞行器安全着陆的重中之重。我国关于飞行器船舶甲板自主着陆技术的研究起步较晚，但近年发展迅速。相关研究主要分为两个方面：一是自主着陆引导方面，探究多模态信息融合着陆引导技术，设计高可靠性的无线数据链路，发展高效率的实时图像处理技术，实现高精准度的自主导航定位；二是自主着陆控制方面，开发具有强鲁棒性的飞行控制技术，利用人工智能方法提高舰船甲板运动状态的估计精度，抑制舰船尾流、甲板运动、空中阵风等因素干扰，研究多系统集成的自主着陆控制技术，在复杂环境下实现快速跟踪理想下滑轨迹，并能保持飞行器姿态的稳定性。飞行器船舶甲板着陆技术离不开控制工程、传感器、计算机、人工智能等信息技术的发展，在导航、制导与控制、仪器科学、飞行器设计等学科领域具有重要理论研究价值，对我国实现强大海军力量、迈向海洋强国具有重要实际意义。“飞行器船舶甲板自主着陆技术”工程研究前沿中，核心论文发表量靠前的国家是中国和新加坡，篇均被引频次靠前的国家是澳大利亚、加拿大和突尼斯（表1.2.1）。在发文量前六的国家中，中国与新加坡合作较多，加拿大与突尼斯合作较多（图 1.2.1）。核心论文发文机构方面，南洋理工大学、北京航空航天大学和南京航空航天大学具有优势，篇均被引频次排在前列的机构是新南威尔士大学、迦太基学院、斯法克斯大学和魁北克大学（表 1.2.2）。在发文量前十的机构中，迦太基学院、斯法克斯大学、魁北克大学合作较多，而南洋理工大学、新加坡国立大学、新加坡国防科技研究院合作较多（其中南洋理工大学与北京航空航天大学存在合作）（图 1.2.2）。施引核心论文的主要产出国家是中国（表 1.2.3），施引核心论文的主要产出机构是北京航空航天大学和南京航空航天大学（表 1.2.4）。图 1.2.3 为“飞行器船舶甲板自主着陆技术”工程研究前沿的发展路线。12第二章领域报告：机械与运载工程中国新加坡澳大利亚加拿大突尼斯韩国表 1.2.2“飞行器船舶甲板自主着陆技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构序号机构核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1南洋理工大学225.004623.002017.52北京航空航天大学225.004422.002019.03南京航空航天大学225.004020.002018.04新南威尔士大学112.504242.002017.05迦太基学院112.503333.002017.06斯法克斯大学112.503333.002017.07魁北克大学112.503333.002017.08新加坡国防科技研究院112.501919.002016.09新加坡国立大学112.501919.002016.010蔚山国立科学技术研究所112.501313.002020.0图 1.2.1“飞行器船舶甲板自主着陆技术”工程研究前沿主要国家间的合作网络表 1.2.1“飞行器船舶甲板自主着陆技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家序号国家核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国450.008421.002018.52新加坡225.004623.002017.53澳大利亚112.504242.002017.04加拿大112.503333.002017.05突尼斯112.503333.002017.06韩国112.501313.002020.013全球工程前沿Engineering Fronts表 1.2.3“飞行器船舶甲板自主着陆技术”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家序号国家施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国10563.642020.02美国137.882019.13韩国127.272019.64意大利74.242019.45新加坡63.642020.06英国53.032019.67加拿大53.032020.28澳大利亚42.422020.29罗马尼亚31.822020.310印度31.822020.7蔚山国立科学技术研究所南洋理工大学北京航空航天大学南京航空航天大学新南威尔士大学迦太基学院斯法克斯大学魁北克大学新加坡国防科技研究院新加坡国立大学图1.2.2“飞行器船舶甲板自主着陆技术”工程研究前沿主要机构间的合作网络表 1.2.4“飞行器船舶甲板自主着陆技术”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构序号机构施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1北京航空航天大学1821.952019.92南京航空航天大学1518.292020.33北京理工大学910.982019.74同济大学78.542019.75哈尔滨工程大学78.542020.06北京科技大学67.322019.77南洋理工大学56.102020.08西北工业大学44.882020.09湖北经济学院44.882020.210重庆大学44.882020.214第二章领域报告：机械与运载工程里程碑子里程碑2022目标在复杂环境中实现安全自主着陆202320242025202620272028202920302031引入信息融合技术，实现全天候、全自动精确引导确定机舰相对位置、生成基准下滑轨迹、计算或测量轨迹跟踪误差实现快速跟踪理想下滑轨迹，保持飞行器姿态稳定降低人员操作负担，建立自动化程度高、导航定位精确的自主着陆系统需求应用和发展高精度快速模式识别、多模态信息融合技术、基于人工智能的扰动估计和强鲁棒性的飞行控制等先进技术，构建一个自动化程度高、导航定位精度理想且安全可靠的飞行器自主着陆系统智能化自主着陆系统是未来飞行器甲板着陆发展的必然趋势，有助于提升我国海防建设重点产品多系统集成与多体制融合的飞行器船舶甲板着陆系统结合卫星导航、精密雷达、视觉导航、人工智能以及先进控制等相关技术，进一步提高飞行器甲板着陆的可靠性；继续发展多系统集成着陆控制技术和多体制融合着陆引导技术高可靠性的无线数据链路通信方法高精准度的自主导航定位方法基于强化学习的高效率实时图像处理基于多源信息融合的引导方法基于神经网络的舰船甲板运动状态估计具有强鲁棒性的飞行控制技术关键技术高可靠性实时通信技术多模态信息融合着陆引导技术高精度快速模式识别技术基于人工智能的干扰估计多系统集成的自主甲板着陆技术强鲁棒性的飞行控制技术利用实时图像处理技术，实现高精准度的自主导航定位图 1.2.3“飞行器船舶甲板自主着陆技术”工程研究前沿的发展路线1.2.2 人 机器人非接触式协作随着绿色制造、智能制造、个性化定制等先进制造需求的日益强烈，机器人将人类专家的智慧与经验物化在制造活动中，使得制造系统能进行自主感知、推理、学习、决策等智能活动，并在制造中通过与人合作共事分担人类体力劳动，扩大、延伸和部分地取代专家的脑力劳动，提高制造系统的灵活性、适应性和自治性。人与机器人的密切协作正向人机共融方向发展，与人共融是新一代机器人系统的本质特征。传统工业机器人由于刚性高、响应快、力矩大等特点，只能在与人隔离的物理环境中工作以确保人员安全。协作机器人由于具有体积紧凑、灵活度高、主从示教等优点，已作为智能制造过程中的重要组成部分被广泛应用于电子加工、零件打磨、油漆喷涂、货物分拣或部件装配等场景中。自 1995 年通用汽车试图研制与工人协同工作的机器人起，相继出现了优傲机器人公司（Universal Robots）的 UR5、库卡机器人有限公司（KUKA）的 LBR iiwa、ABB 公 司 的 YuMi、发 那 科 公 司（FANUC）的 CR-35iA 等协作机器人，2016 年国际标准化组织针对协作机器人发布了最新的工业标准 ISO/TS 15066。人机共融的应用场景要求协作机器人具有安全性、适应性和舒适性，即通过人 机器人非接触式协作来防止人员伤害，机器人能够准确理解人的需求并主动适应人的运动，机器人的动作符合人的认知习惯，让人理解机器人的动作意图。主要的研究方向包括：预防碰撞事件的传感技术与机器人设计方法，探究感知物体距离、接触力、关节力矩等多模态信息的新型传感技术，研究刚 柔 软耦15全球工程前沿Engineering Fronts表 1.2.5“人-机器人非接触式协作”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家序号国家核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1意大利3100.0016153.672019.7表 1.2.6“人-机器人非接触式协作”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构序号机构核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1莫德纳和勒佐艾米利亚大学266.6715879.002019.02罗马大学266.672211.002020.5合的机器人运动规律与变形机理，研发自主回避碰撞的协作机器人；基于机器视觉的人体运动意图的预测方法，研究非结构化环境中的物体识别算法，建立顺应人体操作意图、手眼协调的自适应控制算法，建立人机交互的混合现实界面；分析人类肢体多自由度运动的生物力学特征，揭示人类肢体自然运动规律，建立机器人拟人运动的仿生设计理论与机械生成方法，建立符合人类认知习惯的机器人运动轨迹规划方法与反馈控制技术。随着软材料科学、智能感知技术、人因工程等学科的发展，有望在多模态感知、意图识别、环境建模、拟人运动、决策优化等关键技术上取得突破，强化人 机器人非接触式协作的交互体验与作业效能。“人机器人非接触式协作”工程研究前沿中，核心论文的主要产出国家是意大利（表 1.2.5）；核心论文的主要产出机构为莫德纳和勒佐艾米利亚大学与罗马大学（表 1.2.6），这两所机构有较多合作（图 1.2.4）。施引核心论文发文量排在前三位的国家是意大利、中国和美国（表 1.2.7）。施引核心论文的主要产出机构是莫德纳和勒佐艾米利亚大学、中国科学院和武汉理工大学（表 1.2.8）。图 1.2.5 为“人 机器人非接触式协作”工程研究前沿的发展路线。图 1.2.4“人 机器人非接触式协作”工程研究前沿主要机构间的合作网络莫德纳和勒佐艾米利亚大学罗马大学表 1.2.7“人-机器人非接触式协作”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家序号国家施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1意大利4723.742020.52中国4321.722020.33美国2311.622020.64英国189.092020.75德国147.072020.36瑞典136.572020.27西班牙94.552020.28法国84.042020.29芬兰84.042020.510葡萄牙84.042020.816第二章领域报告：机械与运载工程表 1.2.8“人-机器人非接触式协作”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构序号机构施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1莫德纳和勒佐艾米利亚大学1117.192020.52中国科学院914.062020.23武汉理工大学710.942020.44都灵理工大学57.812020.45意大利技术研究院57.812020.46意大利国家研究委员会57.812020.87梅拉达伦大学57.812020.08米尼奥大学57.812020.89米兰理工大学46.252020.210伯明翰大学46.252020.0里程碑子里程碑202220232024202520262027202820292030目标实现人机器人非接触式协作系统的实际工程应用需求重点产品关键技术协作机器人安全性、适应性和舒适性提升有效避免人机器人非接触式协作中的人身伤害人机器人非接触式协作在工程实践中应用机器人能够准确理解人类的意图，并主动适应人类的运动机器人的动作符合人类的认知习惯，使人理解机器人的动作意图软材料科学、智能传感技术、工效学等相关学科获得大力发展，并应用于协作机器人制造、控制与协调政府与产业协同一致，推动智能工厂大范围铺开，扩大协作机器人应用场景具有避碰能力的协作机器人多模态信息的新传感技术人体运动意图预测拟人运动机器人刚柔耦合软机器人的运动原理和变形机理非结构化环境中的对象识别具有运动意图预测和手眼协调的自适应控制人机器人交互的虚拟现实揭示人体肢体自然运动的机制、识别人体肌肉骨骼系统的生物力学特征建立仿生设计理论机器人拟人动作的生成符合人类认知习惯的反馈控制方法软材料科学、智能传感技术多模态感知、意图识别、拟人运动工效学环境建模、决策优化1.2.3 摩擦纳米发电技术进入 21 世纪，随着电子产品的推广和普及，便携式电子设备激增，随之而来的能源供给和存储问题也愈发突出。虽然器件本身能耗低，但是整体数目巨大，且分布式、高集成、智能化特性突出，依赖单一的传统电池技术已无法满足其深入发展的迫切需求。因此，能够收集人体自身和所处环境中无处不在的多源能量并转化为电能的摩擦纳米发电技术应运而生。它能够为穿戴式电子、电子皮肤、柔性电子等器件和系统提供可持续、无人值守、清洁的能源供给，是一种稳定可靠、高效的能量来源，在健康监测、生物传感、环境监测、人工智能等领图 1.2.5“人 机器人非接触式协作”工程研究前沿的发展路线17全球工程前沿Engineering Fronts加拿大中国美国英国域有着巨大的应用潜力。过去 10 年里，国内外研究机构针对摩擦纳米发电技术开展了深入广泛的研究，并经历了发电原理与工作模式探索、复合式发电拓展与电路集成和自驱动智能微系统三个发展阶段。当前相关研究主要聚焦在以下三个方面：在发电原理与工作模式方面，以电磁场分析和物理模型构建为切入点从源头分析摩擦起电的原理，全面研究接触分离、相对滑动、单电极、悬浮层等四种工作模式及其应用，建立摩擦发电机的理论模型，研究能量转换机制，实现高性能的材料 结构 应用一体化设计；在复合式发电与电路集成方面，重点研究摩擦与压电、电磁、光电等原理融合，从而实现高效采集多种环境能量的复合式发电机，研发与发电机输出特性相适应的高效电源管理与存储电路，实现能够高效稳定为微系统供能的电源模块；在自驱动智能微系统方面，研发集中在发电机与传感功能的集成上，一方面从发电机的输出信号中分析实现外界信号的传感，另一方面让发电机输出的电能为分布式传感器供能，从而让低功耗的微系统能够在无须人为更换电池的情况下长期稳定工作。摩擦纳米发电机作为可持续发展的微能源领域的下一个难点和制高点是实现智能微系统长期稳定工作的重要技术支撑，通过技术创新和性能提升，有望满足电子器件分布广、数量大、种类多、长期不间断工作的实际需求，为探索微系统的可持续供能模式提供了极具吸引力的实现方法和技术手段。推进摩擦纳米发电技术的深入发展，可提高我国在可持续发展微能源领域的自主技术水平，从而在自驱动智能微系统的研发领域占据领先地位。“摩擦纳米发电技术”工程研究前沿中，核心论文发表量与篇均被引频次排在前列的国家是中国和美国（表 1.2.9），且两个国家合作较多（图1.2.6）。在发文量前十的机构中，核心论文发文量排在前列的机构是加利福尼亚大学洛杉矶分校与电子科技大学，篇均被引频次排在前列的机构是斯坦福大学、重庆师范大学和重庆大学（表1.2.10）。其中，重庆师范大学、重庆大学、中国科学院、斯坦福大学合作较多（图 1.2.7）。施引核心论文发文量排在前三位的国家分别是中国、美国和韩表1.2.9“摩擦纳米发电技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家序号国家核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国1885.711 05358.502019.32美国1361.9071154.692020.23英国29.524422.002020.04加拿大14.763030.002019.0图1.2.6“摩擦纳米发电技术”工程研究前沿主要国家间的合作网络18第二章领域报告：机械与运载工程宾夕法尼亚州立大学加利福尼亚大学洛杉矶分校电子科技大学重庆师范大学重庆大学中国科学院斯坦福大学苏州大学西南交通大学佐治亚理工学院图1.2.7“摩擦纳米发电技术”工程研究前沿主要机构间的合作网络表1.2.11“摩擦纳米发电技术”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家序号国家施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国52453.582020.32美国18018.402020.33韩国868.792020.14新加坡474.812020.35印度383.892020.46英国363.682020.47澳大利亚242.452020.68马来西亚131.332020.89伊朗111.122020.710沙特阿拉伯101.022020.7表1.2.10“摩擦纳米发电技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构序号机构核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1加利福尼亚大学洛杉矶分校1152.3844940.822020.52电子科技大学628.57353 58.832019.23重庆师范大学314.29347115.672019.04重庆大学314.29347115.672019.05中国科学院314.29326108.672018.36斯坦福大学29.52262131.002018.57苏州大学29.5290 45.002018.58西南交通大学14.7696 96.002020.09佐治亚理工学院14.7695 95.002019.010宾夕法尼亚州立大学14.7671 71.002020.0国（表 1.2.11）。施引核心论文的主要产出机构是中国科学院、佐治亚理工学院和加利福尼亚大学洛杉矶分校（表 1.2.12）。图 1.2.8 为“摩擦纳米发电技术”工程研究前沿的发展路线。19全球工程前沿Engineering Fronts表1.2.12“摩擦纳米发电技术”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构序号机构施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国科学院11525.502020.22佐治亚理工学院5311.752019.93加利福尼亚大学洛杉矶分校5311.752020.64电子科技大学408.872020.05新加坡国立大学398.652020.36重庆大学316.872020.17广西大学306.652020.48苏州大学296.432019.79清华大学265.762020.210西南交通大学183.992020.3图 1.2.8“摩擦纳米发电技术”工程研究前沿的发展路线工作原理与材料和结构设计创新器件与性能系统集成产业化20202025203020352040织物/生物体等新型复合式多能量采集器自驱动式化学/生物传感通过技术创新和性能提升实现智能微系统长期稳定工作的关键技术，满足电子器件分布广、数量大、种类多、长期不间断工作的实际需求功率提升与效率提升完备性与耐久性柔性与生物兼容性电源管理能量存储混合能源采集自充电电池包柔性自驱动式传感器准度与精度稳定性耐久性微小型化与阵列化大数据分析可扩展性集成策略传感网络智能/低功耗人机交互界面设施/环境/交通/车况监测健康监测体内植入式生物医疗传感新材料的研发与结构设计新原理与新工艺的研发发电单元与组网策略研发多种能量复合式发电机以及与之相适应的高效电源管理与存储电路，实现能够高效稳定为微系统供能的电源模块自驱动传感与智能系统发展建议发电机与传感等功能进行一体化集成，实现能够长期稳定工作的“功能 供能”自驱动智能微系统目标自驱动式声学/磁学传感器便携性与安全性自驱动式力学传感器2 工程开发前沿2.1 Top10 工程开发前沿发展态势机械与运载工程领域的 Top 10 工程开发前沿涉及机械工程、船舶与海洋工程、航空宇航科学技术、兵器科学与技术、动力及电气设备工程与技术、交通运输工程等学科方向（表 2.1.1）。其中，属于传统研究深入的前沿有自主无人系统多传感器融合技术、大涵道比涡扇发动机、航空碳纤维增强复合材料 3D 打印技术、基于声光探测的水下无人机、智能移动机器人控制与感知系统和高功率密度高效率电动机；新兴前沿包括用于船舶舰艇的隐身超材料、新一代氢能燃料电池汽车技术、可回收复用航天器和可调曲度变形柔性机翼。各个开发前沿涉及的核心专利 20162021 年公开情况见表 2.1.2。（1）用于船舶舰艇的隐身超材料超材料具有天然材料所不具备的性能，拥有超常的物理特性，可以在电磁、声学、光学等维度上20第二章领域报告：机械与运载工程表 2.1.1 机械与运载工程领域 Top10 工程开发前沿序号工程开发前沿公开量引用量平均被引数平均公开年1用于船舶舰艇的隐身超材料524969.542018.72自主无人系统多传感器融合技术4682 1174.522019.53新一代氢能燃料电池汽车技术3331 3354.012018.14可回收复用航天器713484.902017.95大涵道比涡扇发动机3604 09411.372015.86可调曲度变形柔性机翼3591 9655.472017.57航空碳纤维增强复合材料 3D 打印技术672193.272019.18基于声光探测的水下无人机933443.702018.69智能移动机器人控制与感知系统1462 35916.162018.510高功率密度高效率电动机1123032.712017.9表 2.1.2 机械与运载工程领域 Top10 工程开发前沿核心专利逐年公开量序号工程开发前沿2016201720182019202020211用于船舶舰艇的隐身超材料0312111662自主无人系统多传感器融合技术123856801051693新一代氢能燃料电池汽车技术4835455849654可回收复用航天器35101316115大涵道比涡扇发动机5037242318156可调曲度变形柔性机翼4444595458367航空碳纤维增强复合材料 3D 打印技术3681014228基于声光探测的水下无人机96231119189智能移动机器人控制与感知系统6212622263210高功率密度高效率电动机111720201415展现优越的隐身效果。电磁隐身超材料通过多个谐振结构单元耦合、加载高阻超表面等手段提高隐身性能，与传统雷达吸波材料相比，厚度小、吸波性能强，对水面舰艇对抗雷达探测优势显著，在各类隐身超材料中通用性最强。利用声学超材料的低频带隙特性和超常物理特性，可以实现超强的低频吸声、减振、声目标强度控制等功能，其对潜艇的隐身效果最佳，有效降低声波探测的威胁。光学隐身超材料使目标目视发现距离大幅缩短，对光电探测隐蔽性好，但难以对抗雷达探测，适合视距范围内的隐身。目前，舰艇隐身正逐步从以隐身外形为主、局部应用吸波材料向隐身外形和隐身材料并重的方向发展，隐身超材料必将极大地提高装备隐蔽性和作战效能。（2）自主无人系统多传感器融合技术自主无人系统的多传感器融合技术是指以多无人个体构成的集群系统通过融合不同个体间以及同一个体不同类型传感器之间的信息来实现对周围环境的感知，进而完成集群对于复杂环境的理解、目标追踪、区域探测和灾害救援等任务。一方面，各类非结构化作业环境遮挡严重，电磁干扰强，且无人系统户外作业容易受到各类恶劣天气影响，21全球工程前沿Engineering Fronts导致单一的探测手段精准性差、探测范围严重受限。此外，复杂环境下的待检测目标存在类型多、尺度变化多、形态多样、特征不显著等特点，极大地加大了目标检测识别的难度。另一方面，多传感器融合可以实现各类传感器之间的优势互补以及系统内个体间的信息融合，从而有效地增大无人系统的感知范围，拓展其在各类复杂恶劣环境下的感知能力，显著提升目标检测的准确率。因此，实现多传感器融合技术将成为无人系统自主化、智能化的重要基石。主要研究方向包括：克服恶劣天气条件和复杂环境影响的多源信息预处理；异源、异构、异步信息的时空配准；大差异低质、弱相关信息的精确关联。（3）新一代氢能燃料电池汽车技术氢燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。在“碳中和”背景下，氢能已成为加快能源转型升级的重要战略选择。氢燃料电池与现有技术（如内燃机、柴油发动机）相比具有多个优势，如高能量转换效率和扭矩、零排放和低噪声等。氢燃料电池车系统的核心部件包括空压机、氢循环系统、车载储氢系统以及燃料电池电堆。其中燃料电池电堆约占汽车总成本的 60%，电堆中核心材料部分包括催化剂、质子交换膜、气体扩散层和双极板等。目前的商业贵金属铂基催化剂成本较高（约占电堆成本的 45%），同时其活性和稳定性仍需提高，因此发展高性能的低铂或非铂催化剂是未来方向。质子交换膜是一种固态电解质，目前研究集中于全氟磺酸质子交换膜和复合质子交换膜，但膜稳定性需要提升，同时制备工艺需要优化。气体扩散层需要满足收集电流、传导气体和排出反应产物水等重要作用，在导电性、结构稳定性、传质特性上仍需提升。双极板是电堆中的“骨架”，高导电导热性、超薄超轻是发展方向。目前，氢燃料电池关键材料（如催化剂和质子交换膜）仍严重依赖进口，部分技术被国外垄断，因此国内研究仍需不断深入。（4）可回收复用航天器可回收复用航天器作为未来航天器发展的重要方向，是一种能够以有效延长航天器寿命、降低航天器运行成本、提升航天器可靠性和使用便捷性为目标的先进航天器应用模式，可复用载人飞船和货运飞船、航天飞机、重复使用可机动轨道飞行器等均属于典型的可回收复用航天器。随着人类太空探索与开发活动的日益频繁，目前一次使用的航天器由于成本高、准备周期长，已很难满足需求。因此，能更加便捷与廉价地探索、开发和利用太空资源的可回收复用航天器应运而生，已成为当前世界航天技术研究的前沿热点，各航天大国均将其作为未来航天技术可持续发展的重点突破方向。可回收复用航天器需具备的可回收及可重复使用要求，对传统一次使用航天器的设计理念和方法提出重大挑战，其重点研究方向包括：可重复使用设计理论与方法、可回收复用航天器总体设计、可靠精确返回着陆技术、长时在轨精确轨/姿/热控与维护技术、高可靠可复用耐高温抗烧蚀热防护技术、结构寿命评估与健康管理技术等。（5）大涵道比涡扇发动机大涵道比涡扇发动机通常是指涵道比为 4 以上的涡扇发动机。大涵道比涡扇发动机的耗油率低、噪声小，广泛应用于大型民用和军用运输机等。大涵道比涡扇发动机的关键技术和发展方向包括：高性能，包括大尺寸风扇、高压压气机和低压涡轮的先进热力气动设计与加工制造，如三维叶片的气动设计、叶顶间隙的控制等；低污染，采用燃烧控制技术降低氮氧化物等污染物的排放，如分级燃烧、贫油直接喷射、富油/快速掺混/贫油燃烧等；低噪声，采用先进的气动声学设计和吸声降噪技术降低叶轮机械噪声、喷气噪声和燃烧噪声等；高可靠性，提升发动机整机和关键部件的可靠性，如长寿命大功率减速器的设计和加工制造等。22第二章领域报告：机械与运载工程（6）可调曲度变形柔性机翼可调曲度变形柔性机翼是通过结构的柔性变形来调控机翼弯度和厚度的连续、无缝变化。和传统刚性翼面相比，柔性翼面延迟了气流分离，提高了机翼升阻比，降低了气动噪声。相关研究包括四个方面：一是柔性可变形蒙皮，探究面内弹性大变形与面外抗弯承载的解耦设计机制，研究周期性胞元微结构的大变形机制与成型工艺，研究新型拓扑胞元微结构/超弹基体复合材料结构技术与变形协调，目标是实现柔性可变形蒙皮在变形方向具有良好的弹性、在非变形方向具有足够刚度、同时驱动蒙皮变形的力较小；二是可变形支撑骨架结构，开发基于刚柔耦合的结构型式和通过协同优化设计的全柔性结构，研究考虑柔性结构的可调曲度变形柔性机翼气动弹性分析方法与验证，研究变形骨架结构的低应力和高寿命设计方法；三是轻质高效驱动机构，开发新型轻巧驱动机构，研制高效比的压电、人工肌肉等驱动器，设计智能化控制策略，实现高效率、轻量化和高稳定性驱动系统；四是可调曲度变形柔性机翼集成与实验平台，研究新型结构、智能材料、先进传感与测试技术、高效小型化驱动器等技术与飞机机体集成，开展典型样件风洞测试和全尺寸机翼试飞验证。可调曲度变形柔性机翼技术是变体飞行器的重要方向，是未来绿色航空的发展趋势和飞机结构设计变革的大趋势。（7）航空碳纤维增强复合材料 3D 打印技术航空碳纤维增强复合材料 3D 打印技术是一种基于三维模型数据，通过逐层堆积的方式实现航空碳纤维复合材料零部件制造的技术。该技术根据实现方法的不同，可分为熔丝沉积成形（fused deposition modeling，FDM）法、陶瓷膏体光固化成形（stereolithography apparatus，SLA）法、激光选区烧结（selective laser sintering，SLS）法、薄材叠层快速成形（laminated object manufacturing，LOM）法，其中 FDM 法因其工艺成熟、成本低、可设计强等优点是当下 3D 打印航空碳纤维复合材料特别是连续碳纤维增强复合材料最常用、研究最广泛的方法。目前大量研究聚焦于揭示 FDM 工艺相关控制参数，如打印路径、打印温度、打印层厚度、打印材料、材料堆叠方式、打印扫描间距等对碳纤维复合材料的微观结构、孔隙率、界面特性、宏观力学性能的影响规律，由此提出针对打印设备、工艺参数、材料预处理等方面的改进与优化方法，并建立针对 3D 打印航空碳纤维复合材料的力学性能测试方法与评价体系，实现高力学特性复杂航空碳纤维复合材料结构一体化打印制造的目标。（8）基于声光探测的水下无人机基于声光探测的水下无人机主要是指搭载声学和光学类探测传感器执行水下环境目标探测任务的一类水下无人机。目前典型的水下声光类探测传感器包括声呐、激光雷达、视觉摄像头等。不同探测传感器由于探测原理不同，其探测的效果、完备性也各不相同。水下声学探测传感器原理是指通过接受水声目标辐射噪声或者散射回波，在一定范围内实现对水声目标的探测、跟踪、定位与识别，在广域海洋环境目标探测中，声学探测是最重要的也是最有效的方式。水下光学探测传感器探测效果易受海洋光学环境条件影响，在可见度良好、平静的浅水海域可实现高精度的目标定位，是声学探测手段的有效补充。目前该领域主要技术方向包括基于声光传感器的水下目标定位技术、基于深度学习的水下目标检测与识别技术、基于特征学习的自主探测技术等。结合水下无人机自主可控、隐身性能好、机动性能强等优点，为了实现在高维、动态、复杂、多变的水下环境中的有效探测，基于无人移动平台的声光联合探测技术将是该领域未来的发展方向，主要包括环境背景场建模、海洋环境目标特征库构建、多源传感器信息融合、水下无人机结构匹配优化等研究方向。（9）智能移动机器人控制与感知系统智能移动机器人是集环境感知、动态决策与规23全球工程前沿Engineering Fronts划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统，包括陆地移动机器人、水下移动机器人和以无人机为代表的飞行机器人。大部分移动机器人工作在非结构化动态环境，其性能的优劣涉及自主感知、自主导航、运动控制等多种关键技术。自主感知是移动机器人能够自主移动、适应环境、自主完成作业的前提，涉及多传感器信息融合、外参标定、三维目标检测与识别、场景识别与理解等技术。自主导航是移动机器人最为基础和核心的技术，涉及环境感知、地图创建、自主定位、运动规划等一系列技术。运动控制方法影响移动机器人运动和作业的稳定性，代表性的方法有基于运动学、动力学的同时镇定和跟踪控制，基于动态非完整约束的神经网络自适应控制等。移动机器人应用场景众多，要实现移动机器人的自主工作，需要发展高自适应性、高实时性、高可靠性和高移植性的智能化导航系统，其中涉及的环境信息获取、环境建模、环境认知、导航避障等关键技术将成为智能化移动机器人控制与感知研究的重点。（10）高功率密度高效率电机高功率密度高效率电机是一类结构紧凑、功重比高、节能性好的电磁机电能量转换装置，应用于新能源发电、电气化交通、高档数控机床和机器人以及航空航天装备等多领域，是上述装置装备的核心动力单元和关键执行部件。以电气化为代表的新一轮能量动力系统技术革命正在重构全球载运工具、制造业等产业格局，高功率密度高效率电机技术作为电气化核心机电能量转换装备，成为各国竞相争抢的技术制高点。但是由于受到材料、热管理及严苛环境条件等因素的制约，电机功率密度和效率的提升遇到多重挑战。目前业界主要围绕新型高转矩密度电磁拓扑、先进电工材料应用及精细化建模、高频损耗抑制、高效散热方法、结构集成与轻量化、多物理场协同优化设计等方向来展开研究，力图从强聚磁及多谐波磁场调制电磁新原理，超级铜线、超导等新电工材料，相变传热及直接油冷等新冷却技术，电 热 力多物理场协同智能优化新设计方法等方面进行关键技术突破来进一步提高电机的功率密度与效率运行极限，满足高功率密度高效率电机在新一代电气化交通载运工具和智能制造等新兴产业及多电战机、多电坦克等尖端武器装备中的应用需求并实现性能突破。2.2 Top3 工程开发前沿重点解读2.2.1 用于船舶舰艇的隐身超材料增强隐蔽性、对抗敌方综合探测体系，能直接提高舰艇生命力和作战效能。面对不断发展的探测手段，传统吸波材料的性能亟须提升，具有超常物理特性的超材料成为研究热点，在电磁、声学、光学等维度上展现出优越的隐身效果。电磁隐身超材料通过多个谐振结构单元耦合、加载高阻超表面等手段提高隐身性能，与传统雷达吸波材料相比，其厚度小、吸波性能强，美军DDG1000 大型驱逐舰、雷神公司透波率可控人工复合蒙皮材料是其典型应用。利用声学超材料的低频带隙特性和超常物理特性，可以实现超强的低频吸声、减振、声目标强度控制等功能。美国研究机构将六角晶胞铝制超材料用于水下装备的涂覆层，使水下装备可在声呐探测下隐身，拟将其应用于“弗吉尼亚”级核潜艇。中国科学院声学研究所研制的“三维水下隐身毯”、美国杜克大学的“声学斗篷”均利用超材料实现对声波隐身。此外，可见光波段的隐身超材料使目标目视发现距离大幅缩短，以“变色龙”超材料为代表，美国、俄罗斯等国家的研究机构利用电致变色玻璃原理研制出能随环境改变颜色和纹理的超材料，并应用于装备涂层实现光学隐身。总体来看，电磁超材料对水面舰艇对抗雷达探测优势显著，在各类隐身超材料中通用性最强。声学超材料对潜艇的隐身效果最佳，可以有效降低声波探测的威胁。光学隐身超材料对光电探测隐蔽性24第二章领域报告：机械与运载工程好，但难以对抗雷达探测，适合视距范围内的隐身。目前，舰艇隐身正逐步从隐身外形为主、局部应用吸波材料向隐身外形和隐身材料并重的方向发展，隐身超材料必将极大地提高装备隐蔽性和作战效能。目前，该前沿核心专利产出数量较多的国家是中国，核心专利的平均被引数排在前列的国家是加拿大、英国和美国（表 2.2.1）。其中，加拿大与英国合作较多，美国与印度合作较多（图 2.2.1）。核心专利产出数量较多的机构是光启尖端技术股份有限公司、航天特种材料及工艺技术研究所和洛阳尖端装备技术有限公司（表 2.2.2）。在核心专利的主要产出机构中，中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所与中国人民解放军国防科技大学存在合作（图 2.2.2）。图 2.2.3 为“用于船舶舰艇的隐身超材料”工程开发前沿的发展路线。2.2.2 自主无人系统多传感器融合技术近年来，世界各发达国家和经济体纷纷提出了无人系统技术发展路线图，加紧布局，抢占战略制高点。国务院印发的“十三五”国家信息化规划中提到，海洋无人系统需要与北斗导航、卫星、浮空平台和飞机遥感协作形成全球服务能力，强调了多源信息融合的重要性。国家“十四五”规划进一步指出要加强重大灾害防治先进技术装备创新与应用，对自主无人系统在复杂环境下的感知与探测能力提出了越来越严苛的要求。如何兼顾高精度和大范围这两个需求，保证无人系统探测既“看得清”表 2.2.1“用于船舶舰艇的隐身超材料”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家序号国家公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数 1中国3873.0811422.983.002美国815.3832264.9240.253韩国23.8520.401.004加拿大11.92448.8744.005英国11.92448.8744.006印度11.92204.0320.007日本11.92102.0210.008荷兰11.9230.603.009西班牙11.9210.201.00西班牙中国美国韩国加拿大英国印度日本荷兰图 2.2.1“用于船舶舰艇的隐身超材料”工程开发前沿主要国家间的合作网络25全球工程前沿Engineering Fronts中国船舶工业集团有限公司光启尖端技术股份有限公司航天特种材料及工艺技术研究所洛阳尖端装备技术有限公司东南大学豪威集团Lamda Guard科技公司Invictus Oncology公司中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所中国人民解放军国防科技大学图 2.2.2“用于船舶舰艇的隐身超材料”工程开发前沿主要机构间的合作网络又“识得全”已经成为研究的重点。多传感器融合技术可以实现多体多源传感器协同动态感知，做到同时提升感知系统的精度和范围，是解决复杂环境感知问题必不可少的一环。目前国内外已开展了自主无人系统多传感器融合的相关研究，出现了搭载双目视觉、激光雷达、导航雷达、毫米波雷达、侧扫声呐等传感器的多源信息配准系统，以及搭载侧扫声呐、磁力仪等多源传感器的异构无人集群海洋探测系统，对空中、水面、水下传感信息的动态配准与同步传输也已取得了一定的成果。例如，华中科技大学人工智能与自动化学院已实现多源配准 深度融合 协同追踪的一体化技术将探测模式从平面拓展为立体，检测遗落率小于 0.8%。但是，自主无人系统多传感器融合仍存在着低质信息关联、深度特征融合、时空同步配准等重大挑战。不同传感器之间存在采样频率不一致、空间坐标不统一、数据形式多样化的特点，给多传感器融合带来了困难。而集群中个体之间的姿态差异以及环境特征不显著的特点进一步加剧了空间配准的难度。此外，坑洼、泥泞、树林、障碍物等会阻挡和衰减信号，影响无线通信的可靠性，导致个体间的信息交互不能保证连续，由此产生的大量异质和残缺信息难以关联和互补。因此，亟须提出异源、异构、异步传感器信息的融合方法，开展自主无人集群多传感器融合，构建广域感知地图，使系统具表 2.2.2“用于船舶舰艇的隐身超材料”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构序号机构公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1光启尖端技术股份有限公司713.4681.611.252航天特种材料及工艺技术研究所59.62204.034.003洛阳尖端装备技术有限公司35.7771.412.334东南大学23.85102.025.005豪威集团11.9228557.46285.006Lamda Guard 科技公司11.92448.8744.007Invictus Oncology 公司11.92204.0320.008中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所11.92173.4317.009中国人民解放军国防科技大学11.92173.4317.0010中国船舶工业集团有限公司11.92132.6213.0026第二章领域报告：机械与运载工程图 2.2.3“用于船舶舰艇的隐身超材料”工程开发前沿的发展路线备全天候、适应复杂天气的环境感知能力。相关研究方向包括：针对传感器之间标定步骤多、耗时长的特点，研究传感器快速标定与配准方法；研究异源、异构、异步信息的时空配准方法，揭示异源、异构、异步感知信息的融合规律；研究大差异弱相关传感信息的精确关联方法；研究基于多传感器数里程碑子里程碑目标隐身超材料规模化成熟运用于船舶舰艇需求重点产品光学隐身超材料声学隐身超材料关键共性技术战略支持与保障电磁隐身超材料20222025掌握超材料隐身机理，突破电磁、声学、光学等维度隐身超材料的设计制造方法实现隐身超材料大规模批量化制造，逐步装备船舶舰艇，开展实战化验证维护国家海洋权益、加快建设海洋强国，事关国家战略安全。作为维护我海洋安全的核心利器，船舶舰艇的作战效能迫切需要全方位提升军事探测手段日益先进，隐身技术成为尖端科技，迫切需要从对抗探测体系的底层根源着手，利用具有超常物理特性的超材料来增强船舶舰艇的隐蔽性，提高装备作战效能我国船舶工业等高端装备产业转型升级，迫切需要核心关键技术突破创新，实现高质量发展对抗光电探测，研制光子晶体、变换光学、可见光、红外、激光、多波段融合、智能光学等形式的光学隐身超材料装备水面舰艇易暴露于光电探测的部位，推广到海上单兵、岸防等作战领域对抗声呐探测，研制声学散射、超声吸收等模式的声学隐身超材料广泛装备潜艇，适应海水长期浸泡侵蚀对抗雷达探测，研制电磁吸波、散射、干扰欺骗、有源对消等多种体制的电磁隐身超材料配合或替代传统吸波材料，满足长期服役要求，广泛用于船舶舰艇的主体结构加强科技情报工作，把握全球科技发展趋势和军事变革前沿态势微纳结构多物理场设计和仿真技术隐身超材料维护维修技术微纳结构、超材料规模化体系化制造技术超材料隐身性能测试、对抗技术20262030203120352036长期提高适用于海洋环境长期服役的隐身超材料性能，掌握大规模制造技术，开展实验验证并不断完善形成规模化、体系化发展战略需求技术需求产业需求新型智能隐身超材料开发智能蒙皮、智能选频、智能重构等先进新型隐身超材料技术，开展前瞻性研究，推广试验验证微纳加工关键原材料大规模自主生产能力加强交叉科学布局，在材料科学、微纳制造、电磁场、人工智能等领域开展联合技术攻关加强政策引领，制定产业规范，完善产业链布局，提高隐身超材料、新材料的研发支持27全球工程前沿Engineering Fronts天津大学南京航空航天大学国家电网有限公司航天特种材料及工艺技术研究所哈尔滨工程大学北京航空航天大学中国电子科技集团公司深圳大疆创新科技有限公司清华大学中国人民解放军国防科技大学图 2.2.4“自主无人系统多传感器融合技术”工程开发前沿主要机构间的合作网络据融合的语义地图和环境网络的构建方法；研究各类传感器特征空间的映射方法，实现信息的特征层深度融合。目前，该前沿核心专利产出数量较多的国家是中国，核心专利的平均被引数排在前列的国家是美国和英国（表 2.2.3），核心专利的主要产出国家之间没有合作。核心专利产出数量排在前列的机构是南京航空航天大学、国家电网有限公司和航天特种材料及工艺技术研究所（表 2.2.4），其中，南京航空航天大学与北京航空航天大学存在合作（图2.2.4）。图 2.2.5 为“自主无人系统多传感器融合技术”工程开发前沿的发展路线。表 2.2.3“自主无人系统多传感器融合技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家序号国家公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1中国45897.861 94091.644.242美国51.071527.1830.403韩国20.4310.050.504日本20.4300.000.005英国10.21241.1324.00表 2.2.4“自主无人系统多传感器融合技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构序号机构公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1南京航空航天大学153.211386.529.202国家电网有限公司122.56291.372.423航天特种材料及工艺技术研究所102.14371.753.704哈尔滨工程大学91.92492.315.445北京航空航天大学91.92331.563.676中国电子科技集团公司91.92271.283.007深圳大疆创新科技有限公司81.711095.1513.628清华大学81.71713.358.889中国人民解放军国防科技大学81.71221.042.7510天津大学71.50884.1612.5728第二章领域报告：机械与运载工程2.2.3 新一代氢能燃料电池汽车技术氢燃料电池可实现氢能的移动化、轻量化和大规模普及，能广泛应用于交通、工业、建筑、军事等领域。在道路交通领域中，氢能凭借零污染、可再生、加氢快、续航足等优势被誉为车用能源的“终极形式”。20 世纪 60 年代，燃料电池在美国国家航空航天局（NASA）双子星航天飞船上首次被应用。21 世纪，氢能技术发展逐渐成熟，日图 2.2.5“自主无人系统多传感器融合技术”工程开发前沿的发展路线里程碑子里程碑2015201620172018201920202021202220232024202520262027目标基于卡尔曼滤波、贝叶斯估计、DS推理融合多传感器信息，实现单个体对环境的高精度探测深度学习应用到传感数据融合实现从数据到特征的非线性深度融合基于多源异构数据的空间和时间关联性，实现低质残缺信息的自主修复基于稀疏贝叶斯及特征核函数方法实现异构、低质信息的精准关联，实现跨域无人系统协同感知融合需求自主无人系统多类传感器环境感知系统的构建基于多源信息深度融合的高精感知算法设计跨域、异构集群信息融合与立体侦察探测系统构建以5G技术为基础的高效、稳定、低丢包率的通信系统构建重点产品基于多传感器融合的自动驾驶设备基于多传感器融合的多机器人系统基于多传感器融合的无人艇、机集群限定场景下基于雷达与相机的自动驾驶技术开放道路下融合激光雷达、相机、惯导系统等多类传感器的自动驾驶技术基于感知共享的车路协同系统基于数据投影与卡尔曼滤波的单机器人自主探索与建图方法复杂环境下的灾害救援机器人感知系统基于多源异构传感信息融合的非结构化环境下多机器人协同救援系统基于语义分割及三维目标检测的融合激光雷达、相机与惯导信息的单无人艇高精避障基于多传感器融合及拓扑地图构建的多机器人协同覆盖探测水面目标高精协同定位算法基于多艇异源信息融合的无人艇集群区域覆盖对特定区域的协同频谱感知算法基于大差异、弱相关信息精确关联技术的无人艇、机集群多源异构信息深度融合及海域立体侦察探测系统关键共性技术多传感器数据融合技术多传感器时空配准技术基于卡尔曼滤波、贝叶斯估计及DS推理的数据融合技术基于深度学习特征自编码的数据深度融合方法大差异信息关联技术及低质残缺信息修复技术基于特定点空间映射的静态标定方法基于简单标志物特征映射的联合标定方法基于深度学习深层特征提取的高精配准方法自主无人系统多源、异构传感信息的动态配准与位置自校正方法保障措施在基础计算单元、通信、感知融合技术等方面取得突破。以复杂环境下自主无人系统多个体协同任务执行为导向，攻克异构、低质、弱相关信息关联融合的技术难题多传感器融合实现自主无人系统复杂环境感知29全球工程前沿Engineering Fronts表 2.2.5“新一代氢能燃料电池汽车技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家序号国家公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1中国12336.9422216.631.802日本9428.2348436.255.153韩国8425.2341230.864.904美国144.20936.976.645德国144.20372.772.646比利时20.60211.5710.507沙特阿拉伯10.30523.9052.008法国10.30110.8211.009西班牙10.3030.223.0010奥地利10.3000.000.00本丰田 2014 年推出全球首款量产型氢燃料电池汽车 MIRAI，2020 年推出的二代车续航里程可达到850 km。结合氢燃料电池的技术特性，我国工业和信息化部与中国汽车工程学会确定氢燃料电池未来主要应用于固定路线、中长途干线、高载重的卡车，计划在未来 510 年内实现燃料电池重型载卡车商业化运营，逐步替代传统燃油车市场。为了满足商业化的需求，目前氢燃料电池中的关键材料如催化剂、质子交换膜、气体扩散层和双极板的性能仍需改进。在催化剂侧，通过铂颗粒纳米化和合金化能够显著提升催化剂的质量活性并降低铂使用量，但是合金催化剂在燃料电池高电压、强酸性工况条件下的稳定性仍需要进一步提升。非贵金属催化剂如金属 氮 碳催化剂的活性已经可以媲美商业铂碳，但是稳定性亟须提升。商业的质子交换膜为全氟磺酸树脂，需要通过材料复合提升其结构强度并降低成本。气体扩散层由宏观多孔基材和微孔层组成，需要满足高电阻率、电极结构稳定、亲水/憎水平衡以及气体传输效率高等，目前技术仍被国外垄断。双极板的质量和体积占电堆的80%以上，所以降低双极板密度和厚度是提升电堆功率密度的重要一环。除电堆外，在储氢技术方面，低温液态储氢将成为未来车载长续航使用需求的最佳解决方案。同时在整个燃料电池系统管理中，氢气供给循环系统、空气供给系统、水热管理系统、电控系统以及数据采集系统都需要进一步优化，以保证燃料电池具有高的能量转换效率以及能量输出功率。总的来说，发展氢燃料电池汽车，需要进一步降低燃料电池中关键材料的成本并提升材料的重要性能指标（如在工况条件下的稳定性）。同时，配套的电解水制氢以及氢的运输技术问题也亟待解决。目前，该前沿核心专利产出数量较多的国家是中国、日本和韩国，核心专利的平均被引数排在前列的国家是沙特阿拉伯、法国和比利时（表2.2.5）。其中，日本与美国、奥地利两个国家存在合作，美国与韩国之间存在合作（图 2.2.6）。核心专利产出数量较多的机构是现代汽车公司、丰田汽车公司和起亚汽车公司（表 2.2.6）。专利主要产出机构中，现代汽车公司与起亚汽车公司存在合作（图 2.2.7）。图 2.2.8 为“新一代氢能燃料电池汽车技术”工程开发前沿的发展路线。30第二章领域报告：机械与运载工程三菱汽车公司现代汽车公司丰田汽车公司起亚汽车公司武汉格罗夫氢能汽车有限公司本田汽车公司东风日产汽车公司奥迪汽车公司国家电网有限公司武汉地质资源环境工业技术研究院有限公司中国日本韩国美国德国比利时沙特阿拉伯法国西班牙奥地利图 2.2.6“新一代氢能燃料电池汽车技术”工程开发前沿主要国家间的合作网络图 2.2.7“新一代氢能燃料电池汽车技术”工程开发前沿主要机构间的合作网络表 2.2.6“新一代氢能燃料电池汽车技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构序号机构公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1现代汽车公司7923.7240830.565.162丰田汽车公司6318.9227220.374.323起亚汽车公司3811.4119014.235.004武汉格罗夫氢能汽车有限公司329.61413.071.285本田汽车公司92.70453.375.006东风日产汽车公司51.501138.4622.607奥迪汽车公司51.50302.256.008国家电网有限公司51.5030.220.609武汉地质资源环境工业技术研究院有限公司41.20110.822.7510三菱汽车公司41.2050.371.2531全球工程前沿Engineering Fronts领域课题组人员课题组组长：李培根 郭东明院士专家组：王华明 冯煜芳 严新平 杨德森 林忠钦高金吉 徐 青 肖龙旭 杨树兴 王向明朱 坤 徐芑南 徐德民 其他专家组：樊小强 吴家刚 杨勇平 杨树明 宋 波司小胜 蔡建国 田大新 李隆球 刘 俊刘海涛 刘 巍 刘辛军 田 煜 黄海鸿向先波 陈玉丽 刘佳敏 李长河 袁成清徐 兵 曹华军 侯淑娟 陈根良 武元新姚 涛 王新云 李秦川 豆志河 王文先王 平 张卫华 王少萍 王西彬 王开云陈本永 陈 蓉 何清波 王海斗 毕传兴朱继宏 张 珂 杨立兴 黄明辉 谷国迎郭为忠 王文先 陈伟球 尧命发 殷国栋杨明红 邾继贵 于溯源 詹 梅 李永兵黄传真 蒋文春 曾祥瑞 李新宇 杨新文史铁林 夏 奇 龙 胡 刘智勇图 2.2.8“新一代氢能燃料电池汽车技术”工程开发前沿的发展路线里程碑子里程碑目标新一代燃料电池汽车技术需求重点产品电堆储氢系统关键共性技术战略支持与保障2020 2025 2030 突破核心技术，达到规模化示范完善产品，实现商业化发展材料开发：优化催化剂和载体的稳定性、增强质子膜机械力学性能、提高膜电极的抗腐蚀能力、提高扩散层的耐腐蚀特性电堆设计：优化电堆的一致性设计、优化电堆密封的耐久性、优化系统传热传质均匀性系统优化：优化电堆的温度循环、优化电堆的湿度循环、改善电堆的排水能力、减缓电压的循环变动、优化系统的供气质量电堆功率大于4.5 kW/L、额定点效率达到50%、冷启动温度低于35 电堆功率大于6 kW/L、额定点效率达到55%、冷启动温度低于40 催化剂发展35 MPa高压气态储氢方式，单位储氢成本降低至2000元/kg发展70 MPa高压气态储氢及低温深冷液态储氢Pt负载量降低至0.1 mg/cm2,Pt用量控制在11 g/辆Pt负载量降低至0.06 mg/cm2,Pt用量控制在68 g/辆把握全球科技发展趋势，制定标准产业规范，提升燃料电池汽车市场规模，完善产业链布局及配套基础建设燃料电池电堆及辅助系统质子交换膜超薄石墨双极板、一体化膜电极低铂及非铂催化剂32第二章领域报告：机械与运载工程执笔组：陈 欣 熊蔡华 郭家杰 张海霞 范大鹏严新平 张 晖 金 朋 张园园 夏 奇郑建国 罗 欣 孙 博 苑伟政 张海涛黄志辉 黄云辉 李 箐 刘晓伟 毛义军李毅超 李宝仁 张建星 陈文斌 曲荣海史铁林 陈惜曦33全球工程前沿Engineering Fronts1 工程研究前沿1.1 Top10 工程研究前沿发展态势信息与电子工程领域 Top 10 工程研究前沿见表 1.1.1，涉及电子科学与技术、光学工程与技术、仪器科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术、控制科学与技术等学科方向。20162021年，各前沿相关的核心论文发表情况见表 1.1.2。（1）空天地海一体化通信组网理论与技术空天地海一体化网络是以地基网络为基础，天基网络、空基网络和海基网络为补充和延伸，为广域空间范围内的各种网络应用提供泛在、智能、协同、高效的信息保障基础设施。在空天地海一体化网络中，空基网络由高空通信平台、无人机自组网络等组成，具有覆盖增强、使能边缘服务和灵活网络重构等作用；天基网络由各种卫星系统构成天基骨干网和天基接入网，实现全球覆盖、泛在连接、宽带接入等功能；地基网络主要由地面互联网、移动通信网组成，负责业务密集区域的网络服务；海二、信息与电子工程基网络主要是通过海上无线网络、海上卫星网络等满足海洋活动的通信需求。通过多维度网络的深度融合，空天地海一体化网络可以有效地综合利用各种资源，进行智能网络控制和信息处理，从而游刃有余地应对需求迥异的网络服务，实现“网络一体化、功能服务化、应用定制化”的目标，在广域移动覆盖、物联网、智能交通、遥感和监控、军事等领域中展现出广阔的应用前景。天基网络特别是低轨卫星星座相关技术处于核心地位，是构建无所不在、无所不联、无所不知的空天地海一体化网络的关键使能技术。目前，美国 SpaceX 公司的“Starlink”（星链）项目是低轨卫星星座竞争中的佼佼者，其计划发射 4.2 万颗卫星，构成一个可以覆盖全球的宽带卫星通信网络。截至2022年8月，已有超过 3 000 颗在轨低轨卫星，全球已有超越 50万宽带接入订阅用户。空天地海一体化网络同时面临着高动态、强异构、超复杂、多需求等挑战，其主要研究方向包括网络架构设计、通信协议设计、网络资源管理与优化、高效传输技术以及网络安全表 1.1.1 信息与电子工程领域 Top10 工程研究前沿序号工程研究前沿核心论文数被引频次篇均被引频次平均出版年1空天地海一体化通信组网理论与技术413 283 80.072019.62可信人工智能理论与算法15729 067185.142019.53互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基太赫兹成像技术1221 528 12.522018.34硅基人工智能光子计算芯片理论与设计862 505 29.132019.85空间引力波超精密探测技术22038 208173.672018.96原子尺度集成电路制造695 595 81.092018.77脑机接口技术临床应用研究2198 489 38.762018.88类人机器人行为发育学习与认知技术77519 6.742018.59量子电路与芯片理论577 432130.392019.010未来工业互联网体系架构与全要素互联技术775 146 66.832019.4 注：序号 3、4 这两个前沿采用全部检出论文作为核心论文。34第二章领域报告：信息与电子工程表 1.1.2 信息与电子工程领域 Top10 工程研究前沿核心论文逐年发表数序号工程研究前沿2016201720182019202020211空天地海一体化通信组网理论与技术226510162可信人工智能理论与算法514223132533互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基太赫兹成像技术2225221720164硅基人工智能光子计算芯片理论与设计3651025375空间引力波超精密探测技术2529343543546原子尺度集成电路制造1010121212137脑机接口技术临床应用研究2531353941488类人机器人行为发育学习与认知技术1212141413129量子电路与芯片理论7778141410未来工业互联网体系架构与全要素互联技术4612141526与隐私等。（2）可信人工智能理论与算法可信人工智能，旨在增强复杂人工智能系统和算法（如深度神经网络）的可信度。具体地，可信性概念蕴含了不同层面的含义：人工智能系统在知识表征方面的可解释性与可量化性；人工智能系统在表达能力方面的可解释性与可量化性，包括泛化能力、鲁棒性、公平性与隐私保护性等；人工智能系统在学习与优化能力方面的可解释性；众多人工智能算法内在机理的可解释性。为了推进可信人工智能的发展，当前的研究热点聚焦于：定性或定量地解释人工智能系统建模的知识表征，如可视化深度神经网络中间层特征所蕴含的语义信息、量化输入变量对系统决策的重要性等；评估、解释、提升人工智能系统的表达能力，包括泛化能力、鲁棒性和公平性等；解释人工智能系统优化算法有效性的原因，探索并发现当前经验性优化算法的潜在缺陷等；设计可解释的人工智能系统，在系统设计阶段增强可信性。尽管可信人工智能近年来受到广泛关注，但几大关键性瓶颈问题仍少有涉及与探索。这些问题包括：探索、定位并量化决定人工智能系统表达能力的本质因素；对众多经验性的人工智能算法内在机理的统一与解释，揭示众多算法有效性背后的公共本质，实现对前人算法的去芜存菁；理论驱动的人工智能系统的设计与优化。事实上，国际上已有少数研究机构与团队（如麻省理工学院、上海交通大学等）发现上述关键性问题，并对这些问题做出一些前瞻性探索。（3）互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基太赫兹成像技术太赫兹成像技术利用连续或脉冲太赫兹波作用于目标物，用太赫兹探测器接收透过物体或被物体表面反射的太赫兹波信号，获得目标各点透射或反射的太赫兹波强度和相位信息，通过频谱分析和数字信号处理实现目标成像。在电磁波谱中，太赫兹波位于微波与红外波段之间，具有高透射性、低能量性、相干性、瞬态性等特点。这使得太赫兹成像技术具有传统成像技术（如可见光、超声波和 X 射线成像）无法比拟的优势，在国家安全、安全检查、生物医学以及环境监测等方面表现出广阔的应用前景。近年来，随着硅基工艺的不断升级，其射频性能得到很大提升，基于硅基工艺实现的太赫兹成像技术引起国内外学者的研究兴趣。互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）太赫兹成像技术具有小尺寸、低功耗等特点，能够满足高集成和低成本的太35全球工程前沿Engineering Fronts赫兹成像商用需求。CMOS 硅基太赫兹成像技术已经在分辨力方面取得了多项技术突破，康奈尔大学基于 55 nm BiCMOS（双极互补型金属氧化物半导体）工艺研制出具有 2 mm 横向分辨力和 2.7 mm距离分辨力的 220 GHz 成像系统。但如何突破衍射极限，进一步提升成像分辨力，依然是重要的研究方向。此外，针对硅基工艺在太赫兹频段的复杂寄生和耦合效应、太赫兹集成电路分布效应以及太赫兹源同步技术的研究，也是该领域的研究重点。（4）硅基人工智能光子计算芯片理论与设计人工智能（artificial intelligence,AI）是引领未来的战略性技术，而算力是支撑人工智能蓬勃发展的坚实基础。随着微处理器性能提升滞缓，摩尔定律面临失效，传统电子计算芯片由于“功耗墙”和“内存墙”的存在难以适应 AI 算力增长需求。与电子相比，光子作为信息载体具有先天的优势：低延迟、低功耗、高通量和并行性。硅基人工智能光子计算芯片通过利用硅基光子集成工艺，在硅基波导内基于光的物理传输特性实现线性模拟计算，可为人工智能应用提供具有强劲算力的光学芯片方案。近年来，硅基人工智能光子计算芯片研究受到国内外广泛关注。主要研究方向包括可应用于图像处理的矩阵卷积光子计算芯片、积分与微分光子芯片、复数域傅里叶变换光子芯片、储水池光子计算芯片、光子神经形态计算（类脑计算）芯片、NP 问题的启发式算法求解器、脉冲神经网络光子芯片等。硅基光子计算被视为后摩尔时代突破传统电子计算极限的潜在可行方案。随着硅基光电子集成度的不断提高，光子计算芯片不仅能极大地加快 AI算法处理速度，同时也为新型处理器架构创造了可能。将光子模拟计算和电子数字逻辑运算结合，实现优势互补的光电协同信号处理架构，将变革现有计算系统模式，构建高算力、低功耗的新型计算基础体系，是未来必然的发展趋势。（5）空间引力波超精密探测技术空间引力波探测是指利用多颗卫星在太空中组成巨型激光干涉仪进行引力波探测的方法。空间引力波探测主要面向毫赫兹附近的引力波探测频段，该频段在引力波源方面有类型丰富、数量众多、空间分布多样的优势，在对应的引力波信号方面有强度大、持续时间长等特征，这些因素使得毫赫兹频段成为引力波探测中的黄金频段，对于天体物理、宇宙学和基础物理等的研究都具有十分重要的意义。空间引力波探测的核心技术包括两大方面：一是建立引力波探测的“探头”，利用一组在引力场中做近乎理想惯性运动的参考物体为测量引力波导致的距离变化提供空间位置上的基准点，对应的技术称为空间惯性基准技术，需要攻克高精度惯性传感、微牛顿级推进、高精度无拖曳控制等难题；二是建立引力波探测的“尺子”，利用激光测量位于不同卫星上的惯性基准点之间的距离变化，对应的技术称为星间激光干涉测量技术，需要攻克超稳光学平台、长寿命星载稳频激光、弱光锁相等难题。空间引力波探测还要求革新航天器研制理念，比如原本属于卫星平台的推进器现已成为构建引力波“探头”的关键一环，卫星平台的结构和热稳定性等也已成为决定引力波探测能否成功的关键因素，因此引力波探测航天器的设计和研制需要打破平台和载荷之间的界限，作为一个整体来考虑。空间引力波探测对于任何一个科技强国都是一大挑战。欧洲航天局在经过近 30 年准备后，初步计划在 21 世纪 30 年代发射人类第一个空间引力波探测器，美国计划以参与者身份加入该项目；日本一直在推动发射自己的空间引力波探测器；中国正在积极开展空间引力波探测研究，力争抢占该领域制高点，科技部已于2020年启动实施“引力波探测”重点研发计划，重点包括对空间引力波探测关键共性技术的支持。36第二章领域报告：信息与电子工程（6）原子尺度集成电路制造所谓原子尺度，在集成电路中一般是指原子层厚度的尺度。原子层厚度取决于原子大小和晶格结构，通常是在0.1 nm的量级范围，比如0.20.5 nm。集成电路发展到 10 nm 节点以下，关键物理尺寸、关键微图形的误差容许范围、测量设备的精度等都已进入原子尺度范围。晶体管结构中越来越多的关键层厚度或宽度达到几个原子层厚度的范围，比如栅介质厚度、功函数金属栅材料厚度、鳍式场效应晶体管（fin field-effect transistor，FinFET）中 Fin 的宽度等均不超过 10 个原子层，集成电路制造工艺中常用的原子层沉积（atomic layer deposition，ALD）设备，每个周期（cycle）能够实现 0.030.07 nm 厚度的薄膜沉积，远低于原子层厚度。除了这种绝对尺度，在集成电路大规模量产中，为了提高良率，更为关注厚度或宽度的控制范围，比如功函数金属栅材料厚度偏差不能超过一个原子层，否则晶体管阈值电压和性能将出现不可接受的偏差，包含有上百亿个晶体管的芯片将会失效。为了确保上述尺寸的可精确测量，集成电路制造中使用的高精度测量设备其最高精度已经达到0.01 nm，小于一个原子层厚度。除此之外，学术界对于用二维材料、氧化物沟道材料制备晶体管等相关元器件及简单电路的研究较多，也为将来进一步实现原子尺度集成电路制造提供新的途径。（7）脑机接口技术临床应用研究脑机接口系统旨在建立一种脑与外部设备之间直接的双向交流通道，以同时实现对外部设备的控制和对脑的调控，从而达到监测脑状态、治疗脑疾病、增强脑功能等目的。自 20 世纪 70 年代“脑机接口”概念首次提出，脑机接口技术迎来了长足发展，并在近十年呈现爆炸式发展趋势。脑机接口关键技术包括：用于采集大规模神经信号的电极设计、制造与微创植入技术；从复杂大规模神经信号中估计脑状态的神经解码技术；用于调控神经群活动的电、磁、光刺激干预技术；基于神经反馈的智能优化神经调控技术；融合神经信号存储、解码、干预与调控为一体的高性能、低功耗智能芯片技术等。脑机接口技术在精神/神经疾病的诊断、治疗、康复等方面具有丰富广泛的应用场景。例如，面向恢复运动和感知功能的脑机接口主要通过神经信号解码大脑的运动状态，之后用于驱动外界设备，并同时直接向大脑提供感觉反馈，为治疗瘫痪等运动失能疾病提供了全新手段。近年来，这一类脑机接口进一步延伸到探索语言功能解码、视力功能恢复等更加精细的运动和感知功能修复。面向认知功能增强的脑机接口主要通过外界设备重建或者增强脑区间的沟通通路，进而修复或增强特定的认知功能，例如开发记忆假体以探索增强患者受损的记忆功能。面向神经和精神疾病治疗的脑机接口主要通过利用神经信号实时引导外界设备刺激脑区以精准干预疾病，这一类脑机接口在治疗帕金森综合征、癫痫、难治性抑郁症等重大神经和精神疾病方面展现了巨大潜力。虽然脑机接口技术的临床应用前景广阔，但在性能、精准、高效、安全等方面仍存在众多挑战，例如：开发长期稳定、生物兼容、时空分辨率高的神经信号采集及神经刺激硬件；开发精确、稳定的脑机接口解码算法，以达到对各种复杂外部设备的精细控制；开发精准、鲁棒的脑机接口调控算法，以达到对各种大脑状态有效、安全的调控；研究脑接机口技术的伦理与数据安全等。（8）类人机器人行为发育学习与认知技术类人机器人能够在与周围物理世界的交互中，以发育学习方式强化自身行为能力，提升机器人的运动、操作，以及理解、记忆和推理等类人认知水平，表现出更加智能的行为动作。相关技术称为类人机器人发育学习和认知技术。其研究方向包括：自主行为发育；具身智能（机器人在真实物理环境下执行各种各样的任务中完成本体结构和智能的进化过程）；可供性研究（机器人与环境之间的潜在行为以及这些潜在行为的影响）；机37全球工程前沿Engineering Fronts器人学习平台（仿真软件或者实物真机）。因此，首先需要开发具有学习和认知能力的类脑构架的新算法，尤其是记忆和学习。开发行为认知系统，可以使机器人像人类一样做到在运动技能和行为智能上主动、内驱和终身地学习与发育。在不同环境和任务中的可泛化的感知表示方法以及交织的多模态感知联合学习也至关重要。其次，将人工智能看作具有物理实体去进行研究，在仿真环境中研究机器人身体随自然选择的变化区别于将 AI 仅看作算法，这是完全不同的范式。同时，对机器人任务的可供性研究在救援和探索等任务中是必要的。分析机器人与环境之间的潜在行为以及这些潜在行为的影响，可以使机器人更好地在未知环境中完成任务。最后，需要进一步改进或者开发机器人平台，这更有利于对机器人与人类、环境之间的相互作用功能关系进行细致分析。（9）量子电路与芯片理论量子电路模型是描述量子算法的一种通用语言，其将量子算法表示为一系列量子门和测量等操作。许多著名量子算法（包括 Shor 算法、Grover算法和 HHL 算法等）都使用量子电路模型来给出具体描述。除此之外，量子电路模型也被广泛应用于量子物理、化学系统的模拟。目前，量子计算已经进入含噪中尺度量子（noisy intermediate-scale quantum，NISQ）时代，物理实验硬件所能支持的量子电路规模、深度和量子比特数都存在固有限制，量子电路的优化程度直接影响着量子计算机的适用范围。针对各种实际计算问题，设计规模尽量小、深度尽量浅、比特数尽量少的量子电路是量子电路领域的重要研究方向之一。另外，刻画不同资源禀赋下量子电路的计算能力以及与经典电路计算能力的差异也是一个重要研究方向。量子芯片是将量子电路小型化、集成化的工程化实现，是量子计算与量子通信等任务实现实用化与商业化的必然路径。根据量子电路所依赖物理平台的不同，量子芯片的技术路线可以分为超导量子芯片、半导体量子点量子芯片、光量子芯片等。目前，超导量子芯片从可集成的量子比特规模上领先于其他系统；半导体量子点系统由于其良好的扩展性和集成性，是实现固态量子计算的有力候选者；光学量子系统由于传统光芯片工艺和光通信技术的积累，在工程层面具有天然优势。量子芯片目前最主要的挑战是量子门的保真度、弛豫时间、串扰和测量误差，未来发展的重要方向之一是实现更大规模的电路集成，并不断提升量子比特相干特性、操控精度与速度以及可扩展性。（10）未来工业互联网体系架构与全要素互联技术“工业互联网”一词最早由美国通用电气公司（GE）于 2012 年提出，主要面向预测性维护，走向工业自动化智能化。随后，以德国为代表的欧洲国家于 2013 年提出“工业 4.0”，中国于 2015 年提出“中国制造 2025”，赋予了“工业互联网”更丰富的内涵，逐渐完善形成当前工业互联网全要素体系。工业互联网体系架构包括基础网络、平台能力和安全保障三大方面。全要素互联包括人、机器、物料、法则、环境等通过网络、标识系统的连接。同时，也涵盖贯穿价值链、供应链、产业链及研发、生产、物流等全生命周期的连接技术。这些技术包括四个方面：一是互通互联、确定性传输、标识解析以及算网融合等网络技术；二是数据的采集、清洗、训练、分析等数据技术；三是信息物理系统（cyber-physical systems，CPS）、模型和应用分析、供应链和生命周期管理等智能化平台和管理技术；四是网络、数据、物理安全等安全技术。工业互联网已经由概念共识进入尝试部署阶段。平台、标识、5G 等具体技术已经开始应用于工业中。工业互联网标识解析体系已在中国五大顶级节点上线运行。其技术和应用呈现以下趋势：更具体，基于工业互联网总体体系架构，考虑衍生出适用于指导各类场景落地的子架构，拓展中38第二章领域报告：信息与电子工程小企业应用；更融通，信息技术（IT）、运营技术（OT）和通信技术（CT）进一步一体化发展，解决云网生态互联问题，并通过虚实结合、数字孪生、确定性无损连接等提升生产制造各个环节的效率和质量；更安全，隐私保护、数据可信技术将进一步受到重视，解决人员、系统、设备的安全问题；更完备，以通信领域的优势推动整个自动化系统的发展，构筑先进的工业全要素互联体系，贯通上下游，支持新的工业结构的形成。1.2 Top3 工程研究前沿重点解读1.2.1 空天地海一体化通信组网理论与技术空天地海一体化通信组网是融合空基、天基、地基、海基的一体化组网技术，它能弥补传统地面网络在覆盖性、组网灵活性和节点差异性方面的不足，是实现“网络随地接、服务随心想”的重要条件和基础设施。然而，由于现有各通信系统机制不统一，资源分布差异性强，无线信道更加复杂多变，且网络安全性难以保证，空天地海一体化网络亟须在网络架构、通信协议、资源管控和高效传输四方面突破，因此对于该领域的技术前沿解读也从这四方面展开。第一，在网络架构设计方面，主要有两大趋势。国际移动通信标准化组织 3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）力主推进非地面网络（non-terrestrial network，NTN）（包含卫星、无人机等所有非地面网络）与地面蜂窝网络融合，使得 NTN 成为 5G 网络以及未来 6G 网络中的一部分，从而形成互联互通的空天地海一体化网络。另一个趋势是以软件定义网络和网络功能虚拟化技术为核心的虚拟化网络架构，形成高效、全局可控、低成本的空天地海一体化网络管控架构。该方向的主要研究机构包括滑铁卢大学、清华大学、北京交通大学等。第二，在通信协议设计方面，CCSDS 协议通过对相邻帧的迭代处理，可实现空天地海网络中有效载荷限制下近乎无损的多媒体流传输，极大地扩展了空间飞行任务信息系统的配套交换能力；DVB 系列协议克服了传统上行链路功率控制对射频前端体积的限制，有效提高了卫星通信链路的频谱效率，从而能进行空间段的优化，并大幅度降低基于卫星的 IP 服务成本。然而，这两种协议提出的时间较早，目前包括 3GPP 在内的多家组织和机构也在探索新型空天地海一体化网络通信协议。第三，在网络资源管控方面，目前主要有两个研究趋势：一是 AI 驱动的资源管控技术，它能适应传统空天地海融合网络中网络节点多、决策空间大、资源异构的特点，从而有效提高网络资源的利用率；二是以服务功能链或者网络切片为载体的资源调度技术，它通过软件定义网络和网络功能虚拟化技术将全网资源切片化，在保障用户之间业务隔离性的同时，亦能保障多维需求指标的满足，从而实现未来网络服务定制化的关键目标。该方向的主要研究机构包括清华大学、滑铁卢大学、西安电子科技大学、中国人民解放军国防科技大学等。第四，在高效传输技术方面，星间激光通信被认为是实现高速星间链路的潜在技术，相比于基于射频的星间通信，其可通过更小的天线尺寸实现更高的数据传输速率。同时，由于激光光束的特性，星间激光链路具有更窄的波束和更高的指向性，从而能在消除干扰的同时提供更高的安全性。目前，工程应用中主要的星间链路通信方式仍然是微波通信，预计将于 2023 年年底实现初步的星间激光通信测试及部署。该方向的主要研究机构有北京航空航天大学、西安电子科技大学、东南大学、北京交通大学和美国东北大学等。此外，低轨卫星星座系统建设也是空天地海一体化通信组网的重要发展方向。铱星移动通信系统是目前最早计划实施并部署的全球覆盖卫星网络，提出于 20 世纪 90 年代，但由于资金和技术等原因，美国铱星公司破产重组，逐渐淡出人们的视野。39全球工程前沿Engineering Fronts2015 年，美国 SpaceX 公司提出的“Starlink”让低轨卫星网络成为学术界和工业界的热点，其宣布将发射上万颗低轨卫星为全球提供高速带宽接入。截至目前，“Starlink”已经完成初步部署，下载速度最高可达 301 Mbps，并向几十个欧美国家提供了网络接入。除此之外，中国也有多个预备建设的低轨卫星通信系统，包括“天启”“鸿雁”“蔚星”“星网巨型星座”等，其中最早的预计能于 2023 年年底完成部署。“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家分布情况见表1.2.1。中国的优势明显，核心论文数排名世界第一，约为第二名加拿大的 3 倍。中国的国际合作对象主要是加拿大，并与英国、美国和日本等都有一定程度的合作（图 1.2.1）。排名前十的核心论文主要产出机构（表 1.2.2）中，滑铁卢大学产出的论文最多；另外，有 6 家机构来自中国，其余分布在日本、挪威和英国。在机构合作（图 1.2.2）方面，中国的 5 家机构与滑铁卢大学、2 家机构与萨里大学的合作较为密切，北京理工大学与挪威奥斯陆大学也有部分合作。施引核心论文数量（表1.2.3）方面，中国排名第一（占比为 49.62%），第二名是美国，其余国家的占比均低于 10%；排名前十的施引核心论文产出机构（表 1.2.4）中，除第五名滑铁卢大学外，其余都来自中国，体现了中国对该方向较高的关注度。目前，“空天地海一体化通信组网理论与技术”在国内外处于不同发展水平，但整体而言，都正处印度中国加拿大英国日本美国挪威沙特阿拉伯新加坡澳大利亚表 1.2.1“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家序号国家核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国3585.372 958 84.512019.62加拿大1331.711 260 96.922019.93英国819.51613 76.622019.94日本717.07781111.572020.05美国614.63328 54.672020.76挪威37.32499166.332019.07沙特阿拉伯37.32127 42.332021.08新加坡37.32126 42.002020.09澳大利亚24.88220110.002019.010印度24.88129 64.502020.5图 1.2.1“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿主要国家间的合作网络40第二章领域报告：信息与电子工程奥斯陆大学紫金山实验室滑铁卢大学西安电子科技大学东南大学清华大学日本东北大学北京理工大学萨里大学北京交通大学图 1.2.2“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿主要机构间的合作网络表 1.2.2“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构序号机构核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1滑铁卢大学819.51978122.252019.62西安电子科技大学717.07788112.572019.93东南大学717.07483 69.002020.04清华大学512.20296 59.202019.85日本东北大学49.76677169.252019.26奥斯陆大学37.32499166.332019.07北京理工大学37.32456152.002018.38萨里大学37.32362120.672020.39北京交通大学37.32341113.672018.310紫金山实验室37.32285 95.002020.7表 1.2.3“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家序号国家施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国1 63449.622020.42美国34010.322020.43加拿大3109.412020.24英国2196.652020.55韩国1474.462020.66印度1414.282020.57澳大利亚1303.952020.38沙特阿拉伯1193.612020.69日本1073.252020.410德国752.282020.341全球工程前沿Engineering Fronts于设计和初步部署阶段。图 1.2.3 为“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿的发展路线。从技术指标来看，到 2025 年，全球低轨卫星的星座最大规模为千颗级别，预计到 2030 年，单星座卫星规模将达到万颗级别；从传输性能来看，未来5 年内，低轨卫星网络的测试速率可达 500 Mbps，延迟最低可实现 60 ms，而在 2027 年到 2032 年，低轨卫星网络的测试速率将达到最低 5 Gbps，延迟表 1.2.4“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构序号机构施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1西安电子科技大学16615.262020.32北京邮电大学16114.802020.33东南大学14112.962020.64清华大学11110.202020.25滑铁卢大学11010.112019.96南京邮电大学766.992020.67北京航空航天大学766.992020.28北京交通大学676.162020.09鹏城实验室666.072020.710南京航空航天大学595.422020.5测试速率可达500 Mbps,延迟最低60 ms测试速率达到5 Gbps,延迟降低到最低20 ms单星座卫星规模达到千颗级别单星座卫星规模达到万颗级别全球卫星网络总吞吐量97 Tbps卫星网络总吞吐量218 Tbps卫星网络总吞吐量820 Tbps发展方向202220272032202220272032空天地海组网构建星间通信技术空天地海组网通信协议卫星多模融合终端潜在应用开发低轨卫星星座骨干搭建并进行终端测试微波波段标准化初步启动卫星多模网关研究与大型终端设计服务定义与网络性能研究低轨/极低轨卫星补充激光技术标准化完善卫星多模便携式终端研究按需服务支持研究（a）关键指标描述（b）发展成熟度描述图 1.2.3“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿的发展路线42第二章领域报告：信息与电子工程最低能实现 20 ms；从全球卫星网络总吞吐量来看，2022 年到 2024 年将达到 97 Tbps，而在 2025 年到2028 年将达到总吞吐量 218 Tbps，并在 2032 年前达到 820 Tbps。从发展方向来说，目前该工程研究前沿主要发展方向有空天地海组网构建、星间通信技术、空天地海组网通信协议、卫星多模融合终端和潜在应用开发五个主要方面。其中，在空天地海组网构建方面，目前全球正处于初步的低轨卫星星座骨干搭建与系统终端测试阶段，预计到 2025 年年底完成星座骨干的搭建，并在 2032 年之前根据应用需求补充低轨和极低轨卫星。在星间通信技术方面，当前低轨卫星星座网络星间通信技术较为薄弱，所使用的通信技术主要为微波通信，激光通信尚处研发阶段，预计在 2025 年开始激光传输技术的普及和正式使用。在卫星多模融合终端方面，终端对质量、体积、异构组网兼容、应用集成等方面有较高要求，同时需要适应于多系统、多频段、多网络和多应用等。目前看来，有关卫星多模的技术只处于初步阶段，相关的产品也局限于网关与较大型终端，这给野外工作、边境巡逻、应急抢险救援通信及单兵作战等带来极大的不便利性，预计在 20252032 年，便携终端将能设计完成并投入市场。在潜在应用开发方面，目前空天地海一体化组网与通信的应用场景主要集中于广域宽带接入、军事通信、物联网、车联网等方面，应用范围比较狭窄。未来将开始对更多潜在业务进行探索，以进一步发挥空天地海一体化网络的潜在能力。除此之外，在 3GPP、IMT-2030 等国际标准化组织的大力推动下，目前空天地海一体化通信与组网的标准化已经正式起步，部分议程正在逐步开展，预计在未来 510 年中，相关的技术、协议、指标要求等都将进一步完善。1.2.2 可信人工智能理论与算法复杂人工智能系统（如深度神经网络）的巨大成功令人工智能领域产生了飞跃式的变革。然而，由于其复杂的结构和庞大的参数体量，这些系统通常被视为黑盒系统。人们既无法理解系统内在的决策逻辑，也无法解释系统在表达能力方面的优势与缺陷，如解释神经网络为何具有优越的性能但却在对抗攻击下极其脆弱等。人工智能系统在决策过程、表达能力、优化能力等方面的不可解释性，极大地损害了系统的可信、可控与安全性，进而阻碍了人工智能在应用领域尤其是智能医疗、自动驾驶等高风险领域的广泛普及。为了建立可信、可控、安全的人工智能，学术界与工业界致力于增强人工智能系统与算法的可解释性。具体地，可信人工智能旨在增强人工智能系统在知识表征、表达能力、优化与学习能力等方面的可解释性与可量化性以及增强人工智能算法内在机理的可解释性。近年来，可信人工智能的主要研究方向包括：定性或定量地解释人工智能系统所建模的知识表征，如可视化中层表达蕴含的语义信息、量化输入变量对系统决策的重要性等；评估、解释、提升人工智能系统的表达能力，包括理论证明或实证研究神经网络泛化性、鲁棒性等的边界，解释神经网络的泛化性、鲁棒性、表征瓶颈等的内在机理，发展各种方法（如对抗训练）提升系统鲁棒性、公平性或避免隐私泄漏等；解释人工智能系统优化算法有效性的内在机理，探索当前经验性优化算法的潜在缺陷，如解释随机梯度下降、随机失活等优化手段为何有效，发现批归一化等经典优化操作的潜在数学缺陷等；设计可解释的人工智能系统，在系统设计阶段将可信性嵌入系统结构中，如通过设计卷积神经网络的目标函数，使高层卷积层的每个滤波器自动地表示某种语义。近年来，可信人工智能领域受到广泛关注，并取得众多核心研究成果。表 1.2.5 和表 1.2.6 分别列出了可信人工智能领域核心论文的主要产出国家、主要产出机构。表 1.2.7 和表 1.2.8 分别列出了该领域施引核心论文的主要产出国家和主要产出机构。可以看出，代表性的研究机构主要包括麻省理工学43全球工程前沿Engineering Fronts表 1.2.5“可信人工智能理论与算法”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家序号国家核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1美国6742.6821 672323.462018.92中国3622.931 990 55.282020.03英国1912.101 389 73.112019.84德国1811.461 501 83.392019.55意大利127.64319 26.582020.36奥地利95.73627 69.672020.07韩国85.10750 93.752019.88澳大利亚74.461 170167.142019.99加拿大74.46776110.862019.310瑞士74.46282 40.292019.3表 1.2.6“可信人工智能理论与算法”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构序号机构核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1加利福尼亚大学洛杉矶分校117.01875 79.552019.22斯坦福大学85.102 638 329.752018.23高丽大学63.82716 119.332019.54格拉茨医科大学63.82586 97.672019.75比萨大学63.82199 33.172019.86加利福尼亚大学伯克利分校53.184 561 912.202017.27柏林工业大学53.18710 142.002019.28弗劳恩霍夫海因里希赫兹研究所53.18695 139.002019.49上海交通大学53.18123 24.602020.610格拉纳达大学42.551 086 271.502020.2表 1.2.7“可信人工智能理论与算法”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家序号国家施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国7 37233.092020.42美国5 71925.672020.23英国1 7227.732020.34德国1 4716.602020.45韩国1 1305.072020.46澳大利亚9154.112020.47加拿大9014.042020.38日本8903.992020.39意大利7713.462020.410印度7393.322020.444第二章领域报告：信息与电子工程美国中国英国德国意大利奥地利韩国澳大利亚加拿大瑞士格拉纳达大学加利福尼亚大学洛杉矶分校斯坦福大学高丽大学格拉茨医科大学比萨大学加利福尼亚大学伯克利分校柏林工业大学弗劳恩霍夫海因里希赫兹研究所上海交通大学图 1.2.4“可信人工智能理论与算法”工程研究前沿主要国家间的合作网络图 1.2.5“可信人工智能理论与算法”工程研究前沿主要机构间的合作网络院、中国科学院、上海交通大学等，分布在美国、中国等国家。另外，许多核心论文是由不同国家的不同研究机构合作完成的，其中主要产出国家之间的合作网络和主要产出机构间的合作网络分别见图1.2.4 和图 1.2.5。尽管可信人工智能近年来受到广泛关注，但大表 1.2.8“可信人工智能理论与算法”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构序号机构施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国科学院75022.272020.32浙江大学3339.892020.43清华大学3259.652020.14哈佛大学2828.372020.45斯坦福大学2768.192020.26上海交通大学2667.902020.37麻省理工学院2607.722020.28电子科技大学2457.272020.49北京大学2166.412020.210武汉大学2126.292020.445全球工程前沿Engineering Fronts多数研究仍停留在工程性算法层面，如可视化神经网络的神经元、估计输入变量的重要性、用对抗攻击下的准确率评估神经网络的鲁棒性等，而对于可信人工智能领域中几大关键性、根本性的瓶颈问题却少有涉及与探索。这些问题包括：1）探索、定位并量化决定人工智能系统表达能力的本质因素。具体地，人工智能系统的众多指标（如网络结构、优化手段等）都会影响系统的表达能力，但这些指标往往蕴含了许多与表达能力无关的冗余因素，并不能揭示决定表达能力的根本因素。只有确切地定位表达能力的决定性因素，才能准确地评估、解释系统的表达能力。2）对当前众多经验性的人工智能算法内在机理的统一与解释。为解决某一个研究问题，学者们往往会从不同的经验性角度提出不同的人工智能算法。实际上，这些算法背后往往蕴含着相同或相似的内在机理。对这些不同经验性算法内在机理的统一与解释，可以揭示这些算法的公共本质，并从本质层面评估和比较这些算法的可靠性。3）理论驱动的人工智能系统的设计与优化，尤其是神经网络系统。目前人工智能系统的结构设计、训练优化大都是经验主义的，即人们从大量实验观察中找出行之有效的结构设计和优化方法。然而，我们需要找到统一的理论反馈指导系统的设计与优化，令人工智能系统具备满足特定任务需求的表达能力，方能真正实现系统的可控性。事实上，国际上已有少数研究团队，发现并重视了上述关键性问题，并在这些方向上做出了前瞻性的探索。例如，上海交通大学的团队统一地解释了众多提升对抗迁移性的算法；加利福尼亚大学伯克利分校的团队提出“自洽性”与“简约性”原则是人工智能系统的基石，并用这些原则指导设计了表征可解释、训练可解释的人工智能系统。在过去 10 年中，可信人工智能取得诸多研究成果。然而，从整个领域的发展进程看，其仍处于起步阶段，仍存在众多亟待解决的关键性瓶颈问题。具体地，如图 1.2.6 所示，未来 510 年的重要发展方向包括如下几个方面。第一，完善对知识表征的解释。当前对知识表征的解释大多源于启发性直觉，缺乏理论可靠性；这些解释也往往没有标准的答案以供参考，因此无法从实证角度验证解释的可靠性。因此，未来的研究重点可能包括：统一现有众多经验性解释，揭示其公共本质；发展具有理论保证的新解释；客观评估解释的可靠性。第二，深入发展对表达能力的解释与量化。未来的研究重点可能包括：探索并定位决定人工智能系统表达能力的本质因素；如何统一地解释众多提升表达能力的人工智能算法的内在机理；提出精确的量化指标，评估系统的真实表达能力；解释并证明系统在表达能力方面的特点和缺陷。第三，理论驱动的人工智能系统的设计与优化。图 1.2.6“可信人工智能理论与算法”工程研究前沿的发展路线2022发展方向完善对知识表征的解释深入发展对表达能力的解释与量化理论驱动的系统设计与优化统一现有众多经验性解释发展具有理论保证的新解释客观评估解释的可靠性对提升表达能力的算法的统一解释提出指标量化评估表达能力发现并证明表达能力的缺陷探索决定表达能力的本质因素探索网络结构与知识表征的关系探索模型性能与知识表征的关系探索泛化性、鲁棒性、公平性与知识表征的关系2027203246第二章领域报告：信息与电子工程目前，人们往往是从大量实验观察中找出行之有效的结构设计和优化方法，而可信人工智能需要我们找到统一的理论，有的放矢地反馈指导系统的设计与优化。为了实现这一目标，未来的研究重点可能包括：探索神经网络的网络结构与知识表征的关系；探索神经网络的模型性能与知识表征的关系；探索神经网络的众多表达能力（如泛化性、鲁棒性、公平性等）与知识表征的关系。1.2.3 互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基太赫兹成像技术传统太赫兹成像器件及系统的实现方式主要基于纯电子器件和纯光电两种。前者主要依赖于肖特基二极管和-族器件，后者主要依赖于光电导、光整流和量子级联激光器。这些设备在实际使用中成本高昂、体积庞大，有些甚至需要冷却设备辅助。此外，它们与传统的微电子封装不兼容，进一步增加了集成化难度。近年来，随着硅基工艺的快速发展，基于互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基工艺实现的太赫兹成像技术具有低功耗和小尺寸等特点，能够满足低成本和高集成度的市场化需求，逐渐成为国际太赫兹成像领域的研究热点。针对 CMOS 硅基太赫兹成像技术的研究情况分析如表 1.2.9 所示。美国、德国和中国在核心论文数量方面位居世界前三名，但在论文被引频次方面，中国下滑至第五名，被日本和法国赶超。表 1.2.10表 1.2.9“互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基太赫兹成像技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家序号国家核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1美国3831.15519 13.662018.32德国3327.05359 10.882018.73中国1814.75107 5.942018.44法国108.20147 14.702017.65波兰108.2042 4.202020.46立陶宛108.2041 4.102020.37以色列64.9217 2.832016.88瑞士64.9212 2.002017.29日本54.10222 44.402018.810英国43.28102 25.502017.0表 1.2.10“互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基太赫兹成像技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构序号机构核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1伍珀塔尔大学2016.39294 14.702018.52维尔纽斯大学97.3839 4.332020.73普林斯顿大学86.56301 37.622018.84波兰科学院高压物理研究所86.5639 4.882020.85加利福尼亚大学洛杉矶分校86.5620 2.502019.66密歇根大学64.92109 18.172018.07立陶宛约纳斯泽梅蒂斯军事学院54.1020 4.002020.88南京大学54.108 1.602018.69格拉斯哥大学43.28102 25.502017.010康奈尔大学43.2897 24.252017.547全球工程前沿Engineering Fronts展示了对该工程研究前沿中核心论文主要产出机构的分析：在核心论文数量方面，伍珀塔尔大学和维尔纽斯大学位居前列，中国只有南京大学排进前十。在论文被引频次方面，普林斯顿大学、伍珀塔尔大学和密歇根大学进入前三，南京大学论文被引频次位居末位。在国家间的合作网络（图 1.2.7）方面，中国的主要合作伙伴为美国；德国与欧洲、美洲和亚洲地区国家建立了广泛的合作关系。在机构间的合作网络（图 1.2.8）方面，欧洲大陆的立陶宛约纳斯泽梅蒂斯军事学院、维尔纽斯大学和波兰科学院高压物理研究所建立了稳定的合作关系，美国的康奈尔大学分别与加利福尼亚大学洛杉矶分校、密歇根大学建立了合作关系。表 1.2.11 所示为该前沿中施引核心论文的主要产出国家。中国占比超过三分之一，位居世界第一，美国和德国分别位列第二、第三名。在表 1.2.12 所示施引核心论文的主要产出机构排行榜中，中国占据绝对优势，有 7 家中国机构位列世界前十，另外 2 家为美国机构、1 家为德国机构。CMOS 硅基太赫兹成像技术的研究主要集中在高灵敏度、高集成度和高分辨力三个方面。最初的成像技术采用非相干的直接检测技术，但其灵敏度低、输入功率要求大，对固态电子产品也极具挑战性。0.13 m SiGe BiCMOS（锗化硅双极互补金属氧化物半导体）工艺相干成像收发器芯片的提出，将灵敏度提升 10 倍以上。为实现更高的分辨力成像，基于相干成像的阵列规模也逐渐扩大。但传统的相干检测阵列中的本振信号大多采用中心化设计，很不利于阵列规模的扩大。基于 65 nm CMOS工艺的 32 单元锁相密集外差接收阵列，可允许 2个交错的 44 阵列芯片在 1.2 mm2的芯片范围内集成，使得整个接收机阵列更加紧凑。在成像横向英国美国德国中国法国波兰立陶宛以色列瑞士日本康奈尔大学伍珀塔尔大学维尔纽斯大学普林斯顿大学波兰科学院高压物理研究所加利福尼亚大学洛杉矶分校密歇根大学立陶宛约纳斯泽梅蒂斯军事学院南京大学格拉斯哥大学图 1.2.7“互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基太赫兹成像技术”工程研究前沿主要国家间的合作网络图 1.2.8“互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基太赫兹成像技术”工程研究前沿主要机构间的合作网络48第二章领域报告：信息与电子工程分辨力提升方面，基于 55 nm BiCMOS 工艺的完全集成超宽带逆合成孔径成像技术可实现 2 mm 的横向分辨力和 2.7 mm 的距离分辨力。迄今为止，太赫兹成像分辨力取得了多项技术突破，但硅集成太赫兹成像器的分辨力一直受到衍射极限的限制，只能达到毫米范围的光斑尺寸。生物医学或材料表征中的许多应用需达到微米级分辨力，这可以通过从远场到近场成像来实现，并可实现 1012 m 范围的横向分辨力。在低成本和高集成度的市场化需求下，基于CMOS 硅基的太赫兹成像研究在过去 10 年逐渐成为热点，并取得飞速进步，产生了大量研究成果并推动太赫兹成像技术的发展。随着工艺的持续进步，太赫兹成像技术逐渐向高集成度、高精确度、大阵列等方向发展，但同时也面临着三大挑战：1）在不断提高的工作频率条件下，有源器件模型的有效性和无源器件的损耗逐渐制约了硅基工艺太赫兹电路的快速发展。同时，硅基工艺多层金属和多层介质的特点使得各个器件在太赫兹频段产生非常复杂的寄生、耦合效应，大大增加了太赫兹电路的设计难度。2）太赫兹频段波长短，有利于系统的集成。表 1.2.12“互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基太赫兹成像技术”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构序号机构施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国科学院8923.672019.92华中科技大学4010.642019.83伍珀塔尔大学369.572019.34天津大学359.312019.95电子科技大学349.042020.26普林斯顿大学297.712019.87北京大学266.912020.08浙江大学236.122020.29东南大学236.122020.010麻省理工学院215.592019.6表 1.2.11“互补金属氧化物半导体（CMOS）硅基太赫兹成像技术”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家序号国家施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国46434.732020.12美国27620.662019.73德国15011.232019.74日本765.692020.35韩国765.692019.96英国634.722019.87西班牙523.892019.98印度513.822020.29意大利503.742020.010法国443.292019.649全球工程前沿Engineering Fronts2022发展方向20272032原理研究原理发现可行性分析技术突破技术优化关键指标IC设计芯片制作在片测试技术优化与集成/4/4尺寸收发芯片实现突破，分辨力1 m/8/8尺寸收发芯片实现突破，分辨力2 500）、近零烧蚀、长时可重复使用的超高温陶瓷基复合材料，发展具有超高熔点的超高温陶瓷纤维及其复合材料，以及解决超高温陶瓷基复合材料规模化工程应用技术是重要发展方向。随着国际新型高速飞行器技术的发展和推进，高性能超高温陶瓷基复合材料及其构件在未来表 2.1.1 化工、冶金与材料工程领域 Top10 工程开发前沿序号工程开发前沿公开量引用量平均被引数平均公开年1极端环境超高温结构陶瓷基复合材料研发与应用3086312.052019.42大型复杂炼化工厂智能制造技术5539391.702019.03退役动力电池的短流程再生利用技术9422 1882.322019.44废弃塑料绿色回收和再利用8889301.052019.05电网级大规模熔盐储能技术4285341.252019.16精细化学品与原料药连续制造过程9055740.632019.47钢铁流程 CO2回收循环利用技术3884861.252018.88先进核岛关键装备用钢开发与应用1382892.092018.89新一代柔性显示玻璃材料与技术开发6138821.442019.510柔性显示器件关键制备技术及应用1 0155 2345.162018.7表 2.1.2 化工、冶金与材料工程领域领域 Top10 工程开发前沿核心专利逐年公开量序号工程开发前沿2016201720182019202020211极端环境超高温结构陶瓷基复合材料研发与应用1525505867932大型复杂炼化工厂智能制造技术597880881051433退役动力电池的短流程再生利用技术50691361842432604废弃塑料绿色回收和再利用721111761681502115电网级大规模熔盐储能技术44635454861276精细化学品与原料药连续制造过程50801461122083097钢铁流程 CO2回收循环利用技术47607345601038先进核岛关键装备用钢开发与应用1324202920329新一代柔性显示玻璃材料与技术开发4361589012623510柔性显示器件关键制备技术及应用13515716118818019480第二章领域报告：化工、冶金与材料工程几年内将呈现批量化需求趋势。（2）大型复杂炼化工厂智能制造技术炼化工厂智能制造技术主要借助自动化技术、通信技术、人工智能技术以及现代管理技术，从底层感知、全流程优化控制、顶层智慧决策等多角度，提升炼化企业产品质量、生产效率和经济社会效益。近年来，随着大数据、人工智能、5G通信等新一代信息技术的发展，炼化工厂智能化迎来新的发展契机。如何利用智能制造技术，解决长期以来制约炼化行业发展的高能耗、高碳排、高污染等问题，提升炼化工厂运维能力，推进炼化企业绿色可持续发展成为国内外研究的前沿课题。当前，炼化工厂智能制造技术前沿方向包括：复杂物料属性智能识别与实时感知；多场多相反应过程构效认知与模拟技术；开放环境下的全流程协同优化技术；安全风险智能管控技术；碳足迹溯源、监控与协同减碳技术。（3）退役动力电池的短流程再生利用技术随着新能源行业的快速发展，锂离子电池退役潮所引发的资源和环境问题在世界范围内受到广泛关注。退役动力电池结构复杂，成分多变，赋存多种高品位关键有价金属。传统的湿法冶金工艺流程长、能耗高、污染重、提取率低，无法适用于新型动力电池废料。如何针对退役电池种类的多样化、结构的复杂化、组成的差异化，发展以“短程”“高效”与“清洁”为核心的变革性退役电池再生利用新技术，实现短流程资源化利用，对于世界各国都有着至关重要的意义，也将为未来更复杂多样的新型新能源电池的再生利用提供借鉴意义。中国退役动力电池的资源化利用起步较早，在基础研究和工业应用方面发展较快，产业化规模大，处于世界引领地位。未来退役动力电池的短流程再生利用的研究重点应关注在基础理论创新、技术研发突破和数据平台建设 3 个方面。具体来看：首先，构建退役动力电池再生利用全产业链低碳、绿色、高效循环利用创新研究理论体系；其次，持续开发退役动力电池短程、安全、低碳循环利用关键技术，实现正负极材料短程再生；最后，构建全产业链碳足迹分析和再生利用过程系统评价方法，开发基于大数据的全过程物质代谢数据信息平台。（4）废弃塑料绿色回收和再利用近年来，伴随着世界经济的快速发展，全球塑料产量也呈指数级增长，现已达到每年约 4 亿 t。而由于固有的难降解性或不可降解性，绝大多数商品塑料正在环境中积累并会永久地污染环境。因此，有效地处置废弃塑料意义重大。目前，世界上废弃塑料的处置方法主要是焚烧、填埋与回收。焚烧与填埋可以快速地处理掉大部分塑料废弃物，但通常会造成二次污染。回收不仅不会造成二次污染，还可实现废弃塑料的资源化再利用，因此备受关注。然而，传统塑料回收技术常存在实施温度高、选择性低、产品性能降级等问题，所以其工业化应用受限。未来，废弃塑料回收技术的发展主要聚焦于以下几个方面：从原料要求苛刻的机械回收向原料适应性广的化学回收发展；从高温热化学回收向高选择性的低温催化化学回收发展；从降级回收向保级甚至是升级回收发展；从间歇式小规模回收向连续化大规模回收发展。（5）电网级大规模熔盐储能技术随着世界各国能源转型的不断深入，以光伏与风电为代表的可再生能源在能源供应中的占比不断提高。在一些欧洲国家，可再生电力在电网中的占比已经接近或超过 50%。这些波动性和间歇性的可再生电力的大量接入，需要电网级（GWh级）大规模储能技术的支持来降低弃风弃光和电网瘫痪风险，提高新能源系统的经济性和安全性。熔盐储能是一种显热储热技术，利用无机盐材料在高温熔融状态下升温或降温过程中的温差来实现热能存储。作为目前全球装机储能总量仅次于抽水蓄能的熔盐储能，有不受地域限制、储能成本低、安全可靠等优点，在光热发电站（concentrated solar power，CSP）中已实现超过 50 GWh 的装机81全球工程前沿Engineering Fronts量。但目前大规模商业化的熔融硝酸盐（主要是NaNO3-KNO3混合盐）技术因为高温热分解的问题，最高运行温度限制在 565 左右，而且硝酸盐材料价格受肥料市场的影响不稳定。熔盐储能技术未来发展主要聚焦在以下两个方面。下一代氯盐熔盐储能技术。相对于目前商业化的硝酸盐技术，氯盐有更低的材料成本且资源丰富、更高的运行温度（最高可到 800 以上），与先进的动力循环系统（如超临界二氧化碳循环）结合，可将热电效率提高到 55%以上，从而大大降低电站发电成本，如光热发电站。基于熔盐技术的电网级储电系统（如卡诺电池）。研究以熔盐储热技术为核心，结合熔盐电加热技术（或高温热泵技术）和先进动力循环系统技术，开发储电效率高（超过 70%）、储电成本低（与抽水蓄能相当）且不受地域限制的卡诺电池技术。（6）精细化学品与原料药连续制造过程随着人民生活质量的逐步提高，对精细化学品与原料药的需求量显著增大，且对产品质量提出了更高的要求。制造连续化、多单元操作间耦合设计是实现高效、高质量生产的必然途径。当前，美国、英国、欧洲等均提出了各自的连续制造发展路线，深度布局精细化学品与原料药连续制造过程开发应用，并朝小型化、集成化、智能化不断迈进。近年来，中国也在不断推进连续制造过程转型发展，大力开展精细化学品与原料药集成过程技术开发，在电子级化学品ppm级纯化、小分子原料药连续结晶、集成过程智能化设计等连续制造关键技术开发上取得了一定进展，但仍面临制造过程稳定性差、设计准确性低等问题。未来精细化学品与原料药连续制造过程的开发和应用一方面需从过程控制入手，重点采用集成优化控制开展全流程、全生命周期的工艺流程和产品质量优化；另一方面需结合先进的人工智能手段，使精细化学品与原料药连续制造朝着数字化和智能化方向发展，最终实现从原料到商业产品的高度集成化、连续化、智能化的精细化学品与原料药连续制造过程的系统性应用。（7）钢铁流程 CO2回收循环利用技术钢铁工业作为能源消耗大户，直接对应巨量CO2产出，但因缺少有效 CO2利用途径，只能任其排放。2021年，中国钢铁工业CO2排放近18亿t，约占全国总排放量的 16%。目前，世界各国积极推进钢铁工业 CO2循环利用前沿技术的开发，涉及钢铁 化工联产等方向。近年来，中国在不断探索和开发钢铁流程 CO2资源化利用技术方面走在了世界前列，在 CO2资源化用于转炉炼钢、电炉炼钢等关键工艺技术开发方面取得了重要进展，建成了“工业尾气 CO2回收炼钢转化 CO高质利用”示范产线，但仍存在一些技术瓶颈尚待突破。钢铁流程 CO2回收循环利用技术未来发展主要聚焦在以下三个方面：低成本、高效CO2回收技术，开发适合钢铁工业烟气特性的 CO2回收技术和吸附剂，进一步降低 CO2回收的能源消耗和成本，并提高 CO2回收效率；钢铁流程CO2资源化利用技术，将 CO2作为资源功能型介质拓展应用至钢铁冶金全流程，采用 CO2替代或协同其他气体共同完成生产任务，包括不锈钢冶炼、真空精炼、高炉炼铁等；钢铁流程 CO2跨领域协同处理技术，回收钢铁工业烟气中 CO2应用于化工、农业等行业，开发钢铁化工联产、钢铁农业碳汇等降碳技术。（8）先进核岛关键装备用钢开发与应用核岛用钢是核电站的核心关键部位用钢，也是技术要求最高的部分，按照材质来分，主要包括碳钢、低合金钢、不锈钢、特殊钢、部分镍基合金、钛合金、锆合金等，其形状有板、管、丝、棒、带、铸件等。反应堆压力容器、蒸汽发生器等核岛主设备长期在高温、高压或辐照环境下服役，要求主设备的壳体材料具有良好的抗疲劳性能和强韧匹配性，足够的抗中子辐照脆化能力，以确保核电厂的长期安全、可靠运行。随着第四代核能技术的快速发展，对核电用钢尤其是核岛用钢提出了新的要求。82第二章领域报告：化工、冶金与材料工程未来先进核岛关键装备用钢开发与应用主要技术方向包括：核岛结构材料开发，包括核用特种合金、核用材料制备技术及工艺等；核岛用钢的损伤机制研究，包括核岛用钢的应力腐蚀、腐蚀疲劳、流动加速腐蚀、辐照损伤与腐蚀的交互作用等；核岛用钢部件的安全性能研究，包括安全评价和寿命预测、延寿方法等。（9）新一代柔性显示玻璃材料与技术开发近年来，柔性显示技术已成为显示领域的重要发展方向，柔性玻璃等关键原材料是制约产业发展的重要环节。柔性显示玻璃材料是指厚度小于 100 m，可弯曲、可折叠的玻璃新材料，具有硬度高、耐高温、化学稳定好等优点，广泛应用于手机、车载、可穿戴设备、VR 显示等领域，是显示领域技术竞争的焦点。目前，柔性显示玻璃主要采用“两步法”制程：先用浮法、下拉等规模化工艺制备 100200 m 的玻璃原片；再将玻璃原片减薄至 70 m 以下供终端使用。未来，柔性显示玻璃材料的技术发展方向主要包括以下四个方向：薄型化，通过开发一次成型工艺，量产 3070 m 的柔性玻璃，大幅度提升柔性玻璃质量，以满足高清显示需求；高强化，通过玻璃本体结构调控、表面复合增强等新技术的应用提升玻璃强度，以满足复杂、严苛的服役环境需求；大尺寸化，不断扩大柔性显示玻璃尺寸，以满足柔性笔记本电脑、卷曲电视、3D 商显等大型柔性终端的发展需求；精密化，通过飞秒激光切割、卷对卷工艺等新方法，推动玻璃制造流程工艺变革。（10）柔性显示器件关制备技术及应用新一代信息技术的快速发展对作为信息窗口的显示器件提出了轻薄、省电、可折叠卷曲、大尺寸等要求，由柔软基板、中间显示介质、封装层组成的柔性显示器件在弯折、扭曲、拉伸或卷绕下能有效保持原有显示功能，成为未来显示技术发展的必然选择。当前显示产业中多种技术竞相发展，如液晶显示（liquid crystal display，LCD）、有机发光二极管（organic light-emitting diode，OLED）显示、量子点（quantum dot，QD）显示、发光二极管（light emitting diode，LED）显示、电子纸（E-paper）显示、三维（3D）显示、激光显示（laser display）等。面向万物互联信息化发展中的柔性需求，印刷显示、微米发光二极管（micro-LED）显示、光场显示等成为新一代显示技术的代表。在市场化和大规模应用中，柔性显示器件瞄准未来超低能耗、超轻薄、多维度可变形的发展需求，不断聚焦关键材料和器件集成技术的突破，实现装备到整体制造技术的升级换代。伴随着柔性显示技术的快速发展和人机交互的深度拓展，柔性显示器件锚定在显示、通信和交互的多功能智能化道路上，与柔性传感器和柔性电路等进一步关联融合，共同系统化推进柔性智能显示模组新框架的构建。2.2 Top3 工程开发前沿重点解读2.2.1 极端环境超高温结构陶瓷基复合材料研发与应用21 世纪初，国际上首次报道将超高温陶瓷与纤维复合，设计和制造超高温陶瓷基复合材料的理念。随后，这一研究方向逐渐成为继碳化硅陶瓷基复合材料后高温结构材料领域的研究热点，各国的科研人员均对超高温陶瓷基复合材料开展了广泛研究。中国关于超高温陶瓷基复合材料的研究报道始于 20072008 年，在国际上属于最早开展该类材料研究的国家之一。由于超高温陶瓷基复合材料保持了超高温陶瓷的耐高温、高强度、抗氧化、抗烧蚀等优异性能，同时又具有非脆性断裂特征，有效避免了陶瓷材料的灾难性破坏，被视为适用于（超）高温、力 热耦合极端服役环境的理想材料，作为固体火箭发动机和新型高速飞行器热结构/热防护材料发挥着不可替代的作用，目前已经成为国际尖端材料，具有战略性工程应用价值。早期关于超高温陶瓷基复合材料的研究主要集83全球工程前沿Engineering Fronts中在材料的制备工艺、组元设计与优化和抗氧化烧蚀机理研究。美国 Ultramet 公司研发的反应熔渗超高温陶瓷基复合材料技术处于国际领先地位，先后采用反应熔渗（reactive melt infiltration，RMI）工艺成功制备了高性能 Cf/Zr(Hf)C、Cf/Zr(Hf)-SiC 等超高温陶瓷基复合材料及构件。其研制的超高温陶瓷基复合材料燃烧室经多次热试车（试车温度高达 2 399），燃烧室内壁仍保持完好。针对常规RMI 方法制备超高温陶瓷基复合材料存在纤维/界面损伤、大尺寸金属残留等问题，中国科学院上海硅酸盐研究所的科研人员开发了基于溶胶 凝胶结构调控的超高温陶瓷基复合材料反应熔渗新路线，通过界面结构的调控，开发出高性能、低成本超高温陶瓷基复合材料技术。关于超高温陶瓷基复合材料在工程应用方面，由于该类材料主要应用于新型高速飞行器热防护热结构，涉及领域比较敏感，国际上相关报道非常有限。意大利航空航天研究中心首次报道于 2011 年开展了连续纤维增强超高温陶瓷基复合材料的风洞试验，并于 2013 年对超高温陶瓷基复合材料构件进行了飞行试验，但未见后续报道。中国在超高温陶瓷基复合材料领域的研究起步较早，在前期完成材料设计并探明材料高温氧化烧蚀失效关键作用机制的基础上，近年来先后对超高温陶瓷基复合材料及相关构件进行了多次环境模拟验证，并装机试飞成功。各类构件的成功应用，表明上述超高温陶瓷基复合材料及相关制备技术可满足不同极端环境的使用需求，也标志着中国在超高温热防护领域取得了重大突破。总体来看，中国在超高温陶瓷基复合材料/构件关键制造技术与环境模拟技术方面已形成特色，在连续纤维增强陶瓷基复合材料的整体技术方面已跻身国际前列，并在一些重点工程中获得应用。表 2.2.1 列出了“极端环境超高温结构陶瓷基复合材料研发与应用”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家。可以看出，主要产出国家以亚洲国家居多，其中中国的专利公开量和被引用的比例远远高于其他国家和地区。各主要产出国家间尚无合作。从表 2.2.2 来看，中国航天部门的研究机构高度重视极端服役环境超高温陶瓷基复合材料的研发，以航天特种材料及工艺技术研究所为代表，公开了大量的专利。从主要产出机构间的合作来看，仅中国科学院金属研究与苏州图纳新材料科技有限公司有合作（图 2.2.1）。这也从侧面说明超高温陶瓷基复合材料的重要地位，国际对相关技术实施封锁，抢占先机。表 2.2.1“极端环境超高温结构陶瓷基复合材料研发与应用”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家序号国家公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1中国27187.9958692.872.162美国165.19264.121.623韩国72.2710.160.144俄罗斯30.9720.320.675印度30.9700.000.006法国10.3260.956.007德国10.3250.795.008英国10.3220.322.009波兰10.3220.322.0010日本10.3210.161.0084第二章领域报告：化工、冶金与材料工程超高温陶瓷基复合材料以其优异的超高温性能，在固体火箭发动机和新型高速飞行器热防护结构中展现出良好的应用前景。采用多种工艺相结合研制的超高温陶瓷基复合材料及热结构件，目前基本能够满足现有高速飞行器的使用要求。但针对规模化工程应用，依然存在以下问题：超高温陶瓷基复合材料制备周期长、成本高；耐温极限一般在 2 2002 500，难以满足更高温度条件的使用需求；尚未形成批量制造能力等。因此，低成本、短周期、规模化超高温陶瓷基复合材料制备新技术，耐极端高温（2 500）、近零烧蚀、长时可重复使用的超高温陶瓷基复合材料，具有超高熔点的超高温陶瓷纤维及其复合材料，以及超高温陶瓷基复合材料规模化工程应用技术是未来重要发展方向（图 2.2.2）。2.2.2 大型复杂炼化工厂智能制造技术炼化行业以化石能源为主，产业结构重型化，普遍存在生产规模大、链条长、时空跨度大、生产要素多、能耗高、碳排放大等问题，亟须通过智能制造技术来解决信息孤岛问题，建立多层次全流程的有效协同，提升智能工厂运维能力，推进炼化企苏州图纳新材料科技有限公司航天特种材料及工艺技术研究所西北工业大学中国科学院金属研究所中南大学哈尔滨工业大学广东工业大学中国科学院上海硅酸盐研究所中国人民解放军国防科技大学中国建筑材料科学研究总院表 2.2.2“极端环境超高温结构陶瓷基复合材料研发与应用”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构序号机构公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1航天特种材料及工艺技术研究所3310.718413.312.552西北工业大学196.17193.011.003中国科学院金属研究所154.87538.403.534中南大学134.227511.895.775哈尔滨工业大学92.92264.122.896广东工业大学82.60609.517.507中国科学院上海硅酸盐研究所82.60274.283.388中国人民解放军国防科技大学82.60121.901.509中国建筑材料科学研究总院61.9591.431.5010苏州图纳新材料科技有限公司41.30172.694.25图 2.2.1“极端环境超高温结构陶瓷基复合材料研发与应用”工程开发前沿主要机构间的合作网络85全球工程前沿Engineering Fronts图 2.2.2“极端环境超高温结构陶瓷基复合材料研发与应用”工程开发前沿的发展路线2025纤维材料部件应用技术20302035超高温陶瓷前驱体氧含量与转化行为控制技术超高温陶瓷前驱体无氧交联技术陶瓷纤维制备过程中显微结构和结晶度控制技术服役环境陶瓷基复合材料基体、界面组成设计、制备、调控与表征高致密超高温陶瓷基复合材料制备技术及致密化机理超高温陶瓷基复合材料致密化过程控制和快速高效致密化技术超高温陶瓷基复合材料制备过程中界面抗损伤机制与控制技术超高温陶瓷基复合材料构件工装设计以及近净尺寸成型技术超高温陶瓷基复合材料构件制备过程中气、液前驱体输运、均匀致密化、形变以及性能均一化超高温陶瓷基复合材料构件高效精密加工技术超高温陶瓷基复合材料(部件)同质/异质高可靠连接技术超高温陶瓷基复合材料部件数字智能化制造技术超高温陶瓷基复合材料(部件)表面强结合涂层制备技术模拟服役环境下性能评价和寿命预测平台及技术高性能超高温陶瓷基复合材料规模化稳定生产技术连续纤维规模化生产装备制造技术与质量控制技术连续陶瓷纤维表面结构调控与界面设计连续陶瓷纤维改性与规模化生产技术高性能连续纤维规模化稳定生产控制技术及在线质量监测技术发展方向业绿色可持续发展。近年来，随着大数据、人工智能、5G通信等新一代信息技术的发展，德国、美国、日本等发达国家先后提出了“工业 4.0”“先进制造业国家战略计划”等智能制造发展战略。中国目前处于制造业数字化转型的关键时期，在“制造强国”“新一代人工智能发展规划”等重大国家战略的支持下，中国的炼化工业以转型升级、提质增效、节能环保为主线，正在从局部、粗放的生产模式向全流程、精细化的生产模式发展。当前，在炼化工厂智能制造领域亟须发展的前沿方向主要有以下五个方面。复杂物料属性智能识别与实时感知技术：针对炼化过程原料组分复杂、待测性质多等问题，以多相态单分子属性为基础，结合基团贡献、最大熵等经典物理化学原理和大规模多目标智能优化方法与技术，研究炼化过程中关键反应物质的分子结构识别、物料分子结构及组成实时感知方法；研究原料成分、产品质量的在线检测方法和技术，为过程建模、在线优化控制与计划调度提供技术支撑。多场多相反应过程构效认知与模拟技术：针对炼化过程原料组分多、反应过程机理复杂等问题，面向催化、重整、加氢裂化等典型反应，基于机器学习技术，结合第一性原理，从分子水平上研究反应机理与规则，构建分子反应网络，建立动力学方程。以此为基础，构建耦合反应、流动和能量传递的装置、反应器、反应过程多尺度动态模拟技术。开放环境下的全流程协同优化技术：针对炼化行业市场需求、原料价格和品质等具有较强不确定性，以及多装置强耦合等问题，基于86第二章领域报告：化工、冶金与材料工程表 2.2.4“大型复杂炼化工厂智能制造技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构序号机构公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1中国石油化工股份有限公司468.32616.501.332中国石油天然气股份有限公司427.59252.660.603沙特阿拉伯国家石油公司346.1521522.906.324中国石油大学(北京)234.16505.322.175西南石油大学183.25414.372.286南京富岛信息工程有限公司183.25171.810.947中国海洋石油集团有限公司132.3580.850.628Phillips 66 石油有限公司91.6380.850.899西安石油大学81.45353.734.3810华东理工大学61.08192.023.17鲁棒优化及自适应优化策略，面向装置运行效率、能耗、安全环保等指标，研究开放环境下全流程协同优化方法，实现资源/能源的优化配置。安全风险智能管控技术：针对炼化生产中涉及多种易燃、易爆、高风险反应物，环保安全风险高、难度大等问题，开展基于情景的生产风险动态评估技术，建立多源异构工艺数据与异常工况处置运行知识的融合方法与系统框架，开发大数据驱动的设备、仪表可靠性分析方法，知识图谱驱动的异常工况因果分析，深度学习和规则融合驱动的作业风险分析等多种工具，提升现场作业异常分析与风险管理能力，避免重特大事故的发生。碳足迹溯源、监控与协同减碳技术：针对炼化行业能耗高、碳排基数大等问题，研究重大耗能设备的生产能耗与碳排放感知技术，建立开放环境下生产过程能耗与碳排放的智能预测方法，开展大数据驱动的全产业链碳足迹溯源与监控研究，形成能够综合效益 质量 碳排等指标的生产过程全流程协同减碳技术，为实现生产过程智能低碳高效运行奠定理论与技术基础。在“大型复杂炼化工厂智能制造技术”领域，目前中国公开发表的核心专利数已处世界领先地位（表 2.2.3），多数专利来自中国石油化工股份有限公司、中国石油天然气股份有限公司等大型国有企业，以及中国石油大学等高等院校（表 2.2.4）。表 2.2.3“大型复杂炼化工厂智能制造技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家序号国家公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1中国36766.3747350.371.292美国7814.1018419.602.363沙特阿拉伯346.1521522.906.324韩国203.6230.320.155加拿大91.63111.171.226德国81.45262.773.257印度81.4520.210.258日本61.0840.430.679英国40.7270.751.7510法国30.54131.384.3387全球工程前沿Engineering Fronts法国中国美国沙特阿拉伯韩国加拿大德国印度日本英国华东理工大学中国石油化工股份有限公司中国石油天然气股份有限公司沙特阿拉伯国家石油公司中国石油大学(北京)西南石油大学南京富岛信息工程有限公司中国海洋石油集团有限公司Phillips 66石油有限公司西安石油大学图 2.2.3“大型复杂炼化工厂智能制造技术”工程开发前沿主要国家间的合作网络图 2.2.4“大型复杂炼化工厂智能制造技术”工程开发前沿主要机构间的合作网络国际上，美国、德国、英国以及沙特阿拉伯的交流合作较为紧密（图 2.2.3）。在中国，中国石油大学与中国石油化工股份公司之间的合作较为紧密，其他校企合作有待进一步加强（图 2.2.4）。如图 2.2.5 所示，未来 5 年，炼化工厂智能制造主要从装置层面的智能化发展到全流程的协同制造，包括原料属性的智能识别、在线检测技术、全流程的动态模拟及多目标协同优化技术；未来 10年，智能制造技术将面向安全环保指标，应用于厂级的风险智能管控与碳溯源、监控及协同减碳等方面，为炼化企业的绿色可持续发展提供技术基础。2.2.3 退役动力电池的短流程再生利用技术锂离子电池是电动汽车的主要动力电源之一。中国是全球最大的锂离子动力电池生产国和消费国，同时拥有全球最高的动力电池装机量。动力电池的平均寿命为 810 年。2020 年，中国动力电池累计退役总量约 20 万 t，而到 2025 年，退役动力电池总量将升至约 78 万 t。中国长期处于缺钴贫锂少镍的现状（总体对外依存度 80%），退役动力88第二章领域报告：化工、冶金与材料工程电池是赋存镍钴锰锂等关键金属的重要二次资源，因此迫切需要突破退役锂电的高值资源化技术瓶颈，保障资源供给安全，应对新能源行业可持续发展面临的巨大挑战。退役动力电池结构复杂、成分多变，除含有上述有价金属外，还含有电解液等毒害物质和低值伴生元素。其循环利用过程流程长、复杂度高，具有显著的学科交叉特征。其中研究最广泛、关注度最高的是退役锂电的再生利用环节。目前退役电池资源化技术主要分为湿法冶金、火法冶金和直接再生。比利时的优美科采用火法冶金工艺进行金属的回收利用，无需预处理过程，但能耗高、易排放有毒有害气体，存在较大的环境风险。湿法冶金过程较为成熟，具有低能耗、高回收率等优点，在中国市场应用率高。目前，镍、钴等金属的回收率可达 98%以上，而锂的回收利用仍存在回收率低、成本高的问题。近年来，锂离子电池的回收热度不断提高，相关研究机构和企业在技术方面取得众多进展。从资源提取角度，研究主要分为两个阶段：早期的金属元素全浸出和近期的优先提锂为核心的金属梯级提取。目前，中国科学院过程工程研究所开发了针对钴酸锂、三元锂、磷酸铁锂、锰酸锂等不同废料的选择性提锂技术路线，构成了基础技术装备的系统研究链条。通过优先提锂，可以显著缩短锂回收流程、提高锂的综合回收效率，从而缩短整个锂电池的回收流程，对过程减污降碳具有重要意义。从总体回收效率角度考虑，提高退役电芯预处理阶段的技术水平，实现更精细化分选是目前行业的发展方向。近期提出的梯级热解 精细分选的技术思路可规避预处理过程中大量毒害溶剂挥发等问题，提高黑粉解离效率和降低杂质元素含量，并可以实现正负极粉料的高效分选。另外，免放电破碎也受到目前行业的关注，但主要在磷酸铁锂电池等方面进行了尝试，在安全性、物料适应性以及经济性等方面仍在进行攻关推进。从减污降碳方面考虑，提高介质循环效率，推动氨氮、高盐、高化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）废水处理及资源化利用具有重要意义；加强废盐、含重金属废渣、废石墨等利用也势在必行；同时需要关注所得产品图 2.2.5“大型复杂炼化工厂智能制造技术”工程开发前沿的发展路线发展方向202220272032协同减碳安全风险管控协同优化全流程模拟在线感知协同减碳技术碳足迹朔源与监控作业风险分析异常工况因果分析设备仪表可靠性分析安全风险动态评估全流程协同优化技术多尺度动态模拟复杂反应过程构效认知产品质量在线检测物料属性智能识别89全球工程前沿Engineering Fronts的碳足迹以及全过程的碳排放情况，进一步提高行业技术水平。表 2.2.5 中列出了“退役动力电池的短流程再生利用技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家。其中，中国是专利产出最多的国家，且专利产出数量远高于其他国家。由图 2.2.6 可知，各主要国家之间的合作较为薄弱，仅中国与加拿大有合作。表 2.2.6 中列出了该领域核心专利的主要产出机构。科研院校和机构方面，中南大学、中国科学院过程工程研究所的专利产出数量处于前列；企业方面，日本的住友金属矿山株式会社以及中国的合肥国轩高科动力能源有限公司和广东邦普循环科技有限公司处于前列。各主要机构间还未有合作。退役电池资源化技术已有较多的研究基础和积累，但仍有很多环节和问题需要加强与解决。在“双碳”政策背景下，动力电池全产业链面临新的挑战和需求，锂离子电池作为关键的动力和储能部件，其高值短程资源化利用至关重要，如何从资源安全保障、资源高效利用、过程零碳排放保障行业的可持续发展，需要新一代全产业链绿色制造技术。建议从如下方面进一步推进技术完善和应用（图2.2.7）：退役锂电梯度热解精准分选技术与装备；复杂镍钴锂废料低碳高值资源化利用技术；正/负极材料温和修复再生技术；锂电材料全产业链水 气 固优化集成技术；新能源金属资源利用全产业链特征数据库及标准体系的建立。波兰中国日本韩国德国美国印度加拿大以色列比利时图 2.2.6“退役动力电池的短流程再生利用技术”工程开发前沿主要国家间的合作网络表 2.2.5“退役动力电池的短流程再生利用技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家序号国家公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1中国82287.262 02892.692.472日本646.79843.841.313韩国202.12130.590.654德国90.9690.411.005美国80.8570.320.886印度50.53291.335.807加拿大40.42160.734.008以色列30.3210.050.339比利时20.2110.050.5010波兰20.2100.000.0090第二章领域报告：化工、冶金与材料工程图 2.2.7“退役动力电池的短流程再生利用技术”工程开发前沿的发展路线2020202520302035梯次利用发展方向预处理金属提取污染防治绿色评价目标材料再生技术预处理技术有价金属提取技术 战略支撑与保障关键共性技术应用示范工程梯次利用技术资源评估与绿色设计由人工拆解过渡到半自动化拆解；开发拆解过程污染控制技术实现动力电池回收工业2.0；开发智能识别与自动化拆解技术开发低损耗、低投入、高效率智能拆解技术实现低耗、高效智能化拆解，拆解过程分选率达97%优化火法冶金提取技术；优化湿法冶金提取技术；开发选择性提取技术，设计新型萃取剂，设计短流程提取新路线规模化选择性提取技术；应用新型萃取剂；初步完成变革性新技术建立高自动化、高回收率、低成本的金属新型生产线开发废气及废水无害化处理技术优化废气及废水无害化处理技术，开发废渣无害化处理技术废气、废水、废渣无害化处理技术应用，实现全过程污染控制污染物物性及环境特性解析、建立资源安全评估方法建立污染物特性数据库；建立行业绿色制造评价体系，实现绿色设计建立多层级绿色评价体系，促进全产业链结构性转型机械拆解分选技术预处理废旧动力电池退役动力电池预处理过程中安全放电技术退役动力电池的自动化、智能化拆解技术退役动力电池中有价金属的火法/湿法冶金回收技术退役动力电池中有价金属的选择性提取技术退役动力电池中有价金属的短流程回收利用技术针对相关有价金属的新型萃取剂的设计、开发和应用电化学法回收退役动力电池中的有价金属开发电池健康状态分析工具和模型开发电芯分选技术，创建分选方法开发单体电池性能一致性修复技术，实现同一类别模块标准化设优化电池健康状态分析工具和模型优化电池分选技术，提高分选效率完善模型，快速、高效评估动力电池完善分选技术，实现无损、高效、自动化分选构建全自动、高效的动力电池成组集成技术，良品率高实现动力电池模块全部标准化设计，建立标准化梯级利用电源系统退役动力电池循环利用全流程污染源解析退役动力电池资源战略关键性评价及生命周期分析评价退役动力电池全产业链碳足迹分析方法循环利用过程多目标系统评价体系退役动力电池正极材料中有价金属回收应用示范工程退役三元动力电池正极材料短流程再生利用应用示范工程自动化机械拆解分选技术预处理退役动力电池应用示范工程编制并发布退役动力电池专项规划，落实专项行动计划，支持退役动力电池回收技术创新和产业化能力建设编制并颁布电动汽车中长期具体发展规划构建完善的退役动力电池资源化标准体系制定完善的退役动力电池污染防治及资源化相关法律法规建立电池梯次标准体系建立电池单体/系统测试的评价体系建立梯次利用动力蓄电池的数据库和交易平台放电废水无害化处理技术退役动力电池图像识别分类技术开发溶液杂质的低耗高效脱除技术净化液制备前驱体和再生技术失效负极材料的杂质深度脱除及材料短程再生技术表 2.2.6“退役动力电池的短流程再生利用技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构序号机构公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1中南大学555.841848.413.352住友金属矿山株式会社313.29271.230.873中国科学院过程工程研究所293.081024.663.524合肥国轩高科动力能源有限公司272.87743.382.745广东邦普循环科技有限公司262.76401.831.546昆明理工大学192.02351.601.847矿冶科技集团有限公司171.80642.933.768国家电网有限公司171.80492.242.889日本太平洋水泥株式会社171.80291.331.7110格林美股份有限公司161.70452.062.8191全球工程前沿Engineering Fronts领域课题组人员课题组组长/副组长：组 长：王静康 薛群基 刘炯天副组长：李言荣 刘中民 毛新平 聂祚仁谭天伟 周 玉 屈凌波 元英进课题组成员：陈必强 邓 元 马新宾 闫裔超 杨治华叶 茂 蔡 的 李达鑫 王 静 王景涛姚昌国 祝 薇 何朝辉 涂 璇 程路丽黄耀东 李艳妮 朱晓文 执笔组成员：曹 欣 丁文进 冯建情 龚俊波 韩 优胡望宇 黄 远 阚艳梅 康国栋 雷天宇卢静宜 年 瑶 孙 峙 王 朝 阎文艺杨宇森 姚昌国 赵中伟 郑玉峰 周吉彬朱 荣 祝 薇 朱晓文致谢：北京航空航天大学包书聘 郭思铭 韩广宇 胡少雄 张青青周 杰北京化工大学陈徽东 李国锋 申晓林 王 丹 北京科技大学寇明银 魏光升 左海滨 刘 放 张宇航 电子科技大学万中全 哈尔滨工业大学贾德昌华东理工大学钱 峰 张萱妮 钟伟民 华南理工大学卞钲淇 王迎军昆明理工大学刘建华 许 磊上海大学王 江上海交通大学潘云翔 彭 冲天津大学冯亚凯 高 鑫 胡文彬 刘国柱 汪怀远王靖涛 张金利 张 雷 赵玉军 侯金健黄新媛 武汉理工大学孙 一 卢晨曦 汪 潇 张联盟西北有色金属研究院闫 果 张平祥 中国宝武中央研究院辜海芳 王 媛中国科学院大连化学物理研究所路 芳 卢 锐 马现刚中国科学院上海硅酸盐研究所董绍明 靳喜海 谭 敏中国科学院过程工程研究所王 志 杨亚锋 吕伟光中国建材集团有限公司洪 伟 彭 寿 秦旭升中南大学刘旭恒92第二章领域报告：能源与矿业工程四、能源与矿业工程1 工程研究前沿1.1 Top12 工程研究前沿发展态势能源与矿业工程领域研判的 Top 12 工程研究前沿见表1.1.1,涵盖了能源和电气科学技术与工程、核科学技术与工程、地质资源科学技术与工程、矿业科学技术与工程 4 个学科。其中，“高安全性高能量密度电池体系关键材料”“新能源发电灵活性提升与电网支撑理论”“有机体系电化学氮还原合成氨”属于能源和电气科学技术与工程领域；“乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究”“核废物玻璃体材料性能研究”“等离子体与反应堆材料相互作用机理”属于核科学技术与工程领域；“水力压裂三维裂缝扩展模型”“地球深部碳氢循环过程与油气资源分布规律研究”“陆相钾锂盐智能找矿与资源综合定量研究”属于地质资源科学技术与工程领域；“深部开采冲击地压诱发机理与预警方法”“二氧化碳驱油提采捕集封存机制研究”“岩性智能识别方法”属于矿业科学技术与工程领域。20162021 年各研究前沿相关的核心论文逐年发表情况见表 1.1.2。（1）高安全性高能量密度电池体系关键材料电池技术的发展改变了人们的生活，电池是电子产品、电动汽车和智能电网的核心部分。现有的锂离子电池的能量密度已接近其理论值，很难满足电动汽车市场的发展需求，并且在大规模的应用中，其安全性问题也成为阻碍行业发展的难题。电池主要由正极、负极和电解质组成，其整体的能量密度依赖正负极，而安全性则取决于电解质。电极的能量密度由电压和容量决定。高能量密度正极主要发展方向是高电压正极材料和高容量的硫正极材料，负极则主要向锂金属和硅负极方向发展，电解质主要向固态电解质发展，其中，固态电解质不仅能够表 1.1.1 能源与矿业工程领域 Top12 工程研究前沿序号工程研究前沿核心论文数被引频次篇均被引频次平均出版年1高安全性高能量密度电池体系关键材料17710 78360.922019.72乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究833 46641.762017.83水力压裂三维裂缝扩展模型2394 02016.822019.04深部开采冲击地压诱发机理与预警方法2143 37415.772019.15新能源发电灵活性提升与电网支撑理论1883 05816.272018.96有机体系电化学氮还原合成氨2093046.502020.07核废物玻璃体材料性能研究1451 134 7.822018.88等离子体与反应堆材料相互作用机理39119 95751.042017.69地球深部碳氢循环过程与油气资源分布规律研究1572 93118.672019.010陆相钾锂盐智能找矿与资源综合定量研究1401 88413.462018.711二氧化碳驱油提采 捕集封存机制研究941 61817.212019.012岩性智能识别方法1192 60821.922019.7 注：前沿来源包括三类，即数据挖掘、专家提名、数据挖掘&专家提名。93全球工程前沿Engineering Fronts从本质上解决电池的安全性问题，而且可以适配高能量密度的正负极。固态电解质分为聚合物固态电解质、无机固态电解质和复合固态电解质。复合固态电解质结合了聚合物电解质良好的加工性能和无机电解质高离子电导率的优点，是未来发展的重要方向。（2）乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究核燃料后处理的主要任务是利用化学处理方法分离乏燃料中的裂变产物，回收和纯化有价值的可裂变物质235U 和239Pu 等，然后再将它们制成燃料元件返回核电站（热堆或快堆）使用，提高核燃料的利用率，节约铀资源，另外，通过提取超铀元素和裂变产物，发展同位素在医疗、航天等方面的应用。核燃料后处理流程基于是否在水介质中进行分为水法和干法两大类。水法流程指在水溶液中采用沉淀、溶剂萃取、离子交换等方法对乏燃料进行化学分离纯化；干法流程则指在无水状态下采用氟化物挥发法、高温冶金处理、高温化学处理、液态金属过程、熔盐电解法等方法对乏燃料进行化学分离纯化。干法后处理是当前乏燃料后处理的重要研究方向之一，其在处理高燃耗乏燃料，特别是快堆乏燃料方面更具优势，但工程技术难度较大。当前，国际上广泛开展分离/嬗变和先进核燃料循环的研究，其中，从核废物中分离回收次锕系核素和长寿命裂变产物是该研究的关键。乏燃料后处理和高放废液分离一体化流程与现有乏燃料处理处置方式相比，流程简单、二次废物少、经济性高，更能满足先进核燃料循环的分离要求。（3）水力压裂三维裂缝扩展模型水力压裂是通过往地层中泵入高排量流体，在储层中产生人工裂缝来沟通天然裂缝的储层改造技术。在水力压裂数值模型中，传统的二维模型以及准三维模型由于在裂缝高度方向上为裂缝几何形貌引入了理想化的假设，无法描述实际水力裂缝的扩展过程。三维水力压裂模型指在模型中放松了对裂缝的几何约束条件，因而能够更接近实际的裂缝设计方案。目前，三维水力压裂模型可分为平面三维模型与非平面三维模型。平面三维模型假设水力裂缝只能在原始裂缝平面内扩展，而非平面三维模型放宽了这一条件，得以模拟水力裂缝的非平面偏转。在三维水力压裂模型中，裂缝的扩展模式更加复杂，往往是耦合了三种基本模式的混合扩展模式，需采用新的裂纹扩展准则，导致裂缝形貌相比二维模型更加复杂，表 1.1.2 能源与矿业工程领域 Top12 工程研究前沿核心论文逐年发表数序号工程研究前沿2016201720182019202020211高安全性高能量密度电池体系关键材料78203149622乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究15202119803水力压裂三维裂缝扩展模型2620454252544深部开采冲击地压诱发机理与预警方法2120353744575新能源发电灵活性提升与电网支撑理论1827314325446有机体系电化学氮还原合成氨0005967核废物玻璃体材料性能研究1822242327318等离子体与反应堆材料相互作用机理9210978773239地球深部碳氢循环过程与油气资源分布规律研究22172121354110陆相钾锂盐智能找矿与资源综合定量研究22152427223011二氧化碳驱油提采 捕集封存机制研究5161219241812岩性智能识别方法281517304794第二章领域报告：能源与矿业工程需要新的算法来准确捕捉裂缝前沿及计算裂纹尖端的应力场。除此之外，二维模型中面临的问题如地应力、滤失效应、储层非均质性、压裂方式等对水力裂缝扩展的影响，支撑剂的运移等仍需在三维模型中进一步探索。（4）深部开采冲击地压诱发机理与预警方法冲击地压是指岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，是一种严重的动力灾害。随着矿井开采深度的增加，煤矿冲击地压灾害形势严峻，冲击地压灾害发生机理、监测预警与防控技术研究对煤矿安全开采愈发重要。该前沿的主要研究内容包括：深部煤矿冲击地压动力响应及灾变机理、深部煤矿冲击地压灾害智能监测预警理论与技术、深部煤矿冲击地压防控机理与方法。针对冲击地压的发生机理，揭示围岩应变能释放突变机制是研究冲击地压发生机理新的突破途径；在冲击地压预警技术方面，融合数据挖掘、大数据处理分析等人工智能算法，实现冲击地压灾害的智能监测预警与多场多维感知是今后的发展方向。（5）新能源发电灵活性提升与电网支撑理论大力发展以风能、太阳能为代表的新能源发电，是中国推动能源电力行业清洁低碳转型，实现“3060”碳中和气候应对目标的必由之路。不同于出力平稳、可控的传统发电设备，新能源发电具有强波动性和弱可控特性，将从根本上改变电力系统的物理形态与运行方式。随着集中式与分布式新能源的快速发展，电力系统源荷双侧不确定性持续增加。同时，随着传统火电机组的逐步退役，电力系统灵活调节资源愈发紧缺，电力供需平衡与电网安全经济运行面临前所未有的挑战。亟须探索新能源发电灵活性提升与电网支撑理论的关键技术，以源网荷储有机协同破解新能源高比例接入下的多时间尺度电力电量平衡难题，助力高比例新能源的广域高效消纳。新能源发电灵活性提升与电网支撑理论的主要研究方向包括：电力系统灵活性平衡机理、调控技术与市场机制；火电机组灵活性改造和转型为调节电源的技术经济评估；规模化风光发电系统惯量控制与主动频率支撑技术；规模化风光发电系统的电网暂态电压支撑技术；规模化风光发电系统的稳定控制技术；多周期、多类型储能设施协同配置与优化运行方法；海量异质需求侧资源的分层聚合、协调控制与分布式交易。（6）有机体系电化学氮还原合成氨氨是全球年产量排名第二的化工原料。在全球能源倡导可持续发展的背景下，通过电化学氮还原反应合成氨已引起广泛关注，被视为一种替代哈伯反应的有效方法。电化学氮还原反应合成氨根据反应介质的不同，可分为水体系和有机体系，后者通常具有较高的法拉第效率。各种氮还原反应体系中，有机电解质中的锂介导氮还原反应以其优异的氨产率和法拉第效率脱颖而出。有机体系的锂介导氮还原反应分三步进行：首先是锂离子的电沉积产生金属锂，其可以与氮气发生自发的化学反应生成锂氮复合物，最后通过质子化反应形成氨。因此，有机锂介导体系的氮还原活性与锂沉积物的特性直接相关，相关研究主要集中在电解质（质子供体、锂盐和添加剂）优化，包括质子供体、锂盐和添加剂的优化。理想的电解质组分可以诱导形成具有高反应活性和高稳定性的锂沉积物。当前报道的最高电流密度和法拉第效率已分别接近 1 Acm2和 100%，优于美国能源部设定的目标（电流密度 0.3 Acm2，法拉第效率 90%，能量效率 60%）。此外，有机体系电化学氮还原合成氨需要进一步提升能量效率和改善耐久性。（7）核废物玻璃体材料性能研究高放废液的安全处理与处置是世界各国需共同应对的挑战，也是制约核工业可持续发展的关键因素之一。玻璃固化是目前国际上唯一工业化应用的高放废液处理方法。玻璃具有近程有序、远程无序的结构特点，可使元素周期表中大部分核素进入其结构中，它对核素具有较强的包容性，95全球工程前沿Engineering Fronts因此，国内外学者普遍研究运用玻璃固化处置高放废液，涉及的玻璃体系包括铝硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐等。磷酸盐玻璃固化体的熔制温度比较低，易制备，但对设备腐蚀严重，到目前为止，仅有俄罗斯采用磷酸盐玻璃固化核废物；硅酸盐玻璃含较多 SiO2，虽然抗浸出性能好，但是其固化工艺较复杂，并且其对含铯量高的高放废液固化效果较差；硼硅酸盐玻璃因稳定性好、制备工艺简单、机械强度大、废物包容量大等优点，被广泛应用于处理高放废液，也是固化高放废液的首选基材。目前，我国首座玻璃固化工厂已进入运行阶段，现已开展玻璃固化体析晶行为和抗浸出性能的研究，这对玻璃固化体的安全生产、暂存和处置具有十分重要的意义。（8）等离子体与反应堆材料相互作用机理可控核聚变能源是未来理想的清洁能源，目前最有可能实现的可控热核聚变方法是磁约束聚变，其中，托卡马克装置及未来反应堆的材料问题是实现磁约束聚变能的关键问题，该问题的解决在很大程度上取决于对等离子体与壁材料相互作用过程（plasma-wall interactions,PWI）和机理的深入理解。PWI 现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面以外的边界等离子体（又称刮削层，scrapped-off layer，SOL）和直接接触 SOL 的面向等离子体材料区域内，因此 PWI 问题直接决定了聚变装置的安全运行、壁材料部件研发进程和未来壁的使用寿命。理清 PWI 的各种物理过程和机理并施以有效的控制，是实现未来核聚变能的重要环节。国际托卡马克物理活动组织（ITPA）刮削层/偏滤器（SOL/Div）专题工作组成员负责甄别 PWI 问题并协调国际组织进行联合攻关，研究结果将对未来核聚变示范电站（DEMO）和商业堆的设计、制造和运行产生重要影响。目前，等离子体与反应堆材料相互作用机理主要研究方向是等离子体材料的选择、边界等离子体的基本物理过程、等离子体辐照下表面损伤和结构效应、杂质与灰尘、壁处理等。尽管国内外对 PWI 问题已经做了不少研究工作，但仍存在诸多问题需要解决，如边界等离子体的原子分子过程数据尚不完善，粒子输运和再沉积的行为不完全清楚等。针对国家聚变科学工程和国际热核聚变实验堆计划（ITER）对 PWI 相关数据的紧迫需求,国内外还需尽快全面深入开展 PWI 相关的基础研究工作。（9）地球深部碳氢循环过程与油气资源分布规律研究地球深部的碳 氢长周期循环与地表短周期碳 氢循环密切相关，板块俯冲带作为地球物质循环的“加工厂”，是认识深部地球的窗口，但其内在复杂性也制约了对地球深部物质“生、运、聚”过程的理解。“海洋圈 岩石圈 大气圈”之间物质与能量的交换在俯冲工厂得到加强，挥发性组分如 H2O、CO2等通过俯冲带的地壳沉积物等被带入到地幔，深部作用的产物再通过岛弧火山和裂谷盆地的岩浆系统、深海和热液系统循环进入并离开地壳。通过阐明板块俯冲过程、深部地质作用及无机成因油气资源之间的纽带与关联性，可以揭示跨岩石圈的动力学和物质能量交换机制，以及无机成因油气独立成藏可能性。未来该研究领域的工作将重点围绕我国东部俯冲带影响下的各类沉积盆地，通过分析其与深部地质作用之间的直接或间接关系，揭示俯冲工厂框架下的海洋圈、岩石圈、大气圈相互作用机理与动力学机制，阐明岩石圈与软流圈间物质能量交换的能源资源效应。同时，厘清海洋圈、岩石圈、大气圈之间的有机无机相互作用下的碳氢循环过程，阐明板块俯冲背景下的无机成因油气、地热等资源富集机制，建立无机成因油气资源的评价标准和富集区优选方法。（10）陆相钾锂盐智能找矿与资源综合定量研究陆相钾锂盐是指形成于陆相沉积环境的钾锂盐。目前，我国钾盐资源 产业是以柴达木盆地为96第二章领域报告：能源与矿业工程主的现代陆相盐湖型。近期，柴达木西部新发现古近纪新近纪深层卤水型陆相钾锂盐，对其开展智能找矿与资源综合定量研究是未来该类型资源 产业发展的趋势。利用大数据、人工智能、区块链等新技术开展深部卤水钾锂资源高效、智能协同关键技术研究，并通过应用新技术实现深部卤水钾锂资源的数据深度挖掘、多维智能评价，对支撑深层卤水钾锂资源智能找矿与资源综合定量研究、保障国家战略资源安全具有重要意义。下一步工作：一是利用钾锂勘查与油气勘探地震和测井数据相结合刻画储卤层展布；二是开展勘查井调查及放水试验，求取含水层段水文地质参数，确定富水性、卤水成分、含水层的渗透系数（K）、给水度（m）、释水系数（S）、大气降水入渗系数（a）、灌溉入渗系数（b）、潜水的蒸发极限深度（D）等资源评价关键参数；三是利用测井岩心标定或核磁测井识别原始含水饱和度和可动水饱和度；四是综合井数据、地震数据、各类成果数据，创建构造模型、含锂储层相模型，采用相控与趋势控制相结合约束建模方法，建立储层属性模型，利用智能手段实现批量运算对钾锂资源定量化评价。（11）二氧化碳驱油提采 捕集封存机制研究二氧化碳驱油提采与捕集封存技术指将捕集到的二氧化碳注入低渗透油藏，在驱油增产的同时实现二氧化碳埋藏与封存。该技术在助力碳减排的同时实现油气井增产，实现“双赢”，对国家“双碳”目标的实现具有重要意义。二氧化碳驱油技术始于20 世纪 50 年代初的美国，目前二氧化碳注入能力可达 6 800 万吨/年，已成为美国低渗透、特低渗透区块的主要提采手段。我国低渗透油藏储量丰富，约占总资源量的一半，但大部分陆相低渗透油藏储层条件复杂且原油性质特殊，现有的二氧化碳驱油工艺技术复杂、捕集输运成本高、埋存难度大，限制了二氧化碳驱油封存规模。目前我国二氧化碳驱油封存技术年封存量约为 120 万吨/年，亟须探索适合我国陆相低渗透油藏储层的二氧化碳驱油提采与捕集封存机制。二氧化碳驱油提采 捕集封存机制主要研究方向有二氧化碳高效捕集技术、二氧化碳安全输运技术、二氧化碳驱油提采技术、二氧化碳高效封存机制等。揭示二氧化碳驱油提采与捕集封存机制，加快推进我国陆相低渗透油藏二氧化碳驱油、埋存技术，有望为我国能源结构的优化和双碳目标的实现贡献重要力量。（12）岩性智能识别方法岩石岩性分类识别是地下工程的首要任务，是岩体工程地质定量分析的依据，是地质安全评价中的重要内容。岩性识别的研究方法主要包括超声波、回弹指数、密度等物理试验方法；对地层岩石主元素进行统计、分析、对比的数理统计方法；岩性智能识别方法。岩性智能识别方法的发展趋势表现为智能识别方法对样本数据的依赖性较强，当样本数据不足时，模型的泛化能力容易受到影响；另外，仅借助岩石单一特征（如图像光学特征）进行岩石岩性分类的误差较大，因此还需要对岩石其他物理特征或性质进行分析，提高分类准确率。将岩石图像识别模型和岩石音频强度回归模型耦合，实现了岩石岩性的快速识别，有效提高模型的泛化能力和准确度，结合对比专家法识别结果，辅助工程人员对岩性做出正确的分类。1.2 Top4 工程研究前沿重点解读1.2.1 高安全性高能量密度电池体系关键材料安全性和能量密度是阻碍电池行业发展的难题。电池主要由正极、负极和电解质组成，其整体的能量密度依赖于正负极，而安全性则取决于电解质。现有的电池体系中应用最广泛的是锂离子电池，其本质上是一个锂离子在正负极之间来回脱嵌的摇椅式电池。早在 1990 年，日本索尼公司率先将锂离子电池商业化。电池的发展已改变人们的生活，它是电子产品、电动汽车和智能电网的核心部分。97全球工程前沿Engineering Fronts锂离子电池负极应用最广泛的是石墨、钛酸锂，电解质为碳酸酯类电解液，正极则是氧化物如磷酸铁锂、钴酸锂和镍钴锰酸锂。电极的能量密度由电压和容量决定。高能量密度正极主要发展方向是高电压正极材料和高容量的硫正极材料，负极则主要向锂金属和硅负极方向发展。高电压的正极材料包括富锂锰基正极、镍锰酸锂、高电压钴酸锂，高容量的正极材料主要是硫正极。正极材料的成本占总成本的 40%以上，但兼具高容量和高电压的理想正极材料仍待突破。近年来，学术界和工业界对金属锂与硅负极进行了广泛的研究，但在工业规模下金属锂的枝晶问题和硅负极的循环问题仍使其难以商业化，流行的折中做法是使用硅碳负极，通过添加一定比例的硅材料来提高负极的整体容量。电解质的主流发展趋势是固态电解质。固态电解质不仅能够从本质上解决电池的安全性问题，而且可以适配高能量密度的正负极。固态电解质可以分为聚合物固态电解质、无机固态电解质和复合固态电解质。聚合物固态电解质加工性能好，易于薄膜化，具有宽的电化学窗口，但受限于较低的室温离子电导率和迁移数；无机固态电解质在离子电导率上已接近现有的液态电解液，但差的稳定性和高的界面阻抗严重阻碍了其应用；复合固态电解质结合了聚合物电解质和无机电解质的优点，若能够进一步改善电解质与电极材料之间的固固界面以及提高电极材料的负载量，则有望率先实现全固态电池产业技术的突破。“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿中，核心论文数排名前三位的国家分别是中国、美国和德国，其篇均被引频次均超过 60（表 1.2.1）。其中，中国、美国的合作最多，其次是中国和澳大利亚（图 1.2.1）。核心论文数较多的机构有中国科学院、中南大学和华中科技大学等（表 1.2.2）。其中，中国科学院与清华大学的合作较多（图 1.2.2）。施引核心论文数排名前三位的国家分别是中国、美国和韩国（表 1.2.3）。施引核心论文的主要产出机构有中国科学院、郑州大学、中南大学等（表 1.2.4）。电池行业的发展离不开材料的革新。正极材料将由高电压钴酸锂向低成本的高容量硫正极发展，负极材料将由初始的硅碳负极向纯硅负极并最终向锂金属负极发展，电解质则由复合固态电解质向无机固态电解质发展，最终开发出的全固态高表 1.2.1“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家序号国家核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国15487.019 71863.102019.62美国1810.171 67392.942019.33德国105.651 183118.302019.34澳大利亚95.0880589.442019.75加拿大84.52984123.002019.46新加坡52.8241082.002019.67韩国52.8215230.402019.88日本52.826312.602020.49西班牙21.13676338.002018.510沙特阿拉伯21.136532.502021.098第二章领域报告：能源与矿业工程南开大学中国科学院中南大学华中科技大学北京理工大学清华大学香港理工大学武汉理工大学郑州大学复旦大学沙特阿拉伯中国美国德国澳大利亚加拿大新加坡韩国日本西班牙图 1.2.1“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿主要国家间的合作网络表 1.2.2“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构序号机构核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国科学院2614.691 639 63.042019.12中南大学105.65109 10.902020.93华中科技大学95.08349 38.782019.04北京理工大学84.52328 41.002019.85清华大学63.39916152.672019.56香港理工大学63.39531 88.502019.37武汉理工大学63.39460 76.672018.88郑州大学63.39215 35.832020.79复旦大学52.822 759551.802017.610南开大学52.82618123.602019.2图 1.2.2“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿主要机构间的合作网络99全球工程前沿Engineering Fronts电压锂金属电池或锂硫电池有望应用于电子产品、电动汽车和储能电网中。“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿的发展路线如图 1.2.3 所示。1.2.2 乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究（1）乏燃料后处理研究世界范围内工业规模的乏燃料后处理研究已有40 多年，全球共计有 17 个国家发展乏燃料后处理技术，建设了包括中间装置和试验装置在内的 32个乏燃料后处理厂，每年总计处理约 4 800 吨乏燃料，其中，英国和法国的乏燃料后处理水平处于世界领先地位。我国乏燃料后处理发展经历了生产堆后处理和动力堆后处理两个阶段，已基本确定了“中试规模示范规模大型商业规模”三阶段的发展思路。中试厂热调试的成功运行表明我国已掌握动力堆乏燃料后处理核心技术，具有里程碑意义。我国乏燃料后处理工业示范厂预计于 2023 年建成，届时我国将具备工业规模的乏燃料后处理能力；另外，我国表 1.2.4“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构序号机构施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国科学院74229.222020.22郑州大学2449.612020.33中南大学2419.492020.64清华大学2048.032020.25中国科学技术大学1917.522020.26南开大学1847.252020.27香港城市大学1616.342020.28华中科技大学1616.342020.09天津大学1505.912020.210北京理工大学1355.322020.4表 1.2.3“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家序号国家施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国6 17763.872020.12美国8668.952020.13韩国4985.152020.34印度4084.222020.25澳大利亚3853.982020.16德国3773.902020.37日本2332.412020.18新加坡2212.292020.19英国2132.202020.310加拿大1781.842020.1100第二章领域报告：能源与矿业工程计划在“十四五”期间完成后处理的技术集成，将整体具备自主设计、建造大型后处理厂的能力。技术发展趋势：乏燃料后处理按照乏燃料在主工艺中被处理的存在状态分为湿法（亦称“水法”）和干法两种。湿法主要是基于普雷克斯（PUREX）流程，干法则采用电解熔融包括乏燃料在内的卤族盐类来分离可裂变材料以及裂变产物。1）湿法后处理技术：由于乏燃料后处理对象的不同以及燃耗的提高，湿法后处理主要发展方向包括：在提高 U、Pu 分离效率的基础上，强化Np 和 Tc 等的分离，改进并加强对14C 和129I 放射性气体排放的控制；为降低最终放射性废物的毒性和体积，对锕系元素（MA）和长寿命裂变产物（LLFP）进行“分离 嬗变（P&T）”。除了对乏燃料后处理 PUREX 流程进行改进之外，考虑到 MA 和 LLFP 的“分离 嬗变”，国际上提出了“先进后处理”概念，其包括以分离为主的后处理技术以及以嬗变为主的快堆或加速器技术，其中，分离技术可以通过两种方案得以实现，即“全分离”和“后处理 高放废液分离”。目前，乏燃料后处理厂的设计理念、关键设备、仪控、废物管理、核安全等方面均在不断改进发展。2）干法后处理技术：干法后处理技术主要包括卤化挥发法、高温冶金和电解精炼等方法，其中，电沉积和电解精炼技术被普遍认为是最具发展前景、可行性、经济性、可靠性的干法后处理技术，但该方法在大多数国家仍处于实验室研究阶段，仅有美国已完成实验室和工程规模的模拟实验，正在着手准备中试规模的热实验。（2）高放废液分离研究美国、法国、俄罗斯、日本和中国等都提出了各自的高放废液分离流程。20 世纪 90 年代，俄罗斯在马雅克建造了采用 CCD-PEG（chlorinated cobalt dicarbollide and polyethylene glycol）的高放废液分离中试设施（UE-35），用于从高含盐废液中回收 Sr 和 Cs；美国已完成从实验室到工程规模高放废液的分离，2016 年 6 月，美国在萨瓦纳河国家实验室建成了高放废液分离工厂，截至 2021年 6 月已处理 4 000 多立方米的高放废液；我国清华大学自 20 世纪 80 年代开始进行高放废液分离技术的研究，提出了具有自主知识产权的分离流程，完成了生产堆高放废液处理在实验室的所有研究工作，正在开展动力堆高放废液分离热实验研究，为高放废液分离技术工程热验证及应用奠定了良好基础，具备了进行工程化应用的条件。技术发展趋势：目前，超铀元素（TRU）的分离流程包括美国 TRUEX-TALSPEAK 及其改进流程、美国ALSEP流程、法国DIAMEX-SANEX流程、欧洲 GANEX 流程、日本 ARTIST 流程、俄罗斯二丁基磷酸锆萃取流程等；Sr、Cs 分离流程包括俄罗斯 CCD-PEG 流程、法国 CSSEX 流程、美国 FPEX流程、日本萃取色层分离流程等；我国提出了分离锕系元素的三烷基氧膦（TRPO）流程，分离锶的冠醚流程和分离铯的杯芳烃冠醚流程。我国目前已基本完成高放废液分离工艺、设备等方面的研究工作，正在开展动力堆高放废液分离图 1.2.3“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿的发展路线202220272032正极材料负极材料电解质复合固态电解质无机固态电解质硅碳负极硅负极锂金属负极高电压钴酸锂富锂锰基正极硫正极101全球工程前沿Engineering Fronts瑞士中国美国英国德国西班牙法国日本印度加拿大工艺热实验验证研究工作，后续进一步开展高放废液分离工艺中试规模热验证工作，力争在 2030 年前掌握高放废液分离的工程化技术，实现高放废液分离的工业化应用。由表 1.2.5 可知，该研究前沿的核心论文数排名前四位的国家分别是中国、美国、英国和德国，其中，中国居第一位，论文比例超过 30%，美国、英国、德国的论文比例均超过 10%。由图 1.2.4 可知，较为注重该领域国家间合作的有中国、美国、日本、德国、英国、法国、西班牙，另外，美国发表论文数量较多，主要是与中国、法国、德国、英国、日本进行合作发表。由表 1.2.6 可知，核心论文主要产出机构中，中国科学院、曼彻斯特大学、四川大学、德国于利希研究中心、英国国家核能实验室、苏黎世联邦理工学院的核心论文产出数均超过 2 篇。由图 1.2.5 可知，曼彻斯特大学、德国于利希研究中心、英国国家核能实验室有合作。由表 1.2.7 可知，施引核心论文产出最多的国家为中国，施引核心论文比例为 32.28%；美国次之，施引核心论文比例为 20.47%。由表 1.2.8 可知，施引核心论文产出较多的机构有中国科学院、重庆大学、青岛科技大学、清华大学、新南威尔士大学、得克萨斯大学奥斯汀分校、山东科技大学，其中，中国科学院、重庆大学、青岛科技大学施引核心论表 1.2.5“乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家序号国家核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国2530.121 06742.682017.82美国1416.8780057.142017.63英国1214.4645938.252017.84德国1012.0534834.802017.75西班牙89.6451264.002017.06法国78.4337353.292018.17日本67.2335459.002017.78印度44.8213634.002018.89加拿大44.8213333.252017.810瑞士44.8212431.002019.5图 1.2.4“乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究”工程研究前沿主要国家间的合作网络102第二章领域报告：能源与矿业工程麻省理工学院中国科学院曼彻斯特大学四川大学德国于利希研究中心英国国家核能实验室苏黎世联邦理工学院得克萨斯大学奥斯汀分校北海道大学日本科学技术振兴机构表 1.2.6“乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构序号机构核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国科学院56.0216833.602018.02曼彻斯特大学44.8210426.002018.03四川大学33.6113645.332017.34德国于利希研究中心33.6113444.672018.35英国国家核能实验室33.6112943.002018.36苏黎世联邦理工学院33.619832.672019.37得克萨斯大学奥斯汀分校22.41229114.502018.08北海道大学22.4114773.502017.59日本科学技术振兴机构22.4114773.502017.510麻省理工学院22.4112160.502017.5图 1.2.5“乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究”工程研究前沿主要机构间的合作网络表 1.2.7“乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家序号国家施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国12332.282019.22美国7820.472018.83澳大利亚318.142018.94法国246.302018.85德国246.302018.86意大利215.512019.07西班牙205.252018.68英国194.992018.89印度194.992018.710日本123.152018.5103全球工程前沿Engineering Fronts文比例超过 10%。通过以上数据分析可知，中国和美国在“乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究”工程研究前沿的核心论文产出及施引数量处在世界前列，中国机构施引核心论文数量较多。基于不同的后处理对象和燃耗的提高，湿法后处理的主流发展方向为在提高 U、Pu 分离效率的基础上，强化 Np 和 Tc 等的分离，另外为降低最终放射性废物的毒性和体积，需要对 MA 和 LLFP进行“分离 嬗变”。分离技术可以通过两种方案得以实现，即“全分离”和“后处理 高放废液分离”。在干法后处理方面，大多数国家尚处于实验室研究阶段，仅有美国完成了实验室规模和工程规模的模拟实验，正在着手准备中试规模的热实验。预计到 2025 年，乏燃料后处理工业示范厂建成投运，并实现稳定运行，我国将全面开展后处理科研专项工作，并具备自主建设大厂的能力；力争在 2030 年前掌握工程化技术，进一步开展高放废液分离工艺中试规模热验证工作；到2035年前后，依托后处理专项科研技术攻关，掌握大型乏燃料后处理厂的核心技术，自主建成大型后处理厂；到2050 年，完成先进水法后处理科研技术研究和干法后处理技术验证，基本建成干法后处理工程示范厂，建立先进完善的后处理、放射性废物处理处置产业（图 1.2.6）。1.2.3 水力压裂三维裂缝扩展模型自 20 世纪 50 年代起至今，水力压裂裂缝扩展模型研究在解析求解和数值计算方面都一直不断发展。早期最先发展出Perkins-Kern-Nordgren（PKN）、Khristianovic-Geertsma-de Klerk（KGD）、Penny三种经典的水力压裂模型。20 世纪 80 年代前后，表 1.2.8“乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构序号机构施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国科学院1112.942018.72重庆大学910.592019.03青岛科技大学910.592018.94清华大学89.412018.55新南威尔士大学89.412019.06得克萨斯大学奥斯汀分校89.412018.67山东科技大学89.412019.08西班牙高等科研理事会67.062018.59麻省理工学院67.062018.310香港理工大学67.062019.3图 1.2.6“乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究”工程研究前沿的发展路线20222027高放废液分离工业化应用乏燃料后处理工业示范厂自主建成大型乏燃料后处理厂干法后处理工程20322040104第二章领域报告：能源与矿业工程随着计算固体力学技术的进步，又逐渐发展出考虑流体与储层热交换的压裂流体相态变化的裂缝扩展模型。1983 年，Cleary 建立了全三维水力压裂裂缝扩展模型，采用奇异积分方程描述岩体的变形，利用有限元方法模拟裂缝内流体的流动，运用该模型分析了应力差异和层理面对裂缝扩展的影响，可直接用于压裂设计。随后，Settari、Hongren Gu和 Donsov 等大批学者采用有限差分、有限元网格法和隐式水平集等算法，建立了考虑支撑剂、热能传递和压裂液压缩性等因素的多种三维水力裂缝扩展模型，均是为了紧密结合水力压裂裂缝扩展特征及实际情况，实现对水力裂缝几何形态的全面描述，掌握水力压裂裂缝扩展规律。世界各国针对三维水力裂缝扩展模型都开展了大量研究，其中中国和美国的研究力度最大，相关成果文章最多。统计数据显示（表 1.2.9 和图 1.2.7），中美两国是对水力压裂三维裂缝扩展模型研究最为关注的国家，为相关核心论文的主要产出国家，其中，中国核心论文数量达 143 篇（占比为 59.83%），美国核心论文数量 90 篇（占比为 37.66%），合计占比高达 97.49%。“水力压裂三维裂缝扩展模型”工程研究前沿核心论文的主要产出机构也集中在中美两国高校，数据显示（表 1.2.10 和图 1.2.8），核心论文产出排名前十的机构中有 6 所中国高校、3 所美国高校，其中，中国石油大学核心论文数为 32篇（占比为 13.39%），得克萨斯农工大学核心论文数为 22 篇（占比为 9.21%），上述两个机构分别是中国、美国核心论文产出最多的机构。另外，中国和美国也是施引核心论文的主要产出国家（表1.2.11），中国施引核心论文有 1 676 篇（占比高达 55.77%），而美国施引核心论文有 617 篇（占比高达 20.53%），两国合计占比高达 76.3%。施引核心论文的主要产出机构都集中在中美两国高校（表1.2.12），排名前十的机构中有8所中国高校、2所美国高校。上述数据充分说明了中美两国对“水力压裂三维裂缝扩展模型”这一工程研究前沿课题的重视。国内学者对三维水力裂缝模型的研究起步较早，现阶段研究已经揭示部分影响模型，并采用ABAQUS 等大型计算软件进行了大量计算模拟，但是发展速度非常缓慢，主要是因为三维水力裂缝扩展是多个复杂问题的耦合，需要大量数学和力学知识进行统筹耦合。未来 510 年，三维水力裂缝扩展模型研究的重点仍将集中在厘定包括支撑剂、热能传递、压裂液压缩性、三相流动、水利裂缝与天然裂缝干扰行为等多种因素的影响机理，结合大表 1.2.9“水力压裂三维裂缝扩展模型”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家序号国家核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国14359.832 12814.882019.32美国9037.662 15123.902018.63加拿大187.531608.892019.24澳大利亚145.8633123.642018.95德国114.6058052.732018.86俄罗斯72.93192.712018.67英国62.516510.832019.58越南41.6736992.252019.29法国41.679223.002017.810瑞士31.2620468.002019.0105全球工程前沿Engineering Fronts澳大利亚联邦科学与工业研究组织能源中心中国石油大学西南石油大学得克萨斯农工大学得克萨斯大学奥斯汀分校中国石油大学（华东）俄克拉荷马大学重庆大学同济大学中国矿业大学瑞士中国美国加拿大澳大利亚德国俄罗斯英国越南法国图 1.2.7“水力压裂三维裂缝扩展模型”工程研究前沿主要国家间的合作网络表 1.2.10“水力压裂三维裂缝扩展模型”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构序号机构核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国石油大学3213.3943213.502019.32西南石油大学2811.7228110.042019.23得克萨斯农工大学229.2145620.732019.44得克萨斯大学奥斯汀分校208.3786943.452017.65中国石油大学（华东）125.0216013.332019.26俄克拉荷马大学104.1813513.502019.17重庆大学104.18767.602019.58同济大学83.3543153.882019.29中国矿业大学83.3516720.882019.210澳大利亚联邦科学与工业研究组织能源中心72.9322832.572018.6图 1.2.8“水力压裂三维裂缝扩展模型”工程研究前沿主要机构间的合作网络106第二章领域报告：能源与矿业工程表 1.2.12“水力压裂三维裂缝扩展模型”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构序号机构施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国石油大学31422.572020.02西南石油大学19814.232019.83中国石油大学(华东)1399.992019.94中国矿业大学1389.922020.05中国科学院1168.342020.16得克萨斯大学奥斯汀分校1017.262019.27重庆大学976.972020.18得克萨斯农工大学956.832019.79中国地质大学735.252020.010同济大学614.392020.0表 1.2.11“水力压裂三维裂缝扩展模型”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家序号国家施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国1 67655.772020.02美国61720.532019.73加拿大1364.532019.94澳大利亚1344.462019.85德国1043.462020.06英国953.162019.97伊朗602.002019.98俄罗斯581.932019.99法国511.702019.610印度381.262020.1图 1.2.9“水力压裂三维裂缝扩展模型”工程研究前沿的发展路线20222027明确三相流动、水力裂缝与天然裂缝干扰等多种因素的影响机理结合物理模拟实验，实现多因素耦合三维水力裂缝扩展模型的验证,并开发相应软件2032量的物理模拟实验进行多因素交汇影响的模型验证，在确保模型预测的准确性后，依靠新型高性能计算机和软件，开发多因素耦合模型软件，进行高精度的三维水力压力裂缝预测，为水力压裂技术改造提供理论依据（图 1.2.9）。107全球工程前沿Engineering Fronts1.2.4 深部开采冲击地压诱发机理与预警方法冲击地压是指岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，是一种严重的动力灾害。随着矿井开采深度的增加，煤矿冲击地压灾害形势严峻，因此冲击地压灾害的发生机理、监测预警与控制技术研究对煤矿安全开采意义重大。目前，在世界主要的产煤国家中，我国面临的深部开采情况最多，冲击地压的危害最为严重。为提升冲击地压的监测预警与控制水平，我国在深部开采冲击地压诱发机理与预警方法研究中投入了大量的科研力量。该领域核心论文产出量最高的国家是中国，核心论文比例达 78.5%，其次是加拿大、澳大利亚（表 1.2.13）；篇均被引频次最高的是葡萄牙，被引频次达 35.67。核心论文产出量较高的机构主要集中在中国高校，其中中国矿业大学、山东科技大学和北京科技大学位列前三（表1.2.14）。核心论文的主要产出国家中，中国和澳大利亚合作较多，其次是中国和加拿大、美国的合作也排前列（图 1.2.10）；核心论文的主要产出机构中，中国矿业大学和山东科技大学，北京科技大学和华北科技学院合作最为紧密（图 1.2.11）。表 1.2.13“深部开采冲击地压诱发机理与预警方法”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家序号国家核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国16878.502 86017.022019.22加拿大219.8151624.572018.53澳大利亚188.4148627.002019.14美国125.6115312.752018.85波兰115.14827.452018.96捷克94.2111713.002018.07俄罗斯62.80162.672017.78南非41.87276.752018.89葡萄牙31.4010735.672018.010日本31.403210.672019.3表 1.2.14“深部开采冲击地压诱发机理与预警方法”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构序号机构核心论文数论文比例/%被引频次篇均被引频次平均出版年1中国矿业大学4320.0972016.742018.72山东科技大学2813.0853619.142019.03北京科技大学219.8123010.952019.34中南大学104.6732232.202019.95华北科技学院104.6715315.302019.46安徽理工大学104.67929.202020.07中国矿业大学（北京）94.2114716.332019.68西安科技大学94.21586.442020.19中国科学院83.7411214.002019.410捷克科学院73.2710915.572018.3108第二章领域报告：能源与矿业工程捷克科学院中国矿业大学山东科技大学北京科技大学中南大学华北科技学院安徽理工大学中国矿业大学（北京）西安科技大学中国科学院日本中国加拿大澳大利亚美国波兰捷克俄罗斯南非葡萄牙图 1.2.10“深部开采冲击地压诱发机理与预警方法”工程研究前沿主要国家间的合作网络图 1.2.11“深部开采冲击地压诱发机理与预警方法”工程研究前沿主要机构间的合作网络表 1.2.15“深部开采冲击地压诱发机理与预警方法”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家序号国家施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国207374.492020.22澳大利亚1645.892020.13加拿大1023.672019.94美国1013.632019.95伊朗732.622020.26越南622.232020.57波兰592.122020.38英国421.512020.09俄罗斯411.472020.210马来西亚371.332020.4施引核心论文的主要产出国家排名前两位分别是中国和澳大利亚，两者合计占比超过 80%，平均施引年集中在 2020 年（表 1.2.15）。施引核心论文的主要产出机构排名前三位分别是中国矿业大109全球工程前沿Engineering Fronts学、中南大学和山东科技大学，三者合计占比为53.07%（表 1.2.16）。围绕冲击地压发生机理及防治技术，目前研究主要集中在深部煤矿冲击地压动力响应及灾变机理、深部煤矿冲击地压灾害智能监测预警理论与技术、深部煤矿冲击地压防控机理与方法三个方面。针对冲击地压的发生机理，揭示围岩应变能释放突变机制是研究冲击地压发生机理新的突破途径；在冲击地压预警技术研究方向，融合数据挖掘、大数据处理分析等人工智能算法，实现冲击地压灾害的智能监测预警与多场多维感知是今后的发展方向。在深部开采冲击地压诱发机理与预警方法领域开展深入研究并取得突破，有助于解放深部矿产资源，是未来实现能源、资源可持续开发的前提。“深部开采冲击地压诱发机理与预警方法”工程研究前沿的发展路线如图 1.2.12 所示。2 工程开发前沿2.1 Top12 工程开发前沿发展态势能源与矿业工程领域研判的 Top 12 工程开发前沿见表 2.1.1。它们涵盖了能源和电气科学技术与工程、核科学技术与工程、地质资源科学技术与工程、矿业科学技术与工程 4 个学科。其中，“大规模风光储互补发电及稳定并网技术”“燃煤机组快速灵活调峰技术”“氨燃料发动机技术”属于能源和电气科学技术与工程领域；“多用途新概念微型反应堆”“高放废物处理处置技术体系”“核聚变制氚技术”属于核科学技术与工程领域；“页表 1.2.16“深部开采冲击地压诱发机理与预警方法”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构序号机构施引核心论文数施引核心论文比例/%平均施引年1中国矿业大学46925.932019.92中南大学26514.652020.43山东科技大学22612.492019.94重庆大学1458.022020.05中国矿业大学（北京）1307.192020.36北京科技大学1226.742020.17河南理工大学1015.582020.38东北大学975.362020.39安徽理工大学945.202020.410中国科学院854.702020.0202220272032诱发与致灾机理智能监测预警概念设计技术与装备开发规模化应用原理发现理论模型防控机理与技术开发机理研究技术开发图 1.2.12“深部开采冲击地压诱发机理与预警方法”工程研究前沿的发展路线110第二章领域报告：能源与矿业工程岩油气产能高精度预测系统”“高精度智能化三维可视化勘查系统”“新型杂卤石钾盐矿和富锂卤水的智能识别与资源综合评价技术”属于地质资源科学技术与工程领域；“油气钻井随钻前探与远探技术研发”“页岩储层高效压裂技术研发”“煤矿井下煤层长钻孔分段压裂增透与抽采技术”属于矿业科学技术与工程领域。各开发前沿涉及的核心专利20162021 年的公开情况见表 2.1.2。（1）大规模风光储互补发电及稳定并网技术风力发电和太阳能发电具有天然的互补性，结合储能系统形成的风光储互补发电系统能够克服风光资源的波动性与随机性，降低大规模风光基地整体功率波动水平，保障新能源高渗透电力系统稳定运行。近年来，随着风光发电占比不断增大，风光表 2.1.1 能源与矿业工程领域 Top12 工程开发前沿序号工程开发前沿公开量被引数平均被引数平均公开年1大规模风光储互补发电及稳定并网技术70891.272018.62多用途新概念微型反应堆601502.502018.63页岩油气产能高精度预测系统1455894.062019.04油气钻井随钻前探与远探技术研发1283442.692017.95燃煤机组快速灵活调峰技术1571240.792019.86氨燃料发动机技术70530.762020.37高放废物处理处置技术体系1401721.232018.78核聚变制氚技术941101.172018.59高精度智能化三维可视化勘查系统1293112.412018.810新型杂卤石钾盐矿和富锂卤水的智能识别与资源综合评价技术1623362.072018.911页岩储层高效压裂技术研发1907664.032019.312煤矿井下煤层长钻孔分段压裂增透与抽采技术1923291.712019.5表 2.1.2 能源与矿业工程领域 Top12 工程开发前沿核心专利逐年公开量序号工程开发前沿2016201720182019202020211大规模风光储互补发电及稳定并网技术961991982多用途新概念微型反应堆136995183页岩油气产能高精度预测系统923271927404油气钻井随钻前探与远探技术研发293029122085燃煤机组快速灵活调峰技术211181942656氨燃料发动机技术222216467高放废物处理处置技术体系1822232127298核聚变制氚技术171714914239高精度智能化三维可视化勘查系统23151814203910新型杂卤石钾盐矿和富锂卤水的智能识别与资源综合评价技术16172932284011页岩储层高效压裂技术研发9202440415612煤矿井下煤层长钻孔分段压裂增透与抽采技术8931315063111全球工程前沿Engineering Fronts互补发电向着高电压等级、多场站协调方向发展，此外用于协调互补的储能形式也向绿色、低碳转变，如大规模氢储、抽水蓄能站等。大规模风光储互补发电系统涉及的关键技术包括：风电场、光伏电站和储能电站的联合选址定容技术；风光储协调控制、调度与经济运行技术；风光储互补发电系统的主动电网支撑技术；风光储互补发电系统的非计划并离网无缝切换技术；风光储互补发电系统的稳定控制技术。（2）多用途新概念微型反应堆国际原子能机构（IAEA）一般将发电功率在10 MW 以下、具有模块化特征的反应堆称为微型核反应堆。微型核反应堆既不是大型核电厂的微型化，也不是验证技术可行性的原型反应堆，而是按照用户需求提供兆瓦量级能源且具有先进技术特征的新型反应堆。微型核反应堆具有广阔的应用前景以及其他能源不可替代的优势，是实现国家战略的重要支撑之一。IAEA 和国际主要核能大国均认可微型核反应堆的发展前景并大力支持其发展，例如美国、加拿大和英国等已制定微型核反应堆技术路线，并提供长期的政策支持和资金支持。当前，美国研究了微型核反应堆部署在技术开发与执照申请、工程设计采购与建造、燃料循环等关键环节所面临的挑战，并提出了建议，明确了技术发展路径，通过协同用户、项目核准单位、核安全审评单位、技术开发单位和运营单位等拟在 2027 年年底前建成并运行至少一座微型示范核反应堆。（3）页岩油气产能高精度预测系统 产能预测是油气开发理论体系的重要组成部分，预测结果是否可靠是影响资产评估、开发方案设计等工作的核心因素之一。页岩油气产能预测常用方法包括数值模拟法、递减分析法和解析模型法。研究者在数值模型搭建、现代生产动态资料分析、井间干扰风险预测等方面开展了大量研究，旨在探究裂缝、簇间距、孔隙介质、压实作用、流体相态等因素对产能的影响。但页岩储层岩性复杂、孔隙介质尺度跨度大、烃类赋存形式多样，水平井、体积压裂等开发工艺复杂，致使产能预测结果与实际产量存在偏差，亟须研发适合页岩油气产能预测的高精度系统，发展趋势包括：深入和完善页岩油气赋存特征与渗流机理研究，为推进页岩油气产能可靠预测奠定坚实基础；利用人工智能技术，开展地质参数和工程参数的大数据分析，探索产量主控因素并建立相关关系模型，进而预测产量；开展不确定性产能预测方法研究，结合不确定性数学理论与数学物理方法，推导出不确定性的产能解析模型或数值模型，实现对产能的不确定性预测；页岩油气水平井立体开发物理模拟和理论研究，推动形成页岩油气水平井立体开发产能评价方法的系统理论研究成果。（4）油气钻井随钻前探与远探技术研发随钻测量是指在钻探过程中实现钻孔轨迹信息和地质参数的实时测量与上传的技术。油气钻井随钻前探与远探技术既能用于地质导向，又能对复杂井、复杂地层的含油气情况进行评价，已成为行业研究热点。国外随钻前探与远探技术已获得巨大发展，美国斯伦贝谢科技公司、美国哈利伯顿能源服务公司等先后推出各种随钻技术，远探距离可达60 m，前探距离可达 30 m。目前，我国油气勘探开发领域正逐渐转向深层超深层、复杂地层、深海和非常规油气藏，对钻井工程提出了更高要求，随钻前探与远探技术有望成为提高钻遇率和油气产量的关键技术。我国目前已取得阶段性进展，但总体技术仍落后于国外。油气钻井随钻前探与远探技术研发主要技术研究方向有井下测试仪器研发、测试工艺改进、数据传输与存储、数据分析与解释等。随钻前探与远探技术的发展趋势是降本增效和提升智能化水平，该技术可用于地质导向、随钻油藏描绘，有望成为智慧油田、智能钻井的重要组成部分，对筑牢中国能源安全的油气资源基础具有重要的现实与战略意义。112第二章领域报告：能源与矿业工程（5）燃煤机组快速灵活调峰技术燃煤机组快速灵活调峰技术是根据电网的负荷变化指令进行快速响应和深度低负荷稳定运行的燃煤发电技术，该技术是大规模使用燃煤发电的国家或区域提高可再生能源发电比例并最终实现碳中和的必由之路和关键途径。由于可再生能源具有波动性、间歇性和不稳定性的特点，且可再生能源供给与终端能源消耗存在显著的时空差异，在储能技术不成熟和经济性差的相当时间内必须依靠燃煤机组进行快速灵活调峰，以保障电网的安全和能源的稳定供给。燃煤机组快速灵活调峰技术主要发展的方向包括：不同煤质下的超低负荷煤粉锅炉燃烧技术和循环流化床燃烧技术；超低负荷和变负荷运行下的燃煤机组热力系统的水动力安全可靠性和机组经济性；燃煤机组的快速启停技术；燃煤机组负荷快速响应机制以及与多种储能系统的耦合技术；燃煤机组快速负荷变化对受热面材料的影响；燃煤机组全负荷超低排放技术和二氧化碳减排评估；热电燃煤机组的经济高效热电解耦技术和宽负荷调峰技术等。燃煤机组快速灵活调峰技术的核心指标是电网负荷变化指令的响应速度，其发展趋势是调峰速度越来越快，超临界机组达 5 Pe/min（额度负荷/分钟）以上，亚临界机组达 8 Pe/min 以上。（6）氨燃料发动机技术依托化石燃料的发动机等动力装置广泛应用于发电、陆路运输、船舰动力、航空航天等领域，是二氧化碳排放的主要来源之一。氨气作为一种新型“零碳”燃料，被视为降低传统碳基燃料碳排放的有效途径。然而，由于氨气的自燃温度高且火焰传播速度低，氨气燃烧常面临着稳定性较差、容易失火等问题。另外，由于燃料分子本身含氮，排放物中氮氧化物的浓度高，也制约了氨气作为发动机替代燃料的发展。利用高活性燃料掺混氨燃烧以提高燃烧稳定性是实现氨燃料发动机的可行技术路线。在众多高活性燃料中，氢气作为另一种零碳燃料，因其可以由氨气裂解在线制备而占据优势，基于此的氨氢燃料高效催化转化技术也受到广泛关注。然而，由于氢气的强扩散性及氨气的高汽化潜热，氨氢燃料在发动机燃烧室内的浓度及温度分布常是高度不均匀的。因此，如何调制燃料喷射策略以实现氨燃料在发动机内的合理分布，并进一步有效控制燃烧状态是待解决的重要问题。另外，氢气等活性燃料的添加虽提升了氨燃料的燃烧活性，却同时使得燃烧温度提升，氮氧化物排放急剧增加。即使富燃情况下氮氧化物排放有一定的降低，但又会导致燃烧经济性差及未燃氨排放增加等其他问题。因此，氨燃料发动机耦合选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）和氨气氧化催化器（ammonia slip catalyst，ASC）等后处理手段以降低氮氧化物及未燃氨排放势在必行。总体来说，单一氨燃料发动机技术目前尚面临较大挑战。为实现氨燃料发动机的效率及排放优化，发展氨在线快速高效催化转化高活性氢燃料技术、强湍流情况下预燃室高温富燃射流及主燃室多段喷射等燃料混合分层策略、基于无焰燃烧的高温低氧稀释氨燃烧技术、船用发动机大空间氨氢燃料早燃爆震抑制策略、宽温度窗口高转化效率氮氧化物/未燃氨后处理系统等将成为未来氨燃料发动机的发展趋势。（7）高放废物处理处置技术体系高放废物安全处置是核能可持续发展的关键。高放废物是一种放射性强、毒性大、半衰期长、释热量大的放射性废物，其进行安全处置的难度极大，为解决该难题，大多数有核国家通过制定法律法规、建立管理体制、成立实施机构、建立筹资机制、制定长远规划、建立地下实验室等方法，以确保高放废物的安全处置。自 20 世纪 60 年代开展高放废物地质处置研究开发以来，在地质处置选址和场址评价、工程屏障、处置库设计和建造技术、地下实验室建设和实验、安全评价研究等方面取113全球工程前沿Engineering Fronts得大量成果，其中芬兰、法国和瑞典在处置库工程的实施方面表现最为突出。高放废物处理的核心技术包括：场址评价技术，高精度水文地质参数测量系统，裂隙网络模拟技术，（超低浓度）放射性核素迁移评价技术；工程屏障设计制造技术，处置容器设计、评价、制造技术；安全评价技术，超长时间尺度和超大规模安全评价模拟技术；处置坑开挖设备和废物容器就位设备等关键设备，高精度可靠性水文参数测试系统。（8）核聚变制氚技术氚在军事、能源、工业、科学研究等领域都发挥着重要作用。自然界天然氚极其稀少并难以利用，一般通过加速器、核裂变反应堆等途径生产，相比其他途径，核聚变反应可直接产生高能中子，因此在制氚方面更具优势。核聚变制氚技术主要是指利用高能中子与 Li-6 的核反应产生氚，并在安全包容前提下对氚进行提取纯化。核聚变制氚技术涉及的主要技术包括：核聚变堆产氚包层设计与制造，氚提取和分离纯化，安全包容。根据氚产生效率要求，核聚变堆产氚包层可设计为常规包层或混合包层，其中常规包层具有清洁的特点但产氚效率不高，混合包层通过引入裂变燃料对中子产额进行链式放大实现高效产氚，但清洁性较差。国际热核聚变实验堆（ITER）的目标之一是验证氚增殖包层技术，中国聚变工程试验堆（CFETR）的核心目标是通过包层产氚实现氚自持。氚提取、分离纯化和安全包容技术是影响氚自持的核心因素，因此，发展核聚变制氚技术仍需在产氚包层设计、产氚包层制造与验证、降低氚渗透滞留、提高氚提取与分离纯化效率、实现氚操作的安全包容等方面集中攻关。（9）高精度智能化三维可视化勘查系统高精度智能化三维可视化勘查系统是指在矿床理论指导下，综合与矿产勘查有关航空和地面地球物理、多光谱和高光谱遥感、地面红外光谱、地球化学、地质等各类勘查数据，通过人工智能技术深入挖掘有用信息提高精度和准确性，从而实现矿产勘查三维可视化。该系统包括硬件和软件，主要研究方向是通过发展传感器硬件技术和软件算法等，不断提高勘查的精度和准确性。硬件上主要体现在高性能传感器、核心芯片可靠性能、数据采集精度、功率等方面发展，软件上主要是深层次找矿信息挖掘的算法创新，最终通过自主可控的人工智能找矿勘查软件实现立体勘查。高精度智能化三维可视化勘查系统的未来发展趋势：一是与勘查有关的硬件性能不断提升，能够更加准确地获取地质勘查信息；二是勘查精度上不断提高，深入挖掘的各类信息特别是提出的靶区准确性高；三是人工智能使操作简单化，通过人工智能技术把专家体系进行封装，实现用户界面简单化和友好化；四是三维可视化、实时化，通过系统把最新的勘查数据实时三维可视化显示。（10）新型杂卤石钾盐矿和富锂卤水的智能识别与资源综合评价技术钾盐是关系粮食安全的战略性矿产资源，一直被国家列为大宗稀缺战略性矿产，锂盐是关键战略性新能源矿产，然而其对外依赖程度居高不下，严重威胁国家矿产资源安全。我国深部钾/锂盐资源探测难点主要是：资源赋存状态多（固相、液相）、后期构造变形复杂、卤水储层非均质性强等，导致长时间难以有效突破。迄今，国际上尚无深部新型杂卤石钾盐和富锂卤水的评价规范。新型杂卤石钾盐矿和富锂卤水的智能识别与资源综合评价技术是在长期实践的基础上建立的：利用深部“新型杂卤石钾盐矿”高伽马、高钾、高电阻、低钍、低铀、大井径的地球物理与钻井数据特征，建立起“三高二低一大”综合测井识别技术；针对富锂钾卤水地质特点，梳理其特有表征参数，建立起“三高、四低”（高中子孔隙度、高声波时差、高伽马能谱钾、低自然伽马、低自然电位、低电阻率、低密度）测井综合智能识别技术；结合海量三维地震数据信息开展平面智能识别预114第二章领域报告：能源与矿业工程测，对深部新型杂卤石钾盐矿和富锂卤水层进行有效预测，给出目的层所处层位的深度、厚度、含矿性、卤水储层孔隙度等信息，在此基础上，得到深部钾盐/锂盐资源评价的必要参数，完成综合评价。新型杂卤石钾盐矿和富锂卤水的智能识别与资源综合评价技术由郑绵平院士团队首先创建于川东北宣汉地区，并实现了深部钾锂资源勘查的重大突破，该项技术有利于破解我国深部海相钾锂资源综合评价技术的“卡脖子”难题。下一步，新型杂卤石钾盐矿和富锂卤水的智能识别与资源综合评价技术还需提高预测精度，增加标志性参数，完善现有成套深部地质探测技术，并创建深部固体盐类与深藏卤水盐类的相关规范，推动中国形成首个大型“海相锂钾资源综合产业基地”，形成国内外先导性成果。（11）页岩储层高效压裂技术研发页岩以微纳米级孔喉为主，脆性矿物含量一般大于 35%。压裂是缩短油气渗流距离，实现页岩经济开采的核心技术。页岩的储层改造需形成交错穿插的缝网形态已成为业内共识，水平井分段多簇压裂技术是储层改造的主体技术。近年来，压裂设计的级数、簇数、加砂量不断增大，采用滑溜水压裂的比例逐步提高，压裂间距、簇间距不断缩短。不同于北美平原地区稳定的构造条件，我国页岩地层连续性差且分割强烈。国内页岩开发不能照搬多井分段缝网压裂的模式，需要寻求形成全井段缝网模式，达到少井高产。缝网的最大化展布是高效压裂的关键，但面临以下挑战：裂缝非同步起裂、形成主裂缝、缝间干扰和近井地带裂缝转向等。针对以上问题，研究方向主要有分支井压裂技术、高速通道压裂技术、变排量压裂技术、重复压裂技术、同步压裂技术、拉链式压裂技术、转向压裂技术、小井距立体开发技术等。目前，各压裂工艺均存在一定局限性，形成地质与工程相匹配的储层一体化解决方案，有望获取最优的储层改造体积，助推中国页岩油气的高效开发。（12）煤矿井下煤层长钻孔分段压裂增透与抽采技术随着我国煤矿开采深度的逐步增大，高瓦斯低渗煤层的比例不断扩大，新形势下的瓦斯防治、高效抽采问题亟须解决。煤层长钻孔分段压裂增透与抽采技术是利用定向钻机施工煤层水平定向长钻孔，采用胶囊封孔器对钻孔进行分段密封，通过高压密封钻杆将压裂液输送至密封孔段对煤体进行分段压裂，能有效地改造煤层裂隙发育情况，提高煤层渗透率，大幅度提升钻孔抽采浓度与流量。深孔压裂工具串的开发、压裂支撑剂的优选、井下用高压力大流量压裂泵的研制、气液协同压裂工艺的探究等是该前沿的主要研究方向。未来，煤矿井下煤层长钻孔分段压裂增透与抽采技术将大大提升煤矿区域瓦斯超前治理的效率，缩短瓦斯抽采达标时间，有望替代当前水力割缝、造穴、冲孔等常规水力化增透措施，实现低渗煤层增透抽采措施向着更加快捷、高效、节能方向发展。2.2 Top4 工程开发前沿重点解读2.2.1 大规模风光储互补发电及稳定并网技术风光出力由于其随机性和波动性，直接并网将对电力系统造成冲击，电网企业为保证电网稳定运行，往往通过调度手段限制风电、光伏发电上网，或是由火电机组提供备用服务，这样虽然保证了系统的稳定运行，但弃风、弃光造成了严重的浪费。风电和光伏发电具有一定的互补性，结合储能装置形成的风光储一体化的发电系统，在智能调控技术作用下将成为优质电源，通过风光互补发电与储能协调可以提升风光资源的消纳率和稳定供电能力。丹麦、英国等风力资源丰富的欧洲国家在沿海区域规划了大量的风光储一体化发电场，丹麦 Eurowind Energy 公司规划了超过 1 GW 的风光储陆上能源中心，并考虑采用氢电解作为大规模储能。美国通用电气在俄勒冈州建设了 380 MW 的大规模风光115全球工程前沿Engineering Fronts储项目，澳大利亚 Walcha Energy 公司在新南威尔士州建设了 4 GW 的风光储项目。我国最早的风光储互补发电项目是 2004 年 12 月华能南澳建成的54 MW/100 kWp 风光互补发电场。随着国家政策向新能源发电倾斜，风光储一体化发电技术得到了充分的发展和应用。受限于地理布局，我国大部分风光储互补发电系统分布在阳光或风能资源充足的西北和沿海地区。未来风光储发电将与输电系统共同规划设计，我国首个千万千瓦级风光储输多能互补综合能源基地已于2021年在甘肃正式启动建设。中国能源建设股份有限公司、国家能源集团有限公司、山西国际能源集团有限公司、北京能源集团有限责任公司、国家电力投资集团有限公司等 15 家央（国）企签约风光储项目 27 个，总项目规划规模 42.49 GW。目前，如表 2.2.1 所示，该领域核心专利公开量排名前三位的国家分别是中国、印度和韩国，其中，中国公开量达 63 项（占比达 90%），印度公开量为 6 项（占比为 8.57%），韩国公开量为 1 项（占比为 1.43%）。中国的专利被引数、平均被引数均为最高，分别为 86 次与 1.37 次，被引数比例为 96.63%。主要产出国家间尚无合作。由表 2.2.2可知，该前沿核心专利的主要产出机构是国家电网有限公司、河海大学、阳光电源股份有限公司等。国家电网有限公司与诸暨市东白电力安装工程有限公司开展过相关工程合作（图 2.2.1）。未来 510 年，大规模风光储互补发电系统将成为保障电力系统安全运行、支撑系统电压、频率稳定的重要环节，兼顾消纳与主动支撑电网能力，是未来风光储互补发电系统的重点发展方向，其中涉及的关键技术包括：1）大规模风光储高比例互补消纳技术平抑新能源出力波动、补偿功率预测误差、降低弃风率与弃光率、提升新能源并网/外送能力。2）风光储惯性控制并网技术以虚拟同步机控制和变下垂控制为代表的动态扰动控制技术，表 2.2.1“大规模风光储互补发电及稳定并网技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家序号国家公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1中国6390.008696.631.372印度68.5733.370.503韩国11.4300.000.00表 2.2.2“大规模风光储互补发电及稳定并网技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构序号机构公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1国家电网有限公司811.431820.222.252河海大学22.8633.371.503阳光电源股份有限公司22.8611.120.504上海工程技术大学11.431314.6113.005南通大学11.4377.877.006南京工程学院11.4366.746.007哈尔滨电气股份有限公司11.4355.625.008广东省电力设计研究院11.4344.494.009华夏五维文化产业股份有限公司11.4344.494.0010诸暨市东白电力安装工程有限公司11.4344.494.00116第二章领域报告：能源与矿业工程诸暨市东白电力安装工程有限公司国家电网有限公司河海大学阳光电源股份有限公司上海工程技术大学南通大学南京工程学院哈尔滨电气股份有限公司广东省电力设计研究院华夏五维文化产业股份有限公司动态调节并入母线频率和电压，提高新能源故障穿越能力。3）高能量密度与高可靠性储能系统提高储能电池、电池管理系统、储能变流器等单体设备的制造工艺、运行能力、安全性能。在我国建设以新能源为主体的新型电力系统的背景下，我国可再生能源发电占比将从 30%提升至 50%甚至更高，大规模风光储互补发电及稳定并网技术将成为未来能源建设的核心技术，新增的风光储项目将达 5 000 万 kW 以上。未来我国将建成大规模风光储发电基地、风光水储互补基地、风光氢储互补基地等相关工程。图 2.2.2 为“大规模风光储互补发电及稳定并网技术”工程开发前沿的发展路线。2.2.2 多用途新概念微型反应堆微型核反应堆既不是大型核电厂的微型化，也不是验证技术可行性的原型反应堆，而是按照用户需求提供兆瓦量级能源且具有先进技术特征的新型反应堆。为了满足不同应用场景下用户使用，微型核反应堆通常具有固有安全性高、易于模块化和扩展、可运输性、便于部署、自主运行等技术特征。微型核反应堆可为多地区灵活提供能源，例如为偏远海岛和矿区、边防哨所和基地等偏远区域提供小容量或分布式绿色清洁电源和热源，或为灾区和战争受损重要基础设施提供应急或备用电源。微型核反应堆作为能量密度高、体积小、运行期间维护少的能源模块，还可为深海探索和太空探索的重要装备提供长续航自主运行电源。早在 20 世纪六七十年代，美国和苏联就曾研发过用于空间探索和军事基地的微型核反应堆。2015 年，随着美国空间热管反应堆取得关键技术突破以及陆基核电源出现新的需求，微型核反应堆成为研发热点，主要研究方向为反应堆堆型和系统配置的多样性。目前，国内外公开的微型核反应堆包括高温气冷堆、热管堆、钠冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆和轻水堆等。各种微型核反应堆设计时除考虑发电能力外，也充分考虑了可运输性和可移动性。反应堆容器的尺寸受控制棒、控制鼓、反应堆容器、反应堆图 2.2.1“大规模风光储互补发电及稳定并网技术”工程开发前沿主要机构间的合作网络2022一次调频能力GW级风光储互补发电系统氢、氨等新型储能应用风光消纳率90 2520282032图 2.2.2“大规模风光储互补发电及稳定并网技术”工程开发前沿的发展路线117全球工程前沿Engineering Fronts堆型、燃料类型、富集度、反射层材料等因素影响，进而影响反应堆的可运输性。微型核反应堆在热电转换系统和余热排出系统设计方面，充分考虑紧凑化和轻量化，尽量实现可运输性，其中热电转换系统主要使用紧凑式换热器，朗肯循环，超临界二氧化碳、氮气、氦气闭式布雷顿循环，开式布雷顿循环，余热排出系统则主要采用自然循环或热辐射/热传导将堆芯热量传递到堆芯外围，再通过非能动空气冷却或者金属翅片等将热量导出。由表 2.2.3 可知，“多用途新概念微型反应堆”工程开发前沿中核心专利公开量排名前三位的国家分别是中国、美国和韩国，其中，中国核心专利占比超过 60%，美国、韩国的核心专利占比均超过 14%，其他国家核心专利占比均低于 2%。主要产出国家间尚无合作。由表 2.2.4 可知，该前沿核心专利公开量排名前列的机构有西安交通大学、西安热工研究院、西屋电气公司、华南理工大学和中国核动力研究设计院，其核心专利产出占比均超过4%。由图 2.2.3 可知，深圳阿尔法生物制药有限公司与云南济慈再生医学研究院开展了相关合作。目前，国内外主要的微型核反应堆项目大多处于关键技术攻关阶段，预计在 20252027 年实现首堆示范验证。根据大型核电站技术发展趋势以及小微型核反应堆的创新技术特征，可知微型核反应堆的技术发展趋势是固有安全性的提升，运输便捷，便于用户灵活部署和使用等。另外，微型核反应堆的关键技术包括新型燃料（如耐事故燃料）、主回路一体化、新型热电转换、非能动安全系统、智能运维、核能与其他能源耦合等。不同微型核反应堆将基于自身堆型特征及技术成熟度进行上述关键技术攻关和关键设备研发与验证。图 2.2.4 为“多用途新概念微型反应堆”工程开发前沿的发展路线。表 2.2.3“多用途新概念微型反应堆”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家序号国家公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1中国3965.006543.331.672美国915.008053.338.893韩国915.0010.670.114瑞士11.6742.674.005德国11.6700.000.006日本11.6700.000.00表 2.2.4“多用途新概念微型反应堆”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构序号机构公开量公开量比例/%被引数被引数比例/%平均被引数1西安交通大学58.3385.331.602西安热工研究院46.6732.000.753西屋电气公司35.002214.677.334华南理工大学35.0085.332.675中国核动力研究设计院35.0032.001.006深圳阿尔法生物制药有限公司23.33138.676.507云南济慈再生医学研究院23.33138.676.508辽宁大化国瑞新材料有限公司23.33117.335.509泰拉能源有限责任公司23.33117.335.5010中国航天系统科学与工程研究院23.3310.670.50118第二章领域报告：能源与矿业工程20222027铅冷微堆示范工程2032空间堆示范工程气冷微堆示范工程中国航天系统科学与工程研究院西安交通大学西安热工研究院西屋电气公司华南理工大学中国核动力研究设计院深圳阿尔法生物制药有限公司云南济慈再生医学研究院辽宁大化国瑞新材料有限公司泰拉能源有限责任公司2.2.3 页岩油气产能高精度预测系统产能预