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类型中国工程院战略咨询中心:2021全球工程前沿报告(239页).pdf

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    中国工程院 战略 咨询中心 2021 全球 工程 前沿 报告 239
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    1、目录全球工程前沿Engineering FrontsI引言1第一章研究方法31工程研究前沿的遴选31.1论文数据的获取与预处理41.2论文主题挖掘41.3研究前沿的确定与解读42工程开发前沿的遴选52.1专利数据的获取与预处理62.2专利主题挖掘62.3开发前沿的确定与解读63术语解释6第二章领域报告9一、机械与运载工程91工程研究前沿91.1Top10 工程研究前沿发展态势91.2Top3 工程研究前沿重点解读132工程开发前沿212.1Top10 工程开发前沿发展态势212.2Top3 工程开发前沿重点解读25二、信息与电子工程311工程研究前沿311.1Top10 工程研究前沿发展态势3

    2、11.2Top3 工程研究前沿重点解读362工程开发前沿462.1Top10 工程开发前沿发展态势462.2Top3 工程开发前沿重点解读51三、化工、冶金与材料工程591工程研究前沿591.1Top11 工程研究前沿发展态势591.2Top3 工程研究前沿重点解读632工程开发前沿722.1Top11 工程开发前沿发展态势722.2Top3 工程开发前沿重点解读76四、能源与矿业工程831工程研究前沿831.1Top12 工程研究前沿发展态势831.2Top4 工程研究前沿重点解读882工程开发前沿962.1Top12 工程开发前沿发展态势962.2Top4 工程开发前沿重点解读103全球工

    3、程前沿Engineering Fronts五、土木、水利与建筑工程1111工程研究前沿 1111.1Top10 工程研究前沿发展态势 1111.2Top3 工程研究前沿重点解读 1142工程开发前沿 1232.1Top10 工程开发前沿发展态势 1232.2Top3 工程开发前沿重点解读 127六、环境与轻纺工程1321工程研究前沿 1321.1Top10 工程研究前沿发展态势 1321.2Top3 工程研究前沿重点解读 1362工程开发前沿 1432.1Top10 工程开发前沿发展态势 1432.2Top3 工程开发前沿重点解读 148七、农业1541工程研究前沿 1541.1Top10 工

    4、程研究前沿发展态势 1541.2Top3 工程研究前沿重点解读 1582工程开发前沿 1682.1Top10 工程开发前沿发展态势 1682.2Top3 工程开发前沿重点解读 172八、医药卫生1811工程研究前沿 1811.1Top10 工程研究前沿发展态势 1811.2Top3 工程研究前沿重点解读 1872工程开发前沿 1972.1Top10 工程开发前沿发展态势 1972.2Top3 工程开发前沿重点解读 204九、工程管理2131工程研究前沿 2131.1Top10 工程研究前沿发展态势 2131.2Top3 工程研究前沿重点解读 2172工程开发前沿 2262.1Top10 工程开

    5、发前沿发展态势 2262.2Top3 工程开发前沿重点解读 231总体组成员 240II1全球工程前沿Engineering Fronts引 言工程科技是改变世界的现实的、直接的生产力,工程前沿代表着工程科技未来创新发展的重要方向。当今时代,世界面临百年未有之大变局,新型冠状病毒肺炎疫情全球大流行进一步加剧全球发展的不确定性。新一轮科技革命和产业变革持续深化演进,工程科技创新多源并进、交汇叠加,工程科技前沿持续交叉融合,不断衍生突破。中国工程院作为国家工程科技领域最高荣誉性、咨询性学术机构,肩负着发挥学术引领作用、促进工程科技发展的历史使命。自 2017 年以来,中国工程院连续组织开展“全球工

    6、程前沿”重大咨询研究项目,旨在按年度分析全球工程研究前沿和工程开发前沿,研判全球工程科技演进变化趋势。2021 年度全球工程前沿研究项目,继续依托中国工程院 9 个学部及中国工程院工程系列期刊开展研究工作。项目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 93 个工程研究前沿和 93 个工程开发前沿,并重点解读 28 个工程研究前沿和 28 个工程开发前沿。为提高前沿研判的科学性,在前四年实践经验的基础上,2021 年度的研究工作进一步加大了数据与专家的交互力度,领域专家与图书情报专家深度参与数据

    7、准备、数据分析、图表制作、报告撰写等环节,专家智慧与客观数据在多轮迭代中不断融合,提升了研究的专业性和前瞻性。本报告为 2021 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,主要说明项目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,分别描述和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。在研究过程中,项目研究团队聚焦全球工程科技发展的热点和难点,将前沿研究、

    8、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、所有参与工程前沿研究的专家表示感谢!3全球工程前沿Engineering Fronts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南。根据前沿方向的侧重点是工程科技的理论研究还是应用开发,工程前沿分为工程研究前沿和工程开发前沿。本研究中, 工程前沿基于公开数据和专家研判得出,不涉及非公开领域。2021 年度全球工程前沿研究继续在以专家为核心、数

    9、据为支撑的原则下,采用专家与数据多轮交互、迭代遴选研判的方法,实现了专家研判与数据分析的深度融合,共遴选出 93 个工程研究前沿和 93 个工程开发前沿,并重点解读了其中的 28 个工程研究前沿和 28 个工程开发前沿。9 个领域的前沿数量分布如表 1.1 所示。前沿研究按数据准备、数据分析、专家研判 3个阶段分步实施。在数据准备阶段,领域专家和图书情报专家对初始论文、 专利数据筛选源进行修订,明确数据挖掘的范围;在数据分析阶段,通过共被引聚类方法获得文献聚类主题和专利地图;在专家研判阶段,通过专利地图解读、专家研讨、问卷调查等方法逐步筛选确定前沿,并结合前沿在论文或专利数据上的表现进一步调整

    10、 Top 10 前沿列表、完善前沿命名。为弥补因数据挖掘算法局限性或数据滞后所导致的前沿性不足,鼓励领域专家对定量分析结果查漏补缺,提名前沿。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工程研究前沿的遴选本报告中,工程研究前沿的基础素材主要来自以下两种途径:一是科睿唯安基于 Web of Science核心合集的 SCI 期刊论文和会议论文数据,通过共被引聚类方法获得文献聚类主题;二是专家提名备选工程研究前沿。两种途径获得的前沿经过专家论第一章 研究方法表 1.1 9 个领域前沿数量分布领域工程研究前沿 / 个工程

    11、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1111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1010医药卫生1010工程管理1010合计93934第一章研究方法证、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 93 个工程研究前沿。1.1 论文数据的获取与预处理科睿唯安将 Web of Science 学科与中国工程院9 个学部领域建立映射关系,获得每个领域对应的期刊和会议列表,经领域专家修订与补充,确定 9个领域数据源共计 12 215 本期刊和 44 153 个会议。此外,对于 Natu

    12、re 等 72 种综合学科的期刊,采用单篇文章归类的方法,即根据期刊内单篇文章的参考文献主要归属的学科来定义这篇文章的研究领域。在此基础上,检索得到 20152020 年上述期刊和会议收录的论文,论文引用时间截至 2021 年 1 月。对于每个领域,科睿唯安综合考虑期刊和会议的差别、出版年等因素,对上述文献列表进行检索和数据挖掘,筛选出被引频次位于前 10% 的高影响力论文,作为研究前沿分析的原始数据集,如表1.1.1 所示。1.2 论文主题挖掘通过对上述 9 个领域前 10% 的高影响力论文进行共被引聚类分析,得到每个领域的全部文献聚类主题。对于平均出版年在 20192020 年的聚类主题,

    13、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,获得 25 个不相似的文献聚类主题;对于平均出版年在2019年之前的聚类主题,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,获得 35 个不相似的文献聚类主题。其中,如果各领域聚类主题有交叉,则递补不交叉的聚类主题。此外,对于没有聚类主题覆盖的学科按关键词进行定制检索和挖掘。最终筛选得到 9 个领域 775 个备选研究热点,如表 1.2.1所示。1.3 研究前沿的确定与解读在论文数据处理与挖掘的同时,领域专家基于对其他数据如科技新闻、各国战略布局等的综合分析,提出研究前沿问题,并将其融入前沿确定的每图 1.1 全球工

    14、程前沿研究流程5全球工程前沿Engineering Fronts个阶段。在数据准备阶段,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,这是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,用于支撑科睿唯安进行定制检索和挖掘。在专家研判阶段,领域专家对照科睿唯安提供的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个左右工程研究前沿

    15、。各领域依据发展前景、受关注度选取 3 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工程开发前沿的遴选工程开发前沿的基础素材也来自两种途径:一是科睿唯安基于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 个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;二是专家提名备选工程开发表 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5212 77973 4812信息与

    16、电子工程98718 590204 7053化工、冶金与材料工程1 1884 068274 4854能源与矿业工程6162 338115 8165土木、水利和建筑工程5761 15463 9306环境与轻纺工程1 3451 288207 5187农业1 4841 093204 8738医药卫生4 68511 583476 6299工程管理8131 26050 986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8 15833 8221142信息与电子工程20 49588 795673化工、冶金与材料工程28 481117 28666

    17、4能源与矿业工程12 76354 261915土木、水利和建筑工程7 22331 0991026环境与轻纺工程22 87294 186947农业22 00689 460928医药卫生49 923211 212679工程管理5 14721 001826第一章研究方法前沿。两种方式获得的备选开发前沿通过多轮专家研讨和问卷调查,每个领域获得 10 个左右工程开发前沿。2.1 专利数据的获取与预处理在数据准 备 阶 段, 科 睿 唯 安 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)

    18、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,图书情报专家转化为专利检索式。科睿唯安将以上两部分检索式进行整合,确定 53 个学科组的专利检索式,在“增值专利信息DWPI 和 DPCI(德温特专利引文索引)专利集合”中检索,获得相应学科的专利文献。专利检索时间范围为 20152020 年,专利引用时间截至 2021 年 1 月。为了进一步聚焦专利文献,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

    19、专利主题挖掘对 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 ThemeScape 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,为避免遗漏新兴前沿,领域专家尤其注重专利地图中低频次、关联性较低的技术空白点的解读。2.3 开发前沿的确定与解读在专利数据处理与挖掘的同时,领域专家基于

    20、对其他数据如科技新闻、各国战略布局等的综合分析,提出开发前沿问题,并将其融入前沿确定的每个阶段。在数据准备阶段,图书情报专家将领域专家提出的关键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”和“蓝海”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,每个领域遴选出 10 个左右工程开发前沿。各领域依据发展前景、受关注

    21、度选取 3 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 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型期刊论文、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,核心论文指高影响力论文;如果是来自专家提名的前沿,核心论文指按主题检索被引频次排前 10% 的论文。论文比例:某个国家或

    22、机构参与的核心论文数7全球工程前沿Engineering Fronts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:指论文被科睿唯安 Web of Science核心合集收录的论文引用的次数。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。引文速度: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。常被引论文:指引文速度排名前 10% 的论文。高影响力专利:每个学科依据德温特专利引文索引(DPCI )年均被引频次排前大约 10 000 的德温特世界专利索引(DWPI

    23、 )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。ThemeScape 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,是形象地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

    24、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:包含中国工程科学技术(含农业、医学)的 9 个学部所涵盖的 53 个专业学科,按照中国工程院院士增选学部专业划分标准(试行)确定。9全球工程前沿Engineering Fronts1工程研究前沿1.1Top10 工程研究前沿发展态势机械与运载工程领域 Top 10 工程研究热点涉及机械工程、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(见表 1.1.1)。其中,属于深化传统研究的包括柔性内窥镜微创手术机器人、机器人化增材制造、准零刚度隔振方法、无人载具轨迹精确跟踪控制、混合可

    25、再生能源发电;属于新兴前沿的包括水下无人航行器、仿昆虫微型扑翼飞行器、折纸超材料、飞行器数字孪生技术、基于深度学习的城市交通流量智能预测方法。20152020 年,各前沿相关的核心论文发表情况见表 1.1.2。无人载具轨迹精确跟踪控制、飞行器数字孪生技术是论文发表增速最明显的方向。(1)柔性内窥镜微创手术机器人柔性内窥镜微创手术是将手术器械沿人体细长狭窄、弯曲多变的解剖路径送至病变位置,进行灵巧探查,并能够实现复杂和精细的操作。柔性内窥镜技术经历了内镜探查、内镜操作平台、机器人辅助内镜微创手术系统三个阶段。相关研究主要分为三个方面:一是微创手术器械设计方法研究,探究连续体手术器械的运动与变形机

    26、理,开发具备刚柔并济功能的多类型手术器械;二是多模态传感单元设计与集成,重点研究本体高精度感知单元、感知单元跨模量集成以及视觉引导技术;三是运动协同控制策略,实现人体腔内环境下基于多模态信息融合的系统运动协同控制策略,为柔性手术器械在手术过程中的灵巧运动与稳定操作提供理论依据。柔性内窥镜微创手术机器人以其高灵活性与柔顺适应性等优势,可较好地适应狭窄腔道弯曲复杂的解剖结构约束,代表现代微创外科“无疤痕”的发展趋第二章领域报告一、机械与运载工程表 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柔性内窥镜微创手术机器人10631 6

    27、3.102016.12水下无人航行器5353 70.602020.03仿昆虫微型扑翼飞行器6104 17.332016.24机器人化增材制造10362 36.202016.55准零刚度隔振方法25828 33.122017.76折纸超材料8239 29.882017.17无人载具轨迹精确跟踪控制24760 31.672018.88飞行器数字孪生技术151 212 80.802018.39混合可再生能源发电15839 55.932017.510基于深度学习的城市交通流量智能预测方法112 345213.182018.010第二章领域报告:机械与运载工程势,在多种类型的人体腔道疾病诊断与早癌诊治一

    28、体化中具有广泛的应用前景。(2)水下无人航行器水下无人航行器是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式使用机械手包括其他工具代替或辅助人去完成某些水下作业的装置。水下无人航行器研究涉及船舶与海洋工程、计算机、控制、材料和人工智能等多学科交叉融合,是归于高端制造业的一类特种装备。水下无人航行器及其产业链属于海洋强国建设的战略型新兴产业,在海洋科学研究、海洋资源调查和海洋安全防务等方面展示了良好的应用前景。水下无人航行器主要研究方向包括总体设计、结构外形、能源推进、电气控制、导航定位、路径规划、运动控制、应急安全、布放回收、集群编队等。近年来,面向国家发展深远海的重大需求,中国

    29、科研人员在理论与应用层面陆续突破了深水航行器总体设计、结构外形优化、机电一体化集成、水声定位导航、自主路径规划以及底层运动控制等关键技术,具备了满足一定工程应用需求的中小型水下无人航行器研制能力(如“潜龙”系列和“海斗”号遥控 / 自主水下机器人、“海翼”号和“海燕”号水下滑翔机)。但面临复杂多变的海洋环境、精细作业任务、多样化作业需求,水下无人航行器仍面临较多挑战,包括水下无人航行器的大型化与智能化、路径规划与自抗扰运动控制、集群编队、水下即时定位与建图、水下探测与目标识别、水下能源补给与无线通信、仿真软体水下机器人、作业型水下航行器等。这些方向将是水下无人航行器技术持续关注的前沿热点。大力

    30、开展这些方向的基础科学研究,将有望进一步加强中国高端海洋装备领域科技自立自强与技术自主可控。(3)仿昆虫微型扑翼飞行器仿昆虫微型扑翼飞行器是一种模仿昆虫飞行的新型无人飞行器。 该飞行器通过模拟昆虫身体构造、运动方式和飞行机理,结合仿生学与系统工程的设计思想,实现飞行器高效的飞行、机动能力。相关研究包括四个方面:一是高效率扑翼设计,分析昆虫形态及运动参数对扑翼气动性能的作用规律,揭示仿昆虫飞行的非定常气动机理,建立形态结构与气动耦合作用的微型扑翼参数化建模及优化设计方法;二是高效微型动力 / 能源系统,开发新型能源电池,设计智能化能源管理策略,实现高效率、轻量化、高稳定性能源系统,研制压电、人工

    31、肌肉等各类驱 / 传动方式的微型机构,实现高效比的驱动传动功能;三是高集成度轻量化航电系统,开发面表 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2015 年2016 年2017 年2018 年2019 年2020 年1柔性内窥镜微创手术机器人5211102水下无人航行器0000053仿昆虫微型扑翼飞行器1401004机器人化增材制造4211205准零刚度隔振方法5162746折纸超材料2112207无人载具轨迹精确跟踪控制11221088飞行器数字孪生技术0035619混合可再生能源发电03623110基于深度学习的城市交通流量智能预测方法202

    32、14211全球工程前沿Engineering Fronts向声、光、电、磁、热等多源环境信息的微机电系统(MEMS)基微型智能化任务载荷,设计飞行多源扰动与非线性特征耦合的高性能智能飞行学习策略及控制系统,设计具有远距离、低功耗等特征的高效比机载 / 地面信息通信系统,研制任务载荷、信息通信系统与飞行控制系统一体化的芯片级柔性制备工艺,实现微型航电系统高密度轻量化集成;四是仿生飞行器整机集成与实验平台,研究多学科交叉融合的系统级仿生集成建模方法,开发适用于仿昆虫微型飞行器的综合实验测试平台与数据采集分析系统。随着仿生学、非定常空气动力学、微机电系统、柔性材料、控制理论与人工智能等技术的发展,仿

    33、昆虫扑翼飞行器的微型化、轻量化以及群智化已成为当前研究热点。(4)机器人化增材制造随着增材制造对象的多样化与复杂化,传统的三轴直角坐标或龙门式增材制造装备受限于作业空间、自由度以及严格的逐层制造工艺,无法满足制造质量、效率以及成本的需求。机器人化增材制造是增材制造的未来发展趋势。将高度灵活的机器人技术与增材制造技术相结合,为多轴增材制造以及非结构环境中制造复杂的几何形状提供了可能,已成为领域研究热点。机器人化增材制造的主要研究方向包括:多方向增材制造,利用机器人多自由度实现多方向打印;保型沉积,旨在采用机器人顺应实现曲面共形制造;预制件装配,利用机器人灵巧性实现复杂预制件的嵌入;无支撑的增材制

    34、造,利用机器人的灵巧性避免费时费料的支撑结构打印;大范围增材制造,利用机器人的大工作空间实现大尺度的增材制造。下一代的机器人化增材制造将在以下方向实现突破:采用机器人灵活的切换制造工具,实现多材料混合制造;利用机器人的可达性兼顾大尺度与小细节,实现具有微细结构的超大尺寸构件原位制造;突破机器人自身的精度极限,实现高精度增材制造;利用多机协同技术提升制造效率,实现高效率增材制造;突破微型机器人技术,以此为基础实现极小尺度的构件增材制造。(5)准零刚度隔振方法随着超精密制造与测量、空天探测、运载与武器装备等向极端工况或极限性能发展,其环境振动复杂且低频突出,必须实现超低频隔振,这就要求隔振固有频率

    35、近零,也即刚度近零,这是传统隔振方法无法做到的。准零刚度隔振方法通过使隔振器兼具大承载力和近零刚度来实现近零振动传递。它的最主要思路是引入负刚度机构来抵消弹性元件的正刚度,主要实现途径包括被动式和主动式两类。被动式如机械负刚度、磁负刚度等。机械负刚度原理简单,但其非线性和接触摩擦突出,工作域小,性能有限。磁负刚度利用特定排布的磁体使产生的非接触作用力表现出负刚度特性,是实现准零刚度隔振的好方法。如何通过磁体的结构和阵列优化来提高磁负刚度的体积密度、线性度和工作域,是研究的重点。主动式负刚度基于位移反馈使振动控制力表现出负刚度特性,但若传感器和作动器的精度足够,则负刚度特性精准可控,理论上可获得

    36、最佳的准零刚度效果, 是准零刚度隔振的重要研究方向。准零刚度隔振方法的另一种实现思路是,将精密位移伺服机构与超低(或准零)刚度隔振器串联,采用随动伺服控制使系统综合刚度呈量级地缩小,且可大幅拓展工作域,这是一种有潜力的发展方向。(6)折纸超材料超材料所具有的自然材料不具备的超常物理性能是由其内部微结构的几何拓扑与基础材料的性质共同决定的。近几年出现了由折纸结构作为基本胞元的各种功能超材料。无论是连续型折纸结构,还是模块化折纸结构,都为超材料提供了丰富的三维几何表面与内部拓扑,使其在电磁、波动、传热、力学性能等方面表现出多样的超常特性。 与此同时,折纸结构的折叠、运动、变形能力为超材料性能的大范

    37、围变化提供了可能,促使其研究前沿从基于固定拓扑几何结构定性地设计某种特殊物理性能,发展到在使用过程中通过拓扑的主动或被动变化对其12第二章领域报告:机械与运载工程性能进行编程调控。为此,研究核心集中在建立超材料物理性能及其调控需求与结构胞元、整体构型及其形变的本质关联,进而将折纸超材料的研究趋势拓展到以下三个层级:首先,从已知折纸胞元形变模式对超材料性能进行正向分析,转化到从性能需求出发对超材料的折纸胞元进行逆向设计;其次,结合驱动材料、边界载荷、工作物理场等,对超材料的变形进行精准控制,以满足各种工况下物理性能的调控需求;再次,将对应不同物理性能的折纸胞元与基础材料统一分布在同一个超材料拓扑

    38、结构中,从而获得同时具有多种可调控超常物理性能的超级超材料。这类由需求出发设计的折纸超材料研究具有理论开创性、多学科融合性和工程实用性,正逐渐成为超材料领域研究热点之一。(7)无人载具轨迹精确跟踪控制对期望轨迹的精确跟踪控制是保障无人载具自主行驶安全性、稳定性与舒适性的关键技术。传统方法多基于静态线性模型与大量人工调参,包括 PID 控制、前馈反馈控制、最优控制等,这些方法能够在设计工况下稳定运行,但其对工况与模型参数变化较为敏感,难以主动适应动态变化的环境和运载平台非线性特性。针对高速动态场景,综合考虑不确定性、模型泛化性与工况自适应性的控制算法是目前实现全工况轨迹精确跟踪控制的主要研究方向

    39、,例如基于模型学习或参数优化的模型预测控制、智能控制等。由于动力学模型高度非线性且参数较多,基于模型的方法既需要在模型保真度与算法实时性间进行平衡与取舍,也需要根据工况变化对模型参数进行动态调整,对此可以通过结合自适应控制、智能控制与最优控制等多种方法构建混合控制策略从而实现两方面的需求。此外,由于机器学习能够利用离线经验学习与拟合复杂非线性模型,结合机器学习方法进行模型参数识别与参数在线更新对于降低算法调参难度、提升模型自适应能力、提高控制精度有着重要意义。同时,基于直接模型学习的近似最优控制、端对端神经网络控制,以及可持续策略学习等无模型的智能控制方法由于较强的自更新、自适应、与场景泛化能

    40、力也成为近年的重要研究方向之一。(8)飞行器数字孪生技术飞行器数字孪生是将数字孪生技术与飞行器的关键特征、关键环节、关键场景紧密结合,基于高保真模型以及历史与实时数据对物理飞行器进行刻画、模拟、监测,并利用云计算、大数据、人工智能等技术对飞行器进行分析、评估、预测、优化,从而提升飞行器设计效率、监控飞行器运行状态、降低飞行器运维成本、延长飞行器使用寿命。相关研究主要分为四方面:一是高保真的飞行器模型构建,充分考虑各学科、各领域间的耦合关系,使结构、气动、控制等多领域模型融合,以精确刻画飞行器的属性特征;二是飞行器数据的全面感知与处理,根据实际对象与实际需求布置传感器,获取结构状态与载荷变化等飞

    41、行器本身信息以及温度、湿度、电磁辐射等环境信息,通过对来自物理空间的数据与虚拟空间的数据融合分析处理,从海量异构时变动态数据中挖掘出丰富的价值,为飞行器的故障诊断、寿命预测等方面提供支持;三是虚实交互一致性评估,通过虚实映射、数模联动、交互控制以保证飞行器数字孪生模型与物理飞行器真实运行状态保持一致;四是飞行器数字孪生精准服务构建,飞行器数字孪生在飞行器的高效设计、虚拟测试与验证、状态实时监控、剩余寿命预测、维护策略优化等方面提供更加优质可靠的服务。未来,飞行器数字孪生将向构建真实模型、获取全面数据、建立实时交互、提供便捷服务的方向不断发展与迈进。(9)混合可再生能源发电混合可再生能源发电指包

    42、括两种或者两种以上的分布式可再生能源(风能、太阳能、潮汐能、地热能等)发电电源、能量储存系统以及各种电力电子控制装置的发电方式。混合可再生发电系统电能输出更加稳定、可靠、持续,其各分布式系统共享电网连接,从而降低成本。为了使多能互补效益最13全球工程前沿Engineering Fronts大化,针对性的容量优化、系统设计与规划是当前混合可再生能源系统的研究热点。尤其是构建综合性的数学抽象模型,研究多能互补性的表达范式,建立全面、通用、规范的互补性描述等,是其发展不可或缺的关键。现阶段重点应当解决不同可再生能源发电电流的融合问题, 部署地理位置选择问题,可再生能源发电系统的随机性模拟、 设备类型

    43、选择、更全面的系统建模和高效的寻优算法问题,为混合可再生能源系统的优化深度提升提供新的着力点。(10)基于深度学习的城市交通流量智能预测方法城市交通流量预测作为智能交通系统的关键使能技术,可为智能出行和动态交通规划提供技术支撑,以缓解道路交通拥堵和方便人们出行,形成智能交通系统的创新型服务。当前城市交通流量预测尚未形成完整的技术体系, 存在较多难题需要克服,主要体现在: 道路交通流量数据巨大、信息丰富,具时空复杂性、异质性和稀疏性,难以充分利用; 目前尚缺乏高效的数据驱动预测模型、方法和技术。当前交通流量的智能预测技术主要包括长期预测(时间序列分析)技术以及短期预测(动态实时交通预测)技术,出

    44、现了许多基于深度学习技术开展交通流量预测的研究成果: 深度学习模型方面成果包括时间图卷积神经网络(T-GCN)、时空融合图深度神经网络、扩散卷积循环神经网络(RNN)、多分枝预测模型等; 深度学习框架方面成果包括时空多任务学习框架、双向长短期记忆 (LSTM) 人工神经网络、 时间信息增强LSTM等; 为进一步提高预测能力,还出现了混合深度学习,包括:堆栈式学习者 + 全连接网络(FCN)、混合卷积神经网络 (CNN) +RNN+注意力机制等。可见,本热点研究得到了研究人员的广泛关注,未来研究将在交通数据时空关系分析、长短期预测技术集成、新型深度学习模型、特定交通场景创新服务等方面展开。1.2

    45、 Top3 工程研究前沿重点解读1.2.1 柔性内窥镜微创手术机器人癌症已成为威胁人类健康的主要杀手,中国癌症发病与死亡数量均居全球第一。其中呼吸道、消化道癌症的发病率与死亡率较高,占全部癌症发病率与死亡率的 50% 以上。因空气环境及饮食习惯的影响,中国消化道、呼吸道癌症患病率尤其高,约占全球 50%。相较于传统刚性内镜尺寸大与在狭窄腔道操作困难的缺陷,柔性内窥镜微创手术机器人以其高灵活性与柔顺适应性等优势,被广泛用于经消化系统(食道、胃和结直肠)、经呼吸道(支气管)与经泌尿生殖系统(阴道、尿道与膀胱)等人体自然腔道疾病诊断与癌症治疗,为多种类型的人体腔道的早癌诊治一体化提供强有力的支撑。特

    46、别是近年来不断涌现的多模态(图像、超声、分子影像学等)、跨尺度(从厘米级别到分子级别)新型内镜技术,使人体腔道疾病探查与检测更精准、诊断更及时、治疗更趋微创化,代表现代微创外科“无疤痕”的发展趋势。国内外研究机构针对面向人体自然腔道癌症治疗的柔性内镜机器人技术展开广泛研究,并经历了内镜探查、内镜操作平台、机器人辅助内镜微创手术机器人系统三个发展阶段。当前相关研究主要有以下三个方面:在微创手术器械设计理论方面,探究连续体手术器械的运动与变形机理,建立柔性手术器械运动学与力学模型,研究变刚度机理与刚柔转化机制,实现材料 结构 变刚度一体化设计,归纳与总结微创手术器械设计方法;在多模态传感单元设计与

    47、集成方面,研究局部触感单元设计、本体形状感知传感器设计、高精度感知单元跨模量集成、多类型影像融合与视觉引导技术四个方面,实现宏微结合与视触觉融合;在运动协同控制策略方面,实现人体腔内环境下基于多模态信息融合的系统运动协同控制策略,将动态前馈控制器与反馈有机结合,实现运动与刚度协同控制,为柔性手术器14第二章领域报告:机械与运载工程械在手术过程中的灵巧运动与稳定操作提供理论依据。柔性内窥镜微创手术机器人作为手术机器人领域的下一个难点和制高点,是实现多种类型的狭窄腔道早癌诊治一体化的技术支撑,满足微创手术安全接触、柔性可达、刚性操作、精准控制的实际需求,为探索内外科融合一体的新型手术模式提供了必要

    48、的实现工具和技术手段。研制可用于狭窄腔道的柔性内窥镜微创手术机器人,可提高中国在柔性内镜机器人领域的自主技术水平,推进狭窄腔道手术的普及应用,使中国在国际高端医疗装备的研发领域占据重要地位。“柔性内窥镜微创手术机器人”工程研究前沿中,核心论文发表量靠前的国家是新加坡、中国,篇均被引频次靠前的国家是德国、 美国 (见表1.2.1) 。在发文量前六位的国家中,中国与新加坡合作较多(见图1.2.1) 。 核心论文发文量方面, 香港中文大学、新加坡国立大学、南洋理工大学具有优势,篇均被引频次排在前列的机构是卡内基梅隆大学、汉诺威大学、田纳西大学(见表 1.2.2)。在发文量前十位的机构中,新加坡国立大

    49、学和香港中文大学合作较多(见图 1.2.2)。施引核心论文的主要产出国家是中国、美国(见表 1.2.3),施引核心论文的主要产出机构是香港中文大学、新加坡国立大学、哈尔滨工业大学(见表 1.2.4)。1.2.2 水下无人航行器水下无人航行器是探索海洋的重要手段。为了开发利用海洋资源,国际上早在 20 世纪 50 年代便开始了无人水下航行器研制。进入 20 世纪 70 年代,无人水下航行器通过遥控方式开始应用于搜寻失事表 1.2.1“柔性内窥镜微创手术机器人”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新加坡880.00%261 32.62201

    50、6.42中国550.00%221 44.202015.83德国110.00%307307.002015.04美国110.00%307307.002015.05澳大利亚110.00%56 56.002017.06英国110.00%43 43.002015.0表 1.2.2“柔性内窥镜微创手术机器人”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香港中文大学440.00%158 39.502016.02新加坡国立大学440.00%158 39.502016.03南洋理工大学440.00%103 25.752016.84卡内基梅隆大学110.00%30

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