2022全球工程前沿.pdf

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112.501313.0020