全球工程前沿发展趋势

■文/郑文江（中国工程院战略咨询中心）

当今时代，世界面临百年未有之大变局。把握全球工程科技大势，瞄准世界工程前沿，推动工程科技创新发展，已成为世界各国的战略选择。本文结合中国工程院《全球工程前沿2020》年度报告，总结工程前沿的趋势特征，以期为我国“十四五”科技和产业的发展提供借鉴。

一、工程前沿九大领域发展趋势

工程科技连接技术创新与产业发展，是改变世界的重要力量；工程前沿是工程科技未来方向的重要指引。为贯彻落实习总书记的讲话精神，发挥好最高学术机构的学术引领作用，中国工程院从2017 年起每年组织开展“全球工程前沿”研究，以期能汇集全球工程科技人才的智慧，在宏观战略层面将定量分析与定性研究深度结合，研判获得全球工程科技的研究动向和开发趋势，为人类应对全球挑战、实现可持续发展提供行动参考。

2020 年度全球工程前沿研究以数据分析为基础，以专家研判为依据，将广大院士专家集体智慧和大数据分析统计相结合，围绕机械与运载工程、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、工程管理九大领域，遴选出年度93 项工程研究前沿与91 项工程开发前沿，并对其中关键的28 项工程研究前沿和28 项工程开发前沿从国家布局、合作态势以及发展趋势等角度进行详细剖析。

（一）机械与运载工程

机械与运载工程是制造业的基础核心。2020 年度的“数字孪生驱动的智能制造”“增减材复合制造方法”“基于机器学习的故障监测与诊断”“基于5G 的车联网与实时交通管理方法”“基于5G 技术的无人驾驶系统开发”“基于大数据的智能制造系统生产调度技术”“有人机/无人机协同控制技术”“智能电网运行与调度技术”8 项前沿都与新一代信息技术强相关，并在数字化、网络化、智能化上并行发展，充分体现了当前科技革命和产业变革的突破点在于新一代信息技术与传统工业技术的交叉融合和产业赋能发展（见表1）。

（二）信息与电子工程

信息与电子工程技术的全方面跨越发展是科技强国建设的重要基础之一。从年度全球工程前沿看，信息与电子领域的前沿趋势主要为（见表2）：涉及电子信息的新概念、新技术、新材料、新算法等的不断发现；芯片、集成电路、算力等关键技术不断取得进展；下一代信息网络技术、先进交互、智能技术等关键技术不断突破。

（三）化工、冶金与材料工程

化工、冶金与材料工程的Top10 研究前沿中除了“高效稳健合成太阳燃料”外，其他均与材料及材料制造相关，充分体现了“一代材料，一代产业”（见表3）。Top10 工程开发前沿除“重大装备核心大构件低成本高品质增材制造”外，均为传统工程科技领域的前沿探索，充分体现了工程传统技术的重要性。从前沿研究的趋势和共性看，本领域的研究将继续向绿色化、智能化快速发展。

（四）能源与矿业工程

能源与矿业工程是产业之基。能源工程前沿在遵循能源资源发展客观规律的基础上，一方面强化传统能源的清洁高效利用，另一方面聚焦可再生能源高效利用技术与智能、分布式新型综合能源网络技术（见表4）。矿业工程领域在强化基础研究的同时，向极端环境勘查、开采技术方向发展，并推动智能化技术的应用。

（五）土木、水利与建筑工程

土木、水利和建筑工程领域工程前沿主要面向构建智能安全基础设施和拓展人类发展空间需求（见图5）。其中构建绿色化、智能化、高安全、强韧性的绿色建筑和生态城市，已经成为本领域前沿发展的重要驱动因素，本领域的研究前沿和开发前沿基本都与此相关。

表2 信息与电子工程领域全球工程前沿

表3 化工、冶金与材料工程领域全球工程前沿

（六）环境与轻纺工程

健康环境是健康生活和健康发展的保障。环境领域工程前沿当前集中在大气、水、土壤、工业点源的污染治理关键和难点技术，但正逐步向源头治理、全过程控制、综合性监测和治理体系发展（见表6）。如年度工程前沿中“热岛效应与城市规划”“多介质污染协同治理”等。未来主动型污染防治系统和智能环境系统将成为环境领域的工程前沿发展重点。

表5 土木、水利与建筑工程领域全球工程前沿

（七）农业

保障食品充足安全是农业领域工程前沿的发展重点，农业领域在强化传统育种、抗病、资源高效前沿领域的同时，发展智能化、生态化的高效、绿色和安全农业工程技术已经成为农业领域的核心发展方向（见表7）。如年度工程前沿的智能化方向的前沿就有6 项，分别为“环境信息的智能感知”“农业机器人作业对象识别与定位”“无人农场智能装备”“农业先进传感机理与技术”“人工智能辅助育种”“植保无人飞机病虫害智能识别与精准对靶施药”。

（八）医药卫生

健康生活和健康发展是人类的基本目标和不懈追求，面对生命健康需求，本年度医药卫生领域的前沿主要聚集生物技术、类脑科学、组织与细胞工程、智能化设备和现代中医药发展领域（见表8）。其中由新冠疫情防疫重大需求引发的工程前沿主要有“完善公共卫生防疫体系和应急机制”“新冠病毒及潜在新发高致病病毒”“中药活性成分的新靶标发现与转化研究”“突发重大传染病疫苗与药物研发”“突发重大传染病诊断与设备研发”等。

表6 环境与轻纺工程领域全球工程前沿

表7 农业领域全球工程前沿

表8 医药卫生领域全球工程前沿

（九）工程管理

在工程管理领域的Top10 工程前沿中，大数据、区块链、人工智能等新一代信息技术的利用日益成为工程管理的重要支撑（见表9）。在研究前沿中除“重大工程社会责任研究”外，其他均为工程领域管理与新一代信息技术交叉融合形成的工程管理前沿。在研究前沿中，所有前沿均与新一代信息技术密切相关。可以说，新一代信息技术对工程管理的影响越发显著。

二、工程前沿总体发展趋势

对2020 年度184 个工程前沿进行综合分析发现，全球工程前沿呈现出以下四大发展趋势：一是研究前沿与开发前沿加速融合。传统的“基础研究—应用研究—开发试验”创新链条呈现出非线性互动特征，工程研究前沿和工程开发前沿的界限不断打破，研究前沿中有开发任务，开发前沿中有科学问题与理论研究，两者呈融合发展趋势。本年度全球工程前沿中乏燃料后处理、5G 和6G无线传输、智能钻井、智能感知、制浆造纸污染超低排放技术等前沿，既属于研究前沿也属于开发前沿范畴。二是问题导向和需求导向共同驱动工程前沿发展。面向经济社会发展、生命健康需求，突出工程实践中的问题导向，成为工程研究前沿和工程开发前沿的重要发展方向。本年度由新冠疫情防疫重大需求和环境问题引发的工程前沿占据了12 项。三是新一代信息技术赋能传统工程领域。大数据、人工智能、区块链、5G 等新一代信息技术加速渗透，推动机械、农业、环境、医药、管理等传统领域的应用发展。本年度45 项工程前沿（不含信息与电子工程领域前沿）与新一代信息技术相关。四是学科交叉融合催生新兴前沿。工程中科学的交叉、技术的交叉、学科的交叉，以及它们之间的交叉融合不断加速，促进智能纳米药物、类脑智能等新兴研究前沿和开发前沿不断涌现。

表9 工程管理领域全球工程前沿

工程是链接科学技术与生产力的纽带，工程前沿趋势的研判，有助于引领工程科技的创新以及经济社会高质量发展。但在前沿的应用中仍需把握传统研究和新兴前沿的平衡，坚守新一代信息技术是赋能技术，是促进传统工程领域转型升级的技术。尤其在我国现阶段科技根基不深、产业基础不牢的时候，要坚决避免鸠占鹊巢，必须在坚持提升传统工程领域的工程技术与产业基础之上，开展新一代信息技术赋能研究与开发。