機械與運載工程前沿

全球工程前沿2024機械與運載工程領(lǐng)域Top10工程研究熱點涉及機械工程、船舶與海洋工程、航空宇航科學(xué)技術(shù)、兵器科學(xué)與技術(shù)、動力及電氣設(shè)備工程與技術(shù)、交通運輸工程等學(xué)科方向(表2.1)。其中，屬于傳統(tǒng)研究深化的有：船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)、海洋漂浮式光伏發(fā)電、4D打印的形狀記憶聚合物智能結(jié)構(gòu)、多頻全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)精確定位方法、微型超級電容器、基于纖維素氣凝膠的摩擦納米發(fā)電機。新興前沿則包括：基于深度圖像的場景解析、快速超分辨超聲成像、相變儲能、多尺度復(fù)合材料能量吸收結(jié)構(gòu)。2018—2023年，各(1)船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)是指基于數(shù)字孿生構(gòu)建的新型智能船舶系統(tǒng)，其核心是通過構(gòu)建與物理船舶同步映射的虛擬船舶模型，并借助物理船舶與虛擬船舶模型的虛實數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)共同驅(qū)動的各類應(yīng)用。借助數(shù)字孿生跨時空的特性，船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)可以更快、更全、更優(yōu)地監(jiān)控、分析、預(yù)測、優(yōu)化、控制物理船舶。船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)包括船舶全要素感知技術(shù)、虛擬船舶模型構(gòu)建與迭代技術(shù)、船舶孿生數(shù)據(jù)處理與管理技術(shù)、智能化船舶應(yīng)用開發(fā)與服務(wù)技術(shù)、虛實船舶通信交互技術(shù)等。圍繞船舶全生命周期，目前相關(guān)研究主要集中在數(shù)字孿生驅(qū)動的船舶設(shè)計、建造、故障預(yù)測與健康管理、運營管理等。未來具體的技術(shù)發(fā)展趨勢包括基于數(shù)字孿生的船舶設(shè)計建造一體化、基于數(shù)字孿生的船舶虛實融合試驗、123445多頻全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)精確定位方法678多尺度復(fù)合材料能量吸收結(jié)構(gòu)891622661222524130013474000040505906323200700348多尺度復(fù)合材料能量吸收結(jié)構(gòu)000053952465484(2)海洋漂浮式光伏發(fā)電海洋漂浮式光伏發(fā)電主要是指搭載光伏組件的浮體系統(tǒng)在海洋環(huán)境下進行太陽能捕獲與轉(zhuǎn)化。與傳統(tǒng)這種漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以利用水域面積，避免占用陸地資源，并且可以利用水的冷卻作用提高光伏發(fā)電效率。但是海洋環(huán)境惡劣，對漂浮式光伏結(jié)構(gòu)的可靠性和耐用性提出了新的挑戰(zhàn)，漂浮太陽能發(fā)電系統(tǒng)目前該領(lǐng)域的主要研究方向包括：①海洋漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化；②海洋漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境影響評估；③海洋漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提升；④海洋漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成技術(shù)研究。該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向是將海洋漂浮式光伏與海水淡化、養(yǎng)殖和制氫等產(chǎn)業(yè)結(jié)合，與海洋風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)合建設(shè)大規(guī)模海上發(fā)電站或能源島。具體的技術(shù)發(fā)展趨勢包括浮式平臺的輕量化和智能化、功能(3)基于深度圖像的場景解析基于深度圖像的場景解析主要是指基于深度圖像及其對應(yīng)的RGB圖像，對圖像中的每個像素進行類別標(biāo)簽分配，從而實現(xiàn)對整個場景的全面解析。其典型應(yīng)用是自動駕駛和機器人導(dǎo)航領(lǐng)域的道路環(huán)境的語義分割。僅基于RGB圖像的場景解析方法在具有相似物體或復(fù)雜背景的場景中往往表現(xiàn)不佳，而深度圖目前該領(lǐng)域的技術(shù)方向主要圍繞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)技巧兩方面展開，主要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括編碼器一解碼器(encoder-decoder)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、孿生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、長短時記憶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。常用的學(xué)習(xí)技巧包括注意力機制、深度顯著性圖引導(dǎo)分割、使用跨模態(tài)互補信息、使用跨層級互補信息等。結(jié)合視覺大模型的先驗知識和弱監(jiān)督學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)優(yōu)勢是該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。具體的技術(shù)發(fā)展趨勢包括基于視覺大模型的語義分割修正技術(shù)、基于先驗知識的弱監(jiān)督語義分割技術(shù)、基于剪枝的網(wǎng)絡(luò)輕量化技術(shù)、基于增量學(xué)習(xí)的語義4D打印的形狀記憶聚合物(shapememorypolymers,SMP)智能結(jié)構(gòu)是一種結(jié)合了3D打印和智能材全球工程前沿2024料技術(shù)的具有形狀記憶功能的結(jié)構(gòu)，能夠在特定的外部刺激(如溫度、光照、磁場、電流、化學(xué)溶液等)下實現(xiàn)形狀、性質(zhì)變化和功能轉(zhuǎn)換。4D打印通過利用形狀記憶效應(yīng)，在3D打印過程中引入時間維度，使得打印出的結(jié)構(gòu)能夠在使用過程中動態(tài)調(diào)整和適應(yīng)環(huán)境變化，從而實現(xiàn)復(fù)雜的自我修復(fù)、自我組裝和自適目前該領(lǐng)域的主要研究方向包括SMP材料研發(fā)優(yōu)化、4D打印技術(shù)優(yōu)化、多功能智能結(jié)構(gòu)集成、新型智能結(jié)構(gòu)開發(fā)、接觸/非接觸式變形驅(qū)動設(shè)計等。該領(lǐng)域近年來的新型智能結(jié)構(gòu)主要有泊松比可調(diào)結(jié)構(gòu)、受自然生物啟發(fā)的仿生結(jié)構(gòu)、折紙/鉸鏈結(jié)構(gòu)等。隨著材料科學(xué)和打印技術(shù)的進步，由于結(jié)合了SMP智能材料的可編程變形優(yōu)勢和3D打印的多材料可定制化復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造優(yōu)勢，4D打印的SMP智能結(jié)構(gòu)的未來智能結(jié)構(gòu)在多物理場耦合作用下的變形仿真、4D打印專用軟硬(5)多頻全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)精確定位方法PPP)為核心，網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)(real-timekinematic,RTK)定位和PPP-RTK是當(dāng)前最高技術(shù)水平。盡管與傳統(tǒng)單一衛(wèi)星定位系統(tǒng)相比，多頻GNSS具有定位精度高、抗干擾能力強、信號覆蓋廣的優(yōu)勢，但面對未目前該領(lǐng)域的主要技術(shù)方向包括低軌星座增強、地基增強設(shè)施受限、低成本應(yīng)用終端和室內(nèi)外無縫服務(wù)等場景下的高精度定位技術(shù)等。具體的技術(shù)發(fā)展趨勢包括：廣域稀疏地基基站大尺度/長基線約束下的快速高精度定位方法，基于低軌星座導(dǎo)航信號增強、復(fù)雜融合智能手機等操作終端特性的低成本平臺高精度定位算法，面向室內(nèi)外全景無縫定位覆蓋的異構(gòu)異質(zhì)(6)快速超分辨超聲成像超聲成像具有出色的空間分辨率(亞毫米)和時間分辨率(數(shù)十幀每秒),廣泛應(yīng)用于工業(yè)無損檢測、臨床疾病的診斷和治療等領(lǐng)域。但是，由于衍射效應(yīng)的存在，超聲成像的空間分辨率受限于超聲波的波長。雖然可以通過提高超聲頻率來減小波長，從而提高空間分辨率，但同時也會導(dǎo)致衰減增大，不可避免地引快速超分辨超聲成像突破了傳統(tǒng)超聲衍射極限，在將超聲成像的空間分辨率提高一個數(shù)量級的同時，保持了超聲成像的穿透深度與視野，突破了超聲成像在分辨率和穿透力之間的經(jīng)典矛盾。目前該領(lǐng)域的主要技術(shù)方向包括超聲微泡分辨定位成像技術(shù)、聲學(xué)結(jié)構(gòu)照明超分辨率重建技術(shù)、原子力超聲顯微鏡及基于超材料的深亞波長超聲成像等。未來，該領(lǐng)域?qū)⑾蚩上嘧兾⑴堇碚?、聲學(xué)結(jié)構(gòu)光照理論、波數(shù)域超快超聲成像處理、高幀率超聲成像數(shù)據(jù)采集等方向(7)相變儲能相變儲能是利用材料發(fā)生相變時的吸熱與放熱實現(xiàn)對熱能的存儲和利用，與目前廣泛應(yīng)用的顯熱儲能(例如水蓄熱、熔鹽儲能等)相比，其具有儲熱密度高、吸放熱溫度恒定等優(yōu)勢。相變儲能技術(shù)在諸多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，包括：在軍用/民用電子設(shè)備中對關(guān)鍵電子元器件進行在建筑、地外建造等領(lǐng)域能夠維持或降低室內(nèi)溫度波動，以及通過蓄冷/蓄熱實現(xiàn)建筑節(jié)能；在電力與工業(yè)領(lǐng)域，規(guī)?；南嘧儍δ苣軌?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷以及工業(yè)領(lǐng)域的高溫余熱回收等，助力實現(xiàn)“雙碳”調(diào)節(jié)儲能材料的相變點，發(fā)展適用于不同應(yīng)用場景且兼具超高儲熱密度、低毒、低成本的相變材料；通過循環(huán)穩(wěn)定性研究，實現(xiàn)相變材料的長壽命應(yīng)用；強化相變材料在充放熱過程中的換熱，發(fā)展適用于相變材(8)多尺度復(fù)合材料能量吸收結(jié)構(gòu)多尺度復(fù)合材料能量吸收結(jié)構(gòu)旨在通過跨尺度的材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，顯著提升結(jié)構(gòu)在沖擊、碰撞等極端環(huán)境下的能量耗散能力，是當(dāng)前材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的熱點之一。這類結(jié)構(gòu)融合了微觀材料分布、介觀結(jié)構(gòu)構(gòu)型和宏觀幾何形態(tài)的創(chuàng)新，形成了一種高效、輕質(zhì)的能量吸收體系。當(dāng)前，該領(lǐng)域的研究聚焦于多物理場耦合耗能機制、多尺度材料-結(jié)構(gòu)的功能優(yōu)化，以及高性能復(fù)合材料的開發(fā)制備等。高效吸能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(energyabsorbingcompositestructures,EACS)的主要技術(shù)方向包括高精度模先進制造(納米級增材制造技術(shù)、真空輔助技術(shù)等)等關(guān)鍵技術(shù)。未來，該領(lǐng)域?qū)⑾蚋又悄芑⒆赃m應(yīng)、環(huán)境友好及高效能的方向發(fā)展，包括力學(xué)超構(gòu)材料設(shè)計，基于仿生學(xué)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，智能響應(yīng)材料的從而滿足航空航天、交通運輸、安全防護等領(lǐng)域(9)微型超級電容器可集成化和穩(wěn)定的特性。與傳統(tǒng)電池相比，微型超級電容器能夠提供快速充電所需的峰值功率、高效的能量轉(zhuǎn)換和長效持續(xù)的能量供給，是為下一代高集成化、微型化設(shè)備提供快速充放電和長循環(huán)壽命的能量存目前該領(lǐng)域的主要研究方向包括高能量密度電極材料的設(shè)計與制備、大規(guī)模陣列化電極制備方法探索、電極與電解質(zhì)界面工程與電解質(zhì)優(yōu)化、高集成化結(jié)構(gòu)優(yōu)化、微型化設(shè)備的應(yīng)用開發(fā)等。技術(shù)發(fā)展趨勢集中在多功能集成設(shè)計以滿足微型化集成化需求、一體化自供電集成微系統(tǒng)開發(fā)、利用柔性電極材料和先進納米技術(shù)推動柔性與可穿戴技術(shù)的應(yīng)用，以及應(yīng)用機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)實現(xiàn)能源智能化與自主控制等方向。微型超級電容器因其高功率密度特性，在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供峰值功率、快速充電的可穿戴電子設(shè)備、長期穩(wěn)定運行的植入式醫(yī)療設(shè)備，以及電動車輛瞬時能量回收和輔助加速等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。(10)基于纖維素氣凝膠的摩擦納米發(fā)電機摩擦納米發(fā)電機能夠方便地將低頻、低強度機械能轉(zhuǎn)化為電能，并且結(jié)構(gòu)簡單可靠，在能量收集、人機交互、可穿戴電子、醫(yī)療電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前摩擦納米發(fā)電機主要采用傳統(tǒng)聚合物和金屬材料制備，無法實現(xiàn)生物降解，易造成環(huán)境污染。近年來，可降解、可再生的纖維素材料受到全球工程前沿2024高度關(guān)注。其中，纖維素氣凝膠因孔隙率高、密度低、比表面積大、形變恢復(fù)能力強等突出優(yōu)點，成為極具潛力的摩擦納米發(fā)電材料。但是，基于纖維素氣凝膠的摩擦納米發(fā)電機從實驗室走向應(yīng)用依然面臨嚴峻挑戰(zhàn)。當(dāng)前纖維素氣凝膠的結(jié)構(gòu)及孔徑尚未得到有效控制，由于制備工藝的約束，往往不能完全滿足納米發(fā)電機的各項性能要求，已報道的材料改性研究只能改善部分指標(biāo)。此外，高溫、高濕等惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性依然難以保障。未來該領(lǐng)域的主要發(fā)展方向包括：①新型纖維素氣凝膠的研究及改性；②面向應(yīng)用場景的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化；③基于纖維素氣凝膠的多功能器件集成；④基于纖維素氣凝膠的可植入式摩擦納米發(fā)電器件及系統(tǒng)；⑤纖維素基納米發(fā)電機規(guī)模化制備工藝及裝備。2.1.2Top3工程研究前沿重點解讀邁入21世紀，船舶數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型逐漸成為全球船物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展與成熟，船舶工業(yè)迎來轉(zhuǎn)型發(fā)展的新機遇。以轉(zhuǎn)型升助力實現(xiàn)智能船舶的有效手段，在近五年得到越來越多的關(guān)注、研究與應(yīng)用。船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)的本質(zhì)是在數(shù)字世界構(gòu)建與物理船舶完整映射、精準同步的數(shù)字虛擬船舶，從而突破物理世界的時空局限，達到更好地分析、優(yōu)化、增強物理船舶的目的。船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)自概念提出至今，經(jīng)歷了理論框架研究、局部應(yīng)用探索、深化技術(shù)攻關(guān)的過程，并開始逐步進入體系能力建設(shè)階段。在早期的理論框架研究中，形成了數(shù)字孿生船舶全生命周期管控理論、推進系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)的應(yīng)用探索得以開展，并主要針對設(shè)計、建造或運維中的特定環(huán)節(jié)。隨著應(yīng)用探索的深入，具體技術(shù)需求愈發(fā)凸顯，如復(fù)雜結(jié)構(gòu)多源數(shù)據(jù)感知與融合技術(shù)、多學(xué)科耦合模型構(gòu)建與迭代技術(shù)、船岸可靠數(shù)據(jù)傳輸與同步技術(shù)等，相關(guān)研究正在逐步開展。為形成貫穿船舶全生命周期的數(shù)字研發(fā)體系，基于數(shù)字孿生的船舶設(shè)計制造一體化技術(shù)、虛實融合試驗技術(shù)、模型數(shù)據(jù)一體化管控技術(shù)等體未來，對于船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)，一方面需要在關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵部件上突破并驗證傳感、模型、數(shù)據(jù)、通信等方面的關(guān)鍵技術(shù)，從而在整船層面實現(xiàn)技術(shù)驗證；另一方面，需要對數(shù)字孿生驅(qū)動的設(shè)計、試驗、該前沿中核心論文發(fā)表量最多的國家是中國，篇均被引頻次排名靠前的國家包括希臘、新加坡和德國(表2.3)。在核心論文主要產(chǎn)出國家中，中國與波蘭的合作是最多的(圖2.1)。核心論文發(fā)文量排在第一的機構(gòu)是斯特拉斯克萊德大學(xué)，篇均被引頻次排在前三的機構(gòu)是上海交通大學(xué)、南洋理工大學(xué)和雅典國家技術(shù)大學(xué)(表2.4)。在核心論文的主要產(chǎn)出機構(gòu)中，中國海洋大學(xué)、奧波萊技術(shù)大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)之間合作最多(圖2.2)。施引核心論文數(shù)排名第一的國家是中國(表2.5),施引核心論文數(shù)排名前三的機構(gòu)是上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和大連海事大學(xué)(表2.6)。圖2.3為“船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)”工程研國家“船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)”工程研究前沿中核心論文的主要產(chǎn)出國家1中國72德國4344韓國45英國462728日本2921丹麥中國142中國海洋大學(xué)3324252627奧波萊技術(shù)大學(xué)282921全球工程前沿2024杜伊斯堡-埃森大學(xué)杜伊斯堡-埃森大學(xué)雅典國家技術(shù)大學(xué)斯特拉斯克萊德大學(xué)首爾大學(xué)丹麥技術(shù)大學(xué)國家國家1中國2韓國韓國3日本4英國英國56德國德國789美國印度印度12哈爾濱工業(yè)大學(xué)345678中國海洋大學(xué)9國防科技大學(xué)集群化捉升船舶數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化水平，實現(xiàn)更安全、更可靠、更經(jīng)建立船舶數(shù)字化研發(fā)體系，提升船舶設(shè)計、驗證、制孿生數(shù)據(jù)處理與管理技術(shù)船岸可靠數(shù)據(jù)傳輸與同步技術(shù)智能船舶應(yīng)用開發(fā)與服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域模型構(gòu)建、船岸通信與交互、可靠數(shù)據(jù)傳輸與同步等孿生系統(tǒng)技術(shù)驗證與技術(shù)驗證與應(yīng)用孿生系統(tǒng)技術(shù)突破及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用2024-20262027-20302031-2035目標(biāo)2.1.2.2海洋漂浮式光伏發(fā)電隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，我國正在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，并積極推進新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?；谔柲苜Y源的廣泛分布和光伏發(fā)電的應(yīng)用靈活性，近年來，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了快速發(fā)展。目前我國光伏項目主要集中于陸地，但陸地光伏需要占用大量的土地面積；我國沿海地區(qū)土地資源緊缺，海洋漂浮式光伏具有不占用土地資源，容量空間巨大，可與海上風(fēng)電、儲能、海產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的特點，對克服陸地光伏的問題極具優(yōu)勢，已成為我國沿海地區(qū)光伏電站的發(fā)展趨勢。為了在惡劣多變的海洋環(huán)境下生存，海洋漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、水動力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及光伏組件的性能研究成為當(dāng)前海洋漂浮式光伏領(lǐng)域的研究熱點。我國在海洋漂浮式光伏發(fā)電領(lǐng)域研究發(fā)展迅速，相關(guān)研究主要分為以下四個方面：一是海洋漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式研究。參考內(nèi)陸水體浮動光伏系統(tǒng)，提出了多種結(jié)構(gòu)形式的漂浮式光伏發(fā)電裝置，如半潛平臺式、多模塊浮子式、柔性膜式等?；诙嗄K浮體陣列結(jié)構(gòu)形式和材料的優(yōu)化設(shè)計、新型連接件設(shè)計等為該方向的發(fā)展趨勢。二是海洋漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的海洋環(huán)境影響評估。研究人員評估了系統(tǒng)對海洋生物、水質(zhì)、海流等的影響，并制定了相應(yīng)的環(huán)境保護措施。建立綜合環(huán)境評價體系，促進海洋漂浮式光伏與海洋環(huán)境的和諧全球工程前沿2024共生，與海洋漁業(yè)、海水淡化、海上風(fēng)電等其他海洋產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，從而實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，是該方向的發(fā)展趨勢。三是海洋漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率提升研究。研究人員對海洋環(huán)境下光伏組件的生存性和發(fā)電效率進行實驗測試、評估和優(yōu)化。通過水冷卻、光跟蹤等技術(shù)，進一步提高光伏組件在海上的發(fā)電效率是該方向的發(fā)展趨勢。四是海洋漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成技術(shù)研究。如何將光伏組件、電力轉(zhuǎn)換、集電線路等關(guān)鍵部件高效集成，是該領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)。優(yōu)化子系統(tǒng)的配合協(xié)調(diào)以及與其他海上新能源裝置集成發(fā)電，是該方向的發(fā)展趨勢。總之，海洋漂浮式光伏發(fā)電技術(shù)在海洋工程、環(huán)境科學(xué)、電氣工程、系統(tǒng)工程等多學(xué)科領(lǐng)域具有重要研究價值，對我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、加強海洋經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)等具有重要意義。未來，該領(lǐng)域的技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用必將為構(gòu)建海洋強國提供新的動力。該前沿中核心論文的主要產(chǎn)出國家中，核心論文數(shù)最多的是挪威，篇均被引頻次排名前三的是意大利、中國和瑞典(表2.7)。西班牙與挪威存在合作，中國與瑞典存在合作，德國與意大利、加拿大這兩個國家存在合作(圖2.4)。在核心論文的主要產(chǎn)出機構(gòu)中，核心論文數(shù)最多的是挪威國家石油公司，篇均被引頻次排在前兩位的是卡塔尼亞大學(xué)與意大利KoineMultimedia公司(表2.8)。意大利KoineMultimedia公司國家142意大利33伊朗24德國25西班牙26中國1718巴西1 9美國11巴西與卡塔尼亞大學(xué)、阿米爾卡比爾理工大學(xué)與德黑蘭大學(xué)、梅拉達倫大學(xué)與山東大學(xué)存在合作(圖2.5)。施引核心論文發(fā)文量排名第一的國家是中國(表2.9)。施引核心論文的主要產(chǎn)出機構(gòu)中，論文數(shù)排名前三的是華北電力大學(xué)、山東大學(xué)和卡塔尼亞大學(xué)(表2.10)。圖2.6為“海洋漂浮式光伏發(fā)電”工程研究前沿的發(fā)展路線。1挪威國家石油公司22歐盟委員會2314意大利KoineMultimedia公司15阿米爾卡比爾理工大學(xué)161718山東大學(xué)1911歐盟委員會1國家中國2印度3意大利4英國5美國6西班牙7巴西8伊朗9韓國12山東大學(xué)34596中國科學(xué)院978889歐盟委員會87光追蹤技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展2024-----------------2029------------光伏系統(tǒng)發(fā)電效率提升規(guī)?；瘧?yīng)用產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用隨著自動駕駛和機器人導(dǎo)航技術(shù)在AI2.0時代的蓬勃發(fā)展，在長尾場景下的安全隱患成為這類技術(shù)大范圍落地的最大障礙。這類安全隱患很大一部分是由感知失效或感知偏差導(dǎo)致的，利用先進的感知技術(shù)降在眾多感知技術(shù)中，場景解析技術(shù)憑借其對整個場景的稠密預(yù)測，成為最常用的自動駕駛感知方法之一。由于深度相機兼具成本低和信息量大的優(yōu)點，基于深度圖像的場景解析技術(shù)成為最具發(fā)展?jié)摿Φ膱鼍敖馕黾夹g(shù)之一。自2013年首次提出使用深度圖像進行場景解析以來，隨著深度相機、圖形處理單元等硬件設(shè)備的迅速發(fā)展，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等AI基礎(chǔ)算法性能的大幅提升，基于深度圖像的場景解析技術(shù)的精度和穩(wěn)為了應(yīng)對高質(zhì)量數(shù)據(jù)的稀缺性、現(xiàn)實環(huán)境的多樣性、計算資源的有限性等問題，提高弱標(biāo)注或無標(biāo)注數(shù)據(jù)的利用率、增強跨域過程中兼顧記憶力和泛化性的能力、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)輕量化和提高時域信息關(guān)聯(lián)能力已一是數(shù)據(jù)方面，通過利用更容易獲取的弱標(biāo)注數(shù)據(jù)實現(xiàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的極大擴容?；谝曈X大模型的預(yù)分二是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，通過encoder-decoder、孿生網(wǎng)絡(luò)、長短時記憶網(wǎng)絡(luò)等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對RGB-D圖像的有效特征提取和上下文關(guān)聯(lián)，生成對抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多分支網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等為該方面的發(fā)展趨勢。三是多模態(tài)信息利用方面，通過使用跨模態(tài)互補信息、使用跨層級互補信息實現(xiàn)對場景圖像上下文更深層次的理解?；谏疃?色彩通道關(guān)聯(lián)的深度圖像修正技術(shù)、高層語義特征引導(dǎo)的語義分割技術(shù)等是該方面的發(fā)展趨勢。總之，基于深度圖像的場景解析技術(shù)在深度傳感器技術(shù)、人工智能、空間感知等多學(xué)科領(lǐng)域具有重要研究價值，對保障自動駕駛道路安全、提高機器人作業(yè)感知能力等方面具有重要的實際意義。該前沿中核心論文的主要產(chǎn)出國家中，核心論文發(fā)表量排在第一位的是中國，篇均被引頻次排在第一位的是德國(表2.11),中國與新加坡存在合作(圖2.7)。在核心論文的主要產(chǎn)出機構(gòu)中，核心論文發(fā)文量排在第一位的是浙江科技大學(xué)，篇均被引頻次排在前兩位的是寧波大學(xué)和伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)(表2.12),“基于深度圖像的場景解析”工程研究前沿中核心論文的主要產(chǎn)出國家國家1中國243德國1129344寧波大學(xué)1516171819115全球工程前沿2024浙江大學(xué)與浙江科技大學(xué)存在最多合作(圖2.8)。施引核心論文的主要產(chǎn)出國家中，發(fā)文量排名第一的是中國(表2.13)。施引核心論文的主要產(chǎn)出機構(gòu)中，發(fā)文量排名前三的是浙江科技大學(xué)、浙江大學(xué)和寧波大學(xué)(表2.14)。圖2.9為“基于深度圖像的場景解析”工程研究前沿的發(fā)展路線。寧波大學(xué)南洋理工大學(xué)浙江大學(xué)浙江科技大學(xué)1國家中國2美國3伊朗45沙特阿拉伯67德國8英國99韓國87123寧波大學(xué)4中國科學(xué)院5697東北大學(xué)8889882222全球工程前沿子里程碑進行穩(wěn)定的高精度解析2024-20262027-20312032-20362037—長期圖像的弱提高跨域場景的泛化性，以降低長尾場景的感知偏差，從而降低訓(xùn)練集外感知能力是自動駕駛和機器人技術(shù)的重要基礎(chǔ)能力，通過先進的基于視覺大模型技術(shù)弱監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)輕量化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計機械與運載工程領(lǐng)域的Top10工程開發(fā)前沿涉及機械工程、船舶與海洋工程、航空宇航科學(xué)技術(shù)、兵器科學(xué)與技術(shù)、動力及電氣設(shè)備工程與技術(shù)、交通運輸工程等學(xué)科方向(表2.15)。其中，屬于傳統(tǒng)研究深入的有：深遠海水下通信定位技術(shù)、低空無人飛行器綜合探測技術(shù)、無人艦艇集群感知與協(xié)同控制技術(shù)、具身智能技術(shù)機器人、氫燃料航空發(fā)動機。新興前沿則包括：?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)、基于圖像特征的高精度距離識別技術(shù)、連續(xù)陶瓷纖維增強的金屬基復(fù)合材料、模塊化先進武裝機器人系統(tǒng)、臨近空間高超聲速滑翔彈頭跳躍彈道預(yù)測。各開發(fā)前沿涉及的核心專利2018—2023年公開情況見表2.16,海空協(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)、低空無人飛行器綜合探測技術(shù)、基于圖像特征的高精度距離識別技術(shù)是近年來專利公開量增速最顯著的方向。123456407889臨近空間高超聲速滑翔彈頭跳躍彈道預(yù)測1234560000137120421820102395613(1)深遠海水下通信定位技術(shù)深遠海水下通信定位技術(shù)主要是對工作水域深度大于1000m、工作范圍大于10km的水下自主航行器、載人航行器等目標(biāo)物進行可靠通信和定位。由于聲波是目前已知的唯一能夠在水下進行遠距離傳播的信息載體，水聲通信定位是目前主流遠距離水下通信定位方式。主要技術(shù)手段包括長基線定位網(wǎng)絡(luò)、超短基線定位系統(tǒng)、目前該領(lǐng)域主要技術(shù)方向包括聲光電多源異構(gòu)通信定位技術(shù)、量子通信人工智能新興技術(shù)融合、聲學(xué)及慣導(dǎo)組合定位技術(shù)、水下通信定位一體化技術(shù)等。以聲學(xué)為主、光電為輔，同時融合量子、人工智能等新興技術(shù)的通信定位方式是該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。具體的技術(shù)發(fā)展趨勢包括基于帶內(nèi)全雙工的低帶寬占用率水聲通信技術(shù)、基于正交時頻空調(diào)制的抗多途多普勒效應(yīng)通信技術(shù)、基于深度學(xué)習(xí)的水下通信組網(wǎng)系統(tǒng)智能調(diào)控技術(shù)、基于深度學(xué)習(xí)的聲光電量子等多源異構(gòu)信號融合技術(shù)和慣性導(dǎo)航與長短基線協(xié)同定位技術(shù)等。(2)?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)是指在作業(yè)任務(wù)或場景中，將無人機、無人船艇、水下潛器等異構(gòu)無人系統(tǒng)有機連接起來，以環(huán)境感知、目標(biāo)探測、跟蹤識別、跨域通信、智能決策、自主控制、合作博弈等核心技術(shù)為支撐，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)在時間、空間、模式等多維度上的信息共享與協(xié)同控制。在風(fēng)浪流等環(huán)境載荷擾動和立體空間條件約束影響下，?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)需要維持穩(wěn)定的通信鏈路、具備自為有效應(yīng)對復(fù)雜動態(tài)作業(yè)環(huán)境，該領(lǐng)域主要研究方向逐步形成，涵蓋了?？湛缬蛲ㄐ拧⒍嘣磾?shù)據(jù)融合感知、?？諢o人協(xié)同控制等系列無人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。未來，?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)將進一步聚焦于低時延跨域組網(wǎng)通信技術(shù)，以切實增強復(fù)雜跨域場景下的信息感知與融合能力；在多域耦合和異構(gòu)動力學(xué)約束下，更加注重彈性自主決策能力的發(fā)展，以應(yīng)對多變環(huán)境強干擾挑戰(zhàn)；融合臨近空間無人平臺視野廣闊、駐空持久、效費比高的優(yōu)勢，構(gòu)建“陸?？仗臁币惑w化協(xié)同控制平臺，實現(xiàn)跨域異構(gòu)信息的有效中繼和實時遙感態(tài)勢感知能力的提升，全面提高?？债悩?gòu)無人系統(tǒng)跨域協(xié)同能力，有望在海洋經(jīng)濟(3)低空無人飛行器綜合探測技術(shù)近年來，低空無人飛行器因其靈活性、機動性、易操控等優(yōu)點，給社會各領(lǐng)域帶來了巨大便捷，但同時也對公共安全和國家安全造成了嚴重威脅。全球各國均相繼著手研制反無人機系統(tǒng)，而如何實現(xiàn)低空無人飛行器的高效準確探測是該系統(tǒng)發(fā)揮功效的關(guān)鍵。針對當(dāng)前主流低空無人飛行器的目標(biāo)特性，已經(jīng)形成了雷達探測、光電探測、射頻探測、聲學(xué)探測等主要探測手段。然而，復(fù)雜背景下的無人機探測，特別是無人機的識別問題，仍然是現(xiàn)階段雷達探測的難點；射頻探測難以應(yīng)對保持無線電靜默狀態(tài)或使用非常規(guī)頻段的無人機；聲波探測受環(huán)境噪聲干擾嚴重，且探測距離非常有限；光電探測易受天氣影響，且難以分辨較遠處的飛行目標(biāo)。為滿足復(fù)雜環(huán)境下的高效識別與對抗需求，未來低空無人飛行器綜合探測技術(shù)的發(fā)展方向已基本明確：①基于深度學(xué)習(xí)的多源異構(gòu)傳感器融合探測；②多位點組網(wǎng)探測與識別；③移動跟蹤探測與察打一體化集成；④大規(guī)模無人機集群探測、識別、跟蹤和對抗。(4)無人艦艇集群感知與協(xié)同控制技術(shù)開發(fā)軟硬件系統(tǒng)，完成廣域全天候高強度任務(wù)，廣泛應(yīng)用于海洋設(shè)施巡檢、海上應(yīng)急搜救和海洋戰(zhàn)略通道巡邏預(yù)警等領(lǐng)域。盡管已有一些理論研究成果，但仍面臨數(shù)據(jù)低質(zhì)性、弱相關(guān)，目標(biāo)識不全、辨不清，無人艦艇走不直、控不穩(wěn)等核心難題。無人艦艇集群在復(fù)雜海洋環(huán)境中難以實現(xiàn)廣域監(jiān)視，感知實體關(guān)系信息時獲取難度大，數(shù)據(jù)稀疏且殘缺。任務(wù)場景中單平臺感知能力弱、多平臺信息差異大，知識圖譜理解層次低，語義信息缺失。執(zhí)行任務(wù)時，復(fù)雜水域中的波浪干擾會導(dǎo)致橫搖、縱搖和偏航，影響航跡跟蹤的精確性和安全性，同時高威脅目標(biāo)多、風(fēng)浪流急、障礙物分布廣泛，容易造成協(xié)同失效、個體沖該領(lǐng)域的主要研究方向包括無人艦艇集群多源異構(gòu)低質(zhì)信息深度融合、復(fù)雜海洋場景三維重建與目標(biāo)識別、協(xié)同控制與對抗博弈等。未來，無人艦艇集群感知與協(xié)同將趨向集群智能化，并與無人機、無人潛航器等跨域協(xié)同，實現(xiàn)多維度戰(zhàn)場態(tài)勢感知和博弈決策，并確保復(fù)雜海洋環(huán)境和對抗條件下的可靠性與安(5)基于圖像特征的高精度距離識別技術(shù)基于圖像特征的高精度距離識別技術(shù)是利用目標(biāo)圖像中的特征信息分析來獲取目標(biāo)距離、深度和定位全球工程前沿2024的技術(shù)，它是計算機視覺和機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個重要分支，應(yīng)用于精密機器測量、機械手高精度運動定位與控制、交通建筑變形沉降等地質(zhì)災(zāi)害實時檢測、飛船對接、危險環(huán)境的機械手自動化作業(yè)引導(dǎo)、目標(biāo)在空間的高精度定位等。目前該領(lǐng)域主要技術(shù)方向包括：①算法優(yōu)化，進一步提升圖像特征提取和匹配算法的效率與準確性；②多傳感器融合，將圖像測距與其他傳感器數(shù)據(jù)(如雷達、超聲波)結(jié)合，提高測距精度和魯棒性；③惡劣環(huán)境下的圖像處理和測距技術(shù)，解決惡劣環(huán)境下干擾影響問題?；趫D像特征的高精度測距技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。隨著計算機視覺、圖像處理技術(shù)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷進步，該技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括智能交通、智能精密制造、機器人高精度應(yīng)用等領(lǐng)域，極大地提升這些(6)具身智能技術(shù)機器人具身智能技術(shù)機器人是指通過將人工智能算法與實體機器人系統(tǒng)相結(jié)合，使機器人能夠在現(xiàn)實世界中進行感知、學(xué)習(xí)、推理和行動的智能體。這種機器人不僅具備傳統(tǒng)AI系統(tǒng)的認知能力，還能夠與物理環(huán)境進行交互，從而實現(xiàn)更加自然、靈活的智能行為。這一技術(shù)融合了多領(lǐng)域的前沿研究，旨在創(chuàng)建能夠自深度學(xué)習(xí)與強化學(xué)習(xí)，以及知識表示與推理。作為人工智能技術(shù)應(yīng)用的最佳載體，具身智能技術(shù)機器人已成為國際機器人前沿研究的熱點，未來發(fā)展將聚焦于：提升機器人的自主學(xué)習(xí)能力，使其能夠獨立探索環(huán)境并將經(jīng)驗遷移至新任務(wù)；增強社會化智能，促進機器人更好地融入人類社會；提高應(yīng)變和創(chuàng)新能力，以應(yīng)對未知情況；同時加強倫理和安全性考量，確保機器人行為符合社會規(guī)范和道德標(biāo)準。具身智能技術(shù)的醫(yī)療、教育等行業(yè)帶來創(chuàng)新機遇和全新挑戰(zhàn)，(7)連續(xù)陶瓷纖維增強的金屬基復(fù)合材料連續(xù)陶瓷纖維增強的金屬基復(fù)合材料是指將連續(xù)陶瓷纖維作為增強體嵌入金屬基體中的一類復(fù)合材其纖維種類擴展到氧化鋁纖維、碳化硅纖維等，金屬基擴展到鈦合金、鎂合金等，新材料的引入對纖維-金屬界面相容性與連續(xù)纖維預(yù)制體制備工藝提出要求。目前國內(nèi)外研究主要聚焦于以下領(lǐng)域：纖維表面涂層處理與包覆絲材制備；纖維排布設(shè)計與多尺度、多物理場仿真優(yōu)化；金屬基體復(fù)合工藝改進與先進制造未來的研究前沿方向包括：纖維排布設(shè)計及結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、纖維-金屬界面性能調(diào)控、復(fù)雜連續(xù)纖維預(yù)制體增材制造、金屬基體復(fù)合過程數(shù)值模擬和通道規(guī)劃、低成本大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件短流程制造、服役環(huán)境下性能演變、控制及評估等方面。具有“刺激-響應(yīng)”特性的智能構(gòu)件設(shè)計與高精度、高效率的多材(8)模塊化先進武裝機器人系統(tǒng)先進武裝機器人系統(tǒng)主要是指由運動平臺和任務(wù)載荷構(gòu)成的、用于執(zhí)行特殊作戰(zhàn)任務(wù)的一類機器人系統(tǒng)。運動平臺可分為地面、空中、水面、水下等多種構(gòu)型樣式。任務(wù)載荷包括感知、偵察、打擊、引導(dǎo)等類型。該系統(tǒng)可通過遠程遙控或自主操控方式進行控制，具有運動方式靈活、載荷選擇類型多、能代替由于平臺運行介質(zhì)、目標(biāo)類型與特性變化等未來作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜性的增加，對運動平臺運動性能和任務(wù)載荷精密化、智能化提出了更高的要求。目前該領(lǐng)域的主要技術(shù)方向包括高性能運動平臺模塊化驅(qū)動傳動數(shù)據(jù)鏈傳輸延遲補償控制、集成化能源動力模塊設(shè)計、高效人機交互等。具體技術(shù)發(fā)展趨勢包括跨介質(zhì)運動平臺可變構(gòu)型驅(qū)動機構(gòu)優(yōu)化、運動平臺與任務(wù)載荷智能化高精度協(xié)同和集成安全控制、運動平臺與任務(wù)(9)氫燃料航空發(fā)動機氫燃料航空發(fā)動機是一種利用氫氣作為燃料并通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為機械能的航空發(fā)動機，大致分為氫燃料渦輪發(fā)動機和氫燃料電池發(fā)動機。其旨在推動飛行器運行，同時減少溫室氣體和其他污染物的排放。由于液氫燃料具有零碳排放、低溫存儲、易于制備等優(yōu)點，氫燃料發(fā)動機在軍用和民用航空裝備領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)航空發(fā)動機相比，氫燃料航空發(fā)動機不僅在減少碳排放方面具有明顯優(yōu)勢，還目前該領(lǐng)域的主要技術(shù)方向包括氫燃料的儲存和運輸、高效燃燒技術(shù)、先進材料開發(fā)、智能控制與檢測技術(shù)等，以解決氫工質(zhì)循環(huán)、氫燃燒、氫控制、氫損傷等領(lǐng)域所面臨的問題。隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的重視和相關(guān)技術(shù)的突破與成熟，未來氫燃料航空發(fā)動機的效率、安全性和可靠性將不斷提升，氫燃料航空(10)臨近空間高超聲速滑翔彈頭跳躍彈道預(yù)測臨近空間高超聲速滑翔彈頭跳躍彈道預(yù)測旨在通過數(shù)學(xué)建模、仿真分析和實時跟蹤等手段，預(yù)測高超聲速滑翔彈頭在臨近空間(20~100km高度)內(nèi)無動力滑翔過程中的高速飛行航跡。該類彈頭在空氣動力作用和伺服控制機構(gòu)的綜合作用下，以跳躍變軌跡方式在臨近空間飛行，呈現(xiàn)出強大的機動能力和突防性能，致使常規(guī)手段難以攔截。典型滑翔彈頭跳躍彈道是在錢學(xué)森提出的助推滑翔彈道理論和類似于水漂彈道的桑格爾彈道基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。高超聲速滑翔彈頭在臨近空間跳躍式飛行，氣動參數(shù)具有隨機不確定目前該領(lǐng)域的主要技術(shù)方向包括高超聲速滑翔彈頭的氣動力特性精確分析，基于運動規(guī)律認知、控制模式辨識、作戰(zhàn)意圖推斷的軌跡預(yù)測方法，基于聲光電的高分辨率傳感測量元器件及測量濾波技術(shù)，基于人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)及快速處理智能算法等。該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢包括建立復(fù)雜飛行空域環(huán)境下高超聲速滑翔彈頭精準的動力學(xué)模型，包括升力、阻力系數(shù)等氣動參數(shù)和控制率氣動導(dǎo)數(shù)的精確計算；發(fā)展高精度敏感元器件技術(shù)以獲取精確彈頭飛行數(shù)據(jù)，研究飛行數(shù)據(jù)在線分析和處理方法，開發(fā)高精度彈道軌跡模擬和深度學(xué)習(xí)優(yōu)化算法等，實現(xiàn)實時跳躍彈道精準預(yù)測，為開發(fā)高超聲速目標(biāo)的反導(dǎo)系隨著深海探測、深海調(diào)查、深海資源開發(fā)等人類海洋活動愈加頻繁，實時掌控深海航行器及其他水下全球工程前沿2024保障深遠海工作安全，提高深遠海探測及資源開發(fā)工作效率具有重要意義。由于電磁波、光波等陸地環(huán)境主要通信信號在水下衰減嚴重，而低頻率、高功率的聲波可在水下傳播數(shù)千公里，聲波是實現(xiàn)水下遠程無線通信的最佳手段。但在遠距離傳播過程中，水聲信號衰落、復(fù)雜的多途信道結(jié)構(gòu)、聲波的全向傳播等物理因素會導(dǎo)致通信速率降低、定位精度變差、保密性和隱蔽性不佳等問題。傳感器和人工智能(AI)技術(shù)的進步推動深遠海水下通信定位技術(shù)向多種水下通信技術(shù)的集成發(fā)展。利用AI、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)智能化為了增強深遠海水下通信的穩(wěn)定性，提高深遠海水下定位精度，聲光電多源異構(gòu)通信定位技術(shù)、量子通信人工智能新興技術(shù)融合、聲學(xué)及慣導(dǎo)組合定位技術(shù)等已成為水下通信定位領(lǐng)域的研究熱點。我國關(guān)于水下無人救援機器人的研究起步較晚，但近年來發(fā)展迅速。主要技術(shù)發(fā)展方向包括多源異構(gòu)通信定位技術(shù)融合，基于高級調(diào)制技術(shù)[如正交頻分復(fù)用(OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)]、編碼技術(shù)優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，提升聲學(xué)通信速率和距離；基于高功率激光器和光學(xué)接收技術(shù)，實現(xiàn)長距離光學(xué)通信，探索新型頻段和調(diào)制技術(shù)的無線電通信，研究量子密鑰分發(fā)，磁感應(yīng)信號傳播特性，形成以聲學(xué)為主、光電為輔，同時融合量子、人工智能等新興技術(shù)的通信定位方式；基于帶內(nèi)全雙工水聲通信技術(shù)和抗多途多普勒效應(yīng)通信技術(shù)，提高水下通信傳輸速率和距離，提高定位精度；基于空基的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和水面水下長短基線協(xié)同定位技術(shù)，進行水下通信組網(wǎng)系統(tǒng)智能調(diào)控，實現(xiàn)水下通信定位智能化與自主化。總之，深遠海水下通信定位技術(shù)在深海資源勘探、水下工程實施、海洋環(huán)境監(jiān)測、國防安全、智慧海洋建設(shè)和應(yīng)急救援等領(lǐng)域具有重大產(chǎn)業(yè)化推廣和技術(shù)應(yīng)用拓展價值，對保障我國海洋資源勘探安全、維護我國海上國防安全、內(nèi)國家1中國2日本3美國84韓國545印度206177168沙特阿拉伯129意大利1110核心專利的主要產(chǎn)出國家之間暫無合作。核心專利產(chǎn)出數(shù)量較多的機構(gòu)是中國船舶重工集團公司、國家深?；毓芾碇行摹⒅袊茖W(xué)院聲學(xué)研究所和哈爾濱工程大學(xué)(表2.18)。核心專利的主要產(chǎn)出機構(gòu)中，國家深海基地管理中心與長春理工大學(xué)存在合作(圖2.10)。圖2.11為“深遠海水下通信定位技術(shù)”工程開發(fā)前沿的發(fā)展路線。1中國船舶重工集團公司82國家深?；毓芾碇行?3中國科學(xué)院聲學(xué)研究所64哈爾濱工程大學(xué)6546367日本海洋研究開發(fā)機構(gòu)338天津大學(xué)339齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)3232哈爾濱工程大學(xué)中國科學(xué)院聲學(xué)研究所國家深海基地管理中心中國船舶重工集團公司浙江大學(xué)長春理工大學(xué)日本海洋研究開發(fā)機構(gòu)齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)三亞深?？茖W(xué)與工程研究所全球工程前沿2024聲學(xué)定位主流技術(shù)，可靠性和傳輸速率較高，但帶寬和速研究熱點，高傳輸速率和大帶寬，但受水體能見度影響較量子、磁感應(yīng)通信等處于探索階段，前景良好提供連續(xù)三維位置和速度，但是無法消除累積誤差，主要手段，但受海底地形以及深海聲線彎曲等因水下工程實施海圖2.11“深遠海水下通信定位技術(shù)”工程開發(fā)前沿?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)處于當(dāng)前海洋科技與軍事應(yīng)用的研究前沿，代表了智能無人系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵方向。隨著無人系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用、計算機、通信和分布式控制技術(shù)與海洋科學(xué)的交叉融合滲透發(fā)展，以美國為代表的國外海洋強國大力發(fā)展無人機、無人艇、水下潛器等跨域異構(gòu)無人裝備，并持續(xù)推動無人系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)由單域單體向單域集群，再向跨域協(xié)同的增效方向轉(zhuǎn)變。?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)是智能無人系統(tǒng)形成顛覆性能力的核心技術(shù)。與同構(gòu)無人系統(tǒng)單域協(xié)同相比，?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)擁有優(yōu)勢互補、全方位聯(lián)動等新技術(shù)特點，在大幅提升無人系統(tǒng)功能的同時，能夠不斷擴大海空協(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制是面向科學(xué)前沿的多學(xué)科交叉信息論與通信工程、博弈論等多領(lǐng)域，相關(guān)研究主要分為三個方面：一是跨域多節(jié)點自組網(wǎng)通信-計算一體化技術(shù)，研究異構(gòu)無人系統(tǒng)高可靠低時延的跨域組網(wǎng)通信理論，設(shè)計異構(gòu)數(shù)據(jù)跨層級互聯(lián)共享機制，建立基于人工智能和云邊協(xié)同的通信基礎(chǔ)設(shè)施，為復(fù)雜的環(huán)境擾動和空間約束下的決策與控制提供保障；二是多域耦合和異構(gòu)動力學(xué)約束下的彈性決策，闡明環(huán)境、任務(wù)目標(biāo)、?？债悩?gòu)平臺間耦合作用，研究跨域異構(gòu)動力學(xué)約束下的任務(wù)調(diào)度與動態(tài)規(guī)劃，建立強魯棒、高彈性的任務(wù)決策體系，實現(xiàn)基于群體智能演化的無人決策系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)換代，提升協(xié)同效能；三是強異質(zhì)動力學(xué)特性的海空無人系統(tǒng)一體化協(xié)同控制，結(jié)合實時反饋與調(diào)整機制構(gòu)建一體化控制模型，統(tǒng)一與適配不同跨域航行器的動力學(xué)特性，探索人機多模態(tài)交互控制規(guī)律，為不同平臺之間的高效協(xié)同提供支持。總之，海空協(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)一體化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對保障我國海上活動安全、開發(fā)深海資源與發(fā)展海目前，該前沿中核心專利產(chǎn)出數(shù)量排名第一的國家是中國，平均被引數(shù)排名第一的國家是以色列(表2.19)。核心專利的主要產(chǎn)出國家之間未見合作。核心專利產(chǎn)出數(shù)量較多的機構(gòu)為南京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)與中國電子科技集團公司存在合作(圖2.12)。圖2.13為“?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一國家國家1中國2美國美國3韓國24日本日本25216印度印度207以色列18智利智利19161012國防科技大學(xué)34西北工業(yè)大學(xué)5中國電子科技集團公司67國家電網(wǎng)有限公司89西安電子科技大學(xué)全球工程前沿2024西北工業(yè)大學(xué)北京航空航天大學(xué)國防科技大學(xué)南京航空航天大學(xué)圖2.12“?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)”工程開發(fā)前沿主要機構(gòu)間里程碑子里程碑2023—20252026-20302031-20352036—長期海空協(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制推廣構(gòu)建?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度和動態(tài)規(guī)劃體系，以應(yīng)對多變的環(huán)境擾動和強干擾挑戰(zhàn)構(gòu)建?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)一體化協(xié)同控制機制，實現(xiàn)跨域異構(gòu)無人系統(tǒng)之間的集中式與分布式控制模式之間的高效切換、靈活資源調(diào)配，提升異構(gòu)無人系統(tǒng)的自主控制穩(wěn)定性產(chǎn)業(yè)化推廣和規(guī)?；瘧?yīng)用掌握?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)跨域自組網(wǎng)通信技術(shù)，構(gòu)建高效、靈活、穩(wěn)定且安全的通信網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)業(yè)化推廣和規(guī)模化應(yīng)用限制的條件下，逐步應(yīng)用于實際的海上協(xié)同作業(yè)任務(wù)新一代海空協(xié)同異推動?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的少人化、無人化、自主化、智能化發(fā)展進程，實現(xiàn)無人系統(tǒng)間有序、安全、高效的協(xié)同控制?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)是水路交通載運裝備的發(fā)展趨勢之一，在網(wǎng)絡(luò)通信、環(huán)境感知、協(xié)同控制等方面實現(xiàn)技術(shù)突破，全面提高水路交通載運裝備的技術(shù)水平通信模塊多域耦合的智能決策與動態(tài)規(guī)劃融合移動自組網(wǎng)的無人系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)任務(wù)導(dǎo)向的混合式立體協(xié)同任務(wù)規(guī)劃方法訓(xùn)練的異構(gòu)無人集群自主控制方法融合事件觸發(fā)機制的無人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全框架融合風(fēng)浪流環(huán)境擾動的跨域協(xié)同組合優(yōu)化面向跨域協(xié)同任務(wù)的異構(gòu)無人系統(tǒng)協(xié)同控制基于星鏈通信的跨域多節(jié)點的協(xié)同通信基于擾動度量的海上作業(yè)資源調(diào)度方法基于可解釋深度學(xué)習(xí)的高魯棒性協(xié)同控制面向多點協(xié)同任務(wù)的無人系統(tǒng)自適應(yīng)多域耦合約束下的彈性決策技術(shù)動態(tài)不確定環(huán)境下的機艇自適應(yīng)協(xié)同基于區(qū)塊鏈的可信互聯(lián)與信息交互技術(shù)動態(tài)切換拓撲下異質(zhì)智能無人系統(tǒng)跨域任務(wù)分配技術(shù)多域大規(guī)模異構(gòu)集群編隊控制技術(shù)圖2.13“?？諈f(xié)同異構(gòu)無人系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)”工程開發(fā)前沿的發(fā)展路線近年來，低空無人飛行器因其靈活性、機動性、易操控等優(yōu)點，給社會各領(lǐng)域帶來了巨大便捷，但同時也對公共安全和國家安全造成了嚴重威脅。全球各國均相繼著手研制反無人機系統(tǒng)，而如何實現(xiàn)低空無人飛行器的高效準確探測是