世界主要國家工程科技重大計劃與前沿問題綜述

宋超，孫勝凱，陳進東，王亞瓊，闞曉偉，魏暢，崔劍

（中國航天系統科學與工程研究院, 北京100048）

世界主要國家工程科技重大計劃與前沿問題綜述

宋超，孫勝凱，陳進東，王亞瓊，闞曉偉，魏暢，崔劍

（中國航天系統科學與工程研究院, 北京100048）

本文梳理了近年來世界各主要國家工程科技領域的重大戰略計劃和措施，簡要分析了當前工程科技主要領域發展狀況、水平，對主要國家工程科技領域計劃的目標、路徑與內容進行了比較分析，描繪了工程科技計劃關系圖、聚焦點和前沿問題。

工程科技；主要國家；重大計劃；前沿問題；聚焦點

一、前言

科技創新發展是深刻影響人類文明走向和進程的重要要素，在某種意義上決定著一個國家、一個民族的興衰和命運。當今世界，科技創新浪潮迭起，世界主要國家大力推進中長期科技戰略規劃，旨在準確把握、及時布局科技創新的方向和重點，以掌握競爭、發展的主動權[1]。本文梳理了近年來世界各主要國家工程科技領域的重大戰略計劃和措施，簡要分析了當前工程科技主要領域發展狀況、水平，并對世界各主要國家工程科技領域重大戰略計劃的目標、路徑與內容進行了比較分析，提出了當前工程科技主要領域的前沿問題與發展趨勢。

二、世界各主要國家工程科技領域的重大戰略計劃

集中優勢力量部署重大工程科技戰略計劃是世界各主要國家推進技術與產業創新的重要手段，為實現國家戰略目標提供了有力支撐。本文梳理了近幾年世界各主要國家發布的工程科技領域的重大戰略計劃，分析其關注的前沿熱點和主要技術方向。

（一）美國

美國重大科技戰略計劃一部分出自國家層面，另一部分是各類智庫提出的咨詢報告和建議，兩者共同支撐了一系列體現國家戰略意圖的科技計劃的出臺。

近幾年，美國白宮科技政策辦公室（OSTP）、國家科學技術理事會（NSTC）、國防部高級研究計劃局（DARPA）、戰略與國際研究中心（CSIS）等國家相關部門以及麥肯錫等咨詢公司相繼發布了各類重大科技戰略計劃和科技戰略研究報告[2～4]，其主要聚焦的領域和技術方向見表 1。

表1 美國各重大科技戰略計劃聚焦的領域和技術方向

除以上綜合性的重大科技戰略計劃外，美國還發布了很多領域、行業發展計劃，如《先進制造業：聯邦政府優先技術領域概要》《四年度技術評估》《推進創新神經技術腦研究計劃》《材料基因組計劃》《美國2050年遠景：國家綜合運輸系統》等等。總體上看，美國在工程科技各領域均部署了不同層面的科技戰略計劃，其中對先進制造、清潔能源、精密醫療、大數據及先進計算技術等方面關注度頗高。

（二）歐洲

2013年，歐盟在“里斯本戰略”落幕的同時迎來了“歐盟2020戰略”的啟動。作為落實歐盟發展戰略的主要操作工具，新的研究與創新框架計劃——“地平線2020”于2013年12月11日正式啟動，為期7年（2014—2020），以期依靠科技創新實現“智能、包容和可持續發展”的增長模式。“地平線2020”聚焦三大戰略目標：打造卓越科學、成為全球工業領袖、成功應對社會挑戰，其中，工程科技相關領域的部署計劃如表2所示[5]。

表2 歐盟“地平線2020”部署的工程科技相關領域計劃

綜上可見，歐盟整個科技與創新框架體系全方位覆蓋創新領域，包括人口健康，食品安全，可持續農業、海洋和海事研究，安全、清潔和高效的能源，智能、綠色和綜合交通運輸體系，氣候變化以及社會安全等多個領域，其中對工業技術相關領域關注度相對較高。

蘭德公司（歐洲）認為數字技術與經濟社會發展在各個方面呈現出越來越緊密的關系，研究提出在“地平線2020 ”計劃中對塑造和提高歐盟研發、創新能力具有關鍵作用的10個與數字技術相關的主題，并分析了未來趨勢，如表3所示。

表3 蘭德公司提出的數字技術10大主題和趨勢

英國從2002年開始開展第三輪技術預見，并于2010 年發布了《技術與創新未來：英國 2030 年的增長機會》，對英國面向 2030 年的技術發展進行了系統性預見，提出四大領域的53項至關重要的技術，如表4所示 [6]。

德國近幾年也出臺了多個研究創新計劃，包括能源轉型的哥白尼克斯計劃、IT安全研究計劃、基因組編輯新方法對社會影響研究計劃等。2010年出臺了《德國2020高技術戰略——思想·創新·增長》，2013年提出新的高技術戰略計劃——“工業4.0”，支持工業領域新一代革命性技術的研發和創新，搶占新一輪工業革命的先機。

法國于2015年5月提出了“未來工業”戰略，包含新型物流、新型能源、可持續發展城市、生態出行和未來交通、未來醫療、數據經濟、智慧物體、熟悉安全和智慧飲食等九個項目。并于同年7月出臺了《綠色轉換能源法案》，提出限定核能發電量、降低化石能源消耗、提升可再生能源在能源總消耗中的比例，并且到2050年能源消耗量降低一半。

（三）日本

日本從1971年開始組織了世界上首次大規模的技術預見，此后每5年進行一次，每次技術預見結果都用來支撐日本不同重大科技戰略計劃的制定。2015年，日本進行了第10次科技預測調查，為日本部署第五期科學技術基本計劃提供了依據。日本內閣會議于2016年1月22日審議通過了《第五期科學技術基本計劃（2016—2020）》，提出未來10年日本將大力推進和實施科技創新政策，把日本建成“世界上最適宜創新的國家”[7]，主要包括以下幾個方面。

1.超智能社會

在全世界迎來第四次產業革命的背景下，日本將以制造業為核心，靈活利用信息通信技術，基于互聯網或物聯網，打造世界領先的“超智能社會（5.0社會）”。日本將優先推進《科技創新綜合戰略2015》中已確定的11個系統的建設工作：能源價值鏈優化系統、地球環境信息平臺、高效基礎設施的維護管理更新系統、防抗自然災害的社會系統、高速道路交通系統、新型制造系統、綜合型材料開發系統、地方治理系統、工作流程管理系統、智能食物鏈系統以及智能生產系統。

2.共性技術研發

日本政府提出，將不斷完善知識產權和國際標準化戰略，推動網絡安全、物聯網系統構建、大數據解析、人工智能等服務平臺，開展必不可少的共性技術研發，同時，圍繞機器人、傳感器、生物技術、納米技術和材料、光量子等能夠創造新價值的核心優勢技術，設定富有挑戰性的中長期發展目標并為之付出努力，從而提升日本的國際競爭力。

表4 對英國 2030 年至關重要的技術

3.積極應對經濟和社會發展面臨的挑戰

為了及早解決日本國內及全球面臨的經濟和社會發展挑戰，日本政府預先選定了要通過科技創新解決的13個重點政策課題，如表5所示。

2016 年 4 月，日本內閣府與科學技術振興機構（JST） 聯合提出包含16個領域的綜合性科技創新計劃——“日本顛覆性技術創新計劃（ImPACT）”[8]。同年6月，日本產業技術綜合研究所（AIST）發布了《2030年研究戰略》，提出了日本產業與科技創新的重點發展方向[9]，主要內容見表 6。

綜合日本各項重大科技戰略計劃可以看出，日本近幾年關注的工程科技發展方向主要集中在智能產業、能源資源以及醫療和人口健康等方面。

（四）中國

中國共產黨第十八次全國代表大會提出實施創新驅動發展戰略，推動以科技創新為核心的全面創新，繼而陸續提出了“中國制造2025”、“互聯網+”、網絡強國、海洋強國、航天強國、健康中國、軍民融合發展、“一帶一路”建設、京津冀協同發展、長江經濟帶發展等一系列國家戰略，并通過實施全面系統的科技規劃推動創新發展。2016年中央頒布了《國家創新驅動發展戰略綱要》，明確提出了建設世界科技強國的戰略目標，之后，國務院印發了《“十三五”國家科技創新規劃》，明確了“十三五”時期科技創新的總體思路、發展目標、主要任務和重大舉措，在電子信息、先進制造、能源、環境、農業、生物健康以及太空、海洋開發利用領域都進行了相應布局[10]，進而，面向2030 年部署了一批體現國家戰略意圖的重大科技項目與工程，形成遠近結合、梯次接續的系統布局（見表7）。

三、世界各國重大科技戰略計劃的比較分析

對美國、歐盟、日本和中國的各項重大科技戰略計劃中與工程科技相關的內容進行聚類分析，以發掘世界各主要國家共同關注及各自重點關注的工程科技技術方向，結果如圖1所示。

由圖1可見，各國（地區）對工程科技的共同關注點主要集中在信息、先進制造、能源和生物技術四大領域。信息領域：大數據、云技術、人工智能和量子技術等當今熱點技術受到廣泛關注，同時，大數據發展帶來的對先進計算技術的需求，以及互聯網、物聯網快速發展帶來的網絡安全問題也受到各國重視。先進制造領域：智能感知傳感器技術、機器人技術以及面向個性化制造的3D打印技術是關注熱點。能源領域：可再生能源和清潔能源技術是未來主要發展方向，各國對氫能、核能技術有所部署，節能和儲能技術也備受關注。生物技術領域：合成生物、基因組學和生物分子技術受到關注，腦科學研究也越來越受到重視。

各國在工程科技重大計劃部署上各具特色。美國對安全方面的技術關注度較高，對國土安全、新型武器和情報等方面進行技術部署。日本由于其國家自然地理條件較為特殊，對災害和地質相關技術更為關注，同時十分重視核廢料回收。從總體上看，歐盟的工程科技重大計劃部署與國際大趨勢基本吻合，但歐洲各國的關注點則各有側重。中國作為農業大國，對現代農業技術、轉基因和育種技術較為重視，同時對煤炭和煤層氣技術較為關注。在電子技術方面，由于中國技術基礎相對較弱，成為制約科技發展的瓶頸，因而在集成電路和電子芯片等方面加強了部署。此外，軌道交通、中醫藥等優勢技術也受到進一步重視。

表5 日本將通過科技創新解決的13個重點政策課題

表6 日本產業與科技創新的重點發展方向

表7 中國科技創新2030——重大科技項目與工程

圖1 世界主要國家工程科技重大計劃聚類分析圖

四、世界工程科技領域前沿問題與發展趨勢

當前，全球進入密集創新和產業變革孕育加速的時代，工程科技各領域在技術牽引和需求推動的雙重動力下正在加速發展，結合世界各主要國家重大科技計劃的梳理分析，整理當前世界工程科技各領域前沿問題與發展趨勢如下。

(一)智能、綠色、高效技術發展推動化石能源清潔化、新能源經濟化、能源服務智能化

煤炭開發向安全、高效、綠色、智能開采方向發展，煤炭利用朝著高效、節能、節水和清潔方向發展。非常規油氣和海洋深水油氣成為世界油氣儲量與產量的新增長點，油氣資源勘探開發向海底化、智能化、復合化方向發展。核電發展更加強調安全性和可持續性。可再生能源的技術研發向大型化、高效低成本方向發展，而可再生能源利用則是朝著多能互補、冷熱電聯產與綜合利用方向發展。電力工程技術發展特征是安全可靠、經濟高效、智能開放，構建智能電網，發展大規模可再生能源接入技術、融合分布式可再生能源的微電網技術、直流電網或交直流電網模式。非能源礦業向實現深部資源的安全開采和高效回收方向發展。

(二)著眼環境質量對人類健康的影響，全球全過程復合污染控制與生態協同修復成為趨勢

當前，世界范圍不同階段、不同層面、不同特征的環境生態問題共存，既有重工業發展區域面臨的傳統重工業污染及新型污染、多重復合型污染問題，也有工業化區域面臨的生態環境深度改善及全球化環境改善難題。削減源頭污染、清潔生產成為改善環境質量的關鍵，復合與新型污染物高效深度處理是解決點源及部分面源污染問題的關鍵，大區域、流域生態與土壤修復大面積展開，環境基準與人體健康影響研究成為關注焦點，大尺度環境監測及快速預警應急技術得到快速發展。

(三)信息技術亟須突破計量、感知、計算和使能技術與體制瓶頸，大力推進泛在智能和移動互聯網

當前，以測量、通信、計算為三大支柱的信息電子技術在精度、速度、廣度、深度等方面的要求越來越高。新一代計量基標準和高精度測量技術長足發展，感知技術趨向體制革新、高性能與智能化，使能材料和器件技術的發展促進工業不斷升級，網絡與通信技術呈現“千億級人—網—物三元互聯”，計算技術向超高性能、超低功耗、超高通量和多計算范式等方向發展，軟件技術向高智能、高聚合、高適應方向發展。

(四)材料發展呈現結構功能一體化，材料器件一體化、納米化與復合化，支撐產品功能創新和性能優化

世界各國高度重視新材料的創新研發，力圖在新能源材料、節能環保材料、納米材料、生物材料、醫療和健康材料、信息材料等領域的未來國際競爭中搶占一席之地。新材料不斷更新換代，硅材料發展推動微電子芯片集成度及信息處理速度大幅提高，成本不斷降低；碳化硅、氮化鎵寬禁帶材料為新一代射頻高能效、高功率器件開辟了廣闊的市場前景；低溫共燒陶瓷（LTCC）技術的研究開發取得重要突破，大量無源電子元件整合于同一基板內已成為可能。此外，變革新材料研發模式逐漸成為關注的重點。

(五)制造技術與信息技術深度融合，推動裝備制造智能化

人工智能、物聯網與自動化的融合為傳統制造業賦予了新能力，人工智能與機器人逐漸得到廣泛應用，增材制造開創生產和商業的新模式，儀器儀表向小型化、多功能、智能化方向發展，共同促進了以生產網絡化、智能化為標志的第四次工業革命的發展。

(六)流程工業聚焦低碳、循環、減量、高效，廣泛建立生態工業鏈接，發展智能工廠

流程工業正在向綠色化、生態化方向發展，通過建立廣泛的生態工業鏈接，減少化石燃料消耗和污染物排放，通過智能化工程，不斷提升流程工業的效率效益。未來，流程工業各行業將進一步調整企業結構、流程結構、資源結構、耗能結構，提高能源效率，實現節約化和高效化生產。

(七)瞄準低能耗、高可靠、綠色化與智能化，發展智慧城市和高品質、強安全基礎設施

當前，人類社會已真正進入“城市世紀”，綠色建筑設計和城市設計得到廣泛關注，智慧城市成為世界主要經濟體城市發展的新引擎；新型結構體系不斷涌現，工程結構的可靠性、耐久性及全壽命設計理念得到初步實現；水安全保障體系呈現出全球化、多元化趨勢，智慧水系統和水資源再生技術得到了持續關注。

(八)構建主動控制型綜合交通系統，推動運載工具智能化、交通設施智慧化、管理服務協同化

在“綠色、智能、泛在”為特征的群體性重大技術變革之下，交通運輸成為大數據、云計算、移動互聯網、智能制造、新能源和新材料等新興技術的重點應用領域，交通運輸工具向節能環保、高效智能、安全便捷的方向發展，高速鐵路技術創新主題由功能設計逐步轉向結構運營安全保障、運營品質提升與維護，網聯化、協同化和智慧化的綜合交通體系正在逐步形成，精準、實時、高效的交通應急搜救與安全保障體系也得到日益重視。

(九)海洋空間探測與應用技術向更廣、更深、更精方向發展

海洋空間仍然是世界主要國家競爭的戰略制高點。世界主要航天國家正在推進高可靠、高效費比的天地往返運輸能力建設，支撐載人航天與深空探測發展，面向空間信息的高效泛在應用，構建天地一體化衛星應用與服務體系。海洋環境立體綜合觀測與智能服務系統得到廣泛關注，海洋資源勘查及開發走向多樣化、精準化并向深遠海方向發展，海水資源和海洋能高效綜合利用技術攻關方興未艾。

(十)生物與信息技術推動農業綠色革命，大力發展精準化、集約化、高值化農業生產技術

現代農業生物技術、信息技術迅猛發展，成為現代農業發展的重要引擎。新的綠色革命推動傳統農業技術改造升級，包括生物化、信息化、無害化、循環化和標準化等方面，發達國家圍繞農業生產精準化、集約化、高值化已開始了新一輪的戰略部署。種質資源保護與創新成為世界各國的前瞻性戰略，生物基因組學成為國際種業競爭制高點；世界各國十分重視重大動物疫病及人畜共患病的影響，發達國家在生物技術防控動植物重大疫病方面處于引領地位；農業資源高效利用、循環經濟及生態環境保護技術成為國際關注焦點；智慧農業工程科技的發展已成為國際上現代農業技術發展的前沿；全球農產品加工向多領域、多梯度和高科技方向發展。

(十一)健康優先、預防為主，推進精準醫學、再生醫學、藥物創新研究，提升醫療衛生信息化水平

21 世紀以來，醫學研究更加注重對人類健康的研究，從而使以“治病救人”為導向的診療醫學向“防病健身”的預防醫學方向發展。慢性病防控已經成為全球戰略行動，新發傳染病防控及診治技術是國際社會長期關注的熱點；組學與大數據分析推動了個體化醫學、整合醫學的發展；再生醫學正成為生命科學和臨床醫學研究重點，有望為人類難以治療的疾病帶來福音；認知與行為科學研究為精神疾病和神經疾病的預防和治療提供全新技術,并將促進人工智能的發展；遺傳學篩查和細胞治療等成為生殖醫學研究重點；基因調控與基因工程為藥物工程帶來新革命；中藥資源保護與利用先進生物技術發展中醫藥學成為中醫藥現代化的必然要求；數字醫學、生物3D打印、微創及精準醫學工程技術為醫學與健康領域帶來了顛覆性的變化。

(十二)以預防、應對和韌性為核心，推進公共安全向風險綜合化、預測專業化、處置高效化和保障一體化方向發展

在全球化、新技術以及個人社會角色轉變的推動下，公共安全已逐步上升到世界各主要國家的國家戰略高度。當前，公共安全綜合保障強調監測、預警、應急聯動并向智能化、自動化方向發展，交通安全向系統安全性與可靠性方向發展，危化品安全研究關注全生命周期各環節，全鏈條、大尺度下的水安全管理技術仍是關注重點，而防恐反恐科技成為全世界重要關注點。

五、結語

世界各主要國家為了加強超前部署及集中優勢力量推進重大技術突破提出發展戰略、重大科技計劃，以期實現國家戰略目標，推進經濟社會進步，贏取全球競爭優勢。本文梳理了世界各主要國家近年來的重大科技計劃，分析了世界工程科技領域的主要關注方向和布局。當前，我國科技創新從跟蹤為主轉向跟蹤和并跑、領跑并存的新階段，因此，及時把握世界科技前沿、進展和發展態勢，分析科技創新布局，對描繪我國科技發展藍圖、制定科技發展路徑具有重要借鑒意義。

致謝

本文各領域前沿問題與發展趨勢的內容主要來源于中國工程院重大咨詢項目“中國工程科技2035發展戰略研究”的相關課題，在此對各課題組表示感謝。

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Review on Major Planning Projects & Frontier Issues about Global Engineering Science and Technology in Major Countries

Song Chao, Sun Shengkai, Chen Jindong, Wang Yaqiong, Kan Xiaowei, Wei Chang, Cui Jian
(China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing 100048, China)

This paper examines recent major strategic planning projects in engineering science and technology from several major countries around the world, and briefy analyzes the current development status of major felds. Through a comparison and analysis of the goal, path, and content of current planning in different countries, this study draws a relationship diagram and depicts the focus and frontier issues of global engineering science and technology planning.

engineering science and technology; major countries; major planning projects; frontier issue; focus

T-01

A

2016-12-25；

2017-01-10

宋超，中國航天系統科學與工程研究院，工程師，研究方向為系統工程；E-mail: 1142184538@qq.com

中國工程院咨詢項目“中國工程科技2035發展戰略研究”(2015-ZD-14)

本刊網址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.01.002