全球工程前沿2019.pdf

引言 1第一章 研究方法 21 工程研究前沿的产生 21.1 论文数据的获取与预处理 21.2 文献聚类主题的获取和筛选 31.3 专家研判 42 工程开发前沿的产生 42.1 工程开发热点的遴选 42.2 专利地图的获取和解读 42.3 专家提名与研判 53 术语解释 5第二章 领域报告 6一、机械与运载工程 61 工程研究前沿 61.1 Top 10 工程研究前沿发展态势 61.2 Top 3 工程研究前沿重点解读 92 工程开发前沿 152.1 Top 10 工程开发前沿发展态势 152.2 Top 3 工程开发前沿重点解读 21二、信息与电子工程 291 工程研究前沿 291.1 Top 10 工程研究前沿发展态势 291.2 Top 3 工程研究前沿重点解读 332 工程开发前沿 412.1 Top 10 工程开发前沿发展态势 412.2 Top 3 工程开发前沿重点解读 45三、化工、冶金与材料工程 511 工程研究前沿 511.1 Top 11 工程研究前沿发展态势 511.2 Top 3 工程研究前沿重点解读 552 工程开发前沿 622.1 Top 12 工程开发前沿发展态势 622.2 Top 3 工程开发前沿重点解读 66四、能源与矿业工程 731 工程研究前沿 731.1 Top 12 工程研究前沿发展态势 731.2 Top 4 工程研究前沿重点解读 782 工程开发前沿 872.1 Top 12 工程开发前沿发展态势 872.2 Top 4 工程开发前沿重点解读 94五、土木、水利与建筑工程 1031 工程研究前沿 103目录全球工程前沿Engineering Fronts全球工程前沿Engineering Fronts1.1 Top 10 工程研究前沿发展态势 1031.2 Top 3 工程研究前沿重点解读 1072 工程开发前沿 1142.1 Top 10 工程开发前沿发展态势 1142.2 Top 3 工程开发前沿重点解读 120六、环境与轻纺工程 1271 工程研究前沿 1271.1 Top 10 工程研究前沿发展态势 1271.2 Top 3 工程研究前沿重点解读 1312 工程开发前沿 1382.1 Top 10 工程开发前沿发展态势 1382.2 Top 3 工程开发前沿重点解读 143七、农业 1501 工程研究前沿 1501.1 Top 10 工程研究前沿发展态势 1501.2 Top 3 工程研究前沿重点解读 1532 工程开发前沿 1612.1 Top 10 工程开发前沿发展态势 1612.2 Top 3 工程开发前沿重点解读 165八、医药卫生 1711 工程研究前沿 1711.1 Top 10 工程研究前沿发展态势 1711.2 Top 3 工程研究前沿重点解读 1762 工程开发前沿 1852.1 Top 10 工程开发前沿发展态势 1852.2 Top 3 工程开发前沿重点解读 189九、工程管理 1991 工程研究前沿 1991.1 Top 10 工程研究前沿发展态势 1991.2 Top 3 工程研究前沿重点解读 2032 工程开发前沿 2142.1 Top 10 工程开发前沿及发展态势 2142.2 Top 3 工程开发前沿重点解读 218总体组成员 2261全球工程前沿Engineering Fronts引言工程科技是改变世界的重要力量，工程前沿是工程科技未来方向的重要指引。把握全球工程科技大势，瞄准世界工程科技前沿，大力推动科技跨越发展，已成为全球各国的战略选择。2017年起，中国工程院联合科睿唯安公司、高等教育出版社有限公司组织开展了“全球工程前沿”研究项目，期望能汇集工程科技人才的智慧，在论文和专利数据挖掘的基础上，研判全球工程研究前沿和工程开发前沿，为人类应对全球挑战、实现可持续发展提供行动参考。2019年度全球工程前沿研究继续依托中国工程院9个学部及“1+9+1”系列期刊，以数据分析为基础，以专家研判为依据，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个全球工程研究前沿和94个全球工程开发前沿，并分别重点解读28项工程研究前沿和28项工程开发前沿。为切实提高全球工程前沿预判的科学性，2019年度项目在前两年项目实践的基础上，增加了从需求拉动的角度提名前沿，并在数据对接、数据分析、专家研判三个阶段均设置了三轮专家与数据深度交互、迭代研判的环节，提升了数据挖掘、数据研判的准确性，增加了从需求角度研判前沿的力度，提升了研判的专业性、学术性，有效避免了唯论文、唯专利、唯数据指标的不足。本报告由两部分组成，第一章对研究采用的数据和方法进行说明；第二章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9个领域分报告，对每个领域的工程研究前沿和工程开发前沿进行描述和分析，并对重点前沿进行详细解读。2nullnullnullnullnullnullnullnull2019年度全球工程前沿在以专家为核心、数据为支撑的原则下，采用专家与数据多轮交互、迭代遴选研判的方法，实现了专家主观研判与数据客观分析的深度融合，共遴选出2019年度93个全球工程研究前沿和94个全球工程开发前沿，并按发展前景、受关注程度等原则筛选出重点解读的28个 工程研究前沿和28个工程开发前沿。9个领域组的前沿数量分布如表1.1所示。在具体研究方法流程上分为数据对接、数据分析和专家研判三个阶段。数据对接阶段主要通过领域专家和图书情报专家的交互，明确数据挖掘的范围；数据分析阶段主要通过聚类方法获得基于数据的研究热点和专利地图，并通过专家研读获得工程热点；专家研判主要通过专家研讨、问卷调查等方法确定最终前沿。同时，为弥补数据挖掘中因算法局限性或数据滞后所导致的研究前沿性不足的问题，鼓励领域专家对照数据分析结果查漏补缺，提名前沿。具体实施流程如图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。1 工程研究前沿的产生本报告中，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，遴选得出每个领域10个左右工程研究前沿。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个学部领域进行匹配映射，获得每个领域对应的期刊和会议列表，经过领域专家修正与补充，确定9个领域数据分析的数据源为10 817本期刊和24 330个会议列表。此外，对于Science等 70本综合学科的期刊，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分配这篇文章的学科领域。在此基础上，检索得第一章 研究方法表 1.1 9 个领域的前沿数量分布领域 工程研究前沿 / 个 工程开发前沿 / 个机械与运载工程10 10信息与电子工程10 10化工、冶金与材料工程11 12能源与矿业工程12 12土木、水利和建筑工程10 10环境与轻纺工程10 10农业10 10医药卫生10 10工程管理10 10合计93 943全球工程前沿Engineering Fronts图 1.1 全球工程前沿研究实施流程图到发表于20132018年的上述期刊论文和会议论文，被引用次数截至2019年2月。对于各个领域，科睿唯安综合考虑期刊与会议差别、出版年等因素，对上述文献列表进行检索和数据挖掘，将期刊与会议论文分开筛选，筛选出其中被引频次位于前10%的高影响力论文，作为研究热点分析的原始数据集。如表1.1.1所示。1.2 文献聚类主题的获取和筛选通过对上述的数据集中9个领域前10%的高被引论文进行共被引聚类分析，得到9个领域的全部文献聚类主题。对于出版年在20172018年的聚类主题，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；对于出版年在2017年之前的聚类主题，按照核心论文数量、总被引频次、核心出版物平均出版年份、常被引论文占比依次进行筛选，提取出35个不相似的文献聚类主题。其中各领域聚类主题如有交叉，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表 1.1.1 各领域对应的期刊、会议数量及其前 10% 高被引的论文数序号 领域 期刊数 / 本 会议数 / 个 高被引论文数 / 篇1机械与运载工程457 1768 38 6762信息与电子工程986 9632 109 5073化工、冶金与材料工程1128 2313 219 0814能源与矿业工程226 785 440 6415土木、水利与建筑工程359 512 28 3846环境与轻纺工程1003 605 93 5247农业1575 975 105 5238医药卫生4328 7059 392 1429工程管理755 681 32 9274nullnullnullnullnullnullnullnull行定制挖掘。最终得到9个领域806个文献聚类主题（见表1.2.1）。1.3 专家研判专家提名研究前沿是数据挖掘方法的重要补充。在数据对接阶段，9个领域的专家提出研究前沿问题，图书情报专家将前沿问题转化为数据挖掘的检索式，这是作为分析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。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，而后经过网络问卷调查、院士问卷调查和多轮会议研讨，遴选出93个工程研究前沿。2 工程开发前沿的产生2.1 工程开发热点的遴选工程开发前沿的基础素材主要来自以下两种途径，一是主要以科睿唯安公司的Derwent Innovation专利数据库为原始数据，通过建立德温特专利分类号与中国工程院学部专业划分体系的映射关系，获得分析的基础数据，而后对9个领域53个学科组被引频次位于前10 000的高影响力专利进行主题聚类，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，其中工程管理领域作为单独的学科组进行分析；二是专家提名或小同行专利分析备选工程开发前沿。两种方式获得的备选开发前沿通过问卷调查和多场研讨，最终获得每个领域10个左右工程开发前沿。2.2 专利地图的获取和解读科睿唯安建立德温特手工代码与中国工程院学部专业划分标准体系的匹配关系，初步确定9个领域的专利数据检索范围及检索策略。领域专家通过对德温特手工代码删减、增补和完善，确定53个学科组的专利检索式。专利检索时间范围为20132018年，专利引用时间截至2019年2月。通过Derwent Innovation专利平台检索，综合考虑年均被引频次和技术覆盖宽度指标，筛选获得每个学科组对应的前10 000个高被引的专利家族。利用专利文本间的语义相似度，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。表 1.2.1 各领域共被引聚类结果统计序号 领域 聚类主题数 / 个 前 10% 高被引论文数 / 篇 备选工程研究热点数 / 个1机械与运载工程6720 29 960 1382信息与电子工程16 816 76 015 673化工、冶金与材料工程26 563 116 361 684能源与矿业工程10 624 47 860 1005土木、水利与建筑工程5 594 25 867 1156环境与轻纺工程18 486 80 850 907农业7663 33 909 818医药卫生46 264 203 487 639工程管理4240 18 321 845全球工程前沿Engineering Fronts各领域专家在图书情报专家辅助下，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，为避免专利数据挖掘中单纯以数字指标衡量前沿性，领域组专家尤其注重专利地图中低频次、相关性较差的专利解读力度。2.3 专家提名与研判为弥补数据挖掘中因算法局限性或数据滞后所导致的开发前沿性不足问题，鼓励领域专家查漏补缺，提名开发前沿。在数据对接阶段，领域专家提出开发前沿关键词与描述，图书情报专家将前沿转化为专利检索式，并作为数据源的重要组成部分。在数据分析阶段，挖掘被统计数据埋没的冷门、偏门、小同行前沿，纠正专利地图偏差。在专家研判阶段，领域专家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开发前沿素材进行归并、修订和提炼，共获取候选开发前沿351个，而后经过网络问卷调查、院士问卷调查和多轮会议研讨，遴选出94个工程开发前沿。3 术语解释前沿：全球工程前沿研究中的“前沿”是指具有前瞻性、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主要方向，是培育工程学科技创新能力的重要指南。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：工程研究前沿相关联的高影响力论文。施引核心论文：指引用核心论文文献的集合。平均出版年：指对该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。专利地图：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：指每一篇专利被分入的不同德温特手工代码的数量。该指标可以体现每件专利的技术覆盖广度。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、医）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。6nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull1 工程研究前沿1.1 Top 10 工程研究前沿发展态势机械与运载工程领域（以下简称机械领域）所研判的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（见表1.1.1）。其中，“高能固态锂电池”“超声速流中的减阻减热研究”“高性能微纳生物传感器”“车联网信息安全与隐私保护”“空间系留机器人自适应目标捕获控制”“基于可再生能源/燃料电池的混合动力系统”是传统研究的深入，“基于工业物联网的智能制造”“多机器人系统的协同控制”“基于拓扑优化和增材制造的设计与制造一体化”“智能电网的资源调度和风险评估”是新兴前沿。20132018年的论文逐年发表情况见 表1.1.2，“基于可再生能源/燃料电池的混合动力系统”和“多机器人系统的协同控制”是近年来论文发表增速最显著的方向。（1）基于工业物联网的智能制造工业物联网通过制造资源的网络互联、数据互通和系统互操作，实现制造资源的合理配置、制造过程的按需执行、制造工艺的持续优化和制造环境的快速适应，从而构建创新服务驱动的智能制造体系。当前相关研究体现在三个维度：一是智能产品全生命周期的智能感知和迭代优化，包括传感器、射频识别器等手段的感知设计、生产、物流、销售、服务等产业链海量数据并处理；二是制造系统层级的泛在连通和精准控制，包括设备层、控制层、车间层、企业层和供应链协同层的传感装置，分布式控制系统、制造执行系统、企业资源计划系统和产业链不同企业协同研发等；三是制造系统智能功能的数字建模和实时分析，包括要素协同、系统集成、信息融合和新兴业态，比如智能产品的个性化定制和预测性维修等。这些研究面临着互联互通技术和协议的复杂多样、应用实施的深度和广度各不相同、第二章 领域报告一、机械与运载工程表 1.1.1 机械领域 Top 10 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基于工业物联网的智能制造21 460 21.90 2017.12高能固态锂电池26 828 31.85 2015.43超声速流中的减阻减热研究48 983 20.48 2016.34多机器人系统的协同控制23 764 33.22 2017.15高性能微纳生物传感器45 1478 32.84 2016.66车联网信息安全与隐私保护17 617 36.29 2015.67基于拓扑优化和增材制造的设计与制造一体化5 86 17.20 2017.08空间系留机器人自适应目标捕获控制34 779 22.91 2015.59基于可再生能源/燃料电池的混合动力系统47 1179 25.09 2016.710智能电网的资源调度和风险评估18 689 38.28 2016.57全球工程前沿Engineering Fronts网络和数据安全的隐患众多等挑战，为此，近年来5G新型移动网络、人信息物理系统、软件定义网络、边缘计算、数字孪生等技术成为基于工业物联网的智能制造研究前沿和发展趋势。（2）高能固态锂电池目前广泛使用的液态锂电池在能量密度、安全性等关键指标上已接近理论或工程极限，必须发展新型储能模式才能满足未来发展的需求。固态电池采用固态电解质替代传统有机小分子液态电解质，从而在能量密度、安全性和循环寿命等方面具有潜在优势，被认为是最具颠覆性影响的下一代化学电源。固态电池前沿技术主要涉及到表/界面传质、匹配性关键材料、低界面阻抗制备技术、全寿命周期性能演化机理等前沿科学问题。表/界面传质与界面阻抗是影响固态电池技术的关键，未来主要是针对界面阻抗问题开发原位分析与表征技术；高比能匹配性关键材料包括高容量/高电压正极材料、高性能固态电解质以及高容量金属锂负极，是现阶段需要重点关注的领域；设计与材料匹配性的微界面、低阻抗制备工艺是解决量产化的关键；全寿命周期内电池性能衰减机理、材料体系演化途径等是固态电池健康状态评估与预测的关键。进一步开发基于长寿命固态电解质的固态金属空气电池将会是电化学电源器件研究的终极目标，其理论容量接近燃油比能密度，因而将会是未来研究的重点和发展趋势。（3）超声速流中的减阻减热研究超声速流中的减阻减热主要针对固体表面与气体或等离子体相对运动速度马赫数3以上的流动进行研究，这类流动主要发生于高超声速飞行器、航天器再入大气层、高空高速侦察机或喷气式发动机的喷管内流等情形，这类情形经常伴随着强烈的气动加热、空气电离、激波、燃烧等问题。理论上通常牵涉等离子体流动、激波、稀薄空气动力学、复杂流动情形下的传热等问题，用现有的使用较广的基于Navier-Stokes方程的数值仿真方法只能勉强模拟以上问题，还需要强化研究基于蒙特卡洛直接模拟法和Fokker-Planck方程的方法，真实实验方法要进一步发展高速高温风洞及可耐受高温高冲击力的传感技术。目前主要使用在飞行器前端增加针状物、逆向喷流、边界层内喷流、等离子体边界层控制、激光能量沉积、飞行器底部排气、在表面制备烧蚀牺牲层、在内表面制备隔热层等方法来实现超声速流中的减阻减热，对在复杂曲面制造射流孔及供气系统、实验技术和数值仿真技术都提出了很高要求。（4）多机器人系统的协同控制多机器人系统由一系列交互机器人组成，各个机器人之间通过通信、协调、调度、合作和控制等表 1.1.2 机械领域 Top 10 工程研究前沿逐年核心论文发表数序号 工程研究前沿 2013 年 2014 年 2015 年 2016 年 2017 年 2018 年1基于工业物联网的智能制造0 0 0 3 13 52高能固态锂电池3 7 2 8 4 23超声速流中的减阻减热研究3 5 5 10 14 114多机器人系统的协同控制0 2 1 0 10 105高性能微纳生物传感器2 2 5 4 23 96车联网信息安全与隐私保护2 2 2 6 5 07基于拓扑优化和增材制造的设计与制造一体化0 0 1 0 2 28空间系留机器人自适应目标捕获控制2 6 5 14 7 09基于可再生能源/燃料电池的混合动力系统0 1 3 16 17 1010智能电网的资源调度和风险评估0 0 3 5 8 2