世界主要國家工程科技重大計劃與前沿問題

編者按

科技創(chuàng)新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(chuàng)新浪潮迭起，世界主要國家大力推進中長期科技戰(zhàn)略規(guī)劃，旨在準確把握、及時布局科技創(chuàng)新的方向和重點，以掌握競爭、發(fā)展的主動權。

中國工程院院刊《中國工程科學》2017年第1期刊發(fā)《世界主要國家工程科技重大計劃與前沿問題綜述》，梳理了近年來世界各主要國家工程科技領域的重大戰(zhàn)略計劃和措施，簡要分析了當前工程科技主要領域發(fā)展狀況、水平，并對世界各主要國家工程科技領域重大戰(zhàn)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(fā)展趨勢。

一、前言

科技創(chuàng)新發(fā)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(chuàng)新浪潮迭起，世界主要國家大力推進中長期科技戰(zhàn)略規(guī)劃，旨在準確把握、及時布局科技創(chuàng)新的方向和重點，以掌握競爭、發(fā)展的主動權。

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(zhàn)略計劃和措施，簡要分析了當前工程科技主要領域發(fā)展狀況、水平，并對世界各主要國家工程科技領域重大戰(zhàn)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(fā)展趨勢。

二、世界各主要國家工程科技領域的重大戰(zhàn)略計劃

集中優(yōu)勢力量部署重大工程科技戰(zhàn)略計劃是世界各主要國家推進技術與產業(yè)創(chuàng)新的重要手段，為實現國家戰(zhàn)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(fā)布的工程科技領域的重大戰(zhàn)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(zhàn)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(zhàn)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(zhàn)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(fā)布了各類重大科技戰(zhàn)略計劃和科技戰(zhàn)略研究報告，其主要聚焦的領域和技術方向見表1。 

除以上綜合性的重大科技戰(zhàn)略計劃外，美國還發(fā)布了很多領域、行業(yè)發(fā)展計劃，如《先進制造業(yè)：聯邦政府優(yōu)先技術領域概要》《四年度技術評估》《推進創(chuàng)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?？傮w上看，美國在工程科技各領域均部署了不同層面的科技戰(zhàn)略計劃，其中對先進制造、清潔能源、精密醫(yī)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(zhàn)略”落幕的同時迎來了“歐盟2020戰(zhàn)略”的啟動。作為落實歐盟發(fā)展戰(zhàn)略的主要操作工具，新的研究與創(chuàng)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(chuàng)新實現“智能、包容和可持續(xù)發(fā)展”的增長模式?！暗仄骄€2020”聚焦三大戰(zhàn)略目標：打造卓越科學、成為全球工業(yè)領袖、成功應對社會挑戰(zhàn)，其中，工程科技相關領域的部署計劃如表2所示。 

綜上可見，歐盟整個科技與創(chuàng)新框架體系全方位覆蓋創(chuàng)新領域，包括人口健康，食品安全，可持續(xù)農業(yè)、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(yè)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(fā)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(fā)、創(chuàng)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

英國從2002年開始開展第三輪技術預見，并于2010年發(fā)布了《技術與創(chuàng)新未來：英國2030年的增長機會》，對英國面向2030年的技術發(fā)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。 

德國近幾年也出臺了多個研究創(chuàng)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(zhàn)略——思想·創(chuàng)新·增長》，2013年提出新的高技術戰(zhàn)略計劃——“工業(yè)4.0”，支持工業(yè)領域新一代革命性技術的研發(fā)和創(chuàng)新，搶占新一輪工業(yè)革命的先機。

法國于2015年5月提出了“未來工業(yè)”戰(zhàn)略，包含新型物流、新型能源、可持續(xù)發(fā)展城市、生態(tài)出行和未來交通、未來醫(yī)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(fā)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(guī)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(zhàn)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(chuàng)新政策，把日本建成“世界上最適宜創(chuàng)新的國家”，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(yè)革命的背景下，日本將以制造業(yè)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(yōu)先推進《科技創(chuàng)新綜合戰(zhàn)略2015》中已確定的11個系統的建設工作：能源價值鏈優(yōu)化系統、地球環(huán)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(fā)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(fā)

日本政府提出，將不斷完善知識產權和國際標準化戰(zhàn)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(fā)，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(chuàng)造新價值的核心優(yōu)勢技術，設定富有挑戰(zhàn)性的中長期發(fā)展目標并為之付出努力，從而提升日本的國際競爭力。

3. 積極應對經濟和社會發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

為了及早解決日本國內及全球面臨的經濟和社會發(fā)展挑戰(zhàn)，日本政府預先選定了要通過科技創(chuàng)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(chuàng)新計劃——“日本顛覆性技術創(chuàng)新計劃（ImPACT）”[8]。同年6月，日本產業(yè)技術綜合研究所（AIST）發(fā)布了《2030年研究戰(zhàn)略》，提出了日本產業(yè)與科技創(chuàng)新的重點發(fā)展方向，主要內容見表6。 

綜合日本各項重大科技戰(zhàn)略計劃可以看出，日本近幾年關注的工程科技發(fā)展方向主要集中在智能產業(yè)、能源資源以及醫(yī)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(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，推動以科技創(chuàng)新為核心的全面創(chuàng)新，繼而陸續(xù)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、“一帶一路”建設、京津冀協同發(fā)展、長江經濟帶發(fā)展等一系列國家戰(zhàn)略，并通過實施全面系統的科技規(guī)劃推動創(chuàng)新發(fā)展。2016年中央頒布了《國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，明確提出了建設世界科技強國的戰(zhàn)略目標，之后，國務院印發(fā)了《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，明確了“十三五”時期科技創(chuàng)新的總體思路、發(fā)展目標、主要任務和重大舉措，在電子信息、先進制造、能源、環(huán)境、農業(yè)、生物健康以及太空、海洋開發(fā)利用領域都進行了相應布局，進而，面向2030年部署了一批體現國家戰(zhàn)略意圖的重大科技項目與工程，形成遠近結合、梯次接續(xù)的系統布局。

三、世界各國重大科技戰(zhàn)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(zhàn)略計劃中與工程科技相關的內容進行聚類分析，以發(fā)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。

各國（地區(qū)）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(fā)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(fā)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(fā)展方向，各國對氫能、核能技術有所部署，節(jié)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。

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(yè)大國，對現代農業(yè)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(fā)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(yī)藥等優(yōu)勢技術也受到進一步重視。

四、世界工程科技領域前沿問題與發(fā)展趨勢

當前，全球進入密集創(chuàng)新和產業(yè)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(fā)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(fā)展趨勢如下。

（一）智能、綠色、高效技術發(fā)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(fā)向安全、高效、綠色、智能開采方向發(fā)展，煤炭利用朝著高效、節(jié)能、節(jié)水和清潔方向發(fā)展。

非常規(guī)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(fā)向海底化、智能化、復合化方向發(fā)展。

核電發(fā)展更加強調安全性和可持續(xù)性?？稍偕茉吹募夹g研發(fā)向大型化、高效低成本方向發(fā)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(fā)展。

電力工程技術發(fā)展特征是安全可靠、經濟高效、智能開放，構建智能電網，發(fā)展大規(guī)?？稍偕茉唇尤爰夹g、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(yè)向實現深部資源的安全開采和高效回收方向發(fā)展。

（二）著眼環(huán)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(tài)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(huán)境生態(tài)問題共存，既有重工業(yè)發(fā)展區(qū)域面臨的傳統重工業(yè)污染及新型污染、多重復合型污染問題，也有工業(yè)化區(qū)域面臨的生態(tài)環(huán)境深度改善及全球化環(huán)境改善難題。削減源頭污染、清潔生產成為改善環(huán)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(qū)域、流域生態(tài)與土壤修復大面積展開，環(huán)境基準與人體健康影響研究成為關注焦點，大尺度環(huán)境監(jiān)測及快速預警應急技術得到快速發(fā)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(fā)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(fā)展促進工業(yè)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(fā)展，軟件技術向高智能、高聚合、高適應方向發(fā)展。

（四）材料發(fā)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(chuàng)新和性能優(yōu)化

世界各國高度重視新材料的創(chuàng)新研發(fā)，力圖在新能源材料、節(jié)能環(huán)保材料、納米材料、生物材料、醫(yī)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(fā)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(fā)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(fā)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(yè)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(chuàng)生產和商業(yè)的新模式，儀器儀表向小型化、多功能、智能化方向發(fā)展，共同促進了以生產網絡化、智能化為標志的第四次工業(yè)革命的發(fā)展。

（六）流程工業(yè)聚焦低碳、循環(huán)、減量、高效，廣泛建立生態(tài)工業(yè)鏈接，發(fā)展智能工廠

流程工業(yè)正在向綠色化、生態(tài)化方向發(fā)展，通過建立廣泛的生態(tài)工業(yè)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(yè)的效率效益。未來，流程工業(yè)各行業(yè)將進一步調整企業(yè)結構、流程結構、資源結構、耗能結構，提高能源效率，實現節(jié)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(fā)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(fā)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(xù)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(jié)能環(huán)保、高效智能、安全便捷的方向發(fā)展，高速鐵路技術創(chuàng)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(fā)展

海洋空間仍然是世界主要國家競爭的戰(zhàn)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(fā)展，面向空間信息的高效泛在應用，構建天地一體化衛(wèi)星應用與服務體系。海洋環(huán)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(fā)走向多樣化、精準化并向深遠海方向發(fā)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(yè)綠色革命，大力發(fā)展精準化、集約化、高值化農業(yè)生產技術

現代農業(yè)生物技術、信息技術迅猛發(fā)展，成為現代農業(yè)發(fā)展的重要引擎。新的綠色革命推動傳統農業(yè)技術改造升級，包括生物化、信息化、無害化、循環(huán)化和標準化等方面，發(fā)達國家圍繞農業(yè)生產精準化、集約化、高值化已開始了新一輪的戰(zhàn)略部署。種質資源保護與創(chuàng)新成為世界各國的前瞻性戰(zhàn)略，生物基因組學成為國際種業(yè)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(fā)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(yè)資源高效利用、循環(huán)經濟及生態(tài)環(huán)境保護技術成為國際關注焦點；智慧農業(yè)工程科技的發(fā)展已成為國際上現代農業(yè)技術發(fā)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(fā)展。

（十一）健康優(yōu)先、預防為主，推進精準醫(yī)學、再生醫(yī)學、藥物創(chuàng)新研究，提升醫(yī)療衛(wèi)生信息化水平

21世紀以來，醫(yī)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(yī)學向“防病健身”的預防醫(yī)學方向發(fā)展。慢性病防控已經成為全球戰(zhàn)略行動，新發(fā)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(yī)學、整合醫(yī)學的發(fā)展；再生醫(yī)學正成為生命科學和臨床醫(yī)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(fā)展；遺傳學篩查和細胞治療等成為生殖醫(yī)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(fā)展中醫(yī)藥學成為中醫(yī)藥現代化的必然要求；數字醫(yī)學、生物3D打印、微創(chuàng)及精準醫(yī)學工程技術為醫(yī)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(yè)化、處置高效化和保障一體化方向發(fā)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(zhàn)略高度。當前，公共安全綜合保障強調監(jiān)測、預警、應急聯動并向智能化、自動化方向發(fā)展，交通安全向系統安全性與可靠性方向發(fā)展，危化品安全研究關注全生命周期各環(huán)節(jié)，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(yōu)勢力量推進重大技術突破提出發(fā)展戰(zhàn)略、重大科技計劃，以期實現國家戰(zhàn)略目標，推進經濟社會進步，贏取全球競爭優(yōu)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(chuàng)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(fā)展態(tài)勢，分析科技創(chuàng)新布局，對描繪我國科技發(fā)展藍圖、制定科技發(fā)展路徑具有重要借鑒意義。