全球工程前沿2024機械與運載工程領域Top10工程研究熱點涉及機械工程、船舶與海洋工程、航空宇航科學技術、兵器科學與技術、動力及電氣設備工程與技術、交通運輸工程等學科方向(表2.1)。其中，屬于傳統研究深化的有：船舶數字孿生系統、海洋漂浮式光伏發電、4D打印的形狀記憶聚合物智能結構、多頻全球導航衛星系統精確定位方法、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、多尺度復合材料能量吸收結構。2018—2023年，各(1)船舶數字孿生系統船舶數字孿生系統是指基于數字孿生構建的新型智能船舶系統，其核心是通過構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據交互，實現模型與數據共同驅動的各類應用。借助數字孿生跨時空的特性，船舶數字孿生系統可以更快、更全、更優地監控、分析、預測、優化、控制物理船舶。船舶數字孿生系統相關技術包括船舶全要素感知技術、虛擬船舶模型構建與迭代技術、船舶孿生數據處理與管理技術、智能化船舶應用開發與服務技術、虛實船舶通信交互技術等。圍繞船舶全生命周期，目前相關研究主要集中在數字孿生驅動的船舶設計、建造、故障預測與健康管理、運營管理等。未來具體的技術發展趨勢包括基于數字孿生的船舶設計建造一體化、基于數字孿生的船舶虛實融合試驗、123445多頻全球導航衛星系統精確定位方法678多尺度復合材料能量吸收結構891622661222524130013474000040505906323200700348多尺度復合材料能量吸收結構000053952465484(2)海洋漂浮式光伏發電海洋漂浮式光伏發電主要是指搭載光伏組件的浮體系統在海洋環境下進行太陽能捕獲與轉化。與傳統這種漂浮式光伏發電系統可以利用水域面積，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電效率。但是海洋環境惡劣，對漂浮式光伏結構的可靠性和耐用性提出了新的挑戰，漂浮太陽能發電系統目前該領域的主要研究方向包括：①海洋漂浮式光伏發電系統的結構設計優化；②海洋漂浮式光伏發電系統的環境影響評估；③海洋漂浮式光伏發電系統效率提升；④海洋漂浮式光伏發電系統的集成技術研究。該領域未來的發展方向是將海洋漂浮式光伏與海水淡化、養殖和制氫等產業結合，與海洋風力發電裝置結合建設大規模海上發電站或能源島。具體的技術發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的RGB圖像，對圖像中的每個像素進行類別標簽分配，從而實現對整個場景的全面解析。其典型應用是自動駕駛和機器人導航領域的道路環境的語義分割。僅基于RGB圖像的場景解析方法在具有相似物體或復雜背景的場景中往往表現不佳，而深度圖目前該領域的技術方向主要圍繞神經網絡結構和學習技巧兩方面展開，主要的網絡結構包括編碼器一解碼器(encoder-decoder)網絡結構、孿生網絡結構、長短時記憶網絡結構等。常用的學習技巧包括注意力機制、深度顯著性圖引導分割、使用跨模態互補信息、使用跨層級互補信息等。結合視覺大模型的先驗知識和弱監督學習的數據優勢是該領域未來的發展方向。具體的技術發展趨勢包括基于視覺大模型的語義分割修正技術、基于先驗知識的弱監督語義分割技術、基于剪枝的網絡輕量化技術、基于增量學習的語義4D打印的形狀記憶聚合物(shapememorypolymers,SMP)智能結構是一種結合了3D打印和智能材全球工程前沿2024料技術的具有形狀記憶功能的結構，能夠在特定的外部刺激(如溫度、光照、磁場、電流、化學溶液等)下實現形狀、性質變化和功能轉換。4D打印通過利用形狀記憶效應，在3D打印過程中引入時間維度，使得打印出的結構能夠在使用過程中動態調整和適應環境變化，從而實現復雜的自我修復、自我組裝和自適目前該領域的主要研究方向包括SMP材料研發優化、4D打印技術優化、多功能智能結構集成、新型智能結構開發、接觸/非接觸式變形驅動設計等。該領域近年來的新型智能結構主要有泊松比可調結構、受自然生物啟發的仿生結構、折紙/鉸鏈結構等。隨著材料科學和打印技術的進步，由于結合了SMP智能材料的可編程變形優勢和3D打印的多材料可定制化復雜結構制造優勢，4D打印的SMP智能結構的未來智能結構在多物理場耦合作用下的變形仿真、4D打印專用軟硬(5)多頻全球導航衛星系統精確定位方法PPP)為核心，網絡實時動態(real-timekinematic,RTK)定位和PPP-RTK是當前最高技術水平。盡管與傳統單一衛星定位系統相比，多頻GNSS具有定位精度高、抗干擾能力強、信號覆蓋廣的優勢，但面對未目前該領域的主要技術方向包括低軌星座增強、地基增強設施受限、低成本應用終端和室內外無縫服務等場景下的高精度定位技術等。具體的技術發展趨勢包括：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，基于低軌星座導航信號增強、復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，面向室內外全景無縫定位覆蓋的異構異質(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(數十幀每秒),廣泛應用于工業無損檢測、臨床疾病的診斷和治療等領域。但是，由于衍射效應的存在，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超聲衍射極限，在將超聲成像的空間分辨率提高一個數量級的同時，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典矛盾。目前該領域的主要技術方向包括超聲微泡分辨定位成像技術、聲學結構照明超分辨率重建技術、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，該領域將向可相變微泡理論、聲學結構光照理論、波數域超快超聲成像處理、高幀率超聲成像數據采集等方向(7)相變儲能相變儲能是利用材料發生相變時的吸熱與放熱實現對熱能的存儲和利用，與目前廣泛應用的顯熱儲能(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勢。相變儲能技術在諸多領域具有重要應用前景，包括：在軍用/民用電子設備中對關鍵電子元器件進行在建筑、地外建造等領域能夠維持或降低室內溫度波動，以及通過蓄冷/蓄熱實現建筑節能；在電力與工業領域，規模化的相變儲能能夠實現電網的削峰填谷以及工業領域的高溫余熱回收等，助力實現“雙碳”調節儲能材料的相變點，發展適用于不同應用場景且兼具超高儲熱密度、低毒、低成本的相變材料；通過循環穩定性研究，實現相變材料的長壽命應用；強化相變材料在充放熱過程中的換熱，發展適用于相變材(8)多尺度復合材料能量吸收結構多尺度復合材料能量吸收結構旨在通過跨尺度的材料設計與結構優化，顯著提升結構在沖擊、碰撞等極端環境下的能量耗散能力，是當前材料科學與工程領域的熱點之一。這類結構融合了微觀材料分布、介觀結構構型和宏觀幾何形態的創新，形成了一種高效、輕質的能量吸收體系。當前，該領域的研究聚焦于多物理場耦合耗能機制、多尺度材料-結構的功能優化，以及高性能復合材料的開發制備等。高效吸能復合材料結構(energyabsorbingcompositestructures,EACS)的主要技術方向包括高精度模先進制造(納米級增材制造技術、真空輔助技術等)等關鍵技術。未來，該領域將向更加智能化、自適應、環境友好及高效能的方向發展，包括力學超構材料設計，基于仿生學的自適應結構設計，智能響應材料的從而滿足航空航天、交通運輸、安全防護等領域(9)微型超級電容器可集成化和穩定的特性。與傳統電池相比，微型超級電容器能夠提供快速充電所需的峰值功率、高效的能量轉換和長效持續的能量供給，是為下一代高集成化、微型化設備提供快速充放電和長循環壽命的能量存目前該領域的主要研究方向包括高能量密度電極材料的設計與制備、大規模陣列化電極制備方法探索、電極與電解質界面工程與電解質優化、高集成化結構優化、微型化設備的應用開發等。技術發展趨勢集中在多功能集成設計以滿足微型化集成化需求、一體化自供電集成微系統開發、利用柔性電極材料和先進納米技術推動柔性與可穿戴技術的應用，以及應用機器學習和人工智能技術實現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，在為物聯網設備提供峰值功率、快速充電的可穿戴電子設備、長期穩定運行的植入式醫療設備，以及電動車輛瞬時能量回收和輔助加速等應用領域具有巨大的應用潛力。(10)基于纖維素氣凝膠的摩擦納米發電機摩擦納米發電機能夠方便地將低頻、低強度機械能轉化為電能，并且結構簡單可靠，在能量收集、人機交互、可穿戴電子、醫療電子等領域具有廣闊的應用前景。然而，當前摩擦納米發電機主要采用傳統聚合物和金屬材料制備，無法實現生物降解，易造成環境污染。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、形變恢復能力強等突出優點，成為極具潛力的摩擦納米發電材料。但是，基于纖維素氣凝膠的摩擦納米發電機從實驗室走向應用依然面臨嚴峻挑戰。當前纖維素氣凝膠的結構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。此外，高溫、高濕等惡劣環境下的穩定性依然難以保障。未來該領域的主要發展方向包括：①新型纖維素氣凝膠的研究及改性；②面向應用場景的器件結構設計與優化；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電器件及系統；⑤纖維素基納米發電機規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，船舶數字化、智能化、網絡化轉型逐漸成為全球船物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術的發展與成熟，船舶工業迎來轉型發展的新機遇。以轉型升助力實現智能船舶的有效手段，在近五年得到越來越多的關注、研究與應用。船舶數字孿生系統的本質是在數字世界構建與物理船舶完整映射、精準同步的數字虛擬船舶，從而突破物理世界的時空局限，達到更好地分析、優化、增強物理船舶的目的。船舶數字孿生系統自概念提出至今，經歷了理論框架研究、局部應用探索、深化技術攻關的過程，并開始逐步進入體系能力建設階段。在早期的理論框架研究中，形成了數字孿生船舶全生命周期管控理論、推進系統、熱力系統等關鍵系統的應用探索得以開展，并主要針對設計、建造或運維中的特定環節。隨著應用探索的深入，具體技術需求愈發凸顯，如復雜結構多源數據感知與融合技術、多學科耦合模型構建與迭代技術、船岸可靠數據傳輸與同步技術等，相關研究正在逐步開展。為形成貫穿船舶全生命周期的數字研發體系，基于數字孿生的船舶設計制造一體化技術、虛實融合試驗技術、模型數據一體化管控技術等體未來，對于船舶數字孿生系統，一方面需要在關鍵環節、關鍵部件上突破并驗證傳感、模型、數據、通信等方面的關鍵技術，從而在整船層面實現技術驗證；另一方面，需要對數字孿生驅動的設計、試驗、該前沿中核心論文發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)。在核心論文主要產出國家中，中國與波蘭的合作是最多的(圖2.1)。核心論文發文量排在第一的機構是斯特拉斯克萊德大學，篇均被引頻次排在前三的機構是上海交通大學、南洋理工大學和雅典國家技術大學(表2.4)。在核心論文的主要產出機構中，中國海洋大學、奧波萊技術大學和河北工業大學之間合作最多(圖2.2)。施引核心論文數排名第一的國家是中國(表2.5),施引核心論文數排名前三的機構是上海交通大學、哈爾濱工業大學和大連海事大學(表2.6)。圖2.3為“船舶數字孿生系統”工程研國家“船舶數字孿生系統”工程研究前沿中核心論文的主要產出國家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3324252627奧波萊技術大學282921全球工程前沿2024杜伊斯堡-埃森大學杜伊斯堡-埃森大學雅典國家技術大學斯特拉斯克萊德大學首爾大學丹麥技術大學國家國家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哈爾濱工業大學345678中國海洋大學9國防科技大學集群化捉升船舶數字化、智能化、網絡化水平，實現更安全、更可靠、更經建立船舶數字化研發體系，提升船舶設計、驗證、制孿生數據處理與管理技術船岸可靠數據傳輸與同步技術智能船舶應用開發與服務技術領域模型構建、船岸通信與交互、可靠數據傳輸與同步等孿生系統技術驗證與技術驗證與應用孿生系統技術突破及產業應用2024-20262027-20302031-2035目標2.1.2.2海洋漂浮式光伏發電隨著“雙碳”目標的提出，我國正在構建以新能源為主體的新型電力系統，并積極推進新能源相關產業發展。基于太陽能資源的廣泛分布和光伏發電的應用靈活性，近年來，我國光伏發電產業取得了快速發展。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，可與海上風電、儲能、海產養殖等產業相結合的特點，對克服陸地光伏的問題極具優勢，已成為我國沿海地區光伏電站的發展趨勢。為了在惡劣多變的海洋環境下生存，海洋漂浮式光伏發電系統的結構設計、水動力響應和結構響應以及光伏組件的性能研究成為當前海洋漂浮式光伏領域的研究熱點。我國在海洋漂浮式光伏發電領域研究發展迅速，相關研究主要分為以下四個方面：一是海洋漂浮式光伏發電系統的結構形式研究。參考內陸水體浮動光伏系統，提出了多種結構形式的漂浮式光伏發電裝置，如半潛平臺式、多模塊浮子式、柔性膜式等。基于多模塊浮體陣列結構形式和材料的優化設計、新型連接件設計等為該方向的發展趨勢。二是海洋漂浮式光伏發電系統的海洋環境影響評估。研究人員評估了系統對海洋生物、水質、海流等的影響，并制定了相應的環境保護措施。建立綜合環境評價體系，促進海洋漂浮式光伏與海洋環境的和諧全球工程前沿2024共生，與海洋漁業、海水淡化、海上風電等其他海洋產業的協調發展，從而實現資源的循環利用，是該方向的發展趨勢。三是海洋漂浮式光伏發電系統的效率提升研究。研究人員對海洋環境下光伏組件的生存性和發電效率進行實驗測試、評估和優化。通過水冷卻、光跟蹤等技術，進一步提高光伏組件在海上的發電效率是該方向的發展趨勢。四是海洋漂浮式光伏發電系統的集成技術研究。如何將光伏組件、電力轉換、集電線路等關鍵部件高效集成，是該領域面臨的一大挑戰。優化子系統的配合協調以及與其他海上新能源裝置集成發電，是該方向的發展趨勢。總之，海洋漂浮式光伏發電技術在海洋工程、環境科學、電氣工程、系統工程等多學科領域具有重要研究價值，對我國實現“雙碳”目標、加強海洋經濟發展和生態文明建設等具有重要意義。未來，該領域的技術突破和產業化應用必將為構建海洋強國提供新的動力。該前沿中核心論文的主要產出國家中，核心論文數最多的是挪威，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出機構中，核心論文數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、阿米爾卡比爾理工大學與德黑蘭大學、梅拉達倫大學與山東大學存在合作(圖2.5)。施引核心論文發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出機構中，論文數排名前三的是華北電力大學、山東大學和卡塔尼亞大學(表2.10)。圖2.6為“海洋漂浮式光伏發電”工程研究前沿的發展路線。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161718山東大學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34596中國科學院978889歐盟委員會87光追蹤技術應用產業協同發展2024-----------------2029------------光伏系統發電效率提升規模化應用產業化應用隨著自動駕駛和機器人導航技術在AI2.0時代的蓬勃發展，在長尾場景下的安全隱患成為這類技術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致的，利用先進的感知技術降在眾多感知技術中，場景解析技術憑借其對整個場景的稠密預測，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點，基于深度圖像的場景解析技術成為最具發展潛力的場景解析技術之一。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備的迅速發展，以及神經網絡等AI基礎算法性能的大幅提升，基于深度圖像的場景解析技術的精度和穩為了應對高質量數據的稀缺性、現實環境的多樣性、計算資源的有限性等問題，提高弱標注或無標注數據的利用率、增強跨域過程中兼顧記憶力和泛化性的能力、網絡結構輕量化和提高時域信息關聯能力已一是數據方面，通過利用更容易獲取的弱標注數據實現訓練數據的極大擴容。基于視覺大模型的預分二是神經網絡結構方面，通過encoder-decoder、孿生網絡、長短時記憶網絡等神經網絡結構實現對RGB-D圖像的有效特征提取和上下文關聯，生成對抗網絡結構、多分支網絡結構等為該方面的發展趨勢。三是多模態信息利用方面，通過使用跨模態互補信息、使用跨層級互補信息實現對場景圖像上下文更深層次的理解。基于深度-色彩通道關聯的深度圖像修正技術、高層語義特征引導的語義分割技術等是該方面的發展趨勢。總之，基于深度圖像的場景解析技術在深度傳感器技術、人工智能、空間感知等多學科領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出國家中，核心論文發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出機構中，核心論文發文量排在第一位的是浙江科技大學，篇均被引頻次排在前兩位的是寧波大學和伊爾梅瑙工業大學(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出國家國家1中國243德國1129344寧波大學1516171819115全球工程前沿2024浙江大學與浙江科技大學存在最多合作(圖2.8)。施引核心論文的主要產出國家中，發文量排名第一的是中國(表2.13)。施引核心論文的主要產出機構中，發文量排名前三的是浙江科技大學、浙江大學和寧波大學(表2.14)。圖2.9為“基于深度圖像的場景解析”工程研究前沿的發展路線。寧波大學南洋理工大學浙江大學浙江科技大學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4中國科學院5697東北大學8889882222全球工程前沿子里程碑進行穩定的高精度解析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，從而降低訓練集外感知能力是自動駕駛和機器人技術的重要基礎能力，通過先進的基于視覺大模型技術弱監督學習技術輕量化網絡結構設計機械與運載工程領域的Top10工程開發前沿涉及機械工程、船舶與海洋工程、航空宇航科學技術、兵器科學與技術、動力及電氣設備工程與技術、交通運輸工程等學科方向(表2.15)。其中，屬于傳統研究深入的有：深遠海水下通信定位技術、低空無人飛行器綜合探測技術、無人艦艇集群感知與協同控制技術、具身智能技術機器人、氫燃料航空發動機。新興前沿則包括：海空協同異構無人系統的一體化控制技術、基于圖像特征的高精度距離識別技術、連續陶瓷纖維增強的金屬基復合材料、模塊化先進武裝機器人系統、臨近空間高超聲速滑翔彈頭跳躍彈道預測。各開發前沿涉及的核心專利2018—2023年公開情況見表2.16,海空協同異構無人系統的一體化控制技術、低空無人飛行器綜合探測技術、基于圖像特征的高精度距離識別技術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測1234560000137120421820102395613(1)深遠海水下通信定位技術深遠海水下通信定位技術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。主要技術手段包括長基線定位網絡、超短基線定位系統、目前該領域主要技術方向包括聲光電多源異構通信定位技術、量子通信人工智能新興技術融合、聲學及慣導組合定位技術、水下通信定位一體化技術等。以聲學為主、光電為輔，同時融合量子、人工智能等新興技術的通信定位方式是該領域未來的發展方向。具體的技術發展趨勢包括基于帶內全雙工的低帶寬占用率水聲通信技術、基于正交時頻空調制的抗多途多普勒效應通信技術、基于深度學習的水下通信組網系統智能調控技術、基于深度學習的聲光電量子等多源異構信號融合技術和慣性導航與長短基線協同定位技術等。(2)海空協同異構無人系統的一體化控制技術海空協同異構無人系統的一體化控制技術是指在作業任務或場景中，將無人機、無人船艇、水下潛器等異構無人系統有機連接起來，以環境感知、目標探測、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為支撐，實現異構系統在時間、空間、模式等多維度上的信息共享與協同控制。在風浪流等環境載荷擾動和立體空間條件約束影響下，海空協同異構無人系統需要維持穩定的通信鏈路、具備自為有效應對復雜動態作業環境，該領域主要研究方向逐步形成，涵蓋了海空跨域通信、多源數據融合感知、海空無人協同控制等系列無人系統關鍵技術。未來，海空協同異構無人系統的一體化控制技術將進一步聚焦于低時延跨域組網通信技術，以切實增強復雜跨域場景下的信息感知與融合能力；在多域耦合和異構動力學約束下，更加注重彈性自主決策能力的發展，以應對多變環境強干擾挑戰；融合臨近空間無人平臺視野廣闊、駐空持久、效費比高的優勢，構建“陸海空天”一體化協同控制平臺，實現跨域異構信息的有效中繼和實時遙感態勢感知能力的提升，全面提高海空異構無人系統跨域協同能力，有望在海洋經濟(3)低空無人飛行器綜合探測技術近年來，低空無人飛行器因其靈活性、機動性、易操控等優點，給社會各領域帶來了巨大便捷，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，而如何實現低空無人飛行器的高效準確探測是該系統發揮功效的關鍵。針對當前主流低空無人飛行器的目標特性，已經形成了雷達探測、光電探測、射頻探測、聲學探測等主要探測手段。然而，復雜背景下的無人機探測，特別是無人機的識別問題，仍然是現階段雷達探測的難點；射頻探測難以應對保持無線電靜默狀態或使用非常規頻段的無人機；聲波探測受環境噪聲干擾嚴重，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。為滿足復雜環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的發展方向已基本明確：①基于深度學習的多源異構傳感器融合探測；②多位點組網探測與識別；③移動跟蹤探測與察打一體化集成；④大規模無人機集群探測、識別、跟蹤和對抗。(4)無人艦艇集群感知與協同控制技術開發軟硬件系統，完成廣域全天候高強度任務，廣泛應用于海洋設施巡檢、海上應急搜救和海洋戰略通道巡邏預警等領域。盡管已有一些理論研究成果，但仍面臨數據低質性、弱相關，目標識不全、辨不清，無人艦艇走不直、控不穩等核心難題。無人艦艇集群在復雜海洋環境中難以實現廣域監視，感知實體關系信息時獲取難度大，數據稀疏且殘缺。任務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。執行任務時，復雜水域中的波浪干擾會導致橫搖、縱搖和偏航，影響航跡跟蹤的精確性和安全性，同時高威脅目標多、風浪流急、障礙物分布廣泛，容易造成協同失效、個體沖該領域的主要研究方向包括無人艦艇集群多源異構低質信息深度融合、復雜海洋場景三維重建與目標識別、協同控制與對抗博弈等。未來，無人艦艇集群感知與協同將趨向集群智能化，并與無人機、無人潛航器等跨域協同，實現多維度戰場態勢感知和博弈決策，并確保復雜海洋環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基于圖像特征的高精度距離識別技術是利用目標圖像中的特征信息分析來獲取目標距離、深度和定位全球工程前沿2024的技術，它是計算機視覺和機器學習領域的一個重要分支，應用于精密機器測量、機械手高精度運動定位與控制、交通建筑變形沉降等地質災害實時檢測、飛船對接、危險環境的機械手自動化作業引導、目標在空間的高精度定位等。目前該領域主要技術方向包括：①算法優化，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據(如雷達、超聲波)結合，提高測距精度和魯棒性；③惡劣環境下的圖像處理和測距技術，解決惡劣環境下干擾影響問題。基于圖像特征的高精度測距技術具有廣闊的應用前景和巨大的市場潛力。隨著計算機視覺、圖像處理技術和深度學習等技術的不斷進步，該技術將在更多領域得到應用，包括智能交通、智能精密制造、機器人高精度應用等領域，極大地提升這些(6)具身智能技術機器人具身智能技術機器人是指通過將人工智能算法與實體機器人系統相結合，使機器人能夠在現實世界中進行感知、學習、推理和行動的智能體。這種機器人不僅具備傳統AI系統的認知能力，還能夠與物理環境進行交互，從而實現更加自然、靈活的智能行為。這一技術融合了多領域的前沿研究，旨在創建能夠自深度學習與強化學習，以及知識表示與推理。作為人工智能技術應用的最佳載體，具身智能技術機器人已成為國際機器人前沿研究的熱點，未來發展將聚焦于：提升機器人的自主學習能力，使其能夠獨立探索環境并將經驗遷移至新任務；增強社會化智能，促進機器人更好地融入人類社會；提高應變和創新能力，以應對未知情況；同時加強倫理和安全性考量，確保機器人行為符合社會規范和道德標準。具身智能技術的醫療、教育等行業帶來創新機遇和全新挑戰，(7)連續陶瓷纖維增強的金屬基復合材料連續陶瓷纖維增強的金屬基復合材料是指將連續陶瓷纖維作為增強體嵌入金屬基體中的一類復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纖維預制體制備工藝提出要求。目前國內外研究主要聚焦于以下領域：纖維表面涂層處理與包覆絲材制備；纖維排布設計與多尺度、多物理場仿真優化；金屬基體復合工藝改進與先進制造未來的研究前沿方向包括：纖維排布設計及結構拓撲優化、纖維-金屬界面性能調控、復雜連續纖維預制體增材制造、金屬基體復合過程數值模擬和通道規劃、低成本大尺寸復合材料構件短流程制造、服役環境下性能演變、控制及評估等方面。具有“刺激-響應”特性的智能構件設計與高精度、高效率的多材(8)模塊化先進武裝機器人系統先進武裝機器人系統主要是指由運動平臺和任務載荷構成的、用于執行特殊作戰任務的一類機器人系統。運動平臺可分為地面、空中、水面、水下等多種構型樣式。任務載荷包括感知、偵察、打擊、引導等類型。該系統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、目標類型與特性變化等未來作戰環境復雜性的增加，對運動平臺運動性能和任務載荷精密化、智能化提出了更高的要求。目前該領域的主要技術方向包括高性能運動平臺模塊化驅動傳動數據鏈傳輸延遲補償控制、集成化能源動力模塊設計、高效人機交互等。具體技術發展趨勢包括跨介質運動平臺可變構型驅動機構優化、運動平臺與任務載荷智能化高精度協同和集成安全控制、運動平臺與任務(9)氫燃料航空發動機氫燃料航空發動機是一種利用氫氣作為燃料并通過化學反應轉化為機械能的航空發動機，大致分為氫燃料渦輪發動機和氫燃料電池發動機。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、易于制備等優點，氫燃料發動機在軍用和民用航空裝備領域展現出廣闊的應用前景。與傳統航空發動機相比，氫燃料航空發動機不僅在減少碳排放方面具有明顯優勢，還目前該領域的主要技術方向包括氫燃料的儲存和運輸、高效燃燒技術、先進材料開發、智能控制與檢測技術等，以解決氫工質循環、氫燃燒、氫控制、氫損傷等領域所面臨的問題。隨著全球對可持續發展的重視和相關技術的突破與成熟，未來氫燃料航空發動機的效率、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測臨近空間高超聲速滑翔彈頭跳躍彈道預測旨在通過數學建模、仿真分析和實時跟蹤等手段，預測高超聲速滑翔彈頭在臨近空間(20~100km高度)內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的綜合作用下，以跳躍變軌跡方式在臨近空間飛行，呈現出強大的機動能力和突防性能，致使常規手段難以攔截。典型滑翔彈頭跳躍彈道是在錢學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上發展而來的。高超聲速滑翔彈頭在臨近空間跳躍式飛行，氣動參數具有隨機不確定目前該領域的主要技術方向包括高超聲速滑翔彈頭的氣動力特性精確分析，基于運動規律認知、控制模式辨識、作戰意圖推斷的軌跡預測方法，基于聲光電的高分辨率傳感測量元器件及測量濾波技術，基于人工智能和神經網絡多源數據融合技術及快速處理智能算法等。該領域未來的發展趨勢包括建立復雜飛行空域環境下高超聲速滑翔彈頭精準的動力學模型，包括升力、阻力系數等氣動參數和控制率氣動導數的精確計算；發展高精度敏感元器件技術以獲取精確彈頭飛行數據，研究飛行數據在線分析和處理方法，開發高精度彈道軌跡模擬和深度學習優化算法等，實現實時跳躍彈道精準預測，為開發高超聲速目標的反導系隨著深海探測、深海調查、深海資源開發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工作效率具有重要意義。由于電磁波、光波等陸地環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千公里，聲波是實現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、復雜的多途信道結構、聲波的全向傳播等物理因素會導致通信速率降低、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)技術的進步推動深遠海水下通信定位技術向多種水下通信技術的集成發展。利用AI、大數據等技術實現智能化為了增強深遠海水下通信的穩定性，提高深遠海水下定位精度，聲光電多源異構通信定位技術、量子通信人工智能新興技術融合、聲學及慣導組合定位技術等已成為水下通信定位領域的研究熱點。我國關于水下無人救援機器人的研究起步較晚，但近年來發展迅速。主要技術發展方向包括多源異構通信定位技術融合，基于高級調制技術[如正交頻分復用(OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)]、編碼技術優化，網絡化發展，提升聲學通信速率和距離；基于高功率激光器和光學接收技術，實現長距離光學通信，探索新型頻段和調制技術的無線電通信，研究量子密鑰分發，磁感應信號傳播特性，形成以聲學為主、光電為輔，同時融合量子、人工智能等新興技術的通信定位方式；基于帶內全雙工水聲通信技術和抗多途多普勒效應通信技術，提高水下通信傳輸速率和距離，提高定位精度；基于空基的北斗導航系統和水面水下長短基線協同定位技術，進行水下通信組網系統智能調控，實現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在深海資源勘探、水下工程實施、海洋環境監測、國防安全、智慧海洋建設和應急救援等領域具有重大產業化推廣和技術應用拓展價值，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核心專利的主要產出國家之間暫無合作。核心專利產出數量較多的機構是中國船舶重工集團公司、國家深海基地管理中心、中國科學院聲學研究所和哈爾濱工程大學(表2.18)。核心專利的主要產出機構中，國家深海基地管理中心與長春理工大學存在合作(圖2.10)。圖2.11為“深遠海水下通信定位技術”工程開發前沿的發展路線。1中國船舶重工集團公司82國家深海基地管理中心63中國科學院聲學研究所64哈爾濱工程大學6546367日本海洋研究開發機構338天津大學339齊魯工業大學(山東省科學院)3232哈爾濱工程大學中國科學院聲學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長春理工大學日本海洋研究開發機構齊魯工業大學(山東省科學院)三亞深海科學與工程研究所全球工程前沿2024聲學定位主流技術，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、磁感應通信等處于探索階段，前景良好提供連續三維位置和速度，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”工程開發前沿海空協同異構無人系統的一體化控制技術處于當前海洋科技與軍事應用的研究前沿，代表了智能無人系統發展的關鍵方向。隨著無人系統的廣泛應用、計算機、通信和分布式控制技術與海洋科學的交叉融合滲透發展，以美國為代表的國外海洋強國大力發展無人機、無人艇、水下潛器等跨域異構無人裝備，并持續推動無人系統執行任務由單域單體向單域集群，再向跨域協同的增效方向轉變。海空協同異構無人系統的一體化控制技術是智能無人系統形成顛覆性能力的核心技術。與同構無人系統單域協同相比，海空協同異構無人系統擁有優勢互補、全方位聯動等新技術特點，在大幅提升無人系統功能的同時，能夠不斷擴大海空協同異構無人系統的一體化控制是面向科學前沿的多學科交叉信息論與通信工程、博弈論等多領域，相關研究主要分為三個方面：一是跨域多節點自組網通信-計算一體化技術，研究異構無人系統高可靠低時延的跨域組網通信理論，設計異構數據跨層級互聯共享機制，建立基于人工智能和云邊協同的通信基礎設施，為復雜的環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動力學約束下的彈性決策，闡明環境、任務目標、海空異構平臺間耦合作用，研究跨域異構動力學約束下的任務調度與動態規劃，建立強魯棒、高彈性的任務決策體系，實現基于群體智能演化的無人決策系統自主學習換代，提升協同效能；三是強異質動力學特性的海空無人系統一體化協同控制，結合實時反饋與調整機制構建一體化控制模型，統一與適配不同跨域航行器的動力學特性，探索人機多模態交互控制規律，為不同平臺之間的高效協同提供支持。總之，海空協同異構無人系統一體化控制技術的不斷發展，對保障我國海上活動安全、開發深海資源與發展海目前，該前沿中核心專利產出數量排名第一的國家是中國，平均被引數排名第一的國家是以色列(表2.19)。核心專利的主要產出國家之間未見合作。核心專利產出數量較多的機構為南京航空航天大學、南京航空航天大學與中國電子科技集團公司存在合作(圖2.12)。圖2.13為“海空協同異構無人系統的一國家國家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34西北工業大學5中國電子科技集團公司67國家電網有限公司89西安電子科技大學全球工程前沿2024西北工業大學北京航空航天大學國防科技大學南京航空航天大學圖2.12“海空協同異構無人系統的一體化控制技術”工程開發前沿主要機構間里程碑子里程碑2023—20252026-20302031-20352036—長期海空協同異構無人系統的一體化控制推廣構建海空協同異構無人系統任務調度和動態規劃體系，以應對多變的環境擾動和強干擾挑戰構建海空協同異構無人系統一體化協同控制機制，實現跨域異構無人系統之間的集中式與分布式控制模式之間的高效切換、靈活資源調配，提升異構無人系統的自主控制穩定性產業化推廣和規模化應用掌握海空協同異構無人系統跨域自組網通信技術，構建高效、靈活、穩定且安全的通信網絡，產業化推廣和規模化應用限制的條件下，逐步應用于實際的海上協同作業任務新一代海空協同異推動海空協同異構無人系統的少人化、無人化、自主化、智能化發展進程，實現無人系統間有序、安全、高效的協同控制海空協同異構無人系統的一體化控制技術是水路交通載運裝備的發展趨勢之一，在網絡通信、環境感知、協同控制等方面實現技術突破，全面提高水路交通載運裝備的技術水平通信模塊多域耦合的智能決策與動態規劃融合移動自組網的無人系統通信網絡任務導向的混合式立體協同任務規劃方法訓練的異構無人集群自主控制方法融合事件觸發機制的無人系統網絡安全框架融合風浪流環境擾動的跨域協同組合優化面向跨域協同任務的異構無人系統協同控制基于星鏈通信的跨域多節點的協同通信基于擾動度量的海上作業資源調度方法基于可解釋深度學習的高魯棒性協同控制面向多點協同任務的無人系統自適應多域耦合約束下的彈性決策技術動態不確定環境下的機艇自適應協同基于區塊鏈的可信互聯與信息交互技術動態切換拓撲下異質智能無人系統跨域任務分配技術多域大規模異構集群編隊控制技術圖2.13“海空協同異構無人系統的一體化控制技術”工程開發前沿的發展路線近年來，低空無人飛行器因其靈活性、機動性、易操控等優點，給社會各領域帶來了巨大便捷，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，而如何實現低空無人飛行器的高效準確探測是