潘云鹤:2010,中国工程科技的关键之年

2011-2-09 09:02 来源: 科学时报
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中国工程院常务副院长 中国工程院院士 潘云鹤

编者的话

  从2007年起,本报尝试约请数、理、化、天、地、生以及工程科技领域的专家学者,就当年度本学科领域的进展进行综述。目的是帮助读者梳理世界科技发展脉络,总结其中隐含的规律,并给出趋势性判断和评价。学科述评系列文章发表后受到科技界读者的热烈欢迎。

  “十二五”规划已然开局,科学技术对社会和经济发展的深远影响愈发凸显,新春伊始,我们再次邀请专家对2010年的科技进展进行更为全面的回顾和综述,以彰显中国主流科技界对各领域学科发展趋势的判断和把握。今天我们首先刊发由中国工程院常务副院长潘云鹤院士撰写的2010年学科述评之工程科技篇。

  2010年过去了。它和21世纪的第一个十年,也和中国的第十一个五年规划共同离去。因此,它是关键的一年,所发出的整体效力将在此后数月中逐步显现。就中国工程科技而言,2010年可谓喜获丰收,其纷纭成果难以一一细说。本文仅取其中几项典型成果予以点评。

天河一号:超级计算机异军突起

  从2009年到2010年,中国的超级计算机研发处于里程碑式的进程。2009年9月国防科技大学研制的天河一号,峰值速度达到每秒1206万亿次双精度浮点运算(Flops),排名世界第五。我国成为继美国之后,第二个建成千万亿次(P级)计算机的国家。

  2010年8月,天河一号二期系统在天津升级完成,峰值速度达到4700万亿次Flops,持续速度为2566万亿次Flops(LINPACK实测值),在2010年11月世界超级计算机排名中列第一;同时,曙光星云超级计算机以持续速度1271万亿次排名世界第三。这一排名公布后世界关注,反响强烈而广泛。

  在天河一号A的系统结构设计中,将异构的CPU和GPU(图像处理器)结合起来并行运算,大大加快了计算速度。机内选用数千颗Tesla M2050 GPU,每颗GPU包含数以百计的并行核心。这种异构系统不但速度快,而且体积小、功耗少、价格低。

  超级计算机的发展阶段常被分为G级(109)、T级(1012)、P级(1015)、E级(1018)。有趣的是,人类的计算机能力大约每十年登上一级。2008年,IBM的走鹃(Roadrunner)首先进入P级(其峰值速度为1.376PFlops)。人类的下一个目标是造出艾级(1018)计算机,专家估计时间为2018年。目前美国的公司、军方和国家实验室都在为此努力。但要到达这一目标,路上困难重重。

  首先是处理器芯片。当芯片速度达3G赫之后,因散热困难,提高速度的进度便会趋缓,为了保持运算速度的增长,只能采用多核并行计算。估计到2015年,微处理器速度会达20TFlops(每片集成5000核),而一台艾级计算机则要用5万~10万个这样的处理器。

  因此,艾级计算机将面临功耗巨大(估计为50MW~100MW)、可靠性差(严重到平均1个故障/小时)、并行程序困难而低效、应用模型趋于复杂等等挑战。要战胜这些挑战,需要从芯片、系统、结构、制造工艺、系统软件和应用模型等多方面进行突破。尽管目前这些突破有“山穷水尽”之叹,但根据以往经验,也总会有“柳暗花明”之时。但不知最先越过1018运算速度里程碑的是哪一家计算机“超级英雄”。


嫦娥二号:中国登月的定位侦察
 

  2010年10月1日18时59分57秒,嫦娥二号卫星成功发射,19时25分准确进入地月转移轨道,10月27日至29日完成对月球虹湾区域成像,此乃嫦娥三号的着陆地点。11月8日温家宝总理为月球虹湾局部影像图揭幕,标志着嫦娥二号探月任务圆满成功。

  和三年前的嫦娥一号不同,嫦娥二号实现了以长征三号运载火箭直接将卫星发射至地月转移轨道。中国科技专家通过大规模的仿真分析和优化计算,确定了最优轨道;通过对卫星飞行的精确测算、控制、修正与制动,使卫星实现近月点15公里,远月点100公里的椭圆形轨道飞行;通过专门研制的CCD立体相机,在1.5公里/秒的高速相对移动条件下,拍摄下分辨率优于1.5米的高质量图像并传回地面,从而胜利完成为嫦娥三号探路的先行任务。

  胡锦涛总书记在2010年12月20日的庆祝大会上指出:“嫦娥二号任务工程目标和科学目标的实现,不仅突破了一批核心技术和关键技术、取得了一系列重大科技创新成果,而且带动了我国基础科学和应用技术深入发展,推动了信息技术和工业技术交叉融合,进一步形成和积累了中国特色重大科技工程管理方式和经验,培养造就了高素质科技人才和管理人才队伍。这对深入开展深空探测活动、推进我国航天事业、建设先进国防科技工业具有重大意义。”

  还要提及的是,发射嫦娥二号的长征系列运载火箭在近两年来发射了27颗不同类型的卫星,高密度发射捷报频传。如资源三号卫星利用3S技术监测环境和灾害的发生;风云气象卫星提高了天气预报的准确性;北斗定位卫星系统将提供精确导航支撑;遥感卫星已广泛用于国土普查、作物估产、森林调查和城市规划;广播电视卫星保障了世博会、亚运会的信息传输等等,它们有力地促进了我国的科学发展。


高速铁路与列车:扬鞭快马,举世瞩目

  2010年12月世界高铁大会在北京召开之际,铁道部领导宣布,12月3日,京沪高铁在先导段的运行试验中,最高时速达到了486.1公里。快速发展的中国高铁立即成为首次在欧洲之外召开的此次世界高铁大会的议论焦点。

  中国现在运行的高铁约分三个速度。一是时速350km的高铁,共投入运营2154km。2010年上半年开通的武广高铁是世界上一次建成里程最长的高铁,全程1069km,3小时跑完;下半年通车的沪杭高铁,最高时速可达到410km。二是时速250km的高铁,共投入运营2168km。三是时速200km的高铁。中国高铁的总营业里程共达7531km,已属世界上运营里程最长、速度最快的高铁系统。

  国家投资成立了“轨道交通国家实验室”,对高速轮轨、弓网、有关的空气动力学和结构力学进行深入理论研究。轨道科技人员对严寒地区、复杂地质、干旱风沙等特殊环境下的线、桥、隧的设计施工技术;对大张力接触网等供电技术;对重载运输技术与调度等管理技术均进行了深入研究和技术攻关,并多次受到国家奖励。

  中国的高铁在速度与长度上已快速地奔向世界之最,这着实令人高兴。当然它还面临进一步的挑战,如安全性、经济性等问题,既有待于时间和规模的考验,也需要用大智慧去解决。这便是工程科技和纯科学的不同之处。工程只有将一个系统的各种问题都一一解决之后,才能顺利生存。而一旦如此,它便能发挥出其改变世界的巨大力量。

  目前,中国高铁日均运客100万人次,其中京津、武广、沪宁分别达12.6万人、12.7万人及29万人,占铁路日客运量的21%。


能源系统:整体质量稳步提升

  近年来,中国能源工程技术系统的整体质量在稳步升级。

  1.可再生能源快速发展。估计全国2010年末:

  (1)水电装机容量超2亿千瓦,为世界最大,但仅占我国可开发水资源的30%。中国水电还有很大的发展余地,可谓目前我国最重要的清洁能源。

  (2)风电装机容量0.4亿千瓦,为世界第二。其中有3家风电机组企业进入世界前十位,并开始出口北美、南美、澳洲及中东等地区。目前还有8个千万千瓦级的风电基地正在全国规划。

  (3)太阳能电池生产8.0GW,占世界的50%以上。其中单晶硅电池的效率达到17%~18%,多晶硅电池的效率达到16%~17%。太阳能热水正在普及,太阳能采暖开始推广。太阳能热发电的关键设备与系统设计取得很大进展。首座MW级的太阳能塔式热发电集热系统和百米长槽式集热场热岛系统已分别建成。

  2.超超临界燃煤发电技术迅速推广。

  我国百万千瓦超超临界燃煤发电机组实际运行的供电煤耗低至282克/千瓦时,创下世界最低纪录。近年来,我国自行研制的1000MW和600MW的超超临界机组已越来越多地投入商业运行(已占当年投产量的50%以上),这使得全国平均供电煤耗从2002年的383克/千瓦时降低到340克/千瓦时以下,同时大幅减少了二氧化硫和二氧化碳的排出量,提前完成了“十一五”355克/千瓦时的目标。但整体来看,我国的煤电效率仍有很大提升空间。

  3.特高压电网输电。

  中国的一次能源产地和负荷中心区域分列东西,相距甚远,因此远距离大容量能源输送不可避免。特高压输电是这样一种适用技术,近年来在我国快速发展。目前我国在特高压输电的研究设计、制造施工、运行维护等多种技术已处于世界领先水平。

  我国第一个交流1000千伏特高压工程是晋东南—南阳—荆门特高压交流输电工程,全长640公里,两端有1000千伏变电站,中间设有开关站,设计输电能力280万千瓦,实际输送容量在150万~200万之间,于2009年1月投产。

  世界上第一个±800千伏特高压直流输电工程是云南—广东特高压直流输电工程,全长1373公里,额定电压±800千伏,额定容量500万千瓦,于2009年12月单极投产,2010年6月双极投产,实际输送功率达到500万千瓦。

  我国另一个±800千伏特高压直流输电工程是向家坝—上海特高压直流输电工程,线路全长1907公里,工程额定电压±800千伏,额定输送功率640万千瓦,于2010年7月份投入运行。

  正在建设的锦屏—苏南±800千伏特高压直流输电工程,全长约2100公里,额定输送容量720万千瓦,预计2012年投产。


坝和桥:高度与长度的新水平

  1.2008年12月,三峡工程提前一年完成建设任务,2010年10月三峡水库蓄水至175m设计水位,工程全面发挥防洪、发电、航运、供水等综合经济和社会效益;2007年10月,世界最高混凝土面板堆石坝,高233m的清江水布垭水电站建成投产;2008年12月,世界最高碾压混凝土重力坝——高216.5m的红水河龙滩水电站完建;2010年8月,坝高294.5m的小湾水电站拱坝基本完建并投产发电;以及坝高305m的雅砻江锦屏一级水电站拱坝(世界第一高坝)、坝高285.5m的金沙江溪洛渡水电站拱坝(装机容量1386万千瓦,为世界第三大水电站)等一批300m级高坝的建设,标志我国在坝工领域的设计理论和施工技术已取得突破性进展。

  位于汶川地震震中部位的岷江紫坪铺混凝土面板堆石坝(坝高156m)和沙牌碾压混凝土拱坝(坝高132m)经受了2008年“5·12”汶川特大地震的考验,表明我国坝工设计标准是合适的,施工质量也是可靠的。

  目前我国在复杂地质条件下筑坝技术,包括大坝全过程应力应变计算和仿真分析、高坝大流量泄洪消能、高坝抗震计算分析、复杂地基和高边坡处理、高性能筑坝材料、大坝成套快速施工技术,以及大坝安全监测和反馈分析技术等均位于世界先进水平。

  2.主跨504m的武汉天兴洲长江大桥,是世界上跨度最大的公铁两用斜拉桥。桥梁的设计荷载和跨度都创造了世界纪录,同时在设计中成功研发了钢桁梁+混凝土结合桁梁的主梁形式、三索面三片主桁斜拉桥、大位移钢轨伸缩调节器等新技术,大大丰富了斜拉桥结构的形式,提高了铁路桥梁的刚度,同时也节约了工程造价。

  主跨336m的南京大胜关长江大桥是世界上铁路荷载最重、设计速度最高和跨度最大的高速铁路桥。大桥采用正交异性板钢桥面和拱梁组合体系,Q420新钢种等新技术。该桥的成功建成标志着我国已经具有自主知识产权的高速铁路大跨度桥梁核心技术。

  2008年6月30日主跨1088m的苏通长江大桥建成通车,2009年12月20日主跨1018m的中国香港昂船州大桥建成通车,它们是世界上仅有的两座跨度超过1000m的斜拉桥;2009年12月25日主跨1650m的舟山西侯门大桥建成,它是世界第二大跨度的悬索桥。这三座大桥的成功建成,标志着我国在公路缆索承重桥梁方面也达到了世界先进水平。

  2011年,跨度42km的青岛海湾大桥即将通车,它和2008年通车的杭州湾跨海大桥将成为世界上长度第一和第二的跨海大桥。

  当然,长度并不是桥梁水平的唯一指标,其他指标如抗灾、寿命也十分重要,这些都有待于未来的检测、维护与考验。我们衷心祝愿中国的长桥们都成为世界的长寿大桥。


中国工程科技的整体点评

  对当前中国工程科技水平的整体点评可以概括为三句话:与世界最高水平相比还有不小差距;当前水平提升的步伐很快;在若干领域已经出现世界领先的成果。

  说明这种整体水平的例子之一,是观察各国科技论文的变化趋势。根据汤森路透社集团Web of Science收录提供的数据,可以比较各国科技论文数占世界科技论文数的比例。表1是科技论文总数之比较,表2是工程科技论文数之比较,表3是材料科技论文数之比较。在三个表中,中国的比例依次递高。这也预示在未来几年中,中国工程科技的创新活动将保持快速的上升。