潘云鶴：2010，中國工程科技的關鍵之年

　　從2007年起，本報嘗試約請數、理、化、天、地、生以及工程科技領域的專家學者，就當年度本學科領域的進展進行綜述。目的是幫助讀者梳理世界科技發展脈絡，總結其中隱含的規律，并給出趨勢性判斷和評價。學科述評系列文章發表后受到科技界讀者的熱烈歡迎。

　　“十二五”規劃已然開局，科學技術對社會和經濟發展的深遠影響愈發凸顯，新春伊始，我們再次邀請專家對2010年的科技進展進行更為全面的回顧和綜述，以彰顯中國主流科技界對各領域學科發展趨勢的判斷和把握。今天我們首先刊發由中國工程院常務副院長潘云鶴院士撰寫的2010年學科述評之工程科技篇。

　　2010年過去了。它和21世紀的第一個十年，也和中國的第十一個五年規劃共同離去。因此，它是關鍵的一年，所發出的整體效力將在此后數月中逐步顯現。就中國工程科技而言，2010年可謂喜獲豐收，其紛紜成果難以一一細說。本文僅取其中幾項典型成果予以點評。

　　從2009年到2010年，中國的超級計算機研發處于里程碑式的進程。2009年9月國防科技大學研制的天河一號，峰值速度達到每秒1206萬億次雙精度浮點運算（Flops），排名世界第五。我國成為繼美國之后，第二個建成千萬億次（P級）計算機的國家。

　　2010年8月，天河一號二期系統在天津升級完成，峰值速度達到4700萬億次Flops，持續速度為2566萬億次Flops（LINPACK實測值），在2010年11月世界超級計算機排名中列第一；同時，曙光星云超級計算機以持續速度1271萬億次排名世界第三。這一排名公布后世界關注，反響強烈而廣泛。

　　在天河一號A的系統結構設計中，將異構的CPU和GPU（圖像處理器）結合起來并行運算，大大加快了計算速度。機內選用數千顆Tesla M2050 GPU，每顆GPU包含數以百計的并行核心。這種異構系統不但速度快，而且體積小、功耗少、價格低。

　　超級計算機的發展階段常被分為G級（109）、T級（1012）、P級（1015）、E級（1018）。有趣的是，人類的計算機能力大約每十年登上一級。2008年，IBM的走鵑（Roadrunner）首先進入P級（其峰值速度為1.376PFlops）。人類的下一個目標是造出艾級（1018）計算機，專家估計時間為2018年。目前美國的公司、軍方和國家實驗室都在為此努力。但要到達這一目標，路上困難重重。

　　首先是處理器芯片。當芯片速度達3G赫之后，因散熱困難，提高速度的進度便會趨緩，為了保持運算速度的增長，只能采用多核并行計算。估計到2015年，微處理器速度會達20TFlops（每片集成5000核），而一臺艾級計算機則要用5萬～10萬個這樣的處理器。

　　因此，艾級計算機將面臨功耗巨大（估計為50MW～100MW）、可靠性差（嚴重到平均1個故障/小時）、并行程序困難而低效、應用模型趨于復雜等等挑戰。要戰勝這些挑戰，需要從芯片、系統、結構、制造工藝、系統軟件和應用模型等多方面進行突破。盡管目前這些突破有“山窮水盡”之嘆，但根據以往經驗，也總會有“柳暗花明”之時。但不知最先越過1018運算速度里程碑的是哪一家計算機“超級英雄”。

　　2010年10月1日18時59分57秒，嫦娥二號衛星成功發射，19時25分準確進入地月轉移軌道，10月27日至29日完成對月球虹灣區域成像，此乃嫦娥三號的著陸地點。11月8日溫家寶總理為月球虹灣局部影像圖揭幕，標志著嫦娥二號探月任務圓滿成功。

　　和三年前的嫦娥一號不同，嫦娥二號實現了以長征三號運載火箭直接將衛星發射至地月轉移軌道。中國科技專家通過大規模的仿真分析和優化計算，確定了最優軌道；通過對衛星飛行的精確測算、控制、修正與制動，使衛星實現近月點15公里，遠月點100公里的橢圓形軌道飛行；通過專門研制的CCD立體相機，在1.5公里/秒的高速相對移動條件下，拍攝下分辨率優于1.5米的高質量圖像并傳回地面，從而勝利完成為嫦娥三號探路的先行任務。

　　胡錦濤總書記在2010年12月20日的慶祝大會上指出：“嫦娥二號任務工程目標和科學目標的實現，不僅突破了一批核心技術和關鍵技術、取得了一系列重大科技創新成果，而且帶動了我國基礎科學和應用技術深入發展，推動了信息技術和工業技術交叉融合，進一步形成和積累了中國特色重大科技工程管理方式和經驗，培養造就了高素質科技人才和管理人才隊伍。這對深入開展深空探測活動、推進我國航天事業、建設先進國防科技工業具有重大意義。”

　　還要提及的是，發射嫦娥二號的長征系列運載火箭在近兩年來發射了27顆不同類型的衛星，高密度發射捷報頻傳。如資源三號衛星利用3S技術監測環境和災害的發生；風云氣象衛星提高了天氣預報的準確性；北斗定位衛星系統將提供精確導航支撐；遙感衛星已廣泛用于國土普查、作物估產、森林調查和城市規劃；廣播電視衛星保障了世博會、亞運會的信息傳輸等等，它們有力地促進了我國的科學發展。

　　2010年12月世界高鐵大會在北京召開之際，鐵道部領導宣布，12月3日，京滬高鐵在先導段的運行試驗中，最高時速達到了486.1公里。快速發展的中國高鐵立即成為首次在歐洲之外召開的此次世界高鐵大會的議論焦點。

　　中國現在運行的高鐵約分三個速度。一是時速350km的高鐵，共投入運營2154km。2010年上半年開通的武廣高鐵是世界上一次建成里程最長的高鐵，全程1069km，3小時跑完；下半年通車的滬杭高鐵，最高時速可達到410km。二是時速250km的高鐵，共投入運營2168km。三是時速200km的高鐵。中國高鐵的總營業里程共達7531km，已屬世界上運營里程最長、速度最快的高鐵系統。

　　國家投資成立了“軌道交通國家實驗室”，對高速輪軌、弓網、有關的空氣動力學和結構力學進行深入理論研究。軌道科技人員對嚴寒地區、復雜地質、干旱風沙等特殊環境下的線、橋、隧的設計施工技術；對大張力接觸網等供電技術；對重載運輸技術與調度等管理技術均進行了深入研究和技術攻關，并多次受到國家獎勵。

　　中國的高鐵在速度與長度上已快速地奔向世界之最，這著實令人高興。當然它還面臨進一步的挑戰，如安全性、經濟性等問題，既有待于時間和規模的考驗，也需要用大智慧去解決。這便是工程科技和純科學的不同之處。工程只有將一個系統的各種問題都一一解決之后，才能順利生存。而一旦如此，它便能發揮出其改變世界的巨大力量。

　　目前，中國高鐵日均運客100萬人次，其中京津、武廣、滬寧分別達12.6萬人、12.7萬人及29萬人，占鐵路日客運量的21%。

　　近年來，中國能源工程技術系統的整體質量在穩步升級。

　　1.可再生能源快速發展。估計全國2010年末：

　　（1）水電裝機容量超2億千瓦，為世界最大，但僅占我國可開發水資源的30%。中國水電還有很大的發展余地，可謂目前我國最重要的清潔能源。

　　（2）風電裝機容量0.4億千瓦，為世界第二。其中有3家風電機組企業進入世界前十位，并開始出口北美、南美、澳洲及中東等地區。目前還有8個千萬千瓦級的風電基地正在全國規劃。

　　（3）太陽能電池生產8.0GW，占世界的50%以上。其中單晶硅電池的效率達到17%～18%，多晶硅電池的效率達到16%～17%。太陽能熱水正在普及，太陽能采暖開始推廣。太陽能熱發電的關鍵設備與系統設計取得很大進展。首座MW級的太陽能塔式熱發電集熱系統和百米長槽式集熱場熱島系統已分別建成。

　　2.超超臨界燃煤發電技術迅速推廣。

　　我國百萬千瓦超超臨界燃煤發電機組實際運行的供電煤耗低至282克/千瓦時，創下世界最低紀錄。近年來，我國自行研制的1000MW和600MW的超超臨界機組已越來越多地投入商業運行（已占當年投產量的50%以上），這使得全國平均供電煤耗從2002年的383克/千瓦時降低到340克/千瓦時以下，同時大幅減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/千瓦時的目標。但整體來看，我國的煤電效率仍有很大提升空間。

　　3.特高壓電網輸電。

　　中國的一次能源產地和負荷中心區域分列東西，相距甚遠，因此遠距離大容量能源輸送不可避免。特高壓輸電是這樣一種適用技術，近年來在我國快速發展。目前我國在特高壓輸電的研究設計、制造施工、運行維護等多種技術已處于世界領先水平。

　　我國第一個交流1000千伏特高壓工程是晉東南—南陽—荊門特高壓交流輸電工程，全長640公里，兩端有1000千伏變電站，中間設有開關站，設計輸電能力280萬千瓦，實際輸送容量在150萬～200萬之間，于2009年1月投產。

　　世界上第一個±800千伏特高壓直流輸電工程是云南—廣東特高壓直流輸電工程，全長1373公里，額定電壓±800千伏，額定容量500萬千瓦，于2009年12月單極投產，2010年6月雙極投產，實際輸送功率達到500萬千瓦。

　　我國另一個±800千伏特高壓直流輸電工程是向家壩—上海特高壓直流輸電工程，線路全長1907公里，工程額定電壓±800千伏，額定輸送功率640萬千瓦，于2010年7月份投入運行。

　　正在建設的錦屏—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程，全長約2100公里，額定輸送容量720萬千瓦，預計2012年投產。

　　1.2008年12月，三峽工程提前一年完成建設任務，2010年10月三峽水庫蓄水至175m設計水位，工程全面發揮防洪、發電、航運、供水等綜合經濟和社會效益；2007年10月，世界最高混凝土面板堆石壩，高233m的清江水布埡水電站建成投產；2008年12月，世界最高碾壓混凝土重力壩——高216.5m的紅水河龍灘水電站完建；2010年8月，壩高294.5m的小灣水電站拱壩基本完建并投產發電；以及壩高305m的雅礱江錦屏一級水電站拱壩（世界第一高壩）、壩高285.5m的金沙江溪洛渡水電站拱壩（裝機容量1386萬千瓦，為世界第三大水電站）等一批300m級高壩的建設，標志我國在壩工領域的設計理論和施工技術已取得突破性進展。

　　位于汶川地震震中部位的岷江紫坪鋪混凝土面板堆石壩（壩高156m）和沙牌碾壓混凝土拱壩（壩高132m）經受了2008年“5·12”汶川特大地震的考驗，表明我國壩工設計標準是合適的，施工質量也是可靠的。

　　目前我國在復雜地質條件下筑壩技術，包括大壩全過程應力應變計算和仿真分析、高壩大流量泄洪消能、高壩抗震計算分析、復雜地基和高邊坡處理、高性能筑壩材料、大壩成套快速施工技術，以及大壩安全監測和反饋分析技術等均位于世界先進水平。

　　2.主跨504m的武漢天興洲長江大橋，是世界上跨度最大的公鐵兩用斜拉橋。橋梁的設計荷載和跨度都創造了世界紀錄，同時在設計中成功研發了鋼桁梁+混凝土結合桁梁的主梁形式、三索面三片主桁斜拉橋、大位移鋼軌伸縮調節器等新技術，大大豐富了斜拉橋結構的形式，提高了鐵路橋梁的剛度，同時也節約了工程造價。

　　主跨336m的南京大勝關長江大橋是世界上鐵路荷載最重、設計速度最高和跨度最大的高速鐵路橋。大橋采用正交異性板鋼橋面和拱梁組合體系，Q420新鋼種等新技術。該橋的成功建成標志著我國已經具有自主知識產權的高速鐵路大跨度橋梁核心技術。

　　2008年6月30日主跨1088m的蘇通長江大橋建成通車，2009年12月20日主跨1018m的中國香港昂船州大橋建成通車，它們是世界上僅有的兩座跨度超過1000m的斜拉橋；2009年12月25日主跨1650m的舟山西侯門大橋建成，它是世界第二大跨度的懸索橋。這三座大橋的成功建成，標志著我國在公路纜索承重橋梁方面也達到了世界先進水平。

　　2011年，跨度42km的青島海灣大橋即將通車，它和2008年通車的杭州灣跨海大橋將成為世界上長度第一和第二的跨海大橋。

　　當然，長度并不是橋梁水平的唯一指標，其他指標如抗災、壽命也十分重要，這些都有待于未來的檢測、維護與考驗。我們衷心祝愿中國的長橋們都成為世界的長壽大橋。

　　對當前中國工程科技水平的整體點評可以概括為三句話：與世界最高水平相比還有不小差距；當前水平提升的步伐很快；在若干領域已經出現世界領先的成果。

　　說明這種整體水平的例子之一，是觀察各國科技論文的變化趨勢。根據湯森路透社集團Web of Science收錄提供的數據，可以比較各國科技論文數占世界科技論文數的比例。表1是科技論文總數之比較，表2是工程科技論文數之比較，表3是材料科技論文數之比較。在三個表中，中國的比例依次遞高。這也預示在未來幾年中，中國工程科技的創新活動將保持快速的上升。