关注丨国际科学技术前沿报告（上）

　　中国科学院文献情报系统根据国家及中国科学院科技研发创新的战略布局，发挥其系统性整体化优势，按照“统筹规划、系统布局、协同服务、整体集成”的发展原则，构建“领域分工负责、长期研究积累、深度专业分析、支撑科技决策”的科技领域战略情报研究服务体系，面向国家和中国科学院科技创新的宏观科技战略决策、面向中国科学院科技创新领域和前沿方向的科技创新发展决策，开展深层次专业化战略情报研究与咨询服务：中国科学院文献情报中心负责基础科学与交叉重大前沿领域、空间光电与大科学装置及现代农业科技等领域的战略情报研究；中国科学院成都文献情报中心负责信息科技和生物科技等领域的战略情报研究；中国科学院武汉文献情报中心负责能源和材料制造等领域的战略情报研究；中国科学院兰州文献情报中心负责生态环境资源和海洋等领域的战略情报研究；中国科学院上海生命科学信息中心负责人口健康等领域的战略情报研究。基于上述统筹规划，形成了覆盖主要科技创新领域的学科领域科技战略情报研究团队体系。科技决策问题与需求导向、研究与咨询服务体系建设、科技前沿与重大问题聚焦、科技领域发展态势趋势专业化战略分析、科技战略与政策咨询研究的发展机制和措施，促进了这些学科领域科技战略情报研究与决策咨询的专业化知识服务中心、专业化科技智库的快速建设成长和发展。

　　从2006年起，研究组部署这些学科领域科技战略情报研究团队，围绕各自分工关注的科技创新领域的科技发展态势，结合国家和中国科学院科技创新的决策需求，每年选择相应科技创新领域的重大前沿科技问题或热点科技方向，开展国际科技发展态势的系统性战略分析研究，汇编形成年度《国际科学技术前沿报告》，呈交国家相关科技管理部门及中国科学院有关部门和研究所，以供科技发展的相关决策参考。

　　从2010年起，完成的各年度《国际科学技术前沿报告》公开出版发行，供更大范围、更广泛的科研人员和科技管理人员参考。

　　《国际科学技术前沿报告》的逻辑框架特色鲜明，不同于现有的其他相关的类似科技前沿发展报告，其中收录的专题领域科技发展态势分析报告，从相应领域的科技战略与规划计划、研究前沿热点与进展、发展态势与趋势及发展启示与对策建议等方面予以系统分析，定性与定量相结合、战略与政策相结合、启示与建议相结合。在研究模式上，更是采取了情报分析人员与科技领域战略专家相结合的研究方式，针对性地咨询相关领域的战略专家。多个年度的《国际科学技术前沿报告》汇集在一起，形成了观察各相关科技领域重大科技问题与前沿方向发展的小型百科全书，可以系统性、历史性地观察主要科技领域的重大发展变化情况。因此，《国际科学技术前沿报告》的研究与编制是一项系统性、战略性、基础性和前瞻性相贯通的工作，对相关科技领域的发展战略研究、科技前沿分析和科技发展决策等具有重要的参考咨询价值。

　　2017年，我们继续部署这些学科领域战略情报研究团队，选择相应科技创新领域的前沿学科、热点问题或重点技术领域，开展国际发展态势分析研究，完成这些研究领域的分析研究报告10份。中国科学院文献情报中心完成《科学与工程计算国际发展态势分析》《引力波研究国际发展态势分析》和《作物病虫害导向性防控国际发展态势分析》；中国科学院成都文献情报中心完成《虚拟现实研究国际发展态势分析》和《生物成像技术国际发展态势分析》；中国科学院武汉文献情报中心完成《石墨烯防腐涂料国际发展态势分析》和《磁约束核聚变国际发展态势分析》；中国科学院兰州文献情报中心完成《地球深部金属矿资源探测国际发展态势分析》和《第三极环境研究国际发展态势分析》；中国科学院上海生命科学信息中心完成《人类微生物组国际发展态势分析》。本书将这10份前沿学科、热点问题或技术领域的国际发展态势分析研究为《国际科学技术前沿报告2018》正式出版，以供科技创新决策部门和科研管理部门、相关领域的科研人员和科技战略研究人员参考。

　　科学与工程计算利用高级计算能力理解和解决复杂的科学与工程问题，是计算机实现在高科技领域应用的纽带和工具。进入21世纪以来，高性能计算机迅速发展，已经进入千万亿次时代。2010年，美国能源部（Department of Energy，DOE）提出了百亿亿次系统的设计方案，预计2020年建成百亿亿次超级计算机。千万亿次、百亿亿次科学与工程计算将显著提升各国在、航空航天、生命科学、材料科学及气候与生态环境等领域中的科技创新能力，产生重大科学理论和应用突破。2014年，DOE报告《百亿亿次计算的十大挑战》明确指出，百亿亿次计算将改变全球经济（葛蔚等，2016）。为了抢占先机，欧洲各国、美国和日本等相继制定了符合自己国情的科学与工程计算路线图、战略与规划。中国的科学与工程计算在世界上占有重要位置，但还没有公布详细的路线图和发展规划。

　　本报告对欧盟、美国、英国、日本和中国在科学与工程计算领域的发展路线图、重大研究计划、重要研究机构、相关国际会议进行了调研和分析，同时对2007～2016年科学与工程计算领域的科学论文进行了定量分析。

　　综合定性调研和文献计量学定量分析，建议中国应该面向世界科学前沿，结合中国国情，加强整体规划，加强科学与工程计算的算法研究，加强科学与工程计算软件研制，加强面向国家重要需求的科学与工程计算应用领域研究，培养多学科交叉型人才。

　　摘 要引力波是当前重要的科学研究前沿之一，以引力波探测为基础的引力波天文学是一门正在崛起的新兴交叉学科。引力波的发现开启了探索宇宙的新窗口，同时开辟了引力波天文学和多信使天文学两个新的学科方向。作为一种独立的探测方式，引力波能够提供其他天文观测方法不可能获得的信息，加深人们对宇宙中天体结构和宇宙本身的认识。

　　为把握引力波领域国际发展态势，本报告定性调研了主要国家/地区引力波探测和研究项目，定量分析了本领域的研究热点和前沿，并建议我国应加快自主建设引力波天文台，加强在引力波研究方面的研究部署，为开展引力波研究提供研究基础；充分认识前沿基础研究高风险高回报的特点，建立对重大基础科研问题中长期资助的机制；积极参与国际合作，提升中国在引力波研究方面的科研设施基础条件和研究起点，加强引力波研究人才队伍建设。

　　摘 要作为一项潜在的颠覆性技术，虚拟现实为人类认识世界、改造世界提供了一种易于使用、易于感知的全新方式和手段。虚拟现实不仅带来显示方式的进步和视觉体验的提升，还将通过与互联网、物联网的结合，打破时空局限，拓展人们的多种能力，改变人们的生产与生活方式。为把握虚拟现实研究的国际发展态势，本报告定性调研了相关机构的研发动态、虚拟现实关键技术的发展现状与趋势，定量分析了重点研发领域及热点，并提出了发展建议。

　　近年来美国与欧盟制定了一系列的虚拟现实研发计划和发展策略，对虚拟现实投入了大量研发资源。美国国家科学基金会（NSF）、国家航空航天局（NASA）、国防部（DOD）和能源部（DOE）等部门均部署了一系列虚拟现实研发计划。欧盟“地平线 计划”、欧盟第七框架计划均资助了一系列的虚拟现实研究项目，欧盟委员会通信网络内容和技术总司及欧洲虚拟现实和增强现实联盟共同探讨欧盟的发展路径。英国工程与自然科学研究理事会和“创新英国”也资助了一系列的虚拟现实研发项目。

　　虚拟现实系统主要由信息输入、信息输出、信息处理三大部分组成，构建虚拟现实系统需要信息获取、分析建模、呈现、传感交互四方面的技术。总体来看，虚拟现实是一项涉及计算机图形学、仿真技术、人机交互技术、传感技术、人工智能、显示技术和网络并行处理等领域的综合集成技术。虚拟现实的最大特点在于沉浸感，主要依赖于清晰度、流畅度、视场角和交互方式等因素，相应的关键影响指标包括显示屏的分辨率与刷新率、传感交互设备的交互自然性、计算设备的运算能力。因此，虚拟现实的关键技术包括实时3D 图形生成技术、广角（宽视野）立体显示技术、行为检测与反馈技术、动态环境建模技术、系统环境集成技术、应用系统开发工具。

　　从2010～2016 年的发文量角度来看，美国是虚拟现实发文量最多的国家，以20.8%的份额处于遥遥领先的地位，且美国的发文量在各年都保持绝对领先地位，在全球虚拟现实研究论文的合作网络中也处于核心位置，表明美国是虚拟现实研究领域中最活跃的国家。英国帝国理工学院是全球虚拟现实研究发文量最多的机构，加拿大多伦多大学的发文量紧随其后，而研究论文篇均被引次数最高的机构依次为美国南加利福尼亚大学、英国伦敦大学学院和加拿大多伦多大学等，在全球虚拟现实研究机构合作网络中处于核心位置的研究机构包括英国伦敦大学学院、英国帝国理工学院、加拿大多伦多大学与美国哈佛大学等。然而，中国的研究机构未进入虚拟现实发文量排名前10 位的研究机构行列中。关注最高的热点研究主题包括计算机模拟、教育与培训、手术模拟、康复、触觉、中风、神经科学、腹腔镜检查、虚拟环境及人机交互等，其中，计算机模拟是虚拟现实的关键基础性技术，在虚拟现实教育与培训及医疗中具有广泛的应用。

　　基于以上发展态势及我国情况，本报告建议：①制定系统性发展战略布局，明确虚拟现实技术发展规划。②大力推动虚拟现实关键技术研究，抢占战略制高点。③积极开展产学研合作，加快虚拟现实技术在各行业中的应用。

　　摘 要高附加值、高性能、环境友好是我国涂料发展的方向与趋势。其中，防腐涂料的高端市场基本上被国外厂商垄断，国内企业只能以低端市场为主。中国市场高端防腐涂料的替代性需求较大，为国内企业发展高端防腐涂料提供了广泛的市场空间。新型防腐涂料的研发将有利于保障我国海洋重大工程装备及“一带一路”基础设施建设，服务于和海洋经济发展战略。

　　本报告列举了近年来欧盟、英国、美国、日本、韩国和中国在石墨烯领域的部分主要研究计划和研究项目等，其中，最为突出的是欧盟历时10年、总投入10亿欧元的未来与新兴技术石墨烯旗舰计划。该计划现已经完成前30个月起步阶段的工作，并已经取得一定成效。

　　报告分类介绍了石墨烯防腐涂料的研究进展。石墨烯是目前自然界最薄的二维纳米材料，阻隔与屏蔽性能非常优异。引入石墨烯，能够增强涂层的附着力与耐冲击等力学性能和对介质的屏蔽阻隔性能。防腐涂料领域把石墨烯作为添加剂，对防腐蚀性能进行了大量研究，并且取得了丰硕的研究成果。不仅如此，一些研究成果已经转化为商业产品，实现规模化量产，并进入到示范应用阶段。

　　本报告还从计量角度，对石墨烯防腐涂料技术领域的全球专利和SCI研究论文态势进行了分析。在专利方面，我国相关专利申请最多，该领域技术应用范围在逐年扩大，处于逐渐成熟阶段。在论文方面，发文国家除中国外，还包括印度、美国、韩国和伊朗等。与专利对比发现，中国、美国、韩国的专利和发文量均居世界前列，印度、伊朗仅在发文量上有较好表现，相关专利较少。

　　摘 要核聚变能被视为人类可持续发展最理想的未来能源，受控核聚变研究的最终目标是实现核聚变能的商业化应用。经过半个多世纪的不懈努力，世界各国已经在磁约束核聚变理论方法、关键技术和实验装置（如托卡马克和仿星器等）上取得了突破性进展，托卡马克实现聚变反应并作为受控磁约束核聚变反应堆的科学可行性已经得到初步验证，成为未来实现受控核聚变能的主要研究途径之一。目前，包括中国在内的7个世界主要核聚变研究国家和地区正投入巨大财力、人力，联合建造世界上规模仅次于国际空间站的大科学工程计划——托卡马克类型的国际热核聚变实验堆（ITER），努力解决与托卡马克聚变反应堆工程可行性和商用可行性密切相关的稳态先进托卡马克运行模式及燃烧等离子体物理这两大科学问题。

　　为了早日获得清洁安全的聚变能源，世界主要发达国家纷纷制定了聚变能研究战略，探索和发展能直接用于商用聚变堆的各种新技术和新概念，以加快这一进程。美国聚变能科学战略框架主要集中在燃烧等离子体下的基本行为、燃烧等离子体下的壁材料研究、面向燃烧等离子体的高功率注入及等离子体诊断四个研究范畴。欧盟以ITER和国际热核聚变材料辐照设施（IFMIF）同时建设和平行运行为基础，制定了聚变能研究路线”计划中斥巨资部署重大任务。日本通过将JT-60改造为大型超导托卡马克装置JT-60SA，开展燃烧等离子体物理实验以解决ITER和示范聚变电站（DEMO）之间的稳态运行问题，并探索螺旋场约束和激光核聚变等替代方法。中国政府积极制定了聚变能开发战略，将战略划分为“聚变能技术—聚变能工程—聚变能商用”三个阶段，同时设定了清晰的近期、中期、远期目标。俄罗斯将建造高温磁约束氘氚等离子体热核聚变反应堆，开发并建造聚变中子源，为加速聚变应用提出了到2050年的未来聚变研究计划的发展路线。韩国政府通过《聚变能源开发促进法》，与美国普林斯顿等离子体物理实验室达成协议，启动聚变堆示范装置的研发计划项目。在通向聚变能商业化的道路上，世界主要磁约束核聚变研究国家集中主要力量和科技成果保证合作建设ITER的研发需求，同时保持各国大型研究装置的运行，为未来研发商用示范聚变堆积累技术和人力资源。

　　磁约束核聚变研究是一门复杂的综合科学，涉及物理、化学、材料和工程等多个领域，关键技术包括磁体材料和系统、大规模电源和电力技术、超高真空及壁处理技术、高时空分辨的诊断技术、数据采集和等离子体控制技术、射频波和高能中性束加热及电流驱动等技术。对超导托卡马克，还需要超导磁体设计、实验、运行和保护技术及低温制冷（液氦温区）技术；对托卡马克反应堆，还包括包层设计与加工、安全运行和中子学技术；对聚变反应堆，运行和维护需要研发恶劣核环境下的遥控技术和所有相关材料。2017年以来，磁约束核聚变研究在理论研究、材料开发及实验和制造工艺上均已经取得多项重要成果。

　　分析全球核聚变研究的科学引文索引（SCI）论文，可从文献计量角度揭示出聚变领域的主要国家、研究机构和科研人员特征。该领域2007～2016年每年发文量均在2000篇以上，参与国家、研究机构众多。美国在聚变等离子体物理领域的发文量、总被引次数和H指数均位列全球第1位，且大幅领先于排在第2位的德国及其他国家，我国发文量位列第3位。从发文时序看，我国在2007～2016年的论文快速增长，年度发文量在2015年接近美国，并在2016年超过美国。从趋势变化来看，我国在核聚变研究的发文量仍将保持快速增长趋势。中国科学院整体在该领域的发文量位列第2位，但论文影响力离顶尖研究机构还有很大差距，下属研究机构中发文量最多的是合肥物质科学研究院和中国科学技术大学。

　　我国聚变大科学装置不断取得技术突破，并为核聚变研究和ITER建设做出重要贡献。东方超环（EAST）先进超导托卡马克实验装置代表了我国目前在核聚变领域的最高科研水平。我国未来聚变发展战略应瞄准国际前沿，广泛利用国际合作，夯实我国磁约束核聚变能源开发研究的坚实基础，加速人才培养，以现有中型、大型托卡马克装置为依托，建立知名的磁约束核聚变等离子体实验基地，开展国际核聚变前沿课题研究，探索未来稳定、高效、安全、实用的聚变工程堆的物理科学和工程技术。

　　目 录 1 科学与工程计算国际发展态势分析 1 1.1 引言 1 1.2 战略计划和项目部署 3 1.3 文献计量分析 30 1.4 科学与工程计算重要的国际国内会议 36 1.5 科学与工程计算的国际前沿与发展趋势 39 1.6 总结与建议 41 参考文献 42 2 引力波研究国际发展态势分析 45 2.1 引言 45 2.2 主要国家引力波探测和研究项目 46 2.3 从论文看引力波研究的现状和趋势 54 2.4 引力波研究发展趋势 65 2.5 总结与建议 67 附表1 68 参考文献 69 3 虚拟现实研究国际发展态势分析 71 3.1 引言 72 3.2 研发计划与发展策略 73 3.3 关键技术发展现状与趋势 82 3.4 虚拟现实研究文献计量分析 93 3.5 总结与建议 99 参考文献 100 4 石墨烯防腐涂料国际发展态势分析 103 4.1 引言 103 4.2 石墨烯研究应用的配套条件 105 4.3 石墨烯重防腐涂料研究进展 107 4.4 石墨烯防腐技术专利分析 112 4.5 石墨烯防腐论文计量分析 118 4.6 总结与建议 123 参考文献 125 5 磁约束核聚变国际发展态势分析 128 5.1 引言 129 5.2 磁约束核聚变领域发展历程和现状 130 5.3 磁约束核聚变关键前沿技术分析 133 5.4 磁约束核聚变领域主要国家发展态势 138 5.5 各国参与ITER计划情况 150 5.6 研发创新能力定量分析 155 5.7 总结与建议 161 参考文献 162 6 生物成像技术国际发展态势分析 166 6.1 引言 167 6.2 国际发展规划与举措 168 6.3 技术发展现状与趋势 174 6.4 国际设施建设现状 188 6.5 总结与建议 196 参考文献 198 7 人类微生物组国际发展态势分析 200 7.1 引言 202 7.2 国际政策规划与举措 203 7.3 人类微生物组研究发展态势 213 7.4 产业发展态势 224 7.5 总结与建议 229 参考文献 230 8 作物病虫害导向性防控国际发展态势分析 233 8.1 引言 234 8.2 主要国家相关战略规划与举措 236 8.3 研究论文分析 246 8.4 专利分析 255 8.5 企业研发动向 265 8.6 总结与建议 267 参考文献 268 9 地球深部金属矿资源探测国际发展态势分析 270 9.1 引言 271 9.2 国际矿产资源勘探态势 272 9.3 深部金属矿探测典型案例 278 9.4 深部金属矿探测的科技战略与动向 283 9.5 深部金属矿探测的文献计量分析 294 9.6 地球深部金属矿资源探测的专利分析 300 9.7 我国深部金属矿资源探测发展现状与未来需求 303 9.8 总结与建议 304 参考文献 305 10 第三极环境研究国际发展态势分析 308 10.1 引言 309 10.2 第三极环境研究国际发展态势 310 10.3 第三极环境研究文献计量分析 323 10.4 第三极环境研究趋势与热点分析 335 10.5 总结与建议 336 参考文献 337 彩图

　　国际科学技术前沿报告2018》从重要科技领域中选择科学与工程计算、引力波研究、虚拟现实研究、石墨烯防腐涂料、磁约束核聚变、生物成像技术、人类微生物组、作物病虫害导向性防控、地球深部金属矿资源探测、第三极环境研究10个科技前沿领域或热点问题，逐一对其进行国际研究发展态势的全面系统分析，剖析其国际整体进展状况、研究动态与发展趋势、国际竞争发展态势，并提出我国开展这些科技前沿领域或热点问题研究的对策建议，为我国这些领域科技创新发展的科技布局和研究决策等提供重要的咨询依据，为有关科研机构开展这些科技前沿领域或热点问题的研究部署提供国际相关领域科技发展的重要参考背景。