当代工程技术发展趋势及应引起重视的几个问题

 

　　朱光亚原子核物理学家。1924年12月25日生于湖北宜昌。1945年毕业于西南联合大学。1949年获密执安大学物理学博士学位。历任北京大学副教授，东北人民大学教授，北京第九研究所（后改为第九研究院）副所长、副院长，国防科学技术工业委员会副主任，国防科学技术工业委员会科技委副主任、主任。1980年当选为中国科学院院士（学部委员）。1994年被选聘为中国工程院院士，当选为首任院长。先后当选为中国核学会副理事长，中国科协副主席、主席，中国共产党中央委员会候补委员、委员，中国人民政治协商会议全国委员会副主席。是我国核科学技术的主要开拓者之一，在我国核武器事业的发展中起了关键作用，作出了极为卓越的贡献。 　　1980年前后，钱学森同志在论述现代科学技术的特点和体系结构的几篇著作中指出，工程技术是现代科学技术体系中的一个分支。它是综合应用技术科学、自然科学和社会科学的知识，使自然资源**佳地为人类服务而发展起来的一类专门技术。工程技术直接为经济建设和社会发展作贡献，它的任务是改造客观世界并取得实际的成果。近几个世纪以来，人类社会的各个领域，都在不同程度上受到工程技术发展的影响。进入20世纪，由于自然科学领域的重大发现和技术科学领域的不断创新，工程技术发展的步伐加快了，对经济建设和社会发展的影响也更为显著。

 

一、当代工程技术发展的五大特点

    与过去相比，当代工程技术发展有五大特点。这五个特点反映了当代工程技术发展的基本趋势。

1．信息技术革命在产业化过程中的作用日益增强

　　人类社会赖以生存和发展的三大要素是物质、能量和信息。在农业社会中，人们对物质的认识比较深刻而对能量的认识较少；在工业社会中，人们又普遍认识到了能量的重要性。现代工业社会可以说是建立在物质和能量的基础之上的；而以往的产业革命，可以说是在挖掘劳动资料的机械、物理和化学属性的潜力。但是，与以往产业革命不同的是，在推动当代社会进化的能量流、物质流、信息流中，信息流起着越来越重要的作用。

　　1938年，发现铀原子核裂变。曾有预言：人类进入了原子能（核能）时代。20世纪虽有巨大进步，但未能实现这一乐观预计。据1994年终IAEA统计，核电在各国发电量中所占比例：法国75.29％，瑞典51.13％，韩国35.48％，西班牙34.97％，日本30.70％，美国21.98％，加拿大19.07％，我国为1.49％。

　　1957年和1961年，前苏联曾先后成功地发射了世界上**颗人造卫星和发射**艘载人飞船；1969年7月美国实现宇航员登月。也曾有预言：人类进入了空间时代。现在看来，空间技术虽有重大进步，但发展亦有限。而且，正是由于信息技术的发展进步，通信、广播、遥感、气象卫星等产业才取得了迅速扩大的市场和效益。

　　1958年研制出**块硅集成电路，从此信息技术由电子管、半导体器件跨入以集成电路为基石的阶段而飞速发展。专家们一致认为：近30年来，信息技术在世界新技术革命中一直处于核心地位；它不仅作为一项独立的技术而存在，还广泛渗透于其它各个技术领域，成为它们发展的基本依据和重要手段。电子信息技术能优化现代生产过程的控制、物质流动过程的控制和金融资本流通过程的控制，使得计算机乃至更小的信息处理装置能够嵌入到控制生产过程的装置或设备之中，从而大大提高能源和基本物质的利用率，从根本上促使工程技术与生产力更为紧密地凝结在一起。这种倍增器的作用和效能，已成为越来越多人们的共识。

　　仅举电子信息技术在第三产业中一个应用实例作点补充，即正在迅速发展的信用卡由磁带型向芯片型转变。芯片型信用卡可携带的信息量比磁带型更大（10～100倍），能执行身份证、信用卡、通电话付款、乘公共车付款、自动付款机用卡、医疗用信息卡等多种功能。芯片型信用卡（或称“灵巧”卡）是由电话通讯的需要引发的。美国通话费用很低，为防止被人滥用，只需附装磁带型识别、确认器（reader）就足够。而欧洲电话费用高，欺诈、盗用率高而且呈上升趋势。80年代中期法国即开始发展芯片型“灵巧”卡，以替代磁带型卡，发行量已达2000万个。而代替现金和支票进入商业流通中的付款用“灵巧”卡已开始在美国、德国、澳大利亚、香港等国家和地区应用，发行量达到百万量级。据经济学家估计，在各种商业交易中使用付款“灵巧”卡后，可节约4％。而且现金不呆滞在个人身边而存在银行的利息也是可观的。

　　信息和知识具有全球扩展、光速传输、非线性效应、用之不竭、多方共享等独特功能，已成为信息时代的生产要素。正象海湾战略和波黑冲突初步表明的，信息和知识在战争中能发挥重要作用，是重要的毁灭（杀伤）力量，也是力量倍增器。信息技术改变了过去单纯以计算有多少装甲师、航空联队、航母战斗群来衡量军事能力的传统观念，现在还必须考虑一些无形的力量，如计算能力、通信容量和可靠性、实时侦察能力……战争实践表明，“计算机中一盎司集成电路芯片产生的效应也许比一吨铀的作用还大。”

　　总之，信息技术正在改变原有社会产业结构和经济结构，改变人们的劳动方式和生活方式，改变社会生产组织和管理体制，成为决定生产力发展速度和经济竞争力高低的关键。这是当代工程技术发展的**为重要的特点。

　　与世界发达国家相比，我国的信息科学技术尚有较大的差距。我国目前还处于工业化阶段，能源和物质利用率低。例如，我国目前能源的有效利用率为30％，而发达国家为40～50％；我国钢材利用率为60％左右，而发达国家通常在80％以上。由此可见，我国目前的经济增长在很大程度上是资源消耗所推动，技术进步的推动作用还比较小。当然，这也说明我国经济增长的潜力很大，依靠信息技术、制造技术、新材料技术的进步，就能使我国经济持续地以较大幅度增长。

2．微观尺度生产领域制造技术的演进与革命方兴未艾

微观尺度生产领域制造技术主要涉及微电子技术、微机械技术和纳米级制造技术。

（1）微电子技术的发展，为信息技术革命提供了**坚实的物质技术基础

　　微电子技术已经历了大规模（LSI）、超大规模（VLSI）、特大规模（ULSI）集成时代，并于1995年进入吉规模（GSI）集成时代。“吉”是千兆或十亿的意思，即集成度达到256兆位动态随机存贮器，在350平方毫米的芯片上集成5亿个元件。已上市的这种产品为大于600万个元件，相应的微细加工尺寸为0.35微米。这种情况还在继续，预计上千万个元件、微细加工尺寸达到0.25甚至0.16微米的芯片不久即可上市。半导体材料的发展由**初的锗到硅再到砷化镓，生产制造工艺经历了平面型工艺，分层工艺，图形产生（光刻）以及硅平面型技术的标准工艺和集成电路经济规模的生产制造工艺的演进过程。

　　计算机已经改变了人类社会的面貌。推动这场正在进行中的革命的动力就是微处理机。由于生产制造工艺的不断进步、创新，从大规模集成电路芯片研制成功的25年以来，其集成度每隔18个月就翻一番，而每隔3年就能以同样的价格买到性能比3年前高4倍的芯片。这种状况似乎是罕见的。然而，随着微细加工尺寸达到深亚微米，目前使用紫外线刻制电路的光刻技术会出现一些技术障碍（**高分辨率受到光线波长的限制）。转用X射线来生产集成度更高的芯片，制造工艺装备更新又将要求巨额投资。因此，不少科学家预测，今后微电子技术的发展从本质看将是渐进性的，而不再是革命性的。即便如此，到2020年，大规模集成电路芯片仍将使微处理机的软件发生革命性变化，其计算能力十分惊人。

（2）微机械技术会像微电子器件一样给社会带来深刻影响

　　微机械技术是指在几厘米以下及至微米尺度上制造微机械装置。研究者们利用微电子材料和工艺制作了微型梁、槽、齿轮、薄膜和微马达。这种马达可用来移动原子或开闭阀门抽取微升量级的液体。像晶体管一样，这些微米级机械可同时制作上百万个。

　　电子计算机和集成电路威力巨大，但究其实质，只不过是对电子的运动进行通断控制。在今后50年中，微机械装置将为电子系统提供通向外部物质世界更加直接的窗口，使它们可以感受并控制运动、光、声、热及其他物质作用。

　　微机械与电子系统的结合（被称为微机电系统），将在众多的科学和工程领域取得巨大的技术进步，使得各种各样的微型装置得以面世。例如，美国加州大学的一个工程师小组想要展示一下微机电系统**终是如何影响空气动力学设计的，他们概述了替换机翼的相当大的活动表面的技术概念，计划在翼表面镶上几千条150微米长的平板，静止时它们平铺在机翼表面；加电压时，平板一端从表面升起（**大角度达90°），因而能控制流过机翼横截面的空气涡流。传感器可以监测机翼的高速气流并发出信号以便调节平板的位置。这些活动的平板（即作动器），具有类似于常规飞机巨大襟翼微观改型相同的功能。翼面控制的微调将使飞机转弯更快，飞行更平稳，并且因飞行效率更高而节省燃料。由这种“灵巧蒙皮”获得的附加气动力控制能力，可能导致飞机设计的根本性变化：去掉襟翼、舵甚至机翼，使飞机从“带翼圆柱体”变成“飞翼”。

　　**集成微型仪器的原型已可以探测局部地区和遥远地区的环境。**集成微型仪器将引起航天器和航天系统技术的深刻变革，将可能产生重量小于0.1公斤的纳米卫星。用五六百个这样的卫星覆盖全球，完成监视和信息转发；再用无人机等撒布神经系统、植入了微机器人电子失能系统的昆虫去进行侦察、破坏甚至杀伤……胜似神话，不是神话。

（3）纳米级制造技术将是微观尺度生产领域另一惊人发展

　　纳米技术是指在0.1～100纳米（10-9米）尺度上研究和利用原子和分子结构、特征及其朴素作用的高新技术。它的**终目标是直接以分子、原子在纳米尺度上制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。自1990年3月在美国召开世界上首次纳米技术学术会议之后的短短几年间，这个领域取得了日新月异的新成就。研究者们认为，作为纳米技术重要组成部分的纳米电子学，将是纳米技术发展的主要动力，它将立足于**新的物理理论和**先进的工艺手段，按照全新的概念来构造电子系统，超越传统的极限，实现信息采集和处理能力的革命性突破。例如，有关专家估计，利用纳米技术将可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径为0.3米的硅片上。

　　微米级制造工艺包括光刻、刻蚀、淀积、外延生长、扩散、离子注入、测试、监测及封装。纳米级制造包括微米级制造中的一些技术的延伸，如X射线、电子束、离子束刻蚀，但也包括对材料进行原子量级的修改与排列的技术。目前这种技术仍处于实验室研究、开发阶段。

　　纳米技术的另一诱人研究方向是发展分子器件和生物器件。自然分子机器（如核糖体）的普遍存在导致人们设想人工分子机器，像分子装配机器、基于分子装配的复制、机械纳米计算机和细胞修复机器等。更重要的是，生物分子制造物质的真正优点是它们能自我组装。研究人员希望未来能研制出由单个分子组成连线和晶体管的分子电路，**终是实现分子电脑。

　　在纳米技术中，纳米电子学与纳米生物学既相互联系又相互促进。**近，用原子力显微镜对DNA（脱氧核糖核酸）分子链上的任何确定部位进行了分子切割。这类手术再结合分子操纵，是迈向在纳米尺度上改选基因的重要进展。**代分子机器是生物系统和机械系统的有机结合体；第二代分子机器应是能直接从原子、分子装配成有一定功能的纳米尺度的装配装置，第三代分子机器将是含有纳米计算机的、可人机对话的并有自我复制功能的纳米装置。分子机器一旦研制成功，它能在1秒钟内完成数十亿个动作，用足够多的分子机器就可以在几秒钟或几分钟内完成现在几天或几个月才能完成的工作。

3．材料技术成为不同工程领域产业化的共性关键技术

　　当代每一项重大新技术的出现都有赖于新材料的发展。对国民经济、国防和现代科学技术具有重要作用的半导体材料就是一个明显的例证。

　　据美国商业部1990年发表的一个报告预测：到2000年，全世界包括超导体、先进半导体器件、高性能计算机、新材料等12项新技术的世界市场总营业额将达到1万亿美元，其中各种新材料将达到4000亿美元，占40％。

　　目前世界上已有传统材料几十万种，而新材料的品种正以每年大约5％的速度在增长。90年代新材料的发展方向是高功能化、超高性能化、复合化和智能化。

材料技术的发展趋势归纳起来主要体现在以下两个方面：

　　一是功能材料的小型化、信息化。功能材料的使用性能主要是光、电、磁、热、声等功能性能，它是各种高、新技术蓬勃发展的基础和先导。例如，目前硅材料仍是大规模集成电路的基石。然而，由于砷化镓有更高的禁带宽度，其器件可用于更高的工作温度，运算速度比硅器件高好几倍。因而砷化镓比硅更有发展前景。而且，用砷化镓材料研制的器件具有重要的光电效应，可使其成为激光光源，这是实现光纤通信的关键。更重要的是由于原子及分子量级加工技术的发展，如分子束外延（MBE）、金属有机化合物汽相外延（MOVPE）、液相外延（LPE）等方法，可将两种（或两种以上）不同半导体（或同种半导体的N型和P型）极薄层交替排列组成周期阵列超晶材料。例如，在砷化镓基片上，把镓、铝、磷、砷等相结合为多层堆积，通过不同掺杂，达到控制能带结构、带隙、能态密度、光学吸收系数、折射率等多种参数，从而获得多功能材料。这些具有优异的电、磁、光、声或超常的力学、热学性能的新型功能材料，种类多，用途广且自成体系，对信息技术及其新兴产业的发展起到了极大的推动和催化作用。

　　信息材料中还包括敏感材料、光导纤维材料、信息记录材料等，它们分别是信息探测传感器、信息传输和信息存取必不可少的材料，在民用和军用方面都大有可为。

新能源材料有光电转换材料、超导材料、高密度储氢材料和高温结构陶瓷材料，它们是为开发新能源而研制成的。例如，光电转换材料中，国外非晶硅薄膜于1990年在不聚集时的光电转换率达23％。

　　二是结构材料的复合化。结构材料在产业化中一直发挥至关重要的作用，从日常民用和工业、建筑，到汽车、飞机、卫星、火箭等，所有这些均以某种形式的结构构架获得其外形、大小和强度。今天汽车用的大部分结构材料为钢，飞机为铝合金，它们有其自身确定的强度／重量比值，强度的大小直接与重量有关，这在工程设计上是矛盾的。当代新型结构材料的发展表明，追求高强度、高模量、耐高（低）温和低密度材料的方向就是结构材料的复合化。目前所谓的先进复合材料，一般是指具有比强度大于4×106厘米和比模量大于4×108厘米的结构复合材料。

　　结构复合材料由能承受载荷的增强体和能连结增强体成为整体材料，同时又起传递力作用的基体构成。增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物等，基体则有高聚物、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。通过复合工艺组合而成的这些新型材料，既能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能，还可以通过材料设计使各组分的性能互相补充，从而获得优越的性能。以飞机为例，军用飞机已在承受轻载的结构中采用了复合材料；**近投入使用的波音777客机的结构重量中，9％是由复合材料制作的，相当于波音757和767客机的3倍。今后10年内，飞机结构设计师将与材料学家共同来降低机身和机翼的重量，一种很有前途的材料是铝锂合金，与铝合金相比其密度较低，强度更高，正因为如此，欧洲空中客车公司的A330和A340客机，其机翼前缘段就采用了铝锂合金。据报道，Alcoa公司还正在研制一种新的铝锂合金，其抗裂韧性要比现代的铝合金提高1／3以上。

　　复合材料设计中的仿生技术也是近来发展较快的一种技术。生物体（或生物材料）绝大多数是复合材料。以竹为例：管状纤维分散于基体中，由表面到里层——由细、密到粗、疏，分层螺旋状交替排列。另一例是鲍鱼壳，它是一种陶瓷基复合材料，由多层交错的碳酸钙（95％）和已知是控制碳酸钙生长的一层蛋白质薄膜（5％）组成。其断裂韧性比单块碳酸钙高10倍。人们按照这种结构由碳化硼和铝薄层构成的高温陶瓷仿制品，其断裂韧性比普通化硼—铝陶瓷合金高4倍。

　　材料发展中的一种新趋势是结构材料和功能材料的互相渗透，即结构材料的多功能化和功能材料的结构化。这正是材料发展中的综合集成。

　　除了上述材料技术两个方面的发展趋势外，还有以下两点值得注意。一是高温氧化物超导体的发现和进展。1986年，伯诺兹和缪勒发现临界温度为35K的镧钡铜氧化物超导体，在科技界引起巨大反响。不久液氮77K温区钇钡铜氧化物超导体被发现，随后短短几年内共找到100多种氧化物超导体，其中临界温度**高的已达135K。虽然这种高温超导机制还有待深入探讨，但在应用研究上已取得不少重要进展。例如，现在已可以制造长度超过1公里的氧化物高温超导体长线，其临界电流密度超过每平方厘米1万安培。预期在继续研究克服若干技术、工艺障碍后，这种高温超导材料可在输电和磁悬浮等技术方面得到应用。

　　另一前沿领域是纳米材料，即晶粒尺寸一般为10～100纳米（10-9米）的材料。由于晶粒尺寸减小，其比表面能变化，使其对光、电、机械应力作用的反应能力与微米级、毫米级晶粒有很大不同，用纳米材料制造的成品具有一系列优异性能。例如，由纳米晶粒制成的铜，强度比通常的铜制品高5倍；纳米陶瓷制品与通常的陶瓷相比，能抗破裂。近年来国外已建立有专门经营纳米材料与技术的公司。存在的问题是纳米材料制备技术的产率还有待改进、提高。

4．生物技术为农业、医药、化工、环保和国防的发展带来重大变革

　　生物技术是应用于有生命物质的技术。可分为传统生物技术和现代生物技术二大类。人类几千年来使用的酿酒、制酱、育种等是传统生物技术。近20年来，随着与生物技术相关的众多基础理论和技术以及试验手段的发展，传统的生物技术逐步走出被动、低效的状态，而发展成主动、高效的现代生物技术，步入高技术领域。

  　传统的生物技术因应用对象、目的的不同而分为发酵工程、细胞工程、酶工程和遗传育种工程几大发展领域。现代生物技术，按照现代高技术丛书《生物技术》卷编著者们的表述，是指运用现代生物科学、工程学和其它基础学科的知识，按照预先设计，对生物进行控制和改造，或模拟生物及其功能，用来发展商业性加工、产品生产和社会服务的新兴高技术领域。在现代生物技术中，有两项尤为引人注目，即基因工程技术（也叫DNA重组技术）和蛋白质工程技术。前者是随着生物学特别是分子生物学理论的发展和当代各种尖端技术在生物领域的运用而诞生的一种具有划时代意义和战略价值的高技术。它的产生彻底改变了传统生物技术的被动状态，使得我们能够按照自己的意愿改造生物种属。

         世界上至少有200万种生物种属，生命现象的表现形式虽各不相同，但构成生命的物质基础都是一致的，即都是蛋白质、酶、核酸等大分子。生物种类之所以不同，就在于组成细胞中主要遗传物质DNA的基因不同。正由于此，有可能通过改变生物的基因组成，人为地改变生物的遗传特性，按照人的需要创造新的物种。

        改变基因组成可以采用二种方法。一种是将不同生物体内的DNA分子取出，进行体外加工，构成新的重组DNA分子，然后再放回受体细胞内，使外源基因得到表达。这就是“基因工程”技术。另一种是通过移植染色体或细胞核，而达到转移基因，从而改变生物基因组成的目的。这就是“细胞工程”技术。通常将这二种工程技术称为遗传工程技术。

        蛋白质工程于本世纪80年代初发展起来，它起源于细胞中RNA（核糖核酸）催化作用的发展。这一发现表明，RNA不仅是携带遗传信息的分子，也是一种生物催化剂。可借助现代科学技术手段，如计算机图像显示和辅助设计等，提出新分子设计方案，以获得全新的蛋白质。

         运用以基因工程为主导的现代生物技术可使许多领域产生前所未有的变革。例如，可为人类生产出各种动物蛋白、激素药物和抗病疫苗；可为谷物类植株根部固氮，从而大大提高粮食产量；可从根本上治愈各种遗传病；可逐步解决环境问题；还可使一些生物产生甲烷、氢气等可燃性气体，增加石油产量等等。

         至今，生物工程应用于工业化生产的，主要是微生物。微生物具有比表面积大（代谢活性强）、转化能力强、繁殖速度高（20分钟一代，24小时可繁殖成4×1020个）、变导与适应性强、分布范围广等优势。应用于能源工业，通过微生物发酵或固相化细胞或酶的技术，可将绿色植物秸杆，木屑，工农业生产中的纤维素、半纤维素、木质素等废弃物转化为液体和气体燃料（酒精和沼气）。应用于冶金工业，发展出了细菌冶金技术，如利用氧化亚铁硫杆菌的氧化作用，可从含硫、砷矿化物的金矿石中除去硫、砷，浸取黄金。据报道，加拿大建有日处理100吨含金矿石的工厂，提取率近100％；还可利用某些微生物的聚集和吸附黄金的能力。

         用于化学工业，则产生了生物降解塑料技术。在一定条件下，如光、热、水分、氧等作用下，组成塑料的高分子链发生断裂，使分子量降低，伴随着机械强度、延伸率降低，到分子量足够低时，**终能被微生物所利用，这个过程称为降解。新型生物降解塑料可彻底消除由塑料薄膜引发的“白色污染”，具有价格低廉、不污染环境等优点，是替代不可分解的塑料的理想产品。

        生物降解塑料主要有两类：一类是用生物或化学合成方法合成聚合物，如PHB（聚3-羧基丁酸酯）、PLA（聚乳酸）、PCL（聚乙丙酯）等。性能好，但价格昂贵。另一类是用天然产物（淀粉、纤维素、多糖的衍生物）与合成树酯的共生物。原料来源广泛，价格低。比如，“百康”淀粉基降解塑料，由玉米淀粉、合成树酯、淀粉改性剂、增容剂、可逆交联剂和降解促进剂等添加剂，用双螺杆挤出机，经过熔融、混炼，形成共聚共混物。使用后废弃于土壤、垃圾等微生物较丰富的环境中，淀粉**被微生物降解。据报道，该产品已远销台湾、泰国、日本、美国。

        目前降解塑料只是刚刚兴起，生产量、使用量尚微乎其微。全世界每年包装业消耗塑料3000多万吨；若30％用降解塑料，则需近1000万吨，市场前景广阔。

        目前还出现了一种所谓“EM生物技术”。“EM”是“有益微生物群”（Effective Microorganisms）的英文缩写，用它萃取的“EM”粉（液）可降解土壤中化肥、农药残留的有害成份，不仅有助于作物增产，而且可避免环境污染。“EM”中有一种可能生存于700℃以上高温环境的微生物，将掺有这种微生物的粘土烧结成“EM陶瓷”，制成汽车油箱、发动机缸体的内衬，可以明显提高燃烧效率，减少尾气排放，净化城市空气。含有“EM陶瓷”的再生塑料可用于加工能自行降解的保鲜袋，里面的大米可在4年内无虫蛀、不霉变。

        生物技术也有广泛的军事用途。例如，开发生物传感器，提高对毒剂、炸药和麻醉剂的实时探测与识别能力，提高非声水下探测能力；研制特种生物材料，如单兵或集体防护用的自消毒材料的催化聚合物等。

        总之，生物技术的冲击波将改变各种产业结构，改变整个工业、农业、医药业的根本面貌，甚至将使政治、法律、伦理观念和人类文明产生新的变革。

5．综合集成在工程技术**终转化为生产力过程中发挥着关键作用

         当代工程技术发展的另一重要特点是，综合集成在工程技术转化为生产力的过程中发挥日益重要的作用，也是工程技术转化为生产力过程的**终的、**为关键的环节。综合集成可以弥补单元产品的不足；更重要的是，综合集成可以使原有的工业界限或极限不断得到突破。当代工程技术的竞争更多地体现在综合集成上。综合集成既是一门工程技术，也是一门艺术。综合集成是我们面临复杂工程系统挑战的工具，是方法论，也是实现工程技术向现实生产力转化的重要手段和途径。

综合集成包括以下几方面的工作：系统工程，软件集成，综合集成演示，科学的计划管理。

         综合集成的事例很多。如柔性制造系统（FMS）可以把若干台数控加工系统、物件搬运系统、上下工件系统（回转式转盘和工业机器人）、立体仓库、优化调度（信息控制）系统综合集成在一起，形成较完整的生产体系。它能自动完成加工、装卸、运输、管理，具有监视、诊断、修复、自动转换加工产品品种的功能，并具有一定的柔性和灵活性，适合于多品种小批量生产。

        80年代开始出现的计算机集成制造系统（CIMS），又进一步将计算机辅助设计（CAD）与制造（CAM）、柔性制造单元与系统（EMS）和管理信息系统（MIS）综合集成起来，以适应市场竞争中多变化的需求，获得多品种、中小批量产品生产的高效益。

         90年代又出现了并行工程（Concurrent Engineering）工作模式，对产品及其制造过程和支持过程进行并行、一体化设计、运行与管理。这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全寿期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。它是一种新的系统工程管理方法，要求在产品开发的全过程中加强各部门之间的协同与合作，按并行方式而不是串联方式进行。它利用先进的计算机辅助工具，通过大量信息和数学仿真的综合集成，分析和预测产品开发全过程中的问题和“瓶颈”，并预先采取措施，从而达到质量、成本、进度和用户需求。

        在军事领域里，武器平台和收集、处理战场信息情报的电子信息装备的大规模结合，是一项极大的系统综合集成任务。这样一种大规模的系统综合集成，是商业世界前所未有的。在美国国防工业独领风骚的那些公司，正是**的系统综合集成商，而不仅仅是制造者。综合集成方法的实质是把科学理论和经验知识结合起来，人脑思维和计算机分析结合起来，个人决断与群体结合起来，发挥综合系统的整体优势。这对于作战指挥具有重要意义。

        90年代末以来，国外许多大企业在R＆D领域与其他企业结成技术联盟，分工协作，风险同当，利益共享，走共同技术创新的道路。如在“信息高速公路”技术方面，日本电气、东芝、日立和索尼等与美国太阳微系统公司、米普斯计算机公司、惠普公司等结成几十个技术联盟。在汽车生产领域，德国奔驰公司与日本三菱公司，日本丰田、铃木公司与美国通用汽车公司等的技术联盟。这种技术联盟就是综合集成在经营管理上的应用范例。

        对于综合集成的作用，国外一直比较重视。美国总统科技顾问及一些科学家提出：为了继续确保美国在工业上的**地位，出路在于“综合集成”。德国《经济周刊》1994年1月14日刊登了一篇题为“系统时代”的文章，讲到德国提出开发新技术不是只搞几项高技术，而是要系统配套，才能真正发挥作用。

 

二、应引起重视的几个问题

         以上主要从技术的发展线索上，概括论述了当代工程技术的发展趋势。工程技术要得以顺利发展，除了技术本身的不断进步外，还有社会的、经济的因素在起作用。因此，在持续不断地推动技术进步外，还应注意考虑并解决好以下几个问题。

1．可持续发展与保护全球生态环境

        1972年，国际上**的未来学研究团体罗马俱乐部发表了一篇叫做《增长的极限》的研究报告。报告的一个结论是：“如果在世界人口、工业化、污染、粮食生产和能源消耗方面按现在的趋势继续下去，这个行星上增长的极限有朝一日将在今后一百年中发生……”，“工业的增长，**迟在下一个世纪内一定会停止”。

        然而，70年代中期以来，美国、日本和西欧发达国家的经济并没有沿着《增长的极限》所预言的轨迹发展。按不变价格计算，1980～1990年，美国、日本和西欧国民生产总值（GNP）年增长率分别为2.97％、8.53％和1.02％。其中，工业产值年增长率分别为2.66％、4.07％和1.61％。而同期能源消耗年均增加分别为0.49％、1.65％和0.17％。

        下面让我们来简单分析一下其中的原因。传统的工业化经济，表征经济增长的GNP的增长与每单位GNP使用的能源量呈平行增长的趋势。《增长的极限》一书也是遵循这一基本思路的。然而，在信息化经济时期，伴随GNP持续增长的是：单位GNP的能耗不再增长。因此，可以将GNP的持续增长以及同时期单位GNP能耗降低作为经济发展新时代的一个参考性标志。美、日等发达国家的这个转折点大致发生在70年代末，其产业结构的特点是GNP中服务业产值开始超过物质产品业产值。进入80年代后，美、日、西欧GNP迅速增长，而单位GNP能耗则大幅度降低。目前信息技术无论对采掘业、制造业、建筑业和农业等物质产值，还是对商业、运输、邮电、金融等服务业产值都起着重要作用。一些发达国家已将信息技术逐步形成一个**庞大的产业体系，其产值的增长速度已大大超过GNP的增长速度。据报道，1984年美国信息类产品占非农业国内生产总值的比例已超过60％。1982年，全世界信息产业的产值为2370亿美元，1988年上升到4700亿美元，预计到2000年可高达35000亿美元。

        当代工程技术的发展，特别是信息技术革命，改变了《增长的极限》的预测，展现了一种与之不同的增长趋势。在稍后几年，罗马俱乐部的观点也有所变化。在其1977年发表的研究报告《超越浪费时代》中就得出了比较乐观的结论：在日益膨胀的世界人口的需要不断增加的条件下，只要适当地利用科学技术的**新成就，人类在能量、原料和食物三个方面遇到的大多数问题都能得到解决。

        罗马俱乐部创始人奥莱里欧·佩切依博士后来也表示，微电子学的出现“可能是人类历史上**伟大的革命”。罗马俱乐部主席亚历山大·金前不久指出：1988年是历史上的转折点。事实上，这时各国领导人已认识到邓小平同志英明论断“科学技术是**生产力”的正确性。

        改革开放18年来我国经济建设已取得重大成就，为举世瞩目。但目前还处于工业化阶段，**、二、三产业整体素质仍较低，经济增长在很大程度上是靠资源消耗推动。能源有效利用率，中国约30％，发达国家已达40～50％；水重复利用率，中国只有20～30％，发达国家近70％；钢材利用率，中国不到60％，而发达国家大于80％。从单位国民生产总值（GNP）的能源消耗（折合为吨标准煤／百万美元）看，美国为633，日本为399，印度为1548，而中国为3165。

        我国也是水资源贫乏国家之一，分布极不均匀，节水措施又很不得力。有些地方大量开采深层、难于再生的地下水资源，后果将是严重的。

        就全球范围而言，能源的合理开发、利用，仍是非常重要的课题。一次性能源——煤、石油、天然气仍将占主要地位。但必需采取措施，保护生态环境。同时，要积极开发核能以及太阳能、风能、海洋能、生物能等新能源。

        在核能利用领域，要大力改进现有成熟反应堆型的安全性能，实行模块式制造生产以缩短建设周期、降低成本和建设费用；同时还要积极研究、开发“洁净”核能系统，使它所产生的放射性废物、特别是其中的长寿命裂变产物和少量锕系元素在系统中被“嬗变”为短寿命或稳定核素。其中由不少科学家再次提出有发展前景的一种，是加速器驱动的次临界装置，由中能（1-1.5Gev）、强流质子加速器与次临界装置（热中子或快中子）相耦合，结合“原址”的放化分离流程所构成。

         对有效利用能源、实施可持续发展等课题，各国科学家已有许多论述。在这里仅举一两例。

        美国科学家Robert A.Frosch在《21世纪的工业生态学》一文中提出：“一种干净而有效的工业经济，将是能模仿自然界具有材料（原料）再循环利用能力、同时又产生**少废弃物的经济。”因而，不仅在设计一种产品时要考虑制造、装配工艺，还应加上分解、再循环、适应环境等的设计。

        这种思路，不仅是个设计、制造技术问题，而且也是个综合集成问题（例如企业集成）。

        从自然界的生态系统看，一种生物体的废弃物，常常是另一种生物体的可用原料与能源。例如，微生物消化、分解工业有害废物，种庄稼施有机肥。

        德国环境保护部部长Henrich Von Levsner认为，21世纪的科技进步，对全球生态环境保护至关重要。能源的产生与转换是其中主要问题之一。德国可能在这方面作出重要贡献。例如，即使在欧洲中部地区，住房所需能源也可全部从太阳能获得。

        在淡水的高效利用方面，德国的纺织工业已采用设备对工业废水过滤，经过滤后的水和过滤器内收集的化学添加剂均可再循环使用。不仅对改善环境有帮助，而且一年半时间就可回收设备投资。

        有鉴于过去忽视环保、污染后再处理，既浪费钱又有害于社会的教训，德国21世纪的战略是：尽**大可能防止这种状况的出现。不得不产生的废物将受到严格限制，不允许对子孙后代构成危害。例如，对废物进行低温炭化热处理和高温下焚烧的处理方法，很快将在德国应用。

        同时，制造商要将产品生产过程中发生的废弃物减到不可再少的程度，采用“接近**后尺寸的制造”。制造商要从法律上和经济上负责其产品的**终可处置性。

2．经济可承受性与效费比高，是开发高技术产品的重要条件

（1）民用商品，正在实现这一要求

        民用商品一方面要适应社会的需要，另一方面也必须以适当的、消费者可能承受的价格向社会提供。在商品投放市场初期，由于尚未被消费者所认同，一般产品批量不是很大，生产费用较高，因此效费比较低；但随着市场的开拓，必须以**大的努力来提高其效费比，把价格降到广大消费者能接受的水平。这里，市场预测及经济核算在开发高技术产品之前是至关重要的工作。

        Motorola公司称已研制成功迄今为止世界上**小的和**轻的移动电话，这就是该公司的StarTAC。它仅有目前的寻呼机的大小，重3.1盎司，使用者可连续通话一小时。但它的价格很高（2000美元），因而目前使用的人并不很多。

        轿车是支柱产业之一，应否尽快发展，在我国尚有争议。从技术上看，发展方向可能是有利于环保的电动或电动／小功率内燃机驱动组合。上海科峰电动车公司和连云港江苏省太阳能研究所联合研制的“中国一号”太阳能电动轿车，用10个蓄电池和太阳能电池驱动，**高时速达到88公里。北京有色金属研究总院与北京工业大学、清华大学等单位共同研制的固体镍电池安装在小轿车上使用，时速可达112公里，充一次电可行驶121公里。但由于成本太高，经济上目前还未能达到消费者所能承受的地步，因此还不能大量推广。

        可以预期，随着技术水平的不断提高以及广大消费者的日益认同，这几种产品终究可以达到经济上的可承受性及合理的效费比，从而占领市场。

（2）某些高技术的开发也从过去只重视水平和能力转向强调经济可承受性

        这方面在航天产品研制中尤为突出。航天技术既是综合性的高技术领域，也是耗资巨大的技术领域。一方面运载火箭是一次性使用，卫星发射费用巨大，另一方面卫星的技术越来越复杂，造价越来越高，且研制周期长，风险大。因而限制了航天技术本身的发展。

        冷战结束后，各国政府迫于财政困难，对本国航天的经费投入呈减少趋势。在这种新形势下，过去那种由政府投资、单纯强调产品性能、忽视经济效费比的传统做法正被逐步抛弃。要继续发展和应用航天技术，就必须从观念上强调效费比，实现实在的产业化。

这种观念的转变，反映在以下三方面：

①改变卫星的传统设计思想，发展经济实用的小卫星。随着微型计算机、微电子、微机械、高精度机械加工、轻型材料、新工艺等高新技术的发展，小卫星应运而生。所谓小卫星是指重量小于500公斤的卫星，其设计思想是简单化、功能单一化，其基本意义在于增加容量、确保性能、减少体积和重量、降低成本和风险。它具有重量轻、体积小、研制周期短、成本低、性能好等特点，政府、公司、大学和研究所等单位都可以参与研制和经营，因而易于实现卫星应用技术的产业化，并且正在实现产业化。

        小卫星所具有的优点，决定了其特别适于在局部战争和突发事件中用于对战场和事发地区进行短期监视、跟踪与通信。俄罗斯已经把小卫星作为实用型战术通信卫星，每年至少发射15～20颗。美国继海湾战争期间应急发射两颗低轨道通信小卫星之后，目前正抓紧研制这类小卫星，供美国三军通信指挥使用。战术成像小卫星（如“观测镜”-［Eyeglass］）的地面分辨率可以到米级，覆盖宽度几十到几百公里，相当于过去大型侦察卫星，而整星重量在200～300公斤，工作寿命可长达5年。

②变革卫星制造方法。美国Motorola公司以其高度竞争性的电子生产线而**于世，该公司正在通过“铱”星计划推进卫星制造方法的革命。“铱”星系统由66颗低轨道卫星构成，准备从1998年开始提供世界范围内点对点无线通信服务。该计划完全是一种商业风险计划。按照传统的单件生产方式，同一时间只能制造两颗卫星，每颗卫星的生产周期大约为一年；Motorola公司采用流水线作业方式，在同一总装生产线上制造60-70颗卫星，每颗的生产周期仅为21天。国外分析认为，“铱”星计划所采取的卫星制造方法如果获得成功，其意义就像亨利·福特当年发明汽车自动生产线一样重大。

③发展更经济的卫星运载工具。高额的航天运输费用是制约航天技术发展的另一个重要因素。因为对任何实用型航天系统的基本评价原则是可靠性和费用——它决定着商业服务的成败。用户**感兴趣的是可靠性和合理的发射费用，其次才是有效载荷容积和技术先进性。目前的航天运输系统主要是一次性使用的运载火箭，操作复杂，费用昂贵，发射准备时间长达数月，所需地面工作人员成千上万。在设计思想上，传统的做法是优先考虑性能，追求**大有效载荷，仅在运载器设计完成以后才对每次发射费用作**后的测算。而现在则不一样了，费用变得比性能更为重要。以降低费用、谋求像飞机那样运营为目的，以简化操作、硬件重复使用为手段的可重复使用航天运输系统，在一开始设计时就把每次发射费用作为运载器概念设计和选择的主要准则，吸引了众多的私营公司竞相参与，为航天产品的产业化铺平道路。预计这种转变在不久的将来可开始实现。

        总之，小卫星设计概念、卫星制造方法的变革，以及可重复使用的经济的卫星运载工具，正在打破过去航天产品单纯追求性能而不重视效费比的传统观念，给整个航天技术的发展注入了新的活力。

（3）重视发展两用技术，以实现国家对技术投资的高收益率

        在工程技术迅速发展的今天，“军用”、“民用”的界线已变得越来越模糊。一方面，现有绝大部分军用技术都有潜力用于民品生产，为发展经济服务；另一方面，随着工程技术的发展，民用市场上也有更多的质优价廉的产品适合军事装备的需要。这表明，过去那种把为军事目的发展起来的新技术完全禁锢在军事应用的做法，已变得越来越不可取；现在则要求军事部门在开发新的军事工程技术之初，就应当考虑到该技术的民用前景，使之尽快转化为两用产品。过去那种什么都得从头做起、另起炉灶搞一套的做法同样也变得越来越不可取，现在越来越有可能充分利用民用技术的成果及其产品。正是这种观念上的转变促使世界各国越来越重视开发军民两用技术。

        当前，科学技术实力已经成为决定国家综合国力强弱的重要因素，加速科技发展，提高科技竞争力，已成为各国普遍采取的战略性措施。在此形势下，许多发达国家（如美、日、英、法等）竞相把发展两用技术作为国防科技发展的重要技术政策。加强两用技术的发展，可以促进国防和经济的协调发展，既有利于加强国防科技工业基础，又有利于增强国家经济实力，也是我国需要长期坚持的一项重要技术政策。

        美国先期研究计划局（ARPA）1994年4月提交众院预算委员会的报告中称：几年前我们的计划都毫无例外地集中于先进的能力。今天，我们的重点主要集中于经济可承受能力，着重发展制造技术和工艺以降低费用。

3．深化改革，重视发挥人和管理的作用

       江泽民总书记在1995年5月全国科技大会上的讲话指出：科技工作要始终把经济建设作为主战场，把攻克国民经济发展中迫切需要解决的关键问题作为主要任务。党中央、国务院《关于加速科学技术进步的决定》中提出：当前，要大力加强农业科技工作；要加快传统产业的技术改造，特别要重视用现代技术武装基础产业和支柱产业，加速实现经济和社会管理的信息化、自动化和智能化；要积极发展高技术，实现产业化；要十分重视解决环境保护、资源合理开发利用等社会发展领域的科技问题。

       八届全国人大四次会议审议通过的《纲要》又一次明确提出：加大科技体制改革力度，加快改革和建立科研、开发、生产、销售紧密结合的机制，特别是切实“加强科研院所、高等院校和企业之间的联合与合作，推动以技术开发为主体的科研院所进入大型企业集团或转化为高技术企业，……努力使企业成为技术研究开发的主体。”

       现代科学、技术、生产日益结合为统一体系，促进了科研、设计与生产部门的结合，产生了一种新型的组织形式——科研生产联合体。其主要任务是不断创新科技产品、提高产品的科技含量，缩短新技术的研究与应用周期，加速产业部门的科技进步。它一般包括从理论研究到生产应用各个环节的科研、设计和生产部门。它们通常以工业研究机构为核心，根据担负的不同任务选择组成单位，如科研、设计、工艺机构、实验室、实验厂、批量生产厂、调试和安装部门等。这些单位通过共同的目标联合在一起，完成理论探索—新技术研究—生产应用的全过程。为促进这种结合，国内已有不少城市组建了起“孵化器”作用的工业科技中心。

        1993年组建的香港工业科技中心公司（HK Industrial Tech-nology Center Corporation）就属于这种性质，它在实现科技转移、转化及服务方面进行了积极的实践，取得了良好的效果。该公司的宗旨为协助香港工业界从劳动密集转型为科技密集。两年来已进行3项计划：（1）培训，即孕育从事开发高技术的企业，提供多种商务服务，以降低其开支成本，并提供有关市场扩展，财务、科技与管理的专业顾问与中介服务；（2）科技转移，产、学、研结合；（3）研究与开发的支援及服务（应用软件开发、多媒体、集成电路芯片设计等）。

       要发展科学技术，加速科技进步，关键在于人才。谁培养并拥有**优秀的人才，谁就能在未来的竞争中取胜。西方各国都十分重视科技人才的培养及引进，在世纪之交，纷纷对20世纪、尤其是二战以来的国内教育体制进行认真的总结，学习其他国家在教育上的优势与经验，研究改革的方向与措施，以达到优化人才培养机制的目的。我国也有许多教育界、科学技术界的人士十分关心这个问题。

在工程科技人才培养与教育改革方面，有以下几点应引起注意并认真进行探讨：

（1）当今的科学技术发展十分迅速，新技术、新设备不断涌现。人才培养尤其是工科教育必须适应这种情况，学校教育要注意不断用新的知识和理论来武装学生；但又切不可忽视学生对基础科学课程的学习和掌握，因为这是培养自主创新能力所不可缺的。另一方面，知识的更新、新技术的掌握，也不可能全都依赖学校，而应通过对于工程技术人员继续教育和在实践中自学来解决。

（2）当今科学技术的发展，不同学科相互渗透的趋势日益明显，在教育及人才培养中对复合型人才的需求也在增长。例如，为发展分子器件、纳米生物学等，要求骨干人才既懂得生物技术又懂得微电子学；在开发CIMS及FMS时，要求主要人员既是机械制造与自动控制方面的专家，又熟悉和掌握生产管理的知识。教育界要为企业与科研部门培养更多的各类复合型人才，以适应这方面的需要。另一方面，即使复合型人才具有较宽的专业知识面，也不可能对新技术所涉及的各有关领域的知识都掌握，还必须提倡各种不同专业类型人才的配合与互补，实行科研人才上的综合集成，大力倡导并积极创造有利于人才结合的机制。

（3）在培养人才中，要重视利用信息技术创造出来的新的教育媒体与工具。比如，多媒体的计算机辅助教学系统（CAI），INTERNET，交互式广播电视网等，以提高教育的效率、效果。

        另外，当代工程技术的发展与现代科学管理和管理科学的发展息息相关。它们相互渗透，相互促进，相辅相成。

       人类在从事生产斗争的漫长历史进程中，从早期的经验管理，到20世纪初的科学管理的理论和方法在实际中应用，发展到今天，把科学管理原理与战略、战术、方针、政策等的研究结合起来，加上利用电子计算机等**新的科学技术成就，逐步形成了一门新的科学，即管理科学。工程技术的发展需要科学的管理，更需要对复杂的系统工程进行科学的综合性的管理。

        邓小平同志在南巡讲话时指出：“社会主义要赢得与资本主义相比较的优势，就必须大胆吸收和借鉴人类社会创造的一切文明成果，吸收和借鉴当今世界各国包括资本主义发达国家的一切反映现代社会化生产规律的先进经营方式、管理方法。”江泽民同志号召“我们不但要大力培养各类科学技术人才，还要注重培养善于进行现代经营管理的各类专家”。朱镕基同志在1997年7月召开的管理科学学科发展座谈会上讲话，对国家自然科学基金委员会管理科学组升格为管理科学部这一举措给予了很高的评价，并强调指出：科教兴国，包括自然科学和社会科学两个方面，当然也包括了管理科学；要大力宣传加强企业的经营管理，要大力提倡振兴中国的管理科学，要总结中国管理实践的经验。遵照这些重要讲话指示精神，在走向21世纪的今天，需要我们各级领导干部在努力学习现代科学技术知识的同时，积极学习并逐步掌握现代科学管理方法，用现代管理理论来指导实践工作，以进一步提高管理、决策水平。

        当代工程技术的发展，已改变了人们生产和社会生活的许多方面。可以预期，随着工程技术的进一步发展，人类将创造一个更加美好的明天。我们相信，在党中央、国务院的正确领导下，我国工程技术界将努力拚搏，提高我国工程技术水平，为实现我国跨世纪的宏伟蓝图作出更大贡献。