韓瑞+馬帥+閆科穎+趙長(zhǎng)海

摘 要：現(xiàn)代機(jī)電裝備在不斷追求高效率、高精度、高品質(zhì)和幾線(xiàn)功能的進(jìn)程中，催生了一系列結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況極端、信息融通、高效節(jié)能和精確穩(wěn)定的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的功能日益豐富，載有的物理過(guò)程更趨極限，系統(tǒng)內(nèi)各種物理過(guò)程的非線(xiàn)性、時(shí)變特征更為突出，過(guò)程之間的耦合、交融關(guān)系更為復(fù)雜，某些新的科學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律將在更深層次上“凸顯”出來(lái)，需要從系統(tǒng)集成的角度探索各種新知識(shí)、新原理和新方法。未來(lái)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)將不斷提升多學(xué)科知識(shí)融合、高新技術(shù)集成的水平。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)客觀上以裝備存在，其行為功能在集成演變中產(chǎn)生，有實(shí)效的研究最終應(yīng)結(jié)合實(shí)際裝備來(lái)開(kāi)展，服務(wù)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機(jī)電系統(tǒng)；中國(guó)制造；制造裝備；集成科學(xué)

1 復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)及內(nèi)涵

1）特點(diǎn)

現(xiàn)代復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)是機(jī)、電、液、光等多物理過(guò)程融合于同一載體的復(fù)雜系統(tǒng)，其共有特性至少表現(xiàn)在下面四個(gè)方面：

1.集成了多種高新技術(shù)的多功能復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，具有物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)深度高與寬度廣、多學(xué)科知識(shí)密集交叉與融合的核心特征。

2.系統(tǒng)由多個(gè)相同或不同層次的子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間通過(guò)耦合構(gòu)成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)整體。

3.系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性和開(kāi)放性，通過(guò)耦合和協(xié)同進(jìn)行能量流.物質(zhì)流與信息流的傳遞、轉(zhuǎn)換及演變，實(shí)現(xiàn)多個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，并形成系統(tǒng)的基本功能。

1.由于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)在功能、結(jié)構(gòu)、耦合關(guān)系和物理過(guò)程等各方面所具有的復(fù)雜性，表現(xiàn)出一般復(fù)雜系統(tǒng)的典型特征。

2）內(nèi)涵

系統(tǒng)集成是一種創(chuàng)造性的融合過(guò)程。只有當(dāng)各個(gè)物理和功能搖蘇經(jīng)過(guò)主動(dòng)的優(yōu)化、選擇搭配，相互之間以最合理的結(jié)構(gòu)形式結(jié)合在一起，形成一個(gè)由適宜要素組成的、匹配的整體系統(tǒng)時(shí)，這樣的過(guò)程才能稱(chēng)之為集成。因此，本文中復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)集成科學(xué)的內(nèi)涵是指：運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的方法研究復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的功能生成與躲屋里過(guò)程耦合機(jī)制，尋找和發(fā)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)集成、融合與演變過(guò)程的規(guī)律；從系統(tǒng)的角度研究機(jī)電裝備的“融合集成效應(yīng)”，從融合集成過(guò)程中的預(yù)期效果與實(shí)際差異中研究和發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)集成的復(fù)雜規(guī)律，從系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的奇異性中研究系統(tǒng)集成中的功能保障與突變機(jī)制；基于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)集成融合的新知識(shí)、新原理和新方法，逐步構(gòu)建復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的集成科學(xué)理論體系。

當(dāng)代科技發(fā)展趨勢(shì)表明，各領(lǐng)域各學(xué)科知識(shí)縱橫交錯(cuò)，相互滲透，多種知識(shí)和技術(shù)的融合集成已成為科技創(chuàng)新的重要模式。因此，在加強(qiáng)原始性創(chuàng)新的同時(shí)，積極調(diào)整科技創(chuàng)新的模式，從注重單項(xiàng)創(chuàng)新轉(zhuǎn)變到更加強(qiáng)調(diào)各種技術(shù)的集成，強(qiáng)調(diào)在集成科學(xué)基礎(chǔ)上形成有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和新型工業(yè)化國(guó)家的戰(zhàn)略需求。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)集成科學(xué)需要解決的多場(chǎng)、多過(guò) 程、多界面耦合及多尺度效應(yīng)等問(wèn)題，反映了當(dāng)代科技多學(xué)科深度交叉融合的發(fā)展趨勢(shì)，是機(jī)械與制造科學(xué)的研究前沿。機(jī)械工程學(xué)科也正在形成“復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的集成科學(xué)”，將“機(jī)械”設(shè)計(jì)提升到系統(tǒng)集成科學(xué)的層面，擴(kuò)大與深化設(shè)計(jì)的科學(xué)內(nèi)容，如界面科學(xué)、非線(xiàn)性科學(xué)和信息傳遞科學(xué)等；將傳統(tǒng)的注重“設(shè)計(jì)方法”變革為設(shè)計(jì)“機(jī)械”載有的物理過(guò)程如何經(jīng)集成演化產(chǎn)生機(jī)械功能；將模塊化設(shè)計(jì)變革為“物質(zhì)流-能量流-信息流全系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)”。從集成科學(xué)的高度構(gòu)建“設(shè)計(jì)-制造-運(yùn)行”由物質(zhì)流-能量流-信息流融合協(xié)同的理論體系，將促進(jìn)多物理過(guò)程耦合、多技術(shù)模塊協(xié)同、多幾何結(jié)構(gòu)選擇性增強(qiáng)、無(wú)奇異動(dòng)力演化的功能極端強(qiáng)化以及高性能、高智能、節(jié)能環(huán)保型復(fù)雜機(jī)電裝備的創(chuàng)新研究、設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

2 發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)的分析

1）復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和不斷增長(zhǎng)的世界人口使得人類(lèi)賴(lài)以生存的能源、環(huán)境、食品、住房、水資源、交通、健康等問(wèn)題日益突出，加速發(fā)展的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為人類(lèi)創(chuàng)造活動(dòng)提供了良好的基礎(chǔ)，為了創(chuàng)造更為精彩的未來(lái)世界，人們對(duì)高速度、高功效、高精度、智能化機(jī)電產(chǎn)品的需求從來(lái)沒(méi)有像今天這樣迫切。

復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的市場(chǎng)需求持續(xù)上升。節(jié)能環(huán)?；旧鲜撬鞋F(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)必須具備的特性，對(duì)于生產(chǎn)能源的機(jī)電裝備顯得尤為重要。節(jié)約型和新型能源裝備技術(shù)市場(chǎng)需求強(qiáng)勁。例如，風(fēng)能已成為世界上發(fā)展最迅速的綠色能源之一，被稱(chēng)為“未來(lái)的能源”。截至2008年年底，全球風(fēng)電總裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)了1.2億kW；2008年全球風(fēng)電增長(zhǎng)速度達(dá)到28.8%。中國(guó)風(fēng)電發(fā)展強(qiáng)勁，2008年連續(xù)第四個(gè)年度新增裝機(jī)翻番，已實(shí)現(xiàn)風(fēng)電裝機(jī)容量1324萬(wàn)kW，成為亞洲第一、世界第四、裝機(jī)容量超千萬(wàn)千瓦的風(fēng)電大國(guó)。

復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)分布高度集中。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)是高成本、技術(shù)密集型產(chǎn)品，容易出現(xiàn)“木桶效應(yīng)”。一些技術(shù)難度大、成套性強(qiáng)、需跨行業(yè)配套制造的技術(shù)裝備，其設(shè)計(jì)與制造涉及多個(gè)學(xué)科、多種技術(shù)，需要多個(gè)企業(yè)和部門(mén)聯(lián)合開(kāi)發(fā)制造，容易形成高度集中的產(chǎn)業(yè)鏈。例如，全球風(fēng)機(jī)市場(chǎng)由老牌制造商主導(dǎo)，僅維斯塔斯、通用、歌美颯、Enercon、Suzlon和西門(mén)子六家公司就占據(jù)了全球市場(chǎng)份額的70%以上。

2）復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

總體來(lái)說(shuō)，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)不斷挑戰(zhàn)技術(shù)極限；復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)不斷提升多學(xué)科知識(shí)融合、高新技術(shù)集成的水平。基于目前復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的研究進(jìn)展，可以預(yù)測(cè)未來(lái)機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：

（1）系統(tǒng)功能愈加豐富，速度和精度大幅提高，運(yùn)行工況進(jìn)一步極端化。

（2）系統(tǒng)智能化程度顯著提高，先進(jìn)機(jī)電設(shè)備能按照人的意圖進(jìn)行自動(dòng)控制和信息自動(dòng)檢測(cè)采集及處理，具備自凋節(jié)、自診斷和自動(dòng)保護(hù)等功能，甚至實(shí)現(xiàn)操作全自動(dòng)化和智能化。

（3）復(fù)雜機(jī)電裝備的系統(tǒng)性更強(qiáng)，各子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)性要求提高，多種技術(shù)的綜合及多個(gè)部分的組合更具科學(xué)性。

3 結(jié)語(yǔ)

近20年來(lái)，我國(guó)機(jī)械、力學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)者在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力與控制方面進(jìn)行了廣泛、深入的研究，取得了不少創(chuàng)新性成果?；趶?fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢(shì)，圍繞復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究仍顯不足，明顯滯后于國(guó)家對(duì)重大機(jī)電裝備的發(fā)展應(yīng)用需求，因此，未來(lái)仍應(yīng)加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)共性基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究。并且，在這個(gè)過(guò)程中，研究應(yīng)與實(shí)際裝備結(jié)合起來(lái)開(kāi)展，特別是結(jié)合國(guó)家重大工程項(xiàng)目，有針對(duì)性地加強(qiáng)與深化相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，產(chǎn)生一批既有理論創(chuàng)新、又有顯著社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的重大標(biāo)志性研究成果。

參考文獻(xiàn)

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[2]路甬祥·中國(guó)制造科技的現(xiàn)狀與發(fā)展·中國(guó)科學(xué)基金，2006，20（5）：257—261