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研究前沿丨数学、计算机科学与工程热点前沿及重点热点前沿解读 精选

已有 1875 次阅读 2017-6-13 08:58 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

2016 年,中国科学院科技战略咨询研究院战略情报研究所,继续在《2015研究前沿》的基础上,推出《2016 研究前沿》。报告仍然以文献计量学中的共被引分析方法为基础,基于 Clarivate Analytics 的 Essential Science Indicators(ESI)数据库中的 12 188个研究前沿,遴选出 2016 年自然科学和社会科学的 10个大学科领域排名最前的 100 个热点前沿和 80 个新兴前沿。


本号之前陆续推出了研究前沿丨地球科学热点前沿及重点热点前沿解读研究前沿丨农业、植物学和动物学热点前沿及重点热点前沿解读研究前沿丨生态与环境科学热点前沿及重点前沿解读研究前沿丨物理学热点前沿及重点热点前沿解读等学科的热点和新兴前沿解读,敬请大家关注。本期,小编为您摘编了数学、计算机科学与工程的热点前沿和新兴前沿解读。


数学、计算机科学与工程


热点前沿及重点热点前沿解读


数学、计算机科学与工程领域Top10 热点前沿发展态势


数学、计算机科学与工程领域位居前10 位的热点前沿主要集中于犹豫模糊集理论、构形设计和传热分析、Keller-Segel趋化方程、偏微分方程、云制造、物联网、多输入多输出系统、量子密钥分配、锂电池、生物启发式算法等领域(表1和图1)。


表1  数学、计算机科学与工程领域Top10 热点前沿




图1 数学、计算机科学与工程领域Top10 热点前沿的施引论文


重点热点前沿—— 物联网、云制造及其相关信息服务技术


物联网的概念最初来源于美国麻省理工学院在1999 年提出的网络无线射频识别(RFID)系统。2005 年国际电信联盟(ITU)在其年度报告中确定了“物联网”的概念,即“通过将短距离的移动收发器内嵌到各种配件和日常用品中,人与人、人与物、物与物之间形成了一种新的交流方式,即在任何时间、任何地点都可以实现实时交互”。物联网被看作继计算机、互联网与移动通信网之后信息领域的又一次重大发展和变革机遇。近年来,世界主要国家纷纷出台物联网发展计划,进行相关技术和产业的前瞻布局。


近年来,云制造以云计算、物联网等新一代信息技术为依托,突破先进制造技术瓶颈,发展成为一种新兴制造模式。云制造集成各类制造资源和能力为云服务,智能化地管理和经营云服务,为有需求的企业用户提供安全、优质、廉价的云服务。云制造是制造业信息化的发展,是云计算在制造领域的落地与延伸,较好地弥补了现有制造模式的缺点,一经提出就成为国内外学者研究的热点。


物联网是信息技术领域的一次重大变革,云制造技术是制造业中物理世界与信息世界的连接桥梁,其发展离不开新一代信息服务技术快速发展。“物联网、云制造及其相关信息服务技术”领域近期的研究重点聚焦在物联网、云制造核心技术的开发以及应用场景的拓展。来自美国欧道明大学的许立达教授等设计了面向企业的供应链管理、自动装配规划、服务工作流等一系列信息系统构架,提出了工业信息学的概念,在物联网和云制造领域引起了广泛关注。基于物理网和云制造技术的融雪水资源管理、洪水预警、食品安全、家庭医疗服务等一系列信息系统的研究正在不断拓展物联网和云制造技术的应用场景。


在该前沿的核心论文中,美国和中国的研究都占到了70% 以上,而且美国和中国之间还存在着广泛的合作,说明美国和中国在该领域占有较大优势。英国、瑞典、泰国、新西兰、波兰和加拿大等国贡献的核心论文量与美国和中国存在较大差距。特别值得一提的是,在该热点前沿中,华人科学家的表现特别抢眼,全部38 篇核心论文中有36 篇论文的通讯作者是华人科学家,其中又以许立达教授的影响最大。同样地,排名前5 名的研究机构也全部来自中国和美国,分别是美国的欧道明大学,中国的中国科学院、北京航空航天大学、上海交通大学、中国科学技术大学,以及美国的印第安纳大学与普渡大学印第安纳波利斯联合分校(表2)。


从施引论文的角度来看(表3),排名前2 位的国家(地区)依然是中国大陆和美国,可见中国大陆和美国继续引领着该领域的研究。中国台湾、西班牙、印度、澳大利亚、日本等也加入了该领域的研究。


表2 “物联网、云制造及其相关信息服务技术”研究前沿中核心论文的Top 产出国家(地区)和机构


表3 “物联网、云制造及其相关信息服务技术”研究前沿中施引论文Top 产出国家(地区)和机构


重点热点前沿——测量设备无关型量子密钥分配研究


量子密钥分配基于量子力学原理,可以实现通信双方无条件安全的密钥传输,为安全信息加密提供了一个理论上绝对安全的解决方案。然而,现实系统的器件不满足理论假设的缺陷,会引入各种安全漏洞,导致黑客攻击。特别是“时间位移攻击”、“死时间攻击”和“强光致盲攻击”等针对探测系统的攻击,成为“量子黑客”的主要攻击点,解决系统的实际安全问题是当前研究者探讨的重点之一。


“测量设备无关型量子密钥分配研究”热点前沿一共有18 篇核心论文,从2009 年至2015 年,总被引频次达到1882次,篇均被引频次达到104 次,可见该前沿近年来的热度非常高。


其中被引频次最高的论文(486 次)来自新加坡国立大学量子技术中心的物理学家Valerio Scarani,该论文对量子密钥分配的安全性进行了综述。2012 年, 加拿大Hoi-KwongLo 研究组的论文“Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution”被引频次161 次,该论文提出了基于测量设备无关的量子密钥分发(MDI-QKD)协议,该协议无需对测量端的量子设备进行任何安全性假设,能有效地免疫所有探测端攻击,有效提升了量子密钥分配系统的实际安全性,受到国际上广泛关注。该研究小组的另外3 篇核心论文则分别讨论了偏振编码测量设备无关量子密钥分配的实验示范、安全的量子密钥分配、测量设备无关的量子密码学。


2013年,中国科学技术大学刘洋、潘建伟小组的论文“Experimental Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution” 和加拿大的Tittel 小组分别在国际上首次实验实现了测量器件无关的量子密钥分发,解决了所有针对探测系统的攻击,被美国物理学会Physics 评选为2013 年度国际物理学领域的11项重大进展。2014年,潘建伟、张强、陈腾云等发表论文“Measurement-Device-Independent Quantum Key Distributionover 200 km”,通过发展高速独立激光干涉技术,结合中国科学院上海微系统与信息技术研究所自主研发的高效率、低噪声超导纳米线单光子探测器,将抵御黑客攻击的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200 千米,并将成码率提高了3 个数量级,创下新的世界纪录。该论文被Physical Review Letters 评论为“实用量子密钥分发的重要里程碑”和“物理和技术上的重大进展”,并被该期刊评选为“编辑推荐”论文。欧洲物理学会下属的physicsworld.com 网站以“安全的量子通信传输到远距离”为题报道了该成果。


对该前沿核心论文的产出国家和机构进行分析(表4),可以看出,目前该前沿的研究主要集中在加拿大、西班牙、瑞士、英国、美国、德国、日本、中国、法国、奥地利、比利时、挪威和新加坡等国家。该领域的18 篇核心论文中,加拿大参与了9 篇。从机构来看,45 个参与机构中,加拿大的多伦多大学完成了7 篇核心论文,排在机构的第1 名;西班牙的维戈大学完成4 篇论文,排在第2 名;中国的中国科技大学完成了3 篇核心论文,清华大学与中国科学技术大学合作完成了3 篇论文,中国科学院上海微系统与信息技术研究所参与了其中的2 篇论文。


从该前沿18 篇核心论文的施引论文来看,中国的施引论文最多(表5),有294 篇,占到了总量的27.8%;英国以162 篇位居第2 位;美国以148 篇位居第3 位。施引论文量排名前10 的机构中有3 个来自中国,其中中国科学技术大学的施引论文数最多;其中有2 个机构来自加拿大。该前沿核心论文与施引论文统计结果表明,中国在“测量设备无关型量子密钥分配研究”前沿已经开展了卓有成效的研究。


表4  “测试设备无关的量子密钥分配研究”研究前沿中核心论文的Top 产出国家和机构


表5  “测试设备无关的量子密钥分配研究”研究前沿中施引论文的Top 产出国家和机构


新兴前沿及重点新兴前沿解读


新兴前沿概述


数学、计算机科学与工程领域有3 项研究入选新兴前沿,分别是“基于临床应用的磁共振脑成像算法优化”“混合动力电动客车的能量管理策略”和“城市热岛的缓解”(表6)。


表6 数学、计算机科学与工程领域的3 个新兴前沿


重点新兴前沿—— 混合动力电动客车的能量管理策略


能源危机和环境污染是汽车工业和城市管理所面临的重大挑战,研发节能、环保的公共交通工具关系到国家和城市的可持续发展问题。混合动力电动客车是配备了两种或两种以上动力源(其中一种动力由电动机提供)的客车,它具备传统客车和纯电动客车两者的优点。通过不同能源的优化互补、协调合作,可在保证汽车动力性、安全性及舒适性的前提下,改善汽车的节能减排性能,而且续驶里程不受限制,价格适中,适合产业化,也被认为是目前最有希望替代传统客车的方案,因此,对混合动力电动客车关键技术的研究具有非常重要的现实意义。


电动客车能量管理策略是混合动力电动客车的核心技术,是实现车辆燃油经济性和清洁环保性的关键。只有在充分了解不同动力源工作原理及工作特性的基础上,合理利用多种动力源的优势,采取行之有效的控制策略才能达到预想的控制目标。由于混合动力电动汽车能量管理涉及了电能、热能、机械能等能量的转化与控制,系统十分复杂,并且其控制优化目标也各有不同。因此,大量的研究从不同的角度对混合动力电动客车能量管理问题进行了定义与描述。


该新兴前沿共入选7 篇核心论文,其中4 篇来自瑞典查尔姆斯理工大学的Xiaosong Hu,其主要研究内容是具有不同能量管理策略和电池尺寸的系列插电式混合动力电动客车的能源效率分析,混合动力电动客车电化学缓冲器的比较,混合动力电动城市客车的最佳尺寸和功率管理,以及混合动力电动客车混合能源储存系统的能量管理和寿命设计等。北京理工大学的Chao Sun 有2 篇论文进入核心论文行列,2015 年发表在IEEE Transactionon Control Systems Technology上的文章主要研究的是利用动态交通反馈数据进行混合动力电动汽车的能量管理研究,另一篇在加利福尼亚大学伯克利分校发表的文章研究的是能量管理预测。



本文摘编自由中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心、英国科睿唯安著《2016研究前沿及分析解读》第1、10章,内容有删减。


(本期编辑:安静)


2016研究前沿及分析解读

中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心、英国科睿唯安

北京:科学出版社  2017.03

ISBN  978-7-03-052209-2


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2016研究前沿及分析解读》以文献计量学中的共被引分析方法为基础,基于科睿唯安的Essential Science Indica-tors(ESI) 数据库中的12188个研究前沿,首先,遥选出2016年自然科学和社会科学的10个大学科领域排名最前的100个热点前沿和80个新兴前沿,重点选择一些研究前沿进行详细统计分析和解读;其次,以高度概括的视角对美国、英国、德国、法国、中国和日本六国在180个前沿的基础贡献水平和潜在发展水平进行评估描述;最后,在10个领域分别展开中国和美国在100个热点前沿和80个新兴前沿参与情况的比较分析,以期较为全面地掌握中国与美国这一科技强国的差距与优势。


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