Vision-Driven Research on China's Engineering Science and Technology Development Strategy to 2040
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Abstract
Currently, global technological innovation is unprecedentedly intensive and active, and the forms of technology and industry are undergoing systematic changes. Disruptive and systemic innovations in engineering science and technology have become the focus of strategic competition. Based on the development demand for engineering science and technology in China and the world trends of engineering science and technology development, this study proposes a strategic research method system that consists of economic forecasting, demand analysis, technology foresight, vision analysis, strategic architecture, technology roadmap, and policy selection. The study also predicts the economic and social development trends in China by 2040 and depicts nine visions of Chinese society in 2040. Based on the strategic research on the development of engineering science and technology in major fields, an overall strategic concept of engineering science and technology development is proposed centering on the nine visions, which involves promoting information technologies, reshaping the energy system, innovating industrial science and technologies, constructing the future cities, developing the blue economy, revitalizing agriculture and the rural areas, safeguarding the health of all the people, building a beautiful China, and constructing a safe China. An overall two-stage roadmap for engineering science and technology development between now and 2040 is also proposed. At the first stage, it is necessary to strengthen the industrial foundation and chain, achieve international leadership in major fields of engineering science and technology, and develop new areas and technologies with core competitiveness. At the second stage, it is suggested to focus on security, resilience, and original innovation and build a new technological ecosystem.
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Keywords
engineering science and technology / future vision / demand analysis / 2040 / technology roadmap
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Comprehensive Research Group of Research on China's Engineering Science and Technology Development Strategy to 2040. Vision-Driven Research on China's Engineering Science and Technology Development Strategy to 2040. Strategic Study of CAE, 2024, 26(5): 1‒14 https://doi.org/10.15302/J-SSCAE-2024.05.001
本刊网址：www.engineering.org.cn/ch/journal/sscae
一 前言
当前，全球科技创新空前密集和活跃，自然科学与工程技术正在经历一场空前的大整合，大科学时代和第四次工业革命来临，数字化、网络化、智能化加快与各领域融合，工程系统日益复杂，科技和产业形态正在发生体系性变革。工程科技是将科学发现、技术发明、工程建设与产业进步、经济增长、民生发展相联系的重要领域，作为新质生产力的关键来源，工程科技的颠覆性创新和体系创新已经成为战略竞争的焦点。
习近平总书记在两院院士大会上指出，要围绕国家重大战略需求，瞄准经济建设和事关国家安全的重大工程科技问题，在前瞻性、战略性领域打好主动仗[1]。中国工程科技未来20年发展战略研究，正是这样一项前瞻性、储备性强的中长期战略研究，其宗旨是充分集成各领域院士专家智慧，发挥国家战略科技力量的作用，把握世界科技发展大势，开展面向国家重大需求的战略高技术发展战略和路径研究，服务决策、适度超前，以期充分发挥战略规划的引领作用，引导全社会推动我国面向未来的工程科技系统创新和重大实践，促进我国工程科技更好地服务于经济社会发展，同时，积极引导我国科学家在基础研究中更好地体现国计民生各领域需求，进一步落实创新驱动发展战略。中国工程院与国家自然科学基金委员会联合组织开展了“面向2030年的中国工程科技中长期发展战略研究”[2]“中国工程科技2035发展战略研究”，形成了5年一个周期的部署模式，研究成果为“十三五”“十四五”科技创新规划、“2021—2035年国家中长期科技发展规划研究”编制，以及“科技创新2030 - 重大项目”论证等提供了咨询支持，在支撑高端科技决策、牵引基础研究方向、引导产业技术路径选择、传播技术预见文化、形成工程科技战略研究范式等方面发挥了重要作用[3]。
鉴于此，2021年启动了面向2040年的工程科技发展战略研究。大科学时代的科技创新是自然科学、工程技术、社会科学、人文科学交叉融合发展的综合性创新，必须立足人与社会的长远发展，创建全球性愿景，通过工程科技创新与工程实践推进未来社会建构。为此，在本轮战略研究中，面向大科学时代工程科技的体系性创新需求，提出了“愿景驱动的工程科技未来20年发展战略研究”方法体系，更加关切人类社会的可持续发展、安全健康发展要求，强调对未来经济社会与科技融合发展的愿景预见和预判，紧密结合国家与经济社会发展需求，创建未来发展愿景、描绘未来发展蓝图，论证提出未来20年工程科技的发展策略、总体布局、重点任务、关键技术，以及重大工程、重大工程科技项目建议，描绘我国工程科技发展路线图，研究提出支撑未来20年工程科技发展的基础研究方向部署建议，引导与推进有组织的创新、开放性创新和大众创新，满足未来发展需求。
二 愿景驱动的工程科技2040发展战略研究方法体系
工程科技未来20年发展战略研究不但要对技术发展趋势进行预测，还需要系统考虑经济社会需求、资源环境等因素，并对技术与产业之间的关系进行研究。为此，本轮研究进一步强调需求与愿景驱动、突出跨域融合，将技术预见、未来经济社会预测等与工程科技技术路径选择相结合，提出一套融合“经济预测 - 需求分析 - 技术预见 - 愿景分析 - 战略架构 - 技术路线图 - 政策选择”的战略研究方法体系，如图1所示。
（一） 研判2040年经济社会发展形态和发展愿景
愿景驱动的战略研究，其需求分析分为若干层次，首先是明确经济社会发展需求，即对2040年我国经济社会发展前景进行描绘，对2040年我国的经济形态、社会形态、资源环境以及安全形态等进行预测与预判，包括未来经济规模与结构、人口规模与结构、城镇化水平、能源供给与消费等，综合得到2040年我国经济社会和环境发展的主要情景[4]。
随着经济增长逐渐转向内生驱动，未来将进一步由效率驱动转向创新驱动，这些情景是否都能实现，有赖于科技进步。基于此，需求分析的第二个层次是分析工程科技需求。在提出未来经济社会发展愿景后，采取目标回溯式方法，选择重点行业，按照发展阶段识别、需求要素分析、未来趋势研判和能力要求分析等，凝练功能特征和技术经济指标，识别关键领域关键技术的未来发展需求[5]。
（二） 推进基于效果评估的技术预见，描绘未来科技形态
技术预见的目的是凝聚未来科技和社会发展共识、选定可能产生最大经济与社会效益的战略领域和技术方向[6]。因此，技术预见的实施，需要紧密结合需求分析的结果，以2040年的经济社会与工程科技发展愿景及发展情景为导向，突出实现未来20年发展愿景需要解决的重点问题、需要推进的重大工程。本轮研究通过开展中国工程科技2035技术预见效果评估和方法改进，为中国工程科技2040技术预见提供输入[7]。在此基础上，将文献计量、专利分析与专家研判相结合制定备选技术清单，组织两轮的德尔菲调查，完成关键技术研判。
基于技术预见结果，面向关键技术需求，结合对关键技术国际先进水平的研判，开展工程科技领域体系能力与短板评估。
（三） 综合需求分析与技术预见，开展经济社会与工程科技发展的综合愿景分析
在经济社会预测基础上，提出经济社会发展愿景，分析实现愿景目标需要解决的主要问题及其对工程科技的需求；在技术预见基础上，研判技术发展态势，开展愿景导向的工程科技技术路径选择分析，研判提出未来各领域科技形态。综合两大方面，提出2040年可能实现的科技与经济社会融合发展情景，通过定性、定量相结合进行情景描述，包括技术的应用状态，引致的重大转变和变革影响，形成的经济社会运行模式等，提出未来相关社会形态构想，描绘科技与经济社会协同发展可达到的图景[8]。
（四） 围绕发展愿景，推进工程科技愿景牵引的战略研究与技术路径选择
面向2040年的综合愿景和蓝图，顺应发展趋势，突出跨域融合特点，从整体视角提出2040年工程科技发展的思路、总体架构，以此作为领域发展战略研究的指导。
在各领域战略研究的基础上，综合形成了信息电子、能源资源、环境生态、先进材料、装备制造、流程制造、城镇化与基础设施、交通运输、空间海洋、现代农业、医药卫生与公共安全12个领域的工程科技发展战略，进而提出2040年中国工程科技的总体战略，描绘“需求、目标、重点任务、关键技术、基础研究方向、重大工程、重大工程科技项目以及发展策略”的工程科技发展路线图[9]。
三 世界工程科技发展趋势
本文在系统分析美国、欧盟、英国、日本、国际组织和中国重大科技计划布局的基础上，对各领域工程科技前沿和发展态势进行了深入分析。基于此，我们看到，全球工程科技创新呈现四大趋势，信息技术从数字化、网络化向智能化阶段迈进，智能技术成为影响最深、覆盖最广的时代驱动力，推动人类迈向普惠型智能社会；大数据时代来临，数字信息爆炸式增长，数据资源将成为关键生产要素和战略性资源，科技范式变革悄然酝酿；绿色、低碳发展成为人类应对气候变化生存危机的必然路径，“双碳”目标将重塑全球产业格局；与此同时，面向人类社会未来的新需求和新挑战，贯彻以人为本的发展理念，以更好地增进人类福祉为目标开展工程科技路径选择显得日益重要。由此，数字智能、绿色低碳和以人为本，成为未来20年工程科技发展的突出主题。
（一） 智能技术将成为影响最深、覆盖最广的时代驱动力
智能化是新一轮全球科技革命与产业变革的核心所在，智能技术逐渐成为驱动当代工程科技跨越发展的主导力量，智能技术与产业深度融合，形成“智能+”发展模式，将深刻改变产业与社会形态。
一是智能产业不断扩展。智能技术与现代工厂融合成为大趋势，以智能感知、智能控制为特征的智能工厂不断发展，支持制造业向个性化定制、柔性化生产、服务型制造转型，逐步发展智能化推荐组合方案及自主选配的装备制造模式[10]。智能技术与农业结合，将有效提升农业资源利用率、提高农作物产量和品质、降低生产成本，推动农业生产精细化和集约化[11]。全球智慧医疗发展进入快车道，疫情防控推动远程医疗、智能测温、医疗服务机器人、智能影像辅助诊断等智慧医疗应用模式大规模突破[12,13]。
二是智能基础设施逐渐推广。量子计算机、新一代人工智能芯片等智能计算系统逐步成熟，夯实人工智能算力基础。信息基础设施向融合感知、传输、存储、计算、处理为一体的智能化综合设施演进，传统基础设施与信息基础设施一体化开放互联，向数字化、智能化转型升级；以新型智能基础设施为载体的智慧城市逐渐扩展，将逐步推进社会治理全生命周期智能化。
三是智能人机交互不断普及。人机交互终端数量指数级增长，智能可穿戴设备成为万物互联的重要节点。交通系统智能安全技术逐渐成熟，高度自动驾驶汽车实现规模化应用[14]。互联网环境下的演进式群体决策，推动人机协同、交互驱动，使机器间大规模协作成为可能。社会治理中“人机物”三元空间的有机融合，灵敏感知人们需求，促使社会资源要素实现最优配置。
（二） 数据资源将成为关键生产要素和战略性资源
数字技术革命向新一轮繁荣周期演进，数据产生并扩散到经济社会各个领域，科技发展展现出大科学、定量化趋势，数据驱动的技术研发和应用创新能力将成为国家的长期竞争优势。
一是数据价值不断释放。大规模数据基础设施开放共享，海量数据的采集、存储、分析、关联和可视化技术促进大数据价值释放。生物、材料等数据密集型行业进入科研第四范式，相关研究向可定量、可计算、可调控、可预测方向跃升。数字孪生和多维深度融合建模技术的发展，将支持更复杂实体组织、智慧城市孪生模型构建[15]。数字化平台为创新要素提供信息与资源有效共享机会，推动创新要素配置方式变革。
二是数字信任逐渐建立。万物信联时代的经济社会活动高度数字化，基于数据可信的区块链技术，实现不依赖第三方、基于算法和技术的数字化信任体系，可望有效保护个人数据隐私，确保数据跨境流动安全，推动数字金融产品和市场的合规建立与有效监管[16]。
三是数据安全保障趋热。随着数据战略价值的凸显，数据成为全球网络安全的“重灾区”，数据安全热度持续上升，在全球智能化发展趋势中地位特殊。新一代密码技术、网络虚拟身份管理、可重构网络空间体系安全等前沿技术将持续突破，满足合规和利用双重需求、与业务场景紧密结合的新型数据安全技术成为重要发展方向，数据安全治理和数据风险评估被持续关注并广泛使用。
（三） 绿色低碳将成为人类社会发展的必由之路
人类社会别无选择地走向低碳发展，低碳导向驱动节能减排科技不断进步，高碳排放技术不再具有普遍竞争力。
一是首选低碳能源。能源生产消费方式向气候生态适应型转变，全球能源结构从传统化石能源为主体向清洁、低碳能源替代方向变革，新一轮低碳能源技术与产业加速布局。可再生能源逐渐成为全球能源的增量主体，并向多元协同方向发展。光伏发电上升为全球低碳能源转型的重要支撑。氢能作为新兴二次能源载体在消费能源中的占比不断提升，有望成为与电力并重且互补的工业过程与终端能源形式。
二是强推减排科技。加强全防全控的清洁生产技术研发，提高能源利用效率成为世界主要国家削减碳排放的重要措施。世界主要燃煤国家持续关注高效低排放燃煤发电技术的发展，超临界发电技术成为工业化国家建设新电厂的普遍标准。储能技术和智能电力系统快速发展，有效提高电力系统效率、安全性和经济性，解决可再生能源接入的弃风、弃光等问题。运载工具动力系统向电力、混合动力、生物质燃料等方向发展，新能源汽车市场渗透率显著提升并成为主流。建筑低碳转型成为必然趋势，净零碳建筑将被大力推广[17,18]。
三是强化负碳技术。二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）成为全球公认实现碳中和目标的关键技术。世界主要发达国家持续开展二氧化碳捕集研究和示范，燃烧后捕集进入商业化运行，富氧燃烧和燃烧前捕集处于中试研究阶段[19]。北美等部分地区二氧化碳大规模输运和驱油技术逐渐成熟，二氧化碳驱替其他资源和利用技术成为新的技术发展方向[20]。
（四） 以人为本促使科技创新回归服务需求本质
人类社会在面临疫情时展现出的科技力量引发全球对科技创新本质的更进一步思考，生命价值观正在发生深刻变革，科技创新将更多面向共同应对社会重大挑战，朝着以人为本、健康生活、增进全人类福祉的方向发展。
一是应对疾病挑战。威胁人类健康的慢性病、重大疾病致病机制研究和相关药物研发发展迅猛，基础与临床转化投入不断加大。慢性病患者的早期诊治、综合防控，癌症患者治疗的新手段、新靶点以及新药物等，为人类对抗疾病，提高生存质量，延长寿命提供重要保障。新型冠状病毒感染疫情激发了医药企业对抗病毒药物和疫苗的研发速度，快速可靠的检测技术迅速发展并得到广泛应用，多源信息融合的疫情早期监测预警和精准防控成为应对关键。
二是应对环境挑战。公众对环境与健康的内在联系更加关注，打造将空气、水、土壤污染降低到对人类健康和自然生态无害的“零污染”环境，成为部分国家环境发展的重要目标。随着欧美发达国家基本解决水常规污染物问题，新污染物（如全氟化合物、抗生素等）防控成为全球水环境改善的重要着力点。一些国家的空气管理研究从自然环境污染转向与人体健康更密切的室内污染，强调面向多污染物、多介质和多环境效应的跨行业全过程综合调控。
三是应对安全挑战。融合多灾种综合应急的基础设施和体系能力建设受到各国普遍重视。自然灾害的精准感知与监测、风险评估、早期预报预警、防灾应急系统成为发展热点。事故主动感知与预测预警智能联动，建筑全过程、全寿命安全管理，地下空间智能化、实时化安全探测与评价，是事故灾难防范领域的主要发展方向。智慧应急和高效精准救援等技术成为安全应急领域的关注重点。
四是应对食品挑战。科技创新成为世界各国应对食品安全挑战，寻求粮食体系转型的重要路径之一。信息技术、生物技术不断向农业领域渗透应用，进一步提高了农作物产量和质量，减少对自然资源的消耗，推动粮食生产过程的绿色、低碳化。全球食品产业向全营养、高科技和智能化方向加速发展，合成生物学、增材制造技术为未来食品制造加工提供有力支撑，互联网、大数据、区块链等技术的融合，推动实现全球食品供应链质量与安全全程追溯及保障。
四 2040年我国经济社会与科技发展综合愿景
运用所提出的愿景分析方法，将经济社会发展预测与工程科技发展可能性及路径选择相结合，研究提出了2040年我国经济社会与科技发展综合愿景，如图2所示。
（一） 2040年我国经济社会发展预测
面向2040年，全球经济格局加速调整，本研究运用中国经济 - 能源 - 环境 - 税收动态可计算一般均衡（CN3ET-DCGE）模型，开展中长期经济社会发展预测。同时，运用人口模型、能源模型等开展人口劳动力、能源供给与消费等方面的预测，综合得到2040年我国经济社会发展情景[21]。
一是将跨入高收入国家行列。预计到2040年，我国人均国内生产总值达到29.3万元（约4.2万美元），成为高收入经济体，中等收入群体比重达到55%以上，以中等收入群体为社会中坚力量的橄榄形社会结构初步形成。
二是将建成高科技主导的现代化产业体系。在强调发展实体经济的原则下，产业结构趋于高级化，2040年三次产业结构占比分别为6.98%、27.43%和65.65%，演化形成以现代高质高效农业为安全保障、先进制造业为坚固核心、高效服务业有机融合的强健产业结构。
三是将进入超高老龄社会。2040年，我国人口总数约为13.2亿~13.7亿人，老龄人口规模将继续扩大，劳动力结构产生显著变化，人口寿命与素质能力稳步提升，人均预期寿命预计将达到80岁，劳动年龄人口平均受教育年限将达到13年。
四是将步入高级城市型社会。2040年，我国城镇化率预计将达到76%~78%，未来的我国城市将呈现智能、绿色、安全的特征，形成人口适度聚集、城乡融合发展的局面，城镇化布局日趋合理。
五是致力于建设低碳社会，能源革命取得突破性进展，实现碳达峰并向碳中和迈进。未来，煤炭在一次能源消费中的占比将稳步下降，非化石能源占比将不断上升。2040年，预计能源消费总量为5.8×109~6.2×109 tce，其中非化石能源消费占比为29%~45%。
（二） 2040年我国经济社会与科技发展综合愿景
科学技术的飞速发展为人类带来无限的想象空间，工程科技成果的不断涌现给民众创造更加美好的生活场景。我们期待，紧密结合未来我国经济社会与人民生活发展需求，积极推进工程科技系统高效发展，到2040年，将有望实现以下九大发展愿景。
一是智慧社会雏形建立，万物互联，数字经济、人工智能与社会情境广泛融合，建立现代社会智能治理模式，全民共享数字红利。数字化基础设施与未来通信网络深度对接，各生产要素间高效协同，人类社会、物理空间和信息空间三者实现高度融合。数据要素驱动的新经济生产方式走向成熟，数字网络与居民生活深度嵌套，经济组织形态向去中心化的分布式信任关系转变。人工智能技术与传统行业广泛融合，以居民需求为中心的人工智能服务体系成为社会服务的重要组成部分，社会智能治理新模式渐成，持续向以人为本和科技向善的方向演进。
二是现代产业强健高效，实体经济强健，制造体系趋于智能柔性、洁净循环、自主可控，“机器换人”应对超高老龄社会挑战。个性化的产品与服务供给充沛。制造业趋向数字化、网络化、智能化，以人为主的决策中心逐渐向以机器为主倾斜，“智能工厂”支持超常、敏捷、柔性制造，“无人工厂”在更多行业出现，大批绿色工厂、绿色制造业园区和绿色供应链企业相继建成，服务业与其他产业门类广泛整合，服务内容和覆盖范围大幅拓展，生产格局网络化、分布式特征愈发明显。
三是新型能源体系建成，我国进入以智能、清洁、低碳、安全、高效为主要特征的全新能源时代。能源生产消费呈现“化石能源清洁化、清洁能源规模化、多种能源综合化、终端用能电气化”发展新格局[22]。可再生能源生产呈现高效化、低成本化、规模化和多样化，氢能成为我国能源革命的重要支撑，智能电网可接纳高比例新能源，能源综合利用体系效能提升，有效降低温室气体排放。矿产资源开发进入智能与深部时代，深部地球矿产信息更加“透明”，开采利用更加绿色智能。
四是未来城市深度协同，智慧感知、通达宜居、韧性提升，城市空间弹性共享，城镇生态效益凸显。城市空间呈现“分散化的集中”，区域功能多元复合、协同互补，城市生态更加宜居，空间营建重点强化对象感知和运营管理，“零能耗”建筑大量涌现，低碳化居住模式逐渐推广。城市出行更加便捷，公共交通与大型公共建筑无缝连接集成，地下空间深度开发与空中慢交通系统立体分流，立体智慧出行体系日渐形成。城市建立众脑协同的智能决策机制，智慧应用场景广泛覆盖，城市运行更加以人为本。
五是空间海洋服务广域共融，“蓝色经济”繁荣集约，空间信息随心所至，海洋经济占比提高到10%。空间探索与利用进入更大规模、更低成本、更深远化的新时代，构建形成“天空地海”一体化的广域信息网络。太空超大型装备实现在轨制造，我国实现载人登月和月球基地建设，完成火星采样返回。海洋活动基本实现智能化、无人化，部分深远海矿产资源进入商业化开采，海洋牧场技术逐渐成熟，深海基因资源初步实现商业化应用，海洋安全保障体系不断完善，蓝碳在“碳中和”中发挥重要作用，“蓝色工业文明”初步形成。
六是跨入农业强国门槛，安全、高效、绿色的智慧农业体系形成，批量建成少人或无人农场，营养健康农产品体系健全，田园相依，乡村价值实现多元化。数字化、智慧化和低碳绿色生产方式基本建成，农业成为多种形式、适度规模、高产高效、绿色低碳的现代高质高效产业，“定制化种子”使得农作物良种化率达到98%以上，生态标签农产品比例提高至40%以上。农旅融合功能与业态丰富，宜居宜业和美丽乡村基本建成，城乡基本公共服务均等化基本实现[23,24]。
七是绿色低碳发展模式普及，资源、环境、生态初步达到协同自治，CCUS产业链投入商业化应用。生态环境根本好转，单位国内生产总值能源消耗和二氧化碳排放有效降低，进入以风险防控为主的更高水平的生态环境保护阶段。建立工业 ‒ 社会之间有序稳定的物质循环利用体系，“无废社会”趋于实现。智慧环境体系基本建成，资源、环境、生态初步达到协同自治，全国土壤与地下水环境质量全面改善，形成具备地域特色和国际化魅力的生态空间。绿色低碳示范区逐渐推广，消费者行为主动向可持续的绿色消费模式转变。
八是普惠健康服务广泛达成，主动型大健康体系协同发展，组织与器官实现修复与再生，老龄社会具备健康活力。我国逐步进入医养结合的大健康时代，国民健康观念向“主动健康”转变，早期干预、早期诊断、早期预防和个性化治疗成为最优医疗模式，疾病诊疗趋于个性化、精准化、微创化、智能化、集成化和远程化，脑机接口技术为脑功能损伤患者的康复带来福音。中医药在疾病防控体系中地位提升，中药新药呈现出高效发现模式。数字化助力以人民健康为中心的医疗资源分配，80%以上网民将使用互联网医疗服务，居家社区机构相协调、医养康养相结合的养老服务体系建成，人人可享的健康服务能力大幅提升，初步实现健康公平。
九是公共安全治理进入事前预防、主动响应、智能应对阶段，社会安定有序，人民享有充分的安全感。基本建成气候适应型社会，建成全链条高效的自然灾害风险防控体系，实现灾害实时综合检测、评估和防控。突发事件一体化监测处置、事故灾难智能防范、本质安全水平进一步提升。公共卫生事件主动防控能力增强，基本具备重大新发突发传染病全天候一体化检测和预警能力，预警精度达到85%以上。重大安全风险实现超前预测、动态监测、主动预警，总体建成高效智能、全方位、立体化的公共安全体系。
（三） 未来愿景实现的不确定性风险
在展望未来发展愿景的同时，也应当考虑到未来科技发展具有一定的不确定性，同时，新技术的产生和应用也可能对产业、经济社会以及人类自身发展带来各种风险。
一是智能技术应用与社会演变之间的矛盾可能造成的风险。随着网络虚拟世界的高度集成化和个性化，具有极高隐私性和敏感性的海量数据应用，将带来更多的隐私安全和伦理问题，改变人类社会的传统运行方式。人工智能、机器人等无人技术的普及，将引发传统职业的大量消失，并可能带来技术异化风险，人类可能被人工智能技术操纵或威胁。技术飞跃与社会转型交织，各类新问题的出现，有可能带来新的社会矛盾，加剧风险。
二是绿色低碳科技创新及应用与经济发展的矛盾可能造成的风险。我国在既定资源条件下实现向低碳经济转变面临巨大挑战，实现碳中和需要大量的资金和技术投入，有赖于相应的政策与机制安排，碳中和技术能否尽快成熟应用并有效支撑绿色发展存在一定的风险。同时，可再生能源技术能否达到预期的低成本、高效化水平存在不确定性，在我国能源结构转型尚未成熟之时，过快地“退出化石能源”会对能源结构稳定带来挑战，能源资源供给安全存在风险。
三是城镇化、老龄化与城乡发展之间的矛盾可能带来的风险。城镇化发展导致城市风险敞口不断扩大，承灾体数量不断上升，给城市安全带来更大挑战；现代交通物流的全球化发展，导致新疫病传播速度加快，公共安全和生物安全风险加剧。人口老龄化则会导致我国劳动力总量及其在社会就业中的占比不断下降，劳动密集型行业或环节将面临人口老龄化带来的劳动年龄人口净减少的巨大压力。
四是科技创新投入与实践应用的矛盾可能造成的风险。一方面，一些前沿和特殊领域（如深空、深水、深地等）的探索具有高投入、高复杂、高风险特征，加之经济性不确定，技术或应用的失败可能导致投入产出风险，影响愿景的实现；另一方面，部分技术（如基因编辑、再生医学等）应用不当或者应用后可能引发公众普遍的担忧与关注，反过来将抑制相关技术的发展。
对此，我们在提出未来20年工程科技发展愿景与任务的同时，要充分考虑存在的技术与社会风险，进行策略设计与路径选择，并对各领域战略路径进行深化论证和科学评估。
五 面向2040年我国工程科技总体战略构想
基于2040年我国经济社会与科技发展综合愿景，秉承“战略引领与范式转型并济、数字智能与绿色低碳并进、愿景导向与技术推动并择、自主安全与开放创新并行”的总体发展思路，在12个领域工程科技发展战略论证基础上，提出中国工程科技发展的总体战略构想，进而提出“强基固链、打造高原、开辟赛道”“安全韧性、策源引领、体系焕新”的两阶段中国工程科技总体发展路线。
（一） 总体架构
基于对世界工程科技发展趋势分析，契合我国工程科技体系能力分析和经济社会与科技发展愿景，进一步突出发展重点，突出战略必争领域的自主创新要求，突出智能化与低碳化发展驱动下的交叉融合创新与变革，从力推信息科技、重塑能源体系、革新产业科技、建构未来城市、发展蓝色经济、提振农业农村、护佑全民健康、建设美丽中国、构筑平安中国九大方面，提出面向2040年的工程科技发展总体架构，如图3所示。
面向智能化、低碳化发展推动的技术与产业变革趋势，需要将聚力强化前沿技术攻关与广泛开展“产业+”应用紧密结合，统筹谋划，系统推进智能化、低碳化科技与产业体系创新，赢得发展新动能、新空间和新效益。
一是勇立人工智能技术前沿，打造技术领先、应用高效、以人为本、协调发展的人工智能科技创新体系。新一代人工智能正呈现深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征，正在引发链式突破，加速驱动新一轮科技革命，成为未来20年推进各行各业发展和智慧社会建设的“横断”“赋能”性关键技术，以及未来智能社会的基础技术。应以人工智能为核心加强多学科交叉，大力推进人工智能理论创新和前沿科技创新，以重大工程和重大科技项目为牵引，强化新一代人工智能与相关技术链和场景应用的综合集成及示范验证。通过场景驱动、任务导向推动人工智能赋能制造业与能源资源、农业与环境、城市与社会服务、人才教育等跃变，形成“以人为本，服务于人”的发展目标，探寻人工智能与人类协同共生、和谐发展，以及规范、公平的制度举措，为智能社会整体协调发展提供策源动力。
二是系统谋划低碳技术路径，打造节能优先、负碳技术领先、新型电力系统高效的低碳科技创新体系。充分发挥科技对绿色转型发展的支撑与引领作用，立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，分阶段、有步骤实施绿色低碳行动，统筹落实面向碳中和的节能工程总体设计，深入推进重点行业节能降碳工艺革新，推进节能技术向多手段、多功能、智能化、集成化等方向不断迈进。积极推进能源电力系统从高碳向低碳发展，加快新型电力系统建设，加强电力电源清洁化以及电力系统柔性化、数字化、电力电子化等科技创新，促进高比例新能源消纳。积极推进CCUS技术发展，充分考虑碳中和目标下的产业格局和重点排放行业排放路径，明确CCUS发展路径和空间布局，推动CCUS技术在不同碳排放领域与行业的耦合集成，有序开展大规模CCUS示范与产业化集群建设，支撑碳达峰、碳中和以及美丽中国建设国家重大战略需求的实现。
（二） 发展目标与发展路径
面向2040年，按照工程科技不同阶段的发展目标与使命要求，提出未来工程科技两阶段发展策略和发展路线。
1 第一阶段（2030年前），强基固链，打造“高原”，开辟赛道
2030年，我国工程科技体系整体上将达到世界先进水平，面向产业需求的基础研究和原始创新能力大幅增强，关键核心技术受制于人的局面基本转变，若干战略领域国际领先，面向绿色发展和安全保障的能源、资源、环境技术实现有效突破，数字化、智能化产业技术体系基本建立，工程科技创新成为高质量发展、民生改善的核心动力，支撑重点产业迈入全球价值链中高端，支撑碳达峰目标实现。
（1）强基固链
深入实施产业基础再造工程，聚焦基础零部件及元器件、基础软件、基础材料等瓶颈短板，组织开展“一揽子”攻关、“一条龙”应用，加快薄弱环节的产业化、工程化突破，不断夯实产业发展底座。面向未来产业，超前谋划布局一批基础产品和技术研发计划，推进产业基础前沿创新和技术、产品、工艺创新。
（2）打造“高原”
在战略必争领域以及具有广阔前景的重大工程科技领域，要超前部署开展基础研究与关键技术攻关，加快科技成果工程化和产业化应用，在增强发展后劲、形成经济发展新动能的同时，力争在若干工程科技前沿领域实现国际领先。在移动通信、超级计算、高速铁路、新能源汽车、土木工程、航空工程以及空间与海洋等若干具有领先优势的领域，持续加强攻关力度，加大体系性突破，实现从局部领先向全面领先转变，将“高峰”进一步打造成“高原”。
（3）开辟赛道
把握未来产业变革方向，以重大技术突破和重大发展需求为导向，聚焦新一代信息技术、生物技术、新材料、新能源、储能、新能源汽车、人工智能等新兴领域，系统部署科技创新和产业化发展，开辟发展新领域、新赛道，着力打造一批具有核心竞争力、全球领先的新兴技术群。
2 第二阶段（2031—2040年），安全韧性，策源引领，体系焕新
2040年，我国工程科技体系创新水平将进入世界创新型国家前列，构建形成国际一流的创新生态，在面向国家战略、关乎国家安全的重点领域实现“领跑”，绿色化、低碳化发展模式广泛建立，数字化普及、智能化技术深度应用，推动经济社会发展深度实现创新驱动，形成引领全球工程科技发展的中国学派，成为世界工程科技强国。
（1）安全韧性
在关系重大国家安全的领域实现全球布局下的整体安全可控，核心技术自主供给与社会韧性保障能力达到强国水平，有力支撑国土安全、经济安全、社会安全、科技安全、信息安全、资源安全、生态安全、核安全，有效落实总体国家安全观[25]。同时，数字经济时代对信息与电子领域的发展提出新要求，既要重视数据作为最重要的生产要素，同时也不能忽视数字经济发展对安全保障的需求。
（2）策源引领
强化国家战略科技力量，形成跨学科、大纵深、开创性的研发模式，在人工智能、新能源技术、储能技术、新材料、空间海洋、医药等领域加强重大原始创新，掌握一批“高值”技术，推出一批“领跑”技术，产出一批高附加值产品，培育一批世界性的龙头企业，大大增强国际话语权和主导权，在更多领域引领世界工程科技发展，推动主要产业进入全球价值链高端。
（3）体系焕新
在信息等领域大力发展“根技术”，不断衍生新的技术簇，打造新的技术生态体系。在人工智能、数字孪生、绿色低碳等技术的驱动下，产业基础不断升级，产生新型基础设施、新型制造体系、新型能源体系、新型农业体系、新型医疗体系等面貌全新的技术体系和产业体系，极大释放生产力，在新一轮全球科技与产业竞争中赢得战略主动，并逐步塑造形成新型城市化社会、智慧社会，迈向美丽中国。
（三） 重点任务
结合信息化智能化、绿色化低碳化两大趋势，基于工程科技发展的总体架构，九个方面的主要思路与重点任务如下。
1 力推信息科技，全面铸造智慧社会信息基础
未来，新一代信息技术将实现普惠化应用，智能技术突破将驱动人类逐渐走向智慧社会。以强化信息技术保底能力、强化核心自主可控能力、强化未来技术引领能力、全面增强信息技术融合赋能能力为导向，面向信息电子全产业链进行关键核心技术体系化布局，积极培育颠覆性技术、夯实共性基础底座，加强万物互联的新型信息基础设施建设，统筹推进网络信息体系建设，加快提高大数据、计算技术与应用软件发展，大力推进新一代人工智能技术突破，引领大数据智能、群体智能、自主智能发展，着力构建自主安全可控的高端信息产业生态体系，充分发挥信息技术使能和人工智能赋能作用，推动新一代信息技术加速与各行业的融合，推进数字产业化和产业数字化，逐步建立“智能+”的和谐发展模式，驱动经济社会发展进入新形态。
2 重塑能源体系，建设绿色永续低碳能源强国
能源与矿产资源是经济社会可持续发展的基本动力源与物质基础。需坚持“化石能源清洁化、清洁能源规模化、多种能源综合化”以及矿产资源绿色化、精细化、智能化发展总思路，积极推进能源技术革命，加快推进煤炭、油气等清洁高效开发利用技术，大力发展可再生能源与新型高效核电技术，突破氢能、储能、智能电网等综合能源技术，全面推进矿产资源勘采基础理论和关键技术突破，推进能源结构多元化，通过多能互补、供需互动、多流融合，促进能源融合发展，构建清洁、高效、安全、低碳的现代能源体系及矿产资源体系，确保能源与资源供给安全。坚持节能优先、负碳能源技术兜底、高可靠性电力系统支撑，构建完善碳减排技术体系，推动生产生活各领域实现碳中和，支撑我国力争在21世纪末实现绿色永续的低碳能源强国[22]。
3 革新产业科技，推进现代产业持续高值化发展
制造业是大国立国之本、强国之基。秉持高端、智能、绿色、低碳、循环发展总思路，以推动创新设计为灵魂，以强化产业基础再造、共性前沿技术攻关为根基，建立先进材料保障与自主创新发展体系，聚焦精密与超精密制造、增材制造、激光制造、极端制造、高品质工业机器人等关键技术攻关，推进重大技术装备高端化。全面发展新一代信息技术驱动的先进制造模式，突破关键智能技术和重大智能装备，构建数字化、网络化、智能化制造产业体系，推进制造业智能升级。发展重大技术装备节能、节材、降耗技术，重构流程工业核心技术链和生态链、高端产品框架及装备体系，建立资源能源综合利用、循环利用技术及装备体系，推动先进适用的重大低碳技术攻关与推广应用，不断增强我国制造业的全球竞争力。
4 建构未来城市，打造智能安全基础设施与服务
随着城镇化日益发展，未来城市将成为人类生活和文明建设的重要承载空间。基于以人为本与生态文明和谐、高度智慧和高度安全统一、中国特色与未来文化并重等需求，以绿色、生态、低碳、可持续、智慧化为出发点，强化尊重文脉传承和地域特色的中国城市与建筑规划设计，不断完善智慧城市的系统架构和技术体系，突破城市智能技术、城市低碳生态体系技术、适老型城市建设、城市整体安全、绿色低碳建筑等关键技术。发展高性能绿色可持续土木工程技术和智能基础设施技术，建立智慧化、生态化和安全化的水利与水资源安全保障体系。发展高质量综合立体交通体系，推进交通运载工具安全、绿色、智能化设计，构建智能、安全、绿色、共享的综合交通运输系统格局，形成具有中国特色的新型城镇化范式。
5 发展蓝色经济，迈入空间与海洋探索利用新时代
空间与海洋是人类重要的战略资源和共同财富，面向拓展生存和发展空间、建设信息社会、发展蓝色经济、保障空间与海洋安全和战略利益、打造人类空间与海洋命运共同体的需求，聚力开展空间海洋前沿与关键技术攻关，加强跨领域技术融合创新。发展低成本进出空间、有效利用地月空间和探索星际空间关键技术，大力提升空间信息与资源利用技术，推进“空天地海”一体化信息网络建设。面向深远海、大洋、极地探索利用，发展先进自主海洋装备和技术体系，推动海洋资源开发利用向绿色低碳、智能化、规模化、产业化方向发展。抢占空间与海洋探索利用技术制高点，建立全球空间与海洋安全和治理保障技术体系，支撑我国深度参与空间与海洋问题国际治理和开放合作，推进航天强国、海洋强国建设[26,27]。
6 提振农业农村产业，推进农业强国建设加快发展
农业是人类的衣食之源、生存之本，是国民经济现代化发展的基础产业，是生态安全和健康中国的基础保障。面向保障国家粮食安全、全面推进乡村振兴、加快建设农业强国三大战略需求，把发展农业科技放在更加突出的位置，以大食物观为指引，强化农业基础研究、现代农业科技创新和重大战略产品自主创新，重构新时代中国特色高质量农业科技创新体系。突破生物育种核心种质和关键技术，实现种业科技振兴；突破精准农业关键技术和装备，构建智慧农业科技体系；突破生态保育型绿色农业关键技术，构建生态安全的农业技术体系；突破营养化安全型食品产业技术，构建营养健康的农业技术体系；加强乡村实用技术集成创新与体系构建，支撑乡村五大振兴。实现现代农业科技高水平自立自强，支撑农业强国建设。
7 护佑全民健康，构建人人可及的普惠医疗体系
维护人民健康、构建健康社会是以人为本和社会主义现代化强国建设的重要标志，是推进人类可持续发展的本质要求。要坚持主动健康与大健康理念，加强防治结合，推动医学模式由疾病治疗为主向预防干预为先转变，全面推进医药卫生科技创新。以跨学科交叉融合为支撑，加速突破基础医学理论瓶颈，重点围绕生物医药及新药研制、先进诊疗、智能诊断与精准医疗、修复与再生、认知机理与脑科学、生物医学工程等，提升原始创新能力、关键技术和诊疗装备应用水平；面向慢性病精准防治技术体系、智能化传染病监测预警体系、中医药现代化体系，大力推进体系创新；建立智能化、一体化的全民健康医疗卫生服务体系，全方位提高我国医药卫生水平和普惠大众能力，推进健康管理、公共卫生、医护医养和医疗保障协同发展，支撑实现健康中国战略目标。
8 建设美丽中国，推进人与自然和谐可持续发展
人与自然和谐共生、人与生态系统健康维系是人类可持续发展的基点，建设美丽中国、实现“双碳”目标是国家贯彻新发展理念的战略部署。面向气候变化应对、生态安全和绿色发展，加速推进源头预防，多污染物、跨介质、跨区域多目标协同防治、综合管控与精准治理等关键技术发展，大力推动生产过程清洁化与绿色化，大力推进负碳技术攻关，推进多层次资源高效循环利用技术体系创新，基于全域性视角发展生态系统整体保护、系统修复和综合治理技术，逐步建立主动型、系统性、智能化、精细化的生态环境工程科技体系，从末端治理走向整体性保护，从污染防治向降碳、减污、扩绿增长，全方位、全流程支撑环境生态保护、修复和可持续发展，广泛促进形成绿色生产生活方式，推进全社会绿色化转型。
9 构筑平安中国，实现精准高效长治久安
平安是人民幸福安康的基本要求。聚焦平安中国目标，针对国家公共安全治理能力现代化重大需求，以预防、应对和韧性为核心，推进公共安全向风险可控化、预测智能化、应对高效化和保障一体化发展。面向自然灾害防御、事故灾难防范、重大疫情防控、社会治理等领域，将应急管理与常态管理相结合，研究多灾种耦合机制和灾害链复杂演变机制，构建具备全面感知、高效预测、智能决策和主动保障的公共安全综合保障一体化平台，构筑全方位、立体化的公共安全网，提高突发事件精准高效的应对处置和救援能力，建设精准感知、快速响应与开放协同的社会治理体系[28]。全面提升公共安全管理能力，不断增强人民群众的平安质感。
六 结语
面向2040年建设现代化强国目标，面向人类社会可持续发展与安全健康发展要求，必须坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，迎接新一轮科技革命和产业变革的机遇与挑战，顺应科研范式变革态势，构建新型开放创新生态，构建从基础研究到工程应用融合互动、高效协同的创新网络。以“四个面向”为导向，开展工程科技发展顶层设计，聚焦大信息、大制造、大能源、大健康、大安全等领域开展战略部署和策略创新，始终坚持筑牢实体经济根基，进一步强化信息技术融合赋能，系统发力、科学谋划实现“双碳”目标，积极推动健康政策和健康发展范式转移，健全以人为本、共享共治的社会治理体系，系统提升国家安全韧性。同时，面向未来科技大发展将引起的社会变革，树立“边发展，边治理”的理念，面向人工智能、生命科学等前沿领域的科技伦理、信息安全等问题，将科技创新发展与政策支持、法律规定统筹谋划，逐步完善保障技术良性发展的法律法规体系，追求新兴技术与人类在“协同性、共生性、规范性、公平性”上的和谐统一，形成“以人为本，服务于人”的发展目标，强化科技向善，不断增强人类福祉。
利益冲突声明
本文作者在此声明彼此之间不存在任何利益冲突或财务冲突。
Received date:July 16, 2024; Revised date: September 5, 2024
Contacts: Zhou Xiaoji, E-mail: zh_xj@sina.com
Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Research on the Development Strategy of China’s Engineering Science and Technology of the Next 20 Years” (2021-XBZD-13); National Natural Science Fund Project (L2124011, L2224056).
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Funding
Funding project: Chinese Academy of Engineering project "Research on the Development Strategy of China's Engineering Science and Technology of the Next 20 Years"(2021-XBZD-13); National Natural Science Fund Project(L2224056)
