第一篇：智能控制技術的發展現狀及心得體會

智能控制技術的發展現狀及心得體會

摘要：

在此綜述了智能控制技術的現狀及發展，首先簡述智能控制的性能特點及主要方法，然后介紹智能控制在各行各業中的應用現狀，接著論述智能控制的國內外發展和現狀。隨著信息技術的發展，許多新方法和技術進入工程化、產品化階段，這對自動控制技術提出創新的挑戰，促進了智能理論在控制技術中的應用，以解決用傳統的方法難以解決的復雜系統的控制問題。關鍵詞：智能控制

模糊控制

神經網絡

遺傳算法

一、引言

智能控制作為當今的一種交叉前沿學科，其研究中心始終是解決傳統控制理論、方法（包括經典控制、現代控制、自適應控制、魯棒控制、大系統方法等）所難以解決的不確定性問題。自智能控制概念的提出，自動控制界紛紛仿效，主流是人工智能技術引入到自動控制系統中，尋求難以精確建模的復雜系統的自動控制(自治)。

在無人干預的情況下能自主地驅動智能機器實現控制目標的自動控制技術。對許多復雜的系統，難以建立有效的數學模型和用常規的控制理論去進行定量計算和分析，而必須采用定量方法與定性方法相結合的控制方式。定量方法與定性方法相結合的目的是，要由機器用類似于人的智慧和經驗來引導求解過程。因此，在研究和設計智能系統時，主要注意力不放在數學公式的表達、計算和處理方面，而是放在對任務和現實模型的描述、符號和環境的識別以及知識庫和推理機的開發上，即智能控制的關鍵問題不是設計常規控制器，而是研制智能機器的模型。此外，智能控制的核心在高層控制，即組織控制。高層控制是對實際環境或過程進行組織、決策和規劃，以實現問題求解。為了完成這些任務，需要采用符號信息處理、啟發式程序設計、知識表示、自動推理和決策等有關技術。這些問題求解過程與人腦的思維過程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。

二、智能控制的性能特點

智能控制是自動控制發展的新的階段，主要用來解決那些用傳統方法難以解決的復雜、非線性和不確定的系統控制問題。智能控制系統具有以下幾個特點 ：(1)較強的學習能力：

能對未知環境提供的信息進行識別、記憶、學習、融合、分析、推理，并利用積累的知識和經驗不斷優化、改進和提高自身的控制能力；(2)較強的自適應能力：

具有適應受控對象動力學特性變化、環境特性變化和運行條件變化的能力；(3)較強的容錯能力：

系統對各類故障具有自診斷、屏蔽和自恢復能力；(4)較強的魯棒性：

系統性能對環境干擾和不確定性因素不敏感；(5)較強的組織功能：

對于復雜任務和分散的傳感信息具有自組織和協調功能，使系統具有主動性和靈活性；(6)實時性好：

系統具有較強的在線實時響應能力；(7)人機協作性能好：

系統具有友好的人機界面，以保證人機通信、人機互助和人機協同工作。

三、智能控制的主要方法

智能控制技術的主要方法有專家控制、模糊控制、神經網絡控制和遺傳算法等

（1）專家控制

專家控制是將專家系統的理論技術與控制理論技術相結合，仿效專家的經驗，實現對系統控制的一種智能控制。主體由知識庫和推理機構組成，通過對知識的獲取與組織，按某種策略適時選用恰當的規則進行推理，以實現對控制對象的控制。專家控制可以靈活地選取控制率，靈活性高；可通過調整控制器的參數，適應對象特性及環境的變化，適應性好;通過專家規則，系統可以在非線性、大偏差的情況下可靠地工作,魯棒性強。（2）模糊控制

模糊控制以模糊集合、模糊語言變量、模糊推理為其理論基礎，以先驗知識和專家經驗作為控制規則。其基本思想是用機器模擬人對系統的控制，就是在被控對象的模糊模型的基礎上運用模糊控制器近似推理等手段,實現系統控制。在實現模糊控制時主要考慮模糊變量的隸屬度函數的確定,以及控制規則的制定二者缺一不可。

（3）神經網絡控制

神經網絡模擬人腦神經元的活動，利用神經元之間的聯結與權值的分布來表示特定的信息，通過不斷修正連接的權值進行自我學習，以逼近理論為依據進行神經網絡建模，并以直接自校正控制、間接自校正控制、神經網絡預測控制等方式實現智能控制。

（4）遺傳算法學習

智能控制是通過計算機實現對系統的控制，因此控制技術離不開優化技術?？焖?、高效、全局化的優化算法是實現智能控制的重要手段。遺傳算法是模擬自然選擇和遺傳機制的一種搜索和優化算法，它模擬生物界生存競爭，優勝劣汰，適者生存的機制，利用復制、交叉、變異等遺傳操作來完成尋優。遺傳算法作為優化搜索算法，一方面希望在寬廣的空間內進行搜索，從而提高求得最優解的概率；另一方面又希望向著解的方向盡快縮小搜索范圍，從而提高搜索效率。如何同時提高搜索最優解的概率和效率，是遺傳算法的一個主要研究方向。

四、智能控制的應用現狀

4.1工業過程中的智能控制

生產過程的智能控制主要包括兩個方面:局部級和全局級。局部級的智能控制是指將智能引入工藝過程中的某一單元進行控制器設計，例如智能PID控制器、專家控制器、神經元網絡控制器等。研究熱點是智能PID控制器，因為其在參數的整定和在線自適應調整方面具有明顯的優勢，且可用于控制一些非線性的復雜對象。全局級的智能控制主要針對整個生產過程的自動化，包括整個操作工藝的控制、過程的故障診斷、規劃過程操作處理異常等。

4.2 機械制造中的智能控制

在現代先進制造系統中，需要依賴那些不夠完備和不夠精確的數據來解決難以或無法預測的情況，人工智能技術為解決這一難題提供了有效的解決方案。智能控制隨之也被廣泛地應用于機械制造行業，它利用模糊數學、神經網絡的方法對制造過程進行動態環境建模，利用傳感器融合技術來進行信息的預處理和綜合?？刹捎脤＜蚁到y的“Then-If”逆向推理作為反饋機構，修改控制機構或者選擇較好的控制模式和參數。利用模糊集合和模糊關系的魯棒性，將模糊信息集成到閉環控制的外環決策選取機構來選擇控制動作。利用神經網絡的學習功能和并行處理信息的能力，進行在線的模式識別，處理那些可能是殘缺不全的信息。

4.3電力電子學研究領域中的智能控制

電力系統中發電機、變壓器、電動機等電機電器設備的設計、生產、運行、控制是一個復雜的過程，國內外的電氣工作者將人工智能技術引入到電氣設備的優化設計、故障診斷及控制中，取得了良好的控制效果。遺傳算法是一種先進的優化算法，采用此方法來對電器設備的設計進行優化，可以降低成本，縮短計算時間，提高產品設計的效率和質量。應用于電氣設備故障診斷的智能控制技術有:模糊邏輯、專家系統和神經網絡。在電力電子學的眾多應用領域中，智能控制在電流控制PWM技術中的應用是具有代表性的技術應用方向之一，也是研究的新熱點之一。

以上的三個例子只是智能控制在各行各業應用中的一個縮影，它的作用以及影響力將會關系國民生計。并且智能控制技術的發展也是日新月異，我們只有時刻關注智能控制技術才能跟上其日益加快的技術更新步伐。

五、國內外研究現狀及發展趨勢

從20世紀60年代起，計算機技術和人工智能技術迅速發展，為了提高控制系統的自學習能力，控制界學者開始將人工智能技術應用于控制系統。

1965年，美籍華裔科學家傅京孫教授首先把人工智能的啟發式推理規則用于學習控制系統，1966年，Mendel進一步在空間飛行器的學習控制系統中應用了人工智能技術，并提出了“人工智能控制”的概念。1967年，Leondes和Mendel首先正式使用“智能控制”一詞。

20世紀70年代初，傅京孫、Glofiso和Saridis等學者從控制論角度總結了人工智能技術與自適應、自組織、自學習控制的關系，提出了智能控制就是人工智能技術與控制理論的交叉的思想，并創立了人機交互式分級遞階智能控制的系統結構。

1985年8月，IEEE在美國紐約召開了第一屆智能控制學術討論會，隨后成立了IEEE智能控制專業委員會；1987年1月，在美國舉行第一次國際智能控制大會，標志著智能控制領域的形成。

要做到智能自動化，把機器人的智商提高到智人水平，還需要數十年。微電子、生命科學、自動化技術突飛猛進，為21世紀實現智能控制和智能自動化創造了很好的條件。為了達到目標，不僅需要技術的進步，更需要科學思想和理論的突破。很多科學家堅持認為，這需要發現新的原理，或者改造已知的物理學基本定理，才能徹底懂得和仿造人類的智能，才能設計出具有高級智能的自動控制系統?？茖W界要為保障人類和地球的生存和可持續發展做出必須的貢獻，而控制論科學家和工程師應當承擔主要的使命。

智能控制理論的研究和應用是現代控制理論在深度和廣度上的拓展。20世紀80年代以來，信息技術、計算技術的快速發展及其他相關學科的發展和相互

滲透，也推動了控制科學與工程研究的不斷深入，控制系統向智能控制系統的發展已成為一種趨勢。

六、智能控制的學習心得體會

這學期所學的智能控制感覺是相對于之前學的經典控制理論與現代控制理論，其研究對象是更為實際與現實的問題，但是與之前不同之處在于，現在的智能控制不只是研究對象更加實際、現實，而且是提出了新的方法途徑，相比較與經典的控制理論，智能控制的研究對象有其自己的特點：

(1)不確定性的模型

(2)高度的非線性(3)復雜的任務要求

對于智能控制系統，任務的要求往往比較復雜，通常是比較抽象的。

學習了關于智能控制的專家控制、模糊控制、神經網絡控制和遺傳算法，發現智能控制能夠做到在傳統的PID控制中辦不到的事兒，而且神經網絡的控制特別的神奇，它能夠模擬人的大腦，通過神經元的超強學習功能，如果遇到干擾作用，還能夠自適應，但是神經網絡也有欠缺之處，它不能自主解釋自己的推理過程，而這些推理過程都是由人將自己的經驗轉換為一些學習算法、規則，通過數據傳播信息的，使其進行學習。關于智能控制的學習，我現在所學習到的僅僅是皮毛。但對于一個剛剛接觸智能控制學習的學生，了解如模糊控制、專家系統、神經網絡等智能控制的知識入門尤為重要，為將來進一步學習智能控制的理論打下基礎，并將理論應用于生活和工作當中，這才是學習的最終目的。

七、總結與展望

智能控制雖然已有50多年的發展史，而其實際應用也越來越成熟、廣泛，但是相比較經典的控制理論與方法，智能控制的應用還是有待進一步發展的：①由于智能學習控制采用單一的技術,如模糊邏輯、神經網絡等,會使智能學習控制技術的學習方法缺少變化性和多樣性。因此,從采用的技術上看,智能學習控制將從采用單一的技術向采用多種技術混合的方向發展。②從學習內容來看,智能學習控制的學習算法將從采用比較簡單的控制器參數學習向采用比較復雜的環境學習、結構學習和對象學習的方向發展。并且還向能同時進行多種內容學習的方向發展。如同時包括參數、結構、環境、對象等內容的學習等等。③由于智能學習控制采用單一的學習方式,如有導師學習、無導師學習、加強學習等,會使智能學習控制的應用受到限制。因此,從學習方式來看,智能學習控制將從單一的學習方式向能同時具有多種學習方式混合的方向發展。④從應用來看,智能學習控制將從變參數學習控制向變結構、變環境和復雜未知對象的學習控制的方向發展。并且還向能同時進行多種應用的學習控制的方向發展。⑤研究和開發新的學習算法、新的學習方式,引進新的技術等,如研究自創建和自組織學習算法、創造性的學習方式、采用小波理論等。⑥建立智能學習控制的一般性設計理論和相應的評價理論。隨著智能學習控制的設計方案和設計方法的日益豐富,許多新的問題需要研究。例如,如何評價和選擇合適的方案以適用于某個應用等。

當然對于智能控制的探索與研究還需要更多的學者投入更多的心血，才能在未來結出更加豐碩的果實。

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第二篇：數控機床技術發展現狀及趨勢

數控機床技術發展現狀及趨勢

趙 學 明

（廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

摘要：現在世界上很多發達的工業化國家在生產中廣泛應用數控機床。隨著電子技術和控制技術的飛速發展，當今的數控系統功能已經非常強大，而且隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業的發展起著越來越重要的作用。隨著科學技術的發展，世界先進技術的興起和不斷成熟，對數控技術提出了更高的要求。當今數控機床正在不斷采用最新成果，朝著高速化、超精度化、多功能化、智能化、系統化、網絡化、高可靠性與環保等方向發展。

關鍵字：數控機床、技術、現狀、發展趨勢

引言

從20世紀中葉數控技術出現以來，數控機床給機械制造業帶來了革命性的變化。數控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發展的重要裝備。

進入21世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發展的新時期。機床制造業既面臨著機械制造業需求水平提升而引發的制造裝備發展的良機，也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數控機床的發展是解決機床制造業持續發展的一個關鍵。隨著制造業對數控機床的大量需求以及計算機技術和現代設計技術的飛速進步，數控機床的應用范圍還在不斷擴大，并且不斷發展以更適應生產加工的需要。1 數控機床的簡單介紹

車、銑、刨、磨、鏜、鉆、電火花、剪板、折彎、激光切割等都是機械加工方法，所謂機械加工，就是把金屬毛坯零件加工成所需要的形狀，包含尺寸精度和幾何精度兩個方面。能完成以上功能的設備都稱為機床，數控機床就是在普通機床上發展過來的，數控的意思就是數字控制。數控系統是由顯示器、控制器伺服、伺服電機、和各種開關、傳感器構成。目前世界上最大的三家廠商是：日本法拉克、德國西門子、日本三菱；其余還有法國扭姆、西

班牙凡高等。國內有華中數控、航天數控等。從目前來看，我們國家機床業最薄弱的環節就在數控系統。國內的數控系統剛剛才開始，產業化、質量、技術水平一般，故障率比較高，質量精度一般。因此，高檔次的數控系統全都是依賴進口，每年國家需要在此方面花費大量的外匯。給機床裝上數控系統后，機床就成了數控機床。當然，普通機床發展到數控機床不只是加裝數控系統這么簡單，例如：從銑床發展到加工中心，機床結構發生變化，最主要的是加了刀庫，大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是銑、鏜、鉆的功能。我們一般所說的數控設備，主要是指數控車床和加工中心。我國數控機床的機遇與挑戰

近6年來我國數控機床產量一直處于持續地以年均增長超過30％快速發展，據初步統計2004年數控機床的產量為51860臺，同比年增長40.8％，數控機床的消費量約70000余臺，同比年增長約30％。數控機床需求的旺盛也促進了2004年內新建的三資和民營機床廠以及數控機床品種的明顯增加。但是，另一方面進口的數控機床數量也在逐年同步增加，而且進口數控機床的消費額的增長趨勢更快。2004年數控機床的進口數量同比年增長30％，而進口消費額的增長卻達52％，從而導致國產數控機床在國內市場消費額中的所占比例已不足30％。之所以出現這一現象，其主要原因在于國內市場對技術和附加值高的高效精密數控機床和高性能大重型數控機床需求增長，要依靠進口解決。大量的高檔數控機床的進口，主要由于以下三個領域發展的需求：高新技術和國防工業領域；重大基礎裝備制造領域。國民經濟支柱產業領域等。因此，對于高速超精密數控機床，國內還是欠缺的，主要依賴進口。

但是最近幾年國家也加大了對數控機床研發的大力支持?？萍疾繉閿悼貦C床專項研發投入2億元，主要圍繞數控設備支撐技術和航天、交通、能源等方面需要的超大型超精密加工設備。第一個建立在企業的數控機床國家重點實驗室已經進入審批階段?？萍疾窟€將組織重大專項研究，在關鍵功能部件等配套技術和產品研發上取得核心技術。國家的政策支持，產業扶持，這是數控機床業的春天，將會促進我國數控機床朝向世界頂級技術邁進。3 數控機床技術發展的趨勢高速度與超精度化

速度和精度是數控機床的兩個重要指標，它直接關系到加工效率和產品的質量。高速度、超精度加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現代制造技術之一，國際生產工程學會(CIRP)

將其確定為21世紀的中心研究方向之一。特別是在超高速切削、超精密加工技術的實施中，對機床各坐標軸位移速度和定位精度提出了更高的要求；另外，這兩項技術指標又是相互制約的，也就是說要求位移速度越高，定位精度就越難提高。

目前，在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達到5000～8000m/min以上；主軸轉數在30000轉/分(有的高達10萬轉/分)以上；工作臺的移動速度(進給速度)：在分辨率為l微米時，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率為0.1um時，在24m/min以上；自動換刀速度在1秒以內；小線段插補進給速度達到12m/min。

在加工精度方面，近10年來，普通級數控機床的加工精度已由10um 提高到5um，精密級加工中心則從3～5um，提高到1～1．5um,并且超精密加工精度已開始進入納米級(0．01um)。2 高可靠性

隨著數控機床網絡化應用的發展，數控機床的高可靠性已經成為數控系統制造商和數控機床制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在l6小時內連續正常工作，無故障率在P(t)>99％以上，則數控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。我們只對一臺數控機床而言，如主機與數控系統的失效率之比為l0：1(數控的可靠比主機高一個數量級)。此時數控系統的MTBF就要大于33333．3小時，而其中的數控裝置、主軸及驅動等的MTBF就必須大于l0萬小時。當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時以上，驅動裝置達30000小時以上，但是，可以看到距理想的目標還有差距。多功能化

在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此數控機床實現了一機多能，以最大限度地提高設備利用率。另外前臺加工、后臺編輯的前后臺功能，充分提高其工作效率和機床利用率。數控機床還具有更高的通訊功能，現代數控機床除具有通信口，DNC功能外，還具有網絡功能。多軸化

隨著5軸聯動數控系統和編程軟件的普及，5軸聯動控制的加工中心和數控銑床已經成為當前的一個開發熱點，由于在加工自由曲面時，5軸聯動控制對球頭銑刀的數控編程比較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削3維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在3軸聯動控制的機床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參與切削，因此，5軸聯動機床以其無可替代的性能優勢已經成為各大機床廠家積極開發和競爭的焦點。

數控機床的網絡化，主要指機床通過所配裝的數控系統與外部的其它控制系統或上位計算機進行網絡連接和網絡控制。數控機床一般首先面向生產現場和企業內部的局域網，然后再經由因特網通向企業外部，這就是所謂Internet/Intranet技術。隨著網絡技術的成熟和發展，最近業界又提出了數字制造的概念。數字制造，是機械制造企業現代化的標志之一，也是國際先進機床制造商當今標準配置的供貨方式。

隨著信息化技術的大量采用，越來越多的國內用戶在進口數控機床時要求具有遠程通訊服務等功能。機械制造企業在普遍采用CAD/CAM的基礎上，越加廣泛地使用數控加工設備。數控應用軟件日趨豐富和具有“人性化”。虛擬設計、虛擬制造等高端技術也越來越多地為工程技術人員所追求。通過軟件智能替代復雜的硬件，正在成為當代機床發展的重要趨勢。在數字制造的目標下，通過流程再造和信息化改造，ERP等一批先進企業管理軟件已經脫穎而出，為企業創造出更高的經濟效益。柔性化、智能化

數控機床向柔性自動化系統發展的趨勢是：從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網絡集成制造系統)的方向發展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發展。柔性自動化技術是制造業適應動態市場需求及產品迅速更新的主要手段，是各國制造業發展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術。其重點是以提高系統的可靠性、實用化為前提，以易于聯網和集成為目標；注重加強單元技術的開拓、完善；CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發展；數控機床及其構成柔性制造系統能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯結，向信息集成方向發展；網絡系統向開放、集成和智能化方向發展。

智能化是21世紀制造技術發展的一個大方向。智能加工是一種基于神經網絡控制、模糊控制、數字化網絡技術和理論的加工，它是要在加工過程中模擬人類專家的智能活動，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預才能解決的問題。智能化的內容包括在數控系統中的各個方面：為追求加工效率和加工質量的智能化，如自適應控制，工藝參數自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等；智能診斷、智能監控，方便系統的診斷及維修等。世界上正在進行研究的智能化切削加工系統很多，其中日本智能化數控裝置研究會針對鉆削的智能加工方案具有代表性。

21世紀的金切機床必須把環保和節能放在重要位置，即要實現切削加工工藝的綠色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因為切削液既污染環境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進行，但也包括在特殊氣體氛圍中(氮氣中、冷風中或采用干式靜電冷卻技術)不使用切削液進行的切削。不過，對于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削目前尚難與實際應用，故又出現了使用極微量潤滑(MQL)的準干切削。對于面向多種加工方法/工件組合的加工中心之類的機床來說，主要是采用準干切削，通常是讓極微量的切削油與壓縮空氣的混合物經由機床主軸與工具內的中空通道噴向切削區。在各類金切機床中，采用干切削最多的是滾齒機。結束語

總之，數控(NC)機床技術已成為制造技術的發展基礎。數控機床技術的進步和發展為現代制造業的發展提供了良好的條件，促使制造業向著高效、優質以及人性化的方向發展。為了滿足制造技術不斷發展的需要，NC機床將朝著智能化、網絡化、集成化、數字化的方向發展。今后，隨著計算技術、測試技術、微電子技術、計算機技術、材料和機械結構等方面的研究和科技的進步，也必將面臨著新的挑戰?？梢灶A見，隨著數控機床技術的發展和數控機床的廣泛應用 制造業將迎來一次足以撼動傳統制造業模式的深刻革命。

參考文獻：

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第三篇：超聲成像技術發展現狀及應用

超聲成像技術的發展現狀及應用引言

超聲成像以其使用安全、成像速度快、價格便宜和使用方便等優勢在臨床診斷中被大量使用，是臨床診斷的重要工具之一[1]。隨著超聲在醫學診斷領域的廣泛而深入的應用，以及微電子技術、計算機技術、圖像處理技術和探頭技術等工程技術的進步，促進了超聲診斷技術不斷發展。不僅儀器的圖像質量明顯提高，而且診斷的模式和方法也更加豐富。國內外很多研究人員從事著超聲的研究，使超聲技術從模擬技術擴展到數字技術，即數字聲束形成技術[2]；從低幀率成像擴展到高幀率成像[3]；從二維成像擴展到三維成像[4]；從線性技術擴展到非線性技術[5]，以適應臨床不同的需求。本文著重對多普勒血流成像、三維成像技術和諧波成像技術作一下介紹，并對各自在臨床方面的應用進行概括。超聲多普勒成像技術

超聲多普勒技術主要應用于心臟和血管疾病的診斷。它是無損診斷血管疾病的一種重要手段，對超聲多普勒血流信號的分析處理可以為疾病診斷提供重要依據[6]。當超聲源與人體內運動目標之間存在相對運動時,接收到的回波信號將產生多普勒頻移,由此確定其運動速度大小、方向以及在斷層上的分布。

2.1多普勒成像技術簡介

目前應用于臨床的有一維連續多普勒、一維脈沖多普勒、彩色多普勒、能量多普勒和多普勒組織成像[7]。下面就多普勒組織成像技術及其應用做一個簡單的介紹。

多普勒組織成像技術[7]是將低速高振幅的心肌運動信息進行彩色編碼顯示心臟運動信息的圖像診斷技術。該技術能夠直觀的觀察心動周期內各時相的室壁運動方向，并定量分析心臟各節段的室壁運動速度。與傳統超聲目測分析室壁運動相比，能夠更為客觀地評價心臟的運動特點。但多普勒組織成像無法克服多普勒聲束與室壁運動方向夾角所產生的影響[8]。

2.2 超聲多普勒成像技術應用

關于超聲多普勒成像技術的臨床應用的報道有很多。學者經研究發現二維及

彩色多普勒超聲對甲狀腺良惡性腫瘤的鑒別有一定的診斷價值[9]。李斌采用彩色多普勒超聲對子宮頸部肌瘤的聲像圖特征及其相應的生理、病理學基礎作了相關的實驗分析，得出彩色多普勒超聲對子宮頸部肌瘤有很高的診斷價值[10]。也有人針對彩色多普勒超聲和多層螺旋CT兩種檢查方式進行比較[11]。另外，超聲多普勒成像技術也可用于心臟圖像的動態三維圖像[12]。三維超聲成像技術

三維超聲成像的概念最初由Baun和Greewood在1961年提出[13]。他們在采集一系列平行的人體器官二維超聲截面的基礎上，用疊加的方式得到了器官的三維圖像。在這之后，很多人進行了這方面的研究工作。隨著計算機技術和圖像處理技術的發展，三維超聲成像取得了明顯的進展，一些實用的系統開始進入臨床應用。

3.1 三維超聲成像技術原理簡介

三維超聲成像技術包括數據獲取、三維圖像重建和三維圖像的顯示[14]。三維超聲成像是在采集二維圖像的基礎上進行重建而成。

要獲得理想而準確的三維圖像，需要清楚地了解二維圖像的位置及角度，還需盡快掃查以避免運動偽像。常用機械驅動掃查、自由掃查、一體化容積探頭掃查等方式獲取[15]。

獲取二維圖像數據后，便可形成三維立體數據庫。當選擇一個參考切面對三維立體數據庫進行任意方向的切割和觀察時，即可完成對感興趣結構的三維重建與顯示。常用的重建方法為[15]：基于特征的三維圖像重構法、基于體素的三維圖像重構方法。顯示方式有：斷面成像、表面成像、透明成像。

3.2 三維超聲成像的優缺點

與傳統二維超聲成像相比，三維超聲成像具有明顯的優勢。主要表現在以下幾個方面[16]：直接顯示臟器的三維解剖結構；可對三維成像的結果進行重新斷層分層，從而能從傳統成像方式無法實現的角度進行觀察；可對生理參數進行精確測量，對病變位置精確定位。

無可厚非，三維超聲成像還存在不足之處[16]。主要表現在三個方面：(1)成像速度慢；(2)空間分辨力低；(3)成像效果未達到臨床診斷要求。

3.3 三維成像的應用

三維超聲在產科領域的應用較早，技術也較成熟[14]。不僅可以對胎兒體表結構進行表面成像，還可利用透明成像對胎兒體內結構進行三維重建，從而對胎兒整體形態結構進行觀察。在心血管疾病診斷中，可用于多種心臟疾病以及血管內疾病的檢查。隨著實時三維超聲成像的研究成功，三維超聲有望在心臟疾病檢查中發揮更大的作用。另外，三維成像對慢性膀胱炎癥、憩室、結石、凝血塊等膀胱疾病的診斷，也顯示出優越性[14]。當然，它的臨床應用還有很多，如在肝臟疾病、腎臟疾病以及眼科疾病等方面的治療中也取得不錯的成效[17]，再次不一一列舉。諧波成像技術

在諧波成像應用于臨床之前，所有超聲成像系統都是按照線性超聲來設計的。非線性聲學的理論和實驗表明，有限振幅聲波在傳播過程中會產生非線性效應，因此可以利用人體組織產生的高次諧波進行成像[18]。當前應用較廣的有造影諧波成像，組織諧波成像等。具有諧波成像和Doppler血流成像功能成為高端超聲成像儀的主要標志。

4.1 組織諧波成像和造影諧波成像

臨床上，由于肥胖、胃腸氣體干擾、腹壁較厚或疾病等原因，約有20%-30%此類的病人被稱為超聲顯像困難病人[18]。對于此類病人需要較低頻率的超聲檢查以增加穿透力從而得到進一步的診斷研究，組織諧波成像便能解決此問題。

組織諧波成像是利用超聲傳播過程中由人體組織自身產生的高次諧波進行成像[19]。組織諧波成像和造影諧波成像都是通過提取回波信號中的高次諧波分量進行成像，但高次諧波產生的物理原理卻不相同。造影諧波成像的原理如下

[20]：超聲造影劑內存在大量的微氣泡，若通過靜脈注射造影劑，由于造影劑中的微氣泡與周圍血液的聲阻抗差異較大，增強了超聲束的后向散射信號，從而提高超聲圖像的對比度，改善圖像質量。這種利用造影劑反射回波的二次諧波成像的方式稱為造影劑諧波成像。

4.3 諧波成像應用

目前諧波成像技術在心臟和腹部疾病超聲圖像診斷方面的應用較為廣泛。但諧波成像發射頻率較低，接受頻率較高，使得靶區圖像分辨力降低。因此，此項技術尚處在初級應用階段。國內對組織諧波成像研究僅限于臨床應用研究，尚缺

少對該項技術在理論和實驗方面的深入研究。國外已經開展了組織諧波成像模型的理論研究，取得了一些成果。比如Yadong Li研究了用于產生諧波B型超聲圖像的計算模型[21]。組織諧波成像已經被證實具有較好的影像解析度，它比基波圖像有著更好的對比，造影劑二次諧波成像可以增強造影劑與周圍組織的對比度，使成像更為清晰。展望

從早期超聲診斷技術到目前的超聲多普勒成像技術、三維成像技術和諧波成像技術的發展歷程來看，超聲圖像診斷技術的發展目的是為了提高圖像質量，準確反映疾病信息。超聲成像技術在過去、現在和將來都是醫學影像研究的重點內容之一。隨著技術的發展、研究的深入，相信將會有更多新發現和新技術用于超聲成像中。

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第四篇：光纖通信技術發展的現狀及趨勢

光纖通信技術發展的現狀及趨勢

年級：大一

學號：***

姓名：傅天一

專業：計科

指導老師：

二零一四年五月

摘要：由于光纖通信具有損耗低、傳榆頻帶寬、容量大、體積小、重量輕、抗電磁干擾、不易串音等優點,備受業內人士青睞,發展非常迅速,文章概述光纖通信技術的發展現狀,并展望其發展趨勢。

關鍵詞：光纖通信技術;趨勢;光纖到戶;全光網絡

一、前 言

1966年,美籍華人高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發表論文,預見了低損耗的光纖能夠用于通信,敲開了光纖通信的大門,引起了人們的重視。1970年,美國康寧公司首次研制成功損耗為20dB/km的光纖,光纖通信時代由此開始。光纖通信是以很高頻率(1014Hz數量級)的光波作為載波、以光纖作為傳輸介質的通信。由于光纖通信具有損耗低、傳輸頻帶寬、容量大、體積小、重量輕、抗電磁干擾、不易串音等優點,備受業內人士青睞,發展非常迅速。光纖通信系統的傳輸容量從

1980年到2000年增加了近1萬倍,傳輸速度在過去的10年中大約提高了10倍。

二、光纖通信技術的發展現狀

為了適應網絡發展和傳輸流量提高的需求,傳輸系統供應商都在技術開發上不懈努力。富士通公司在150km、1.3μm零色散光纖上進行了55x20Gbit/s傳輸的研究,實現了1.1Tbit/s的傳輸。NEC公司進行了132x20Gbit/s、120km傳輸的研究,實現了2.64Thit/s的傳輸。NTT公司實現了3Thit/s的傳輸。目前,以日本為代表的發達國家,在光纖傳輸方面實現了10.96Thit/s(274xGbit/s)的實驗系統,對超長距離的傳輸已達到4000km無電中繼的技術水平。在光網絡方面,光網技術合作計劃(ONTC)、多波長光網絡(MONET)、泛歐光子傳送重疊網(PHOTON)、泛歐光網絡(OPEN)、光通信網管理(MOON)、光城域通信網(MTON)、波長捷變光傳送和接入網(WOTAN)等一系列研究項目的相繼啟動、實施與完成,為下一代寬帶信息網絡,尤其為承載未來IP業務的下一代光通信網絡奠定了良好的基礎。

(一)復用技術

光傳輸系統中,要提高光纖帶寬的利用率,必須依靠多信道系統。常用的復用方式有:時分復用(TDM)、波分復用(WDM)、頻分復用(FDM)、空分復用(SDM)和碼分復用(CDM)。目前的光通信領域中,WDM技術比較成熟,它能幾十倍上百倍地提高傳輸容量。

(二)寬帶放大器技術

摻餌光纖放大器(EDFA)是WDM技術實用化的關鍵,它具有對偏振不敏感、無串擾、噪聲接近量子噪聲極限等優點。但是普通的EDFA放大帶寬較窄,約有35nm(1530~1565nm),這就限制了能容納的波長信道數。進一步提高傳輸容量、增大光放大器帶寬的方法有:(1)摻餌氟化物光纖放大器(EDFFA),它可實現75nm的放大帶寬;(2)碲化物光纖放大器,它可實現76nm的放大帶寬;(3)控制摻餌光纖放大器與普通的EDFA組合起來,可放大帶寬約80nm;(4)拉曼光纖放大器(RFA),它可在任何波長處提供增益,將拉曼放大器與EDFA結合起來,可放大帶寬大于100nm。

(三)色散補償技術

對高速信道來說,在1550nm波段約18ps(mmokm)的色散將導致脈沖展寬而引起誤碼,限制高速信號長距離傳輸。對采用常規光纖的10Gbit/s系統來說,色散限制僅僅為50km。因此,長距離傳輸中必須采用色散補償技術。

(四)孤子WDM傳輸技術

超大容量傳輸系統中,色散是限制傳輸距離和容量的一個主要因素。在高速光纖通信系統中,使用孤子傳輸技術的好處是可以利用光纖本身的非線性來平衡光纖的色散,因而可以顯著增加無中繼傳輸距離。孤子還有抗干擾能力強、能抑制極化模色散等優點。色散管理和孤子技術的結合,凸出了以往孤子只在長距離傳輸上具有的優勢,繼而向高速、寬帶、長距離方向發展。

(五)光纖接入技術

隨著通信業務量的增加,業務種類更加豐富。人們不僅需要語音業務,而且高速數據、高保真音樂、互動視頻等多媒體業務也已得到用戶青睞。這些業務不僅要有寬帶的主干傳輸網絡,用戶接人部分更是關鍵。傳統的接入方式已經滿足不了需求,只有帶寬能力強的光纖接人才能將瓶頸打開,核心網和城域網的容量潛力才能真正發揮出來。光纖接入中極有優勢的PON技術早就出現了,它可與多種技術相結合,例如ATM、SDH、以太網等,分別產生APON、GPON和EPON。由于ATM技術受到IP技術的挑戰等問題,APON發展基本上停滯不前,甚至走下坡路。但有報道指出由于ATM交換在美國廣泛應用,APON將用于實現FITH方案。GPON對

電路交換性的業務支持最有優勢,又可充分利用現有的SDH,但是技術比較復雜,成本偏高。EPON繼承了以太網的優勢,成本相對較低,但對TDM類業務的支持難度相對較大。所謂EPON就是把全部數據裝在以太網幀內傳送的網絡技術?，F今95%的局域網都使用以太網,所以選擇以太網技術應用于對IP數據最佳的接入網是很合乎邏輯的,并且原有的以太網只限于局域網,而且MAC技術是點對點的連接,在和光傳輸技術相結合后的EPON不再只限于局域網,還可擴展到城域網,甚至廣域網,EPON眾多的MAC技術是點對多點的連接。另外光纖到戶也采用EPON技術。

三、光纖通信技術的發展趨勢

對光纖通信而言,超高速度、超大容量、超長距離一直都是人們追求的目標,光纖到戶和全光網絡也是人們追求的夢想。

(一)光纖到戶

現在移動通信發展速度驚人,因其帶寬有限,終端體積不可能太大,顯示屏幕受限等因素,人們依然追求陸能相對占優的固定終端,希望實現光纖到戶。光纖到戶的魅力在于它有極大的帶寬,它是解決從互聯網主干網到用戶桌面的“最后一公里”瓶頸現象的最佳方案。隨著技術的更新換代,光纖到戶的成本大大降低,不久可降到與DSL和HFC網相當,這使FITH的實用化成為可能。據報道,1997年日本NTT公司就開始發展FTTH,2000年后由于成本降低而使用戶數量大增。美國在2002年前后的12個月中,FTTH的安裝數量增加了200%以上。在我國,光纖到戶也是勢在必行,光纖到戶的實驗網已在武漢、成都等市開展,預計2012年前后,我國從沿海到內地將興起光纖到戶建設高潮?？梢哉f光纖到戶是光纖通信的一個亮點,伴隨著相應技術的成熟與實用化,成本降低到能承受的水平時,FTTH的大趨勢是不可阻擋的。

(二)全光網絡

傳統的光網絡實現了節點間的全光化,但在網絡結點處仍用電器件,限制了目前通信網干線總容量的提高,因此真正的全光網絡成為非常重要的課題。全光網絡以光節點代替電節點,節點之間也是全光化,信息始終以光的形式進行傳輸與交換,交換機對用戶信息的處理不再按比特進行,而是根據其波長來決定路由。全光網絡具有良好的透明性、開放性、兼容性、可靠性、可擴展性,并能提供巨大的帶寬、超大容量、極高的處理速度、較低的誤碼率,網絡結構簡單,組網非常靈活,可以隨時增加新節點而不必安裝信號的交換和處理設備。當然全光網絡的發展并不可能獨立于眾多通信技術,它必須要與因特網、ATM網、移動通信網等相融合。目前全光網絡的發展仍處于初期階段,但已顯示出良好的發展前景。從發展趨勢上看,形成一個真正的、以WDM技術與光交換技術為主的光網絡層,建立純粹的全光網絡,消除電光瓶頸已成未來光通信發展的必然趨勢,更是未來信息網絡的核心,也是通信技術發展的最高級別,更是理想級別。

四、結 語

光通信技術作為信息技術的重要支撐平臺,在未來信息社會中將起到重要作用。在國內各研發機構、科研院所、大學的科研人員的共同努力下,我國已研制開發了一些具有自主知識產權的光通信高技術產品,取得了一批重要的研究與應用成果。這些研究工作和突出成果為O-TIME(光時代)計劃的實施奠定了堅實的基礎,有望在“十一五”期間取得更多的成果,為我國的信息基礎設施建設做出貢獻。

第五篇：我國3D打印技術發展現狀及環境分析

我國3D打印技術發展現狀及環境分析

摘要：3D打印技術已獲得迅速發展，并受到世界各國廣泛關注，基于目前3D打印技術發展的現實情況，著重分析我國3D打印技術發展現狀以及面臨的環境條件，并提出我國3D打印技術發展與應用的對策建議，以便為我國搶抓3D打印技術發展機遇提供重要技術支撐。

近年來，3D打印技術獲得迅速發展，并受到世界各國的廣泛關注，美國科學家將3D打印產業列為“美國十大增長最快的工業”之一，有的甚至期望3D打印這種神奇的技術能帶來“第三次工業革命”[1][2]。軍事強國加大技術研發力度，3D打印技術成熟度及性能不斷提升，3D打印精度和速度不斷提高，打印成本越來越低，打印原材料更加豐富；主要國家積極探索3D打印技術在武器裝備設計、制造和維修保障中的應用，已經通過3D打印技術成功“打印”出手槍；美軍應用3D打印技術，輔助研制了導彈用的彈出式點火器模型；美國GE集團已應用3D打印技術制造噴氣發動機[3]。隨著世界各國不斷加大對3D打印技術的研發與投入，我國也開始高度重視3D打印技術發展與應用，已持續加大對3D打印技術支持，在若干關鍵技術方向取得了重要突破，在多個領域的應用取得重要進展，3D打印技術發展的支撐環境條件更加完善。

一、我國3D打印技術發展現狀

我國3D打印技術發展與發達國家相比，雖然在技術標準、技術水平、產業規模和產業鏈方面還存在大量有待改進和發展的地方，但經過多年的發展，已形成以高校為主體的技術研發力量布局，若干關鍵技術取得重要突破，產業發展開始起步，形成了小規模產業市場，并在多個領域成功應用，為下一步發展奠定了良好基礎。

(一)初步建立以高校為主體的技術研發力量體系

自上世紀90年代初開始，北京航空航天大學、西北工業大學、華中科技大學、西安交通大學、清華大學等高校相繼開展了3D打印技術研究，成為我國開展3D打印技術的主要力量，推動了我國3D打印技術的整體發展。北京航空航天大學“大型整體金屬構件激光直接制造”教育部工程研究中心的王華明團隊，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室的黃衛東團隊主要開展金屬材料激光凈成形直接制造技術研究。清華大學生物制造與快速成形技術北京市重點實驗室顏永年團隊主要開展熔融沉積制造技術、電子束融化技術、3D生物打印技術研究。華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室史玉升團隊主要從事塑性成形制造技術與裝備、快速成形制造技術與裝備、快速三維測量技術與裝備等靜壓近凈成形技術研究。西安交通大學制造系統工程國家重點實驗室，以及快速制造技術及裝備國家工程研究中心的盧秉恒院士團隊主要從事高分子材料光固化3D打印技術及裝備研究。[4](二)整體實力不斷提升，金屬3D打印技術世界領先

我國增材制造技術從零起步，在廣大科技人員的共同努力下，技術整體實力不斷提升，在3D打印的主要技術領域都開展了研究，取得一大批重要的研究成果，特別是在高性能金屬零件激光直接成形技術方面取得重大突破，技術水平達到世界領先。高性能金屬零件激光直接成形技術世界領先，攻克了金屬材料3D打印的變形、翹曲、開裂等關鍵問題，成為首個利用選擇性激光燒結(SLS)技術制造大型金屬零部件的國家。北京航空航天大學已掌握使用激光快速成形技術制造超過12平方米的復雜鈦合金構件。西北工業大學的激光立體成形技術可一次打印超過5米的鈦金屬飛機部件，構件的綜合性能達到或超過鍛件。北京航空航天大學和西北工業大學的高性能金屬零件激光直接成形技術已成功應用于制造我國自主研發的大型客機C919的主風擋窗框、大中央翼根肋，以及正在設計的第五代戰斗機的鈦合金主體結構，成功降低了飛機的結構重量，提高了戰機的推重比，縮短了設計時間[5]。

(三)產業化進程加快，初步形成小規模產業市場

利用高校、科研院所的研究成果，依托相關技術研究機構，我國已涌現出20多家增材制造設備與服務企業。北京隆源自動成型系統有限公司，1993年開始研發選區粉末燒結激光快速成型機并取得自主知識產權，廣泛應用于航空航天、船舶兵器等行業的設計試制部門；北京太爾時代科技有限公司自主研發了擁有完全自主知識產權的控制系統、機械系統、打印材料等3D打印機核心技術；紫金立德公司專業從事3D打印機及其耗材的開發、生產、銷售，并提供相關服務；西安鉑力特激光成形技術有限公司是激光快速成形技術的產業化公司，公司產品已在國家多項重點型號研制和生產過程中得到應用，如應用于C919大型商用客機中央翼身緣條鈦合金構件的制造，是目前國內金屬3D打印技術領先者；武漢濱湖機電技術產業有限公司主要生產LOM、SLA、SLS、SLM系列產品并進行技術服務和咨詢，1994年就成功開發出我國第一臺快速成型裝備－薄材疊層快速成形系統，開發生產的大型激光快速制造裝備具有國際領先水平，2013年，成功開發出全球首臺工作臺面1.4m*1.4m的四振鏡激光器選擇性激光粉末燒結裝備，標志著其粉末燒結技術達到國際領先水平。據中國3D打印技術產業聯盟數據，2012年，我國3D打印市場規模約為10億元，2013年翻一翻達到20億元，2014年達到50億元[6]。未來幾年，中國3D打印市場每年將至少以1倍以上的速度成長，規模或達百億元。

(四)應用取得突破，在多個領域顯示了良好的發展前景

隨著關鍵技術的不斷突破，以及產業的穩步發展，我國3D打印技術的應用也取得較好進展，已成功應用于設計、制造、維修等產品全壽命周期。一是在設計階段，已成功將3D打印技術廣泛應用于概念設計、原型制作、產品評審、功能驗證等，顯著縮短了設計時間，節約了研制經費。在研制殲-

15、殲-16和殲-31等戰斗機過程中，利用金屬3D打印快速制造鈦合金主體結構，在一年之內連續組裝出多款飛機進行飛行實驗，顯著縮短了研制時間[7]。運-20在做首飛前的靜力試驗時發現起落架連接部位一個很復雜的結構件出了問題，需要更換材料，重新加工。采用3D打印技術，在很短的時間內生產出了需要的部件，保證了試驗如期進行。二是在制造領域，已將3D打印技術應用于飛機緊密部件和大型復雜結構件制造。我國國產大型客機C919的中央翼根肋、主風擋窗框都采用3D打印技術制造，顯著降低了成本，節約了時間。C919主風擋窗框若采用傳統工藝制造，國內制造能力尚無法滿足，必須向國外訂購，時間至少需要2年，模具費需要1300萬元。采用激光快速成形3D打印技術制造，時間縮短到2個月內，成本降低到120萬元。三是在維修保障領域，3D打印技術已成功應用于飛機部件維修。當前，我國已將3D打印技術應用于制造過程中報廢和使用過程中受損的航空發動機葉片的修復，以及大型齒輪的修復。以大型艦船伴隨保障為背景的3D打印技術973項目成功立項，將對3D打印應用于伴隨保障的重大基礎問題進行研究。

二、我國3D打印技術發展面臨的環境 隨著技術的不斷發展及廣泛應用，3D打印技術受到越來越多的重視，我國3D打印技術發展的機遇和挑戰并存。

(一)我國已對3D打印技術高度重視與大力支持，為3D打印技術發展提供了有力的政策支撐環境

當前，我國正大力推進經濟發展模式轉型，高端制造業成為工業發展的重要方向，3D打印已經開始受到國家的高度重視，3D打印技術發展已被提升到國家戰略層面，有關部門正在制定支持3D打印產業發展的專項政策。2013年國慶前夕，中共中央政治局以實施創新驅動發展戰略為主題開展第九次集體學習，學習期間，中央領導專門考察了中關村與3D打印相關的研發和生產企業，表明我國上層開始重視3D打印技術的發展?？萍疾孔钚轮贫ǖ摹秶腋呒夹g研究發展計劃》、《國家科技支撐計劃制造領域2014備選項目征集指南》中，也明確提出系列支持3D打印技術發展的政策，提出把“3D打印關鍵技術、裝備研制聚焦航空航天、模具領域的需求”作為重點研究，力求突破3D打印制造技術中的核心關鍵技術。此外，國家在《2013年產業振興和技術改造專項重點專題》，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》，《國務院關于印發工業轉型升級規劃（2011-2015年）》，《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》，《高端裝備制造業“十二五”發展規劃》等文件中，都提出要加大對3D打印技術的支持力度。隨著黨和國家的高度重視，必將帶動全社會對3D打印技術的重視，政府和企業對3D打印技術的研發投入也必將大幅增長，為我國3D打印技術的發展提供良好的條件，吸引越來越多的科技工作者投身于3D打印技術的研究，快速攻克制約3D打印技術發展的技術瓶頸，為我國3D打印技術的發展提供不竭的動力。

(二)我國已具備良好的技術基礎，為3D打印技術發展與應用奠定了堅實的基礎 經過多年的發展，我國的3D打印技術已具備較好的基礎。世界上，3D打印技術仍處在技術發展初期，我國與技術先進國家的差距較小，為我國3D打印技術發展提供了難得的歷史機遇。從上世紀末開始3D打印技術研究，經過多年的積累，形成了一批穩定的研究機構和專家隊伍，突破了一批關鍵技術，建成了一批重要的研究基地，創建了一批產業公司，我國3D打印技術發展已經具備趕超發達國家的技術基礎。北京航空航天大學、西北工業大學的金屬材料激光快速成形技術攻克了長期制約金屬材料3D打印的關鍵技術問題，成功應用于航空領域，技術水平居世界領先地位，為下一步發展奠定了技術基礎。北京航空航天大學、西北工業大學、華中科技大學、西安交通大學和中航工業北京航空制造工程研究所等高校和科研結構形成了一批高水平專家隊伍，為下一步發展奠定了人才基礎。北京隆源自動成型系統有限公司、北京太爾時代科技有限公司，西安鉑力特激光成形技術有限公司、華曙高科和武漢濱湖機電技術產業有限公司等3D打印公司形成了自己的產品特色，業務穩步增長，為3D打印技術的產業化發展奠定了產業基礎。發達國家3D打印技術仍不成熟，為我國3D打印技術留下了趕超的時間窗口。總體上，3D打印技術仍處于技術積累期，尚有大量核心關鍵技術待攻克和突破，整體技術水平還有待提升，產業模式還有待拓展，相對傳統高級制造業，發達國家在技術上領先幅度并不大，為我國趕超世界先進技術水平留下了機會。(三)我軍武器裝備發展模式正在向自主創新轉變，對3D打印技術的發展提出了迫切需求

當前，新一輪工業革命已經吹響了號角，新型數字化制造特別是3D打印技術的發展為新工業革命的即將來臨提供了無限遐想，我國正在按照國防和軍隊現代化建設“三步走”戰略構想，加緊完成機械化和信息化建設雙重歷史任務，國防科技和武器裝備的發展模式正在由跟蹤模仿向自主創新轉變，對3D打印技術的發展提出了迫切的需求。3D打印技術是滿足武器裝備研制對快速制造需求的有效手段。近年來，新型武器裝備的研制顯著提速，僅僅在航空領域就有殲-20、殲-

15、殲-

31、運-20等多種型號軍用飛機在同步研制。復雜武器裝備研制是一個重復迭代過程，每一輪設計調整到實驗都需要制造原型機，傳統制造方式需要制造模具，時間長、花費多，常常造成新型武器裝備研制周期長、成本高。3D打印技術可直接根據數字化設計制造零件，可以大大節約樣品制作時間，極大地縮短產品的研制周期，降低研制成本。3D打印技術是滿足高性能武器裝備生產對復雜結構制造需求的有效手段。3D打印技術幾乎可以成型任意形狀的零件，特別適用于制造具有復雜內部結構的零件，如制造復雜的鈦合金結構部件，具有復雜內部冷卻通道的航空發動機渦輪葉片，內部材料和結構復雜的坦克裝甲等關鍵武器零部件。

(四)發達國家大力發展3D打印技術，對我國3D打印技術的發展提出了嚴峻的挑戰近年來，美、英、日等發達國家高度重視3D打印技術，大力推進3D打印技術發展，技術研發與產業應用不斷取得重要進步，有進一步拉大與我領先優勢的趨勢，我國3D打印技術面臨嚴峻挑戰。一方面，美國、英國等將3D打印技術列為國家重點發展技術，集全國之力進行發展，搶占發展先機。2012年，美國在重整制造業計劃中將3D打印技術列為重點發展的11項技術之一，并作為其“全美制造業創新網絡”首家研究中心的主要研究方向[8]。英國技術戰略委員會也在“未來的高附加值制造技術展望”中，將3D打印增材制造作為提升國家競爭力，應對未來挑戰的22個應優先發展技術之一。2013年1月，英國、德國、法國、意大利的產業界、學術界和政府間組織聯合啟動投資2千萬歐元的歐洲3D打印技術研究計劃，研究利用增材制造原理快速加工無缺陷零廢料的大尺寸金屬零件的技術，這是目前歐洲在3D打印領域最大的研究合作機構和計劃。2014年，日本投入3960萬美元啟動國家3D打印項目，開展3D打印設備和精密3D成形技術的研發。另一方面，美國等發達國家的3D打印技術研究取得重要進展，技術成熟度及性能顯著提升。2012年，美國Sciaky公司的新型電子束3D打印技術取得重要突破，具備大型金屬部件加工能力，美國國防部和洛克希德?馬丁公司準備將其用于生產F-35戰斗機的鈦、鉭、鉻鎳鐵合金等高價值材料的高品質零部件。3D Systems公司的激光熔融技術取得重要進展，美國空軍將在此基礎上開發用于打印F-35戰斗機和其他武器系統的3D打印機。美國太空制造公司的太空3D打印技術已具備應用于太空站維修、升級和延壽，載荷升級改進，硬件太空制造等方面的能力，2014年向國際空間站運送了首臺3D打印機[8]。最后，歐美已形成了包含材料制備、軟件開發、裝備生產和應用服務等相對完整的產業鏈條，領先的產業格局基本形成。美國3D systems、Stratasys公司、德國EOS公司的營業收入遙遙領先，已形成了寡頭壟斷的市場競爭格局。2013年全球3D打印市場規模約40億美元，其中美國和歐洲占據了25億美元。按國家統計工業級3D打印機數量，美國占38%，日本占9.7%，德國占9.4%，我國僅占8.7%。隨著3D打印技術的發展與廣泛應用，我國傳統制造業優勢將不復存在。如果我國不能抓住3D打印技術發展機會，我國的制造業將面臨嚴峻的挑戰，美國甚至稱“技術進步將使中國的制造業像過去20年里美國制造業那樣迅速衰落”。

三、啟示建議 著眼我國國情、軍情，以及3D打印技術發展現狀，為加快推進3D打印技術的發展與應用，要加強組織管理，開展基礎研究和標準規范研究，加強3D打印材料和軟件技術研發。

(一)加強組織管理，為3D打印技術發展與應用創造政策支撐條件

3D打印技術發展與應用涉及技術廣、覆蓋領域寬、影響范圍大、特別是對現代工業體系和制造領域影響顯著，必須堅持創新驅動發展戰略，加強管理和頂層設計，為我國3D打印技術發展與應用的科學有序展開奠定基礎。一是要從國家層面重視對3D打印技術發展的規劃設計，做到統一發展規劃、統一資源配置、統一技術體制、統一基礎設施建設，確保3D打印技術發展與應用的科學實施，防止規劃亂象，標準不一。二是要突出需求牽引，深入分析我國3D打印技術發展與應用的目標、方向和重點，堅持把技術應用好作為衡量技術發展的基本準則，把實現應用的社會效益、軍事效益和經濟效益作為核心目標，切實提高3D打印技術水平。三是要深化系統管理，充分考慮3D打印技術發展政策、產業發展政策、財稅支持政策等因素，運用系統管理的理論與方法綜合全面地對3D打印技術發展與應用的相關要素實施最優化配置和前瞻規劃。

(二)開展基礎研究和技術標準規范研究，為3D打印技術發展與應用提供基礎支撐

基礎研究和標準規范研究是推動3D打印技術發展和應用的根本保證，應在國家和軍隊數字制造發展計劃框架下，加強制造原理、方法、工藝、材料、標準和規范等方面的研究創新，為3D打印技術發展與應用打下基礎。一是開展基礎研究，進一步提高3D打印的成形精度與打印速度，研發出更多可供3D打印的材料，使3D打印技術能夠更好地滿足應用需求。開展3D打印制造原理、方法、工藝、設備的基礎研究，加強粉末原材料、材料工藝、成形工藝等基礎技術研究，進一步提升3D打印的精度和效率；開展各類3D打印工藝的機理分析，提供工藝優化基礎，支持與3D打印配套的工藝基礎理論研究；開展激光器、振鏡、光路系統等關鍵零部件的研發與制造。二是研究共性技術與標準規范，推動技術標準規范軍民一體化，加快3D打印技術在武器裝備設計、制造和維修保障中的應用。研究3D打印的創新原理、方法及其相關支撐技術，包括新材料、新器件（激光器）、智能控制、設計軟件、網絡數據庫、新成形原理、新的設備工藝、巨型結構3D打印、微納3D打印、太空環境制造等共性技術；為支撐3D打印共性技術快速產業化，研究相關標準與規范，包括材料性能標準、軟件接口標準、制造質量標準、制造工藝規范和元器件性能標準等。

(三)加強3D打印材料和軟件技術研發，滿足打印需求

3D打印材料與軟件技術的研發和突破是3D打印技術推廣應用的基礎，也是滿足打印的根本保證。一是加強材料的研制，形成完備的打印材料體系。近幾年，3D打印材料發展比較快，2013年，金屬材料打印增長了28%，2014年達到30%多，約占3D打印材料的12%，金屬材料以鈦、鋁、鋼、鎳等合金為主，鈦合金、高溫合金、不銹鋼、模具鋼、高強鋼、合金鋼、鋁合金等均可作為打印材料，已經廣泛應用于裝備制造和修復再制造。但目前還沒有一個3D打印材料體系，現有材料還遠不能滿足3D打印的需求。用于激光立體成形的材料主要是金屬惰性材料，下一步需要嘗試其他活潑的金屬材料打印。未來成形材料發展要實現主要金屬材料3D打印的工藝與技術基本成熟，并廣泛應用于航空航天結構件及發動機關鍵件的制造；3D打印材料要成功擴展至陶瓷及復合材料，并著手探索智能材料與結構、生物材料與活性器官再造等打印材料的研發。二是要推進我國數字化、智能化水平，加強3D打印軟件設計技術研發。3D打印的核心就是數字化驅動，由于數字化技術近來發展很快，所以帶動了3D打印的發展。我國3D打印的數字化程度還不高，軟件基本用的是國外的。將來3D打印能否走向太空，數字化水平很關鍵，這也是技術走得更遠的核心內容。目前有必要對由3D打印引發的設計體系、設計方式和設計技術本身的發展進行改進，包括對軟件技術的研發。