丝绸之路经济带(简称"丝路")沿线一批高铁、油气管线等重大工程即将拉开序幕,但目前我国对沿线国家自然资源和环境了解有限,对"丝路"建设过程中可能出现的新工程技术难题和新安全问题准备不足,此外一些重大工程建设和安全共性科技问题还未解决,客观需要联合各国科学家共同攻关。"丝路"建设是一项长期、复杂、艰巨的战略任务,亟需科技进步的助力^[1]。科技创新在解决重大工程建设实践技术难题和指导科学决策等方面都将发挥关键支撑作用,促进我国重大工程建设服务和产品设备占领国际市场。本文从互联互通基础设施建设、绿色经济与生态安全、自然灾害监测预警与综合防治3个方向分析我国重大工程建设与安全科技现状,在此基础上提出"丝路"重大工程建设与安全科技需求方向、重大科技计划和科技示范项目。

丝路"重大工程建设主要指互联互通基础设施建设工程,比如跨国的铁路运输、公路运输、管道运输、航空运输、海运等交通运输基础设施建设工程,大型跨国界水利建设工程、输变电工程和信息基础设施建设工程等。"丝路"安全问题主要指工程建设和产业发展可能引起的生态安全问题、自然灾害安全问题及国际恐怖袭击等人文安全问题。本文的"丝路"重大工程与安全科技主要指互联互通基础设施建设科技、绿色经济与生态安全、自然灾害监测预警与综合防治3个方向,反恐安全科技作为一项特殊的科技方向,涉及军事科技、信息科技等诸多领域,本文不做专门阐述。

我国重大工程建设与安全科技水平在全球范围内有自己独特的地位,其中在互联互通基础设施建设科技方向处于领先或先进水平,在绿色经济与生态安全科技方向还是全球技术追随者,在自然灾害监测预警与综合防治安全科技方向自成体系,基础良好。

广袤的国土、复杂的地理环境、社会经济发展对强大基础设施支撑的需求以及历届国家领导人的重视驱动,塑造了我国在基础设施建设领域的技术优势并积累了丰富的实践经验。尤其是铁路、公路、水利建设科技领先世界,管道、航空、海运、输变电、光纤通讯科技达到国际先进水平,并逐步实现技术、标准和产品的输出。

高铁领域,我国系统掌握了集设计施工、装备制造、列车控制、系统集成、运营管理于一体的高速铁路成套技术,形成了具有自主知识产权的高速铁路技术体系。高铁牵引电传动系统(高铁之心)和高铁网络控制系统(高铁之脑)均以自主创新突破,我国拥有高铁长距离和大网络建设运营的经验,桥梁架设、隧道技术、轨道铺设等技术全球领先^[2]。管道运输方面,我国已在数字化管道设计、全自动焊接、液体涂料防腐补口、跨平台油气管道系统软件开发、第三代大输量天然气管道工程建设、复杂地质条件下非开挖穿越以及油气储运、海洋管道和液化天然气(LNG)等技术均取得重大突破^[3]。海运和空运方面,随着我国第一艘航母的下水和大飞机战略的实施,一批船舶和飞机制造关键技术被突破,相关技术有进入世界第一方阵的势头。随着电子自动化、信息技术、新型材料等大量先进技术应用于海运和空运及其相关领域,海运和空运的安全性能和运行效率等都有较大幅度提高。我国是水利大国,水利工程技术领先全球,在高坝工程、水电、长距离水输送领域技术优势明显。电力工程技术方面,通过"西电东送"等重大工程的实施,特高压输变电技术已达到国际先进水平。信息基础设施建设技术方面,中国的光通讯、光电子技术、高保真光纤技术处于国际先进水平。

在上述领域,中科院及院属相关单位积极主持和参与重大技术攻关,为关键技术的攻克做出了巨大贡献,为下一步科技创新奠定了良好的基础。如在高铁领域,自2008年开始,中科院通过承接"973"项目、国家科技支撑计划课题、院企合作、联合研发等方式,从多个领域介入高铁的理论研究和核心技术的研发,力学所、软件所等先后组织了10余个团队参与了高铁的技术开发、产品测试和有关理论研究,对我国高铁技术创新起到了积极的推动作用。近几年又开展了流固藕合系统力学、声学、高速列车结构动力学响应与安全可靠性等多个学科的理论研究和电动牵引、人机界面产品化、网络控制系统的全自主替代等应用研究项目,取得了一些阶段性成果^[4]。

我国政府高度重视科技创新对绿色发展的支撑作用。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》将"在重点行业和重点城市建立循环经济的技术发展模式,为建设资源节约型和环境友好型社会提供科技支持"列为未来15年科学技术发展的7大目标之一。科技部、中科院等部门也制定了相关科技规划和实施方案,启动了一批绿色发展科技支撑项目,涵盖节能减排、绿色制造、新能源、循环经济等技术领域。2008年金融危机以来,我国绿色科技水平大为提升,与发达国家的差距逐步缩小,一些具有自主知识产权的技术甚至达到世界先进水平。但总体而言,我国绿色科技尚为技术跟随者,原始技术创新亟待突破。

低碳技术是绿色经济的关键技术,包括新能源和可再生能源技术、节能和能效技术、碳捕获和埋存等。我国对新能源和可再生能源技术的利用现状明显落后于发达国家,但近年来发展速度很快。电动汽车领域已经建立起自主知识产权的电动汽车动力系统技术平台和整车集成技术,总体水平位于国际前列。工业节能和能源技术明显提高,如超临界技术,现已广泛应用。在光伏电池、第四代核电站、碳捕获和储存技术领域,我国差距较大,还需消化吸收和超越国外技术^[5]。目前低碳技术标准还掌握在发达国家手中,中国要想在未来的低碳发展中占得先机,还有很长的路要走。我国拥有可用于开发绿色能源的稀土矿藏,通过减少稀土资源的出口,鼓励国内企业消化吸收和突破太阳能、风能等清洁能源技术难题,我国有望控制下一代的清洁能源^[6]。生态监测技术是生态安全科技的基础技术。尽管我国在生态试验站、卫星遥感等生态监测基础设施和技术领域基础良好,但仍难以满足生态环境监测严峻形势的需要。

在绿色发展和生态文明建设方面,中科院配合国家有关部门先后完成了全国主体功能区划和生态功能区划,为推动各地区严格按照主体功能定位发展,构建科学合理的城市化格局、农业发展格局、生态安全格局发挥了重要的指导作用^[7]。在生态安全科技领域,中科院主导建立了中国生态系统研究网络(CERN),目前已成为我国生态系统监测和生态环境研究的基地,也是全球生态环境变化监测网络的重要组成部分。

我国高度重视、积极运用现代科学技术推进防灾减灾救灾工作,启动了一批防灾减灾科技项目。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,在防灾减灾方面,要求重点研究地震、台风、暴雨、洪水、地质灾害、森林火灾等重大自然灾害的监测预警和风险分析技术,并部署了一大批科技项目。还制定实施了国家防灾减灾科技发展规划,通过研究相关前沿科学技术、更新减灾救灾技术装备、加强灾害信息化建设,应对灾害的现代科技水平显著提升,有力推动了灾害管理从人工操作为主的粗放方式向精确精细方式转变。

科技防灾基础设施逐步完善。我国成功发射了环境与灾害监测预报小卫星A、B、C星和"风云三号"A星、"风云二号"E星,初步建立了卫星减灾应用业务系统,加强了卫星遥感、无人驾驶飞机、"北斗"导航定位等高新技术在防灾减灾救灾领域的应用,提高了重大自然灾害监测预警能力和救灾应急现场保障能力。在国家科技项目、"863"计划和国家自然科学基金重大项目中安排实施了一批气象、地震、地质、海洋等方面的科技项目。民政部组织实施了亚洲巨灾综合风险评估技术及应用研究、中国巨灾应急救援信息集成系统与示范等项目。利用现代通信、计算机、信息管理等技术,建立了国家自然灾害灾情管理系统,实现了中央、省、市、县4级全覆盖,自然灾害信息管理水平显著提升^[8]。

应国家防灾减灾和重大工程建设安全的需求,中科院相关科研单位在防灾减灾和灾后重建方面逐渐形成科技体系。如:成都山地所整合山地灾害领域的研究力量和研究机构,于2005年3月成立中科院山地灾害与地表过程重点实验室,在我国山地灾害理论研究方面积淀深厚;对地观测中心通过高分辨卫星及图像处理技术,多次在国家重大自然灾害后第一时间为社会公众和决策部门提供准确的灾区卫星影像图;地理科学与资源所牵头,联合国内10余家科研机构,从2008年"汶川特大地震"灾后重建资源环境承载力研究完成后,形成一套重大灾害灾后重建资源环境承载力评估的技术体系,在后来的重大灾后重建规划决策中起到很好的指导作用。

保障重大工程建设与安全是共建"丝路"的基本前提,沿线地区更广阔的地域范围、更复杂的地理环境使其在重大工程和安全领域必将面临更多的实践挑战,亟需科技创新支撑解决现实难题。

区域重大工程建设以互联互通基础设施建设为主体,是复杂的系统工程,涉及不同的主权国家和利益主体,并面临自然环境、安全威胁、边贸互补性与均衡问题和地缘政治风险等挑战,该领域的建设不仅需要解决复杂自然环境下的基础设施建设关键技术难题,而且要防范基础设施建设可能带来的各种安全风险,还要考虑地缘政治风险和我国对外开放平台建设与经济增长极培育等社会经济问题。

高铁建设领域。从总体上确保高速铁路系统安全性和可持续性是我国高速铁路面临的重大挑战。中国自主设计的高寒动车组、耐高温高湿动车组、防风沙动车组等,均适应了不同环境的需要。但在"丝路"上建设跨大陆板块的高速铁路,需要铁路和机车同时具备适应多种复杂气候和自然环境变迁的条件。在复杂服役条件下,振动、疲劳、交变应力等参数的变化规律,是高铁机车安全可靠运行研究的关键科学问题。亟需在高品质技术、可持续技术、自动化技术和标准化技术方面实现突破,在可靠性、节能环保、先进制造方法和服务一体化方面全面创新,只有这样才能早日形成中国高铁先进的理论体系、标准体系、制造体系和运行体系,实现中国高铁从大国向强国的飞跃。

管道建设领域。"丝路"沿线诸多油气生产国正在加快产能建设及外输通道建设。中国和印度等能源消费大国也在持续推进油气骨干管网和配套LNG、石油储备库的建设。据预测,到2020年我国长输油气管道总里程将超过15万公里。如何保障动辄穿越几千公里,蔓延亚欧非大陆和相关海域的油气管道的安全,成为越来越突出的问题。当前油气管道建设呈现出口径更大、压力更高、输送距离更长、地质条件也更为复杂的特征,随着管线继续向高山大泽、冰原冻土、沙漠戈壁等地质人文环境更加复杂的地区延伸,新的世界级技术难题还将不断涌现;同时管道本身的技术发展,如新材料、新设备和新工艺的大量应用,也要求管道科技水平不断更新提高,以适应管道行业发展的需要。此外,国内成品油管道呈现出大型化、高压及网络化发展趋势,成品油管线与市政管网冲突普遍存在,安全事故发生频率明显增高,亟需管道输送安全技术创新保障。

海运和航空运输领域。随着"一带一路"战略的实施,通过海上和空中交通往来的人流和货流将明显增多,提高海运和空运效率,保障海上和空中通道的安全性变得更加重要,均急需加强在船舶和飞机制造关键技术、海事安全和空中安全管制技术、海运与空运的自动化控制和信息化管理关键技术领域实现突破。由于我国在该领域技术瓶颈较多,急需加强与"丝路"沿线国家开展共性技术、关键技术和前瞻性技术的合作研究开发。

国际物流平台方面。随着"丝路"各国间的经贸关系日益密切,国际物流活动的功能和范围将不断扩大,内涵不断丰富,急需研究并完善区域性国际物流信息平台,这对我国国际物流行业的健康、科学发展具有十分积极的推动作用^[9]。

在人类改造自然的历史上,不合理的开发造成不可挽回的生态灾难事件比比皆是。前苏联时期"伟大的斯大林改造自然计划"提出的"向干旱进攻"巨型规划,在实施过程中因错误地采用了李森科院士的"簇状法"造林方式而失败,中亚地区扩大水浇地发展农业也导致了"咸海生态灾难"^[10]。"丝路"横跨欧亚非大陆,沿线地区总体是彼此联系的整体,大规模的经济开发必须遵循自然规律和经济规律,依靠科技发展绿色经济,维护沿线地区的生态安全。我国面临的资源、环境和生态问题,也迫切需要科技创新为绿色发展提供更为坚实的动力,在绿色发展重大装备与产品等共性关键技术研发、先进适用绿色技术的示范和推广、绿色科技的产业化能力提升方面发挥重大作用。根据"丝路"自然环境格局和应对全球气候变化国际背景,绿色经济和生态安全亟需在节水与生态农业技术、绿色能源与低碳城市、生态安全联合监测与防治3个方面的科技支撑。

节水与生态农业领域。"丝路"沿线的蒙古国、中国西北地区、中亚、西亚和北非地区是世界最为缺水的地区,同时土壤贫瘠,粮食安全保障程度低,迫切需要加强节水和生态农业科技的支撑。目前以色列在农业节水技术领域具有优势,尤其是滴灌技术、埋藏式灌溉技术、喷洒式灌溉技术、散布式灌溉技术、灌溉系统自动化控制技术相对成熟,我国甘肃定西等地在集雨水窖、循环农业、庭院经济等方面也积累了很多成功经验,已经成为联合国确定的干旱区节水农业合作交流基地。通过前沿技术的联合攻关,先进技术的合作推广,将有助解决"丝路"沿线地区几亿贫困人口的吃饭问题,这将是丝路"建设重大的民生工程。

绿色能源与低碳城市领域。"丝路"复兴不能走传统工业化道路,而是要吸取工业文明时期的历史经验教训,引领全球率先进入生态文明时代,这是生态环境本底相对脆弱的"丝路"地区的必然选择^[11]。在积极应对全球气候变化的今天,积极开发利用绿色能源,建设低碳城市是重要举措。随着"丝路战略实施,亚洲国家发展潜力巨大,尤其是中国和印度将相继进入工业化后期,两国的节能减排任务艰巨,转变经济发展方式迫在眉睫。大力发展绿色能源、推进循环经济发展和建设低碳城市已成为各国共识。目前发达国家的绿色能源和低碳城市技术领先,但发展中国家却拥有广阔的市场潜力,开展绿色能源与低碳城市科技合作与交流可以实现双赢。

生态安全联合监测与防治领域。"丝路横跨的亚欧非大陆是一个整体,沿线生态环境比较脆弱,土地荒漠化、沙尘暴和人类排放的污染物等问题都较为严重。随着气候变暖和人类活动加剧,"丝路"沿途的生态环境与过去相比发生了很大变化,如最近NASA卫星资料发现,世界第四大湖-咸海几乎已经消失;自2000年以来,由于水中污染物使海豹的免疫系统减弱已导致几千只海豹死亡^[11]。"丝路"建设过程中,随着人类活动加剧,尤其是铁路、管道、水利等重大基础设施建设和农业工程的实施,沿线生态环境变迁可能加剧,周边国家需要通力合作,积极开展生态安全联合监测和综合防治,减缓人类活动和气候变化带来的双重负面影响。

自然灾害频发已成为各国共同面临的世界性难题,其对人类安全威胁愈来愈大。2003年的"非典"、2004年的印度洋"海啸"、2008年的"汶川大地震"到2014年的"埃博拉疫情"等诸多灾害告诫我们,"丝路"建设必须高度重视自然灾害的预防工作,这是重大的民生问题,也是关系经济社会发展全局的重大工作。目前国际上对建立自然灾害监测预警系统非常重视,大部分国家已经建立了适应本国国情的自然灾害相关预警系统,包括洪水、飓风、干旱等水文气象灾害预警系统,海啸和地震等地质灾害预警系统,流行病和虫害等生物灾害预警系统,土地沙漠化、森林火灾等环境退化预警系统,但各国灾害预警系统处于独立运行状态,尚未形成国际监测网络,灾害防治技术难以得到共享,很大程度上影响了防灾减灾的实际效果。这从另一个方面说明建立自然灾害联合监测预警系统和开展灾害综合防治技术的联合攻关潜力巨大。

针对"丝路"重大工程建设科技需求和可能带来的安全风险,建议国家尽快实施一批"丝路"重大工程建设与安全科技支撑计划。实施"丝路"国际互联互通重大基础设施建设、水资源与生态农业、绿色能源及低碳城市科技支撑国际合作试验示范计划;启动"丝路"生态网络和跨国自然灾害动态监测国际合作计划。

重点突出交通、管线和信息网络科技研发与示范项目,以中哈石油管线、北京-莫斯科高铁、中巴经济走廊铁路、阿里巴巴跨境电子商务等为示范项目,围绕急需突破的关键工程技术、安全防护技术和管理技术,开展互联互通建设前沿技术攻关、试验示范和产业化模式推广。

围绕互联互通重大基础设施建设需要突破的关键技术,重点开展以下科技攻关:(1)高速铁路列车运行控制系统互联互通关键技术研究(如高速列车上的工业以太网技术研发);(2)极端气候条件和复杂复合环境下高铁建设工程与控制系统关键技术研究;(3)面向高速列车的综合服务平台关键技术研究;(4)复杂环境隧道复合盾构的研制与掘进技术研究;(5)高原高寒地带、冰原冻土、高温沙漠等复杂环境下油气管线建设关键技术研究;(6)超大口径管道建设工程技术研究;(7)海洋管道技术研究;(8)数字管道技术研究;(9)长距离、大运量飞机制造技术研究;(10)国际航空枢纽建设关键技术研究;(11)国际航运船舶水动力性能和自动控制技术研究;(12)国际物流信息平台建设关键技术研究;(13)智能交通技术研究;(14)特高压输变电工程关键技术研究。

围绕互联互通重大基础设施建设安全防范技术,重点开展以下科技攻关:(1)高速铁路、跨境公路、油气管线、重大水利工程等基础设施建设对脆弱生态环境影响评价及灾害风险评估与监测技术研究;(2)油气管道输送安全关键技术研究;(3)成品油运输安全技术研究;(4)航空和海事安全关键技术研究;(5)跨境电子商务信息安全保障关键技术研究;(6)联合反恐核心技术与合作机制研究。

围绕互联互通重大基础设施建设社会经济科技需求,重点开展以下科技攻关:(1)地缘政治风险研究;(2)区域和国际合作机制研究;(3)民生带动机制研究;(4)重要互联互通基础设施节点城市打造对外开放平台与区域增长极培育机制研究。

实施中以水科学计划和中科院水科学专项,重点突出以色列节水农业的科技示范与推广,在新疆、甘肃和宁夏建设中以水资源与节水农业试验示范基地,促进干旱区可持续发展;加强与南欧国家的水科学合作,在里海、地中海、黑海建立陆间海联合研究基地。

围绕节水与水资源保护关键技术需求,重点开展以下科技攻关:(1)干旱区水资源优化配置与高效利用综合技术研究;(2)节水农业关键技术研究;(3)重点河流和湖泊水环境治理关键技术研究;(4)陆间海水资源保护与水环境治理研究;(5)近海水环境治理关键技术研究;(6)海水淡化关键技术研究。

围绕生态农业关键技术需求,重点开展以下科技攻关:(1)农业循环经济技术与模式研究;(2)农业生物安全支撑技术研究(农业危险性外来入侵生物、农业毁灭性高致害变异性生物和农业转基因生物安全);(3)农作物种质与遗传信息技术研究;(4)农业机械关键技术研究;(5)高效旱作农业技术研究与推广;(6)耕地生态修复关键技术研究。

加强与新加坡、德国等发达国家的合作创新,在甘肃酒泉、宁夏石嘴山建立中科院绿色能源试验示范基地,在天津滨海新区和苏州工业园建立中新生态城市科技合作试验示范基地。

围绕绿色能源关键技术需求,重点开展以下科技攻关:(1)化石能源清洁利用技术研究;(2)核能安全洁净发展技术研究;(3)太阳能、风能等可再生能源能量捕获、存储与转换关键技术研究;(4)水电开发关键技术研究;(5)页岩油气开采核心技术研究;(6)工业节能关键技术研究;(7)绿色建筑关键技术研究。

围绕低碳城市关键技术需求,重点开展以下科技研究:(1)城市雾霾治理技术研究;(2)碳捕获、利用与封存关键技术研究;(3)国际碳交易机制研究;(4)低碳交通关键技术研究。

依托中科院中国生态系统网络和沿线国家生态站,建设"丝路"生态网络系统,以俄蒙、中亚和东南亚等周边国家为重点,开展生态网络系统监测国际合作试点工作。

围绕生态安全联合监测与防治技术需求,开展以下生态网络监测国际合作研究:(1)全球生态网络建设的国际合作机制研究;(2)基于天-地-空一体化的生态系统综合监测与评估关键技术研究;(3)沙漠化监测与生态修复治理技术研究;(4)长距离大气污染物和沙尘传输监测及防治科技研究;(5)核污染监测技术研究。

在联合国国际减灾战略框架下,启动中科院防灾减灾科技计划,以沙漠化、干旱、水土流失、跨境沙尘暴和颠覆性自然灾害为重点,开展动态监测、预警和防灾减灾国际合作试验示范。

围绕自然灾害联合监测预警系统建设技术需求,开展以下科技项目攻关:(1)自然灾害形成机理和演化规律研究;(2)自然灾害与社会经济环境相互作用规律研究;(3)全球气候变化背景下自然灾害风险研究;(4)自然灾害立体监测技术研究(如地面监测技术、海洋海底观测技术、天-地-空观测技术等);(5)自然灾害预警预报体系建设技术研究(如气象预警预报体系、洪水预警预报体系、地震监测预报体系、地质灾害预警预报体系、环境监测预警体系、野生动植物疫源疫病监测预警系统、病虫害监测预报体系、海洋灾害预报系统、森林和草原火灾预警监测系统、沙尘暴灾害监测与评估体系等);(6)自然灾害的跨国监测与预警合作机制研究;(7)重大工程沿线分布式光纤应变灾害监测技术。

围绕自然灾害综合防治技术需求,开展以下科技项目攻关:(1)自然灾害的人工干预技术研究;(2)地震、海啸、洪水等重大灾害灾后评估技术研究;(3)地震、海啸、洪水等重大灾害搜救技术研究;(4)灾后恢复重建关键技术研究。

建议根据"十八大"及"十八届三中全会"精神,按照中科院"创新2020"和"率先行动"计划部署,围绕国家"丝路"建设重大战略需求,推进"中科院丝绸之路经济带重大工程与安全科技支撑计划",重点突出5项工作。

(1)组织实施"丝路"重大工程与安全战略先导科技专项。根据上述3大科技需求方向、5大科技支撑计划,适时启动一批"丝路"重大工程和安全科技研究项目。

(2)加快推进"率先行动"计划。对涉及基础设施建设、绿色经济与生态安全、防灾减灾等领域研究机构发展规划进行动态调整,明确4类研究机构在"丝路"建设中的科技支撑定位,督促院属各研究机构结合"丝路"建设需求部署开展相关工作,力争取得重大突破。

(3)加强科研平台建设。中科院现有212个野外台站和若干个非法人研究中心,野外观测台站长期开展生态系统监测、环境监测等方面的工作,已经并将为"丝路"生态安全和灾害防治提供科技支撑。应加强海外科研平台建设,适时成立中科院丝绸之路经济带国际研究中心。

(4)加强国际合作。中科院已与100多个国家科研机构建立国际合作关系,主导和参与了多项世界著名的重大国际科技合作计划,取得了可喜的成绩。应根据国家"丝路"建设的战略需求,主导"丝路"领域的相关科学计划。

(5)发挥院士咨询工作的作用,开展"丝路"重大工程与安全科技咨询。针对"丝路"沿线地区重大建设工程,开展关键技术攻关、环境影响评估、工程咨询等活动,发挥国家科技智库作用。