1.2 發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展態(tài)勢與差距

1.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀與態(tài)勢

1.電磁場與多物理場

在計算電磁學方面，當前研究從傳統(tǒng)純數(shù)值方法研究向解決前沿電磁問題和實際工程問題轉(zhuǎn)型，呈現(xiàn)多時空尺度以及多學科交叉特征，總體發(fā)展態(tài)勢是電磁場與人工智能、半導體物理、材料等多學科交叉融合，解決的重點問題包括：深空、海洋、大地等極大范圍內(nèi)的電磁計算、高速集成電路相關(guān)的微納尺寸電磁計算與分析及新型電磁材料和環(huán)境下電磁特性的精確分析等。在多物理場耦合方面，近年來，國外在多物理場耦合基礎(chǔ)理論、算法及應用等諸多方面均得到了快速發(fā)展，而我國主要集中在面向工程需求的應用分析研究方面，國產(chǎn)多物理場耦合分析軟件處于起步發(fā)展階段，目前對國外軟件仍具有很強的依賴性。在電工材料建模方法方面，近年來，在超材料、磁性材料、超導材料等電工材料建模方面取得了顯著成效，側(cè)重于從微觀或介觀尺度揭示電工材料物性參數(shù)作用機制以及宏觀尺度表征電工材料應用特性，今后，一方面需探究新型電工材料的電磁特性建模方法和電磁作用機制；另一方面需針對基于數(shù)據(jù)驅(qū)動電工裝備數(shù)字化運維的發(fā)展趨勢，進一步構(gòu)建含多源信息的材料特性數(shù)據(jù)庫和材料特性模型及發(fā)展電工裝備的數(shù)字孿生技術(shù)等。

2.電路及其應用

在新型電路元器件建模方面，雖然當前歐美日等地區(qū)較為全面地掌握了半導體芯片的設(shè)計制造和封裝技術(shù)，但國內(nèi)外尚未形成能夠通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時態(tài)勢感知評估及優(yōu)化設(shè)備運行可靠性的系統(tǒng)級評估模型。在電網(wǎng)絡(luò)快速計算方面，隨著新型電力系統(tǒng)概念的提出和建設(shè)，高比例電力電子化對電路的數(shù)學建模提出了新的挑戰(zhàn)，當前基于FPGA的電路實時仿真建模技術(shù)仍被國外壟斷，亟需發(fā)展面向多時間尺度和多空間尺度的復雜電力系統(tǒng)的電路耦合建模仿真技術(shù)。在非線性電路研究方面，強耦合非線性混雜網(wǎng)絡(luò)的非線性動力學理論研究有待突破。在復雜電路故障診斷方面，我國在故障診斷自動化裝置、新型元器件的故障建模與故障分析方法的標準化研究方面與國外存在較大差距，需要提升故障診斷方法的標準化、自動化、智能化。在能量信息系統(tǒng)方面，國內(nèi)外尚未解決能量信息系統(tǒng)元件級和系統(tǒng)級耦合建模、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析技術(shù)、運行效能分析技術(shù)，以及能量信息系統(tǒng)聯(lián)合仿真，而這些問題的研究和解決對發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)國家“雙碳”目標和能源結(jié)構(gòu)變革意義重大。

3.電磁測量與傳感

在新型傳感方面，傳感技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，其發(fā)展需要與信息、材料、芯片、生物醫(yī)學、微納加工等多學科新技術(shù)交叉融合。在量子化溯源方面，以量子技術(shù)實現(xiàn)電磁量基準、標準和高靈敏度、高準確性的傳感器，已經(jīng)成為電氣學科發(fā)展的重要前沿及交叉方向之一。在智能化傳感方面，隨著信息化時代傳感器的大規(guī)模應用，依托所產(chǎn)生的天然大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，利用人工智能等信息技術(shù)，從基礎(chǔ)傳感大數(shù)據(jù)中挖掘出更深層次的信息內(nèi)涵，已成為增強感知能力的必然選擇。

4.靜電理論與防護

目前，國內(nèi)外在航空航天、電子電氣等領(lǐng)域針對靜電危害效應開展了許多研究和分析，人們對常規(guī)環(huán)境下的靜電起放電控制和安全防護較為熟悉，但對極端環(huán)境下的靜電起放電控制問題和微納結(jié)構(gòu)電子系統(tǒng)的靜電防護問題的認識還有所欠缺。復雜極端環(huán)境下，微尺度微結(jié)構(gòu)對象的靜電控制和防護技術(shù)成為未來的重點攻關(guān)方向。同時，隨著與大數(shù)據(jù)信息、環(huán)境保護、生物醫(yī)學等領(lǐng)域的進一步融合，靜電探測識別技術(shù)、靜電應用機制以及靜電調(diào)控手段成為交叉研究的重點。

5.電磁兼容

在電力系統(tǒng)的電磁兼容方面，隨著電力系統(tǒng)向著特高壓、大容量、電力電子化、集成化、智能化方向發(fā)展，電力系統(tǒng)的電磁兼容問題呈現(xiàn)出干擾強、頻率寬、空間分布廣、防護難的特點，且隨著公共走廊的日益緊張，其與周邊設(shè)施的相互電磁影響成為電網(wǎng)和諧發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題。在軌道交通系統(tǒng)的電磁兼容方面，我國軌道交通系統(tǒng)形成了多種信息技術(shù)無縫融合的網(wǎng)絡(luò)化智能交通的發(fā)展趨勢，解決多種新信息技術(shù)交叉下各類設(shè)備的強電磁發(fā)射問題和巨型動態(tài)信息交互網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容分析問題是未來的重要方向。在航空航天系統(tǒng)的電磁兼容方面，近幾年，航空航天系統(tǒng)向著無人化、智能化方向發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向著綜合化、模塊化發(fā)展，需要更加智能地應對外界電磁干擾，為開展精細化、動態(tài)、全過程的電磁兼容性設(shè)計、控制和試驗帶來了全新挑戰(zhàn)。在艦船系統(tǒng)的電磁兼容方面，隨著下一代新型艦船系統(tǒng)普遍使用電磁發(fā)射、綜合電力等高新電磁技術(shù)，將電磁能量和信息控制高度融合并最大限度地加以利用，為艦船電力系統(tǒng)和電磁頻譜帶來了復雜的電磁干擾和電磁兼容新問題和新挑戰(zhàn)。在高功率電磁脈沖效應與防護方面，隨著現(xiàn)代社會信息化和智能化程度加深，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和國防裝備在高功率電磁脈沖作用下的安全性問題日益凸顯。此外，高功率電磁脈沖與生物、醫(yī)學和材料等領(lǐng)域交叉應用也是比較有前景的新興研究領(lǐng)域。

6.極端條件下的電磁基礎(chǔ)

在極端環(huán)境下特種裝置方面，以磁約束核聚變和超高功率電磁脈沖裝置等為代表的特種裝置，隨著電磁參數(shù)的提升，對相關(guān)電磁理論、器件和裝備水平提出了更高要求。其中，在核聚變裝置方面，需發(fā)展極端環(huán)境下等離子體與電磁場的作用機制、超強磁場的空間分布對等離子體位形的干預與調(diào)控等；在超高功率電磁脈沖裝置方面，系統(tǒng)的高功率、長壽命、高重頻以及電磁器件的固態(tài)化、緊湊化和輕型化是該領(lǐng)域未來發(fā)展的主要趨勢。在極端環(huán)境下電磁場與物質(zhì)相互作用方面，國外在極高速磁懸浮、電磁發(fā)射和磁等離子體推進等應用及相關(guān)基礎(chǔ)研究方面較早進行了布局，我國相關(guān)研究起步較晚，但發(fā)展迅速。其中，在電磁發(fā)射研究方面，近年來，我國在電磁發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域取得全面突破，首艘電磁彈射型航空母艦福建號的下水也標志著我國成為繼美國之后第二個掌握電磁彈射航空母艦的國家。在該研究方向，未來仍需圍繞電磁熱力多場耦合極端沖擊條件下電磁能裝備科學基礎(chǔ)問題及電磁能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換與控制等應用基礎(chǔ)問題展開進一步研究。在極端環(huán)境下電磁場源產(chǎn)生方面，近年來，我國在脈沖平頂強磁場和穩(wěn)態(tài)強磁場裝置研究方面取得重大突破，相繼刷新世界紀錄，未來將持續(xù)發(fā)展更高磁場參數(shù)（更大磁場空間、更高場強）、更多時空維度磁場參數(shù)（高均勻度、高穩(wěn)定度、高梯度、高重復頻率和多磁場波形等）的相關(guān)高場磁體、電源和控制技術(shù)；在近零磁環(huán)境裝置研究方面也取得突破，完成了納特量級近零磁環(huán)境裝置建設(shè)，未來仍需發(fā)展和完善主被動式屏蔽方法、節(jié)拍式退磁和極低磁環(huán)境測量技術(shù)等，以降低工藝難度及制造成本。

7.無線電能傳輸

在無線電能傳輸新原理與新方法方面，現(xiàn)階段主要是通過揭示無線充電本質(zhì)及挖掘新材料和新方法等，為實現(xiàn)無線電能傳輸理論、技術(shù)及應用層面的突破奠定基礎(chǔ)。研究重點包括：基于宇稱-時間對稱等無線電能傳輸新機理、基于超導材料和人工超材料的無線電能傳輸方法等。在基于電磁近場耦合原理的無線電能傳輸方面，現(xiàn)階段主要關(guān)注復雜極端環(huán)境下無線電能傳輸和電氣化交通無線電能傳輸?shù)妊芯浚嚓P(guān)突破將極大促進無線電能傳輸在現(xiàn)代化交通領(lǐng)域的應用及在深海、深空等復雜應用環(huán)境的擴展。在基于電磁遠場傳播原理的無線電能傳輸方面，現(xiàn)階段重點發(fā)展基于高功率微波傳輸、激光無線電能傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。其中，前者研究重點已從基礎(chǔ)理論研究向應用研究發(fā)生轉(zhuǎn)變；后者主要以提升轉(zhuǎn)換效率為目標，通過突破點對點的傳輸方式，發(fā)展多能源載體和多源/多目標的復雜能量無線網(wǎng)絡(luò)傳輸理論及應用。無線電能傳輸?shù)碾姶判c防護方法方面，現(xiàn)階段研究主要基于仿真數(shù)據(jù)和已有標準限值來進行評估，尚缺乏生物活體實驗層面的系統(tǒng)性驗證，應開展不同功率等級、不同頻段的生物體實驗及生物效應表征，建立實驗數(shù)據(jù)庫并進行長期觀察與統(tǒng)計，在此基礎(chǔ)上獲得可靠的風險評估數(shù)據(jù)和方法，并發(fā)展相應的防護策略。