电磁|中国工程院院士马伟明：关于电工学科前沿技术发展的若干思考

每一次科学研究范式的重大转变，必将推动科研创新的变革。当前，随着智能化技术的发展，以人工智能、大数据、云计算等为代表的新技术，正与各学科领域深度融合，推动产业模式的变革，拓展创新领域。
中国工程院院士、海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室马伟明教授，在2021年第22期《电工技术学报》上撰文，立足电工学科发展需求，结合新一轮科技革命的特点，从人工智能与电工学科的融合发展、全电移动平台对高性能电机研究的推动、多能源电力系统的发展，以及电磁能装备的突破对传统周期稳态/准稳态向极端条件下非周期瞬态工况拓展四个方面，对电工学科在多领域融合推动下的前沿发展问题进行了初步思考，并详细介绍了其背景需求和关键科学问题。希望能够引发广大同仁的探讨，推动我国电工技术的创新发展。

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人类历史上，科学研究已经历四次重大范式转变。从最初兴起于文艺复兴前期以观察和测量为主的试探性科学，到17世纪开始建立理论，并对假设进行合理验证的理论科学，20世纪50年代以理论建模和模拟计算为主的计算科学，再到21世纪初以超大规模系统和海量数据为主导的大数据驱动科学，每一次范式的转变，都推动着科学研究的变革。当前，在大数据的支撑下，科研创新已进入全新时代，其最大特点就是多行业、多领域、多学科的交叉融合以及在此基础上的组合创新，并将智能化作为发展方向。
电工学科具有悠久的历史和强大的生命力，从几百年前人们对磁现象的观察思考开始，到电学的诞生，再到电能的大规模应用，电工学科谱写了辉煌的工业历史，并成为世界经济发展战略的重要支撑。2018年国家自然科学基金委对电工学科的代码和研究方向进行了系统梳理，共分13个二级学科代码，进一步丰富了电工学科的研究内容。
当前，随着智能化的发展，以人工智能、大数据、云计算、区块链、数字孪生等为代表的新技术正推动着各学科领域的融合发展，改写产业发展模式、拓展创新领域。
本文立足当前我国电工学科的发展需求，结合新一轮科技革命特点，从人工智能与电工学科的融合发展、全电移动平台对高性能电机研究的推动、多能源电力系统的发展，以及电磁能装备的突破对传统周期稳态/准稳态向极端条件下非周期瞬态工况拓展四个方面，对电工学科在多领域融合推动下的前沿发展问题进行了初步思考，并详细介绍了其背景需求和关键科学问题。
1人工智能的兴起孕育了电工学科新的发展方向
人工智能是伴随计算机的发展而发展起来的一门新兴学科，近几年已成为跨领域、多学科、多应用的成功典范，其在电气工程学科的融合应用，必将掀起电气工程领域颠覆性的变化，孕育新的学科方向。例如，大规模电力电子系统无缆化和电机系统智能感知与运行控制等问题。
1.1电力电子系统无缆化问题
1.1.1需求分析
电力电子系统作为能量流转换的基本单元，通常由半导体器件、传感元件、硬件电路、监控软件经连接件组合而成。随着电力电子系统向多样化、规模化、智能化发展，系统内的信息流和能量流互联互通日趋复杂，不断促进电力电子系统向高度集成化和模块化发展。繁杂的互联线缆严重制约了电力电子系统的智能制造、柔性扩展，而现有的基础理论和设计理念难以支撑电力电子系统和这些新技术手段的深度融合。
作为一个高阶、非线性、多变量的电、磁、固、热多物理场耦合系统，超大规模电力电子系统涉及能量流电磁场与信息流电磁场相互交叉，连续域模拟量与离散域数字量相互转换，能量流的传输与耗散路径不唯一，端口对外能量输运特性与端口对内多时间尺度能量转移扩散特性不一致（见图1），系统内部机理与外在表征的时空特性极为复杂，支撑电力电子系统无缆化设计理念的基础理论还不完备，需深刻剖析无缆化设计理念背后蕴含的关键科学问题。