长安大学公路学院“变革性技术关键科学问题”重点专项2020年度定向项目申报指南编制专家组名单.pdf

附件 2 “变革性技术关键科学问题”重点专项 2020 年度定向项目申报指南 变革性技术是指通过科学或技术的创新和突破，对已有传统 或主流的技术、工艺流程等进行一种另辟蹊径的革新，并对经济 社会发展产生革命性、 突变式进步的技术。 “变革性技术关键科学 问题”重点专项重点支持相关重要科学前沿或我国科学家取得原 创突破，应用前景明确，有望产出具有变革性影响技术原型，对 经济社会发展产生重大影响的前瞻性、原创性的基础研究和前沿 交叉研究。 本专项 2020 年第二批定向项目申报指南拟围绕应用数学领 域，拟优先支持 13 个研究方向，每个研究方向拟支持 1 个项目， 国拨经费总概算 1.3 亿元。由建有国家应用数学中心的相关省级 科技主管部门作为推荐单位组织申报， 每个指南方向限推荐 1 项。 申报单位根据指南支持方向，面向解决重大科学问题和突破关键 技术进行一体化设计。鼓励围绕一个重大科学问题，从基础研究 到应用研究全链条组织项目。鼓励依托国家重点实验室等重要科 研基地组织项目。项目应整体申报，须覆盖相应指南方向的全部 考核指标。每个项目下设课题不超过 4 个，每个项目参与单位数 — 1 — 不超过 6 家。 项目执行期一般为 5 年，申报项目特别需提出明确、有显示 度的 5 年总体目标和 2 年阶段目标和考核指标（或研究进度）； 立项项目实行“2+3”分段式资助，在项目执行 2 年左右对其目 标完成情况进行评估，根据评估情况确定项目后续支持方式。 1. 三维地震成像的数学方法与超分辨反演高效算法 研究内容：针对我国非常规油气勘探关键需求，提出适用于 我国黄土层厚、储层纵向薄互层、横向强非均质等特定地质结构 的地震波传播数学物理模型，研究其适定性理论、高效正演算法、 反问题求解及与机器学习结合的新型高效超分辨反演方法。提出 模型—数据双驱动的三维地震成像数学方法。提出致密油气储层 岩性、物性参数的人工智能超分辨反演方法。开发关键软件模块， 支撑非常规油气的勘探与开发。 考核指标：建立适应中国特定地质结构的非常规油气地震波 方程，形成 1 套完备的数学理论和高效算法。建立新数学物理模 型的适定性理论与精度可控高效正演算法；提出模型驱动和数据 驱动相结合的三维地震成像数学方法；提出致密油气/页岩油气储 层岩性、物性参数的人工智能超分辨反演方法。建立的数学物理 新模型比目前采用的模型，如粘滞性波动方程模型等符合率提高 5%以上，提出的高效正演算法的求解效率比已有方法，如有限差 分、有限元方法，在保持相同精度的前提下提升 40%以上；研制 — 2 — 的人工智能超分辨反演方法的分辨厚度 （在鄂尔多斯盆地目标区） 应达到 1/10 波长以下；处理解释（反演）二维地震不少于 30000 公里，处理解释（反演）三维地震不少于 2000 平方公里，并验证 方法的有效性。 有关说明：由陕西省科技厅作为推荐单位组织申报。 2. 油气管网安全运维的大数据分析与算法 研究内容：建立基于大数据与管网运维机制耦合的油气管网安 全运维模型。融合统计学习、深度学习和强化学习等数据驱动算法 与失效物理机制发展油气管网安全预警高效算法，整合和利用多种 监测方法获得的数据，进行管道系统安全状态分析，实现数据深度 挖掘和有效利用。针对管网运维的多元复杂供需关系，基于大数据 的融合和机器学习，建立复杂流体流动控制的油气资源调度优化模 型，开发大型管网资源调度优化的混合整数规划算法。 考核指标：建立管道全过程监控与诊断的数据采集与管理系 统，实现管道安全状态的实时监控与综合诊断。开发多元数据融 合的管网智能识别与预警系统，支持不少于 3 种管网典型业务场 景，第三方入侵预警准确率不低于 90%，缺陷智能识别准确率不 低于 75%，提升管道安全高效运行能力。建立数据驱动的调度优 化新型混合整数规划算法，计算方案经济性优于人工制定方案， 对典型结构管网的优化计算时间满足工程应用需求，研究成果至 少在 3 条实际管道现场应用。 — 3 — 有关说明：由北京市科委作为推荐单位组织申报。 3. 航空发动机短舱问题的偏微分方程建模与计算 研究内容：通过发展湍流理论建立航空发动机燃烧室两相湍 流燃烧新模型及相应模拟算法。通过建立复杂介质中的多尺度模 型来研究航空发动机复合材料结构的多尺度损伤行为。通过有界 区域偏微分方程建模研究发动机短舱的不同结构对层流、湍流、 多相流等的影响，并研究模型中逼近解的稳定性，发展高性能计 算方法提高逼近解的精度。发展离散度量空间理论以及最优传输 理论，提出新的高维数据降维方法。 考核指标：自主开发虚拟计算平台，计算航空发动机燃烧室 两相湍流燃烧新模型的数值解， 计算速度比国际一流计算平台 （如 Fluent）快一倍。提高航空发动机复合材料结构中的多尺度模型 中多尺度性的定量估计的准确性，数值近似解的逼近精度提高一 个量级，与实验数据误差小于国际一流同类计算软件（如 Ansys CFX）误差的 50%。发展离散度量空间理论以及最优传输理论， 提出新的高维数据降维方法及算法，比现有降维方法效率提高一 倍。 有关说明：由北京市科委作为推荐单位组织申报。 4. 智能导航及遥感数据高精度融合的数学方法 研究内容：研究以北斗三号为主，兼容其他全球导航卫星系 统（GNSS）实时高精度定位的超快收敛理论、整数统计与可靠 — 4 — 性理论、高维快速运算方法及在新一代高精度定位技术实时动态 精密单点定位（PPP-RTK）中的应用；GNSS 中心化多源导航融 合的整数矢量快速寻优模型及复杂空天地海环境下（如电离层活 跃与异常、雨雪恶劣天气、城市多径遮挡）的智能可信导航应用； 多源多模式主被动空间遥感异源异构大数据多维度信息感知的几 何/辐射反演模型与优化及在微纳卫星组网自主定标的应用；高分 辨成像优化理论、三维信息重构数学模型算法及复杂区域重点目 标重构应用。 考核指标：北斗/GNSS 实时定位精度优于 5cm（均方根， RMS） ，静态环境下收敛时间小于 2 分钟；复杂环境下 GNSS 模糊 度固定率由70%~80%提高至90%以上， 固定正确率达到95%以上； 剔除单传感器失效的漏警率小于 0.001，在 GNSS 可见卫星个数为 3~5 个时，随距离增大，定位误差累积不超过 1%；开发 1 套异源 异构遥感载荷数据融合软件，反演模型精度优于 5‰个像素，自主 定标精度优于 1.5 个像素；典型噪声测量条件下，重构图像的峰值 信噪比不低于 28dB，典型目标重构相对误差小于 5%。 有关说明：由湖南省科技厅作为推荐单位组织申报。 5. 高端橡胶材料的可计算建模与数字化设计 研究内容：针对航空轮胎用高端橡胶材料，发展刻画高分子 链非线性响应行为的数学理论，构建橡胶材料的非线性黏弹性本 构方程，提出基于有限元方法的高效多尺度算法框架；实现橡胶 — 5 — 材料力学性能、综合热传输与热力耦合问题的多尺度精确高效模 拟计算，提出复合材料铺层结构高效组合优化设计方法，开发对 航空轮胎综合性能仿真结果即时输出的具有自主知识产权的计算 平台。 考核指标：基于本项目理论成果开发的计算平台具备对多界 面复合材料完备建模和自适应快速网格划分能力；具备为航空轮 胎不同部位智能化调用相应材料本构方程、参数与算法的能力； 可实现航空轮胎应力—应变响应的快速数字化求解，静态应力— 应变的计算数值精度≥90%，动态应力—应变和温升的计算数值 精度≥85%， 计算效率相对于常用商业软件 （如： ABAQUS， Ansys） 提高 8 倍以上；形成 1 套对航空轮胎材料研制和轮胎制造具有指 导能力的高精度设计软件并在企业应用。 有关说明：由吉林省科技厅作为推荐单位组织申报。 6. 数理模型耦合驱动的自由曲面一体化数控加工理论与算法 研究内容：面向先进制造中几何与物理信息、算法特性、加 工大数据高度融合的需求，构建数理模型驱动的自由曲面一体化 数控加工基础理论及算法体系。解决曲面设计模式和加工模式的 数理融合问题、加工模式与物理特性的匹配问题；提出面向高速 高精度加工的自由曲面设计与建模方法；建立几何物理信息与加 工大数据耦合意义下的多轴数控加工规划框架；发展数理模型驱 动的曲面插补新方法。 — 6 — 考核指标：提出面向加工度量的自由曲线曲面高速高精度建 模方法，相比经典 NURBS 方法，算法效率（迭代次数）提升不 低于 10%并接近国际实用与应用系统的水平；发展数学原理、物 理信息与加工大数据耦合驱动的自由曲面高质量加工路径规划理 论与算法，相比传统 CAM 方法，算法编程效率提升大于 10%， 新加工模式带来的曲面物理功能效率（如减阻、增压等）提升不 低于 10%；研究基于自由曲面求交的加工残留与精度分析方法， 并产出分析报告；建立数理模型驱动的曲面插补新算法，支持微 米级轮廓误差精度编程；开发 1 套融合新原理的 CAD-CAM-CNC 一体化原型系统，搭建样机并在航空领域开展不少于 5 个场景的 加工应用验证，其中功能性曲面加工样件不少于 2 个。 有关说明：由北京市科委作为推荐单位组织申报。 7. 胰胆恶性肿瘤精准诊疗的数学理论和算法 研究内容：针对复杂环境下浸润性强目标小且模糊的胰胆恶 性肿瘤，建立智能感知、增强和识别算法；研究影像中模糊目标 特征提取、定量刻画和模糊程度定量分类，构建基于几何和 PDE 理论的模糊和部分缺失的胰胆恶性肿瘤、血管 3D 医学影像的精 准分割模型和算法；发展小样本、弱监督、模态迁移和知识嵌入 的强化学习方法，建立多模态多时间序列图像、目标缺损图像和 多组学图像 3D/4D 非刚性配准、 融合及重建模型和高效非凸算法； 探索基于影像的胰胆恶性肿瘤演化机理， 构建肿瘤演化进程模型。 — 7 — 考核指标：研发针对弱小目标的新一代高对比度的医学成像 技术和设备。建立胰胆恶性肿瘤、血管分割和非刚性配准算法， 使得分割和配准精度达到 95%或以上，比现有方法提高或超过 15%，提出达到临床要求的胆胰肿瘤精准诊断的新方法。构建多 模态、多组学图像融合和重建算法，模拟胰胆恶性肿瘤演化进程， 用于胰胆精准诊疗临床实践。 获得胰胆恶性肿瘤精准诊疗中分割、 配准和识别核心技术的授权自主知识产权，服务于胰胆恶性肿瘤 的精准诊疗。 有关说明：由江苏省科技厅作为推荐单位组织申报。 8. 大数据计算与分析的基础算法 研究内容：针对我国大数据技术发展的重大需求，聚焦大数 据计算“7 个巨人问题”中的“广义多体，统计计算，线性代数计 算”问题，研发在典型大数据环境下可运行、高效能求解的基础 算法与对应的大数据聚类分析、判别分析与降维分析、预测分析、 流数据计算等核心算法；建立对应算法的复杂性、收敛性、误差 可控性等数学理论；在 1~2 个典型行业大数据中取得突破应用。 考核指标：对广义多体，统计计算，线性代数计算等 3 个基 本计算问题各研发一个对百亿级大数据可用、理论证明正确的基 础算法，其计算效率比当前最好算法提升 40%以上；针对 3 个典 型大数据分析任务构建大数据分析算法，有效分析数据规模达到 TB 级，支持云计算环境、超算环境、分布式与流式数据环境等 3 — 8 — 种以上大数据环境有效执行；支撑 TB 级医疗影像数据处理（重 建或分割） ，单个体三维影像处理时间低于 0.05 秒，支持实时处 理，误差率比当前最优水平降低 10%以上；实现对 TB 级网络安 全数据的判别分析， 研发 1 个可推广实用的大数据算法应用平台。 有关说明：由陕西省科技厅作为推荐单位组织申报。 9. 太赫兹医学影像及诊断系统中的关键数学问题及应用 研究内容：探索牙齿、乳腺太赫兹医学影像检测的系统集成， 实现太赫兹医学影像数据自主采集；研发针对牙齿多层结构折射 率不同的编码太赫兹脉冲成像算法、牙齿表面不平整散射严重的 合成孔径成像算法；发展只依赖于曲面黎曼度量共形几何内蕴方 法，建立反常统计力学框架下的乳腺癌细胞超扩散演化方程，融 合乳腺拟共形变换参数外在表象与乳腺癌细胞超扩散指数内在机 制两者所包含的信息；研发龋齿及乳腺癌的多隐层卷积神经网络 AI 诊断系统，基于核函数优化的分数阶傅里叶变换方法和重整化 池化原理，突破医学 AI 诊断系统深度学习的可解释性瓶颈，为 辨识龋齿及诊断乳腺癌和跟踪癌病变发展进程提供算法支持。 考核指标：研发牙齿、乳腺太赫兹医学影像检测仪样机，实 现太赫兹医学影像数据自主采集；提交针对牙齿多层结构折射率 不同的编码太赫兹脉冲成像算法、牙齿表面不平整散射严重的合 成孔径成像算法，实现太赫兹波成像牙齿穿透深度 5mm，分辨率 1mm，单颗牙齿成像时间小于 5s；计算乳腺拟共形变换不变量， — 9 — 建立反常统计力学框架下的乳腺癌细胞超扩散演化方程，给出乳 腺拟共形变换参数与乳腺癌细胞超扩散指数之间的关联形式，太 赫兹波成像乳腺穿透深度 10mm，分辨率 3mm，对 10cm×10cm 视场范围成像时间小于 5s；提供龋齿及乳腺癌的可解释性多隐层 卷积神经网络深度学习 AI 诊断算法，误诊率小于 5%，漏诊率小 于 3%。 有关说明：由四川省科技厅作为推荐单位组织申报。 10. 面向海量多源遥感数据处理的关键数学问题及其产业应用 研究内容：针对海量多源遥感数据中多类型噪音，构建多 模态核函数，运用数值分析与模型拟合的数学理论，改进先验 信息提取模型，优化图像超分重构算法。在遥感数据处理和反 演中，涉及到高维病态方程，合理设计反演过程的信息变迁， 将遥感数据特性和预处理算法相结合，实现病态方程的优化求 解。针对“同物异谱”及“同谱异物”现象导致多光谱数据结 构呈非线性的问题，基于随机分析方法，对多光谱遥感图像进 行预处理，建立特征样本模型，同时进行多光谱分析。通过解 决以上关键数学问题，提升影像细节表现能力，提升多视立体 像对匹配成功率和 DSM 产品精度， 提升遥感影像监督分类精度， 面向星载产业化应用中，研究在轨自学习模型及更新方法，提 高典型目标信息获取的时效性。 考核指标：针对星载遥感成像系统受到平台振动、系统噪声、 — 10 — 大气等因素的影响，以及超过成像系统截止频率的高频细节信息 丢失问题，实现超分辨率重构复原，影像空间分辨率提升 2 倍， 信噪比提升 5%，清晰度提升 20%，基于动态视频的 DSM 高程精 度优于 3 米。经过遥感反演病态方程优化求解后地表反射率反演 精度高于 90%。通过基于空间分辨率不低于 10 米多光谱遥感影 像的图—谱特征模型建立，大区域多目标分类精度不低于 92%。 在轨信息获取延时小于 5 分钟，提高卫星快速响应的能力。 有关说明：由吉林省科技厅作为推荐单位组织申报。 11. 基于机器学习与确定性机理融合的高精度地图制作和评 估体系 研究内容：建立机器学习与确定性机理混合建模框架体系； 构建可解释和可信任的确定性及随机算法；研究从交通路网到车 道线级别道路的数学表达；发展将众包数据和传统测绘数据进行 互补和融合的高精度地图制作方法；研究自然语言处理技术在高 精度地图路标牌语义识别中的应用；建立从地图的采集、制作和 融合全流程的质量评估体系。 考核指标：建立基于机器学习与确定性机理融合的高精度地 图制作和评估体系的理论；实现包含众包数据或测绘数据场景全 覆盖和要素全覆盖的高精度地图制作，生产自动化水平达到 95％ 以上；在高速、主干道及数据源相对丰富的城区中地图精度不低 于 5~10 厘米；保证高精度地图生产全流程的置信值不低于 95%。 — 11 — 有关说明：由湖北省科技厅作为推荐单位组织申报。 12. 面向国产高性能自主可控计算机的基础数学库软件与大 规模并行计算应用 研究内容：基于高性能自主可控计算平台的基础数学算法、 面向复杂应用问题的数学模型和高效并行求解器；基于自主处理 器和异构并行计算机体系的任务随机调度、评测和数学库软件， 为各类计算问题提供编程接口和框架；支撑复杂工业仿真和高端 芯片研发的新型数学模型和高效数值并行算法，面向重点行业的 并行数值仿真的高性能软件平台，并在高端装备领域开展并行数 值模拟的示范应用。 考核目标：面向多种应用场景，适配 3 种以上国产自主处理 器及百万核异构计算架构，性能不低于国外主流同类基础数学库 软件；可支撑千万级模型自由度计算、万核计算任务调度，并行 效率不低于 30%的自主工业仿真软件系统 1 套，计算性能不低于 国际主流同类软件系统；高端芯片的设计软件具备第一性原理预 测能力，软件算法时间复杂度 O(nc)由同类主流软件的 c>1 降为 c ≤1。 开发高端装备领域基于大规模并行算法的高效基础算法库及 高性能计算软件 1 套、形成自主可控先进并行计算应用平台。 有关说明：由湖南省科技厅作为推荐单位组织申报。 13. 全寿命沥青路面时空演化数学模型构建与结构优化智能 算法设计 — 12 — 研究内容：针对当前沥青路面技术中实践数据挖掘不充分、 数学理论支撑不完善、相关设计模型可靠性低、设计寿命预估误 差大等基础问题，研究沥青路面结构与材料的全时空全环境试验 技术，研发全寿命周期条件下的沥青路面结构与材料的时空演化 数学模型，形成多层次、多框架下解析推断系统，开发结构优化 智能算法，挖掘多因素同步耦合状态下的服役性能衰变机理，构 建适应于长寿命使用需求的疲劳设计模型，实现给定指标需求下 路面结构最优设计方案，完善沥青路面安全、耐久的结构设计体 系，为构建长寿命路面设计体系奠定基础。 考核指标：建立沥青路面全周期服役性能指标的时空演化规 律数学模型，与实测数据的预测精确度不低于 85%；给出路面结 构安全服役性能衰变的疲劳方程估计式，准确率不低于 85%；给 出路面结构服役性能衰变的疲劳方程模型，开发路面结构设计推 断系统，生成的优化设计方案使得路面预估疲劳寿命不小于 30 年；设计结构优化智能算法，开发一套沥青路面结构智能优化和 自助设计软件平台，并在公路交通领域进行示范应用。 有关说明：由江苏省科技厅作为推荐单位组织申报。 — 13 —