時間：2023-09-18 17:02:01
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【關鍵詞】河北省廊坊市 航天戰略 新興產業
【中圖分類號】F276.44 【文獻標識碼】A
我國社會主義現代化建設，經過改革開放多年努力，已經取得了重要實質性成果，尤其表現在我國社會經濟快速增長。但是，隨著全球經濟和金融一體化趨勢不斷深入，我國各項產業正面臨著嚴峻考驗，2008年金融危機以來，國民生產總值和貿易出口額獲得了進一步增加，這一結果主要還是以高額資源消費為代價。世界各國都更加關注高新科學技術和構建未來可持續發展的制高點，如何構建符合我國國情的產業結構和培植具有核心競爭力的新產業，已經成為國家宏觀政策制定的主要方向和學術界研究的一個熱點問題。
2012年，我國出臺關于《“十二五”戰略性新興產業發展規劃》，更加明確我國著力發展新興產業的相關政策和指導方針，由于航天產業從自身建設和功能性外延等特征，更加成為我國戰略新興產業發展的關鍵性支撐石。2011年，河北省政府與中國航天科技集團公司簽署區域地方和航天產業系統發展戰略框架協議，在“十二五”期間，共同促進河北省社會經濟和航天產協同發展，主要包括：運載火箭制造及實驗、戰略性新興產業等五個主要內容。而廊坊市在河北省具有得天獨厚的位置優勢，廊坊航天戰略新興產業建設，對于我國航天工業可持續發展、京津航天產業的拓展和延伸、地方傳統產業調整和產業結構全面系統升級都有著關鍵性的實踐性理論意義。
航天戰略性新興產業是基于高新技術和新興產業相互融合，代表著我國科技創新和產業發展方向，近年來，河北省在推進產業結構調整和突出新興戰略產業方面，推出了一系列具有導向性政策措施，而這些實踐性政策性策略，對于航天戰略新興產業長足進步起到關鍵性作用，并且取得一定的成效。但是不可回避的是，河北省產業調整和戰略產業培育過程中，受到理論和經驗等多維度影響，以及實際客觀條件局部限制，產生很多新問題。
河北省航天產業發展的必要性
航天產業發展將會直接帶動一系列戰略新興產業培育和學科技術的融合式發展，我國經過幾十年的航天工業的探索和建設，已經構建出我國航天產業體系結構，并且航天產業的發展邁入了一個新發展階段和歷史時期。
航天產業具有重要的戰略導向性。航天產業的發展直接關系到我國高端裝備制造建設和發展，是我國眾多行業中具有高新科學技術應用產業之一，同時對于我國企業產業發展，起到戰略導向性作用。①航天產業技術創新和應用，對于我國社會經濟的發展起著重要的技術支撐和推進性作用效果，在提升我國人民生活質量、國際地位和綜合國力方面，更加強調其戰略性影響意義，一方面代表著我國在國際航天發展領域地位，另一方面也能夠表示我國核心國防實力。例如美國航天協會關于航空航天技術的相關說明，②即該技術是否領先于世界水平，直接關系到國家各個方面戰略性安危，發展航空航天技術是現在乃至未來長期投入和建設國家安全戰略?？梢?，航天產業在我國社會經濟和軍事中占據核心地位，河北省航天戰略性新興產業建設，將會直接關系到我國航天產業整體規劃和可持續發展。
航天產業的技術多樣性和鏈條可擴性。航天產業建設和發展具有戰略現代性作用，主要體現在航天產業技術的構成技術多樣性和鏈條可擴展性，一是技術多樣性，航空航天產品制造和生產是一項高精端、多學科技術融合而成，從某種程度上講，航空航天產業發展水平能夠直接代表我國先進科學生產力的基礎建設情況。由于航天產品生產工藝的復雜性要求，制造生產需要在特定環境下完成，涉及多個學科和技術領域的協調配合，例如要求航空航天材料具有高可靠性新材料、新工藝和新技術，這也能夠進一步說明航天產業在我國各產業領域前瞻性地位。同時技術多樣性還體現在，生產航天產品需要小批量和多零件構成，這也要求在加工工藝選擇和技術上，呈現出明顯柔性生產力。二是鏈條可擴性，據有關部門相關數據統計，③航天戰略新興產業發展帶動我國80%的新材料研發，促進多產業鏈條企業之間融合式發展，技術能夠直接提升企業核心市場競爭力，能夠更加有效促進其他產業結構的有效調整。未來10年，一個航天項目與產業效益的比值為1：180，推進國民生產總值增長值為 0.714%。
河北省航天產業發展存在的問題
河北省在航天性戰略產業培育和發展方面，具有獨特發展優勢。一是區域位置屬于京津經濟的三角區域，符合產業延伸和資源互相滲透互補的要求，河北省航天產業的發展，將帶動區域多元新興產業發展，并且能夠具有影響和被影響的區域經濟發展優勢；二是河北省的產業優勢，2012年底，河北省物流產業呈現出快速增長趨勢，同比2011年增加23.4%，物流產業已經成為河北省現代服務性的優勢性產業，這也為航天戰略新興產業全國協同發展，提供重要基礎性保障，同時河北省在推動我國“十二五”新興產業方面，具有明顯的發展成果，尤其是先進制造、新材料和高科技電子信息技術等；三是河北省航天產業政策性優勢，主要體現在“十二五”綱要中明確指出進一步促進和實現河北省沿海地區發展，這也為河北省航天產業發展，提供上層政策性保證。由于河北省航天產業建設過程中基本無樣本參照，屬于探索性發展模式，目前，河北省航天產業發展的過程中，依然存在兩個重要問題。
航天戰略新興產業集群模式偏低。從國家統計據的相關數據分析可知，④河北省是我國一個重要經濟型大省，但是從河北省國內生產總值產業分布情況看，不屬于一個以新興產業為主導經濟強省。主要體現在河北省的基礎性還是以粗放式、高資源消耗為主的，例如鋼鐵等傳統產業，企業規模雖有所增加，但是系統化歸類集成程度不明顯，低水平生產現象還很明顯，這也是河北省產業發展過程中一個基礎性問題。河北省航天產業有其自身特有發展模式，航天戰略性新興產業需要從布局上，充分考慮集中性，并通過相應產業集群模式，進行統籌式發展，構建出航天產業企業之間協調、多贏和技術互補促進融合的創新發展模式，并積極帶動與之相關輔產業發展，初步形成以廊坊市為主的新興航天產業集群，而對比河北省其他產業來說，還是屬于較小規模產業集群，并且還需要進一步完善系統框架上的組織協調發展，形成航天戰略新興產業的協同發展機制，形成大產業鏈條下的規模性循環經濟，從而形成以河北廊坊為中心的航天產業集群基地。
缺失高新核心支持性技術。全球范圍內已經掀起了新一輪航空航天產業發展新時期，我國航空航天產業雖然在一些關鍵性技術領域，例如載人和火箭技術，已經達到國際航空航天的世界領先技術，但是從整個航天產業發展上，卻具有明顯的缺點和不足，主要體現在兩個方面：一是航天產業原始創新能力還存在著明顯的差距性，尤其是一些關鍵性核心支撐技術，不能滿足我國社會經濟發展要求，例如民用和軍用飛機在我國社會生產生活中需求量急劇增加，而我國大型航空工業，還承接一些國外外包業務，嚴重影響航空科技技術創新資源。同時航天產業相關技術研發過多關注于數量而不是質量，2012年航天制造產業的申請專利數達到908件，但是具有整個行業高新技術比例不足2%，美國申請8654項，核心技術占26%，這一數據顯示，我國航天產業原始創新能力和驅動力存在著較為嚴重問題，這也是河北省航天戰略新興產業發展的一個關鍵性問題。二是創新體制上存在著一定問題，尤其是在航天產業高新技術研發和市場結合方面的問題，河北省政府與中國航天科技集團具有戰略性協同發展關系，在航天戰略新興產業發展過程中，已經感覺到中國航天科技集團具有明顯的計劃經濟體制形態，企業之間管理上還存在行政領導關系，各個企業的自主經營權受到了重要限制，這也是導致原始創新動力不足的一個重要原因，同時，中航集團強調科研是主要，直接影響科研成果的市場性技術轉化，導致與河北省航天戰略新興產業發展中的資源浪費和技術擱置情況，這也是河北省以及廊坊市航天戰略新興產業發展過程中的一個關鍵性抑制性問題。
促進航天戰略性新興產業發展的對策和建議
河北省航天產業發展是一項多技術、多企業相互融合，協同發展的高新技術產業模式，在河北省產業結構調整和新興產業配置中，具有特殊的重要作用和意義。
地處京津兩大城市之間的廊坊市其地理位置優越，并且具有較好的航天產業發展基礎和條件，已建成的固安航天科技城正在成為對接北京、借勢發展的契合點，預計在未來幾年，固安航天科技城將形成航天技術研發、應用、服務一條龍的完整產業鏈，搶占戰略性新興產業發展的制高點。此外，廊坊市還擁有較好的科學研究平臺，“河北省航天產業發展軟科學研究基地”和“河北省航天遙感信息處理與應用協同創新中心”均設在廊坊市北華航天工業學院，這將為我省航天產業發展提供高質量的研究成果。在我國“十二五”規劃的指導推動下，廊坊市航天產業必然會成為河北省社會經濟發展的新的增長點。因此，在促進河北省及廊坊市航天戰略新興產業發展過程中，可以以廊坊市航天產業發展為著眼點，集中一切優勢資源，制定符合區域經濟發展可行性政策引導和支持，完善航天產業鏈條發展支持性渠道，運用多維度協同共進機制和手段，加大培養和促進航天戰略性新興產業發展。具體建議及對策如下：
促進廊坊航天產業集群模式和產業鏈條協同創新。航天產業自身特點是一個大型復雜、多技術、多產業組合，要實現國家航天戰略創新導向目標，不斷創造和提升航天戰略新興產業發展增長點，就要更加關注和強調航天產業集群模式合理化構建和產業鏈條中各個相互企業之間協同創新能力。廊坊市航天戰略性新興產業可持續發展，需要產業系統良好外界政策性環境和產業鏈條中各個企業創新，兩者直接相互協調，直接影響航天產業發展實質性效率，也制約著航天產業價值鏈條各企業均衡性發展。因此，河北省及廊坊市航天新興產業發展，就要不斷完善和優化航天產業各企業外部發展環境，即給予政策性的引導和稅收支持，構建出符合產業發展航天產業鏈條各個企業協同創新和共生平臺，加大對于產業關鍵性核心共性產業技術研發突破，作為其他產業發展的技術導向和配套支持，從而更好服務于河北省傳統產業結構轉型和新興戰略產業發展。
實現廊坊特色航天產業核心技術創新。河北省航天戰略新興產業發展要充分和依靠自身，地理、科研和政策性優勢，強調和突出以廊坊市為產業中心，支持和培養企業核心技術發展。核心技術企業發展是航天產業鏈條中心臟組成部門，直接代表著航天產業專業化和高信息技術性，這也直接需要政府政策性導向和引入社會資本進行長期可持續建設和發展。例如，國際上航天產業的一些核心技術都是由寡頭企業壟斷，由于利益驅使，其更加注重核心技術保護，使得其他國家難以獲取。而我國在掌握航天產業關鍵技術中，具有較好產業發展優勢，核心技術研究就是要依靠企業原創性，要耐得住長期投入和風險，建議河北省構建出航天產業核心技術創新保障平臺，增加航天產業核心技術研發抗風險能力，關注國外航天同類技術反向工程求解、結合我國本土技術，進行核心技術再創新。在實現以河北省廊坊市為代表的航天產業核心技術創新的過程中，要始終明確兩個支持問題：一是結合國內外航天產業發展新形勢，解決關鍵性技術核心問題，以點蓋面，充分把握住航天產業發展必要性和特殊性，建立廊坊市航天戰略新興產業良性發展合理化機制，形成一種產業優勢發展穩定環境。二是以中央國企混合制改革為背景，不斷整合河北省航天戰略新興產業鏈條，推進航天產業軍用和民用相結合模式，更好地實現航天產業研發性向服務性模式轉化，促進河北省及廊坊市區域社會經濟航天新興產業和其他產業的聯動協調發展。
結語
航天戰略性新興產業的可持續發展，直接關系到我國社會經濟發展和國際地位，航天產業發展的必要性，主要體現在航天產業具有先天的戰略導向性和航天產業的技術多樣性和鏈條可擴性，戰略導向性是航天產業發展的必要前提，而產業技術多樣性和鏈條可擴性是航天產業推進自身和促進其他產業建設的著眼點，可見構建我國大戰略背景下的航天產業航母，促進河北省航天戰略新興產業發展具有現實客觀需求。河北省在產業結構調整和培育新興戰略產業上，具有更加突出的京津翼黃金三角區地域優勢、更加完備的產業配套服務保障體系和航天戰略新興產業發展的政策性扶持導向優勢。
近幾年，河北省航天戰略性產業發展取得一定成績的同時，也暴露出一些明顯不足和問題，主要是航天戰略新興產業集群模式偏低和缺失高新核心支持性技術，而產業集群模式是航天戰略新興產業價值鏈條協同發展的保障性措施，高新核心技術支持是航天戰略性新興產業發展基礎，也是推進河北省其他產業模式創新發展推動力。對于當前所存在的問題，文中建設性提出促進航天戰略性新興產業發展的對策和建議，主要包括，航天產業集群模式和產業鏈條的協同創新，及河北省具有特色航天產業核心技術創新。河北省航天戰略產業發展需要來自各方面的多維度創新，只有創新才能走出一條符合我國實際情況的航天產業發展之路。我國航天戰略新興產業發展，是一項理論和實踐反復結合的工作，需要更多機構和學者，進行系統性和關鍵問題研究，希望筆者文章關于河北省廊坊市航天戰略性新興產業發展問題探究，能起到拋磚引玉之作用，更加有利于航天戰略新興產業可持續發展的進一步探討和研究。
（作者單位：北華航天工業學院；本文系2013年度北華航天工業學院科研基金項目“加速廊坊戰略性新興高端產業發展，助推綠色崛起”階段性成果并受“河北省航天產業發展軟科學研究基地”資助，項目編號：KY―2013―24）
【注釋】
①傅培瑜：《我國戰略性新興產業發展的研究》，東北財經大學碩士學位論文，2010年，第6～9頁。
②張春玲：“加快培育我國戰略性新興產業的對策研究“，《生態經濟》，2013年第3期，第30頁。
③王新新：“戰略性新興產業的培育與發展策略研究“，《生產力研究》，2011年第8期，第155～157頁。
發令槍已響，一場空天領域的競賽正在激烈上演。近日，歐洲航天局宣布重返月球計劃，將建造首個月球永久性基地，美國宇航局2016年則瞄準太空旅行和深空探測，實施一系列火星計劃，并計劃于2030年實現宇航員登陸火星的目標。各大國動作頻頻，劍指蒼穹，那么作為軍事強國的俄羅斯有著怎樣的舉動和戰略考量呢？在這場激烈的角逐中，俄羅斯空天力量體系的實力又到底如何呢？ 俄羅斯空天領域既有優勢
作為老牌世界軍事強國，俄羅斯的航天實力不容小覷。在蘇聯的光環下，俄羅斯航天業有著得天獨厚的既有條件，使得其在諸多航天領域獨具優勢。
航天基礎設施體系完善 莫斯科郊外的航天中心內，用于宇航員模擬太空練習的離心機正在工作。
20世紀美蘇的“星球大戰”推進了蘇聯航天業的快速發展，催生了強大完善的航天力量體系。蘇聯解體后，俄羅斯繼承了蘇聯85%以上的航天工業，這使得俄在航空航天領域的起點較高，起步較快。諸如航天與導彈工業的科研機構、空天武器裝備的生產制造單位、航天器的發射及監測基地等一整套完整的基礎設施體系為俄羅斯航天業的發展鋪平了道路。
空天核心技術較為成熟 1961年4月12日，蘇聯航天員尤里?加加林搭乘“東方”號載人航天飛船遨游太空，書寫了人類探索太空的新篇章。蘇聯時期的叱咤雄風并未隨蘇聯的解體而消散，其領先的核心技術在俄得以繼承。目前，在運載火箭、反導武器方面，俄可以說獨領。自1995年以來，美國軍方一直使用俄制RD-180火箭發動機來發射軍事和間諜衛星。迄今為止，“質子”-M大型運載火箭也運載了50多顆美國商用衛星。另外，俄正在發展的S-500防空反導系統，可攔截500千米外以5千米/秒速度高速飛行的彈道導彈或戰略彈道導彈，以及大氣層外的各種高速飛行器，其整體作戰效能遠遠超過全球任何一種現役的防空系統。 追夢路上困難重重
雖然俄羅斯在空天領域占有一定優勢，但較蘇聯來說，卻一直在走下坡路，體制機制上的詬病積重難返，基礎設施上的損耗也日益嚴重，這無形中給俄航天業的發展增加了巨大的阻力。
資金不足成為“拖油瓶” 此前，俄總統普京曾痛心疾首地指出，俄航天事業有淪為“航天馬車夫”的危險。現在看來，這種形勢依然不容樂觀。從俄羅斯航天集團公司在2016年1月公布的2016～2025年俄聯邦航天計劃草案來看，俄未來10年的航天預算將比此前計劃大幅縮水。受國際經濟形勢低迷和盧布匯率持續下跌影響，2016～2025年俄聯邦航天預算將由此前計劃的2萬億盧布降至1.4萬億盧布，降幅達30%。由此，俄未來10年的航天計劃將被迫大幅“瘦身”。例如通過重型運載火箭實施“繞月”探測的時間，將從此前計劃的2025年推遲到2025～2030年間實施;首次載人上月球的飛行時間將從2030年推遲至2035年;未來10年研制和發射的航天器數量也由此前計劃的185個降至150個;此外，還有數個研究計劃被從太空計劃中砍掉。由于經費問題，俄空天領域老化的舊武器系統得不到有效改進，先進的新裝備也無法列裝部隊?？梢哉f，資金的短缺已經嚴重阻礙了俄航天工業的發展。
腐敗問題成為“攔路虎” 近年來，俄航天工業效率低下，航天事故頻發，多枚火箭發射失敗，俄目前在建的大型航天發射場―所謂的“東方航天港”也屢次因為資金問題而導致工程陷入停滯。在2014年，根據俄羅斯相關監管機構的調查結果，聯邦航天局內部被發現的金額竟超過18億美元。俄副總理羅戈津也直言：“在這樣的道德腐化程度之下，我們的航天發射屢屢發生事故也就不足為奇了?！彼?，俄高層決心根除航天部門久治不愈的頑疾，俄航天集團公司也由此應運而生。
人才流失成為“絆腳石” 近年來，由于在政治、經濟等方面的保障及待遇不完善，使得俄國防科技人才大量外流。俄羅斯齊奧爾科夫斯基航天科學院專家卡拉什表示，許多一流專家沒有在一線工作，他們的興趣點也不在加速俄航天技術發展方面，而更關注自己的職位和薪水。雖然政府最近幾年在航空航天產業投入了大量資金支持其發展，但這些費用大都投給了新的研發項目，而投入到人才培養上的資金相對不足，造成了目前俄羅斯大部分掌握尖端技術的科學家仍都是年過半百的老科學家，年輕科學家和技術人員的比例越來越低，甚至出現“斷崖”。 砥礪前行，只為空天夢
俄羅斯曾是雄霸一時的世界大國，自然不甘愿淪當“航天馬車夫”。同時，俄羅斯也清楚，隨著新時期戰爭形態的深刻變革，空天領域將是未來敵我較量的主要戰場。因此，俄羅斯十分重視空天力量的發展，不斷采取措施以實現孜孜以求的空天夢。
整合結構，聚焦精干 未來作戰是體系間的作戰，構建完善的空天作戰防御體系顯得十分必要。俄羅斯從1993年就已經開始著手籌建太空作戰、預警和偵察系統，并于1997年合并完成了火箭部隊、軍事航天部隊和導彈防御部隊建設，到2001年已正式創建了“天軍”―航天部隊。2006年4月5日，俄羅斯總統批準了新的《空天防御構想》，明確了俄軍空天防御體系的建設原則、結構組成、作戰目標、建設步驟、未來發展方向等一系列重要的事宜。近年來，乘著“新面貌”軍改的浪潮，俄在2011年開始建立“集防空、反導和太空防御為一體”的“國家空天防御系統”，組建空天防御兵，并于2015年8月正式成立空天軍，整合了戰略預警、導彈防御、要地防空、外空監控、航天支援保障等力量，大大提升了空天作戰能力，實現了防空、反導、太空防御“三位一體”的目標要求。在2016年1月，俄又將國家航天局改為俄羅斯國家航天集團公司，旨在進一步精簡組織編制、改善指揮能力、增強作戰能力，加速落實“空天一體”的戰略構想。這一路走來，俄羅斯披荊斬棘，乘風破浪，不斷朝著精簡、高效的空天作戰防御體系邁進，大大推動了航天事業的發展。
防御為主，瞄準打贏 現今武裝斗爭的重心已轉向空天領域，未來武裝沖突的結局將主要由空天領域的對抗決定。2001年，美國單方面退出《反導條約》，在外空攻防對抗中采取“先發制人”的進攻戰略原則。近年來，美國不斷試飛X-37B空天飛機，使得全球快速打擊不再遙不可及，隱身飛機、精確制導武器的廣泛應用又給各國空天安全帶來嚴重挑戰。面對來自美國及其盟友咄咄逼人的空天威脅，俄羅斯結合目前的政治經濟現狀，認為優先發展空天防御、避免陷入軍備競賽、保證國家安全是當下的首要任務。為此，根據俄航天10年計劃，反衛星武器將是重點發展對象，積極推進反衛星武器的研究和部署，壓制和削弱美國的反導體系成為了工作的主要目標。目前，俄羅斯航天導彈防御部隊可監視8500個太空目標，能對美國全境內所有洲際彈道導彈發射場進行全天候監視，已建成15個快速反低軌道衛星系統發射臺，擁有100部導彈發射裝置。在武器系統上，俄羅斯主攻的“白楊”-M導彈及主守的S-400“凱旋”反導系統提供了尖銳的利器和堅實的盾牌，讓美國精心部署的空天攻防武器顯得“力不從心”。
合作共贏，謀于發展 優勢互補，合作共贏可以說是俄羅斯目前不得不采取的一項舉措。由于巨大的經濟下行壓力，導致俄羅斯投在航天工業上的資金一縮再縮，不得不從其他方向上獲取部分經濟來源。另外，由于俄國防科技人才的流失及技術上的短板，使得加強國際交流合作非常必要。在商業領域，俄羅斯瞄準太空潛在的商業價值，不斷開發挖掘，早在1999年8月俄羅斯空間聯盟公司就開始與安德森的太空冒險旅行公司合作開發“太空游”項目，獲得巨大利潤;在太空探索領域，俄美兩國合作已久，美國主力運載火箭“宇宙神”-5的第一級發動機就是引進俄制的RD-180，且在國際空間站的合作上，美國每向國際空間站運送1名宇航員，需向俄支付近7100萬美元的“船票”。不管怎樣，以國際交流與合作為跳板，將助力航天工業的迅速發展，給俄羅斯空天事業打開一條光明大道。因此，航天領域的交流與合作仍將是未來俄航天產業的重要工作方向。 俄羅斯S-400防空導系統
關鍵詞：增材制造技術；金屬快速成型；工程應用；發展趨勢
中圖分類號：TB47 文獻標志碼：A
增材制造技術又稱快速成型技術（RapidPro－totyping，RP），是20世紀80年代中期發展起來的一種利用材料堆積法制造實物產品的一項高新技術．該技術借助計算機、激光、精密傳動和數控等手段，將計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）集成于一體，以逐層累積的建造方式在短時間內直接制造產品樣品，無需傳統的機械加工設備和工藝，顯著地縮短了產品開發的周期，增強了企業的競爭能力［1］．相比傳統機械制造方法，增材制造技術可以實現任意復雜結構模具等的快速制造，在單件或小批量生產用機械制造過程中，具有制造成本低，周期短的優勢，因此廣泛應用于機械制造業［2］．
1增材制造技術發展現狀
1．1增材制造技術在國外的發展
增材制造技術最早出現在1892年，美國Blan－ther用分層制造法構成地形圖并申請了專利，開啟了該技術發展的序幕．20世紀80年代，RP技術經歷了快速及根本性的發展，僅在1986～1998年期間注冊的美國專利就有274個［3］．美國的3DSystems公司于1988年生產出了世界上第一臺液態光敏樹脂選擇性固化快速成型機（SLA－250）．20世紀90年代后期，出現了3DP、SDM、SGC、FDM等十幾種不同的快速成型技術．2012年美國總統奧巴馬為重振美國制造業提出一系列計劃，將3D打印技術列為11項重要技術之一．英國技術戰略委員會“未來的高附加值制造技術展望”中，把增材制造技術列為提升國家競爭力，應對未來挑戰的22個應優先發展技術之一［4］．目前，美國Ford汽車公司和DuPont公司已經在他們的生產線上采用RP技術，美國Pratt＆Whitney公司已應用RP技術制造鑄造熔模．歐洲和日本等國家也不甘落后，紛紛進行RP技術及設備研制等方面的研究工作，如德國的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等［3］．近年來，采用RP設備最積極的地區是東亞，尤其是韓國、香港、新加坡［5］．國外RP技術在航天航空、汽車交通、醫療器械、藝術創作等多個領域得到應用．
1．2增材制造技術在國內的發展
我國于90年代初才開始增材制造技術研究，雖短短20余年時間，卻得到了工業界的高度重視，發展迅速．2013年，國內媒體紛紛報道，將RP技術稱為“3D打印—無所不能的未來”［6］、“幾乎顛覆傳統的制造模式”［7］等．我國已擬定增材制造技術路線圖和中長期發展戰略，中國工程院2012年1號文件內容即為進行“增材制造技術工程科技發展戰略的研究”，成立了由華中科技大學、西安交通大學、清華大學、北京航天航空大學、西北工業大學和國防科工委625所等專家組成的工作組，并已在2013年3月提交相關咨詢研究報告［4］．目前，我國已初步形成增材制造設備和材料的制造體系．部分國產設備已接近或達到美國公司同類產品的水平，設備及材料價格便宜．在國家科學技術部的支持下，我國已在深圳、天津、上海、西安等地建立一批向企業提供快速成形技術的服務機構，推動了增材制造技術在我國的廣泛應用．另外，我國的部分科研院所和企業已研發出光固化、金屬熔敷、生物制造、陶瓷成形、激光燒結、金屬燒結、生物制造等類型的增材制造裝備和材料［8］，取得了很好的效果．但與工業化國家相比，我國RP技術的研究和應用尚存在一定的差距．
2增材制造技術基本成型原理與工藝
2．1增材制造技術的原理
增材制造技術是采用離散∕堆積成型的原理，通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式，經過材料堆積疊加形成三維實體的一種前沿材料成型技術［9］．其過程為：對具有CAD構造的產品三維模型進行分層切片，得到各層界面的輪廓，按照這些輪廓，激光束選擇性地切割一層層的紙（或樹脂固化、粉末燒結等），形成各界面并逐步疊加成三維產品［10］．由于增材制造技術把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造的疊加，因而可以在沒有模具和工具的條件下生成任意復雜的零部件，極大地提高了生產效率和制造柔性［11］．增材制造技術體系可分解為幾個彼此聯系的基本環節：三維模型構造、近似處理、切片處理、堆積成形、后處理等．增材制造過程如圖1所示．
2．2增材制造技術的制造工藝
隨著CAD建模和光機電一體化技術的發展，增材制造技術的工藝發展很快，按照所用材料和建造技術的不同，目前投入應用的已有十余種工藝方法．其中發展較為成熟的主要有光固化立體成型、分層實體制造、選擇性激光燒結等．上述工藝發展較為成熟，在此不再贅述．金屬直接成形法可以實現具有較高致密度和力學性能產品的快速制造，但工藝難度大，因此整體還處于技術研究階段［2］．現將發展潛力較大、較前沿的金屬直接成型工藝進行重點介紹．2．2．1激光立體成形技術激光立體成形技術（LSF）是在快速成形技術和大功率激光熔覆技術蓬勃發展的基礎上迅速發展起來的一項新的先進制造技術［12］．該技術綜合了激光技術、材料技術、計算機輔助設計、計算機輔助制造技術和數控技術等先進制造技術，通過逐層熔化、堆積金屬粉末，能夠直接從數據生成三維實體零件，具有無模具、短周期、近凈成形、組織均勻致密、無宏觀偏析等優點［13］．這項技術尤其適用于大型復雜結構零件的整體制造，在航空航天等高技術領域具有廣闊的發展前景．目前，LSF的研究不斷取得突破性進展，發展迅速．如西北工業大學凝固技術國家重點實驗室，在國內率先提出LSF發展構思，并研發一套完整的高性能致密金屬零件的激光立體成形理論、技術與裝備，榮獲陜西省科學技術一等獎［14］．近年來，LSF在大型鈦合金構件的研究方面取得重大突破，解決了其變形控制、幾何尺寸控制、冶金質量控制、系統裝備等方面的一系列難題［4］，如試制成功C9飛機翼肋TC4上下緣條構件．另外，LSF在一些理論研究方面也取得一些進展，如激光成形凝固組織的理論分析；TC4合金的α＋β兩相組織控制、斷裂韌性、疲勞性能的研究；激光立體成形鎳基合金室溫拉伸和高溫持久性能研究等．LSF在航空航天領域的設備修復、激光組合制造、現場維修和再制造以及醫用植入體應用等領域已得到廣泛應用．其中，航空航天領域研究進展顯著，如航空航天高性能薄壁零件的成形、挽救常規技術不可修復的航空發動機零件、修復高推重比航空發動機整體葉盤、尾氣能量處理透平機0Cr17Ni4Cu4Nb葉輪修復［4］等．LSF發展較快，已在國內外獲得廣泛應用，還須在工藝研究進一步系統化、理論研究繼續深化、發展激光涂覆過程的實時觀測技術、開發適用于該技術的合金材料、成形精度與成形速率如何達到最佳匹配［15］等方面加大研究力度．2．2．2激光選區熔化工藝激光選區熔化工藝（SLM）是激光選區燒結技術的一種升級和衍生，是直接進行金屬打印的最新前沿技術之一．該技術為將零部件CAD模型分層切片，采用預鋪粉的方式，掃描鏡帶動激光束在計算機控制下沿圖形軌跡掃描選定區域的合金粉末層，使其熔化并沉積出與切片厚度一致、形狀為零件某個橫截面的金屬薄層，直到制造出與構件CAD模型一致的金屬零件［16］．其工藝原理圖如圖2所示，SLM制造激光功率一般在數百瓦級，精度高（最高可達0．05mm），質量好，加工余量?。艿呐浜厦嬷猓圃斓漠a品一般經噴砂或拋光等后續簡單處理就可直接使用．該技術燒結速度快，成型件質量精度高，適合中、小型復雜結構件，尤其是復雜薄壁型腔結構件的高精度整體快速制造［16］．SLM可為生產高精密、復雜器件提供全新的制造方法，應用前景廣闊．如：美國GE公司在各大型企業中率先成立金屬材料激光熔化增材制造研發團隊，并在LEAP噴氣發動機中采用SLM制造燃油噴嘴；美國NASA馬歇爾航天飛行中心于2012年采用激光選區熔化成形技術制造了復雜結構金屬零部件樣件，用于“太空發射系統”重型運載火箭；2013年8月，NASA對SLM制造的J－2X發動機噴注器樣件進行了熱試車試驗并獲得成功；美國加利福尼亞大學圣迭戈分校太空發展探索團隊用3D打印方法制造火箭發動機推力室組件等［16］．在設備開發方面，早在2004年，華南理工大學與北京隆源合作，在國內選區激光燒結設備的基礎上首先開發出選區激光熔化快速制造設備Dimetal－240．2012年，華南理工大學研發出最新精密型Dimetal－100成型機［17］．目前，各研究機構一直致力于高（變）致密度、成型角度、薄壁、力學性能等基礎研究，適用于該技術的各種金屬材料及工藝研究有待開發．
3增材制造技術的應用典型
3．1設計驗證方面的應用
增材制造技術在設計驗證方面應用廣泛，可應用于航天系統功能性風扇組裝、進行功能性和聲響測試，使得模擬實際旋轉速度達15000r／min，遴選出問題解決方案，節約成本［18］．保時捷將其用于功能性測試，以便分析冷凍液流動特性，改變設計以減少紊流．另外，美國GE公司采用增材制造技術用1個零件代替原設計20個零件組成的飛機發動機噴嘴，減重25％，增效15％，制造成本大幅度降低，已大批量生產；美國公司還采用增材制造技術，成形了能耐熱3300°C的復合材料航天發動機零件，使其成為“龍飛船2號推力達到龍飛船1號推力的200倍”技術的關鍵［19］．增材制造技術還可應用于機器人表面映射反饋輔助原型設計［20］、光彈應力分析等．光彈應力分析時，需將作用于激光快速原型工件上的應力可視化，以識別設計不足的區域．圖3為增材制造技術設計驗證的部分應用.
3．2模具制造方面的應用
增材制造技術在模具制造方面的應用廣泛，主要分為軟模具制造和硬模具制造．利用真空澆注軟硅膠模翻模技術，可生產小批量的類似工程塑料、聚氨酯等產件．快速鑄造方面，光敏樹脂消失法鑄造可一次完成鑄造成型，周期短，機械性能好［21］．嘉陵集團利用該技術用于摩托車發動機缸頭研制，獲得了巨大的經濟效益．光固化原型與砂型結合鑄造技術應用也較為廣泛，如研發新型四缸柴油發動機缸蓋［18］、開發汽車零部件［22］等．快速成形原型直接制造蠟型模具可用于小批量精鑄，大大提高鑄件壽命，節約成本．另外，西安交通大學研發出的陶瓷型鑄造，鑄型外殼、內芯和漿料包裹層一體化設計，使航空葉片鑄件合格率由15％提升至85％．東方氣輪機廠利用該技術已研發出空心渦輪葉片，大大提高了葉片機械力學性能［18］．目前，最為先進的快速模具制造方法有樹脂基復合材料快速制模方法、中或低熔點合金鑄造制模、金屬電弧噴涂制模等．其中，金屬電弧噴涂成型快速制模技術［18］在模具成本、壽命、制造周期、精度等方面具有綜合優勢，并且模具工作表面具有較好的強度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦學特性更接近于鋼質模具，是一種較為理想的快速制模方法．其技術原理、設備及制模應用如圖4、5所示．快速模具技術可節約成本3／4，縮短生產周期約2／3．提高模具制造精度、開發新材料新工藝、直接制造高強度金屬模具等是該技術的重要發展方向．
3．3個性化醫療方面的應用
增材制造技術在醫療模型制造和體外醫療器械［23］、個性化永久植入物制造、組織工程支架制造、細胞打印、器官打印方面應用廣泛，現已取得較大進展．如利用增材制造技術制造出高精度連體骨骼模型，成功實現連體嬰兒分離［24］等．西安交通大學與第四軍醫大學聯合開展骨替代物制造、定制化人工脛骨半關節大段骨重建術、定制化鈦合金半膝關節假體復合大段骨移植、定制下頜骨原型設計［25］等研究，并成功實現中國首例“下頜骨溶解修復”手術［18］．另外，西安交通大學與昆明軍區醫院聯合進行了脊椎手術導航模板制作等研究，進一步擴展了個性化永久植入物的應用領域．采用TCP材料，西安交通大學積極開展基于光固化原型的支架制作人工活性骨支架研究，取得一定的科研進展．圖6所示為利用3D打印技術制作的脊椎手術導航模板．
4增材制造技術的發展趨勢
目前，增材制造技術存在許多問題，如材料方面限制、成形精度與成形速度的矛盾、設備及材料的價格昂貴等．在未來的發展中，該技術將會在新材料及創新工藝［26］、裝備與關鍵器件、與傳統工藝相結合等方面展開更深入的研究．另外，增材制造技術要克服一些技術瓶頸，實現關鍵技術環節上的突破，如：與傳統制造結構保持同樣的強度；減小成型過程中的變形，細化光斑、優化材料和工藝［27］，以提高制造精度；進行工藝創新與優化，提高光束能量以提高制造效率［18］等．現階段，該技術將重點研究陶瓷零件制造、復合材料制造、聚合物噴射快速原型制造［28］、金屬直接制造等，如：利用光固化原型技術，使支撐結構中組織發生變化制作碳化硅復合材料零件；使用高介電陶瓷材料，構造復雜型腔結構實現微波負折射功能，進行光子晶體制造，完成傳統制造技術難以制作的內外形結構；深入研究金屬直接成形自愈合原理，進行高溫合金葉片制作實現金屬直接制造［18］等．增材制造技術在工藝研究方面，存在許多具有潛力的研究方向．如：建立多層激光直接成形的自穩定機制并利用粉末負離焦技術制造薄壁，使工件側面平均粗糙度達到10．04μm；充分研究葉片制造中的曲率效應，實驗發現曲率大處熔化嚴重；進行空心葉片掃描路徑設計與實驗研究，以輪廓、光柵（方向優化）、分區的路徑選擇掃描復雜空心葉片，減少空行程，節約粉末；依據液氮控制冷卻梯度，對空心葉片定向晶組織進行控制［18］等．在生物組織制造方面，增材制造技術潛力巨大，應用前景廣闊，如：進行肝組織支架制造，通過仿生流道和定向多孔結構促進肝細胞向支架內生長，研究支架／細胞復合體用于修復肝缺損的有效性［29］；對細胞打印和器官打印等生物醫學前沿領域研究探索［18］等．另外，將增材制造技術與傳統工藝相結合，進行小批量制造，可發揮倍增效益，是該技術發展的一大趨勢．
5結語
你所不知的“3D打印”
徐麗莉
①美國科幻作家羅伯特??？死浢鑼戇^關于“萬能制造機”的場景。這是一臺奇特的大機器，機身上雜亂地安裝著刻度盤、小燈和各種指示表。故事的主角之一阿諾爾德站在機器前，按下按鈕，對它響亮而清楚地說：“我要硬鋁螺帽，直徑為4英寸?！苯拥街噶?，機器發出低沉的轟鳴聲，燈光閃爍，閘板緩緩打開，眼前赫然出現了一顆閃光發亮已經制好的螺帽。
②也許羅伯特沒有想到，如今一臺3D打印機已經將他在書中描寫的幻境變為現實。那么什么是3D打印機呢？我們日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設計的平面物品，而所謂的3D打印機與普通打印機的工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料。打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備，比如打印一個機器人，打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等。之所以通俗地稱其為“打印機”，是參照了普通打印機的技術原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。這項打印技術被稱為3D立體打印技術。
③據華中科技大學材料科學與工程學院副院長史玉升介紹，這項立體打印技術出現于上世紀90年代的美國，當時被命名為快速制造技術。其實“3D打印”是通俗叫法，學術名稱為快速成型技術，也稱為增材制造技術，是一種不再需要傳統的刀具、夾具和機床就可以打造出任意形狀，根據零件或物體的三維模型數據，通過成型設備以材料累加的方式制成實物模型的技術。
④著名的《經濟學人》最近描述了3D打印技術的前景是一種新型的生產方式，能夠促成新的工業革命。那么，業內人士緣何如此看好3D打印技術？
⑤首先，3D打印技術可以加工用傳統方法難以制造的零件。華中科技大學材料科學與工程學院副院長史玉升介紹說：“過去傳統的制造方法就是一個毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用磨具，把金屬和塑料融化灌進去得到這樣的零件，這樣對復雜的零部件來說加工起來非常困難。立體打印技術對于復雜零部件而言具有極大的優勢，立體打印技術可以打印非常復雜的東西。”其次，實現了首件的凈型成形，這樣后期的輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數據泄密和時間跨度，尤其適合一些高保密性的行業，如軍工、核電領域。再次，由于制造準備和數據轉換的時間大幅減少，使得單件試制、小批量出產的周期和成本降低，特別適合新產品的開發和單件小批量零件的出產。
⑥這些速度快、高易用性等優勢使得3D打印成為一種潮流，并且在很多領域得到了應用。如今3D打印機已經在建筑設計、醫療輔助、工業模型、復雜結構、零配件、動漫模型等領域都已經有了一定程度的應用。尤其在飛機、核電和火電等使用重型機械、高端精密機械的行業，采用3D打印技術“打印”的產品是自然無縫連接的，結構之間的穩固性和連接強度要遠遠高于用傳統方法制造的產品。
（摘自《人民日報海外版》，有刪節）
【閱讀訓練】
1.第①段介紹科幻作品的情節的目的是什么？
2.“什么是3D打印機呢？”作者是怎樣回答這一問題的？
3.第⑤段引用史玉升對3D打印技術的介紹的目的是什么？
4. 3D打印技術除可以加工用傳統方法難以制造的零件外，還有哪些方面的優勢呢？
5.閱讀本文后，你有什么感想？
無繩燈泡在美問世
房秋云
現代家庭充斥著各式各樣的電線、插座，不僅有礙觀瞻，也造成了一定的安全隱患。最近，美國科學家成功開發出了一項“無線輸電”技術，它能為室內的燈泡、手機、電腦“隔空充電”，這將令插座、電池和盤根錯節的電線都成為歷史名詞。電力傳送也將迎來無線時代了！
A
麻省理工學院的研究團隊7日在美國《科學》雜志的網站上發表了研究成果。這項被他們稱為“無線電力”的技術經過多次試驗，已經能成功為一個2米外的60瓦燈泡供電。
目前，這項技術的最遠輸電距離還只能達到2.7米，但研究者相信，電源已經可以在這一范圍內為電池充電。而且只需要安裝一個電源，就可以為整個屋里的電器供電。領導這項研究的馬林?索爾亞?？私淌谕嘎墩f，有一天晚上站在廚房里看著自己的手機時想到“無線電力”這個主意。他說：“我總是忘記給手機充電，它老是發出電力不足的警告聲，我就想，這個家伙要是能自己充電就好了?！?/p>
用共振原理 隔空完成能量傳輸
無線輸電的想法很早就有人提出過，但是卻被很多科學家認為根本無法實現。因為發射器發出的電磁能向四周分散傳送，人類無法對電磁能進行集中控制，就更談不上加以利用。但在去年秋天，麻省理工學院物理學教授馬林?索爾亞希克卻提出了一種可以通過“無線電能傳輸”技術利用電磁能的新理論。
“無線電力”技術的突破之處在于找到了“抓住”電磁波的方法，即利用物理學的“共振”原理――兩個振動頻率相同的物體能高效傳輸能量。索爾亞?？私淌诮忉屨f：“比如說你給樂器彈一個調，毗鄰另一件具有相同頻率的樂器也會振動?！毖芯啃〗M把共振運用到電磁波的傳遞上。他們利用銅制線圈作為電磁共振器，一團線圈附在傳送電力方，另一團在接受電力方。當傳送方送出某種特定頻率的電磁波后，經過電磁場擴散到接受方，電力就實現了無線傳導。結果，他們成功地把一盞距發射器2.13米開外的60瓦電燈點亮。
電器無線化 有望在5年內實現
不過這項技術目前也面臨著一些障礙，比如點亮燈泡時，電力在傳送中流失了45%，因此輸電效率必須提高一倍才有望取代化學電池。此外，目前使用的銅線圈非常笨重，足有0.6米高，如果要想實現整個房間內的電器都能自動充電，銅絲線圈的直徑預計將達2.1米。因此，要用于家用電器，必須實現銅線圈的最小化。
索爾亞?？私淌谡J為，這些問題將在3至5年內解決?！拔覀兿Ｍ娫春碗娖髦g的距離能達到4至5米，銅線圈能小到可以安裝到手提電腦里，輸電效率也能大幅提高。”
最重要的是，試驗顯示“無線電能傳輸”技術對人類無害。因為電磁場只對能與之產生共振的物品有影響，而諸如人類、桌子、毛毯等物品對電磁場幾乎都沒有反應。
B
對于“無線電能傳輸”技術的研究成功，《每日郵報》如此評論：這或許宣告了插座的末日即將到來?！爸灰P記本電腦所在屋子裝備有無線電能傳輸器，人們就可以不再需要將電腦與插座相連來充電，因為它會自動充電。”研究小組成員之一彼得?費希爾教授說。
索爾亞?？嗽诮邮苡浾卟稍L時也表示，現代人生活在充斥著電線、插座的世界，而電能的無線傳輸技術將有可能讓人類部分擺脫電線、電池帶來的煩惱。因此，這是一項很有發展前途的新技術。
下一步，研究小組要進行的則是設法增大發射器功率以及接受器的接收效率。到那時，手機、筆記本電腦就可以在配置有發射器的屋子里自動充電，甚至不需要電池，也不需要通過插座與電源相連就可以直接使用?；蛟S真可以像《每日郵報》所預言的那樣，未來人類真的可以對插座、電線說“再見”。
（選自《時文精粹》，有刪改）
【閱讀訓練】
1.“無線輸電”技術的主要功能是什么？它有何歷史意義？
2.請根據語段內容，在文章的A、B兩處分別擬寫一個小標題。
3.請根據文章內容說說“無線電力”技術“隔空充電”的主要原理。
4.“無線電力”技術目前還難以在家庭推廣應用的主要障礙是什么？
5.為什么說電能的無線傳輸技術是一種很有發展前途的新技術？
北斗：從導航中國到尋常巷陌
張保淑 徐 洋
第11顆北斗導航衛星近日成功發射，進入預定轉移軌道。這顆地球靜止軌道衛星將大幅改善我國西部地區的覆蓋性能，也標志著中國北斗區域衛星導航系統建設又邁出了重要一步，中國的航天發展進入大規模的應用期。
（?。?/p>
衛星除了通信即信息傳遞外，還有對地觀測、感知太空和導航定位等用途。其中導航定位最為復雜，它靠建立幾十顆按一定規律運行的衛星組成的星座來實現。而北斗將會給人們提供超出想象的導航定位服務。
北斗的導航服務包括兩種類型，即開放服務和授權服務。開放服務包括在服務區內免費提供定位、測速和授時服務，定位精度可以到米級。授權服務可以向授權用戶提供更安全、精度更高的定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。所以從時間到空間，北斗導航可以提供基準，可針對不同用戶的需求提供服務，滿足各種不同用戶的需求，而今后高精度全球導航衛星系統毫米級定位技術成熟，將大大促進專業和科學研究應用的發展。
根據計劃，到2020年左右，我國將建成由30余顆衛星組成的北斗全球衛星導航系統，提供覆蓋全球的高精度、高可靠定位、導航和授時服務，北斗將與全球定位系統（GPS）一樣，成為向全球提供服務的衛星導航系統。為人類貢獻了“司南”的中華民族，通過北斗計劃，進入了定位和授時的宇航時代。
超越想象力的導航應用
當前，中國衛星定位產業的發展速度有目共睹，數十年來，中國一直致力于研制自主的衛星導航系統。北斗計劃從最初的“最高機密”，到如今已逐步推廣應用。如今全球衛星導航定位技術的應用領域，可以上至航空航天，下至工業、漁業、農業生產和日常生活，可謂無所不在，可以說是“僅受人類想象力的制約”。而當區域系統和全球系統建成以后，北斗的威力會成倍增加，將具備和GPS完全一樣的功能，產生巨大的經濟和社會效益。
據悉，海南省自2010年11月開始，投資7915萬元在全省6000多艘大中型漁船上安裝了北斗導航系統，對大中型漁船實施有效監控管理。系統運行一年以來，通過北斗監控平臺先后發送熱帶氣旋等危險氣象信息1.25萬余次，為漁民挽回經濟損失上億元。
位置云時代的發展機遇
我國導航領域的另一個重要發展方向是與移動通信結合的基于位置的服務和集成應用。如今，全球的衛星導航系統已經進入了百姓生活，基于衛星導航的位置服務是具有社會特性的新興產業和創意型產業，機遇極多，且產值非常高，產業前景巨大。位置服務市場包含了國家地理信息基礎設施投入、電子地圖、移動物聯網、云計算、空間地理數據庫等各領域實現跨平臺、跨網絡、跨行業的全新市場。在可以預見的將來，位置云會像水和電一樣普通，每個行業、企業乃至個人都會頭頂“云朵”，從云中摘取想要的信息，位置云也會覆蓋全社會的各個角落，從專業應用到行業應用，再到特殊應用，導航與位置服務將徹底改善我們的生活。
（摘自《人民日報海外版》，有刪改）
【閱讀訓練】
1.文章開頭一段主要告訴了我們什么信息？
2.請根據語段內容在文章中的括號內填上適當的小標題。
3. 根據文章內容說說北斗導航的開放服務和授權服務的不同之處。
4. 作者介紹海南省在大中型漁船上安裝北斗導航系統的目的是什么？
5. 對全文來說，文章的結尾一段在表達上有什么作用？
【參考答案】
94沒有屋頂的木房子郭倩供稿
《你所不知的“3D打印”》 1.激發讀者的閱讀興趣，引出本文所要介紹的對象。2.作者先運用作比較的方法，說明3D打印機與普通打印機的相同與不同之處，讓讀者對“3D打印”有大體的了解；接著運用作詮釋的方法，對3D立體打印技術作簡要的詮釋。 3.引用專家的介紹，說明用3D打印技術可以加工用傳統方法難以制造的零件。 4.實現了首件的凈型成形，這樣后期的輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數據泄密和時間跨度；由于制造準備和數據轉換的時間大幅減少，使得單件試制、小批量出產的周期和成本降低。 5.開放題，言之有理即可。示例：3D打印技術目前還在試制階段，目前的應用領域還不夠廣，我們國家要加強這方面的研究和推廣，以促進我國制造業水平的發展、提升。
【關鍵詞】數字水??；提升小波變換；人類視覺系統（HVS）；奇異值分解（SVD）
1.引言
隨著信息媒體的數字化，特別是計算機網絡的迅速發展和廣泛應用，為信息的存取和傳遞提供了極大的便利，同時也提高了信息表達的效率和準確性。但是隨之而來的數字作品的版權問題和信息安全問題越來越引起人們的關注。數字水?。╠igital watermarking）技術[1]作為新興的信息安全技術，為解決數字作品的侵權問題提供了一個有效的解決途徑。近年來，數字水印技術研究取得了很大進展，并陸續提出了一系列優秀的水印嵌入算法。進而關于彩色圖像的水印嵌入算法、多功能水印嵌入算法等也相繼出現，以及數字水印與其它技術相結合的研究也取得了一些重要成果。這使得數字水印技術的應用越來越廣泛而受到人們的關注。
2.數字水印技術
2.1 數字水印概念
數字水印技術[2]是利用數字作品中普遍存在的冗余數據與隨機性，將數字、序列號、文字、圖像標志等版權信息嵌入到被保護的數字作品本身中，通過檢測和提取水印，可以標識和驗證出數字化圖像、視頻和音頻作品的作者、擁有者、發行者或授權消費者的信息，還可以追溯數字作品的非法傳播，從而起到版權保護、秘密通信、數據文件的真偽鑒別和產品標識等作用。
水印技術中，隱蔽性和魯棒性是最基本的要求，影響隱蔽性和魯棒性的因素主要是水印的結構和嵌入方法。水印容量與魯棒性構成了一對基本矛盾，即嵌入的水印信息越多，算法的魯棒性越差。
2.2 應用
數字水印主要在以下幾個領域[3]：
（1）版權保護
（2）篡改提示
（3）票據、證件防偽
（4）隱蔽通信
2.3 數字水印典型算法
數字水印算法大致可以分為兩類：空域算法和變換域算法。空域算法直接修改圖像像素值的數值，將數字水印直接加載在載體上。常見的有LSB（least significant bits）算法、拼湊算法（Patchwork）和紋理映射算法、文檔的結構微調算法。空域算法實現簡單，而且可以根據信號的局部特征進行自適應，但魯棒性差，難以抵抗各種攻擊。
變換域算法也即頻域算法，由于頻域中能量分布集中，有利于保證水印算法的隱蔽性，逐漸成為研究重點。常見的變換域算法有離散傅里葉變換算法（DFT）、離散余弦變換算法（DCT）、離散小波變換算法（DWT）及提升小波變換算法（LWT）。本文重點介紹離散小波及提升小波變換算法在數字水印中的應用。
3.提升小波變換
3.1 提升小波變換基本原理
1995年Sweldens提出一種不依賴于傅里葉變換的新的小波構造方法—提升格式（Lifting Scheme）[4]，稱之為第二代小波變換。基于提升方法的小波變換既保持了傳統小波的優點，又克服了它的局限性，正好可以將它的這些特點應用到數字水印技術中。提升小波變換很容易實現整數小波變換，可以使小波變換用于信號的無損壓縮。一個完整的提升小波方案包含了三個步驟，即分裂（Split）、預測（Predict）和更新（Update）。
3.2 提升小波變換的分解
（1）分裂：將原始數據列分解為兩個互不相交的子集，通常為偶數列和奇數列，表達式如下：
（2）預測：利用數據間的相關性，用偶序列預測奇數序列，預測過程表達式為：
（3）更新：通過算子產生一個數據子集來代替，表達式為：
通過上述三個過程，可將原始信號分解為下一級分辨率的低頻信號和高頻信號。至此，完成了一次提升，相當于小波的一層分解。對于低頻信號可繼續進行同樣的分解。
一個完整的提升小波分解如圖1所示。
與傳統的第一代小波變換相比，LWT具有以下優點[11]：a）繼承了第一代小波的多分辨率特征；b）不依賴于傅里葉變換；c）效率高，利用復合幅值，減少了浮點運算量，實現結構將更簡單，運算速度快；d）小波變換后的系數是整數，可方便實現整數到整數的小波變換；e）圖像的恢復質量與變換時邊界采取何種延拓方式無關；f）計算時無須額外的存儲開銷，實現了本位操作，節省了內存。
4.現有算法分析
Kundun等人[5]提出一種按照小波分解層次自適應的數字水印算法，水印信號是一個二值圖像，但原圖是水印圖像大小的2m次方倍。原圖經過L層小波變換，水印圖像也經過一層的小波變換。Kundun等人在嵌入水印時還考慮了（HVS），加入了與局部HVS特征相關的水印強度系數，提高了算法的性能。但是此水印檢測時仍需要原圖，為非盲水印。文獻[6]也是基于DWT的數字水印，且考慮了HVS特征。它用一個全局閾值來選取需要嵌入水印的系數，且實現了盲水印。
單純的基于小波變換在內的各種時頻分析的水印算法，如果不輔以其他改進措施，很難抵抗剪切、旋轉、放縮等幾何攻擊。2004年，圖像的奇異值分解[7]對于幾何失真（轉置、鏡像、旋轉、放大、平移）具有不變性的理論一經證明，奇異值分解便很快被應用于數字水印技術中，并取得了一些重要的科研成果。
Liu等[8]提出了一種基于奇異值的水印算法，具有較好的魯棒性。
文獻[9]提出了一種改進型的基于分塊奇異值分解（Block—SVD）的數字水印算法，該方法采取了分塊的思想，將原始圖像矩陣分成8×8的小塊，因此無需計算整個圖像矩陣的SVD，從而縮短了水印嵌入和提取的時間，尤其對大圖像效果明顯。同時文獻[9]引入了檢測器失真補償技術來提高取出的水印的視覺質量。
奇異值矩陣可以作為嵌入水印的宿主信號，而正交矩陣中同樣也可以嵌入水印信息[10]。
王麗佳[11]設計了一種改進的基于提升小波的彩色水印算法，在彩色的Cb分量上嵌入二值水印信息，采用自適應閾值調整的方法在中低頻子帶分塊嵌入水印，提取時采用集合校正提高算法的魯棒性，并且不需要原始圖像，實現了盲提取。仿真實驗證明該算法不僅有較好的隱蔽性，而且對噪聲攻擊、JPEG壓縮、旋轉、剪切攻擊等具有很強的魯棒性，但是難以抵抗低通濾波操作的破壞。
上述算法都只實現了一種水印嵌入，具有單一的功能，安全性、保密性都不能滿足實際需求。多頻道或多功能水印嵌入算法在早期的國外研究中就已經出現[12]。Rashmi Agarwal等[13]提出基于奇異值的多頻道數字水印算法。首先分離彩色圖像的R，G，B三個顏色通道，然后分別作奇異值分解，提取正交矩陣。第二步將三幅不同的水印圖像分別作奇異值分解，同樣提取正交矩陣，最后將三個不同的正交矩陣按順序分別嵌入到宿主圖像的三個顏色通道的正交矩陣中。該算法的新穎之處在于不僅在一幅圖像中嵌入了不同的水印圖像，實現最大數量水印信息的嵌入，還同樣適用于一種水印的嵌入，而且仿真實驗證明該算法的魯棒性較好，同樣又兼顧了水印的不可見性。但在水印檢測時需要原圖像，為非盲水印。
國內關于多種水印的嵌入算法研究也取得了一些重要成果。[14]首先對每個顏色通道進行三級離散小波變換（DWT），然后修改不同分辨率層間小波系數，并利用它們之間的相關性來嵌入版權保護和操作跟蹤數字水印。該算法對有損壓縮攻擊具有很好的穩健性，而且在數字水印的提取過程中不需要原始圖像。該算法不僅嵌入多種水印，且實現了多種功能，仿真實驗表明該算法具有較強的魯棒性，并對區域認證和完整性驗證更為有效。
王向陽[15]等提出了一種半脆弱水印算法，該算法同時具備版權保護及內容認證功能。首先將原始彩色圖像轉換到YCbCr彩色空間，然后對亮度Y進行小波分解，用混沌序列對分解后的小波近似系數調制生成基于圖像內容的數字水印信號，最后對亮度及色度均進行小波分解，結合HVS及局部系數相關特性，通過分塊量化將水印信號嵌入到載體圖像的小波域中，從而實現了版權保護和內容認證。在選取量化步長時，引入反映人眼視覺系統的感知計算模型，依據小波域相鄰子帶的相關性，利用相同分解級的兩個相鄰子帶內相同位置的視覺感知特性值來預測小波系數上嵌入的量化步長值。但是，該算法只實現了一種嵌入算法，安全性不夠高，同時又主要是用于內容認證，版權保護功能不能充分發揮。
陳光喜等[16]結合提升小波設計出一種新的多功能水印算法。首先將圖像進行一級LWT，選取低頻子帶嵌入版權水印，選取中頻子帶嵌入認證水印。具體步驟為：首先對低頻子帶系數進行自適應量化取整，選取量化取整后的較高比特位（如第4到第6六位中的一位）異或運算，結果和待嵌入的水印對應位再進行異或運算，得到密鑰，通過可以驗證并恢復出水印。這樣不直接將版權水印嵌入圖像，并未改變原圖像內容，從而提高了圖像的質量。在嵌入內容認證水印時，則采用系數抖動調制的方法。首先將中頻子帶分塊，在每個子塊中任意選取一個系數，用量化步長量化，再根據量化結果將系數重新調整到區間中心，在每個子塊嵌入1比特的水印信息。這樣水印比特不僅具備了一定的抗干擾能力，且能夠被正確檢測出來。這里量化步長的選取仍采用了文獻[15]的方法。該算法實現了多功能水印的不同算法嵌入，實驗表明能夠很好地實現數字圖像版權保護、篡改檢測和定位，提取出的雙水印的峰值信噪比（PSNR）高于文獻[15]的，同時兼顧了隱蔽性和魯棒性之間的平衡。但是因為系數的選取是隨機的，如果選取了一些不重要的、較大的或者很小的系數，水印信息很容易遭到濾波、幾何攻擊的操作破壞。
通常，嵌入的水印信息越多，圖像的質量就越受到影響。因此，多功能（多種）水印的嵌入算法仍然需要完善和改進，特別是如何減小對原始圖像質量的影響以及提高水印的魯棒性。
另外，一些作者還將數字水印技術與其他技術領域相結合，也取得了一些重要成果，主要有以下幾方面：
（1）與生物識別技術的結合。生物特征具有唯一性、與生俱來、易于識別等特點，安全性高。因此，將生物特征作為水印，可以作為身份、版權的唯一標識，達到更好的版權保護。郭小晉[18]設計一種基于指紋的數字水印方案。首先將原始圖像和加密后的水印圖像分別分成8×8的小塊，然后對每一個小塊分別進行離散余弦變換（DCT），對個子塊的DCT系數按Zigzag排序，取出水印圖像排序后的前20個系數作為水印嵌入原始圖像中。在嵌入水印時，根據人眼視覺系統（HVS）的特性選取嵌入水印的DCT系數位置，再根據嵌入公式嵌入水印信息。這里分別進行了不同嵌入強度的仿真實驗，最后確定嵌入強度為0.8。該方案因采用分塊的方法，嵌入的水印信息量較大；水印是能夠表明身份的指紋圖像，安全性高；有很強的抗剪切、抗JPEG壓縮能力。
（2）數字水印處理技術與壓縮編碼算法的結合。喬社娟，張菊香等[18]提出基于PDF417和提升小波的數字圖像水印算法。首先對原始圖像進行三級提升小波變換，選取低頻子帶嵌入水印信息。水印預處理過程則是先用PDF417對其編碼，結合密鑰采用混沌序列進行置亂加密，得到加密后的二值水印信息嵌入到原始圖像低頻子帶中。該算法利用PDF417編碼特性，采用Reed—Solomon校驗碼，具有強檢錯、糾錯功能，提高了水印的質量，實現對水印信息的雙重安全保護。但是水印是嵌在低頻子帶中，抗幾何攻擊的能力不高，且很可能在經過低通濾波時水印信息就被濾掉。
除了PDF417編碼技術，Vongpradhip，S.等提出基于QR編碼的水印算法。首先對原始圖像進行QR編碼，再進行離散余弦變換將其分解成不同的頻帶，選取中頻子帶嵌入水印信息。仿真實驗證明該算法具有較強的抗JPEG壓縮和抗噪聲攻擊的能力。
基于壓縮編碼技術的數字水印在抗擊壓縮方面有著突出的優勢，但是難以抵抗濾波操作（低通和高通），而水印信息通常是在濾波的時候被去掉的。因此，僅僅靠壓縮編碼技術提高水印的魯棒性是不夠的，可以根據實際情況輔以其他措施，來提高水印的安全性和穩健性。
5.結束語
數字水印技術是近年來信息隱藏技術中興起的一個前沿研究領域，與信息安全、數據加密等有著密切的關系，應用也非常廣泛，特別是針對現代網絡技術的迅速發展，更具現實意義。而提升小波變換因其獨特的優點也會越來越被廣泛應用于數字水印技術中。今后數字水印技術仍將著重于多功能（多種）數字水印、水印信息加密技術、穩健性、穩健性與隱蔽性之間的平衡以等方向，如何將這些技術運用到音頻水印、視頻水印中也值得去探討。因此，數字水印技術仍是一項具有挑戰的研究課題。
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