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    汽车动力变革中的内燃机发展趋势

    发表于:2019-08-26
    阅读:967
    评论:0

     

     

     

    来源本文摘自《汽车安全与节能学报》2019年第10卷第2期

    作者:同济大学智能汽车研究所的韩志玉教授、吴振阔博士、高晓杰博士。

    编辑啜小雪

    编者按:未来 30 年汽车动力将如何变革?此变革中内燃机又将何去何从?本文在总结了过去 30 年汽油机技术的进步和近 20 年汽车动力的变革后,或许能为我们部分廓清上述问题。文章结论性观点如下:

    • 过去 30 年,轻型汽车汽油机技术取得长足进步——汽油机产品在动力性、燃油经济性和排放控制方面获得全方位提高。其中,动力性提高 67% 以上,热效率提高8个百分点,提高幅度为 20% 以上。中国轻型汽车排放标准从国1到国 6,有害排放物降低 80% 以上。

    • 未来 30 年内燃机仍将起到关键作用,至少 60% 以上轻型汽车需要一个内燃机。

    • 内燃机在轻型汽车动力中的地位将逐渐发生变化。一方面,从内燃机单独驱动逐渐演变为内燃机和电机共同驱动,其作用变化类似于从「独唱」变为「二重唱」。另一方面,内燃机在整车性能上所起到的关键作用将下降,从一个「核心」部件变成「关键」部件,成为一个通用产品,商业模式可能发生变化。

    • 结合混合动力系统应用可充分利用发动机的高效率区域。混动系统,特别是增程混合动力系统,要求内燃机运行范围变窄,有必要开发混合动力专用发动机,进一步提高其热效率、简化机构、降低成本。

    • 未来汽油机热效率(特别是实际运行时的热效率)将大幅度提高,通过多种技术手段的应用,商业化产品有望实现 45% 的热效率。

    • 汽车燃用天然气可大幅度降低 CO2 排放。车用动力将根据地域形成「油、电、气」的多元格局。

    摘要:总结了过去 30 年轻型车用汽油机技术与产品的进步以及近 20 年汽车动力多元化(包括混合动力、纯电动、燃料电池等)的变革趋势,展望了内燃机在此变革中的发展趋势。在过去 30 年,汽油机技术取得了长足的进步;汽油机产品在动力性、燃油经济性、排放控制方面获得了全方位的大幅度提高。对动力技术多元化的分析指出内燃机在汽车动力中仍将起到关键作用,未来 30 年里至少 60% 以上的轻型汽车仍然需要使用内燃机。但是,内燃机的地位将逐步发生变化。汽车动力将从内燃机单独驱动的「独唱」逐渐演变为内燃机和电机共同驱动的「二重唱」。轻型车用汽油发动机未来发展的重点包括开发混合动力专用发动机、提高发动机热效率和应用低碳燃料(如天然气)等。最后,探讨了提高汽油机热效率至 45% 的技术手段。

    前言

    汽油机是轻型汽车(包括乘用车和轻型商用车)的主要动力。在过去的 30 年里,世界发达国家和中国的汽车发动机技术和产品都取得了长足的进步。笔者结合亲身经历,讨论近 30 年国内外车用汽油机技术和产品的进步,总结近 20 年汽车动力多元化的发展趋势,并展望未来在轻型汽车动力变革中的内燃机发展。由于柴油机制造成本高,且需要复杂的后处理系统来满足日益严格的排放标准,因此柴油机在中国轻型车上应用较少,欧洲国家的应用也会逐步减少,所以本文集中在汽油机方面的讨论。 

    1.近30年车用汽油机技术和产品的进步

    为了理清汽油机技术发展的基本线路,有必要对发动机的工作过程做一个简要概述。图1给出了发动机基本工作过程的示意图。

    图 1 发动机工作过程示意图

     

    进气系统及燃油供给系统将空气和燃料分别引入到发动机内并形成空气–燃料混合气,混合气在发动机燃烧室内被点燃并发生燃烧,带动曲轴旋转对外输出动力。随着燃烧产生的产物有 H2O、CO2 以及空气中没有参与反应的 N2,同时也伴有少量 CO、HC、NOx 和颗粒物等有害排放物。因此,对发动机工作过程的改善一般应遵循如下原则:


    • 最大程度地提高动力输出以及其与燃料输入的比值,即提高动力性及燃油经济性

    • 依法合规降低有害排放物

    • 降低 CO2 排放(碳排放)


    从图 1 可以看出,理论上要改善发动机就要改善燃料的供给、空气进气、燃烧、有害排放物的生成及其后处理。在过去的 30 年里,发动机技术正是在上述这几个方面取得了很大进步,从而带来了发动机性能的显著提高,即上述第 1 和 2 项取得了进步。需要指出的是,目前对于 CO2 的降低,即上述第 3 项,主要是通过降低油耗来实现,基本没有出台专门降低 CO2 排放的措施和法规。本文在后面的讨论中将按燃料供给、空气进气、燃烧和有害排放物控制的线条展开讨论。

    为深刻理解发动机技术发展背后的原理支撑,先对发动机原理进行简要分析。以发动机平均有效压力和热效率为主线对影响发动机动力性及经济性的主要因素进行分析。发动机的缸内平均有效压力与其输出扭矩成正比,提高平均有效压力将提高发动机的扭矩输出。平均有效压力为 [1,2]

    其中:ηV 为充气效率,ηC 为燃烧效率,ηi 为指示热效率,ηm 为机械效率,αAF 为空燃比,Pa、Ta、R 分别为参考状态下的气体压力、温度及气体常数,QLHV 为燃料低热值。

    为提高发动机的扭矩输出,要考虑式(1)中各影响因素。采用较大的空燃比(大于当量空燃比),即稀薄燃烧,有利于提高指示热效率(即降低燃料耗率),但将直接影响发动机的输出扭矩。考虑到这个因素和排放控制,汽油机基本工作在当量空燃比附近,其变化范围较小。因此提高汽油机的动力输出,可从提高充气效率、燃烧效率、指示热效率、机械效率入手。其中,提高充气效率的效果尤为显著。

    提高汽油机的热效率可以从理论热效率入手。汽油机理想循环为奥拓循环(Otto cycle),其热效率为 [1,2]:

    其中:ηi 为指示热效率,ε 为压缩比,n 为过程指数。增大压缩比或过程指数均可以提高热效率。汽油机压缩比提高到一定程度将受到爆震燃烧的限制,采用可变压缩比技术是提高发动机热效率同时避免爆震的最佳技术方案之一。


    1.1汽油机技术的进步

    由于汽油机功率密度较高、振动噪声小、成本较低且污染物控制比柴油机容易,因此广泛应用在轻型车上。汽油机一般采用火花塞点燃汽油与空气的预混合气,继而产生火焰传播,燃烧做功。汽油机混合气的制备对汽油机的性能影响很大,因此汽油机技术的发展离不开与混合气制备密切相关的进气和燃油喷射技术的发展。

    1.1.1  进气技术的发展
    从式(1)可知,为提高发动机动力性,可以通过提高发动机的充气效率来实现。提高汽油机充气效率的进气技术包括:采用 4 气门、可变进气管长度、可变进气正时(variable valve timing,VVT)、可变进气升程(variable valve lift,VVL)以及废气涡轮增压等技术,其中涡轮增压技术是当前提升汽油机动力性的主要手段。

    涡轮增压技术可以利用废气能量驱动涡轮带动压气机工作,提升进气压力,提高发动机的充气量,继而大幅提升汽油机的动力性 [3-4]。由于动力性的提升,汽车可在保持与原有自然吸气发动机相同动力性的情况下,采用较小排量的涡轮增压发动机,利于发动机小型化和轻量化。小型化可以有效降低燃油消耗量及有害物的排放量,做到节能、减排。因此,增压小型化也成为现今车用汽油机的主流趋势。但是,采用涡轮增压技术也存在一些问题 [5]。由于进气压力和温度的增加,会导致压缩终了的缸内温度升高和压力增加,以及发动机热负荷增加,使发动机爆震倾向增大。一般可通过进气中冷、提高燃油辛烷值、降低压缩比、推迟点火角、加浓混合气、废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)等技术手段来抑制爆震。

    1.1.2   燃油喷射技术的发展

    早期汽油机通过化油器实现汽油供给, 到 20 世纪 80 年代初期随着电子控制技术的兴起,开始普遍采用汽油气道喷射技术(port fuel injection, PFI),从单点喷射到各缸多点喷射技术。到 20 世纪 90 年代中期,缸内直接喷射技术(gasoline direct injection,GDI)得到了商业化应用。尽管几十年前人们几次尝试推出汽油直喷技术的产品(例如福特汽车公司的 PROCO),直到 1996 年日本三菱汽车公司率先在市场上推出直喷分层燃烧的汽油机汽车产品,才开启了现代汽油直喷喷射技术的时代,经过 10 多年的发展,废气涡轮增压当量均质混合气直喷汽油机技术在国内外基本普及。

    为满足日益严格的排放标准,人们一直在改善燃油雾化和喷射控制,缸内直喷技术经历了从伞喷到多孔喷油器,喷射压力从 10 MPa 到 35 MPa,每循环单次喷射到多次喷射,喷雾油粒平均尺寸从 25 μm 到 10 μm 的进步。随着燃油喷射控制技术的进步,喷油离燃烧室越来越近,使得喷油量、喷射时间和喷射策略的控制也越来越精确,有利于对空燃比精确控制,进而实现对燃烧的精确控制。而且,有利于对各缸空燃比的一致性控制,降低了各缸不均匀性。

    1.1.3   整机技术的发展
    随着进气和燃油喷射技术的发展,汽油机整机技术也相应地得到提高。以燃油喷射技术为特征的整机技术经历了从自然吸气 PFI 汽油机、废气涡轮增压 PFI 汽油机到自然吸气 GDI 汽油机,再到目前主流的废气涡轮增压 GDI 汽油机。以上市产品为例,表 1 总结对比了国内外整机技术的发展历程。1967 年德国大众汽车公司已有 PFI 汽油机上市;宝马汽车在 1973 年推出了 2.0 L 增压 PFI 汽油机。1996 年日本三菱公司首先推出了现代 GDI 汽油机,应用在 Galant 车型。该款发动机排量为 1.8 L,采用分层稀薄燃烧技术。2000 年德国大众汽车公司推出了增压直喷汽油机,应用在 Lupo 车型。该款发动机排量为 1.4 L,采用当量燃烧技术。
    表 1  国内外整机技术发展历程

    反观中国自主品牌市场,在 2000 年左右,汽车公司,包括长安、奇瑞、昌河、华晨金杯和夏利等,应用 PFI 发动机的汽车陆续批量上市。在 2009 年,奇瑞汽车推出瑞虎 5 车型,应用 2.0 L 增压 PFI 汽油机;在 2010 年奇瑞汽车又推出瑞麒车型,搭载 2.0 L 直喷增压汽油机。从表 1 可以看到中国汽油机整机技术与发达国家相比比较滞后,这与中国汽车工业发展相对滞后直接相关。在增压直喷汽油机技术应用的时间上,中国比国外滞后 10 年左右,但目前已经与国外技术总体上基本拉平。
    在整机技术发展的过程中,除提高指示热效率的各种技术手段(常用的包括 VVT、VVL、EGR、Atkinson/Miller 循环,等)以外,废气涡轮增压、发动机结构设计、轻量化材料、低摩擦材料、高效率可变附件等技术也是层出不穷,方兴未艾。在这里就不再赘述。
    1.1.4   研发手段的发展
    发动机技术的进步来源于研发结果。在过去 30 年里发动机的研究手段也取得了突破性进展,主要的进步集中体现在发动机缸内现象的可视化。各种试验及仿真技术的发展使得发动机缸内现象从原来的看不见、摸不着逐渐发展到可见、可测。通过采用光学发动机结合激光诊断技术以及计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真技术,使得缸内过程可视化和可预测化成为现实。缸内过程的可视化和 CFD 的应用为深入探究直喷汽油机缸内混合气形成、燃烧及排放生成等物理化学现象的本质及燃烧系统的设计优化提供了可能性及有效性 [6],如 Han 等 [7] 结合光学发动机试验,通过 CFD 仿真预测了活塞湿壁现象,并发现了活塞表面上残存液态燃油量与发动机碳烟量的定性关系。从图 2 可以看到,CFD 预测出的活塞表面上液态燃油的位置与光学发动机活塞积碳位置是一致的。

               

           (a)  CFD 预测结果                                                       (b)  光学发动机结果 
    图2 CFD 预测的活塞表面上的液态燃油与光学发动机上活塞积碳对比 [7]
    基于对发动机缸内多种物理现象可视化研究的需求,研究者们开发了各式各样的激光诊断方法。图 3 给出了直喷汽油机在一个工作循环中涉及的喷雾、蒸发、气流运动、燃烧及排放物生成等过程以及对应的诊断方法 [8-9]。对喷雾形态的测量主要采用喷雾成像的方法,利用光源将喷雾照亮,并通过摄像系统来采集图像,最后对喷雾贯穿距、锥角进行分析。依据使用光源的不同,可分为白光灯摄影、背光摄影及片激光米氏散射摄影等。对喷雾粒径的测量主要采用相位多普勒法(phase‎ doppl‎er parti‎cle analy‎zer,PDPA)和片激光粒径诊断法(laser sheet dropsizing,LSD)。对喷雾的蒸汽相浓度进行测量常用的手段有激光诱导荧光法、双相激光诱导荧光法、红外吸收散射法等。对缸内流场测量的方法有激光多普勒测速(laser doppler velocimetry,LDV)、粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)和分子示踪技术(molecular tagging velocimetry,MTV)等。对缸内燃烧过程的测量可采用直接摄影来观察燃烧形态,或对燃烧过程中的 OH 自由基等组分进行测量来获取燃烧发生区域。最后,还可以通过双色法或者激光诱导炽热发光法(laser induced incandescence,LII)对缸内碳烟生成进行测量 [9]。

    图 3 激光诊断技术在直喷汽油机中应用 [9]
    发动机的 CFD 仿真技术在过去 30 年里从动态网格处理、物理模型构建、计算方法、计算速度和精度、后处理技术、软件界面等各方面都取得了很大的发展。早期的网格划分工作占用整个发动机 CFD 仿真的大半时间,并且难以较精确地处理气阀运动等复杂动网格。目前已发展出网格自动生成技术及自适应加密技术 [10],CFD 前处理时间大大缩减,因而可缩短工程优化的迭代时间。同时从原来使用非常粗的网格(2-3 mm)到现如今的精细网格(0.1mm),提高了计算精度。对发动机物理过程的仿真也从简单的气流计算发展到现今的从气流运动、喷雾、混合、燃烧及排放物生成等多物理过程的仿真,且在模型构建及预测精度等方面取得了较大的进步。对缸内湍流流动模拟,研究者不仅对原有雷诺时均(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)模型进行了较大改善,引入基于快速畸变理论的 RNG k-e 模型[11],而且也发展了精度较高的基于空间平均的大涡模拟(large eddy simulation, LES)[12]。近些年来,得益于计算机计算能力的大幅提升, 将 LES 应用到发动机 CFD 模拟的案例越来越多。有了 LES 的帮助,使得对缸内现象的预测更为准确,更接近真实。同时,也可对发动机循环波动 [13] 及一些偶发现象(如爆震 [14])有较好的预测。关于燃油喷雾模型的进展,不但是在喷雾破碎、蒸发、碰壁等子模型的构建上取得了较大进展,而且在建模方法也有了一些新思路和方法,获得了更好的预测结果 [15]。

    燃烧模拟方面,从原本预测性较弱的零维、准维燃烧模型逐步发展到现在预测性较强的多维燃烧模型,如特征时间模型(characteristic time combustion,CTC)、涡团耗散模型(eddy dissipation concept,EDC)、G 方程模型、直接耦合化学反应动力学模型、概率密度(probability density function,PDF)模型等,可以实现对传统汽油机、柴油机以及新型燃烧模式发动机燃烧过程的较为准确的模拟 [12,16]。近年来在燃烧化学反应耦合方面已从使用单步反应或少量骨架反应发展到采用较详细的化学反应机理,甚至全机理计算 [16-17]。通过耦合详细化学反应机理,可以对燃烧及污染物生成如 HC、CO、NOx 等有较好的预测,但是目前对颗粒物的预测精度有限 [16,18]。

    1.2汽油机产品性能的进

    1.2.1 动力性
    为展示发动机在动力性上的进步,本文选取并对比了历年美国沃德十佳发动机 [19](自 1995 年开始)及中国心十佳发动机 [20](自 2006 年开始)获奖名单中 4 缸汽油机产品的升功率(WL)及升扭矩(TL)指标,如图 4 所示。可以看出:采用增压技术可显著提高发动机动力性,且随着时间发展,增压发动机的动力性指标也取得了很大提升。国外发动机采用的增压技术包括涡轮增压、机械增压以及涡轮与机械双增压。以采用涡轮与机械双增压发动机的沃尔沃 S60 Polestar 汽车为例,其升功率和升扭矩已分别达到 135 kW/L 和 235 Nm/L。从总体上讲,在过去 20 年里,国外增压汽油机的平均升功率从 60 kW/L 提高到 100 kW/L 以上,提高了 67% 以上,同时升扭矩从 120 Nm/L 提高到 200 Nm/L,进步十分显著。对于涡轮增压发动机来说,中国自主品牌发动机的动力性大概与国外发动机 10 年前的水平相当,但是在过去十几年里也取得了明显进步,平均升功率从 60 kW/L 提高到了 88 kW/L 左右,提高了约 47%。对于自然吸气发动机的动力性,多年来并未有显著提高,国内外发动机的动力性基本相当,升功率保持在 50-55 kW/L。还需注意的是,由于车用动力的多元化发展,国外逐渐出现混动专用发动机,且以自然吸气为主。 

    (a)国外发动机升功率

     (b)国内发动机升功率

    (c)国外发动机升扭矩

    (d)国内发动机升扭矩
    图 4 汽油机动力性的演变

     

    1.2.2  发动机热效率及燃油经济性
    在过去 30 年里,汽油机热效率也有较为显著的提高。图 5 给出了日本丰田汽车的汽油机热效率变化历史 [21],该图也基本反映了国外汽车工业界的发展轨迹。从图 5 可以看出,过去 30 年里汽油机热效率从 33% 提高到了 39%,目前有报道丰田公司量产的汽油机最高热效率为 41%[22-23],热效率提高了 8 个百分点,相对值提高幅度为24.2%。

     图 5 丰田汽车汽油机热效率变化历史 [21]

     

    自 2005 年开始,中国先后实施/制定了 4 个阶段的乘用车燃油消耗量限值法规,用于推动汽车节能技术的革新。图 6 给出了中国轻型车在 4 个阶段不同整车整备质量对应的燃油消耗量限值。通过燃油法规的实施,促使乘用车企业对其所销售车辆的平均油耗不断降低。到 2020 年,乘用车企业平均燃油消耗量4阶段目标值需降低至 5 L/(100 km) [24-25]。

    图 6 中国轻型车燃油消耗量限值
    为便于评价中国轻型车汽油机燃油经济性的进步,图 7 对比了中国国家工信部公布的 2012-2017年国产乘用车当年新车公告的平均燃油消耗量水平。从总体趋势可以看到,中国新车的平均燃油消耗量逐年下降,2017 年已降至 6 L/(100km),比 2012 年降低 18.9%,由法规驱动的技术进步十分明显。

    图 7 国产乘用车平均燃油消耗量

     

    1.2.3  有害排放物
    为展示轻型车用汽油机在排放控制方面的进步,本文对比了中国各阶段排放法规 [26-27]。其基本想法是在用及在售车辆的排放水平均满足对应阶段的排放法规时,对比各阶段排放法规即可从总体上看出中国轻型车在排放控制方面的进步。图 8 给出了中国各阶段轻型车排放法规中规定的污染物限值,其中以可通过还原反应处理的污染物 NOx 作为横轴(e[NOx]),以可通过氧化反应处理的 HC 和 CO 排放物之和作为纵轴(e[THC+CO])。由于国 1 和国 2 阶段法规中对排放物各项规定稍有差异,选取 NOx 和 HC 排放物之和为横轴,NOx、HC 和 CO 排放物之和为其纵轴,并在图中标注其相应数值。从数值点与横纵轴包络面积的变化即可看出各阶段排放的降低水平。从图中可以看到,自 2000 年国 1 法规开始实施到 2020 年即将实施的国 6,有害排放物限值有大幅度的降低,降低幅度在 80% 以上,这表明中国轻型汽油车在排放控制方面的巨大进步。

    图 8 中国轻型车排放法规限值

     

    1.2.4   CO2排放
    由于 CO2 气体的温室效应会造成全球气候变暖,欧盟、美国、日本等国均制定了 CO2 限值来限制汽车 CO2 排放。中国也根据油耗法规折算出 CO2 限值。表 2 给出了不同阶段各国 CO2 排放限值。从表 2 看出,类似于其他汽车强国,中国制定的 CO2 限值也越来越严格,且给予实现目标的时间越来越短。但是目前中国对于 CO2排放的降低主要是通过降低燃油消耗量来实现,而专门针对降低 CO2 的技术并没有得到足够的重视。例如发动机燃用低碳燃料可显著降低 CO2 排放,但是对于低碳燃料在发动机中的应用还未引起广泛关注。

    表 2  各国 CO2 排放限值

    近20年汽车动力多元化的变革发展

    2.1汽车动力多元化发展现状


    自 20 世纪末汽车动力开始呈现出多元化发展的趋势。汽车从单一内燃机的燃油车(internal combustion engine vehicle,ICEV)逐渐向油电混合动力汽车 (hybrid electric vehicle,HEV)、电动汽车「指纯电动汽车(battery electric vehicle,BEV)和插电式混合动力汽车(plug in hybrid electric vehicle)」和燃料电池汽车(fuel cell vehicles , FCV)等方向发展。这些多元化动力是汽车动力向电动化发展的不同形式,几乎都需要电机及电池。以商业化产品为例,丰田公司于 1997 年推出油电混合动力车型 Prius,上市后广受好评;目前丰田在全球销售的混合动力汽车已经超过 1000 万辆;2009 年丰田发布第 3 代 Prius,据工信部公告,油耗为 4.3 L/(100km)。纯电动汽车以特斯拉为例,2008 年特斯拉推出纯电动车型 Roadster,2017 年特斯拉交付了 10.3 万辆纯电动汽车。另外,2016 年丰田汽车推出了全球首款批量商业化的氢燃料电池乘用车 Mirai,该车加注一次氢气可以续航 650 km,达到了和汽油车相同的续航里程和燃料加注效率。与此同时,汽车公司也一直致力于研发并生产更加节能的燃油汽车。马自达汽车坚持改进汽油机热效率,采用 13:1 的高压缩比等措施改善燃烧,在传统动力整车燃油经济性上取得了领先的优势。据工信部数据,2015 年马自达 Atenza 的整车油耗为 6.4 L/(100km),比 2016 年国家第 3 阶段油耗限值低了近 18%,大大领先于其他同类产品。上面的这些例子明确地表明了汽车动力多元化的技术发展趋势和商业实践,未来几种形式将共存发展。

    2.2 汽车动力发展预测


    如上节所述,汽车动力在 20 世纪末开始出现多元化且成功商业化。但是目前非内燃机驱动的汽车所占市场份额仍然很低,在未来仍然需要较长的发展时间。很多机构和研究者预测了未来不同汽车动力形式的发展趋势。从全球范围来讲,根据国际能源署最新报告预测 [28],2020 和 2030 年全球轻型电动汽车(含 BEV 和 PHEV)的销量分别为 390 万辆和 2100 万辆,各占当年总销量的 3% 和 13%。也就是说,到 2030 年至少还有 87% 的轻型汽车需要单一内燃机驱动。
    图 9 分别给出了未来美国市场 [29] 及中国市场 [30] 不同动力形式汽车的市场份额预测。从图 9a 可以看出,2015 年美国市场销售的纯内燃机汽车占比 92%,预计在 2030 年为 80%,而在 2050 年为 60%。考虑到混合动力仍然需要内燃机,因此在 2030 和 2050 年美国用内燃机的轻型汽车分别为 96% 和 90%。图 9b 是「中国节能与新能源汽车技术路线图」[30] 中对未来汽车动力的预测。从中可以看到,在 2030 年,中国纯内燃机汽车约占市场份额的 35%,混合动力汽车占 25%,电动汽车(含 BEV 和 PHEV)占 40%。燃料电池累计销量为 100 万辆。如果假设电动汽车中间有一半应用插电式混合动力,可以得出 2030 年中国汽车销量中仍然有 60% -80% 的份额需要内燃机。

    (a)美国市场 [29]

    (b)中国市场 [30] 
    图 9 未来美国市场及中国市场不同动力形式汽车的市场份额预测 [29-30]
    以上预测表明,在未来 30 年内燃机在汽车动力中仍然起到关键作用,全球范围内至少 60% 以上的轻型汽车仍将装有一个内燃机,内燃机生命力依旧旺盛。但随着汽车动力电动化的发展,未来内燃机的支配地位将逐步弱化。汽车由单一内燃机驱动变为由内燃机和电机(一个或者几个)驱动。换言之,汽车动力由内燃机的「独唱」变为内燃机和电机的「二重唱」。由此可以推断,内燃机在整车性能上所起到的关键作用将下降,将从一个「核心」部件变成「关键」部件,逐步成为一个通用产品,商业模式因此也可能发生深刻的变化。


    2.3汽车动力电动化的痛点


    汽车动力在向电动化发展的过程中遇到了以下主要问题:

    • 电池能量密度低。表 3 给出了不同电池与几种典型液体燃料能量密度值的对比 [31]。从表 3 中可以看出,电池的能量密度与传统液体燃料相差在 1-2 个数量级。这说明与传统燃油相比,想要依靠动力电池产生出相同的能量,所需动力电池的重量远远超出燃油质量和体积,这将造成整车质量的显著增加,使得能耗增加。但是,为了维持较长的续航里程来解决用户里程焦虑的问题,大容量的电池在当前的技术条件下是必需的。

    表 3  电池与典型液体燃料的能量密度对比

    图 10 给出了「中国节能与技术路线图」[30] 中对电动汽车电池系统能量密度及成本的预测。从图中可以看到,随着技术的进步,未来的电池比能量有望进一步提高,且同时可以保证电池成本持续降低。但是预测在 2030 年,即使电池能量密度能够获得翻倍的提升,其比能量也仅为 0.35 kWh/kg,和传统燃料的能量密度相差仍然甚远。

    图10 电池能量密度预测
    • 车主总成本高。车主总成本(total cost of ownership)包括购置成本和使用成本,其中使用成本包含能源使用费用、车辆维修保养、保险和交税等。美国 John W. Brennan 等 [32] 对比了中小型纯内燃机汽车和纯电动汽车在 20 年使用期间车主的总成本,如图 11 所示。可以看出,无论是小型还是中型汽车,纯电动汽车的车主成本均高于纯内燃机汽车,小型和中型纯电动汽车比纯内燃机汽车的车主成本分别高 44% 和 60%。其中,纯电动汽车购置成本明显高于纯内燃机汽车。对于小型汽车,纯电动的使用成本略高于纯内燃机汽车,而对于中型汽车,纯电动的使用成本显著高于纯内燃机汽车。

    图 11 内燃机汽车与电动汽车车主总成本对比 [32]
    • 充电难。首先,由于目前的充电基础设施还不完善,还需要专用充电车位,造成用户充电困难。即使已有公共充电桩,但由于数量较少,距离用户较远,充电成本高,也给用户带来不便;同时,建设充电桩也存在费用高,申请周期长,增容困难等实际问题。此外,由于目前充电及电池技术的限制,充电时间较长,用户在缺电后不能快速获得补充而造成不悦使用体验。

    综上所述,随着混合动力以及纯电动汽车的发展,内燃机的地位逐渐变化,但是在未来 30 年,内燃机在汽车中仍然起到关键作用。在当前其他动力源汽车仍存在如电池能量密度低、成本高及充电难等问题的情况下,对内燃机的研究仍然不能松懈。未来内燃机需要在汽车动力变革中进一步发展,挖掘更大潜力,尤其在如何降低油耗和应用低碳燃料(例如天然气、甲醇等)方面需要深入研究。

    3.变革中的内燃机发展

    3.1混动系统应用

    随着汽车动力的电动化发展,内燃机在未来很长一段时间需要与电机共存,形成混合动力系统作为汽车动力源。在混动系统中可以应用现有发动机资源,使用发动机的高效率工作区域,从而避开长时间在低效率区域工作,做到扬长避短。图 12 给出了内燃机在混动系统中应用的两个例子。图 12a 为传统燃油车发动机(较大排量)在混动系统中的应用示意。可以看到,发动机在传统车中的常用使用工况为中低速、低负荷区域,而在这些区域发动机的热效率较低,燃油经济性差。发动机在混动系统中使用后,通过电机的辅助将发动机工况调整至中高负荷,使用其高效率区域而降低油耗。另外一种使用方案为采用成本较低的小排量发动机,这样在相同负荷下,发动机在更高的效率区工作,如图 12b 所示。这样可以充分利用现有发动机资源,改善整车燃油经济性。上述 2 个例子展示了在混动系统中利用发动机的 2 种方案,而方案的选择将取决于不同的设计理念。但是仅利用传统发动机的资源,不足以充分发挥混动系统的优势,需要有针对性的研发混动专用发动机。

            

    (a) 大排量发动机                                                  (b)小排量发动机 
    图 12 发动机在混动系统中的应用示例 

    3.2 增程混动专用发动机的特征分析


    混合动力发动机的工况范围较传统发动机有较大的不用,其运行和设计特征应该有其特点。2016 年帅石金等对轻型车用混动发动机进行了综述分析 [33],他们指出目前混动发动机主要有两条技术路线,即,以日本车企主导的自然吸气高膨胀比汽油机,以及以德国车企主导的直喷增压汽油机。中国对混动发动机本身的研究较少,多是在传统发动机基础上进行重新标定和选配,并没有针对性的正向开发混动专用发动机,无法充分发挥混动系统的节油能力。

    由于新能源汽车补贴退坡及纯电动汽车成本高、续航短、在严寒地区性能显著下降等原因,具有增程功能的混动系统将显现出市场竞争力,可能成为未来典型的混动路线。本文在此对增程混动系统的发动机特征进行分析。增程混动系统一般指串联构型的混动系统,也称为增程器。增程器发动机不参与驱动车辆,仅用来带动发电机发电以增加纯电续驶里程。在电池电量不足情况,维持汽车巡航所需的驱动功率一般较低。以一个整备质量为 1.6 t 重的三厢汽车为例,维持 120km/h 续航行驶所需的增程器功率约为 30kW。因此,增程器可以选用较小排量的发动机。


     

    此外,本田的串并联构型混动系统(iMMD 系统)[34] 和同济大学的增程式混合动力(TJEHT)系统 [35] 都具有双电机,且其发电机和发动机可与车轮完全解耦,因此也具备增程功能,在此也称为增程混动系统。相比于传统燃油车,增程混动系统对发动机的动力性要求降低,对其运行工况(转速、负荷)有较大选择空间。


     

    增程器专用发动机最主要的特点是发动机热效率高、结构紧凑、成本低。一般通过提高压缩比并采用 Atkinson 循环来实现发动机高效率工作。为进一步提高热效率,还会采用冷却 EGR、低摩擦技术等手段。为简化结构并降低成本,可考虑采用每缸 2 个气门的气缸盖设计和气道喷射技术。为了满足结构紧凑的需要,可以考虑采用三缸或者二缸发动机设计 [36]。另外,由于二冲程发动机升功率大,也可能成为设计选项 [37]。


    3.3 提高发动机热效率

    混动系统对发动机的热效率提出了更高的要求,因此需要研究如何进一步提高发动机热效率。目前商业化的高水平车用汽油机的最高热效率约为 37%,各大主流汽车厂商仍然致力于进一步提高发动机热效率的研究。2017 年,日本丰田公司推出了基于全新架构的发动机「Dynamic Force Engine」(动力发动机)。该款发动机排量为 2.5 L,热效率为 40%,其混动版本的热效率更是达到 41%,是全世界目前量产汽油机中的最高值 [22-23]。此外,丰田公司已经在实验室内探索评估了各种改善热效率的方法,并已验证了汽油机获得高于 45.9% 热效率的可能性 [21]。这表明产品发动机有望在不远的将来达到 45% 的热效率。如果实现这一目标,将比目前汽油机的热效率相对提高 24%,若应用到整个汽车行业,将具有显著的降油耗前景。


     

    在学术研究领域里,研究人员也在探索提高汽油机热效率到 50% 的新概念。比如,日本在 2014 年启动了「创新燃烧技术」项目,旨在进一步提高发动机热效率。由日本庆应大学领导的汽油机燃烧团队,通过超稀燃烧(过量空气系数为 2)等一系列技术手段,已将发动机有效热效率提升至 51.5%[38-39],证明了进一步提高汽油机热效率的可能性。

    一般来讲发动机消耗燃油产生的能量主要有如下 5 部分组成:有效功、传热损失、排气损失、机械损失及燃烧损失。改善发动机的热效率,即在不改变能量输入的情况下,尽量提高有效功的输出,减少其他部分的能量比例。几乎所有提高热效率的技术手段都是秉承以上的准则。表 4 给出了笔者在早期研究中总结的提高汽油机热效率的一些技术手段和收益 [40]。可以看到,各个技术手段的应用都能获得较为可观的热效率改善程度。由于传统车型对发动机的高要求,阻碍了部分技术手段的应用。混动系统给予发动机更大的优化空间,这些技术手段的应用或许不再受限。

     

     

    表 4  提高热效率的技术手段及收益 [40]

    *包括降低泵气和摩擦损失的收益。
    结合文献研究,总结汽油机有效热效率提高到 45% 的主要技术手段有 ([1-2,21-23,40-56]:

    • 长冲程设计。增加发动机冲程不仅可以减少发动机传热损失,还可提高缸内气体流动强度, 改善燃烧。图 13 和图 14 分别给出了丰田公司研究得出的发动机冲程、缸径与燃烧室面容比和缸内湍流强度的关系 [21]。可以看到随着冲程的增加,面容比降低,利于传热损失的降低。同时从图 14 可以看到,缸内湍流强度随冲程的增长而增强,继而可提高燃烧速度。混合动力用发动机最高转速较低(不超过 4000 r/min),可以突破传统发动机(转速达到 6000 r/min)长冲程设计受活塞平均速度的限制,充分利用长冲程设计带来的益处。

    • 高压缩比(>13)。通过提高压缩比来提高发动机的热效率是人们长期追求的目标。在实践中为避免压缩比过高导致爆震,可以采用 Atkinson 循环,在保持较低有效压缩比的情况下,实现高的膨胀比。另外的解决方案是采用可变压缩比技术,在不同工况采用不同的压缩比,避免在大负荷时产生爆震燃烧。

    图 13 发动机冲程、缸径与燃烧室面容比的关系 [21]

    图 14 发动机冲程、缸径与缸内湍流强度的关系 [21]
    • 稀薄燃烧技术。稀薄燃烧可提高发动机工作过程的过程指数(减少传热损失)和部分负荷的泵气损失,继而提高热效率。

    • 冷却废气再循环(EGR)。冷却 EGR 可以降低部分负荷的泵气损失,同时 EGR 可以降低燃烧温度,继而降低传热损失,并可降低 NOx 排放。但是需要注意的是,随着引入缸内 EGR 比例的增加,燃烧速度降低,燃烧持续期增长,可能造成燃烧不稳定或失火,不利于热效率提高。为改善这一现象,可以通过提高缸内湍流强度来提高燃烧速度。通过改进气道设计或燃烧室设计等措施可改善缸内气流运动,提高缸内湍流强度,继而改善燃烧速度,同时扩展 EGR 比例界限,进一步改善热效率。

    • 降低传热损失。发动机可通过引入 EGR、采用均质充量压燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)等技术组织低温燃烧降低传热损失,或者采用活塞隔热涂层降低传热损失。还可通过改善发动机热管理系统降低传热损失,例如采用电子节温器较为灵活地控制冷却液大小循环的开启,将发动机保持在较适合的水温下工作,降低传热损失。

    • 提高机械效率。采用轻量化材料、低摩擦材料和技术,以及高效率附件(附件电子化)降低机械损失。

    • 燃油与发动机联合优化。通过对燃油与发动机的联合匹配和优化,选出更适合发动机的燃油,充分利用燃油特性以改善发动机热效率。合适的燃油理化特性可加快燃烧速度、抑制爆震、扩展着火界限以实现热效率的提高,并有助于降低有害排放。

    3.4推广应用低碳燃料


    低碳燃料是分子结构中的碳氢比例较低的一类燃料,包括天然气、甲醇、乙醇等。发动机燃用低碳燃料可以从化学本质上降低燃烧后 CO2 的生成量。天然气燃料由于储量丰富、成本低廉、储运方便,是一种很有前途的发动机代用燃料,在此做重点分析。天然气的主要成分是甲烷,它的碳氢比是碳氢化合物燃料中最低的。发动机燃用天然气的最大好处是 CO2 排放低。下面以天然气和汽油为例,对比两种燃料完全燃烧后产生的理论 CO2 生成量。式(3)给出了碳氢化合物燃料的化学反应方程式。

    其中:CnHm 为碳氢燃料,n 和 m 分别为燃料分子中碳原子和氢原子的个数,Q 为释放的热量。
    以甲烷代表天然气,其分子中碳原子和氢原子的个数分别为 1 和 4;由式(3)可得,燃烧 1 kg天然气产生 48.28 MJ 热量 [57],同时将产生 2.75 kg CO2。汽油的热值为 43.05 MJ/kg,以其代表性成分辛烷代表汽油,其分子中碳原子和氢原子的个数分别为 8 和 18,若产生相同热量,将需消耗 1.121 5 kg 汽油,产生 3.463 kg CO2。也就是说,理论上相同放热量下燃用天然气比燃用汽油产生的 CO2 减少 20.6%。

    在实际发动机应用中,中国在 2017 年首次开发并量产了首款高性能单一天然气发动机驱动的多用途商务汽车 [58],其新欧洲标准行驶循环(new European driving cycle,NEDC)CO2 排放为 131.4 g/km,比原汽油机下降了 27.4%,十分接近 2020 年我国第 4 阶段油耗限值折算的 CO2 限值 126.1 g/km。该款发动机排量为 1.5 L,压缩比为 12,最高热效率达到了 37%,采用当量燃烧加三元催化器后处理的技术路线。天然气供给为高压气道多点喷射。


     

    在国外,2017 年德国奥迪汽车发布了 A4 Avant 天然气汽车 [59],其 CO2 排放为 95 g/km,达到了欧盟 2020 年的限值。该款发动机的排量为 2.0L,压缩比为 12.6,额定功率为 125 kW,最大扭矩为 270 Nm,最高热效率达到了 40%,采用天然气可续航 500 km。该款发动机是基于最新的 EA888 发动机开发的,增加了天然气高压多点喷射系统, 选用高强度合金活塞确保 13.5 MPa 的最大爆压、使用耐磨材料的气门座圈、降低进气门座圈角度,图 15 给出了发动机的剖面示意图。

    图 15 奥迪 A4 Avant 天然气发动机剖面图 [57]

     

    从上述两款天然气汽车的实例可以看出,天然气发动机比汽油机大幅度的降低 CO2 排放。因此,大规模的应用天然气汽车可以十分明显地降低中国交通领域的 CO2 排放。除了在降低 CO2 排放方面的优势外,天然气汽车的其他优点还包括清洁燃烧,没有颗粒物排放,天然气价格便宜,车辆运行费用低等。

    中国地域辽阔,东西部能源资源差异很大。应该根据地域和资源情况采用不同的能源。比如,在充电设施比较好并且车主用车距离不远的大城市,可以积极推广电动汽车以减少城市空气污染。在富气地区可以大力推广应用天然气汽车,而在长途运输时应用节能的燃油汽车。

    4.结论

    一:在过去 30 年,轻型汽车汽油机技术取得了长足的进步;汽油机产品在动力性、燃油经济性和排放控制方面获得了全方位的提高。动力性提高 67% 以上,热效率提高了 8 个百分点,提高幅度为 20% 以上。中国轻型汽车排放标准从国 1 到国 6,有害排放物降低 80% 以上。

    二:内燃机在未来 30 年仍然起到关键作用,预测至少 60% 以上的轻型汽车需要一个内燃机。

    三:内燃机在轻型汽车动力中的地位将逐渐发生变化:从内燃机单独驱动逐渐演变为内燃机和电机共同驱动,其作用的变化类似于从「独唱」变为「二重唱」。内燃机在整车性能上所起到的关键作用将下降,从一个「核心」部件变成「关键」部件,成为一个通用产品,商业模式可能发生变化。

    四:结合混合动力系统应用可以充分利用发动机的高效率区域。混动系统,特别是增程混合动力系统,要求内燃机的运行范围变窄,有必要开发混合动力专用发动机,进一步提高其热效率、简化机构、降低成本。

    五:未来汽油机热效率(特别是实际运行时的热效率)将有大幅度提高,通过多种技术手段的应用,商业化产品有望实现 45% 的热效率。

    六:汽车燃用天然气可以大幅度降低 CO2 排放。车用动力将根据地域形成「油、电、气」的多元格局。
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    -END-

     

    以上就是100唯尔教育网(100vr.com)小编为您介绍的关于汽车的知识技巧了,学习以上的汽车动力变革中的内燃机发展趋势知识,对于汽车的帮助都是非常大的,这也是新手学习汽修专业所需要注意的地方。如果使用100唯尔教育还有什么问题可以点击右侧人工服务,我们会有专业的人士来为您解答。

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1.加强基础理论研究。依托战略支援部队信息工程大学、郑州大学、河南大学、郑州轻工业大学等高校及各类科研平台,聚焦元宇宙领域前沿导向,开展理论基础和应用基础研究,突破元宇宙领域共性理论问题,夯实元宇宙产业技术基础。支持在元宇宙基础技术、价值实现、数字治理等重点领域开展理论与方法研究。(责任单位:省科技厅、工业和信息化厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> 2.突破共性关键技术。面向全省重点产业布局,建设元宇宙产业研究院、制造业创新中心、重点实验室、工程研究中心和技术创新中心等创新载体。推动创新链、产业链、价值链协同发力,发挥嵩山实验室、信大先进技术研究院等研发机构和重点骨干企业工程研究中心等创新平台引领作用,对扩展现实(增强现实/虚拟现实/混合现实)、数字资产、数字孪生、脑机接口、三维建模等关键技术进行协同攻关,推动创新成果转化。(责任单位:省科技厅、工业和信息化厅、发展改革委) </p> <p style="text-indent:2em;"> 3.加快核心部件和系统研发。充分发挥我省在先进计算、智能传感器、集成电路、新型显示和智能终端、信息安全等领域特色优势,重点研发声光学元器件及模组、新型光学显示器件、光通信芯片、信息安全芯片、微机电系统传感器等核心部件,大力发展用于元宇宙的操作系统、编译器、数据库、中间件、开发框架等基础软件以及重大集成应用平台。(责任单位:省工业和信息化厅、科技厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> (二)培育引进产业主体,构建梯次发展产业格局。 </p> <p style="text-indent:2em;"> 1.培育创新主体。鼓励各类产业园区、科技企业孵化器和众创空间积极承接元宇宙领域科技成果转移转化,孵化培育创新主体和创业企业。聚焦元宇宙细分领域,引导我省企业与国内外科研院所、高校、头部企业开展产学研合作和项目合作,突出技术创新,提升融合发展能力,加快培育一批元宇宙领域创新型中小企业、“专精特新”企业。支持整机制造、核心元器件、系统集成等领域骨干企业发挥优势,整合、开放、拓展元宇宙相关产品和服务,提升我省元宇宙产业整体竞争力。(责任单位:省科技厅、工业和信息化厅、发展改革委) </p> <p style="text-indent:2em;"> 2.引进行业领军企业。依托中国(郑州)产业转移系列对接活动等平台,深化与长江经济带、粤港澳大湾区、京津冀地区的合作,围绕软件、硬件、芯片、扩展现实、区块链等元宇宙核心领域,创新招商引资手段,支持国内外元宇宙行业领军企业在我省建设区域总部、孵化平台、实验室、研发中心等。加强跨区域交流合作,积极参与国家“一带一路”科技创新行动计划,探索发展飞地经济模式,推动区域间协同配套发展;积极吸引省外高层次人才和团队、先进技术项目落地,全方位提升我省元宇宙产业发展水平。(责任单位:省工业和信息化厅、商务厅、发展改革委、人力资源社会保障厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> 3.促进元宇宙产业集聚发展。坚持“1+5+N”产业布局,推动元宇宙产业差异化、特色化、协同化发展,构建全国元宇宙创新引领区。支持郑州抢抓建设国家中心城市机遇,重点建设河南省元宇宙科创产业园等园区,加强链接、交互、计算、工具、生态“五位一体”前沿布局,打造元宇宙产业发展核心区。支持洛阳、南阳、新乡、焦作、许昌等地依托电子信息制造、软件信息服务等领域产业基础,积极发展元宇宙智能装备、计算终端、消费电子、数字内容等产品和服务,打造元宇宙产业特色区。支持其他地方立足自身优势,以应用为牵引推动元宇宙产业集聚发展,打造细分领域“多点支撑”的产业格局。(责任单位:省工业和信息化厅、发展改革委) </p> <p style="text-indent:2em;"> (三)拓展重点领域应用,推动经济社会融合创新。 </p> <p style="text-indent:2em;"> 1.发展工业元宇宙。依托工业数字化基础,运用采集感知、执行控制、5G/6G通信、云计算、数字线程技术、模型构建、模型融合、模型验证等手段,发展工业数字孪生,打造工业元宇宙。采取“揭榜挂帅”“赛马制”等方式,针对工艺设计优化、运维故障预测、运维工作模拟、跨学科产品研发仿真、“机—电—软”一体化产品设计等领域,遴选一批优秀解决方案,发挥数字孪生虚拟调试、实时联动、模拟仿真等优势,降低研发试错成本,提升管控一体化水平,预判安全生产风险,推动工业数字化、网络化、智能化转型。(责任单位:省工业和信息化厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> 2.发展能源元宇宙。加快能源设施智能化改造,依托智能电网、智能化油气管网、能源大数据中心等智能能源基础设施,推动混合现实、区块链、物联网等技术深度融入能源网络,重点发展智能电网、微电网、分布式能源、新型储能等能源元宇宙基础技术体系,探索全景仿真数字化配网、混合现实沉浸式电力设备巡检运维、区块链技术绿电交易等应用场景。打造场景环节全覆盖、生态链路全贯通的能源元宇宙,带动能源网络数据要素可信透明流通和全程留痕使用,提升能源网络运维效率,促进能源网络全生产要素高效准确流动。(责任单位:省发展改革委、工业和信息化厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> 3.发展文旅元宇宙。推动景区、博物馆、文化馆、主题公园、艺术中心等深度运用扩展现实等技术,在虚拟世界中建设数字孪生体。建立线下主题场景与线上开放世界相结合的文旅新形态,充分发挥元宇宙沉浸式体验优势,结合虚拟世界打造丰富多彩的线下实景文旅项目。鼓励开发数字原生内容,扩大数字藏品规模,拓展元宇宙数字文旅经济发展新路径。(责任单位:省文化和旅游厅、工业和信息化厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> 4.发展教育元宇宙。建设教育元宇宙应用场景,为教师、学生、管理者建立数字身份,对教学设备进行虚拟仿真,引入虚拟数字人教师,建设虚拟化教育基地。充分发挥元宇宙沉浸式、高感知互动特性,提升教学过程情景客观真实性、课堂互动深入性、实验情景感知性,通过个性化、游戏化等元宇宙教育教学手段,为培育多元化人才提供有力支撑。(责任单位:省教育厅、工业和信息化厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> 5.发展虚拟数字人元宇宙。推广虚拟数字人多领域应用,充分利用虚拟数字人高度拟人化、高感知交互性、高工作效率等特点,替代标准化内容生产中的人工角色。重点发展城市旅游向导、文博讲解、电视节目主持人、医疗虚拟导诊员、电商虚拟主播等功能性虚拟数字人。积极拓展应用范围,探索虚拟偶像培育、虚拟演出等高经济产出应用场景。(责任单位:省工业和信息化厅、文化和旅游厅、卫生健康委、商务厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> 6.发展智慧城市元宇宙。聚焦城市应急处理、疫情防控、碳足迹检测、城市地下空间管理、城市规划全生命周期管理等“看不见、不好管、难预期”的问题,依托空间分析计算、动态模拟仿真推演、机器学习等优势,深度融合数字孪生城市底座,优化城市治理方案。积极探索数字孪生城市向企业及个人开放的共用新模式,进一步完善城市信息模型,提升城市治理效能。(责任单位:省住房城乡建设厅、自然资源厅、行政审批政务信息管理局、发展改革委、工业和信息化厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> (四)构建元宇宙产业生态,营造良好发展环境。 </p> <p style="text-indent:2em;"> 1.完善金融服务体系。统筹运用财政专项资金,加大对元宇宙产业的支持力度,激发企业发展内生动力。鼓励各类产业引导投资基金创新投融资模式,带动社会资本为元宇宙发展提供支持。鼓励金融机构加大创新力度,推广“信易贷”模式,发展股债联动、知识产权质押、股权质押等金融产品,对技术先进、有较强产业带动性、发展潜力大的元宇宙项目提供信贷资金支持。(责任单位:省财政厅、发展改革委、地方金融监管局、人行郑州中心支行、河南银保监局) </p> <p style="text-indent:2em;"> 2.健全网络安全保障体系。依托网络安全产业优势,加强元宇宙网络安全保护体系建设,重点突破虚拟世界用户特质与社会关系等网络安全保护技术,不断强化政务、能源、交通、水利、金融等现实社会数据保护措施。保障云计算、大数据、物联网、区块链等元宇宙核心基础设施安全,加快建立元宇宙网络全方位安全体系。(责任单位:省委网信办、省发展改革委、公安厅、通信管理局、工业和信息化厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> 3.构建元宇宙治理体系。深入研判元宇宙发展的伦理风险、数据安全风险、沉迷风险、知识产权风险等,建立审慎包容的容错机制和监管机制,持续优化元宇宙产业发展环境。加强元宇宙行业组织建设,建立行业服务平台,为企业发展提供政策、法律、金融、技术等全方位服务,推动行业交流及跨界协作,强化行业自律。(责任单位:省工业和信息化厅、发展改革委、市场监管局) </p> <p style="text-indent:2em;"> 4.加强元宇宙政策法规研究。按照《中华人民共和国网络安全法》《中华人民共和国数据安全法》《中华人民共和国个人信息保护法》《区块链信息服务管理规定》等法律、法规要求,督促相关市场主体落实法律责任。加强对大数据、个人隐私、金融等领域安全风险分析研判,积极开展元宇宙法律法规、伦理道德、监管政策等研究。(责任单位:省委网信办、省市场监管局、工业和信息化厅、发展改革委、通信管理局) </p> <p style="text-indent:2em;"> (五)完善数字基础设施,夯实产业发展基础。 </p> <p style="text-indent:2em;"> 1.持续推进网络基础设施演进升级。加快5G独立组网网络建设,实现特定场景5G网络连续覆盖,持续提升5G用户普及率。巩固信息通信枢纽和信息集散中心地位,推进郑州国家级互联网骨干直联点持续扩容,积极争取建设国家级新型互联网交换中心。深度参与国家6G技术专项,运用大规模天线、新型多址、全频谱接入、先进调制解码、软件定义网络、异构超密集网络等技术,提升元宇宙各类应用场景网络支撑能力。(责任单位:省通信管理局) </p> <p style="text-indent:2em;"> 2.构建多层次算力设施体系。统筹布局算力基础设施,构建“超算+智算+边缘计算+存储”多元协同、数智融合多层次算力体系。提升国家超级计算郑州中心发展水平。推动郑州、洛阳、许昌、濮阳建设全栈国产化、自主可控智能计算中心。加快发展边缘计算基础设施,支持符合条件的中小型数据中心作为算力“边缘”端,满足虚拟现实/增强现实、超高清视频、车联网等实时性要求高的业务需求。争取全国一体化大数据中心新增国家级枢纽节点在我省布局。(责任单位:省发展改革委、通信管理局、工业和信息化厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> 3.推进城市数字孪生底座建设。统筹移动互联网和窄带物联网协同发展,推动交通、物流、市政等重点领域物联网终端及传感器规模化部署,打通感知数据共享链路。运用空天地数据获取、全息空间数据采集、二三维一体测绘、泛在测绘等新型测绘技术,构建城市数字孪生数据基础。促进全要素场景衍生数据、行业数据、物联感知数据等融合,探索建设完整城市信息模型,对城市实现模拟仿真。(责任单位:省住房城乡建设厅、自然资源厅、行政审批政务信息管理局、发展改革委、工业和信息化厅) </p> <p style="text-indent:2em;"> 4.积极布局新技术基础设施。统筹推进人工智能基础设施建设,打造开放式、普惠性人工智能平台,面向社会提供低成本、开放式、通用性人工智能技术和产品。推动区块链公共服务平台、算力公共服务系统、联盟链底层平台等各类区块链技术创新平台建设,加快区块链在经济社会各领域融合创新应用。加强郑州数据交易中心建设,开展基于区块链的数字资产确权交易业务,打造数字资产交易平台。探索建设元宇宙数字空间基础平台,集聚国内外企业、开发者资源,打造合作共赢的元宇宙产业生态。(责任单位:省工业和信息化厅、发展改革委) </p> <h1 style="text-indent:2em;"> 三、保障措施 </h1> <p style="text-indent:2em;"> (一)加强组织保障。省制造强省建设领导小组统筹协调全省元宇宙产业发展,研究重大规划布局、重要政策措施,协调推进重大项目建设。建立元宇宙专家咨询委员会,加强前瞻性、战略性问题研究,提供重大决策咨询服务。各地要结合实际,制定元宇宙产业发展政策措施,明确职责,细化方案,确保完成各项目标任务。 </p> <p style="text-indent:2em;"> (二)加强项目扶持。坚持“项目为王”,落实“三个一批”要求,深入开展“万人助万企”活动,加强资金、土地、人力资源、数据等要素保障,提供精准、高效、优质服务,推动元宇宙产业签约项目早开工、开工项目早投产、投产项目早达效。 </p> <p style="text-indent:2em;"> (来源:河南发布) </p> <p style="text-indent:2em;"> <br /> </p>

    让职教在推进“共富”中展现大作为

    2021年,浙江省教育厅发布了《浙江省中高职一体化课程改革方案》,开启了长学制技术技能人才贯通培养的新征程。我们希望以此为突破口,致力于加快职教体系构建,不断提升职业教育的适应性、竞争力和吸引力。 此次中高职一体化课改,我们着眼于“三个立足”。一是立足职业教育体系建设,打破现行体系内分段单独培养模式,一体设计、学段衔接、技能递进,优化、创新长学制技术技能人才培养模式并逐步提高比例,使职业教育体系内无缝衔接成为进入高一级职业院校学习的主通道。二是立足浙江共同富裕先行,培养大批高素质的技能型人才,提升普惠性人力资本。为人的全面发展提质培优、增值赋能,从而保障稳定就业、实现高质量就业,有力支撑“扩中提低”,推动浙江共同富裕示范区建设。三是立足人民群众对美好教育的需求,深化长学制一体化技术技能人才培养改革,为学生提供更畅通的成长渠道,满足家长和学生对学历和技能“双提升”的强烈诉求,减轻读书焦虑。 改革的目标十分明确。宏观上,根据浙江省职业教育大会要求,逐年提升长学制人才培养占中职招生的比例,持续扩大五年制人才培养规模,逐步使长学制培养成为职业教育人才培养的主渠道,到2025年,职业教育长学制招生达到中职招生的40%以上。微观上,通过中高职一体化课程改革,其一是要建立中高职一体化的课程体系,即立足中职和高职双方需求,聚焦课程的有效性和适应性,形成一体设计、递进培养的专业教学标准和课程体系,从而实现课程内容衔接的连续性、统一性和整合性。其二是建立中高职一体化的教研体系,即打破中职和高职教研壁垒,组建省级中高职一体化专业教研大组,探索建立高职院校、中职学校和合作企业共同参与的中高职一体化教研科研工作机制,实现教学管理与教学科研领域的双向赋能。 通过高质量推进中高职一体化课程改革,有效保证职业教育长学制人才培养质量,更好地适应新形势下产业升级需求和人民群众对更高质量就业的要求,提升普惠性人力资本,让职业教育在浙江共同富裕先行建设中展现大作为。 《中国教育报》2022年09月23日第1版版名:要闻 作者:浙江省教育厅副厅长 于永明

    十年,职业教育走过了这样一段极不平凡的历程

    党的十八大以来,党中央、国务院高度重视职业教育,召开重要会议,出台重磅文件,以前所未有的力度,推动职业教育取得令人瞩目的成就。10年来,我国职业教育从层次走向类型、从政府主体走向多元参与、从规模扩张走向内涵发展。今年5月新修订的职业教育法的正式实施,更是让职业教育走上发展的快车道,迎来新的发展春天。 △作为教育部批准成立的国内第一所应用技术大学,天津中德应用技术大学遵循“用高端装备、先进技术培养最优秀的人才”实践教学的理念,围绕制造业和制造服务业打造多类型、产教融合型“教学工厂”。图为在前不久举行的世界职业技术教育发展大会期间,天津中德应用技术大学参赛选手在交通运输赛项展区测试标定智能网联设备。学校供图 “纵观职业教育这十年的发展,职业教育走过了一段极不平凡的发展历程。这十年,既是一个筚路蓝缕的探索过程,也是一个玉汝于成的收获过程,成绩可以说令人瞩目。”谈起我国职业教育的发展成就,十年来一路见证职业教育发展的全国政协委员、上海中华职业教育社常务副主任胡卫发出由衷地感慨。 “2014年召开全国职业教育工作会议,2019年印发国家职业教育改革实施方案,2021年召开全国职业教育大会,2022年新修订的职业教育法正式实施……”在胡卫看来,党的十八大以来,党中央、国务院高度重视职业教育,习近平总书记亲自谋划和推动职业教育发展,作出一系列重要论述,为职业教育改革发展指明了前进方向,提供了根本遵循,也让职业教育发展的“中国特色”更为鲜明,书写了职业教育发展史上的壮丽华章。 服务产业,职业教育和经济社会发展更加“同频共振” 在胡卫看来,职业教育是离经济社会发展最近的教育领域,因此面向市场、服务产业办教育,是职业教育的鲜明特征。 但受种种原因的影响,长期以来,职业院校教学内容同产业岗位需求脱节,教育质量不高,社会吸引力下降,成为制约职业教育发展的堵点和痛点。 “我小时候,职业教育是大家眼中的香饽饽。那时对一名学生而言,参军和上技校是最自豪的事。而后来,学生拿到职业教育院校的录取通知书,自己和家长脸上都是无光的……”胡卫看来,职业教育被污名化,社会地位不高,很大原因是所培养的毕业生不能很好地适应市场的需要。 “近十年,职业教育的发展实际上和我国的经济社会发展契合度最高,它既跟我们党和国家事业发展相适应,跟人民群众的诉求相契合,也和中国作为世界第二大经济体的国家形象高度吻合。”正如胡卫所言,为了疏通堵点、痛点,这十年来我国职业教育主动服务经济社会发展,适应经济结构调整和产业变革,两次调整专业目录,以产业、行业分类为主要依据,出台了《制造业人才发展规划指南》等专项规划,力求在服务面向上突出“全”,在专业设置上突出“新”,在目录架构上突出“特”。 据教育部给出的权威数据,十年来,职业教育淘汰落后专业108种,升级和补充专业1007种,更新幅度超过70%。目前全国职业院校,开设1300余种专业和12余万个专业点,基本覆盖了国民经济各领域,使人才培养结构调整与需求结构变迁更好对接。在现代制造业、战略性新兴产业和现代服务业等领域,一线新增从业人员70%以上来自职业院校的毕业生。 顶层设计、提高质量,让职业生更有“学头” 回顾这十年发展历程,胡卫表示,职业教育之所以能够不断固根基、补短板、强弱项、扬优势,取得明显发展背后的原因,一方面是由于新时代我国经济社会发展取得的历史性成就给职业教育的发展提供了巨大需求和坚实条件,另一方面依靠党和国家领导,始终坚持在不同阶段出台职业教育有关法律法规和系列新政,为职业教育的发展织就了系统的顶层设计发展蓝图。 “26年来职业教育法首次大修,反映了党和国家对职业教育的高度重视,我们及时总结经验,及时归纳提炼,及时从法律法规方针政策当中对职业教育的发展加以引领。因此,国家也真真切切地看到了职业教育对经济社会发展的推动作用以及对人的发展的促进作用啊!”胡卫颇为感慨地说,十年来,职业教育法完成26年来的首次大修,正式实行五位一体的职业教育国家教学标准体系,在顶层设计上为职业教育的发展和教学质量提供了保障。 十年来,职业教育十分注重专业的内涵发展。2021年,教育部发布新版职业教育专业目录,一体化设计了“中职—高职专科—高职本科”专业体系,并通过新增、更名、合并、撤销等方式,专业总体调整幅度超过60%。 “社会发展特别需要的是懂得大数据、人工智能、元宇宙的新型技能技术人才,如果职业院校培养的学生还是简单地拿一个钳子扳头,是不能适应社会需求的。”在胡卫看来,原来的职业教育社会适应力差,一方面是课程体系和社会发展不衔接,一方面原因在师资上。“职业学校的老师们在黑板上去教所谓的技能、技巧,远离场景、远离工具、远离案例,这是收不到良好的教学效果的。”胡卫坦言,教师是办好教育的根本依靠。有高质量的职教教师,才会有高质量的职业教育。党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央对职业教育特别是职教教师队伍建设作出了一系列重大决策部署,广大教师把大有作为的殷切期盼转化为大有可为的生动实践,职教教师队伍建设取得长足进步。据教育部公布的资料,十年间,职业教育专任教师规模增幅达17%。 与此同时,在全民学习时代来临的今天,线上优质学习资源平台的建设在提升全民职业素养方面也发挥着巨大作用。十年来,职业教育用数字化赋能,不断拓展办学空间,支持先学习再就业、先就业再学习、边就业边学习,主动与继续教育、普通教育有机衔接,积极建设“人人皆学、处处能学、时时可学”的学习型社会。连续十年,中央财政支持建设职业教育国家专业教学资源库。在此基础上,今年3月“国家职业教育智慧教育平台”正式上线,覆盖了19个专业大类、396个高职专业,汇聚了660余个专业教学资源库、1000余门在线精品课和2000余门视频公开课,以及420余万条视频、图片、文档等资源,为全民学习提供充足数字资源。 △8月19日,在国家会展中心(天津),首届世界职业院校技能大赛的参赛选手在操作机械设备。当日,首届世界职业院校技能大赛在国家会展中心(天津)开幕,并进行了装备制造、能源动力与材料、交通运输等多个赛项单元的展演。据了解,本届大赛作为首届世界职业技术教育发展大会的重要组成部分,吸引了来自100多个国家和地区的千余名师生参赛。新华社记者 李然 摄 明确类型、体系畅通,让职教生更有“盼头” 在很长一段时间里,中职生因毕业后没有继续升学深造的空间,职业教育令人顾虑重重。即便后来有所改善,长期积淀的旧观念一时之间并未有效改变,很多家长和学生依然将职业教育视作“差生教育”。另外,由于社会地位不高,职教生的就业问题也受到一系列制约。 “2014年《国务院关于深化考试招生制度改革的实施意见》印发后,高职分类考试规模逐年扩大,目前已经成为职业学校学生和普通高中学生接受高等职业教育的主渠道。”在胡卫看来,今年5月新修订的职业教育法首次以法律形式明确职业教育是与普通教育具有同等重要地位的教育类型,通过顶层设计,真正实现职业教育从层次到类型的转变,走出了一条中国特色的发展道路。 “职业教育不是简单的一个层次,也不是某一类教育的组成部分,它本身就是单独的一种教育类型。”作为职业教育发展历程的亲历者,胡卫认为这一点尤为重要。在他看来,推进普职融通渗透是推动高质量教育体系的基本要求,也是提供更加公平、更高质量教育的客观要求。 “十年间,党和国家在积极采取相关举措,大力推进不同层次的职业教育有效贯通,中职的基础地位进一步巩固,专科的主体地位不断强化,职业本科稳步发展,‘中职—高职专科—高职本科’一体化的职业学校体系基本建成,这为职教生的未来发展更充分地‘加油补气’。”胡卫分析说,纵向贯通、横向融通的现代职业教育体系的构建,打破了职业教育止步于专科层次的“天花板”。 “在纵向贯通上,中职的基础地位进一步巩固,专科高职的主体地位得到强化。”胡卫表示,2019年以来,教育部先后批准32所学校开展本科层次职业教育试点,支持优质专科高职院校升级一批骨干专业举办职业本科教育,鼓励应用型本科院校举办职业本科专业,切实提高高层次技术技能人才供给能力。而2022年新修订的职业教育法为普通高等学校设置职业本科教育专业、专科层次职业学校设置职业本科教育专业预留了空间,职业学校的学生不仅可以读大专,还可以上本科,职业教育吸引力、影响力不断提高,“在横向融通上,要加强职业教育、继续教育、普通教育的有机衔接、协调发展。而推进职普渗透融合也是建设高质量教育体系的基本要求,也是提供更加公平更高质量教育的客观要求。”胡卫表示,在这样的畅通的体系中,学生们对未来的成长发展更有“盼头”了。 △8月19日,在国家会展中心(天津),首届世界职业院校技能大赛的参赛选手在进行发动机拆卸维护展演。当日,首届世界职业院校技能大赛在国家会展中心(天津)开幕,并进行了装备制造、能源动力与材料、交通运输等多个赛项单元的展演。据了解,本届大赛作为首届世界职业技术教育发展大会的重要组成部分,吸引了来自100多个国家和地区的千余名师生参赛。新华社记者 李然 摄 校企合作、多元办学,让职教发展更有“奔头” 在2014年召开的全国职业教育工作会议期间,习近平总书记就加快职业教育发展作出十六字指示——产教融合、校企合作、工学结合、知行合一。 “习近平总书记的话精辟地总结了十年间职业教育的实践重点。”胡卫表示,学习习近平总书记对职业教育的系列指示精神,他更加明白职业教育一定要跟产业的发展相结合,“也就是培养端和用人端要相结合,只在黑板上教技术是远远不够的。”胡卫进一步解释说,产教融合、校企合作是职业教育的基本办学模式,也是职业教育最突出的办学优势。工学结合、知行合一的实践理念也使得职业教育办学路走得更加宽阔。 胡卫大学毕业后任职上海教科院,当时就有一个中德合作项目,德国的职业研究所和上海教科院开展合作,引进德国双元制的模式。“当时,在上海、青岛等地,大量引进德国职业教育的先进思想、先进经验和先进做法,再结合中国的实际,探索实践了双元制教学模式。后来又探索校企合作、半工半读、工学交替等。”胡卫坦言,学生可以毕业以后去做工作,工作一段时间以后感到知识不够了,再到学校去回笼学新的知识,等提高了能力,再回工厂工作。“半工半读、学以致用,把学习和就业结合起来,把技术学习和文化知识学习结合起来,我认为这是中国一条很重要的经验。”胡卫说。 正如胡卫所言,十年来,我国陆续出台并实施《关于深化产教融合的若干意见》《建设产教融合型企业实施办法(试行)》《职业学校校企合作促进办法》等一系列政策,开展现代学徒制、产教融合型城市等一系列试点,建立健全政府主导、行业指导、企业参与的办学机制,鼓励行业企业全面参与教育教学各个环节,推进产教融合、校企一体办学,校企合作已经呈现出多样化的格局,逐步形成了专业共建、人才共育、过程共管、资源共享、责任共担的校企合作新局面。 而作为上海中华职教社常务副主任,胡卫十分认同中华职教社发起人黄炎培先生所提出的“敬业乐群”思想。“在黄炎培先生看来,职业教育就是让无业者要有业、有业者要乐业。黄炎培职教思想还有重要一点就是:只从职业学校做功夫,不能发达职业教育;只从教育界做功夫,不能发达职业教育;只从农、工、商职业界做功夫,不能发达职业教育。”在胡卫看来,职业教育是党和国家的事业,和人民群众的诉求息息相关,和我们国际地位、国际形象密不可分,绝不是单靠教育一个领域和部门来推动就可以的,一定要靠整个社会来系统化地推进。 胡卫坦言,尽管十年来职业教育取得了突破性发展,但仍有一些亟待解决的短板和难点,“在未来发展中,我们既要拉长长板,也要补齐短板。”他对职业教育发展还有一个更新的憧憬:不是在职业类的学校当中才能进行职业教育,一定是横向的、是普职融通的。胡卫对职业教育发展的美好未来充满了向往。 来源:《人民政协报》(2022年09月21日09版)

    聚焦职业教育改革发展 广东省去年投入652亿元

     9月21日,广东召开全省职业教育大会,聚焦职业教育改革发展的成效与经验。记者在会上了解到,目前广东拥有职业院校625所、在校生280.5万人,2021年全省职业教育经费总投入652.36亿元,营造了人人皆可成才、人人尽展其才的良好氛围。 省职教城新增6万学位 “通过增加学位供给、高质量开展高职扩招,广东持续扩大职业教育办学规模。”广东省教育厅党组书记朱孔军介绍,高质量建设省职教城,已进驻10所学校、新增6万学位,将打造成为教科产城一体化融合发展的新范本。同时实施粤东粤西粤北地区新建迁建高校项目,近3年新增高职院校8所,实现21个地市高职全覆盖。 广东是职业教育大省,越来越多学子主动选择接受职业教育。如今,广东拥有职业院校625所、在校生280.5万人,每年为社会输送70万以上高素质技术技能人才,为经济社会发展提供了有力支撑。 “我们全面开展摸底调研,为全市13所中职学校进行了把脉问诊,破解了办学规模小、师资配备不足、一址两校、专业设置匹配度不高等问题。”韶关市副市长罗海俊说,韶关市现有应用型本科院校1所、职业院校17所,涵盖装备制造、电子信息等10多个领域、120多个专业类型,共有在校生9万多人。 职业教育扩容提质需要投入“真金白银”。2021年广东职业教育经费总投入652.36亿元,其中一般公共预算教育经费401.62亿元,分别是2012年的2.1倍和2.2倍。省财政厅党组成员、副厅长陈国煌表示,广东在“十三五”期间已安排86亿元专项支持职业教育扩容提质,未来面向“十四五”,计划投入各类专项支持资金116亿元,持续推动职业教育提质培优、增值赋能。 建成29所省级以上示范性高职院校 职业院校的办学水平和能力是社会关切焦点。广东着力提升职业院校办学水平,重点发挥示范典型的引领作用,增加优质职业教育资源供给。目前,已建成14所国家优质专科高职院校、29所省级以上示范性高职院校、62所国家示范中职学校,以及建设14所国家“双高计划”高职院校和31所省域高水平高职院校、10所高水平技师学院、88所省高水平中职学校,示范引领全省职业院校高质量发展。 职业教育是“工匠摇篮”,也是“成长桥梁”。“既要健全人才培养体系,也要助力在职人员提升技能,全面拓宽职业教育发展空间。”朱孔军说,广东持续扩大中高本贯通培养规模,打破职业教育升学“天花板”。 2021年,全省52%的中职学校开展中高职三二分段试点,招生计划8.6万人,是2011年的11.9倍,中职毕业生升学率达44%;三二分段专升本协同育人试点招生计划1.2万人,专升本招生6.5万人、是2011年的13.2倍。 “今年广州已有28所中职学校91个专业对接37所高职院校94个专业,开展三二分段试点工作,三二分段招生占比正在不断扩大。”广州市副市长江智涛说。 对于在职人员,广东每年开展企业职工培训和成人学历教育100多万人次,开展百万工人技能提升行动,开办劳模工匠本科班,实施产业工人“求学圆梦”计划,2011年以来支持近11万产业工人提升学历,赋能新时代产业工人成长成才。 产教融合迈向新高度 职业教育与经济社会发展紧密相连。广东实施精准对接,优化职业院校和专业布局,让供给结构进一步契合区域产业发展。 广东聚焦战略性“双十”产业集群,实施“广东技工”工程,建设298个省级中职教育“双精准”示范专业和311个省高职高水平专业群,形成紧密对接产业链、创新链的专业体系。 广东先行先试现代学徒制,首创技工院校“校企双制”办学模式。去年有63所高职与451家单位参与现代学徒制试点,规模位居全国前列。 产教融合、校企合作是职业院校的突出办学优势,能培养出适合经济社会发展的能工巧匠、大国工匠。“在新型人才培养中,企业能够站在‘需方’角度提供新思路。”华为技术有限公司中国区政企业务副总裁杨萍介绍,华为与深圳职业技术学院联合建立“课证共生共长”产教融合模式,每年还联合产业伙伴为学生提供优质岗位,实现人才供需精准匹配。 “学校推动15个专业群联合一批头部企业,先后建成15个特色产业学院。”深圳职业技术学院党委书记杨欣斌说,该校产业学院的教学标准与课程标准由校企共同开发,大大提升了人才培养适应性。

    教育部:分类考试已成为学生升入高职院校的主渠道

    今日,教育部召开新闻发布会,介绍党的十八大以来考试招生制度改革成效。据教育部高校学生司司长王辉介绍,在高职分类招考方面,已形成了适合技术技能型人才选拔的考试评价模式。推动高职院校的考试招生与普通高校本科相对分开,采取“文化素质+职业技能”的考试评价方式。各地一般在每年春季安排举行高职院校分类考试。学生也可参加统一高考进入高职院校。在各地的大力推进下,分类考试已成为学生升入高职院校的主渠道。全国每年通过分类考试录取的考生已超过300万,占高职招生总量的60%以上。 来源:新华网

    2022年中国数字孪生行业洞察报告

    数字孪生是在数据整合分析基础上,构建与物理实体相对应的平行虚拟实体,并最终实现虚拟实体对物理实体的反哺赋能。作为数字经济及产业元宇宙发展的重要抓手,近年来我国数字孪生行业开始受到广泛关注,但整体尚处于起步阶段,发展时间较短。未来,随着政策环境优化、技术演进以及行业标准和体系逐步成熟,数字孪生应用场景广度和深度将进一步拓展,推动行业市场规模迅速增长。根据IDC数据,预计到2025年,全球数字孪生市场规模将增至264.6亿美元,2020-2025年CAGR高达38.35%。 1、发展概况 定义 数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体,借助历史数据、实时数据以及算法模型等,模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段 [ 1 ] ,贯穿由实向虚、再由虚控实的全流程闭环。数字孪生凭借其整体规划、信息可视化、风险预测、辅助决策等应用价值,被广泛应用于工业和民生的各个领域,对于提高产品设计精度、提升生产效率和交通运行效率等方面具备重要意义,已成为数字经济及产业元宇宙发展的重要动力。 政策支持数字孪生技术和应用发展,多地开展数字孪生城市试点示范 近年来,我国多部委密集出台相关政策,助力数字孪生技术和应用发展。《关于推动先进制造业和现代服务业深度融合发展的实施意见》(发改产业〔2019〕1762 号),提出支持数字孪生技术在工业领域的应用;《关于推进 " 上云用数赋智 " 行动 培育新经济发展实施方案》(发改高技〔2020〕552 号)将数字孪生与大数据、人工智能、5G 等数字技术并列,支持相关行业和企业发展数字孪生技术;《国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》,将 " 探索建设数字孪生城市 " 纳入加快数字社会建设步伐的重点工作任务。此外,上海、浙江、广东等省市加快启动数字孪生城市建设试点示范,推动数字经济与实体经济深度融合。 应用需求旺盛,数字孪生发展前景广阔 作为实现虚实融合重要的复合技术,数字孪生在各行业的需求日益高涨,目前已被广泛应用于智慧城市、智能制造、智慧医疗等诸多领域。其中,数字孪生在智慧城市中的应用不断拓展深化,主要基于遥感、传感器等技术实现城市全要素数据汇集,构建城市数字孪生体,并运用大数据、人工智能、云计算等技术提高其精确度,最终帮助实现交通、气候环境、仓储物流等社会民生的有效监测及治理。近年来,我国智慧城市市场规模日益扩大,将带动数字孪生的进一步发展。根据东吴证券数据,预计 2022 年中国新型智慧城市市场规模将突破 1.1 万亿元,2020-2022 年 CAGR 为 12.3%。 2、发展现状 产业生态结构:由基础层、中间层和应用层三部分组成 (1)基础层:主要包括芯片、传感器、监控设备等硬件设备以及网络、算力等基础要素,负责数字孪生数据采集和网络发送。目前,传感器领域仍由美、日、德企业主导,中国本土企业市场份额较小;监控设备领域,国产品牌具有一定优势,海康威视作为行业龙头企业,曾提出 " 物信融合 " 的架构体系,引领监控设备智能化转型。(2)中间层:包括数据互动、模型构建、仿真模拟和共性应用。其中,数据互动负责数字孪生的信息采集、传输同步与增强;模型构建提供获取数据和建立数字化模型的服务;仿真模拟是根据物理对象当前状态通过物理规律和机理分析预测未来状态的过程;共性应用则为产品提供全生命周期管理,进行描述、诊断、预测和决策。(3)应用层:包括智慧城市、智能制造、智慧医疗等多方面应用。数字孪生技术具有普适性特点,可在各行业的场景中落地,应用范围不断拓展。 典型应用场景 1:智慧交通 智慧交通是数字孪生在智慧城市应用中最为普及的场景之一。随着城市化进程的快速发展,城市交通网络结构日益复杂,以人力为主导的交通管理存在效率不高、车辆追踪困难等痛点,成为制约城市高效运行的瓶颈。数字孪生可利用多种传感器和网络通信技术,实现道路基础设施生命周期的动态监测,对道路参与者进行精准定位,并结合数据挖掘、大数据可视化等技术构建数字孪生智慧交通,帮助交通管理部门预先制定交通应急和疏导方案,缓解交通拥堵问题,同时在发生医疗救援时可为其规划最优路线,大幅提高救援效率。 典型应用场景 2:工业互联网 数字孪生是搭建工业互联网平台的关键技术,基于物理对象的现实数据创建与其平行的虚拟数字空间,实现从产品研发设计、生产制造到维修服务等工业全生命周期的虚实交融与精准映射。在产品设计环节,基于数字孪生的工业互联网平台可准确匹配设计所需数据及相关模型算法并反馈给设计人员,在测试设计质量时,设计人员可通过验证虚拟产品快速模拟运行状况完成测试;在生产制造环节,对制造工艺、制造过程进行模拟仿真,能够帮助改进工艺流程,提高生产效率;在维护环节,数字孪生技术可通过连续采集、智能分析运行数据,帮助预测维护工作的最佳时点及周期。 3、发展展望 数字孪生仍处于发展早期,未来行业集中度有望持续提升 目前,中国数字孪生仍处于早期发展阶段,竞争格局分散且集中度较低。市场主要参与者分为以航天云网、卡奥斯等为代表的技术研发商,以上海优也等为代表的技术咨询服务商以及以比亚迪、特斯联等为代表的技术应用解决方案商,凭借各自研发能力、合作资源、应用拓展能力等优势,谋求市场领先地位。短期来看,腾讯、阿里巴巴等巨头也在加快数字孪生布局步伐,行业竞争将进一步加剧。长期来看,伴随行业标准和体系逐步成熟,头部玩家会通过合并扩张、上下游合作等战略,加速构建技术、应用场景等方面竞争优势,市场集中度有望不断提升。 技术演进,推动数字孪生应用场景和应用深度拓展 数字孪生核心流程节点为数据、建模、仿真模拟和预测分析,主要难点在于多源数据的融合、三维可视化渲染以及模拟分析等。目前,大部分企业仍处于可视化阶段,尚未实现模拟分析,技术整体仍在快速演进中。随着基础理论和关键核心技术瓶颈不断突破,数据源、可视化、模拟仿真等要素将得到持续优化,推动数据集成类型和范围扩展以及建模效率和精度提高,从而进一步推动数字孪生应用广度和深度的提升。未来,伴随政策环境优化、技术演进及各行业数字化转型旺盛需求,数字孪生行业有望持续向好发展。根据 IDC 数据,到 2024 年,中国约 40% 的城市将通过人工智能及数字孪生技术实现现实世界与虚拟世界的融合,提高城市运行效率。 [ 1 ] 资料来源:中国电子技术标准化研究院:数字孪生应用白皮书(2020 版)。

    从脱贫攻坚到乡村振兴: 为世界减贫贡献中国职教方案

    多年来,西方国家为减贫投入了大量经济发展援助,但从效果看,情况依旧令人担忧。以伊斯特利为代表的相当一批学者认为,世界范围内人类发展面临着两大难题,一是全球数亿贫困人口至今仍挣扎在生存边缘,迫切需要获得更多发展援助;二是数年来西方发达国家持续输送经济援助但成效甚微,被称为“伊斯特利悲剧”。 我国正处于巩固脱贫攻坚成果向全面推进乡村振兴的转型时期,如何从根本上阻断贫困阶层的代际传递,是当前和今后一个时期我国社会发展的重要话题。中国特色职业教育从发展理念、发展思路、发展走向等维度探索出一条经济建设和人的发展相融合、摆脱贫困与振兴乡村相协调的发展道路,在推动我国经济发展、人口脱贫、乡村振兴等方面成效显著,为解决世界贫困人口的深度脱贫提供了理论镜鉴和中国方案。 探索“职教扶贫”实践路径,摆脱“快增长慢脱贫”恶性循环 “职教一人,就业一人,脱贫一家”,中国特色职业教育成为阻断贫困阶层代际传递的主要推动力。城乡一体化进程加速了农村劳动力迁移,无论是面向城镇迁移还是产业升级,职业教育在提高劳动者素质、提升劳动力资源配置效率方面都功不可没。它将不同性格禀赋、不同能力倾向的人进行适岗匹配,将个体需求同社会要求有机融合。 值得关注的是,经济增长和人口脱贫之间不存在必然联系,“快增长慢脱贫”的现象在低收入的非洲国家尤为突出。从发达国家和发展中国家的历史进程来看,经济增长助益贫困人口脱贫的前置条件,在于是否有配套完善的教育理念和福利政策。 在这一点上,中国从实际出发,打造具有中国特色的职教扶贫制度体系,中等、高等职业教育支持体系全方位覆盖,结合当地产教融合需要为建档立卡的贫困人口进行有针对性的职业与技能培训,从“可持续发展”的广度将物质扶贫与精神脱贫有机结合,实现地区发展与人的发展的协调推进。一是聚焦发展能力,赋能发展技能,进一步加强贫困人口职业技能培训;二是着眼发展定位,拓宽脱贫空间,进一步完善贫困人口救助帮扶机制;三是明确发展思路,壮大师资力量,进一步激发贫困人口的内生动力。实践证明,中国脱贫攻坚战取得彻底性胜利,从源头上瓦解了“快增长慢脱贫”的恶性循环,实现了摆脱贫困与高质量发展的“双赢”局面。 擘画“职教共富”核心理念,破解“高投入低产出”发展难题 “伊斯特利悲剧”的另一个待解难题在于“高投入低产出”的发展困境,究其原因,在于全球治理体系的供需失衡。全球治理体系下如何维系供需平衡、践行共同富裕的发展理念,人才的适用性是贯穿中国职业教育发展始终的核心课题。 从外部扶持力量来看,职业教育同发展经济、振兴乡村有着天然的联系,便于以市场经济为导向输送专业技术人员、夯实乡村振兴力量从而形成广泛的人才基础。中国特色职业教育实现了人才培养方式由单一技术赋能向兼具综合能力和职业素养的复合型人才跃迁,提高了农村劳动力资源的配置效率。 从内部发展动力来看,在物质贫困纾解的同时充实精神世界,是主体回归自我和对人的本质的超越。依靠传统教育方式传授技术技能不足以适应新时代人们对美好生活的需要,还必须激发从“要我发展”到“我要发展”的内生动力,不断追求超越自我价值,这是积聚乡村力量、提升个体获得感和幸福感的关键所在。 为此,中国特色职业教育注重内外兼修,从人才的适用性视角出发积极探索从脱贫攻坚走向共同富裕的发展通途,有效解决了长期以来困扰西方国家持续输入大量经济援助、但无法满足贫困地区人口发展所需引发的“不对症”问题,从方法上破解了“伊斯特利悲剧”中“高投入低产出”发展难题。 指明“职教中国”发展方向,构建“命运共同体”职教大联合 近年来,随着实力的不断增强,中国以实现贫困地区人口脱贫为最低目标,从“生命共同体”的高度指明中国特色职业教育的价值意蕴和发展方向,为助力乡村振兴、实现共同富裕奠定基础。 国内方面,中国已建成全球最大规模、影响最为深远的职业教育体系,有力支撑了我国成为全世界唯一拥有全部工业门类的国家,为世界人民的脱贫和共同富裕作出重要贡献。不仅如此,我国还通过实施东西部职教结对帮扶,以及面向退役军人、农民工、失业人员等群体开设职前职后培训等举措,形成了可复制、可推广、可持续的行动方案。中国特色职业教育在培养技能人才、服务乡村振兴等方面成效突出,是满足经济发展需要、建设人力强国的基础性工程。 国际方面,从人类整体利益出发搭建“一带一路”平台,将中国的职教帮扶方案和减贫发展经验同沿线各国分享,为世界发展不断输送人才资源、提供中国特色的教育公共产品。如具有中国特色的“鲁班工坊”已在19个国家落地实施,由中国职业院校开发的5项有色金属专业标准获批赞比亚国家专业教学标准等。通过加强战略合作和国际交流,帮助世界上亟待摆脱贫困但又苦于发展的国家和人民以新的理念和思考,在此基础上构建人类命运共同体视域下的职教大联合,为充分应对全球贫困治理,敦促各国形成相互包容、互利共赢的良好局面筑牢思想根基。 (作者吴琼工作单位系南京师范大学马克思主义学院,陈鹏工作单位系江苏师范大学教育科学学院。本文系2022年教育部人文社会科学研究青年基金项目“新中国成立以来中国共产党反贫困斗争的历史考察及经验启示”的阶段性成果) 作者:吴琼 陈鹏 《中国教育报》2022年09月20日第5版版名:职教周刊

    青岛:开启职业教育创新发展三年行动计划

    《青岛市职业教育创新发展三年行动计划(2022—2024)》日前正式发布,根据该行动计划,山东省青岛市未来3年将实施职业教育创新发展六大攻坚行动。 实施中职学校提质扩优工程。新建中职学校4所、改扩建中职学校3所,系统解决市区中职学校办学空间不足和区(市)部分职业学校办学质量不高等问题,推动中职学校办学条件全部达标、全面提质。到2024年,创建10所国家和山东省优质中职学校,创建30个国家和山东省特色中职专业,争创1—2项国家级教学成果奖,争取5所职业院校入选全国首批中德先进职业教育合作项目。 实施高职办学规模扩增工程。争取新建两所高职院校,持续推进青岛职业技术学院等院校建设,扩大高职办学规模。到2024年,全市高职院校达13所,在校生超过12万人。 推进职业本科教育突破工程。积极支持优质高职院校发展职业本科教育,支持青岛职业技术学院等院校创办职业教育本科院校,支持青岛酒店管理职业技术学院等5所院校开办酒店管理等职教本科专业10个,本科在校生规模超过3000人。 推进现代职教园建设工程。推进青岛现代职教中心学校、莱西市职教中心学校新校区等项目建设,积极支持在青高职院校到现代职教园办学。到2024年,园区在校生规模将超过3万人,每年至少提供1万名高素质技术技能人才。 推进职业教育产教深度融合工程。持续推进国家产教融合型城市建设试点,推动每所职业院校至少与10家行业企业开展深度合作,遴选30个国家级、省级和市级产教融合型企业,支持职业院校联合行业领军企业建设10个以上示范性现代产业学院。 推进职业教育人才培养改革工程。构建“四位一体”的职业院校人才培养格局,推动中职学校向“就业与升学并重”转变,进一步完善综合高中和普职融通办学模式。 来源:中国教育报

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