國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）根據《國家自然科學基金“十三五”發展規劃》優先發展領域和新時代科學基金深化改革戰略部署，在深入研討和廣泛征求科學家意見的基礎上，現發布“十三五”第四批8個科學部52個重大項目指南（見附件），請申請人及依托單位按重大項目指南中所述的要求和注意事項提出申請。

附件1：

數理科學部重大項目指南

2019年數理科學部擬資助6個重大項目。項目申請人申請的直接費用預算不得超過2000萬元/項。申請書的附注說明選擇相關重大項目名稱，例如“最優化問題的人工智能方法”。 

“最優化問題的人工智能方法”重大項目指南

最優化理論是應用數學的重要分支，它在國防軍事、經濟金融、交通運輸、工業工程、信息科學和航空航天等領域的重大問題中發揮非常重要的作用，特別是在新一代人工智能技術革命中，最優化思想與方法發揮著越來越重要、有時甚至是關鍵的作用。反過來，新一代人工智能技術的發展，凸顯了傳統最優化方法的諸多局限，也給最優化方法提出了許多挑戰。例如，傳統優化方法的設計原理往往以局部為導向，設計策略沒有充分利用歷史迭代信息和已有經驗等先驗知識，設計方式未考慮與具體問題的適配性。而人工智能技術注重以全局目標為導向，強調充分利用已有經驗數據和環境交互信息，采用與實際問題相適應的方法等。人工智能技術的蓬勃發展，既給最優化理論的發展帶來了重要機遇，也給最優化理論發展給予了重要啟示。因此，開展最優化問題的人工智能方法研究，具有重要的理論意義與應用價值。本項目通過開展連續優化的自主學習方法、多目標優化的機器學習方法、混合整數規劃的人工智能方法和組合優化的深度強化學習方法等研究，發展基于人工智能的自適應、自學習的全局優化方法與理論，并利用這些方法解決幾類典型最優化問題。隨著本研究項目計劃的實施，將極大地推動該領域在我國的發展，培養更多的青年數學家從事這一領域的研究，形成一支具有國際一流水平的最優化研究隊伍，加強我國在這一重要領域的國際影響力。

一、科學目標

本項目研究最優化問題的人工智能方法，面向最優化理論與方法的學科前沿，針對傳統最優化理論與方法的局限，通過揭示人工智能技術中的一些新思想和新方法，開展以全局最優化為導向的最優化問題的人工智能方法研究，建立若干新理論和新方法，設計一系列高效算法，并在解決幾類典型最優化問題方面取得突破。通過本項目的研究，從根本上突破傳統最優化方法的局限，實現最優化理論的新發展，顯著提升我國最優化領域的研究能力和研究水平。同時，也為人工智能技術革命、為解決國計民生中的重大優化問題提供新的方法。

二、研究內容

（一）連續優化的自主學習方法。

通過模擬人工智能的自適應學習原理，分析連續優化方法的共性構造特征；對幾類典型的連續優化問題，研究其人工智能方法與理論；建立參數自調節，方向自選擇的自適應迭代優化算法；通過建立連續函數空間的學習理論，為自適應優化算法建立理論基礎。

（二）多目標優化的機器學習方法。

針對各類多目標優化問題，利用機器學習方法分析各個目標間的沖突，構建自主協調策略；針對非凸多目標優化問題，建立其凸化問題的機器學習方法；針對非光滑多目標優化問題，建立光滑化的機器學習方法；發展多目標優化問題簇的元學習方法與理論。

（三）混合整數規劃的人工智能方法。

針對各類混合整數規劃問題，充分利用問題類別與歷史數據信息，構造分支與節點選擇、割平面、啟發式調用等的自適應策略，設計高效的混合整數規劃的人工智能方法；建立這些方法的評價與反饋機制，發展求解混合整數規劃的方法與理論。

（四）組合優化的深度強化學習方法。

針對各類組合優化問題，通過分析其共性結構，研究不同類型的組合優化問題的表示方法和特征提取方法、價值網絡與策略網絡的構造方法；研究相應的訓練算法和策略搜索算法；建立機器學習與優化方法的混合迭代算法框架；建立算法的評價與反饋機制，發展計算復雜性理論。

（五）典型問題的應用。

結合信息科學與技術、管理科學與工程、交通運輸等學科，應用前面所發展的方法與理論解決國家重大需求和瓶頸技術中的幾類典型最優化問題，驗證其方法的有效性、可行性和優越性。

“力學超材料/結構波動

能量輸運與調控”重大項目指南

現代工程裝備結構設計需要同時兼顧靜態承載與動態波調控能力，目前缺少有效的動態設計方法嚴重制約了高效低頻波控功能材料和結構的研制，已成為水聲隱身、航天結構抑振等重大工程中急需解決的瓶頸問題。以高剛/強度等靜特性為設計目標的材料與結構難以同時具備高效波動能量耗散與調控能力。高比剛度/強度本質上需要加強對材料變形的內在約束，但也相應減弱了其與低頻波動能量的有效作用。近年來，力學超材料通過微結構甚至微機構設計，調節材料/結構局部變形模式，不僅能實現豐富的新波動現象，而且為低頻聲/彈性波控制提供了新思路。其中，亟需著重研究的重大科學問題是：材料/結構局部變形對波動的作用機理及與整體承載性能之間的協調關系。本項目建議針對這一重大科學問題，從力學、材料和機械等多學科融合的角度開展系統研究，揭示力學超材料/結構中的能量輸運及波動特性，及與釋放變形/運動約束之間的時空關聯;建立適用于力學超材料的動態均勻化理論，發展定量表征微結構與波動能量時空耦合規律的波動力學方法;提出力學超結構用于能量傳遞、俘獲及耗散的新機理，建立聲/彈性波寬低頻功能結構的一體化設計方法。本項目研究將為功能材料與結構動態設計提供理論基礎，還將進一步融合“材料”、“結構”和“機構”三大力學研究對象，形成新的交叉學科方向。

一、科學目標

聚焦重大工程裝備中對寬低頻波動控制的迫切需求，利用力學超材料所具有的低頻波調控能力，研究力學超材料對波動能量調控機理和設計方法，發現新的波動規律，建立相應的表征方法和一體化設計理論，并用于指導高剛高阻尼材料研制和寬低頻減隔振及水聲控制設計。通過項目研究，為力學超材料/結構的設計及應用奠定理論基礎。

二、研究內容

（一）力學超材料的波動能量傳輸機理與調控。

通過深入研究微結構對局部變形模式的調節，揭示釋放局部變形約束對力學超材料中能量傳輸的影響規律；探索新的波動調控機理，進一步指導高剛高阻尼以及寬低頻波動強耦合的力學超材料設計；在此基礎上通過力與電、磁、熱等能量形式間的耦合，發展力學超材料波傳播的主動控制方法。

（二）力學超材料均勻化方法和波動力學。

建立能夠描述時變、主動、非互易等性能的廣義連續介質理論，闡明材料微結構與波動的耦合規律；揭示微結構與波動能量時空耦合規律及宏觀現象，發展力學超材料動態均勻化和微結構設計方法；給出波傳播特性與材料時空分布的定量關系，建立聲/彈性波軌跡控制的設計理論。

（三）力學超結構功能一體化設計方法及應用。

研究力學超結構中能量傳遞、俘獲及耗散機理，發展力學超結構功能一體化設計方法，指導高剛高阻尼材料、新型吸/隔聲結構的優化設計；面向航天結構及水下裝備應用需求，研究寬低頻減隔振和波傳播軌跡控制的功能結構,發展相應的測試、表征方法并進行實驗驗證。

“基于FAST深度觀測的

天文前沿課題研究”重大項目指南

原子氫氣是宇宙重子物質的重要組成成分，其存在于星際介質的質量遠大于恒星的總和。氫氣由原子態向分子態的演化，開啟了恒星的形成過程。恒星的死亡，特別是超新星爆發，進一步豐富了宇宙物質，直接產生具有極高磁場和密度的中子星，其射電脈沖的發現和雙中子星系統的發現兩次獲得諾貝爾物理學獎。20世紀后半期以來，通過射電觀測研究原子氫氣和中子星射電脈沖信號一直是重大的天體物理基礎前沿。

500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）是目前世界上最為靈敏的低頻射電望遠鏡（<3GHz)。原子氫和脈沖星是FAST的主要觀測目標。射電觀測結合多波段巡天包括分子成圖，是研究宇宙物質循環的必要基礎。射電脈沖星的發現和準確測時，是研究宇宙奇異物質狀態、精確引力檢驗、致密天體雙星系統演化和約束引力波背景的觀測基礎。射電波段探測時域信號也有獨特的優勢。近年來快速射電暴、引力波事件等重大發現都有射電頻段的時域暴發或變源。系外行星也預期有射電信號，將可能約束系外行星的磁場等在其他波段難以探測的參數，對探究太空生命的生存環境至關重要。

本項目立足FAST，結合國際先進的多波段巡天，針對星際介質和中子星相對集中的銀河系盤和最近的河外漩渦星系M31，對中性氫、脈沖星、時域暫現源開展深度積分觀測，加深對宇宙物質演化及奇異物質狀態的理解，改善引力檢驗及低頻引力波探測的精度，力爭時域天文的重大發現。

一、科學目標

本項目基于FAST開展深場巡天，充分發揮其絕對靈敏度的優勢，同時搜尋脈沖星和測量原子氫氣譜線，系統地發現和研究中子星、開展深度中性氫成圖和吸收線觀測，搜尋快速射電暴、引力波對應體、行星-系外行星及褐矮星的射電信號。

集中覆蓋銀盤和M31系統，開展脈沖星巡天，顯著擴充脈沖星樣本，爭取首次發現河外漩渦星系中的射電脈沖星。進行脈沖星高精度測時觀測，研究其自轉不穩定性產生機制，提高引力波探測精度。獲取面密度靈敏度領先世界的中性氫局部天圖，為研究星系際星際介質、河外星系結構和運動特性等提供新途徑。結合多波段觀測和數值模擬，研究銀河系和近鄰宇宙的重子物質、致密物質和暗物質結構，在星系組分、形成演化方面取得突破。

二、研究內容

(一)銀盤、M31中的脈沖星搜索及引力檢驗。 

實現創新的中性氫和脈沖星搜索同時觀測模式。全面覆蓋FAST天區之內的銀盤，實現0.01毫央的搜索靈敏度。

建立高效的深場拼接觀測方案，開發深度學習及數據庫等創新方法，系統發現脈沖星。

開展多個設備包含FAST自身的認證和后隨測時觀測，力爭發現M31中的脈沖星和包括雙中子星、黑洞-脈沖星雙星在內的極端引力實驗室。

（二）脈沖星高精度測時和轉動變化研究。

系統開展脈沖星高精度測時觀測，研究脈沖星自轉不穩定性，尤其是短時標自轉微擾與輻射狀態的關聯，揭示脈沖雙星物理和演化規律。

建立中國脈沖星測時陣，聯合國際觀測數據，提高引力波測時陣的探測精度。

（三）利用 FAST 中性氫深度探測研究銀河系重子物質分布和演化。

發展創新的中性氫吸收線和自吸收觀測方法，深度測量銀道面的中性氫，系統獲取銀河系冷氣體的溫度和光深。

結合“銀河畫卷”等大型分子巡天，描繪銀河系氣體演化。測量分子云形成時標，約束銀河系暗氣體成分，揭示近鄰宇宙銀河尺度的氣體結構。

（四）基于 FAST 中性氫星系觀測和數值模擬的近鄰星系研究。

獲取完整的M31及周邊的中性氫圖像，在面密度深度上均達到世界領先的水平。

搜集、獲取M31多波段的觀測數據集，完整描繪其塵埃、氣體、恒星的相對分布。

建立先進的數值模擬模型，結合多波段觀測，細致刻畫星系內部的動力學過程。結合旋轉曲線、高能觀測、脈沖星色散量等多種手段約束近鄰宇宙的溫-熱重子物質數量和暗物質暈結構。 

（五）宇宙瞬變現象觀測和物理。

建設FAST在時域高速采樣的觀測能力，改善以FAST為核心的甚長基線（VLBI）觀測能力，開展包括快速射電暴、引力波事件和行星、褐矮星等對象的射電信號搜尋。力爭在快速射電暴的觀測約束、系外行星的射電探測方面取得突破性發現。

結合多波段觀測，研究宇宙瞬變現象的起源和物理機制。

“超大質量黑洞的反響映射

觀測及理論研究”重大項目指南

超大質量黑洞形成、并合及其宇宙學演化，黑洞活動觸發機制，黑洞與星系相互作用以及共同增長等是天文學和物理學交叉前沿問題。貫穿這些前沿問題的核心是精確測量黑洞質量等基本參數，及準確描繪黑洞環境介質的空間分布和動力學狀態。反響映射觀測是實現以上目標的強有力手段。

利用反響映射觀測可以獲得黑洞基本物理參數及其環境信息，包括高精度測量黑洞質量、檢驗黑洞的吸積狀態、研究電離氣體的動力學和空間分布以及吸積原料等不同尺度上的物理過程；從氣體動力學信息甄別大質量密近雙黑洞，測量雙黑洞的軌道參數，研究其低頻引力波性質；深化理解黑洞與星系的共同演化，特別是其中的超愛黑洞作為新型的標準燭光可測量高紅移宇宙膨脹歷史，有望突破超新星測量極限。反響映射觀測將推動黑洞天體物理、測量宇宙早期膨脹歷史和引力波性質三大研究領域的交叉與融合，充分發揮我國學者在相關領域的優勢，取得一批重要成果。

一、科學目標

本項目將圍繞三大科學目標利用反響映射等方法對黑洞及其相關效應開展深入研究，期望取得如下重要進展：1）實現高精度測量黑洞質量，構建超愛黑洞大樣本；2）發現大質量雙黑洞并構建首個小樣本，為低頻引力波探測提供光學觀測基礎；3）實現超愛黑洞測量高紅移宇宙膨脹歷史。擬解決如下關鍵問題：建立精確的寬線區模型和高精度的黑洞質量標度關系；測量種子黑洞質量、大樣本黑洞質量分布函數、檢驗快速增長機制和超愛黑洞的宇宙學演化，探討大質量黑洞形成；建立超大質量雙黑洞甄別方法，特別是研究低頻引力波輻射、光譜特征和光變特性之間的關系；減小超愛黑洞飽和光度的本征彌散以提高黑洞燭光測距精度。

二、研究內容

（一）反響映射觀測與高精度黑洞質量測量。

選擇各主要物理量分布均勻的活動星系核樣本。通過反響映射觀測：獲得不同發射線對連續譜的響應性質，包括重建速度分辨的響應函數等、測量黑洞質量；建立不同紅移處的高精度標度關系；結合高空間分辨觀測和偏振數據實現高精度黑洞質量測量（精度好于50%）。

（二）超愛黑洞與雙黑洞的物理性質。

根據觀測數據，建立物理模型揭示黑洞周圍氣體輻射、動力學和空間分布；探討寬線區起源和中心引力場性質。綜合反響映射和高空間分辨率觀測，辨別雙黑洞的各種物理效應，獲得有效的甄別判據，建立雙黑洞小樣本。開展多波段連續譜觀測，檢驗超愛黑洞和雙黑洞吸積過程。

（三）大質量黑洞形成與宇宙學演化。

將建立的高精度標度關系應用于類星體大樣本，獲得黑洞質量分布函數以及宇宙學演化性質；探討種子黑洞與原初黑洞形成、雙核星系演化與雙黑洞形成、低頻引力波背景輻射；研究超愛黑洞比例的宇宙學演化，揭示以超愛吸積為機制的黑洞快速增長過程；理解超大質量黑洞與寄主星系復雜的協同演化關系。

（四）黑洞燭光的宇宙學應用。

深入研究超愛黑洞的燭光性質，進一步減小黑洞燭光的本征彌散，提高測距精度。建立寬紅移范圍的黑洞燭光樣本，結合Ia型超新星距離定標，利用黑洞燭光優勢測量宇宙不同紅移處的哈勃參數和宇宙膨脹率，檢驗標準宇宙學模型。

“微納器件中非平衡物理過程研究”重大項目指南

非平衡物理過程在固態微納電子器件、光電探測器、光伏能源器件、熱電器件等應用領域中都扮演著十分重要的角色。隨著傳統微納器件不斷接近平衡或近平衡器件的物理極限，基于非平衡物理過程發展新的器件原理，成為突破傳統器件性能極限、產生變革性器件技術的重要方向之一，將對集成芯片、光電產業、國防、航空航天、能源等國家重大安全戰略和國民經濟核心領域產生積極的推動作用。本項目針對微納尺度固態器件中普遍存在的非平衡物理過程進行系統的理論和實驗研究，特別是在使役條件下微納器件非平衡態物性調控和原位檢測，發展新的非平衡理論方法，實現非平衡過程內稟電荷漲落及其太赫茲輻射顯微成像，研究微納結構中非平衡熱載流子輸運性質，揭示微納器件中的非平衡態特征，發現微納尺度非平衡物理過程的電光聲熱相互作用機制和物理規律，進一步提升后摩爾時代微納電子器件的熱管理性能，闡述突破現有光電和熱電器件轉換效率的物理途徑。通過發展微納非平衡動力學相關的物理理論和實驗技術，助力信息、能源等相關學科方向的發展。

一、科學目標

項目針對微納器件中的非平衡物理過程開展從理論到實驗的系統研究，圍繞微納尺度器件中典型的能量轉換動力學，從電子、聲子、光子多個角度開展系統深入的研究，揭示微納器件非平衡態的形成、演化過程規律及其亞穩態特征，發現具有顯著非平衡特征的物理現象，全面認識使役條件下固態微納器件的非平衡特征及非平衡物理過程對固態微納器件性能的關鍵作用。建立對微納電子器件、光電探測器、光伏電池、熱電器件等性能提升具有指導性價值的模型和理論，制備基于非平衡態的新型電子器件和光電器件。通過研究，豐富和發展固體非平衡統計理論，為微納器件的研制提供新理論、新方法和新思路，形成微納科技領域我國科學家的學術思想，建設微納非平衡動力學方面具有國際影響力的研究隊伍。

二、研究內容

針對微納器件中非平衡物理過程，開展理論新模型、測量新方法、器件新機理三方面的協同性與系統性研究。重點發展納米尺度上具有非平衡熱載流子內稟電荷漲落檢測能力的顯微實驗技術，尤其是能反映熱載流子密度漲落超快動力學過程的太赫茲波段輻射納米顯微檢測技術，建立微納器件非平衡物理過程的理論框架，從而揭示固態微納器件在使役條件下的非平衡物理過程及物理規律。

研究內容包括：

（一）微納固態器件的非平衡態物理理論和模型。

結合量子力學和量子統計理論系統建立微納器件非平衡態物理理論，包括電荷非經典擴散輸運、光學近場效應、納米熱效應、熱電子馳豫、電聲退耦合、以及半導體在高溫、高壓、輻照等極端非平衡條件下的摻雜理論模型等，建立固態微納非平衡態理論框架并對實驗做出解釋和預測。發展光電探測和光伏、熱電器件中吸收增強和熱載流子高效抽取現象的唯象理論。

（二）微納結構中載流子非平衡特征表征新方法。

探知非平衡熱載流子內稟屬性，發展納米尺度上基于熱載流子內稟電荷漲落屬性的新型非平衡態檢測技術，重點建立揭示熱載流子微觀輸運過程中電流超快漲落特性的太赫茲近場顯微方法和直接獨立測量微納區域電子溫度和晶格溫度的新方法，并探索其在微納器件中非平衡載流子跟蹤和實空間成像中的應用，揭示微納器件中實空間熱載流子的電荷漲落分布與器件功能的關聯性，形成我國在相關領域的知識產權和關鍵技術。

（三）微納固體器件使役條件下的非平衡態物性。

研究半導體器件在高場激發下的非平衡載流子輸運性質。通過對熱電子和熱聲子各自溫度顯微分布的耦合與解耦合等特性研究，探索場效應晶體管、高電子遷移率晶體管等典型微納器件單元的非平衡態特征及其微觀機制，通過對內稟電荷漲落特性的檢測揭示器件使役條件下的微觀能量轉換和演化動力學過程，對器件面臨的焦耳熱等瓶頸問題進行微觀溯源，系統研究非平衡載流子輸運過程和能量弛豫機制。研究以光電探測器、太陽能電池、熱電器件為代表的光電和能源器件在使役條件下的非平衡載流子空間分布及其隨外場調制的演化特性，系統研究光激發或熱電激發非平衡載流子輸運過程和能量弛豫機制。

“激光等離子體尾波加速

機制及其技術研究”重大項目指南

粒子加速器始終推動著人類科學技術進步，并對人們的生產生活產生越來越廣泛而深刻的影響。近年來隨著超短超強激光脈沖技術的發展，基于激光等離子體尾波的新加速機制可以提供比傳統加速器高至少3個量級的加速梯度，有望成為下一代緊湊型自由電子激光和TeV正負電子對撞機的加速方案，在世界范圍內得到了快速發展。然而當前激光等離子體尾波加速的電子束品質、最大能量和平均流強與傳統加速器相比還有一定的差距。這其中電子束品質與最大能量的進一步提升都需要激光加速機制本身的進一步突破。在品質提升方面，高品質電子注入與加速階段能量去啁啾至關重要；在能量提升方面多束激光驅動的尾波級聯加速必不可少；此外在應用方面，通過尾波加速電子束與強激光場、新型等離子體波蕩器或者傳統加速器波蕩結構的耦合，產生獨特的輻射源是關鍵所在。為此，本項目擬通過對激光尾波加速在注入、加速、耦合輸出的三個階段開展研究，以期進一步提升電子束品質，解決影響級聯和耦合效率中的關鍵問題，并將基于尾波加速電子束的輻射向強中紅外和伽馬射線源寬頻段拓展。

一、科學目標

針對激光尾波加速在未來緊湊型自由電子激光、高能正負電子對撞機、以及面向科學、醫學和工業應用中新型輻射源產生中的關鍵問題，從理論、模擬和實驗三方面對激光尾波加速中的注入、加速和耦合應用三階段開展系統深入的研究。全面提升注入段全光注入電子束的品質；實現傳統加速器電子束與尾波加速結構之間的耦合；探究基于等離子體結構的激光導引和雙激光尾波有效級聯加速；通過加速段的能量去啁啾機制，進一步縮小電子束的能散；通過尾波光子減速機制實現強中紅外輻射源；利用尾波加速電子束與對撞光的湯姆遜散射實現高頻伽馬輻射源。本研究將進一步提升和拓展激光尾波加速電子束的品質和應用潛力，解決其在超緊湊輻射源和高能物理應用中的關鍵問題；顯著提升我國在新型等離子體加速和應用領域的創新能力，形成一支在本領域具有國際一流水平的研究隊伍，為建設激光等離子體電子加速器用戶裝置奠定基礎。

二、研究內容

（一）高品質激光尾波加速電子注入和能量去啁啾研究。

通過氣體結構調控，優化電子束注入過程，抑制電子束在加速過程中產生的二次注入、引入能量啁啾補償等方案，將電子束能散壓縮至最低；探索利用雙色激光離化注入，控制離化注入長度，進一步降低電子束的能散并提升橫向發射度品質；通過對加速段等離子體密度分布的有效調控，完成電子束相控間操控，實現能量去啁啾，進一步降低電子束能散。

（二）雙激光尾波加速級聯和尾波與傳統加速結構的高效耦合。

利用等離子體結構實現超短超強激光導引，探索雙激光尾波加速結構之間的有效耦合，實現雙激光尾場的級聯加速；開發傳統加速器與激光尾場加速結構間的高精度時空同步技術，實現傳統加速器高品質、低能電子束向具有高加速梯度的激光尾波結構的耦合。

（三）拓展基于激光尾波加速的輻射源研究。

通過對等離子體縱向結構的有效調控，激發強的激光尾波場，并利用光子減速等機制，實現從強驅動激光到高功率相干中紅外脈沖以及太赫茲脈沖的轉換；通過改善電子束的各項性能，分別實現低能散度、高電量、低發散角的電子束流，利用這些束流顯著提升基于尾場波蕩的超快X射線輻射光源的性能；通過高時空精度的激光尾波加速電子束與強激光場的對撞，實現全光非線性湯姆遜散射，獲得光子能量達到兆電子伏特量級的伽馬射線輻射。

文章來源：國自科

IEEE Spectrum

《科技縱覽》

官方微信公眾平臺