国外高校电气工程学科发展状况调研.doc

国外高校电气工程学科发展状况调研摘要：为了掌握国际电气工程学科的发展动态，了解学科发展方向，本文对国外五所知名高校电气工程相关学科的情况进行了调研，主要关注研究方向设置与科研组织结构两个方面的内容。希望通过学科调研与分析获取信息和方法，从而为我院的发展提供参考。需要说明的是，因国际著名大学与电气工程相关的学科，基本都是与其他学科实质交织和融合在一起的，如电气与计算机、电气与电子等，因此所介绍的相关大学电气工程学科情况都是基于此的。一、麻省理工学院（MIT）MIT的工程学院在世界上享有盛誉，在美国新闻周刊发布的美国研究生院专业排名中，该校工程学院多次名列首位。2008年，MIT的电力/电子/通信工程专业全美排名第1，在一定程度上反映了国际电力/电子/通信工程学科的发展方向。MIT电气工程与计算机科学系隶属于工程学院，包含五大研究领域，分别是：系统、通信、控制与信号处理，计算机科学，电子、计算机与系统，工程物理，生物电工程。五大研究领域下聚集了一大批知名科学家、学者，他们的研究工作往往并不拘泥于一个方向，而是在多个领域都取得了突出的成绩。其中工程物理领域中涉及电气工程学科的研究内容，该领域包括九个研究主题（topics）：电磁、光子、电力、能量、材料、装置、微系统、纳米技术和信息物理。九个研究主题之间没有界限，而且工程物理领域与该系其他领域之间也没有界限，学科之间高度交叉融合。工程物理领域根据研究方向形成的团队及其研究内容主要有：研究团队1：电磁机械连续统一体研究团队该团队的研究方向涉及：高电压工程，物理化学，电气力学，流体和固体机械，量化生理学，热群传递，生物材料科学，自动控制等。研究团队2：电动机械及电力系统工程研究团队该团队的主要研究方向涉及：高频、高功率密度电力电子电路，电力电子系统的建模与微型计算机控制，高功率半导体装置描述，电磁干扰最小化电路的建模与组合，高性能电力机械，变速电动机驱动，高速磁悬浮地面交通，物理过程的微电传感与激励，微型电动机械激励器和传感器的开发，电动机械和电力系统的设计、控制和仿真，可再生能源发电，大规模可再生能源电力接入，变压器寿命评估的趋势分析，电力系统建模，电力系统设备监视，先进的电厂控制方法，电厂电力系统的小型计算机预测和保持模型，用户交互式电能定价新概念的实现，交流能量等。研究团队3：高压研究实验室该团队的主要研究方向涉及：电力传输中的高压发电与绝缘，静电现象的控制与测量，充电粒子束的产生，高压传导与崩溃现象的光电测量等。研究团队4：电磁波理论及应用研究团队该团队的主要研究方向涉及：专门针对地球微波及毫米波频率范围的远程传感，陆地及宇宙区域的地球物理学地下探测，微电子集成电路，解决电磁问题的数字方法，用于微波及毫米波装置和连接的超导电子研究，用于飞行器控制的器械着陆系统和其他精度着陆系统电磁接口的分析。研究团队5：无线电和光学系统研究团队该团队的主要研究方向涉及：采用微波和红外光谱从卫星观测地球的大气温度和湿度剖面的分析方法的开发，大气微波光谱的观测及理论预测，采用微波和红外光谱从卫星观测地球的大气温度和湿度剖面的神经网络和其他恢复方法的开发。研究团队6：等离子体研究团队该团队的主要研究方向涉及：可控聚变能量产生（含磁约束等离子体，惯性约束等离子体），空间等离子体现象（含离子横向加速，不稳定辐射或强烈电磁辐射研究），高能微波研究（含高能微波源，光子学结构研究，用于光谱学的太赫兹微波仪，加速器物理工程），基础等离子体电气力学（含线性波的传播与模式变换，等离子体绝对不稳定性和传送性不稳定性的时空分析、连续媒体振荡器和空间放大器，线性和非线性波-粒子、波-波交互作用，连贯及混沌动态、解决方法及时空混沌）。研究团队7： 光学及量子电子学该团队的主要研究方向涉及：激光技术，光纤光学和光纤激光，光子学设备制造和描述，非线性交互作用，超短光脉冲的产生和应用，超速现象的测量，光学、电子学超快速信号处理，精确光学频率测量等。研究团队8：光学成像和X线断层摄影术研究团队该团队的主要研究方向涉及：高速、高分辨率成像的光学一致性X射线断层摄影技术，光学显微镜法和共焦显微镜法，超短脉冲激光成像技术，分光镜显微镜法及X射线断层摄影术，图像处理、重构和智能算法，导管、内窥镜光学仪器的开发，图像引导微型手术，心脏病血管内成像，采用光学一致性X射线断层摄影术的癌症诊断，光学一致性X射线断层摄影术的眼科应用，采用新型光学成像技术的视网膜疾病诊断等。研究团队9：短波激光研究团队该团队的主要研究方向涉及：小型短波激光设备的实验性开发，采用分析计算模型的EUV、柔性X射线激光的理论设计和分析，X射线激光共鸣器的开发（理论上及实验上），中等密度等离子体中适度离子化离子动力学过程的相对论原子物理计算，用于光谱学、生物、材料及其他研究领域的小规模实验室X射线激光技术的开发应用的理论研究（最终实验化），高度剥离离子的QED自释能现象分析等。研究团队10：光信息处理研究团队该团队的主要研究方向涉及：光信息处理材料、设备和系统的开发，光处理结构、算法和系统研究（如：光干涉引擎，联想记忆，神经网络），实时光电寻址空间光调节器和镓砷、硅中优选像素阵列的开发。研究团队11：超导电子研究团队该团队的主要研究方向涉及：采用超导-绝缘体-超导体连接的THz外差接收器开发，使用高TC超导体制造的Josephson装置的构造和描述，高TC SQUIDs（超导量子干涉装置）的开发，高TC超导毫米波、红外探测器的开发，采用超导/半导混合体的远红外固态激光的开发，半导体量子设备中量子传送现象研究等。研究团队12：纳米技术研究团队该团队的主要研究方向涉及：纳米电子学、纳米磁学，纳米/微光学，纳米材料和纳米生物材料，纳米制造和自组合，纳米生物技术，纳米/微机械学和应用流体学，纳米仿真和数字建模，量子信息处理等。二、威斯康辛大学麦迪逊分校威斯康辛大学麦迪逊分校的电气与计算机工程系是全美最好的电气与计算机工程系之一。该系的教师们活跃于各自研究领域的前沿，微型电网（Microgrid）的概念就是由该系Lasseter教授最先提出。该系的研究涵盖了电气与计算机工程学科的各个专业。该系的许多教师和学生从事着多个领域的跨学科研究，如：材料科学、动态系统、空间科学、制造系统、聚变和应用概率。这必然要求与其他教师进行跨系合作，如与医药、计算机科学、物理和数学等领域的合作。学校通过许多跨学科的研究中心以及与工业界建立联系加强交流与合作。这些研究中心中大都有着工业界的直接参与，从而满足学生获取现代工业界研究进展第一手资料的需求，并在工业界和院系间建立紧密的联系。研究领域电气与计算机工程系拥有四大研究领域，分别是应用物理、计算机工程、电力工程和系统。这四个领域下的研究方向及内容分别为：（1）应用物理应用物理的研究方向有电磁场与波、固态与微电子、光子学、等离子体与可控聚变。电磁场与波的研究内容包括：用于通信的微波集成电路、用于（聚变）等离子体加热的高功率微波束形成反射系统、高功率微波的电子束源（真空电子）、微波辐射在材料处理中的应用、微波扫描探针技术及计算电磁模型。固态与微电子的研究内容包括：采用测量和建模对人工半导体结构中运输动态的解释，超快速电子与光电子设备的制造与描述、基于MEMs的微驱动器和微传感器的制造、用于集成电路的先进光刻与处理技术、生物电子学。光子学的研究内容包括：高功率半导体二极管激光、有源光子晶格激光、光栅表面发射激光、垂直腔表面发射激光、带间过渡量子阱半导体激光、量子盒激光、光电子设备（如：光放大器）、基于先导波的光调制与切换、用于光逻辑和光信号处理的光电设备、新型材料结构（如：非线性光栅）。等离子体与可控聚变的研究内容包括：工业等离子体与聚变等离子体的应用。（2）计算机工程计算机工程包含的研究方向有计算机结构和计算机辅助设计与测试。计算机结构的研究内容包括：高性能、高功率效率单处理器和多处理器系统，特殊用途结构，重构计算，分布式实时与故障容错计算机，网络化计算机。计算机辅助设计与测试的研究内容包括：可扩展设计环境，物理设计与布局，电路设计，互联设计，逻辑合成，基于FPGA的设计，测试模式生成，故障仿真，内置自检技术。（3）电力工程电力工程包含的研究方向有电机、电力电子和电力系统。电机的研究内容包括：新材料潜能的开发，现代电力电子变换器控制能力的最优化应用，实时数字控制器，电力电子驱动，在空间、电动汽车和其他应用领域中采用高性能机电执行器代替液压系统。电力电子的研究内容包括：电力电子控制与变换在电动汽车驱动和燃料电池功率转换器中的应用，性能、价格、可靠性高的新一代集成电力电子模块（IPEMs）的开发。电力系统的研究内容包括：电力系统高效运行、电力系统可靠性、电力系统实时控制和计算机分析工具、大电流电力电子组件、分布式发电、实时电力竞价和相关市场活动。（4）系统系统包含的研究方向有控制、通信、信号处理和生物医药。控制的研究内容包括：反馈系统的基本原理、分析与设计及其在飞行器、电动汽车、反应堆控制、机器人、电力系统设计和经济政策分析中的应用。通信的研究内容包括：无线通信、计算机通信网络、通信系统仿真、基于图形的编码与解码技术、密码、水印和信息理论。信号处理的研究内容包括：语音处理、图像处理、模式识别、声学、光处理、自适应滤波、滤波器的并行实现、生物医药信号分析。生物医药的研究内容包括：生物医药系统的所有领域，如传感器、电子、微电脑子系统、成像、信号处理、生理系统的数学建模。科研组织设置电气与计算机工程系通过隶属该系的实验室和跨学科组织的研究中心和实验室开展研究工作。具体实验室和研究中心名称如表1所示： 表1 电气与计算机工程系相关实验室和研究中心隶属电气与计算机工程系的实验室跨学科组织的研究中心和实验室 计算电磁学 计算机控制与仪表 数字微处理器 数字信号处理 EDA：系统设计与测试 集成光学 激光等离子体灵敏成像 高功率微波器件 高功率微波材料 医学仪器与生物医学计算 微电子与集成电路制造 微系统技术 微波器件、电路与天线 现代反馈控制 非线性系统 旋转电机与电力电子 机器人 VLSI设计与设计自动化 无线通信 生物医药工程中心 纳米技术中心 等离子体理论与计算中心 HSX等离子体实验室 材料研究科学与工程中心 Reed光子学中心 电力系统工程研究中心 Wisconsin应用微电子中心 Wisconsin电力电子研究中心 三、北卡罗莱纳州立大学北卡罗莱纳州立大学电气与计算机工程系是该校历史最为悠久的院系之一，1893年开设第一门电气工程课程，1900年授予第一个电气工程学位。100多年来，电气与计算机工程系日渐壮大，其声望不断提高，在工程学界独树一帜。研究领域电气与计算机工程系的科学研究工作涉及八个领域，每个领域下又包括多个研究方向。（1）生物电子工程该领域研究方向包括：生物电磁学、生物仪器、生物机电一体化和仿生系统。（2）通信与信号处理该领域研究方向包括：数字通信、数字信号处理和图像分析与计算机视觉。（3）计算机结构与系统该领域研究方向包括：嵌入式计算机系统，存储系统/存储管理，微处理器结构，并行与分布式计算机结构，安全与稳定/故障容错计算，软件与最优化编译器，VLSL与计算机辅助设计。（4）控制、机器人与机电一体化该领域研究方向包括：计算智能、控制、机器人与仿生学。（5）微波，RF，模拟与数字该领域研究方向包括：嵌入式计算机系统，模拟电路，计算机辅助设计/建模，数字电路，电磁场/天线分析，微波装置与电路及VLSL。（6）纳米电子和光子该领域研究方向包括：III - V 材料与设备，光学材料与光子设备，量子工程，硅设备与制造。（7）网络该领域研究方向包括：计算机通信，数字性能分析，网络安全，网络服务与管理，无线网络。（8）电力电子与电力系统该领域研究方向包括：电动汽车系统，电力电子，电力管理ICs，电力半导体设备，电力系统。科研组织设置与电气与计算机工程系相关的不同领域的研究中心有九个，它们是：先进空间技术研究与工程中心，先进交通能量中心，先进计算与通信中心，高效、可扩展、可靠性计算中心，机器人与智能机器中心，未来可再生电能传输与管理系统中心，网络技术研究所，功率半导体研究中心，半导体电力电子中心。电气与计算机工程系拥有多个研究组或实验室，这同国内课题组的概念相似。由一位教授牵头，带领其他教师和研究生开展研究工作。该系下设的研究组或实验室有：先进诊断、自动化和控制实验室，模拟联盟（Analog Alliance），用于性能、稳定性和安全的结构研究，生物电磁实验室，生物医药仪器实验室，生物医药微处理器实验室，电子研究实验室，高性能数字信号处理实验室，图像分析实验室，用户友好片上系统实验方法，微电子系统实验室，纳米与分子电子小组，纳米级量子工程小组，NCSU纳米制造机构，网络性能研究小组，无线信息系统组网，光性能实验室，最优功率集成电子（Optimum Power Integrated Electronics），光电子和光波工程，光子学实验室，量子工程，量子光电子实验室，固态电子实验室，Triangle 国家光刻中心，视觉信息及统计信号理论与应用，无线特种和局域网络研究实验室。前述八个研究领域均有若干个研究中心和研究小组或实验室支撑。有些研究中心属于北卡，如先进交通能量中心、先进计算与通信中心。更多的研究中心是跨校建立的，如先进空间技术研究与工程中心，集合了北卡和弗罗里达大学的力量；未来可再生电能传输与管理系统中心，集合了北卡、亚利桑那州立大学、弗罗里达农机大学、弗罗里达州立大学、密苏里科技大学、德国RWTH亚琛大学和瑞士联邦理工学院等多家高校的力量。这些研究中心无一例外地与工业界建立了直接合作，多方在这个研究机构中从事科研工作，不仅有利于重大研究成果的产生，而且有利于科技成果的直接转化。四、德克萨斯农机大学德克萨斯农机大学电力与计算机工程系是美国老牌电力院系之一，她重视人才培养，强调发现与创新。该系拥有优秀的生源和出色的教师，在其覆盖的研究领域中取得了突出的成绩。研究领域电力与计算机工程系有八个研究领域，但它们之间并无明显界限，许多教师从事跨领域甚至跨系的研究工作。八个研究领域及其研究方向分别是：（1）模拟与混合信号研究方向：RF通信电路、宽带通信电路、滤波器和调谐、数据转换、低电压及传感器应用。（2）生物医药成像和基因组信号处理研究方向：生物医药成像、基因组和生物信息学、纳米生物系统和片上实验室、超声成像。（3）计算机工程研究方向：计算机辅助设计与合成、VLSI设计、可测性测试与设计、容错性计算、存储与I/O系统、多媒体的结构支持、多媒体的网络支持、并行与分布式计算、基于客户端的互联网工具。（4）控制系统研究方向：鲁棒控制、自适应控制、基于知识的系统、神经网络与学习控制、低阶控制器合成、混合动力汽车的控制系统设计、量子机械系统的滤波和控制、大型非线性系统的并行/分布式控制算法及大型非线性系统的稳定性分析与稳定（5）E/M（电磁）和微波研究方向：天线的理论与实验研究、电磁理论、电磁波散射、有源与无源微波和毫米波电路、微波无线通信、小波技术、分期阵列天线（phased array antennas）、微带天线。（6）电力与电子电力系统研究领域主要涉及电力系统的分析、可靠性、监测、控制与保护；也涉足控制系统、数字信号处理、数据通信和智能系统应用。电力电子研究主要涉及电动机驱动、电力电子变换器、设施接口问题、有源滤波、电力与混合动力汽车；也涉足电能质量和电机故障诊断。 （7）固态电子、光子和纳米工程研究方向：光电子研究，高分辨率光刻，纳米电子与纳米传感器中的噪声与信息，纳米技术与纳米级光子，量子计算、通信与存储。（8）通信及信号处理研究方向：无线通信、小波新技术、多媒体通信与网络。科研组织设置德州农机大学根据研究领域设有三个研究中心（Research Center）：模拟与混合信号中心、德克萨斯通信工程中心和电力与电子研究所。研究中心在相对较宽的研究领域开展科学研究工作，有利于学科内不同研究方向之间以及不同学科之间的交叉融合。其中，电力与电子研究所下设六个实验室，分别是电机与电力电子实验室(Dr. Toliyat)、电力电子与清洁电力研究实验室(Dr. Enjeti)、电力电子与电动机驱动实验室(Dr. Ehsani)、电力工程实验室(Dr. Kezunovic, Dr. Huang)、电力系统自动化实验室(Dr. Russell, Dr. Butler-Purry)和电力系统控制与保护实验室(Dr. Kezunovic)。其它实验室根据研究方向设置，具体而言，在模拟与混合信号方向，设置模拟与混合信号实验室；在生物医药成像方向，设置基因组信号处理实验室、磁共振系统实验室、纳米生物实验室；在计算机工程方向，设置计算机工程实验室、多媒体通信与信息系统实验室、并行与高性能实验室、可靠性与测试实验室、存储系统实验室、VLSI计算机辅助设计实验室；在电磁与微波方向，设置电磁与微波实验室，传感、成像与通信系统实验室；在固态电子、光子与纳米技术方向，设置光纤实验室，波动与噪声消除实验室，Aggiefab纳米制造实验室，量子与纳米光子实验室，固态电子、光子与纳米技术实验室；在通信与信号处理方向，设置多媒体实验室、小波新技术实验室、无线通信实验室。五、伦敦大学帝国理工学院帝国理工学院电气与电子工程系的主要目标是从事具有国际竞争力的研究，提供高质量的教育。该系所取得的研究成果体现在工业、商业领域的应用和高质量的学术论文。此外，该系还以出色的人才培养而闻名。电气与电子工程系有五个研究组（Group），从事电气与电子工程领域高质量的基础及应用研究。为了支撑现有的和逐渐出现的电气工程技术，基础研究为工程分析和设计方法提供坚实的理论基础。该系的研究工作通过研究组进行组织，五个研究组分别是：电路与系统、通信与信号处理、控制与电力、智能系统与网络、光学与半导体设备。电路与系统（CAS）模拟CAS研究具体内容包括：超低功率电路（特别是在生物医药领域的应用）、模拟电路合成、超宽带电路、功率放大器、鲁棒模拟/混合信号电路及设计方法。研究组模拟电路方面的部分研究活动与该校生物医药工程研究所密切相关。数字CAS的重要研究领域之一是可重构结构与系统，该领域与该校计算机系的自定义计算研究组的工作密切相关。数字CAS在FPGAs和可重构系统方面开展了大量研究工作，包括FPGA架构开发、高等级合成工具、FPGAs存储与运算最优化、可重构计算机结构、可重构硬件在广泛领域的应用，如视频处理、网络处理、生物信息学、控制与经济建模。通信与信号处理通信与信号处理研究组的研究方向包括：阵列通信与阵列处理、移动通信、通信网络、随机信号与滤波器、语音处理、图像处理、计算机视觉、生物医药图像与信号处理、远程传感及其环境。控制与电力控制理论：鲁棒线性控制设计、动态模型化简、非线性控制系统与反馈设计、最优控制、重复控制、系统辨识、分布参数系统、滚动时域控制、Lyapunov变换及其在控制研究中的应用、用于控制的神经网络、与对称矩阵相关的最优化问题。应用控制工程：控制器设计及建模技术在机械系统中的应用、飞行器机理、核反应堆控制及其它系统。电力电子：用于新能源及可再生能源接口的电力变换器设计与控制、输电网与配电网中用于提高电能质量和电力潮流的电力电子应用。电力系统：建立在灵活交流输电系统(FACTS)和广域测量