机器人技术主题初步战略目标论证报告.docx
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机器人技术主题初步战略目标论证报告
国家高技术研究发展计划(863计划)
主题战略目标论证报告
主题名称:
机器人技术主题
所属领域:
先进制造与自动化技术领域
二零零一年八月二十日
概要
机器人技术主题的工作范围主要是围绕机器人技术和自动化工艺装备中的核心技术和关键重大装备开展研究。
这些核心技术和装备将关系到我国的战略利益与安全问题,关系到提升我国制造工业自动化技术的水平、国际市场竞争力和可持续发展能力。
它们是具有战略性、前沿性和前瞻性的高技术和关键重大装备,在推进我国经济结构战略性调整、以信息化提升制造与自动化技术水平、促进传统制造行业的技术改造与产业升级、提高综合国力、增强国家安全等方面具有重要的意义和作用。
世纪之交,世界经济结构正在发生重大而深刻的变革,美国、欧盟、日本等发达国家的政府先后推出并实施了多个与机器人技术、自动化工艺装备相关的国家研究计划,以支持相关的核心技术和关键重大装备的研发与应用。
我国政府也非常重视机器人技术的研究与开发,并在国家863计划中予以重点支持。
经过国家863计划15年的实施,我国在机器人技术与自动化工艺装备等方面已取得了突破性进展,缩短了同发达国家之间的差距。
但是,在机器人与自动化装备中核心及关键技术的原创性研究、重大成套装备的自主设计和制造能力、高性能关键工艺装备的系统集成与开发能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方面,同发达国家相比,我国仍存在较大的差距。
为了进一步提高我国机器人技术与自动化工艺装备的整体技术水平,进一步缩短同发达国家之间的差距。
“十五”期间,迫切需要进一步加强对机器人技术与自动化工艺装备研究开发的支持,以期在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术的研究开发等重点方向实现创新和跨越式发展,赶超世界先进水平,为我国国民经济发展和国家安全建设做出更大的贡献。
“十五”期间,机器人技术主题研究内容主要包括重大专项、主题重大课题、重点课题、面上课题几部分。
机器人技术主题将贯彻国务院8号文件的精神,在科技部统一领导下,拟以集成电路制造装备、深海载人潜器与水下机器人、微机电系统(MEMS)、全断面隧道掘进机等重大专项与重大重点课题为主线,研究开发基础技术、单元产品和系统装备,掌握战略必争装备关键技术及竞争前核心技术,增强自主设计与制造重大关键设备的能力,提升制造业基础装备的水平,取得一批具有自主知识产权的创新成果,实现机器人技术与自动化工艺装备的跨越式发展。
本报告将从机器人技术和自动化工艺装备中的战略必争装备与竞争前核心技术、基础制造装备与成套装备制造技术两方面,对国内外现状、发展趋势与国内需求进行详细分析,在此基础上,提出机器人技术主题在“十五”期间的发展战略、主要研究内容与具体实施方案,并对战略目标实现后对机器人技术和自动化工艺装备的影响作简要的分析与预测。
一、国内外现状与发展趋势
1.1战略必争装备与竞争前核心技术
战略必争装备是指那些涉及国家安全、经济命脉以及在国际经济竞争中对国民经济影响重大的装备;而竞争前核心技术是指在未来的国际竞争中有可能开拓新的广阔市场或成为新的战略必争核心技术。
可以说,战略必争装备与竞争前核心技术关系到一个国家的兴衰与存亡,是一个国家安全独立和成为一个强国必须拥有的装备和技术。
对机器人技术主题,用于国家战略资源勘探——海洋资源开发的水下作业装备和空间资源探索的空间探测器、用于高精尖设备制造的超精密加工装备、面向IT等产业的电子制造装备、对未来许多行业将产生重大影响的微机电系统(MEMS,包括微机器人)以及集当代众多高技术于一身的仿人机器人、仿生机器人、服务机器人等等,都是关系到子孙后代的战略必争装备或竞争前核心技术,是花钱也买不到的装备与技术,是中国要成为一个强国必备的装备与技术。
正是看到了机器人技术与自动化工艺装备中包含着许多具有战略性、前沿性和前瞻性的高技术,美国、欧盟、日本等西方发达国家对此极为重视,先后推出并实施了多个国家研究计划,我国也在国家863计划中予以重点支持。
在此,我们对与本主题有关的战略必争装备与竞争前核心技术的国内外现状与发展趋势作一简要的列举分析。
1.电子制造装备随着电子技术、计算机技术对社会影响的不断扩大,电子制造尤其是集成电路IC制造已成为制造业最重要的领域之一。
IC制造中的核心和关键装备包括制芯(前道工序)和封装(后道工序)两大部分。
前道工序装备发展的趋势是研制新型超精细光刻机等设备,以突破0.1μm的大关;后道装备则是发展与更密、更小、更轻的新型封装工艺相适应的更快、成本更低的封装设备,并且对整个后封装工序的各种设备以数字化封装线方式进行工艺和装备的集成。
由于IC制造不仅对国民经济有巨大的影响,而且对国家安全极为重要,所以一些高精密的IC制造装备成了一些发达国家垄断电子行业的核心武器。
我们国家在IC制造行业中虽有一定的基础,也与国外合资建立了一些生产线,但由于我们自己没有先进的IC制造装备,使我国的IC行业受到了很大的制约。
目前我国集成电路芯片制造设备的85%仍依赖进口。
为了在IC行业占有一席之地,我们必须自主开发IC制造的核心装备。
2.水下作业装备随着陆地资源的日益紧缺,各国都看到了海洋将成为人类未来资源的主要供应地,于是一些发达国家开始在公海“跑马圈地”。
国际公海组织规定,对有能力进行深海勘探的国家将有优先开采权。
“九五”期间,我国海洋局已利用本主题开发的6000米水下机器人,在太平洋上勘探了30万平方公里,并获得了其中矿产资源最丰富的7.5万平方公里的优先开采权,为后人留下了一份产业,实现了以技术换资源的目标。
下一步联合国将对富钴结壳进行勘探,如果没有勘探技术装备能力,将失去开采权。
我们在水下机器人方面虽然拥有一定的基础,但与美国、俄罗斯、日本等国相比还有很大的差距,远不能满足未来开发海洋的需求,我们在深海作业机器人,载人深海潜器,12000米海沟探测机器人等方面还有很多没有开发而必须开发的装备。
3.超精密加工装备进入21世纪,超精密加工的精度将达到0.001μm(1nm),而且超精密加工正在向原子级加工精度逼近。
为了达到这一目标,各工业发达国家都在努力冲刺:
日本的ERATO计划中,纳米技术作为其六项优选项目之一,由政府、大学和工业界联合开发;在美国Arizona大学,纳米技术工作站已进入最后的设计阶段;在英国,国家纳米技术(NION)计划已开始实行,正在设计研制纳米加工中心、纳米平面磨床、测量机等。
实际上,美国MooreSpecialTool公司的M18AG型、日本丰田公司的APH50-32型等超精密车床,主轴回转精度均已达0.025μm,工件表面粗糙度Ra=0.01~0.02μm,最高达0.0045μm,已是当今最高精度的机床。
此外,超精加工材料对象由金属扩大到非金属;高密度、高能量的粒子束加工工艺和装备;以三维曲面加工为主的高性能超精密加工工艺和装备以及配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术等正成为进一步的发展趋势[7]。
而我国,在超精密加工方面尚处于起步阶段。
实际上,即使在精密加工方面,我国与国外先进水平相比,亦还有很大的差距。
4.微机电系统(MEMS)MEMS是以电子制造的方式设计与研制的微机电系统,它是多种学科的交叉融合,其应用领域极为广泛。
例如,作为信息获取关键的多种传感MEMS,已成功地应用于汽车、电子等行业和军事领域。
它以其微型化的优势,在许多场合替代了传统的传感器,并促使了许多新产品的诞生。
在令人瞩目的信息科学和生命科学的发展中,光MEMS被认为是开启全光通信之门的金钥匙;RFMEMS将成为移动通信的一项核心技术;高密度MEMS生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。
近几年,采用MEMS技术的微型卫星、微型飞行器和进入狭窄空间的微型机器人,也展示了诱人的应用前景。
现在MEMS已形成年产值140亿美元的规模,预计5年后将达到300多亿美元的规模。
为此,各国政府都非常重视MEMS技术,美国国防部近几年每年投入7000万美元用于MEMS研究,德国也投入约7000万美元用于MEMS的研究,MEMS已成为当今国际高技术竞争的一个热点,MEMS产业也正在形成之中。
对我国而言,这是个挑战,也是一个难得的发展机遇。
5.特种机器人特种机器人是替代人在危险、恶劣环境下作业必不可少的工具,是辅助完成人类无法完成的如空间与深海作业、精密操作、在役管道内作业等关键技术装备。
特种机器人技术是我国开发利用空间与水下资源、实施基因工程、开发生物芯片与微电子机械系统等急需的核心技术之一,已成为世界公认的二十一世纪前沿高技术,并在航空航天、能源、交通、海洋、生物、医疗、服务、农业、军事和娱乐等领域具有非常广阔的应用前景。
正因为如此,研究和发展特种机器人技术一直受到世界各国的重视,许多国家都把机器人技术列入本国的高技术研究发展计划或国家的关键技术研究开发计划。
如美国的“国家关键技术”、“商业部新兴技术”和“国防部和能源部关键技术”的计划,欧共体的“尤里卡计划(EUREKA)”和“信息技术研究发展战略计划(ESPRIT)”,日本的极限作业机器人研究计划(R&DOFROBOTICSINEXTREME-ENVIRONMENT)、微机器研究计划(R&DOFMICROMACHINETECHNOLOGY)、仿人形机器人研究计划(HUMANOIDROBOTICSPROJECT)等,新加坡、韩国、巴西等发展中国家也都有相应的计划内容。
我国863计划智能机器人主题前15年工作的重点之一就是发展我国的特种机器人技术,并在若干方向上取得了令世人瞩目的成就,但在总体上,与国外先进水平相比,还有不小的差距。
在国家863、攻关等计划支持下,我国在部分战略必争装备与竞争前核心技术研发方面已取得了很大的进步,拥有了一定的技术基础,但与国外发达国家相比还有相当的差距,必须集中资源,加大投资力度,力争打破国外的技术封锁,提高我国在战略必争装备与竞争前核心技术研究开发方面的国际竞争力。
1.2基础制造装备与成套装备制造技术
一个国家仅仅拥有了战略必争装备和竞争前核心技术是不够的。
要想成为经济强国,完成工业化的建设,必须在制造业掌握有关基础制造装备与成套装备制造的核心技术。
美国70-80年代制造业发展的衰落和竞争力减弱的例子很好地说明了这一点。
70年代前,美国的产品竞争力一直令对手望尘莫及。
但到了80年代,美国人发现日本、德国等国家后来居上,逐步取代了它在国际市场的霸主地位。
经过认真深入地分析,他们发现,原因是美国失去了制造业方面的优势,而日、德等国,特别是日本,对制造技术及装备研究的投入比例远大于美国。
于是从80年代后期开始,开展了一系列旨在振兴美国制造业的庞大计划,加大了对制造业技术与装备研究的投入,使美国的制造业重振雄风,也使美国经济得以逐步复苏并保持持续增长的势头。
在世界经济全球化的今天,虽说绝大多数基础制造装备与成套装备,只要花钱都可以买到,但对我国这样的发展中大国来说,必须掌握了关键的基础制造装备与成套装备制造的核心技术,才能牢固占有国内市场,并不断开拓国际市场,在竞争中立于不败之地。
下面,将分两方面对与本主题有关的基础制造装备与成套装备制造的核心技术的国内外现状与发展趋势作一分析。
1.2.1基础制造技术、装备的现状与发展趋势
一个国家制造业水平的高低,很大程度上取决于其基础制造装备水平的高低。
作为现代制造装备“灵魂”的数控系统已由NC、CNC时代进入了PC-NC和NET-NC时代。
美国的OMAC、欧洲的OSACA以及日本的OSEC计划等,其主要目标都是开发具有智能化和柔性化的开放式新一代数控系统,将各种新工艺、新技术、新方法集成于控制系统的基础平台,开发先进制造装备的支撑环境。
数控技术发展的另一趋势是提升各种装备性能甚至使其更新换代,即所谓的“数字化装备”,如印刷机械、纺织机械、医疗机械(γ刀)等设备控制系统的数字化。
21世纪,基础制造装备的的水平主要体现在高精度、高效率、低成本和高柔性等几个方面。
发达工业国家数控机床的加工精度普遍已达到1μm的水平,有些已达到0.1μm。
国外主轴转速在10,000~20,000rpm的加工中心已普及,转速高达250,000rpm的实用主轴也正在研制中;直线电机的轴进给速度已达200m/min。
超高速切削的研究已转移到一些难加工材料的切削加工上。
高效率、高精度工艺的一个典型例子是精密成型技术,如近/净成形(NearNetorNetShapeForming)技术,其目的是尽量减少切削甚至免除切削,减少原材料的浪费、同时提高制造效率,精密成形技术在工业发达国家已得到广泛应用。
如:
美国的汽车、宇航、航空工业的模锻件、精密锻件占总锻件量的80%以上;日本汽车锻件达到63.9%;德国达到70%~75%。
柔性自动化仍是机床业发展的重要趋势之一。
柔性自动化的进一步发展是敏捷生产设备。
为适应敏捷生产模式,人们正在探求设备自身的结构重组以及生产单元的动态重组问题。
此外,21世纪人类面临有限资源约束和环保压力。
洁净化生产是实现企业及人类社会可持续发展的必经途径。
与此相应的绿色制造技术也将获得快速发展,如基于环境意识的切削、磨削液绿色配方和优化利用,先进的干式切削及其相关理论的研究等。
目前,我国的基础制造装备与国际先进水平相比还存在着阶段性差距。
工业发达国家早在50、60年代就已普遍采用了优质高效低耗的工艺及装备,实现了柔性自动化,目前正向集成化、敏捷化方向发展。
而我国大多数企业目前还采用较落后的制造工艺与技术装备进行生产,优质高效低耗工艺的普及率不足10%,数控机床、精密及高效设备不足5%,现在配国产数控系统的中档数控机床还不到25%,高档数控机床的90%以上依赖进口。
数字化机械(如纺织机械、多色胶印机)的70%以上依赖进口。
归纳起来,目前国产基础制造装备普遍存在着“四差”问题,即可靠性相对差、成套性差、外观质量相对差、名牌效应差,从而严重影响了企业的生产效率、产品质量以及产业化规模的提高,同时也严重制约了制造业及其相关行业的发展。
1.2.2成套装备制造技术的现状与发展趋势
1.面向制造业的成套装备与技术
1953-1998年间,我国GDP的年增长率为7.8%,工业年均增长率为11.9%,而装备制造业的年均增长率为17.6%[3]。
装备制造业在国民经济中已经占有相当重要的地位。
国外经验已经表明,工业化到一定程度以后,工业经济增长将很大程度上取决于装备工业水平的提高。
然而,目前中国工业装备水平低,严重不适应国家经济发展的要求。
据统计,中国工业装备整体技术水平落后国际水平10-15年,制造业与自动化技术落后15-20年[1],装备中数控化比例很低(5%),尚处于单机自动化和刚性自动化阶段[3],现有成套装备中技术经济性能比较先进的只占1/3,近1/5已经老化,超期率近40%。
装备落后,导致产品普遍档次低、质量差,已成为制约制造业发展的“瓶颈”。
国外在大型成套装备方面有很大优势,并且在成套装备的高技术化方面,取得了巨大的进展,已经实现了数控化和柔性自动化,正向着智能化、集成化的方向发展。
我国对于一些大型的成套装备基本都依赖引进,目前光纤制造装备的100%、IC制造装备的85%、石化装备的80%、轿车工业装备、数控机床和其它数字化机械(如纺织机械、多色胶印机)的70%以上依赖进口[1,2]。
2.面向非制造业的成套装备与技术
面向非制造业的成套装备,如各种工程机械、建筑机械、各种机器人系统已成为当今国际自动化技术发展的一个重要方向。
据专家预测,21世纪的前20年,将是非制造业自动化技术的快速发展时期,机器人技术以及其它自动化装备将在空间及海洋探索、采掘、建筑、医疗、服务、交通运输、农业及食品加工、军事和娱乐等领域得到广泛的应用。
目前国际上非制造领域的机器人技术的研究和开发非常活跃,对服务机器人的需求日益增长。
在上述非制造领域中应用的机器人及自动化装备,通常是在非结构化环境下工作,即作业无法在事先布置好的条件下进行,而且在作业过程中环境可能发生变化。
与结构化环境下作业的工业机器人及自动化装备相比,在非结构化环境下工作的特种机器人控制更加困难,要求的智能程度更高。
研究开发适应于非结构化环境下工作的自主式机器人及自动化装备是一个重要的发展趋势[4]。
二、需求分析
2.1国家发展迫切需要的战略必争装备与竞争前核心技术
我国是一个政治独立、经济自主的发展中大国,而且是社会主义的主权国家,我国进行现代化建设,不能也不可能完全依赖西方发达国家。
对于国家发展迫切需要的战略必争高技术、装备与竞争前核心技术,绝大多数我们根本不可能买到,有些装备即使平时可以买到,一旦国际形势发生变化,西方国家就可能对我们实行禁运。
对于一些事关国计民生和国家安全的战略必争装备,将首当其冲。
所以我们必须选择一些技术与经济可实施的、国家发展迫切需要的战略必争装备与竞争前核心技术优先进行发展,如水下作业装备、IC装备、超精密加工装备、MEMS以及仿人机器人等特种机器人。
以下将对需求的迫切性作进一步的列举分析。
1.电子制造装备在微电子领域,集成电路(IC)作为微电子的代表产品,它已渗透到整个国民经济的方方面面,并且我国这方面市场需求也迅速增长。
据预测,2000年到2010年我国集成电路市场的需求总数量和总金额都将达到两位数的增长,预计到2005年,市场总销售额将达到1000亿元,2000年-2005年年平均增长率为23%。
这种巨大的市场需求必将拉动对集成电路(IC)制造装备的巨大需求。
据预测,“十五”期间,我国需建IC芯片生产线30多条、IC封装生产线15条左右。
另据预测,建设一条年封装能力为1亿块的IC封装生产线约需投资2~2.5亿元人民币,其中80%为技术装备投资。
若按我国IC年需求量增长20亿块计算,如果这些IC全部由国内封装,则仅仅增添IC的封装设备每年就需40亿元人民币。
2.水下作业装备21世纪是人类向海洋进军的世纪。
海洋资源是近几年国际上激烈竞争的焦点之一和各国重要的战略目标。
为进行海上石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘探开发、海底打捞救生以及军事应用,如侦察巡逻、扫雷、预警等,迫切需要进一步开发水下作业装备。
3.超精密加工装备信息、航空、航天、特别是国防工业对精密和超精密加工的需求是非常迫切的。
如导弹、航空与航天器上使用的精密陀螺仪(精密陀螺仪转子的偏心增加0.5μm,将引起100m的射程误差和50m的轨道误差),飞机和潜艇上使用的高精度叶片,空对空导弹上使用的红外接收器非球面反射镜,航天望远镜上使用的超精密镜片等,无一不需要特殊的精密与超精密加工技术。
同时,精密、超精密加工技术是一种使能技术,是先进制造技术的基础和关键,它是其它一些高新技术和某些尖端科学赖以存在和发展的基础。
它的发展会推动其它高技术的发展以及一些尖端科学的进步。
例如,激光反射镜的平面度提高到30nm,表面粗糙度提高到10nm,其反射率可提高99.8%。
当年,哈勃望远镜中的反射镜的研制成功大大推动了宇宙科学的进步就是例证。
4.微机电系统(MEMS)MEMS是国际公认的一项战略高科技。
2000年,Nortel公司以32.5亿美元收购了至今尚无产品出售、专门从事MEMS光开关研发的Xros公司,成为IT行业爆炸性的新闻,显示了MEMS将成为当今高新技术最热门和生长最快的一个研究方向,揭示了MEMS技术的巨大潜在价值与市场。
5.特种机器人服务机器人、微机器人、微操作机器人、仿人机器人、仿生机器人、网络机器人等特种机器人技术,已成为世界公认的二十一世纪前沿高技术之一。
其核心技术将在能源、交通、海洋、航空航天、生物、医疗、农业、军事和娱乐等领域具有非常广阔的应用前景,并具有巨大的潜在市场。
2.2国家发展急需的基础制造装备与成套装备制造技术
随着加入WTO的临近,我国制造业从来没有象今天这样直接地面对国际同行的有力竞争和挑战。
如何适应激烈的国际竞争和快速变化的世界市场需求,不断以高质量、低成本、快速响应的手段在新的市场竞争中求得生存和发展,已是我国制造业各企业不容回避的问题。
这就对我国制造业乃至整个工业的发展提出了更高的要求与更为严峻的挑战。
2.2.1对基础制造装备的需求
我国制造业对机器人技术与自动化工艺装备的需求正在迅速增长,在“十五”期间,加入WTO和产业结构调整,将使得各个产业部门对高水平、高质量的自动化装备将产生巨大的需求。
据原国家机械局预测:
2005年我国数控机床市场总容量约30000台,中、高档市场年需求量12000台,其中数控车床、加工中心(包括数控铣床)占60%,约7000台。
对基础制造装备不仅需求量大,而且对装备的技术水平的要求越来越高[6],如飞机制造业中的大台面多坐标数控龙门铣床、高速加工中心、专用高速蜂窝铣、长桁缘条铣等。
对于这样的高档专用设备,目前主要依赖进口。
但这类设备是西方国家对华禁运的重点,1999年的“考克斯报告”提出要控制对华出口机床,2000年美国就通过了针对中国的《控制高技术机床出口》法案[3]。
自主的国防工业,更需要我们自己能够提供高性能、高精度、高可靠性的基础制造装备。
2.2.2对成套装备与特种机器人的需求
我国汽车到2005年产量可接近270万辆,该行业在“十五”期间的投资力度将会加大,其中投资的70%将用于购买生产线所需的设备。
“十五”期间我国汽车制造业对各种技术装备的总需求量,初步测算就将达到600亿元左右;还有在家电制造业,对生产线所需的数控加工装备、自动化物流输送系统、工业机器人均有巨大的市场需求。
在非制造领域同样有着迫切的需求。
未来十年,我国基础设施建设将处于前所未有的高速发展阶段,将新建铁路1万余公里,公路建设投资1万亿元;在水利建设方面,除小浪底外还有130多个水电工程需要建设,国家计划的大型露天矿有25个需要开采;此外尚有“西气东输”、“南水北调”、“进藏铁路”等巨大工程。
这些均将形成对智能化工程机械、管道机器人等装备的巨大市场需求。
据初步测算,在“十五”期间国内工程机械的需求量可达760亿元左右。
在我国经济结构调整发展战略中,城市化进程的加快将有效地带动一系列传统产业和新兴产业的高速增长。
“十五”期间,预计将新建城市地铁至少250公里。
城市各类管网的地下化和城市交通的立体化需要开发隧道掘进机(盾构)与地下管线非开挖技术和装备,并将形成新兴产业。
随着人民生活水平的提高,我国对医用机器人、服务机器人的需要也提到议事日程。
医用机器人的研究,不仅对常规医疗带来一系列的技术变革,对临床或家庭的护理及康复工程等的发展产生深远的影响,而且对智能机器人、计算机、虚拟现实、微机械电子学等相关学科的理论与技术发展也将产生积极的推动作用。
此外,对农业、林业、农副产品加工等各种机器人的需求也将不断扩大。
综上所述,21世纪初我国国民经济和社会发展对机器人技术和自动化工艺装备中的战略必争和基础装备提出了迫切需求,同时相关技术又将在生产和社会应用中获得新发展。
研究开发上述技术与装备是实现我国传统产业改造升级、实现工业化的迫切需要;是促进我国制造业“两个根本性转变”,实现高技术产业化的需要;是增强国防实力、国家安全与国际地位的需要;是提高人民生活水平的需要;是实现党中央第三步战略目标的需要,是国民经济可持续发展的基本保证。
因此,发展机器人技术及自动化工艺装备势在必行。
三、发展战略
站在二十一世纪的起点,可以看到以高技术研究发展为主导的国际竞争的较量正在日益强化,世界经济全球化结构重组的变革进程明显加快。
中国正处在工业化发展中期,又面临全球信息化发展热潮所带来的艰巨任务。
因此,如何加快推进作为国家工业化基础的制造业结构调整,大力发展先进机器人技术与自动化工艺装备,以高新技术改造传统产业,实现国家制造业生产力的跨越式发展,是本主题面临的艰巨的
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