近日，中國工程院院士、東北大學(xué)教授、中國金屬學(xué)會軋鋼分會副理事長王國棟在第三屆中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會上表示，材料科技要運用數(shù)字化轉(zhuǎn)型，高保真度的數(shù)字孿生建模是材料科學(xué)和技術(shù)研究的關(guān)鍵核心。以下為報告整理。

01、數(shù)字化戰(zhàn)略推動材料行業(yè)轉(zhuǎn)型

當(dāng)前，在鋼鐵行業(yè)——實際上在整個材料行業(yè)方面，第一要實施綠色化戰(zhàn)略；第二是數(shù)字化戰(zhàn)略，過去我們稱為智能化戰(zhàn)略；此外還有高質(zhì)化戰(zhàn)略，孵化戰(zhàn)略等。

其中，數(shù)字化戰(zhàn)略是一個最重要的支撐和保證。首先，數(shù)字化助力鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已逐漸走向成熟，正式宣告了數(shù)字時代的來臨。

數(shù)據(jù)在今天已經(jīng)成為數(shù)字時代社會發(fā)展的重要驅(qū)動力。在農(nóng)業(yè)時代重要的生產(chǎn)要素是土地和勞動，在工業(yè)時代是資本和企業(yè)家的才能。到了數(shù)字時代，生產(chǎn)要素又增加了一個非常重要的新要素，就是數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)是數(shù)字時代構(gòu)建數(shù)字生產(chǎn)力，推動經(jīng)濟發(fā)展的新型生產(chǎn)要素。數(shù)據(jù)已經(jīng)成為全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點， 改變國際競爭格局的新變量，材料行業(yè)也要向數(shù)字材料轉(zhuǎn)型。

從鋼鐵行業(yè)來分析——實際上這也代表著全材料行業(yè)的問題，鋼鐵行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是什么？最大的問題就是一系列的“黑箱”，整個生產(chǎn)過程充滿著不確定性。不確定性是鋼鐵行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)，也是材料行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。

不確定性問題解決得依靠什么？得依靠數(shù)字化、智能化，“黑箱”就是數(shù)字化應(yīng)用的最佳場景。鋼鐵行業(yè)數(shù)字化崛起的重要機遇，就在于鋼鐵行業(yè)是全流程的“黑箱”，處處都是數(shù)字化、智能化應(yīng)用的場景。

另外一方面，就是數(shù)據(jù)資源的優(yōu)勢。鋼鐵行業(yè)是一個高度自動化的行業(yè)，控制水平和自動化水平都不錯，有很好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。我們可以從實際生產(chǎn)過程中采集大量生產(chǎn)過程的信息，而這些信息數(shù)據(jù)蘊含企業(yè)生產(chǎn)過程的全部規(guī)律。這一數(shù)據(jù)是最寶貴的資源，是關(guān)鍵的生產(chǎn)要素。目前看來，我們在這方面還是有很大的差異，有很大的提升空間。

02、高保真度的數(shù)字孿生建模是關(guān)鍵核心

信息技術(shù)的發(fā)展給我們提供了強大的信心。數(shù)據(jù)科學(xué)、數(shù)字化與智能化技術(shù)是解決不確定性問題的要素，而我們正在掌握這些要素。

原位分析系統(tǒng)即數(shù)字孿生，是材料科學(xué)數(shù)字化的內(nèi)核與核心部分。在材料加工冶金技術(shù)中很重要一點，就是要求能夠?qū)崿F(xiàn)高保真度。因為對象是變化的，要能根據(jù)對象的變化來修改模型，使得它可以惟妙惟肖地模擬生產(chǎn)過程，所以被稱為保真度，而不僅是精度的意義和概念。

這一高保真度建模就是數(shù)據(jù)孿生，實際上就是描述一系列的輸入和輸出間關(guān)系的預(yù)算模型。對某一個特定測定過程而言，這一過程中的規(guī)律決定過程本身和輸入量、輸出量，這三方面與過程本身的物質(zhì)材料無關(guān)。比如操作變量、材料的成本設(shè)計，這都是輸入的因素。

另外一方面是組織和性能的關(guān)系，其中高保真度的數(shù)字孿生建模是材料科學(xué)和技術(shù)研究的關(guān)鍵核心。數(shù)字孿生建模有兩種辦法，一種以物理化學(xué)模型為基礎(chǔ)，一些重要的參數(shù)和關(guān)系需要用大數(shù)據(jù)和人工智能來修正，這樣也能得到一定保真度的數(shù)字孿生。但是這個物理過程和化學(xué)過程的模型，如果太復(fù)雜計算過程就會非常長，這是一種以模型驅(qū)動的建模方法。

另外一種辦法是什么？就是用最新的大數(shù)據(jù)加機器學(xué)習(xí)，用過程數(shù)據(jù)而不是材料數(shù)據(jù)，可以建立模型來具體描述這一過程，而且它具有高的保真度，這樣也可以建立數(shù)字孿生。但是要注意的是，這種模型得出來的是一種“不講理”的辦法，它可以建構(gòu)模型，但是無法解釋機理。

有時候應(yīng)用研究走在前面，就可以反過來促進(jìn)基礎(chǔ)研究，能用物理化學(xué)理論模型對現(xiàn)在的模型進(jìn)行分析，最后通過結(jié)合的辦法開發(fā)新一代的冶金與材料加工理論和技術(shù)，這就是數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型。

2008年美國曾經(jīng)實施過集成計算材料工程(Integrated Computational Materials Engineering-ICME)，它是以材料基礎(chǔ)理論為基礎(chǔ)，以模擬分析為主要手段。這一辦法效率比較低，成本高，難以實現(xiàn)大塊材料的復(fù)雜狀態(tài)和邊界條件，因此很難做到高保真度，在實際運用會遇到很多困難。

因此在2011 年，美國又公布了一個材料基因組計劃“材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施”。目標(biāo)是將材料的發(fā)現(xiàn)制造和應(yīng)用速度提高一倍，成本降低到原來的1/3，從而提高企業(yè)的核心競爭力。它是解決企業(yè)的問題，不是基礎(chǔ)研究項目而是建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。

2019年，美國國家科學(xué)院發(fā)布了針對材料研究的第三次十年調(diào)查《材料研究前沿: 十年調(diào)查》報告。其中指出，隨著合成和加工方法的進(jìn)步，需要新的原位分析能力來理解物理和化學(xué)過程。這些分析工具需要與計算工具相結(jié)合，引入機器學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)分析，有可能加速這一領(lǐng)域的探索和進(jìn)步。

03、動態(tài)數(shù)字孿生將推動材料工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

擁有原位分析能力系統(tǒng)后加上決策，再反過來進(jìn)行控制，這樣就形成了一個物理系統(tǒng)。我們將原位分析系統(tǒng)做成這么一個系統(tǒng)，它下邊是三個工具，包括實驗室的儀器設(shè)備、中試裝備、生產(chǎn)線裝備。需要注意的是，生產(chǎn)線裝備也變成了實驗工具。

另一方面，這些數(shù)據(jù)提供后，有些是計算機可以處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，不能用二進(jìn)制處理的也能轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制。計算工具就是機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)。這一工作可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域，它和材料本身是無關(guān)的，只與過程的輸入、輸出數(shù)據(jù)有關(guān)，所以不需要材料的參數(shù)和材料數(shù)據(jù)庫的參與。

這是非常重要的，因為這種技術(shù)不僅在材料行業(yè)可以用，各行各業(yè)都可以用。再加入控制就變成一個信息物理系統(tǒng)，這是一個基于數(shù)據(jù)自動流動與狀態(tài)感知實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系。

美國的自然科學(xué)基金會對這些物理系統(tǒng)有一個定義，即計算可以深深嵌入到每個相互連通的物理組件中，甚至可能嵌入到物料中，在數(shù)字空間中針對材料進(jìn)行建模和計算，也就是建立物料的數(shù)字孿生。

所以將這個計算嵌入到物料，從計算系統(tǒng)角度而言，特別適用于材料制造。材料制造是全流程的“黑箱”，必須把計算嵌入到這一過程中去，而且它可以實時反饋循環(huán)。

材料加工、無人駕駛等屬于動態(tài)數(shù)字孿生，可以形成一個閉環(huán)的賦能系統(tǒng)。因此動態(tài)數(shù)字孿生在鋼鐵工業(yè)和整個材料工業(yè)登場后，將有力地推動我們材料工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展。

04、加速轉(zhuǎn)型 促進(jìn)材料工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

這一賦能系統(tǒng)具有全局性、整體性、相關(guān)性、保真度、實時性、動態(tài)性等優(yōu)勢，此外還有六個特征即數(shù)據(jù)驅(qū)動、軟件定義、泛載連接、實時映射、異構(gòu)集成、系統(tǒng)自治。這一系統(tǒng)是集現(xiàn)代最先進(jìn)信息進(jìn)行之大成，是現(xiàn)代工業(yè)最先進(jìn)的智能化控制系統(tǒng)。

在鋼鐵工業(yè)上我們嘗試著在互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下來做這一系統(tǒng)，可以解決鋼鐵行業(yè)中整個基礎(chǔ)系統(tǒng)的控制問題，系統(tǒng)自動實際就是自動化控制、智能化控制，這兩者之間是可以交互的。

在創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量在線優(yōu)化方面，它的底層是什么？就是實際生產(chǎn)線。在數(shù)據(jù)來源中，中試基地的實驗系統(tǒng)、實驗室規(guī)模的操作系統(tǒng)等都會提供數(shù)據(jù)，可以加工成數(shù)字孿生。這些數(shù)字孿生可以逐漸地通過豐富的數(shù)據(jù)和計算方法的改進(jìn)等，可用較少的實驗數(shù)據(jù)得到比較靠近實際的規(guī)律。這一系統(tǒng)做好后，再在實際控制生產(chǎn)中去優(yōu)化。

1988年我們就開始做數(shù)字孿生的研究，那時候叫組織性能預(yù)測，之后運用到生產(chǎn)線上。大數(shù)據(jù)技術(shù)出現(xiàn)后我們又開始研究大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，也在生產(chǎn)線上進(jìn)行研究。“十三五”期間在信息物理系統(tǒng)的國家計劃上，我們承擔(dān)了智能制造的三個重點項目。未來以創(chuàng)新驅(qū)動協(xié)同創(chuàng)新，加速材料科技數(shù)字化轉(zhuǎn)型，促進(jìn)材料工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，是我們努力的愿景。