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MatAi2018發布——基于材料基因組工程的材料智能平臺

2018-08-10 13:57:31 作者：本網整理來源：材料科學與工程分享至：

材料數字研發平臺

美國在2008年提出“集成計算材料工程”（ICME），2011年6月發布的“先進制造伙伴計劃”，其核心部分之一為 “材料基因組計劃”（MGI），這些計劃包含了利用材料計算平臺、材料實驗平臺和材料數據庫平臺三大工具相結合，從跨層次多尺度集成計算、高通量實驗及測試表征、材料大數據集成與分析三個方面加快材料設計研發進程，達到新材料從設計到新產品開發應用全鏈條的進程至少加快1倍，成本至少降低一半的目標。

在科學第四范式：數據驅動的時代，以大量數據為前提，運用機器學習、數據挖掘技術，更快、更準、更省地建立起成分-結構-工藝-性能間的關聯關系，標志著材料研發從“試錯法”向“大數據驅動”的材料信息學模式轉變。在數據密集型科學扮演著越來越重要的角色大數據時代，您需要一個系統可以高效靈活的管理您的材料數據，并能夠將數據及其相關服務非常靈活的配置到各個業務流程中去。因此建設材料計算、實驗、產品生命周期數據集成管理、分析和應用的材料數字研發平臺，將在新材料設計、工藝優化升級、企業創新和宏觀決策領域發揮顯著的推動作用。

MatAi平臺簡介

新材料的設計、研發和應用離不開材料科學與工程數據的高效管理和分析，材料數據的特點是涉及面廣，維度多，描述方式不統一，具有鮮明的特點：

種類多：各類材料（金屬、無機非、高分子、納米、非晶等）涉及各類材料測試（物理測試、化學測試）和材料試驗加工數據（材料冶煉、壓力加工、連接技術、熱處理……），數據種類多樣化顯著，并且缺乏統一的標準規范約束數據的結構和描述；

結構各異：各種類型的材料數據結構各異，包括結構化、半結構化和非結構化數據，統一管理不易，數據規范化困難；

多維度：不同的材料數據具有可變的維度；

小樣本：材料數據種類繁多，但每一類的數據體量不會很大；

含金量高：一些材料測試耗費的時間和資金非常可觀，同時數據本身含金量很高，是材料研發生產的關鍵信息，如高溫疲勞、蠕變、持久試驗；

關系復雜：材料測試數據不能獨立的發揮作用，必須和成分、工藝、環境因素結合起來進行分析，提取隱含在數據之中的知識和規律。

MatAi材料智能平臺是專為材料數據管理、分析和應用打造的、健全的大型材料數據智能管理系統，可滿足開放和靈活的材料數據管理和分析需求，在管理用戶獨有的材料數據和信息，提供解決方案的同時，也為用戶提供業界權威、質量可靠的材料參考數據。用戶可在MatAi軟件的框架下，建立材料專用數據庫或材料數據中心。

MatAi平臺功能

1 B/S架構—基于Web的數據瀏覽

B/S架構的模式提供基于Web的數據瀏覽模式，MatAi只需要在服務器上安裝部署，用戶在個人的電腦終端無需再安裝和維護軟件，只需要通過Web瀏覽器即可登錄平臺訪問數據庫。為客戶提供便捷的數據治理和維護服務。

用戶可通過瀏覽器進行的操作有：

數據訪問、數據編輯、數據導出

數據搜索（全文搜索、系統預置搜索、字段屬性檢索）

數據分析（對比分析、可視化分析、統計可視化）

數據事務管理（數據訪問審核、導出審核、發布審核）

數據庫及數據表維護

平臺管理員管理

其它操作……

2 靈活的數據管理機制—自定義數據結構

MatAi具有靈活可配置的數據管理機制，理論上支持管理任何類型的材料數據。依據入庫的材料數據的標準規范，以配置描述當前數據的自定義數據結構：字段屬性和數據布局的方式，實現對不同類型數據的靈活管理。字段屬性的數據類型涵蓋材料科學與工程數據的全部類型，包括文本類（短文本、長文本、枚舉文本）、數值類（整數、浮點數、數值范圍）、資源類（圖片、文件、鏈接）和其它類（表格、數值/離散函數、日期時間、布爾量、表達式）。支持用戶為數值類屬性賦予單位，為用戶提供靈活的單位管理。

布局管理

根據在數據表管理中定義的材料數據結構進行數據訪問

測試曲線可視化呈現

對于專業數據的特殊呈現需求，定制專業數據展示

第一性原理數據展示

Thermo-Calc熱力學性質計算數據展示

3 數據批量導入—自適應數據導入技術

從測試儀器、生產設備、PDM系統等來源獲得的數據結構固定的規范數據表單（Excel、CSV，txt文件），通過配置自適應數據導入模板，可快速的將這些數據導入到數據庫中，減少人工錄入的工作量。

數據模板配置

試驗數據導入

產品數據導入

4 專業數據定制采集和呈現技術

數據庫建設過程中會涉及到無法直接讀取和錄入的半結構化和非結構化的專業數據文件，如第一性原理計算結果文件。針對這類數據的管理和展示需求，定制開發專業數據文件的數據導入技術，根據具體的分析和展示需求，從數據文件的指定位置提取數據，存儲到數據庫中的相應位置。

定制開發專業數據導入模板

第一性原理專業數據采集和呈現

5 多種數據檢索方式，更精確的數據定位

提供全文搜索、字段屬性篩選、高級搜索、系統預置搜索多種檢索方式，基于字段屬性的字段屬性篩選和高級搜索支持用戶按照所需的性能指標范圍檢索匹配的數據信息。借助高性能集群搜索引擎，采用數值、字符串組合搜索的模式，具有強大的檢索能力。

數據記錄列表的字段屬性篩選

高級搜索

6 多種數據分析工具，最大化挖掘材料數據價值

MatAi軟件集成了基礎的數據對比分析、數據統計和可視化工具，滿足一般數據分析的需求。同時還支持根據企業特殊應用的需求，定制化數據分析工具，最大化的對材料數據進行分析和探索，從材料數據海洋中總結知識和規律的洞察。

對比表格分析

散點圖對比分析

曲線圖對比分析

熱力學性質圖分析（鋁合金）

統計可視化

7 完備的權限控制，提高數據安全

提供基于用戶-角色-權限資源模式的權限控制機制，便捷的進行用戶管理和權限管理。用戶僅能查看獲得授權的材料數據，進行獲得授權的平臺操作，保證數據安全性的同時消除了不相關數據在業務過程中的干擾。例如將數據訪問、創建、編輯、發布權限分開管理，確保材料數據由專家用戶進行審核和維護。

MatAi價值

實施后即可獲得的價值

對各類材料計算和模擬數據進行管理和分析；管理和應用材料全生命周期數據，并將數據部署到需要它們的部門和人員，提高研發和生產效率；信息檢索能力強，支持多種材料數據在線分析；數據可溯源：管理材料數據的全部譜系信息，不只是實驗數據結果，實驗方法、過程、條件、設備信息等相關信息都進行管理，保證數據的完整性；維護數據和數據再利用，減少數據丟失；保證數據安全：完善的數據權限控制系統，確保正確的人看到正確的信息；避免在尋找材料信息上花費太多的時間，避免因為數據丟失帶來的不必要材料重復測試和分析，加快產品設計進程，提高生產率，促進技術升級；完成材料研發的數字化（數據化），為“數據驅動研發”的材料基因組研發新模式的實現夯實地基。

在未來可獲得的關鍵價值

降低數據運維和治理成本，提升技術升級和材料研發的效率獲取大數據技術能力，賦能各業務鏈大數據推動創新，建立數據驅動的文化，面向未來轉型材料基因組、智能制造、大數據、兩化融合、云計算、人工智能等國家戰略實施“數據銀行”建設，推出新服務，獲取數據變現能力，增加收入。

MatAi應用案例

1 北京有色金屬研究總院有色金屬材料數據管理

面臨挑戰：

北京有色金屬研究總院積累了大量的有色金屬數據，數據類型涵蓋先進輕質合金、生物冶金、電子材料、復合材料、遙感材料等，如何多這些多源異構數據進行管理；如何管理計算中心的數據，例如：第一性原理；數據私密性要求高，如何保證安全

解決方案：

基于MatAi軟件，搭建有研總院材料數據管理服務平臺，按研究所部門建立各類數據庫和數據表，涵蓋輕質金屬結構材料、生物冶金、電子材料等所有部門需要入庫的數據內容；定制開發VASP文件的數據提取和展示技術，滿足使用需求；配置各類權限角色，滿足不同用戶的數據訪問控制

2 鋼鐵研究總院不銹鋼試驗數據管理

面臨挑戰：

材料實驗報告種類繁多，可分為數大類（化學測試、物理性能測試、機械性能測試）及數十種試驗，每一個試驗又有多種試驗標準，如何在數據庫中有效管理和分析這些試驗報告數據；如何高效的進行數據檢索，例如：通過鋼種檢索完成了哪些種類的試驗；按照人員檢索做過了哪些試驗；如何確保數據安全，數據只能被獲得授權的用戶訪問：部門領導可以查看所有的數據，部門員工可以查看自己和自己學生的數據，學生只能查看自己的數據。

解決方案

基于MatAi軟件搭建超高強及不銹鋼數據平臺，在數據平臺下創建試驗報告數據庫，提取每一種試驗報告中的公有屬性和特定屬性，建立了各類試驗報告數據表，并按物理測試、力學測試、顯微組織測試等類別進行分類管理；通過配置試驗報告的公共屬性（基本信息），可通過鋼種、人員或更多限定條件查詢已經完成的試驗報告；可進行多個試驗報告數據的在線對比，并導出對比數據進行分析；精確到文件夾、屬性的權限控制，保證數據的安全性，部門領導可以查看所有的數據，部門員工可以查看自己和自己學生的數據，學生只能查看自己的數據。

3 鋼鐵研究總院航空耐熱鋼數據管理

面臨挑戰：

從行業標準，產品手冊中搜集整理大量航空耐熱鋼數據，如何有效的進行管理、搜索和分析應用；大量數據如何自動批量處理和入庫，避免耗時耗力的人工錄入，減少倒是數據錯誤的可能性。

解決方案

基于MatAi軟件搭建耐熱鋼數據平臺，在數據平臺下創建分類數據表，分別對管理耐熱鋼的化學成分、物理性能、力學性能進行管理；針對各種類型的數據（化學成分、室溫拉伸、持久蠕變、物理性能……），通過自識別數據導入模板，高效處理多類型、多結構、大體量的數據，避免繁瑣的手工錄入數據；多種數據分析方法，支持快捷的在線分析，并支持將原始數據導出進一步的分析。