一、研究的背景與問題

材料是制造業(yè)的基礎(chǔ)，材料創(chuàng)新往往處在顛覆性技術(shù)革命的核心。核心材料性能10-15%的提升就可以促成裝備的升級(jí)換代，“一代材料、一代裝備”正在成為高端制造業(yè)的“新摩爾定律”。傳統(tǒng)的依賴于經(jīng)驗(yàn)與試錯(cuò)的材料研究方法已難以跟上工業(yè)快速發(fā)展的步伐。革新材料研發(fā)模式，加速新材料從研發(fā)到應(yīng)用的進(jìn)程，已成為世界各國的共同需求。

近年來，隨著我國裝備制造業(yè)快速邁向“無人區(qū)”，新材料研發(fā)正在從研仿走向原創(chuàng)時(shí)代。研仿的方法論是“文獻(xiàn)+試錯(cuò)”，原創(chuàng)的方法論是“計(jì)算+數(shù)據(jù)”。我國的新材料研究需要走出“研仿-落后-再研仿-再落后”的循環(huán)，深刻認(rèn)識(shí)材料創(chuàng)新機(jī)理，形成自主迭代能力，并大大縮短研發(fā)周期，以降低研發(fā)成本。

目前我國材料創(chuàng)新能力受制于四個(gè)痛點(diǎn)問題：（1）研發(fā)資源分散、研發(fā)工具軟件缺乏集成部署和管控，研發(fā)效率低；（2）原始數(shù)據(jù)大多集中在科研人員手中，缺乏數(shù)據(jù)共享和傳承；（3）行業(yè)主流研發(fā)生態(tài)仍是研發(fā)炒菜式的“經(jīng)驗(yàn)+試錯(cuò)”，數(shù)字化研發(fā)仍屬局部；（4）現(xiàn)有超算平臺(tái)難以滿足圖形界面、公網(wǎng)計(jì)算等材料研發(fā)需求，工具軟件利用門檻高，軟硬件資源利用率低。

針對(duì)上述問題，中國鋼研充分發(fā)揮在金屬新材料研發(fā)領(lǐng)域多年積淀的知識(shí)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，聯(lián)合北京鋼研新材科技有限公司、杭州德迪智能科技有限公司，從技術(shù)、場景和生態(tài)三個(gè)維度，開展Material-DLab金屬材料數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)的構(gòu)建及示范應(yīng)用。對(duì)強(qiáng)化我國金屬材料基礎(chǔ)科研能力，加速數(shù)字化研發(fā)生態(tài)形成，促進(jìn)行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新和變革材料研發(fā)模式具有重要意義。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

    平臺(tái)的總體研制思路如圖1所示。Material-DLab金屬材料數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)包括多尺度公網(wǎng)云計(jì)算、材料APP、科研檢測數(shù)據(jù)共享、SLM高通量增材制備四大子系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開展應(yīng)用推廣，形成了數(shù)字化研發(fā)M@T認(rèn)證、懸賞征算、材料APP眾籌等數(shù)字化研發(fā)生態(tài)。

平臺(tái)的總體研制技術(shù)路線為：（1）設(shè)計(jì)高性能服務(wù)器集群架構(gòu)，滿足日常材料設(shè)計(jì)、應(yīng)用研發(fā)需求和偶發(fā)的大規(guī)模材料計(jì)算和仿真的算力需求。（2）選配國內(nèi)外知名材料計(jì)算、工藝仿真和服役模擬軟件，形成從原子尺度的第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，到微觀尺度的相圖計(jì)算、相場模擬，到宏觀有限元和材料服役評(píng)估的全尺度材料研發(fā)工具體系。（3）開發(fā)多尺度公網(wǎng)云計(jì)算調(diào)度系統(tǒng)，搭載高性能服務(wù)器集群和全尺度材料研發(fā)工具體系，通過圖形化窗口排隊(duì)算法和公網(wǎng)智能路由技術(shù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)全尺度計(jì)算資源的遠(yuǎn)程計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算和排隊(duì)計(jì)算，滿足對(duì)于計(jì)算仿真工具與高性能計(jì)算（CPU/GPU）的使用需求。（4）研制材料APP系統(tǒng)，通過對(duì)不同計(jì)算算法模型的參數(shù)化建模界面封裝、多形式APP調(diào)度算法的功能開發(fā)和云端生成功能開發(fā)，降低計(jì)算仿真的使用門檻，滿足非計(jì)算仿真專業(yè)人員的研發(fā)需求。（4）開發(fā)科研檢測數(shù)據(jù)共享管理平臺(tái)，通過原始材料數(shù)據(jù)的半結(jié)構(gòu)化上傳和各類測試設(shè)備的數(shù)據(jù)接口開發(fā)，滿足一手試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)的歸集管理和分權(quán)管理。通過開發(fā)基于“材料基因”的區(qū)塊鏈技術(shù)，整合相關(guān)資源，實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)、計(jì)算、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)確權(quán)、價(jià)值評(píng)估和安全共享。（5）研制元素級(jí)高通量增材制備裝備，通過元素粉末微區(qū)合金化工藝開發(fā)和基于SLM（激光選區(qū)熔化）的動(dòng)態(tài)量化混粉裝備開發(fā)，實(shí)現(xiàn)不同成分宏觀塊體樣品的高通量制備。通過配置粉末前處理、激光制備、高溫?zé)崽幚砗徒鹣?硬度分析裝置，形成元素級(jí)高通量增材制備的整體解決方案。

圖1 Material-DLab平臺(tái)總體技術(shù)思路 

1、多尺度公網(wǎng)云計(jì)算子系統(tǒng)

多尺度公網(wǎng)云計(jì)算子系統(tǒng)集成管理了Material Studio、Thermo-Calc、ANSYS等20余種國際知名計(jì)算、仿真軟件，包括第一性原理計(jì)算軟件4種、相圖相場計(jì)算軟件4種、多物理場計(jì)算軟件1種、通用有限元軟件3種、流體計(jì)算軟件2種、增材/焊接/腐蝕/疲勞等特殊工況模擬軟件6種，機(jī)器學(xué)習(xí)軟件2種，覆蓋納觀、微觀、介觀、宏觀的全尺度計(jì)算資源（見圖2），具備材料設(shè)計(jì)、組織性能預(yù)測、工藝模擬、服役仿真全流程計(jì)算能力。多數(shù)軟件均可實(shí)現(xiàn)基于瀏覽器的遠(yuǎn)程計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、排隊(duì)計(jì)算（見圖3），科研人員可隨時(shí)隨地通過瀏覽器登錄個(gè)人賬戶，建立虛擬項(xiàng)目組，遠(yuǎn)程啟動(dòng)建模設(shè)計(jì)軟件，并在電腦、Pad、手機(jī)等多種固定或移動(dòng)終端上提交計(jì)算任務(wù)、獲取計(jì)算數(shù)據(jù)，是行業(yè)內(nèi)首個(gè)全圖形化的多尺度云計(jì)算平臺(tái)。

圖2 Material-DLab集成管理的多尺度計(jì)算資源

 圖3 云計(jì)算調(diào)度系統(tǒng)的遠(yuǎn)程移動(dòng)訪問

2、科研檢測數(shù)據(jù)共享管理子系統(tǒng)

科研檢測數(shù)據(jù)共享管理子系統(tǒng)針對(duì)原始科研數(shù)據(jù)管理共享問題，可對(duì)試驗(yàn)任務(wù)申請(qǐng)唯一編碼，并在項(xiàng)目賬戶下獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，支持各類試驗(yàn)設(shè)備、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的接入，并提供個(gè)人/團(tuán)隊(duì)數(shù)據(jù)管理、跨團(tuán)隊(duì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、一鍵試驗(yàn)報(bào)告、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)考核等功能?；谠瓌?chuàng)性的材料基因特征和區(qū)塊鏈協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)權(quán)屬標(biāo)記和可用不可見服務(wù)，支持團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的數(shù)據(jù)安全共享和團(tuán)隊(duì)之間的數(shù)據(jù)對(duì)等發(fā)現(xiàn)，是建立團(tuán)隊(duì)級(jí)、企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)礦山、實(shí)現(xiàn)科研數(shù)據(jù)資產(chǎn)化的高效工具（見圖4）。

圖4 科研檢測數(shù)據(jù)共享管理子系統(tǒng)

3、材料APP子系統(tǒng)

材料APP子系統(tǒng)是由本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首倡，集材料/工藝專業(yè)知識(shí)、計(jì)算工程師經(jīng)驗(yàn)于一體、針對(duì)具體材料和應(yīng)用場景的微應(yīng)用方案?？捎删唧w計(jì)算案例改造實(shí)現(xiàn)，可共享、可傳播、可移植，是科研團(tuán)隊(duì)數(shù)字化研發(fā)成果的載體形式之一，是行業(yè)數(shù)字化研發(fā)生態(tài)的重要組成部分。系統(tǒng)按照材料類別、服役方式、計(jì)算算法和工藝類型對(duì)APP資源進(jìn)行分類和搜索，支持多種廣義APP（云桌面型、封裝型、腳本型等）的上傳、下載和云端執(zhí)行，提供APP云原生開發(fā)環(huán)境。目前已開發(fā)并部署了350多個(gè)不同應(yīng)用場景、不同計(jì)算尺度的材料APP應(yīng)用程序（見圖5）。

圖5 材料APP系統(tǒng)

4、元素粉SLM高通量增材制備子系統(tǒng)——3D-Alloyer

高通量制備是材料基因組技術(shù)的核心組成部分。目前國際上高通量制備平臺(tái)多以擴(kuò)散多元結(jié)和氣相沉積為技術(shù)基礎(chǔ)，可制備梯度薄膜樣品，但由于尺度太小，難以表征試樣的宏觀力學(xué)性能。本項(xiàng)目基于SLM金屬3D打印平臺(tái)，率先提出了元素粉末微區(qū)合金化技術(shù)，并自主設(shè)計(jì)、開發(fā)了業(yè)內(nèi)首個(gè)商業(yè)化塊狀樣品高通量制備系統(tǒng)。

該技術(shù)改變傳統(tǒng)3D打印以合金粉為原料的模式，以多種元素粉為主要原料，通過動(dòng)態(tài)量化混粉，在SLM成型的同時(shí)完成合金化過程（見圖6）。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)突破了微區(qū)冶金擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)、粉末動(dòng)態(tài)定量控制、高溫?cái)U(kuò)散模擬等核心技術(shù)，自主設(shè)計(jì)開發(fā)的3D-Alloyer高通量制備系統(tǒng)包含定量送粉模塊、實(shí)時(shí)混粉模塊、多通道鋪粉模塊和高通量打印控制模塊，可一次性制備上百種不同成分的力學(xué)性能樣品（見圖7）。

圖6 基于異質(zhì)粉末激光原位冶金的高通量制備原理

圖7 SLM高通量制備系統(tǒng)及部分樣件

5、材料數(shù)字化研發(fā)應(yīng)用生態(tài)

基于已開發(fā)完成的Material-DLab數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)組織開展了行業(yè)數(shù)字化研發(fā)培訓(xùn)與認(rèn)證、懸賞征算、APP眾籌、柔性項(xiàng)目協(xié)同等場景應(yīng)用（見圖8），為行業(yè)培養(yǎng)數(shù)字化人才，建設(shè)數(shù)字化研發(fā)生態(tài)。2020年到2021年間，已開展行業(yè)數(shù)字化研發(fā)技術(shù)培訓(xùn)20余次、共2000余人次參與；與鋼研總院國家級(jí)專業(yè)技術(shù)人員繼續(xù)教育基地合作，已面向行業(yè)培養(yǎng)認(rèn)證了64位“M@T材料數(shù)字化研發(fā)教師、工程師”；面向行業(yè)發(fā)布2次共18個(gè)項(xiàng)目的“懸賞征算令”，國內(nèi)外超過80家機(jī)構(gòu)、170多個(gè)團(tuán)隊(duì)報(bào)名參與，其中50余個(gè)團(tuán)隊(duì)獲得1萬-10萬元不等的個(gè)人獎(jiǎng)勵(lì)。以上活動(dòng)中眾籌材料APP近150個(gè)。

圖8 “懸賞征算”及“M@T數(shù)字化研發(fā)認(rèn)證”

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、突破高性能計(jì)算（HPC）架構(gòu)下的圖形/指令一體化的材料多尺度云計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于“云堡壘”的智能路由系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于Windows-Linux多許可證調(diào)度的多尺度材料/工藝軟件公網(wǎng)云計(jì)算。在確保軟件產(chǎn)權(quán)的前提下實(shí)現(xiàn)了資源共享。

多尺度公網(wǎng)云計(jì)算有4大難題：軟件版權(quán)、數(shù)據(jù)安全、圖形化訪問、許可證調(diào)度。目前，以IBM發(fā)布的LSF高性能計(jì)算調(diào)度系統(tǒng)為代表，幾乎所有的超算操作系統(tǒng)都架構(gòu)在Linux指令行模式下，缺乏Windows環(huán)境下的HPC圖形調(diào)度系統(tǒng)。該平臺(tái)基于Windows系統(tǒng)下開發(fā)了自主產(chǎn)權(quán)的材料計(jì)算軟件License調(diào)度技術(shù)和算法，在確保軟件版權(quán)的前提下，實(shí)現(xiàn)20了余款國際知名材料、工藝軟件的遠(yuǎn)程計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算和排隊(duì)計(jì)算。設(shè)計(jì)了基于“云堡壘”的智能路由系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)用戶的分策略安全訪問。該創(chuàng)新技術(shù)已申請(qǐng)專利1項(xiàng)、軟件著作權(quán)1項(xiàng)，發(fā)表論文3篇，獲得工信部典型應(yīng)用案例稱號(hào)1項(xiàng)。

2、首創(chuàng)基于區(qū)塊鏈的材料數(shù)據(jù)對(duì)等發(fā)現(xiàn)及共享技術(shù)，突破了數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)確認(rèn)、數(shù)據(jù)匯聚和共享的行業(yè)難題，滿足了材料數(shù)據(jù)確權(quán)管理及安全溯源需求，可有效實(shí)現(xiàn)不同團(tuán)隊(duì)、不同部門之間的數(shù)據(jù)共享共治。

為解決研發(fā)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部、團(tuán)隊(duì)之間數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和共享問題，該平臺(tái)采用區(qū)塊鏈技術(shù)標(biāo)記材料數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)，采用材料基因特征的模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)不同團(tuán)隊(duì)和人員之間的對(duì)等數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和共享，滿足了數(shù)據(jù)確權(quán)管理及安全溯源需求，可促進(jìn)形成企業(yè)級(jí)、行業(yè)級(jí)科研檢測數(shù)據(jù)礦山，可實(shí)現(xiàn)FAIR原則下的跨團(tuán)隊(duì)、跨部門數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)、可訪問、可操作、可重用。該創(chuàng)新技術(shù)已申報(bào)2項(xiàng)專利，2項(xiàng)軟件著作權(quán)，1篇學(xué)術(shù)論文，獲得1項(xiàng)國家級(jí)示范稱號(hào)，2項(xiàng)省部級(jí)示范稱號(hào)。

3、發(fā)明元素粉末SLM原位合金化高通量制備技術(shù)，突破了高速打印條件下元素粉末擴(kuò)散、均質(zhì)化難題，可實(shí)現(xiàn)一次上百種不同成分塊狀合金的高效制備，大幅度提升材料研發(fā)、優(yōu)化迭代效率。

基于元素級(jí)激光選區(qū)熔融（SLM）原位合金化技術(shù)開發(fā)，建立了行業(yè)內(nèi)首個(gè)塊體樣品的高通量增材制備系統(tǒng)。結(jié)合微區(qū)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)計(jì)算和激光多級(jí)熱處理工藝開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)上百個(gè)成分變化的塊體樣品高通量增材制備，已成功應(yīng)用高熵合金、不銹鋼、高溫合金、超硬合金和梯度功能材料等新概念材料的高通量制備，大幅度提升材料研發(fā)、優(yōu)化迭代效率。該創(chuàng)新技術(shù)已獲批1項(xiàng)專利，申報(bào)4項(xiàng)專利，6項(xiàng)實(shí)用新型，1項(xiàng)軟件著作權(quán)和4篇學(xué)術(shù)論文。

4、率先在行業(yè)內(nèi)建立材料APP集群，首倡材料APP理念，形成針對(duì)特定場景，集材料/工藝專家、計(jì)算工程師經(jīng)驗(yàn)與一體的微應(yīng)用方案。提供了材料原創(chuàng)性研發(fā)所必需的計(jì)算-數(shù)據(jù)-場景迭代升級(jí)能力。

建成全球首個(gè)材料APP專業(yè)資源平臺(tái)，開發(fā)并上線350余款材料APP應(yīng)用，以解決材料、工藝和計(jì)算工程師的知識(shí)銜接和知識(shí)沉淀難題，支持多種廣義APP的云端生成、云端遠(yuǎn)程計(jì)算。支持企業(yè)專區(qū)設(shè)立，可共享、可修改、可移植、可保護(hù)版權(quán)。算法覆蓋納觀、微觀、介觀、宏觀全尺度，具備從材料設(shè)計(jì)、組織性能預(yù)測、工藝模擬到服役仿真全流程的微應(yīng)用計(jì)算解決方案。

5、開辟了“M@T材料數(shù)字化研發(fā)認(rèn)證”、“懸賞征算”、材料APP云原生等創(chuàng)新應(yīng)用場景，極大地促進(jìn)了行業(yè)材料數(shù)字化研發(fā)生態(tài)的建設(shè)。

積極推動(dòng)數(shù)字化研發(fā)應(yīng)用場景創(chuàng)新，推出了“懸賞征算”、“M@T數(shù)字化研發(fā)認(rèn)證”、材料APP眾籌等的數(shù)字化研發(fā)推廣機(jī)制。面向行業(yè)發(fā)布18個(gè)“懸賞征算令”，國內(nèi)、外超過80家機(jī)構(gòu)、170多個(gè)團(tuán)隊(duì)參與，50余個(gè)團(tuán)隊(duì)獲獎(jiǎng)；面向行業(yè)考核認(rèn)證了64位“M@T材料數(shù)字化研發(fā)教師、工程師”；開展行業(yè)數(shù)字化研發(fā)技術(shù)培訓(xùn)2000多人次，來自數(shù)十個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)的用戶眾籌材料APP應(yīng)用150多個(gè)，有力推進(jìn)了各類原創(chuàng)工具、云原生工具的開發(fā)和共享，促成了行業(yè)級(jí)數(shù)字化研發(fā)生態(tài)的建立和成長。

四、應(yīng)用情況與效果

Material-DLab金屬材料數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)開放運(yùn)行6個(gè)月中，累計(jì)完成在線計(jì)算任務(wù)6000余項(xiàng)；完成在線科研檢測及數(shù)據(jù)上傳任務(wù)1000余項(xiàng)，開發(fā)和眾籌各類材料APP超過300項(xiàng)，向全行業(yè)發(fā)布懸賞征算任務(wù)18項(xiàng)、參與團(tuán)隊(duì)170多個(gè)，認(rèn)證數(shù)字化研發(fā)教師/工程師64人，完成行業(yè)培訓(xùn)2000余人，直接收益超過3000萬元。已應(yīng)用于北京鋼研高納科技股份有限公司、安泰科技股份有限公司、鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司、中石化廣州工程有限公司、首鋼智新遷安電磁材料有限公司和航發(fā)伊薩（北京）科技發(fā)展有限公司，為其帶來收益累計(jì)超過1億元。

圖9 2021年懸賞征算獲獎(jiǎng)人員

該平臺(tái)2020年獲國資委國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型典型案例“材料產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新云服務(wù)平臺(tái)”稱號(hào)；上榜2020年工信部大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展試點(diǎn)示范項(xiàng)目“鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)”；上榜工信部“2021年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)新領(lǐng)航應(yīng)用案例”；入選2021年中央網(wǎng)信辦、國務(wù)院辦公廳等聯(lián)合組織的“國家區(qū)塊鏈創(chuàng)新應(yīng)用試點(diǎn)”示范單位；入圍2021年度央企熠星大賽復(fù)賽項(xiàng)目“基于元素粉末3D打印的高通量制備平臺(tái)”。在中國金屬學(xué)會(huì)的科技成果評(píng)價(jià)會(huì)上，謝建新院士、張統(tǒng)一院士和段文暉院士等11位評(píng)審專家一致認(rèn)為，該平臺(tái)已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，可促進(jìn)行業(yè)級(jí)數(shù)字化研發(fā)生態(tài)的建立和成長，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

圖10 2021年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)品臺(tái)創(chuàng)新領(lǐng)航應(yīng)用案例