一、研究的背景與問題

材料是制造業(yè)的基礎，材料創(chuàng)新往往處在顛覆性技術革命的核心。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)驗與試錯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)到應用的進程，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)時代。研仿的方法論是“文獻+試錯”，原創(chuàng)的方法論是“計算+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)，深刻認識材料創(chuàng)新機理，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)新能力受制于四個痛點問題：（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+試錯”，數(shù)字化研發(fā)仍屬局部；（4）現(xiàn)有超算平臺難以滿足圖形界面、公網(wǎng)計算等材料研發(fā)需求，工具軟件利用門檻高，軟硬件資源利用率低。

針對上述問題，中國鋼研充分發(fā)揮在金屬新材料研發(fā)領域多年積淀的知識、技術和產(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、場景和生態(tài)三個維度，開展Material-DLab金屬材料數(shù)字化研發(fā)平臺的構建及示范應用。對強化我國金屬材料基礎科研能力，加速數(shù)字化研發(fā)生態(tài)形成，促進行業(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方案

    平臺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)平臺包括多尺度公網(wǎng)云計算、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)，在此基礎上開展應用推廣，形成了數(shù)字化研發(fā)M@T認證、懸賞征算、材料APP眾籌等數(shù)字化研發(fā)生態(tài)。

平臺的總體研制技術路線為：（1）設計高性能服務器集群架構，滿足日常材料設計、應用研發(fā)需求和偶發(fā)的大規(guī)模材料計算和仿真的算力需求。（2）選配國內(nèi)外知名材料計算、工藝仿真和服役模擬軟件，形成從原子尺度的第一性原理、分子動力學模擬計算，到微觀尺度的相圖計算、相場模擬，到宏觀有限元和材料服役評估的全尺度材料研發(fā)工具體系。（3）開發(fā)多尺度公網(wǎng)云計算調(diào)度系統(tǒng)，搭載高性能服務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算法和公網(wǎng)智能路由技術開發(fā)，實現(xiàn)全尺度計算資源的遠程計算、移動計算和排隊計算，滿足對于計算仿真工具與高性能計算（CPU/GPU）的使用需求。（4）研制材料APP系統(tǒng)，通過對不同計算算法模型的參數(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)，降低計算仿真的使用門檻，滿足非計算仿真專業(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，通過原始材料數(shù)據(jù)的半結構化上傳和各類測試設備的數(shù)據(jù)接口開發(fā)，滿足一手試驗檢測數(shù)據(jù)的歸集管理和分權管理。通過開發(fā)基于“材料基因”的區(qū)塊鏈技術，整合相關資源，實現(xiàn)文獻、計算、試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)確權、價值評估和安全共享。（5）研制元素級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）的動態(tài)量化混粉裝備開發(fā)，實現(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、高溫熱處理和金相/硬度分析裝置，形成元素級高通量增材制備的整體解決方案。

圖1 Material-DLab平臺總體技術思路 

1、多尺度公網(wǎng)云計算子系統(tǒng)

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

圖2 Material-DLab集成管理的多尺度計算資源

 圖3 云計算調(diào)度系統(tǒng)的遠程移動訪問

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)針對原始科研數(shù)據(jù)管理共享問題，可對試驗任務申請唯一編碼，并在項目賬戶下獲取試驗數(shù)據(jù)，支持各類試驗設備、文獻數(shù)據(jù)的接入，并提供個人/團隊數(shù)據(jù)管理、跨團隊數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、一鍵試驗報告、動態(tài)評價考核等功能?；谠瓌?chuàng)性的材料基因特征和區(qū)塊鏈協(xié)議，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)權屬標記和可用不可見服務，支持團隊內(nèi)部的數(shù)據(jù)安全共享和團隊之間的數(shù)據(jù)對等發(fā)現(xiàn)，是建立團隊級、企業(yè)級數(shù)據(jù)礦山、實現(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)是由本項目團隊首倡，集材料/工藝專業(yè)知識、計算工程師經(jīng)驗于一體、針對具體材料和應用場景的微應用方案。可由具體計算案例改造實現(xiàn)，可共享、可傳播、可移植，是科研團隊數(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、計算算法和工藝類型對APP資源進行分類和搜索，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多個不同應用場景、不同計算尺度的材料APP應用程序（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的核心組成部分。目前國際上高通量制備平臺多以擴散多元結和氣相沉積為技術基礎，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性能。本項目基于SLM金屬3D打印平臺，率先提出了元素粉末微區(qū)合金化技術，并自主設計、開發(fā)了業(yè)內(nèi)首個商業(yè)化塊狀樣品高通量制備系統(tǒng)。

該技術改變傳統(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，通過動態(tài)量化混粉，在SLM成型的同時完成合金化過程（見圖6）。項目團隊突破了微區(qū)冶金擴散動力學、粉末動態(tài)定量控制、高溫擴散模擬等核心技術，自主設計開發(fā)的3D-Alloyer高通量制備系統(tǒng)包含定量送粉模塊、實時混粉模塊、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)應用生態(tài)

基于已開發(fā)完成的Material-DLab數(shù)字化研發(fā)平臺，項目團隊組織開展了行業(yè)數(shù)字化研發(fā)培訓與認證、懸賞征算、APP眾籌、柔性項目協(xié)同等場景應用（見圖8），為行業(yè)培養(yǎng)數(shù)字化人才，建設數(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)技術培訓20余次、共2000余人次參與；與鋼研總院國家級專業(yè)技術人員繼續(xù)教育基地合作，已面向行業(yè)培養(yǎng)認證了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個項目的“懸賞征算令”，國內(nèi)外超過80家機構、170多個團隊報名參與，其中50余個團隊獲得1萬-10萬元不等的個人獎勵。以上活動中眾籌材料APP近150個。

圖8 “懸賞征算”及“M@T數(shù)字化研發(fā)認證”

三、主要創(chuàng)新性成果

1、突破高性能計算（HPC）架構下的圖形/指令一體化的材料多尺度云計算技術，設計了基于“云堡壘”的智能路由系統(tǒng)，實現(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)云計算。在確保軟件產(chǎn)權的前提下實現(xiàn)了資源共享。

多尺度公網(wǎng)云計算有4大難題：軟件版權、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)。該平臺基于Windows系統(tǒng)下開發(fā)了自主產(chǎn)權的材料計算軟件License調(diào)度技術和算法，在確保軟件版權的前提下，實現(xiàn)20了余款國際知名材料、工藝軟件的遠程計算、移動計算和排隊計算。設計了基于“云堡壘”的智能路由系統(tǒng)，可實現(xiàn)公網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)用戶的分策略安全訪問。該創(chuàng)新技術已申請專利1項、軟件著作權1項，發(fā)表論文3篇，獲得工信部典型應用案例稱號1項。

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

為解決研發(fā)團隊內(nèi)部、團隊之間數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和共享問題，該平臺采用區(qū)塊鏈技術標記材料數(shù)據(jù)產(chǎn)權，采用材料基因特征的模式識別，實現(xiàn)不同團隊和人員之間的對等數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和共享，滿足了數(shù)據(jù)確權管理及安全溯源需求，可促進形成企業(yè)級、行業(yè)級科研檢測數(shù)據(jù)礦山，可實現(xiàn)FAIR原則下的跨團隊、跨部門數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)、可訪問、可操作、可重用。該創(chuàng)新技術已申報2項專利，2項軟件著作權，1篇學術論文，獲得1項國家級示范稱號，2項省部級示范稱號。

3、發(fā)明元素粉末SLM原位合金化高通量制備技術，突破了高速打印條件下元素粉末擴散、均質(zhì)化難題，可實現(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。

基于元素級激光選區(qū)熔融（SLM）原位合金化技術開發(fā)，建立了行業(yè)內(nèi)首個塊體樣品的高通量增材制備系統(tǒng)。結合微區(qū)擴散動力學計算和激光多級熱處理工藝開發(fā)，可實現(xiàn)上百個成分變化的塊體樣品高通量增材制備，已成功應用高熵合金、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)新技術已獲批1項專利，申報4項專利，6項實用新型，1項軟件著作權和4篇學術論文。

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

建成全球首個材料APP專業(yè)資源平臺，開發(fā)并上線350余款材料APP應用，以解決材料、工藝和計算工程師的知識銜接和知識沉淀難題，支持多種廣義APP的云端生成、云端遠程計算。支持企業(yè)專區(qū)設立，可共享、可修改、可移植、可保護版權。算法覆蓋納觀、微觀、介觀、宏觀全尺度，具備從材料設計、組織性能預測、工藝模擬到服役仿真全流程的微應用計算解決方案。

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

積極推動數(shù)字化研發(fā)應用場景創(chuàng)新，推出了“懸賞征算”、“M@T數(shù)字化研發(fā)認證”、材料APP眾籌等的數(shù)字化研發(fā)推廣機制。面向行業(yè)發(fā)布18個“懸賞征算令”，國內(nèi)、外超過80家機構、170多個團隊參與，50余個團隊獲獎；面向行業(yè)考核認證了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)技術培訓2000多人次，來自數(shù)十個研發(fā)機構的用戶眾籌材料APP應用150多個，有力推進了各類原創(chuàng)工具、云原生工具的開發(fā)和共享，促成了行業(yè)級數(shù)字化研發(fā)生態(tài)的建立和成長。

四、應用情況與效果

Material-DLab金屬材料數(shù)字化研發(fā)平臺開放運行6個月中，累計完成在線計算任務6000余項；完成在線科研檢測及數(shù)據(jù)上傳任務1000余項，開發(fā)和眾籌各類材料APP超過300項，向全行業(yè)發(fā)布懸賞征算任務18項、參與團隊170多個，認證數(shù)字化研發(fā)教師/工程師64人，完成行業(yè)培訓2000余人，直接收益超過3000萬元。已應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，為其帶來收益累計超過1億元。

圖9 2021年懸賞征算獲獎人員

該平臺2020年獲國資委國有企業(yè)數(shù)字化轉型典型案例“材料產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新云服務平臺”稱號；上榜2020年工信部大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展試點示范項目“鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)鏈應用大數(shù)據(jù)平臺”；上榜工信部“2021年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)新領航應用案例”；入選2021年中央網(wǎng)信辦、國務院辦公廳等聯(lián)合組織的“國家區(qū)塊鏈創(chuàng)新應用試點”示范單位；入圍2021年度央企熠星大賽復賽項目“基于元素粉末3D打印的高通量制備平臺”。在中國金屬學會的科技成果評價會上，謝建新院士、張統(tǒng)一院士和段文暉院士等11位評審專家一致認為，該平臺已達到國際領先水平，可促進行業(yè)級數(shù)字化研發(fā)生態(tài)的建立和成長，經(jīng)濟和社會效益顯著。

圖10 2021年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)品臺創(chuàng)新領航應用案例