材料大數據助力中國制造創(chuàng)新發(fā)展

尹海清

隨著IT技術的迅猛發(fā)展和電子產品的大眾化普及，以及2012年美國政府發(fā)布“大數據計劃”，使大數據成為全球熱點話題，各領域對大數據的研究不斷深入，而大數據的應用已經從互聯網、電信、銀行等行業(yè)，擴展到交通、零售業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等，其發(fā)展之勢難于估量。而在高能物理、遙感、空間科學、生物、醫(yī)學、地理等自然科學領域對大數據的研究和利用已成為常態(tài)。

大數據和互聯網帶來了全球性的巨變。然而，在互聯網經濟的光芒下，世界主要發(fā)達國家從國家層面上進一步強調關乎國家發(fā)展和基礎建設的工業(yè)，尤其是制造業(yè)的革命性升級，并先后提出國家戰(zhàn)略計劃，包括美國總統(tǒng)奧巴馬上任后推行的“再工業(yè)化”、“制造業(yè)復興”、“先進制造伙伴計劃”，德國的“工業(yè)4.0”計劃，日本的“復興戰(zhàn)略”計劃，法國的“新工業(yè)法國”計劃，以及韓國的“新增動力戰(zhàn)略”計劃等，這些計劃的共同目標之一旨在將制造業(yè)的比例提升至絕對優(yōu)勢水平，遠超服務業(yè)。這些計劃中，2013年4月德國在漢諾威工業(yè)博覽會期間首次拋出的“工業(yè)4.0”計劃對我國影響力最大，該計劃被認為是第四次工業(yè)革命，超越了第三次工業(yè)革命的自動化生產的特點，賦予生產過程以智慧，形成一種帶有智能思考的外在表現形式。

一、“互聯網+”時代

今年3月5日召開的十二屆全國人大三次會議上，國家總理李克強在政府工作報告中首次提出了“互聯網+”行動計劃。該計劃是利用互聯網的技術、工具、應用，通過制定該行動計劃，推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業(yè)結合，促進電子商務、工業(yè)互聯網和互聯網金融健康發(fā)展”，將傳統(tǒng)行業(yè)升級，創(chuàng)造新的業(yè)態(tài)?！盎ヂ摼W+”戰(zhàn)略上升至國家層面，隨即成為關注和討論的熱點。

1.“互聯網+各行業(yè)”

互聯網是當今時代的特征，因為它徹底改變了人們的生活方式，創(chuàng)造了很多顛覆性的效應，不僅使地球人的聯系實現實時且免費的視頻交流，B2B、O2O的移動互聯思維使經濟發(fā)展模式發(fā)生了完全的轉變， 大型開放式網絡（massive open online courses，MOOC）課程使每個在線的人可以共享世界上最好的教育資源，實現了孔子的“有教無類”的教育理念。而互聯網信息的傳輸，催生了大數據時代，創(chuàng)造了數據科學的科學發(fā)現的范式，也造就了云計算的軟硬件資源優(yōu)化配置的服務模式，物聯網和智慧城市則是互聯網支持下的涉及范圍更廣的信息傳播與服務?？梢姡ヂ摼W猶如一片沃土，已經在與社會的方方面面，尤其是第三產業(yè)的嫁接，取得了巨大的影響力。

在對“互聯網+”的熱議中，不同行業(yè)針對其對行業(yè)的理解提出了互聯網對相關行業(yè)未來的影響和發(fā)展模式。易觀國際董事長于揚在對互聯網對中國的影響的分析上，從全面的視角縱觀中國經濟，關注了關乎國家發(fā)展大計的第二產業(yè)，他在2013年12月搜狐財經年會接受采訪時表示，當前，“互聯網+”關乎中國轉型之路。騰訊、阿里、百度、搜狐等大型線上領軍企業(yè)創(chuàng)造的經濟總量在將近60萬億的GDP總額中的份額很少，而95%以上的經濟都是線下。傳統(tǒng)經濟能否觸網，將影響中國經濟能否成功轉型，能否由過去的高能耗、高污染、低附加值的來料加工、勞動力密集產業(yè)的產品和服務逐步過渡到低能耗、環(huán)境友好、高附加值的產品和服務。也就是說，在互聯網的架構在應用于國民經濟生產，尤其是傳統(tǒng)制造業(yè)的升級改造和創(chuàng)新上的效果，尚存在客觀的不確定性。

2.“互聯網+中國制造”

實施“中國制造2025”，是李克強總理在《政府工作報告》中除“互聯網+”以外強調的又一重點，指明了我國制造業(yè)應堅持創(chuàng)新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發(fā)展，加快從中國制造向中國創(chuàng)造、從制造大國向制造強國的轉變。德國的“工業(yè)4.0”國家戰(zhàn)略，助力其在全球已獨占鰲頭的制造業(yè)，領跑制造業(yè)第四次工業(yè)革命的步伐。

我國制造業(yè)基礎相對薄弱，自動化生產在很多行業(yè)尚未實現，由于制造業(yè)的落后而造成的難以創(chuàng)新性地生產高端一流產品的現狀，成為我國經濟發(fā)展速度放緩的重要因素之一。我國的“中國制造2025”戰(zhàn)略，不是簡單地將“工業(yè)4.0”移植我國，而是互聯網與制造業(yè)相融合，形成“互聯網+制造業(yè)”的思維和發(fā)展模式，在生產制造模式、產業(yè)組織創(chuàng)新、產業(yè)結構升級、產業(yè)創(chuàng)新方式等方面產生變革，形成我國制造業(yè)的跨越式發(fā)展的態(tài)勢，加快中國制造業(yè)向智能制造的轉型。今后隨著美國“腦科學”國家戰(zhàn)略計劃的實施以及世界各國的相繼跟進研究，如果將腦科學的成果應用于制造業(yè)，智能制造必將進一步提升到大智慧的程度。

3.“互聯網+中國材料”

材料是社會發(fā)展的基礎，是人類文明與進步的標志和里程碑，材料的發(fā)展直接決定了社會各方面的進步步伐。然而我國材料產業(yè)經過過去幾十年的積累后，與工業(yè)革命后飛速發(fā)展的歐洲和美國仍有一定差距，我國的關鍵材料自給率不足20%。因此，材料領域及行業(yè)的發(fā)展，對于我國經濟發(fā)展和國家安全至關重要。

美國在2008年提出“集成計算材料工程”（Integrated Computational Materials Engineering，ICME），旨在通過跨層次多尺度計算，加快材料的設計進程，2011年6月美國發(fā)布了“先進制造伙伴計劃”，其核心部分之一為“材料基因組計劃”（Materials Genome Initiative，MGI），該計劃旨在將高通量計算、高通量實驗與表征，以及材料數據3大工具深度融合，使新材料的從設計到新產品開發(fā)應用全鏈條的進程至少加快1倍，成本至少降低一半。材料基因組的基本架構見圖1，該計劃打破了材料研究原有的各尺度計算相對獨立、計算與實驗相對分離，數據的價值不被重視的局面。

二、大數據在“互聯網+”時代的價值

1.大數據的5“V”特征

大數據的特點隨著對其研究的深入，從3“V”發(fā)展到目前的5個“V”特征，即Value（價值大但價值密度低）、Velocity（具有時效性，需要在規(guī)定時間分析）、Volume（數據量大，可達到 PB級）、Variety（在形式、來源上有多樣性）、Veracity（真實、客觀）。

大數據概念在各領域不斷滲透，尤其是傳統(tǒng)產業(yè)，在數據和大數據的應用中逐步弱化了5“V”特征，更加強調了數據的價值，從大數據的價值堪比石油，到數據科學是科學發(fā)現的新手段，哈佛大學Gary King教授指出，大數據將在學術界、產業(yè)界和政界迅速蔓延開來，沒有哪個領域不會受到影響。麻省理工學院Erik Brynjolfsson教授將分析大數據與顯微鏡觀察進行類比并指出，在商業(yè)、經濟及其他領域中，決策行為將日益基于數據和分析而作出，而并非基于經驗和直覺。

2.大數據帶來的機遇與挑戰(zhàn)

（1）高價值和財富

大數據所帶來的直接價值和通過挖掘分析得到的數據產品的潛在價值，隨著數據挖掘技術的發(fā)展和分析工具的普及性不斷提升，因此數據已經成為一種資源財富，與石油這一不可再生資源相比，大數據資源的體量將越來越大，非但不會枯竭，而是巨量增長。

（2）大數據分析創(chuàng)造新的產業(yè)和就業(yè)機會

以大數據原始數據為基礎，進行數據清洗、分析、建模、可視化后的數據產品，已經成為大數據交易的產品。2014年2月中關村大數據交易產業(yè)聯盟成立，在國內開創(chuàng)了數字交易產業(yè)的先河。2015年4月14日，貴陽大數據交易所正式掛牌運營，并完成了首批大數據交易。大數據產業(yè)也讓使數據分析和統(tǒng)計成為一個有趣的職業(yè)，不難想象，在不久的將來，數據分析及其外包服務，如同印度的軟件外包服務一樣，成為一個迅速崛起的行業(yè)，數據分析師將成炙手可熱的職業(yè)。

（3）時效性的“雙刃劍”效應

大數據的時效性為利用大數據進行分析提供了迅捷的手段和基礎，但這種“稍縱即逝”的信息，要求大數據擁有者必須進行快速且正確的處理，否則遺漏的信息可能造成決策失誤，錯誤的分析更有誤導之嫌。因此，未來一個國家的競爭力很大程度上取決于整體數據分析能力。

三、大數據和“互聯網+”助力中國制造的創(chuàng)新發(fā)展

1.大數據與“互聯網+”助力中國材料的智能化設計與制造

制造業(yè)的發(fā)展強烈依賴于新材料的發(fā)展。材料的開發(fā)歷程通常為10～20年，嚴重制約了多個行業(yè)的發(fā)展進程。因此，“中國制造2025”的突破，關鍵之一是材料的突破。

材料基因組計劃和集成計算材料工程的發(fā)布，引發(fā)了加快新材料研發(fā)進程的蝴蝶效應。采用第一性原理方法，對化學元素周期表的元素進行多組元組合的高通量的并行計算，成為材料大數據的主要來源之一。通過聚類分析、機器學習等方法對第一性原理產生的材料大數據分析的研究不僅發(fā)現了新材料和新現象，而且推進了材料信息學的發(fā)展。而結構材料的材料跨尺度計算在實現數據的無障礙透明傳遞的同時，完全可以實現線上操作，在線上形成虛擬材料設計生產線，基于互聯網的集成設計平臺、仿真與驗證平臺、應用評價平臺，形成滿足未來新材料需求的智能化設計與智能化制造的需求，如圖2所示。

而高通量實驗的表征結果，通過數據在線傳輸，實現研究成果在研究者和用戶間傳遞。但無論跨尺度計算，抑或是實驗結果的傳輸，都在大數據技術、信息物理系統(tǒng)的支撐下，形成了“互聯網+中國材料”的新格局，并表現為4個鮮明特征，分別為：

①材料設計過程的網絡化：打破計算與模擬過程的各尺度、環(huán)節(jié)、方法的分立，基于互聯網建立起交互關聯關系，實現材料設計與優(yōu)化，形成虛擬材料設計生產線；以應用需求出發(fā)，將材料的5大要素（成分、組織、結構、制備、性能）的設計與應用有機結合，并以3D和4D的形式呈現，與“中國制造2025”對接。

②生產過程的數字化與智能化：數字化貫穿于材料生產的全生產鏈條，實現生產過程的自動化，而每一步生產過程的數據通過關聯關系傳輸到各環(huán)節(jié)進行驗證、反饋與優(yōu)化，在生產過程中實現產品性能的實時優(yōu)化操作。

③生產管理信息化：目前我國在生產管理上存在效率低的突出問題。通過生產過程的實時信息記錄，實現企業(yè)、公司等范圍的數字化生產管理與調度，并逐步通過大數據分析實現企業(yè)發(fā)展的快速決策和管理效率的提升。

④大數據分析常態(tài)化：基于互聯網的材料智能化設計過程中傳輸的全部為數據，在智能化制造中，控制各工序生產的也是計算優(yōu)化和實驗驗證的數據，對數據的分析與挖掘是“互聯網+中國材料”過程管理與發(fā)展的高效手段之一。

2.大數據與“互聯網+”助力中國制造

我國制造業(yè)，尤其是傳統(tǒng)制造業(yè)，相對落后、產品質量不高的原因不是單單某一方面的問題，而是多方面構成的系統(tǒng)問題，包括規(guī)劃、生產、管理等多方面，如分析決策的手段相對落后，信息量不足且快速分析處理的技術相對落后，生產上缺乏各工序準確的過程數據，無法找出影響質量的關鍵因素，管理上現代化程度運用不足，難于做到各個環(huán)節(jié)的精確控制，導致我國生產的產品穩(wěn)定性和一致性較差，質量不高。

近2年大數據思想漸漸進入制造業(yè)企業(yè)的體系，企業(yè)卻在大數據和互聯網的應用上難于落地，因為制造企業(yè)不僅與上述企業(yè)內部的問題有關聯，而且與上下游的行業(yè)息息相關。美國的企業(yè)早在幾年前就運用了全生命周期的管理思想，從一種化學元素從地殼中挖掘出來，到回收處理，并積累了大量數據，其思考問題的系統(tǒng)性和全局性值得學習和借鑒。

我國目前在制造業(yè)活動中，尚難產生嚴格符合定義的大數據。但制造業(yè)體系較材料領域更加龐雜，信息物理系統(tǒng)、物聯網、工業(yè)互聯網將企業(yè)相關的包括上下游行業(yè)的參量都關聯在一起，企業(yè)的海量數據的發(fā)展趨勢相當可觀，而其復雜關聯性，以及材料及制造業(yè)的科學理論的約束，對數據分析的要求提高。而制造業(yè)的大數據分析與電子商務等方面的大數據分析相比較不難發(fā)現，后者主要以發(fā)現趨勢和規(guī)律為分析的目標，離群點因其為小概率事件而被清洗掉，而制造業(yè)中，發(fā)現問題是需要從特異點入手，離群點分析將成為創(chuàng)新發(fā)現的有效分析手段之一。

四、結語

材料及制造業(yè)在今天的發(fā)展中，是不斷創(chuàng)造大數據并不斷理解和消化大數據的過程，在大數據的創(chuàng)造方法以及大數據的分析上都需要不斷創(chuàng)新。由于傳統(tǒng)制造業(yè)的特點和基礎，大數據的運用和“互聯網+”支撐的效果難于一蹴而就，但要創(chuàng)造基于大數據、物聯網、互聯網發(fā)展的“生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)”，形成制造業(yè)全面落實的發(fā)展新格局，克服區(qū)域間的發(fā)展不平衡，形成制造業(yè)的全面轉型，而這正是時代的需要。

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