數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)編碼—連接材料基因組工程數(shù)據(jù)庫(kù)與可傳承集成智能制造的橋梁

王毅，李佩璇，林徳燁，唐斌，王軍，管全梅，葉謙，代海星，高軍，范曉麗，寇宏超，宋海峰，周峰,*，馬紀(jì)軍,*，劉梓葵，李金山,*，劉維民

a State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China

b CAEP Software Center for High Performance Numerical Simulation, Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 100088, China

c CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035, China

d Beijing Star Travel Space Technology. Co. Ltd., Beijing 100013, China

e Department of Materials Science and Engineering, Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA

1. 引言

隨著人類進(jìn)入集成智能制造時(shí)代[1–3]，集成計(jì)算材料工程（ICME）的數(shù)字孿生設(shè)計(jì)范式對(duì)于加快新型先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用至關(guān)重要。大量官方文件和計(jì)劃已概述了計(jì)算材料工程的獨(dú)特挑戰(zhàn)和機(jī)遇以及未來(lái)可傳承的集成智能制造（I3M）的戰(zhàn)略藍(lán)圖，如美國(guó)的材料基因組計(jì)劃（MGI）[4]、中國(guó)的材料基因工程（MGE）和人-信息-物理系統(tǒng)（HCPS）[1]、德國(guó)的工業(yè)4.0 [2]、韓國(guó)的工業(yè)創(chuàng)新3.0 [5]。材料創(chuàng)新賦予了解決問(wèn)題的新技術(shù)能力并促進(jìn)社會(huì)的重大進(jìn)步[6,7]?；谶@些先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)范式，材料發(fā)現(xiàn)和工程創(chuàng)新為技術(shù)進(jìn)步開(kāi)辟了新的領(lǐng)域[6]，包括大數(shù)據(jù)[8]、數(shù)據(jù)挖掘[6]、機(jī)器學(xué)習(xí)[6,9]、人工智能、云計(jì)算、金屬材料本體論和知識(shí)圖譜。與大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的技術(shù)有助于將理論預(yù)測(cè)與微觀自由度聯(lián)系起來(lái)，從而加速區(qū)域材料的設(shè)計(jì)和合成[9]。如集成實(shí)驗(yàn)衍射數(shù)據(jù)、對(duì)稱性統(tǒng)計(jì)反饋、基于密度泛函理論（DFT）的優(yōu)化算法，第一原理輔助結(jié)構(gòu)解析已成為一種新型的自動(dòng)預(yù)測(cè)晶體結(jié)構(gòu)的混合方法[10]。DFT計(jì)算和相圖計(jì)算（CALPHAD）的集成被認(rèn)為是材料基因和材料設(shè)計(jì)的主要部分[11–13]，并已建成一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的ICME材料開(kāi)發(fā)框架[5,14]，該框架強(qiáng)調(diào)基于相物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫(kù)。眾所周知，ICME是通過(guò)計(jì)算工具獲取、工程產(chǎn)品使役性能分析和制造加工仿真的材料相關(guān)信息的集成[5,15]。隨著計(jì)算材料科學(xué)和計(jì)算能力的迅速發(fā)展，多物理場(chǎng)模擬推動(dòng)了熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)、缺陷和性質(zhì)在多尺度上的預(yù)測(cè)，極大地加速了材料數(shù)據(jù)庫(kù)或存儲(chǔ)庫(kù)的發(fā)展[5,13,16]。此外，通過(guò)集成多尺度模擬，設(shè)計(jì)策略可以跨越從電子到相甚至到產(chǎn)品的范圍[12,14,17,18]，并且可以有效地確立篩選目標(biāo)候選材料的原則和判據(jù)[5,13,19–21]。

從集成智能制造/工程的角度來(lái)看，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的ICME支持?jǐn)?shù)字孿生類型的設(shè)計(jì)/制造范式，這突出了材料信息學(xué)的重要作用。盡管第三次工業(yè)革命（所謂的數(shù)字革命）仍在發(fā)展中，但是第四次工業(yè)革命的重點(diǎn)是基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字科技，并將非線性特征、數(shù)字技術(shù)和學(xué)科整合到虛擬材料和物理系統(tǒng)領(lǐng)域[3]。在智能設(shè)計(jì)時(shí)代，通過(guò)計(jì)算可以提前確定新的目標(biāo)、候選對(duì)象和技術(shù)方案，從而有利于企業(yè)以較低的成本和較短的時(shí)間提供基于所獲得的知識(shí)和模型的營(yíng)銷策略，以便在全球競(jìng)爭(zhēng)中生存。為了對(duì)目標(biāo)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、計(jì)劃和解決方案做出有效的決策，解決公認(rèn)的數(shù)據(jù)“4V”至關(guān)重要，包括體量、速度、多樣性和準(zhǔn)確性[3]。據(jù)報(bào)道，北美的大型制造商已經(jīng)花費(fèi)了近7萬(wàn)億美元來(lái)升級(jí)以前帶有傳感器的設(shè)備，使設(shè)備系統(tǒng)能夠通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相互通信[3]。有效地利用這些運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行商業(yè)決策是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)或機(jī)遇，然而目前僅有約1%的商業(yè)決策是這樣做的[3]。因此，不但應(yīng)該關(guān)注促進(jìn)數(shù)據(jù)集自動(dòng)化收集、整理和分發(fā)的工具，還應(yīng)該定義并遵循標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)格式[6]。例如，可查找性、可訪問(wèn)性、互操作性和可重用性（FAIR）這四個(gè)基本原則被提出，用于傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)、算法、工具和工作流的指導(dǎo)原則。在收集和分享數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)考慮所謂的FAIR指導(dǎo)原則[6,22]。

我們最近的短評(píng)文章[5]討論了在當(dāng)前數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的ICME的框架中，數(shù)據(jù)庫(kù)、工具包、平臺(tái)、原理、基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)作用。由于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的ICME的短期目標(biāo)已基本完成，長(zhǎng)期目標(biāo)正在進(jìn)行當(dāng)中，其中包括培養(yǎng)下一代ICME生力軍并建立基于網(wǎng)絡(luò)的ICME基礎(chǔ)架構(gòu)，以提高其全球工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)家安全。據(jù)了解，構(gòu)建材料信息學(xué)的相關(guān)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于發(fā)展數(shù)據(jù)挖掘、深度/機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能，驗(yàn)證有價(jià)值的數(shù)據(jù)和加速材料創(chuàng)新、發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)都是很有必要的。這還需要加強(qiáng)與工業(yè)伙伴的互動(dòng)與合作[5,6,23]。為了解決技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究院（NIST）提出了關(guān)于性能和互操作性的標(biāo)準(zhǔn)，以加速創(chuàng)新并將應(yīng)用新型智能制造技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低[3,5]。此外，最近提出的中國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)（CSTM）標(biāo)準(zhǔn)草案《材料基因組工程數(shù)據(jù)通則》是對(duì)MGE數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的首次嘗試，將對(duì)材料科學(xué)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)體制的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

本研究提出了一種由一系列構(gòu)建單元（意義段）組成的通用數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符（DID），作為CSTM系統(tǒng)地建立MGE數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，該標(biāo)識(shí)符與國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中使用的經(jīng)典標(biāo)識(shí)符格式保持一致。該DID具有靈活性，便于在各種云平臺(tái)之間進(jìn)行擴(kuò)展和共享。相應(yīng)地，典型的二維碼可以被智能手機(jī)或特定機(jī)器生成并精確識(shí)別和解碼。通過(guò)將這些二維碼作為與云平臺(tái)相連接的一組數(shù)據(jù)的指紋，成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能-服役（CPSPP）工作流程中的進(jìn)展和更新將被自動(dòng)跟蹤，從而為促進(jìn)先進(jìn)材料的開(kāi)發(fā)及提高研究產(chǎn)出、成果和合作奠定基礎(chǔ)。

2. 數(shù)字孿生智能制造時(shí)代

2.1. 設(shè)計(jì)時(shí)代的數(shù)字孿生制造

數(shù)字孿生是物理實(shí)體的計(jì)算機(jī)化伙伴，是ICME時(shí)代的新型設(shè)計(jì)范式，被用于飛機(jī)、火車和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造[3,5]。如圖1所示[5]，先進(jìn)材料的典型發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)、創(chuàng)新和制造鏈包括成分、工藝、微觀結(jié)構(gòu)、屬性和性能。材料科學(xué)中的CPSPP關(guān)系或工作流過(guò)程在指導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)和制造方面極為重要，并且需要先進(jìn)的技術(shù)，包括高通量計(jì)算、增材制造、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器/深度學(xué)習(xí)等[2,5,24,25]?？紤]到自下而上設(shè)計(jì)和自上而下工程[23]，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和理論環(huán)節(jié)之間的數(shù)字孿生特征以不同的背景色突出顯示。MGI強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)工具、計(jì)算工具和數(shù)據(jù)庫(kù)以及它們之間交互作用的主導(dǎo)地位，而HCPS和MGE則強(qiáng)調(diào)HCPS的交互作用，這預(yù)示了上述先進(jìn)技術(shù)的未來(lái)的應(yīng)用。德國(guó)工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)通過(guò)信息-物理系統(tǒng)（CPS）來(lái)實(shí)現(xiàn)智能制造[8]。美國(guó)對(duì)未來(lái)智能制造業(yè)提出了兩個(gè)目標(biāo)：①展望并促進(jìn)美國(guó)工業(yè)的前瞻性和領(lǐng)導(dǎo)力；②有助于生力軍的發(fā)展[3]。這些目標(biāo)也被中國(guó)的HCPS和MGE考慮在內(nèi)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以通過(guò)識(shí)別主要數(shù)據(jù)和有價(jià)值的數(shù)據(jù)關(guān)系來(lái)加快對(duì)材料和基礎(chǔ)科學(xué)研究的本質(zhì)理解，從而加強(qiáng)人-物理系統(tǒng)和人-信息系統(tǒng)的解釋，并形成科學(xué)知識(shí)和模型[26]。在完成模型建立并根據(jù)材料參數(shù)預(yù)測(cè)性能之后，進(jìn)一步分析訓(xùn)練模型中的梯度，可以確定主要的和有價(jià)值的數(shù)據(jù)關(guān)系，而這些關(guān)系無(wú)法通過(guò)人工檢查或傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法建立[26]。在數(shù)字孿生智能制造時(shí)代（也稱“設(shè)計(jì)時(shí)代”），通過(guò)將自下而上的理論設(shè)計(jì)與自上而下的實(shí)驗(yàn)路線相結(jié)合，利用數(shù)字孿生智能制造技術(shù)，有望以較低的成本，更高效地設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)新的先進(jìn)材料。這將加速M(fèi)GI基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展、加強(qiáng)HCPS中的交互作用，并支持利用最新的先進(jìn)技術(shù)同步構(gòu)筑未來(lái)。

2.2. 生態(tài)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

圖1. ICME時(shí)代的數(shù)字孿生設(shè)計(jì)范式示意圖，參考美國(guó)的MGI、中國(guó)的HCPS和MGE以及德國(guó)的工業(yè)4.0 [5]。MS：微觀結(jié)構(gòu)；HCS：人-信息系統(tǒng)；HPS：人-物理系統(tǒng)；CPS：信息-物理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是保證MGI/MGE、ICME和I3M成功取得進(jìn)展的三個(gè)基礎(chǔ)之一。所有這些術(shù)語(yǔ)都是基于信息學(xué)。信息學(xué)是一個(gè)廣義術(shù)語(yǔ)，涵蓋了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)階段，如儲(chǔ)倉(cāng)、可視化以及統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用[27]。與MGI/MGE，ICME和I3M中強(qiáng)調(diào)的數(shù)字孿生智能制造范式相一致，通過(guò)所謂的模擬或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法可以方便地解決選擇和制造候選目標(biāo)材料的準(zhǔn)則、判據(jù)和策略問(wèn)題[5,19,21,26,28–31]。數(shù)據(jù)是材料4.0的基本資源，它是工業(yè)4.0下I3M的一種形式，如圖2所示[8]。材料信息學(xué)將是未來(lái)工業(yè)制造的首要工作站，它包括材料加工和性能的大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、多尺度建模、虛擬合成和表征、原型測(cè)試和驗(yàn)證以及生命周期評(píng)估。例如，數(shù)字制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究所（DMDII）作為一個(gè)與學(xué)術(shù)屆、行業(yè)和政府合作伙伴建立公私合作伙伴關(guān)系的機(jī)構(gòu)，承擔(dān)了通過(guò)數(shù)字技術(shù)提高美國(guó)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的責(zé)任[3]。DMDII的目標(biāo)是將整個(gè)生命周期過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化并將其集成起來(lái)，獲得更好的解決方案和決策，并在這個(gè)領(lǐng)域成為一個(gè)卓越的全球性組織[3]。迄今為止，DMDII的5年合作協(xié)議已取得了一些極其重要的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和問(wèn)題，其中包括：①通過(guò)數(shù)字制造改善組織間的運(yùn)作；②加速數(shù)字技術(shù)的創(chuàng)新；③多方合作促成創(chuàng)新解決方案；④解決數(shù)字制造技術(shù)中的“死亡谷”（valley of death）問(wèn)題[3]。類似地，計(jì)算材料設(shè)計(jì)中心（Center for Computational Materials Design）是ICME的前身和催化劑，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)產(chǎn)業(yè)/大學(xué)合作研究中心于2005年成立[23]，是將學(xué)術(shù)界、行業(yè)和政府聯(lián)系起來(lái)的基礎(chǔ)。該中心可在一系列CPSPP關(guān)系中促進(jìn)計(jì)算材料科學(xué)和力學(xué)的發(fā)展，其重點(diǎn)是培養(yǎng)和訓(xùn)練計(jì)算材料設(shè)計(jì)的未來(lái)生力軍[23]。良好的數(shù)據(jù)管理對(duì)于后續(xù)的數(shù)據(jù)和知識(shí)集成、數(shù)據(jù)發(fā)布過(guò)程后相關(guān)團(tuán)體的再次利用以及知識(shí)探索和創(chuàng)新都是至關(guān)重要的[22]。

鑒于當(dāng)前大數(shù)據(jù)及其使用的趨勢(shì)，數(shù)據(jù)正呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，其生成方式正變得全球化，并正在向新興市場(chǎng)轉(zhuǎn)移[3]。自2011年以來(lái)，MGI已投資超過(guò)2.5億美元，用于軟件工具的開(kāi)發(fā)、收集和報(bào)道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法的建立，重點(diǎn)大學(xué)的計(jì)算材料科學(xué)中心的建設(shè)以及大學(xué)與企業(yè)在特定應(yīng)用研究方面的合作等方面[32,33]。一個(gè)可持續(xù)的數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)由一套機(jī)制（即標(biāo)準(zhǔn)）組成，這些機(jī)制的功能類似于自然界中的溪流，它們克服障礙，將數(shù)據(jù)從個(gè)體存儲(chǔ)庫(kù)傳輸?shù)健皵?shù)據(jù)?！保╫cean of data），然后再循環(huán)將數(shù)據(jù)傳回個(gè)體存儲(chǔ)庫(kù)[13]，如圖3（a）所示[13]。FAIR原則可以被描述為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)包括湖泊（各種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)）、水流（相互連接）、滲流（私有數(shù)據(jù)）、海洋（收集）以及冷凝和降水（再利用）。這種運(yùn)輸和循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力或動(dòng)力并非基于全部有用數(shù)據(jù)。因此，為了揭示數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上可能的聯(lián)系及其與其他項(xiàng)目的關(guān)系，應(yīng)將可操作或有價(jià)值的數(shù)據(jù)標(biāo)記并與元數(shù)據(jù)鏈接[3]，這是我們提出通用DID格式的初衷。

圖2. 基于網(wǎng)絡(luò)的材料大數(shù)據(jù)平臺(tái)（材料4.0）的概念[8]。

圖3. ESPEI在“數(shù)據(jù)?！敝衅鹬P(guān)鍵作用。（a）“數(shù)據(jù)海”的可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)示意圖[13]；（b）基于MGI/MGE的ICME方法應(yīng)用的方法、工具、技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的整體層次結(jié)構(gòu)[12,13,32]。MSV：多尺度變量；TRL：技術(shù)準(zhǔn)備水平；FLAPW：全勢(shì)線性化綴加平面波；VASP：維也納從頭算模擬軟件包；ESPEI-SQL：可擴(kuò)展的、自我優(yōu)化的相位平衡基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)-結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言；DICTRA：擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)換；D3D：Direct3D。

圖3 （b）[12,13,32]總結(jié)了當(dāng)前材料基因組系統(tǒng)的技術(shù)、工具、模型和數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)，并強(qiáng)調(diào)未來(lái)基于相特性和結(jié)構(gòu)調(diào)控顯著提升系統(tǒng)功能。在材料基因組計(jì)劃中需要更多的基礎(chǔ)投資，重點(diǎn)是改進(jìn)適用參數(shù)設(shè)計(jì)模型和構(gòu)建高質(zhì)量的數(shù)據(jù)庫(kù)[32]。人們認(rèn)為，可擴(kuò)展的、自動(dòng)優(yōu)化的相平衡基礎(chǔ)設(shè)施（ESPEI）將是建立“數(shù)據(jù)?！焙烷_(kāi)發(fā)具有多種缺陷的多組分材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)的重要組成部分[13]。在CPSPP關(guān)系[32,34,35]的指導(dǎo)下，圖3（b）[12,13,32]顯示了當(dāng)前所有的計(jì)算材料設(shè)計(jì)方法都是基于處理過(guò)的數(shù)據(jù)，而處理過(guò)的數(shù)據(jù)又依賴于原始數(shù)據(jù)，ESPEI在這兩種數(shù)據(jù)收集形式中都扮演著重要的角色，也就是說(shuō)，可以假定這兩組數(shù)據(jù)孕育了所有其他屬性[13]。這個(gè)概念與圖3（a）[13]所示的“數(shù)據(jù)海”的概念非常吻合。此外，通過(guò)結(jié)合ICME的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)或基于MGI數(shù)據(jù)庫(kù)的所謂的集成計(jì)算材料設(shè)計(jì)（ICMD），ICME/ICMD機(jī)械設(shè)計(jì)模型可以加速創(chuàng)新，最終將研究室理念轉(zhuǎn)化為工業(yè)制造。

3. 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)

3.1. DID編碼原理及應(yīng)用

集成物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和基于云的技術(shù)將促進(jìn)先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)，并提高研究效率、性能和協(xié)作。通常而言，一系列基于云的工具（統(tǒng)稱為物聯(lián)網(wǎng)）可以集成實(shí)驗(yàn)室中的一切，從研究協(xié)議和設(shè)備到發(fā)表和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[36]。這種數(shù)字實(shí)驗(yàn)室管理將遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前的科學(xué)工作流范式，甚至可能產(chǎn)生前所未有的研究方法，使今天所做的工作相形見(jiàn)絀[36]。例如，已經(jīng)建立的一個(gè)名為nanoHub.org的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為全球172個(gè)國(guó)家/地區(qū)的24萬(wàn)多名用戶提供計(jì)算納米技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)支持[37]。由于它是一個(gè)科學(xué)云，nanoHub平臺(tái)的用戶可以設(shè)計(jì)和運(yùn)行其工具，而無(wú)需安裝或僅需最少的基礎(chǔ)設(shè)施；因此，該平臺(tái)以用戶友好的方式把這些工具提供給全球[37]。

我們認(rèn)為，以條形碼或二維碼形式存儲(chǔ)的有價(jià)值和有用數(shù)據(jù)的標(biāo)簽將被視為一組數(shù)據(jù)的指紋，并將與云平臺(tái)鏈接。因此，被標(biāo)記的數(shù)據(jù)將有可能自動(dòng)跟蹤C(jī)PSPP工作流過(guò)程中的進(jìn)展和更新，這將加速新型先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)和制造，并提高研究效率、性能和協(xié)作（圖4）。值得一提的是，建立這一云平臺(tái)（即正在開(kāi)發(fā)的www.MGE-TriD.com平臺(tái)）的優(yōu)先任務(wù)是在摩擦學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新型先進(jìn)潤(rùn)滑材料的協(xié)同應(yīng)用。參與這個(gè)平臺(tái)的所有研究人員都可以在全球范圍內(nèi)自發(fā)地合作。一旦從理論上或?qū)嶒?yàn)上生成大量數(shù)據(jù)，云基礎(chǔ)設(shè)施和低成本存儲(chǔ)設(shè)備就可以直接支持這個(gè)平臺(tái)，并將這些數(shù)據(jù)推向可能感興趣的研究人員[36]。

圖4. 云平臺(tái)示意圖，展示了DID編碼介導(dǎo)的數(shù)字孿生創(chuàng)新/制造范式，為自發(fā)跟蹤C(jī)PSPP設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)程序鋪平了道路。IMTD：智能制造技術(shù)數(shù)據(jù)。

圖5 所示的是一種由一系列構(gòu)建單元（意義段）組成的通用DID格式，該格式與國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中使用的標(biāo)識(shí)符的經(jīng)典格式一致，如ISO/IEC 29168-1:2000 [38]、GB/T 27766–2011 [39]、GA/T 543.2–2011 [40]、GM/T 0006–2012 [41]、GJB 7365–2011 [42]、SL 325–2014[43]，SL 607–2018 [44]、WS 363.2–2011 [45]和QX/T 39–2005 [46]。在這里，每個(gè)構(gòu)建單元均由大寫字母和數(shù)字組成，沒(méi)有符號(hào)，并且可以從成熟的云平臺(tái)構(gòu)建或轉(zhuǎn)換。例如，智能制造技術(shù)數(shù)據(jù)（IMTD）服務(wù)平臺(tái)已使用的DID原則已經(jīng)被考慮，并集成到我們正在開(kāi)發(fā)的平臺(tái)（www.MGE-TriD.com）中。此外，每個(gè)構(gòu)建單元的總長(zhǎng)度不受限制，這遵循了ISO/IEC 10646國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中通用編碼字符集格式?；谶@些規(guī)則，本研究提出的DID具有靈活性，便于在各種云平臺(tái)之間進(jìn)行擴(kuò)展和共享。因此，傳統(tǒng)的二維碼，包括漢信碼（Hanxin Code）、龍貝（Lots Perception Matrix, LP）碼、快速反應(yīng)（Quick Response, QR）碼、網(wǎng)格矩陣（Grid Matrix,GM）碼和數(shù)據(jù)矩陣（Data Matrix, DM）碼，可以被智能手機(jī)或特定機(jī)器構(gòu)造并精確識(shí)別和解碼。將這些二維碼作為一組與其云平臺(tái)鏈接的數(shù)據(jù)指紋，可以自動(dòng)跟蹤C(jī)PSPP工作流過(guò)程中的進(jìn)度和更新。

圖5. 根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)際、國(guó)家和組織標(biāo)準(zhǔn)，展示的DID編碼的推薦構(gòu)造規(guī)則示意圖。OID：對(duì)象標(biāo)識(shí)符；ID：標(biāo)識(shí)符；LP：龍貝；QR：快速反應(yīng)；GM：網(wǎng)格矩陣；DM：數(shù)據(jù)矩陣。

此外，DID編碼不僅在云平臺(tái)上提供數(shù)據(jù)指紋或一組數(shù)據(jù)的記錄，而且還支持構(gòu)建I3M核心的未來(lái)技術(shù)，包括先進(jìn)材料、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設(shè)備（圖6）。DID編碼將改善ICME時(shí)代數(shù)字孿生設(shè)計(jì)范式中HCS、HPS、CPS的交互。例如，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能ICME強(qiáng)調(diào)先進(jìn)技術(shù)，如增材制造、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析（或數(shù)據(jù)挖掘）。這些技術(shù)可以被認(rèn)為是多尺度建模和基于模擬的材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)在航空和運(yùn)輸業(yè)中的催化劑[24,47]。機(jī)器學(xué)習(xí)正受到越來(lái)越多的關(guān)注，并且在先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)論是在時(shí)間效率還是在預(yù)測(cè)精度方面都取得了巨大的進(jìn)步[9,48–52]。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不僅增強(qiáng)了人機(jī)交互，而且為數(shù)字和現(xiàn)實(shí)世界中的協(xié)同工作奠定了基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的可傳承智能制造（I2M）[53]中，“可傳承”指的是數(shù)字孿生設(shè)計(jì)范式的一個(gè)新特點(diǎn)，即核心技術(shù)、通用模型或基本原理不會(huì)隨著時(shí)間或其他更新或變化而改變。正如華為技術(shù)有限公司在2019年的白皮書中稱，集成化、智能化和可傳承性（I3）功能被認(rèn)為是未來(lái)基于數(shù)字云平臺(tái)的三大基本功能。一方面，我們提出的構(gòu)建DID編碼的原則與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)指紋或數(shù)據(jù)記錄類似，這符合I3的特性，可以為I3M服務(wù)。另一方面，可傳承的特性體現(xiàn)了材料發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)和制造中的材料基因的原始理念。相信所有這些成果和進(jìn)步都會(huì)降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖6. 有助于I3M的10項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。藍(lán)色突出顯示的技術(shù)可能涉及DID編碼。

3.2. 基于云技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)

最后，有必要強(qiáng)調(diào)的是，與材料信息學(xué)相關(guān)的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)算法、數(shù)據(jù)挖掘和人工智能的發(fā)展以及材料創(chuàng)新、發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)的加速至關(guān)重要。例如，NIST正在開(kāi)發(fā)若干面向制造系統(tǒng)技術(shù)和兩個(gè)顛覆性制造領(lǐng)域（即機(jī)器人系統(tǒng)和增材制造）的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[3]。圖7給出了中國(guó)大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的框架，這將是I3M的基礎(chǔ)。值得期待的是，我們提出的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)編碼標(biāo)準(zhǔn)有望成為這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系的一部分。下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建正在進(jìn)行，這將改變我們對(duì)未來(lái)生力軍的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

4. 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了設(shè)計(jì)時(shí)代ICME數(shù)字孿生設(shè)計(jì)范式的幾種觀點(diǎn)，并提出了一種由一組構(gòu)建單元組成的通用DID格式，且該格式與國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中使用的經(jīng)典標(biāo)識(shí)符格式一致。本文所提出的DID具有靈活性，便于在各種云平臺(tái)之間進(jìn)行擴(kuò)展和共享。值得一提的是，建立MGE云平臺(tái)的主要目的是發(fā)現(xiàn)新型先進(jìn)材料的協(xié)同應(yīng)用。這個(gè)平臺(tái)上的所有研究人員可以實(shí)時(shí)在全球范圍內(nèi)合作。一方面，我們提出的構(gòu)建DID編碼的原則與I3特性相一致，可以為I3M服務(wù)；另一方面，支持未來(lái)有助于I3M的技術(shù)，包括高級(jí)材料、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設(shè)備，可以改善HCS、HPS和CPS之間的相互作用。遺傳特征起源于材料發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中“材料基因組”的原始概念。由于我們提出的構(gòu)建DID編碼的原則可作為I3M云平臺(tái)上數(shù)據(jù)記錄的指紋，因此可以期待，這些原則可能會(huì)被融入或整合進(jìn)中國(guó)的大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系。

致謝

本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（2018YFB -0703801、2018YFB0703802、2016YFB0701303和2016YFB0701304）和中國(guó)中車唐山機(jī)車車輛有限公司（201750463031）的資金支持。特別感謝上海交通大學(xué)汪洪教授的富有成效的討論及建設(shè)性的建議。

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