一、研究的背景与问题

我国制造业正处在从研仿向原创跨越的新阶段，很多领域开始进入无人区。相应地，需要新材料的研发模式也从研仿向自主创新迈进，这带来了方法论上的巨大差异。面对制造业提出的仿无可仿的全新技术需求，必然需要应用“原理+数据”取代原有“文献+试错”的方法论。“材料基因工程（MGI）”、“集成计算材料工程（ICME）”等是制造业强国保持材料快速迭代能力的技术引擎。

我国材料创新能力长期受制于四个痛点问题：

（1）研发资源分散、研发工具缺乏集成部署和管控，研发效率低；

（2）行业研发生态以“文献+试错”研仿型为主；

（3）原始数据大多集中在科研人员个人手中，缺乏数据共享和传承；

（4）现有超算平台难以实现图形界面、公网计算等材料研发需求。

中国钢研自主设计开发的CISRI-DLab平台是业内首个集材料计算、工艺模拟、服役模拟及材料大数据服务于一体的专业数字化研发平台（图1）。

图1  中国钢研材料数字化研发平台

它针对材料研发应用场景，开辟了全图形云计算、材料APP、材料区块链等新的技术场景。目前具备255万亿次峰值运算速度、2PB数据存储容量，支持同时运行10个以上大型计算任务、200个以上并发设计和数据任务、1万台以上科研设备数据接入，并通过光纤和网络专线实现与集团各部门的终端接入（图2）。

图2　CISRI-DLab平台云计算系统的IDC机房

二、解决问题的思路与技术方案

整个项目分为钢研云计算、科研检测数据包、材料APP三大系统。

钢研云计算系统集成管理了Material Studio、Thermo-Calc、ANSYS等20余种国际知名计算、仿真软件，包括第一性原理计算软件4种、相图相场计算软件4种、多物理场计算软件1种、通用有限元软件3种、流体计算软件2种、增材/焊接/腐蚀/疲劳等特殊工况模拟软件6种，覆盖纳观、微观、介观、宏观的全尺度计算资源（图3），具备材料设计、组织性能预测、工艺模拟、服役仿真全流程计算能力。多数软件均可实现基于浏览器的远程计算、移动计算、排队计算（图4），科研人员可随时随地通过浏览器登录个人账户，建立虚拟项目组，远程启动建模设计软件，并在电脑、Pad、手机等多种固定或移动终端上提交计算任务、获取计算数据，是行业第一个企业级全图形化云计算平台。

图3 CISRI-DLab数字化研发平台整体架构

图4  云计算调度系统架构

图5　CISRI-DLab平台云计算远程访问

材料APP系统是由中国钢研首倡、集材料/工艺专业知识、计算工程师经验于一体、针对具体材料和应用场景的微应用方案，可由具体计算案例改造实现，可共享、可传播、可移植，是科研团队数字化研发成果的载体形式之一，是建设中的行业数字化研发生态的重要组成部分。已经部署应用了350个不同尺度的材料APP。

图6 材料APP生态系统

科研检测数据包系统是业内首个原始试验数据管理共享平台，可对试验任务申请唯一编码，并在项目账户下获取试验数据，支持各类试验设备的接入，并提供个人/团队数据管理、跨团队数据发现、一键试验报告、动态评价考核等功能。基于原创性的材料基因特征和区块链协议，实现了数据权属标记和可用不可见服务，支持团队内部的数据安全共享和团队之间的数据对等发现，是建立团队级、企业级数据矿山、实现科研数据资产化的高效工具。

图7  科研检测数据包子系统

三、主要创新性成果

1、开发成功了基于B/S架构的全图形多尺度材料云计算系统。突破了基于全图形模式的调度技术和算法开发，支持多地协同和安全可信访问,可实现大多数材料研发设计及仿真软件资源的远程调用、移动计算和排队计算。覆盖了从纳观、微观、介观到宏观尺度，以及力-热-电-磁-声的跨尺度多场的计算软件群，具备了材料成分设计、工艺模拟、材料组织性能预测、材料服役仿真的全流程计算能力。同时支持14个大型计算任务的并行处理，200个任务调度及大规模数据传输。

2、开发了基于区块链的材料研发原始数据发现、共享系统。基于原创的区块链材料发现和数据共享算法，以解决企业第一手检测数据的自动获取问题为目标，实现了原始数据归集和规范管理；通过对科研试验数据的自动获取、产权标记及安全溯源，促进形成企业级科研检测数据矿山及特定权限下的数据共享生态。

3、开发了材料APP专业资源平台。首倡以广义APP为载体解决材料、工艺与计算专家的知识衔接及知识沉淀问题。支持材料APP的本地开发、云原生开发，以及本地计算、云端计算，可实现不同材料类别、不同工艺状态、不同用途、不同尺度APP的分类搜索，推进各类原创计算模型、算法的开发与共享，从而促进数字化生态建设。

四、应用情况与效果

CISRI-DLab数字化研发平台已于2021年7月开放试运行、11月25日正式发布启用。在3个月试运行期内，CISRI－DLab平台的访问量数万人次、完成了4000余次各类软件的计算任务、建立材料APP超过350个，并可方便地实现部门、团队及个人的数字化研发任务考核和计算任务统计。除了集团内部应用外，目前已与宝钢、鞍钢、南钢、首钢等多家企业开展合作交流，支撑多项国家和企业合作项目的申报。

图9　CISRI－DLab数字化研发平台的任务统计

中国钢研正在将CISRI-DLab平台的建设和运营经验推广到多家钢铁企业，协助设计和开发企业级研发创新平台。这些平台的全面建设和应用不仅将助力钢铁行业的数字研发能力到达国内引领、国际一流水平，也将为我国高端装备、重大工程领域的进步和超越提供持续稳定的材料技术迭代支撑。“放下登山杖、拿起攀岩索”，材料行业从研仿走向原创，CISRI-DLab提供了数字化化研发的理念示范和方法论支撑。

信息来源：中国钢研数字化研发中心