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

隨著人類進入集成智能制造時代[1–3]，集成計算材料工程（ICME）的數(shù)字孿生設(shè)計范式對于加快新型先進材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用至關(guān)重要。大量官方文件和計劃已概述了計算材料工程的獨特挑戰(zhàn)和機遇以及未來可傳承的集成智能制造（I3M）的戰(zhàn)略藍圖，如美國的材料基因組計劃（MGI）[4]、中國的材料基因工程（MGE）和人-信息-物理系統(tǒng)（HCPS）[1]、德國的工業(yè)4.0 [2]、韓國的工業(yè)創(chuàng)新3.0 [5]。材料創(chuàng)新賦予了解決問題的新技術(shù)能力并促進社會的重大進步[6,7]?；谶@些先進材料的設(shè)計范式，材料發(fā)現(xiàn)和工程創(chuàng)新為技術(shù)進步開辟了新的領(lǐng)域[6]，包括大數(shù)據(jù)[8]、數(shù)據(jù)挖掘[6]、機器學(xué)習[6,9]、人工智能、云計算、金屬材料本體論和知識圖譜。與大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習相關(guān)的技術(shù)有助于將理論預(yù)測與微觀自由度聯(lián)系起來，從而加速區(qū)域材料的設(shè)計和合成[9]。如集成實驗衍射數(shù)據(jù)、對稱性統(tǒng)計反饋、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預(yù)測晶體結(jié)構(gòu)的混合方法[10]。DFT計算和相圖計算（CALPHAD）的集成被認為是材料基因和材料設(shè)計的主要部分[11–13]，并已建成一個強大的數(shù)據(jù)驅(qū)動的ICME材料開發(fā)框架[5,14]，該框架強調(diào)基于相物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫。眾所周知，ICME是通過計算工具獲取、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]。隨著計算材料科學(xué)和計算能力的迅速發(fā)展，多物理場模擬推動了熱力學(xué)、動力學(xué)、結(jié)構(gòu)、缺陷和性質(zhì)在多尺度上的預(yù)測，極大地加速了材料數(shù)據(jù)庫或存儲庫的發(fā)展[5,13,16]。此外，通過集成多尺度模擬，設(shè)計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/工程的角度來看，數(shù)據(jù)驅(qū)動的ICME支持數(shù)字孿生類型的設(shè)計/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)計時代，通過計算可以提前確定新的目標、候選對象和技術(shù)方案，從而有利于企業(yè)以較低的成本和較短的時間提供基于所獲得的知識和模型的營銷策略，以便在全球競爭中生存。為了對目標設(shè)計、優(yōu)化、計劃和解決方案做出有效的決策，解決公認的數(shù)據(jù)“4V”至關(guān)重要，包括體量、速度、多樣性和準確性[3]。據(jù)報道，北美的大型制造商已經(jīng)花費了近7萬億美元來升級以前帶有傳感器的設(shè)備，使設(shè)備系統(tǒng)能夠通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相互通信[3]。有效地利用這些運營數(shù)據(jù)進行商業(yè)決策是一個巨大的挑戰(zhàn)或機遇，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)注促進數(shù)據(jù)集自動化收集、整理和分發(fā)的工具，還應(yīng)該定義并遵循標準化的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)格式[6]。例如，可查找性、可訪問性、互操作性和可重用性（FAIR）這四個基本原則被提出，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)時應(yīng)考慮所謂的FAIR指導(dǎo)原則[6,22]。

我們最近的短評文章[5]討論了在當前數(shù)據(jù)驅(qū)動的ICME的框架中，數(shù)據(jù)庫、工具包、平臺、原理、基準和標準的主導(dǎo)作用。由于數(shù)據(jù)驅(qū)動的ICME的短期目標已基本完成，長期目標正在進行當中，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)競爭力和國家安全。據(jù)了解，構(gòu)建材料信息學(xué)的相關(guān)數(shù)字標準對于發(fā)展數(shù)據(jù)挖掘、深度/機器學(xué)習和人工智能，驗證有價值的數(shù)據(jù)和加速材料創(chuàng)新、發(fā)現(xiàn)和設(shè)計都是很有必要的。這還需要加強與工業(yè)伙伴的互動與合作[5,6,23]。為了解決技術(shù)從實驗室轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用時出現(xiàn)的問題，美國國家科學(xué)技術(shù)研究院（NIST）提出了關(guān)于性能和互操作性的標準，以加速創(chuàng)新并將應(yīng)用新型智能制造技術(shù)的風險降至最低[3,5]。此外，最近提出的中國材料與試驗學(xué)會（CSTM）標準草案《材料基因組工程數(shù)據(jù)通則》是對MGE數(shù)據(jù)內(nèi)容進行標準化的首次嘗試，將對材料科學(xué)向數(shù)據(jù)驅(qū)動的科學(xué)體制的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生深遠影響。

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)標識符（DID），作為CSTM系統(tǒng)地建立MGE數(shù)據(jù)標準的一部分，該標識符與國際和國家標準中使用的經(jīng)典標識符格式保持一致。該DID具有靈活性，便于在各種云平臺之間進行擴展和共享。相應(yīng)地，典型的二維碼可以被智能手機或特定機器生成并精確識別和解碼。通過將這些二維碼作為與云平臺相連接的一組數(shù)據(jù)的指紋，成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能-服役（CPSPP）工作流程中的進展和更新將被自動跟蹤，從而為促進先進材料的開發(fā)及提高研究產(chǎn)出、成果和合作奠定基礎(chǔ)。

2. 數(shù)字孿生智能制造時代

2.1. 設(shè)計時代的數(shù)字孿生制造

數(shù)字孿生是物理實體的計算機化伙伴，是ICME時代的新型設(shè)計范式，被用于飛機、火車和發(fā)動機的設(shè)計制造[3,5]。如圖1所示[5]，先進材料的典型發(fā)現(xiàn)、設(shè)計、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，并且需要先進的技術(shù)，包括高通量計算、增材制造、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、機器/深度學(xué)習等[2,5,24,25]?？紤]到自下而上設(shè)計和自上而下工程[23]，實驗環(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強調(diào)實驗工具、計算工具和數(shù)據(jù)庫以及它們之間交互作用的主導(dǎo)地位，而HCPS和MGE則強調(diào)HCPS的交互作用，這預(yù)示了上述先進技術(shù)的未來的應(yīng)用。德國工業(yè)4.0強調(diào)通過信息-物理系統(tǒng)（CPS）來實現(xiàn)智能制造[8]。美國對未來智能制造業(yè)提出了兩個目標：①展望并促進美國工業(yè)的前瞻性和領(lǐng)導(dǎo)力；②有助于生力軍的發(fā)展[3]。這些目標也被中國的HCPS和MGE考慮在內(nèi)。機器學(xué)習算法可以通過識別主要數(shù)據(jù)和有價值的數(shù)據(jù)關(guān)系來加快對材料和基礎(chǔ)科學(xué)研究的本質(zhì)理解，從而加強人-物理系統(tǒng)和人-信息系統(tǒng)的解釋，并形成科學(xué)知識和模型[26]。在完成模型建立并根據(jù)材料參數(shù)預(yù)測性能之后，進一步分析訓(xùn)練模型中的梯度，可以確定主要的和有價值的數(shù)據(jù)關(guān)系，而這些關(guān)系無法通過人工檢查或傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析方法建立[26]。在數(shù)字孿生智能制造時代（也稱“設(shè)計時代”），通過將自下而上的理論設(shè)計與自上而下的實驗路線相結(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)計和發(fā)現(xiàn)新的先進材料。這將加速MGI基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展、加強HCPS中的交互作用，并支持利用最新的先進技術(shù)同步構(gòu)筑未來。

2.2. 生態(tài)系統(tǒng)中的設(shè)計

圖1. ICME時代的數(shù)字孿生設(shè)計范式示意圖，參考美國的MGI、中國的HCPS和MGE以及德國的工業(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成功取得進展的三個基礎(chǔ)之一。所有這些術(shù)語都是基于信息學(xué)。信息學(xué)是一個廣義術(shù)語，涵蓋了數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計階段，如儲倉、可視化以及統(tǒng)計學(xué)習算法的應(yīng)用[27]。與MGI/MGE，ICME和I3M中強調(diào)的數(shù)字孿生智能制造范式相一致，通過所謂的模擬或數(shù)據(jù)驅(qū)動方法可以方便地解決選擇和制造候選目標材料的準則、判據(jù)和策略問題[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)、機器學(xué)習算法、多尺度建模、虛擬合成和表征、原型測試和驗證以及生命周期評估。例如，數(shù)字制造與設(shè)計創(chuàng)新研究所（DMDII）作為一個與學(xué)術(shù)屆、行業(yè)和政府合作伙伴建立公私合作伙伴關(guān)系的機構(gòu)，承擔了通過數(shù)字技術(shù)提高美國制造業(yè)競爭力的責任[3]。DMDII的目標是將整個生命周期過程中的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化并將其集成起來，獲得更好的解決方案和決策，并在這個領(lǐng)域成為一個卓越的全球性組織[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、教訓(xùn)和問題，其中包括：①通過數(shù)字制造改善組織間的運作；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）問題[3]。類似地，計算材料設(shè)計中心（Center for Computational Materials Design）是ICME的前身和催化劑，由美國國家科學(xué)基金會產(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)系起來的基礎(chǔ)。該中心可在一系列CPSPP關(guān)系中促進計算材料科學(xué)和力學(xué)的發(fā)展，其重點是培養(yǎng)和訓(xùn)練計算材料設(shè)計的未來生力軍[23]。良好的數(shù)據(jù)管理對于后續(xù)的數(shù)據(jù)和知識集成、數(shù)據(jù)發(fā)布過程后相關(guān)團體的再次利用以及知識探索和創(chuàng)新都是至關(guān)重要的[22]。

鑒于當前大數(shù)據(jù)及其使用的趨勢，數(shù)據(jù)正呈指數(shù)級增長，其生成方式正變得全球化，并正在向新興市場轉(zhuǎn)移[3]。自2011年以來，MGI已投資超過2.5億美元，用于軟件工具的開發(fā)、收集和報道實驗數(shù)據(jù)的標準化方法的建立，重點大學(xué)的計算材料科學(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]。一個可持續(xù)的數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)由一套機制（即標準）組成，這些機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)從個體存儲庫傳輸?shù)健皵?shù)據(jù)?！保╫cean of data），然后再循環(huán)將數(shù)據(jù)傳回個體存儲庫[13]，如圖3（a）所示[13]。FAIR原則可以被描述為一個生態(tài)系統(tǒng)，這個生態(tài)系統(tǒng)包括湖泊（各種數(shù)據(jù)存儲庫）、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）。這種運輸和循環(huán)的驅(qū)動力或動力并非基于全部有用數(shù)據(jù)。因此，為了揭示數(shù)據(jù)在空間和時間上可能的聯(lián)系及其與其他項目的關(guān)系，應(yīng)將可操作或有價值的數(shù)據(jù)標記并與元數(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（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)?！钡目沙掷m(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)庫的整體層次結(jié)構(gòu)[12,13,32]。MSV：多尺度變量；TRL：技術(shù)準備水平；FLAPW：全勢線性化綴加平面波；VASP：維也納從頭算模擬軟件包；ESPEI-SQL：可擴展的、自我優(yōu)化的相位平衡基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)-結(jié)構(gòu)化查詢語言；DICTRA：擴散控制轉(zhuǎn)換；D3D：Direct3D。

圖3 （b）[12,13,32]總結(jié)了當前材料基因組系統(tǒng)的技術(shù)、工具、模型和數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)，并強調(diào)未來基于相特性和結(jié)構(gòu)調(diào)控顯著提升系統(tǒng)功能。在材料基因組計劃中需要更多的基礎(chǔ)投資，重點是改進適用參數(shù)設(shè)計模型和構(gòu)建高質(zhì)量的數(shù)據(jù)庫[32]。人們認為，可擴展的、自動優(yōu)化的相平衡基礎(chǔ)設(shè)施（ESPEI）將是建立“數(shù)據(jù)?！焙烷_發(fā)具有多種缺陷的多組分材料性能數(shù)據(jù)庫的重要組成部分[13]。在CPSPP關(guān)系[32,34,35]的指導(dǎo)下，圖3（b）[12,13,32]顯示了當前所有的計算材料設(shè)計方法都是基于處理過的數(shù)據(jù)，而處理過的數(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，可以假定這兩組數(shù)據(jù)孕育了所有其他屬性[13]。這個概念與圖3（a）[13]所示的“數(shù)據(jù)海”的概念非常吻合。此外，通過結(jié)合ICME的級聯(lián)結(jié)構(gòu)或基于MGI數(shù)據(jù)庫的所謂的集成計算材料設(shè)計（ICMD），ICME/ICMD機械設(shè)計模型可以加速創(chuàng)新，最終將研究室理念轉(zhuǎn)化為工業(yè)制造。

3. 標準系統(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)將促進先進材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計，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)）可以集成實驗室中的一切，從研究協(xié)議和設(shè)備到發(fā)表和數(shù)據(jù)存儲[36]。這種數(shù)字實驗室管理將遠遠優(yōu)于當前的科學(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絀[36]。例如，已經(jīng)建立的一個名為nanoHub.org的網(wǎng)絡(luò)平臺，為全球172個國家/地區(qū)的24萬多名用戶提供計算納米技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)支持[37]。由于它是一個科學(xué)云，nanoHub平臺的用戶可以設(shè)計和運行其工具，而無需安裝或僅需最少的基礎(chǔ)設(shè)施；因此，該平臺以用戶友好的方式把這些工具提供給全球[37]。

我們認為，以條形碼或二維碼形式存儲的有價值和有用數(shù)據(jù)的標簽將被視為一組數(shù)據(jù)的指紋，并將與云平臺鏈接。因此，被標記的數(shù)據(jù)將有可能自動跟蹤CPSPP工作流過程中的進展和更新，這將加速新型先進材料的發(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（即正在開發(fā)的www.MGE-TriD.com平臺）的優(yōu)先任務(wù)是在摩擦學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新型先進潤滑材料的協(xié)同應(yīng)用。參與這個平臺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)嶒炆仙纱罅繑?shù)據(jù)，云基礎(chǔ)設(shè)施和低成本存儲設(shè)備就可以直接支持這個平臺，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CPSPP設(shè)計和發(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，該格式與國際和國家標準中使用的標識符的經(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，每個構(gòu)建單元均由大寫字母和數(shù)字組成，沒有符號，并且可以從成熟的云平臺構(gòu)建或轉(zhuǎn)換。例如，智能制造技術(shù)數(shù)據(jù)（IMTD）服務(wù)平臺已使用的DID原則已經(jīng)被考慮，并集成到我們正在開發(fā)的平臺（www.MGE-TriD.com）中。此外，每個構(gòu)建單元的總長度不受限制，這遵循了ISO/IEC 10646國際標準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，便于在各種云平臺之間進行擴展和共享。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，可以被智能手機或特定機器構(gòu)造并精確識別和解碼。將這些二維碼作為一組與其云平臺鏈接的數(shù)據(jù)指紋，可以自動跟蹤CPSPP工作流過程中的進度和更新。

圖5. 根據(jù)現(xiàn)有的國際、國家和組織標準，展示的DID編碼的推薦構(gòu)造規(guī)則示意圖。OID：對象標識符；ID：標識符；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核心的未來技術(shù)，包括先進材料、大數(shù)據(jù)分析、云計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和移動設(shè)備（圖6）。DID編碼將改善ICME時代數(shù)字孿生設(shè)計范式中HCS、HPS、CPS的交互。例如，數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能ICME強調(diào)先進技術(shù)，如增材制造、機器學(xué)習和大數(shù)據(jù)分析（或數(shù)據(jù)挖掘）。這些技術(shù)可以被認為是多尺度建模和基于模擬的材料和系統(tǒng)設(shè)計在航空和運輸業(yè)中的催化劑[24,47]。機器學(xué)習正受到越來越多的關(guān)注，并且在先進材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計過程中，無論是在時間效率還是在預(yù)測精度方面都取得了巨大的進步[9,48–52]。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實不僅增強了人機交互，而且為數(shù)字和現(xiàn)實世界中的協(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)計范式的一個新特點，即核心技術(shù)、通用模型或基本原理不會隨著時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）功能被認為是未來基于數(shù)字云平臺的三大基本功能。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)計和制造中的材料基因的原始理念。相信所有這些成果和進步都會降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖6. 有助于I3M的10項關(guān)鍵技術(shù)。藍色突出顯示的技術(shù)可能涉及DID編碼。

3.2. 基于云技術(shù)的標準系統(tǒng)

最后，有必要強調(diào)的是，與材料信息學(xué)相關(guān)的數(shù)字標準對于機器學(xué)習算法、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)計的加速至關(guān)重要。例如，NIST正在開發(fā)若干面向制造系統(tǒng)技術(shù)和兩個顛覆性制造領(lǐng)域（即機器人系統(tǒng)和增材制造）的測量標準[3]。圖7給出了中國大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)標準的框架，這將是I3M的基礎(chǔ)。值得期待的是，我們提出的數(shù)據(jù)標識編碼標準有望成為這兩個標準體系的一部分。下一代科學(xué)標準的構(gòu)建正在進行，這將改變我們對未來生力軍的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

4. 結(jié)論

本文簡要介紹了設(shè)計時代ICME數(shù)字孿生設(shè)計范式的幾種觀點，并提出了一種由一組構(gòu)建單元組成的通用DID格式，且該格式與國際和國家標準中使用的經(jīng)典標識符格式一致。本文所提出的DID具有靈活性，便于在各種云平臺之間進行擴展和共享。值得一提的是，建立MGE云平臺的主要目的是發(fā)現(xiàn)新型先進材料的協(xié)同應(yīng)用。這個平臺上的所有研究人員可以實時在全球范圍內(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，支持未來有助于I3M的技術(shù)，包括高級材料、大數(shù)據(jù)分析、云計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和移動設(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)計和制造過程中“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云平臺上數(shù)據(jù)記錄的指紋，因此可以期待，這些原則可能會被融入或整合進中國的大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)標準體系。

致謝

本研究得到了國家重點研究發(fā)展計劃（2018YFB -0703801、2018YFB0703802、2016YFB0701303和2016YFB0701304）和中國中車唐山機車車輛有限公司（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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