高 鴻，牛 虎，王向軻，范曉明，劉泊天，邢 焰

(中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094)

1 前 言

在過去的20年里，各個(gè)領(lǐng)域里的數(shù)據(jù)積累都在大量增長(zhǎng)。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司(international data corporation，IDC)報(bào)道，中國創(chuàng)造和復(fù)制的數(shù)據(jù)量以每年3%的增長(zhǎng)速度超過全球水平。2018年，中國產(chǎn)生了約7.6 ZB(zettabyte，1 ZB約等于1021 B)的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2025年，這一數(shù)據(jù)將增至48.6 ZB[1]。數(shù)據(jù)之所以重要，是因?yàn)樾畔⑷找姹灰暈楦餍袠I(yè)發(fā)展所依賴的“貨幣”。近年來，大數(shù)據(jù)已獲得工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府的高度關(guān)注[2, 3]。如何有效地組織和管理大數(shù)據(jù)已然成為各行業(yè)的規(guī)劃熱點(diǎn)。在代表我國高端技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的航天應(yīng)用領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)服務(wù)先行將是實(shí)現(xiàn)航天強(qiáng)國發(fā)展的重要標(biāo)志。快速發(fā)展的航天領(lǐng)域需要高精準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造用材料數(shù)據(jù)輸入，需要提前10年預(yù)測(cè)新材料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，需要實(shí)時(shí)預(yù)警材料質(zhì)量特性，需要完善準(zhǔn)確的應(yīng)用履歷并實(shí)現(xiàn)信息共享。當(dāng)前大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和材料科學(xué)融合形成的材料大數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)在航天領(lǐng)域?qū)嵤?yīng)用具有高度的戰(zhàn)略意義和深遠(yuǎn)影響。本文以航天器工程應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楸尘?，提出材料大?shù)據(jù)服務(wù)體系構(gòu)建思路。

2 美國國家航空航天局(NASA)在材料大數(shù)據(jù)技術(shù)方面的規(guī)劃研究

2.1 NASA啟動(dòng)材料數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)劃建設(shè)的背景分析

美國傳統(tǒng)的軍工材料研發(fā)與應(yīng)用模式主要是以實(shí)驗(yàn)為主的“試錯(cuò)法”，該模式周期長(zhǎng)、效率低，而隨著大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，大部分材料設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)可以通過計(jì)算工具完成，計(jì)算不僅可以深入理解材料的細(xì)節(jié)，也可以逐步替代重復(fù)試驗(yàn)，減少對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的依賴，從而加快材料研發(fā)與應(yīng)用。美國在2011年6月提出“材料基因組(materials genome)計(jì)劃”[4]，其核心是利用正在發(fā)展的高通量計(jì)算、高通量試驗(yàn)、大數(shù)據(jù)信息技術(shù)，尋找和建立材料從原子排列到微觀組織形成再到材料性能與壽命之間的相互關(guān)系，旨在以至少快兩倍的速度開發(fā)和制造先進(jìn)材料，且成本僅為原先的幾分之一，這促使了材料信息學(xué)的快速發(fā)展。通過建設(shè)材料信息數(shù)據(jù)庫并集成材料研究設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)材料大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，快速發(fā)現(xiàn)決定材料性能的“基因”，也就是材料成分、工藝、組織、性能之間的定量關(guān)系，從而加速材料研發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[5]。以結(jié)構(gòu)材料為例(圖1和圖2)，結(jié)合材料計(jì)算工具，將材料加工工藝、材料內(nèi)部成分結(jié)構(gòu)、材料特性以及性能不斷迭代，逐步實(shí)現(xiàn)全壽命期內(nèi)材料數(shù)據(jù)的獲取和存儲(chǔ)。通過材料量子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、微觀力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)分析，應(yīng)用計(jì)算技術(shù)，基于材料微觀尺度到宏觀尺度的本構(gòu)特性，建立從材料性能到零部件性能的定量關(guān)系。這個(gè)過程不僅離不開材料高通量測(cè)試技術(shù)和可追溯的材料測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析方法以及信息管理等方面也有較高的要求。

圖1 NASA結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)集成計(jì)算材料工程庫連接構(gòu)架示意圖Fig.1 Schematic of NASA structure materials linking to integrated computational materials engineering (ICME)

圖2 長(zhǎng)尺度數(shù)據(jù)集成計(jì)算材料工程示意圖Fig.2 Schematic of associated length scale in the context of integrated computational materials engineering (ICME)

材料計(jì)算與數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)建立初衷是為解決軍工領(lǐng)域新材料從開發(fā)到成熟應(yīng)用周期跨度長(zhǎng)(一般10～20年)、開發(fā)成本高的問題，早期識(shí)別材料失效模式和性能局限，建立滿足國防領(lǐng)域?qū)Ω咝阅荜P(guān)鍵材料快速開發(fā)、可靠應(yīng)用的研發(fā)體系。該項(xiàng)技術(shù)已在鋰離子電池材料、光電材料、新型信息存儲(chǔ)材料等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，并逐步在各大工程領(lǐng)域推廣[6, 7]。為持久推動(dòng)基于材料基因工程技術(shù)下的大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)，2018年美國NASA發(fā)布“Vision 2040: a roadmap for integrated, multiscale modeling and simulation of materials and systems”(2040愿景：材料體系多尺度模擬仿真與集成路徑)[8]，該規(guī)劃全面系統(tǒng)地對(duì)可服務(wù)美國航空航天工程應(yīng)用領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)體系建設(shè)進(jìn)行了布局。

2.2 NASA大數(shù)據(jù)建設(shè)歷程與未來發(fā)展目標(biāo)

NASA在長(zhǎng)期實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過一個(gè)強(qiáng)大的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師和工藝師在特定應(yīng)用背景下對(duì)材料和工藝的科學(xué)選用，是每一個(gè)NASA企業(yè)開展產(chǎn)品研制生產(chǎn)活動(dòng)的關(guān)鍵保證。為了更好地借鑒以往的失敗教訓(xùn)并從中吸取經(jīng)驗(yàn)，避免重蹈覆轍，減少昂貴的、多余的、重復(fù)的材料測(cè)試，NASA于20世紀(jì)80年代早期啟動(dòng)了一項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)信息系統(tǒng)建設(shè)工程，并由馬歇爾航天飛行中心(MSFC)管理。數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)初期參考了NASA的《空間硬件系統(tǒng)材料選用目錄》，收錄了目錄中已有的材料性能數(shù)據(jù)。2003年10月，MAPTIS(materials and process technology information system)1.0版投入使用并進(jìn)行了快速的迭代和升級(jí)；2007年3月，MAPTIS 3.8.0.4版投入使用；如今，MAPTIS能夠提供大量NASA使用的工程材料數(shù)據(jù)，有超過32 000種材料的空間應(yīng)用信息。目前，這個(gè)系統(tǒng)可以提供過去15年應(yīng)用的主要產(chǎn)品系列的材料和工藝數(shù)據(jù)，為NASA恰當(dāng)?shù)剡x用材料和工藝提供基礎(chǔ)保障；為每一個(gè)進(jìn)入NASA體系的制造機(jī)構(gòu)提供材料和工藝選用基礎(chǔ)以及完善的材料數(shù)據(jù)信息，加速了材料的應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力；為研究和研制者提供失效案例學(xué)習(xí)平臺(tái)，避免同類問題在未來產(chǎn)品中再次發(fā)生；為使用者提供材料測(cè)試數(shù)據(jù)，避免同種性能測(cè)試重復(fù)開展；也為飛行準(zhǔn)備就緒的產(chǎn)品提供所用材料和工藝安全性與適用性的證明。這個(gè)系統(tǒng)在為NASA提供產(chǎn)品研制開發(fā)的機(jī)構(gòu)中被廣泛使用，大大方便了產(chǎn)品出口和國際交流。

NASA在材料數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)建設(shè)中，初步解決了設(shè)計(jì)選用需求，但是仍然解決不了大量材料測(cè)試數(shù)據(jù)丟失的問題；材料數(shù)據(jù)多以經(jīng)驗(yàn)測(cè)試值為主，缺乏壽命預(yù)測(cè)和可靠性預(yù)測(cè)能力；新材料研制存在開發(fā)與設(shè)計(jì)需求不匹配、開發(fā)和應(yīng)用周期長(zhǎng)等問題。NASA基于過去10年發(fā)展起來的高速計(jì)算方法、新材料表征測(cè)試技術(shù)，以及近期發(fā)展的集成計(jì)算材料工程(integrated computational materials engineering, ICME)，提出從體系和基礎(chǔ)設(shè)施兩個(gè)方面整體推進(jìn)大數(shù)據(jù)服務(wù)能力建設(shè)，打通材料到制造體系全鏈條模型和計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)利用材料計(jì)算學(xué)驅(qū)動(dòng)航天器部組件先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)[9]。

未來，NASA通過大數(shù)據(jù)服務(wù)整體能力建設(shè)，將MAPTIS與其他數(shù)據(jù)庫集成。這項(xiàng)工作一方面將促進(jìn)材料研制與航天工程系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)逐步營造智能化的材料研發(fā)制造環(huán)境，引導(dǎo)研制方基于工程需求開發(fā)新材料產(chǎn)品；另一方面，可吸納更多的材料和工藝數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析，為每一個(gè)應(yīng)用者提供高效、快速和低成本的選材服務(wù)，打造材料數(shù)據(jù)集成應(yīng)用服務(wù)(圖3)。通過數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)，將打通相關(guān)實(shí)驗(yàn)室間的數(shù)據(jù)流，提高材料測(cè)試數(shù)據(jù)資源利用率，縮減材料測(cè)試樣本與測(cè)試物理量；通過材料數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)新材料發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，快速研制、開發(fā)新材料，縮短N(yùn)ASA先進(jìn)產(chǎn)品的研制周期，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代。

2.3 NASA大數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)與來源

MAPTIS現(xiàn)有的數(shù)據(jù)源來自于NASA的材料測(cè)試機(jī)構(gòu)，如美國MSFC、白沙試驗(yàn)研究所(WSTF)、戈達(dá)德航天飛行中心(GSFC)、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)等。還有其他一些重要的途徑，如歐洲航天局、美國軍方、全球材料制造商以及學(xué)術(shù)界等。MAPTIS包括12個(gè)子數(shù)據(jù)庫。其中，金屬材料子數(shù)據(jù)庫包括腐蝕裂紋增長(zhǎng)、蠕變斷裂、斷裂力學(xué)、摩擦熱、高周疲勞、低周疲勞、機(jī)械沖擊、粒子影響、氣動(dòng)影響、促燃、應(yīng)力腐蝕以及拉伸強(qiáng)度等；非金屬材料子數(shù)據(jù)庫包括電弧跟蹤、電超載、電線絕緣性、燃燒性、閃燃、流體相容性、防霉菌、機(jī)械沖擊、氣味、出氣、氣動(dòng)影響、促燃、毒性以及光學(xué)相容性等。又如熱物理性能子數(shù)據(jù)庫，可提供金屬、非金屬(玻璃纖維、尼龍)、燒蝕材料、泡沫、絕緣材料、氣體、液體和混合材料(推進(jìn)劑、環(huán)氧、油脂等)的熱物理性能數(shù)據(jù)，還包括了MSFC管理項(xiàng)目下的所有材料使用協(xié)議。材料使用協(xié)議確定并限定了有人環(huán)境下某種材料的特定用途。具體指標(biāo)包括材料的燃燒性、放氣性、應(yīng)力腐蝕等。

此外，還有“失效分析數(shù)據(jù)庫”“備忘數(shù)據(jù)庫”等，建成一個(gè)協(xié)作的材料工程體系，它可提供智能的環(huán)境，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)準(zhǔn)確地產(chǎn)生和分配材料與工藝的信息。這個(gè)新的材料工程系統(tǒng)可以從現(xiàn)有的資源中融合有用的材料與工藝數(shù)據(jù)并加入自動(dòng)化的分析元素，將成為技術(shù)人員、設(shè)計(jì)人員和管理人員的智能助手，在每一種用途下實(shí)現(xiàn)材料最快捷、準(zhǔn)確、節(jié)約成本的識(shí)別和選用。

圖3 MAPTIS數(shù)據(jù)服務(wù)體系Fig.3 Data service system of MAPTIS

3 我國航天器材料技術(shù)發(fā)展需求分析

3.1 新產(chǎn)品新技術(shù)發(fā)展帶來新材料多元化革新

“十四五”期間，材料作為新產(chǎn)品新技術(shù)的基礎(chǔ)元素，將成為型號(hào)單機(jī)產(chǎn)品小型化、多功能、高集成、高精度、大尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展中核心技術(shù)的主角。新材料技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。

第一，產(chǎn)品功能發(fā)展帶動(dòng)高性能材料的發(fā)展。航天器發(fā)展過程伴隨著新材料技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的過程。工程材料性能不斷優(yōu)化與提升，是各類產(chǎn)品發(fā)展最為基礎(chǔ)的保障?！笆奈濉逼陂g，新材料應(yīng)用方向主要體現(xiàn)出輕量化、多功能、結(jié)構(gòu)化、多元化的發(fā)展特點(diǎn)[10, 11]。傳統(tǒng)的輕合金材料有望被柔性紡織品和泡沫材料“跨界”替代，以機(jī)械強(qiáng)度為核心指標(biāo)的結(jié)構(gòu)材料將被結(jié)構(gòu)功能一體化材料替代，單層薄膜材料將被多層功能復(fù)合薄膜材料替代，部分耐高溫合金材料有望被碳材料替代，單一均質(zhì)材料將被多孔納米結(jié)構(gòu)材料替代。可以預(yù)期，新材料技術(shù)將在航天工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大范圍應(yīng)用轉(zhuǎn)化，并構(gòu)成航天技術(shù)發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

第二，產(chǎn)品服役環(huán)境變化促進(jìn)材料性能發(fā)展。未來，我國深空探測(cè)、通信衛(wèi)星、商業(yè)衛(wèi)星等型號(hào)產(chǎn)品將在服役工況方面面臨更大的挑戰(zhàn)，例如深空探測(cè)極低或極高溫環(huán)境，高軌衛(wèi)星經(jīng)歷更寬的服役溫度環(huán)境，以及高集成、大功率、高精度產(chǎn)品要求越來越高的溫度控制精度等。耐高溫材料、低應(yīng)力材料、寬服役溫度窗口材料、低溫潤(rùn)滑材料、高導(dǎo)熱材料、絕熱材料、耐輻射材料、高致密度燒蝕材料等作為新一類材料將擴(kuò)展航天材料的選用范圍。

第三，先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展帶來新一代材料需求。衛(wèi)星產(chǎn)品逐步向輕量化、智能化方向發(fā)展，帶動(dòng)彈性結(jié)構(gòu)、大尺寸結(jié)構(gòu)、柔性結(jié)構(gòu)、記憶結(jié)構(gòu)、膜殼結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展?；谙冗M(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的材料應(yīng)用技術(shù)儼然成為技術(shù)研究熱點(diǎn)。隨著新技術(shù)的發(fā)展，材料將通過多體復(fù)合或單體構(gòu)型實(shí)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)，并以一種特定的制品形式應(yīng)用到工程中，進(jìn)而帶來性能的提升。輕薄材料、低密度材料、纖維材料、泡沫材料、多孔材料、增材制造材料、膜殼結(jié)構(gòu)彈性體材料、界面材料、零膨脹材料、梯度復(fù)合材料等成為新的需求方向[12]。

3.2 以大數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)為核心的新材料應(yīng)用轉(zhuǎn)化需求

材料是航天器結(jié)構(gòu)、單機(jī)載荷、結(jié)構(gòu)、能源、推進(jìn)、回收等分系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。新材料需要通過在不斷提升性能的同時(shí)兼顧可靠性，以滿足航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展的需求。同時(shí)，在航天型號(hào)產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展的引領(lǐng)下，各類國產(chǎn)化先進(jìn)材料技術(shù)快速、精準(zhǔn)應(yīng)用轉(zhuǎn)化是材料應(yīng)用技術(shù)綜合發(fā)展的目標(biāo)。

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)未來將是支持航天器在材料選用、過程質(zhì)量保證以及現(xiàn)代供應(yīng)鏈管理過程中的核心。今后，材料大數(shù)據(jù)將會(huì)以巨量化、多樣化、真實(shí)化、高速化的應(yīng)用特點(diǎn)，吸納多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用數(shù)據(jù)和信息，服務(wù)于航天器設(shè)計(jì)和研制。首先，大數(shù)據(jù)將實(shí)現(xiàn)從原材料到材料制品再到組件產(chǎn)品的本征性能、工藝特性、環(huán)境特性、可靠性特性數(shù)據(jù)信息的充分匯集；其次，大數(shù)據(jù)服務(wù)以自動(dòng)或半自動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取和結(jié)構(gòu)化應(yīng)用，以滿足建立更準(zhǔn)確選用、質(zhì)量控制和應(yīng)用之間數(shù)據(jù)關(guān)系?；诓牧洗髷?shù)據(jù)服務(wù)的人機(jī)交互模式，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)避人為主觀因素、快速獲取和處理信息的目的。航天器應(yīng)用領(lǐng)域大數(shù)據(jù)是基于業(yè)務(wù)流而實(shí)現(xiàn)的大數(shù)據(jù)流，獲取成本低、數(shù)據(jù)復(fù)用度高，持續(xù)發(fā)展過程中也將具有長(zhǎng)期低成本、高密度特性。

面對(duì)航天器多維度選材與材料應(yīng)用轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展的綜合需求，材料選用技術(shù)服務(wù)需要逐步從被動(dòng)式獲取信息向主動(dòng)累積信息轉(zhuǎn)變。通過數(shù)據(jù)提取逐步建立結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)清洗與挖掘獲得客觀的數(shù)據(jù)關(guān)系。隨著數(shù)據(jù)庫的不斷發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、提醒、決策等能力，進(jìn)而推進(jìn)新材料選用與應(yīng)用轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)能力建設(shè)，縮短產(chǎn)品研制周期，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，滿足型號(hào)不斷追求成熟產(chǎn)品快速更新?lián)Q代、創(chuàng)新產(chǎn)品快速發(fā)展、基于先進(jìn)材料技術(shù)功能單機(jī)快速升級(jí)的長(zhǎng)遠(yuǎn)需求。

4 航天領(lǐng)域材料數(shù)據(jù)服務(wù)體系建設(shè)構(gòu)想

4.1 航天領(lǐng)域材料數(shù)據(jù)庫建設(shè)和數(shù)據(jù)流形成

材料信息數(shù)據(jù)庫主要是儲(chǔ)存和管理各類材料數(shù)據(jù)，形成包括材料基礎(chǔ)性能、微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、模擬計(jì)算數(shù)據(jù)、試驗(yàn)與工藝數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和各類出版物等在內(nèi)的數(shù)據(jù)倉庫[13, 14]。在航天應(yīng)用領(lǐng)域，材料數(shù)據(jù)按來源主要有測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)和生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將通過一定科研生產(chǎn)管理模式收集整合并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)倉庫中，進(jìn)一步用于數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)，主要的邏輯關(guān)系見圖4。

圖4 材料數(shù)據(jù)及其應(yīng)用的邏輯關(guān)系Fig.4 Logical relationship between material data and its application

數(shù)據(jù)倉庫建設(shè)需要具備數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)覆蓋面3個(gè)要素。

數(shù)據(jù)量是大數(shù)據(jù)的根本，從應(yīng)用領(lǐng)域全流程盡最大可能獲取信息量是保證數(shù)據(jù)有效應(yīng)用的前提。然而，在航天應(yīng)用領(lǐng)域，大到結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，小到微電子，涉及材料種類多，使用單位多，綜合呈現(xiàn)雜、小、精、散的特點(diǎn)。要將這些材料和材料使用過程數(shù)據(jù)匯集到一個(gè)倉庫，需要在航天領(lǐng)域建立材料總體技術(shù)機(jī)構(gòu)(例如NASA馬歇爾實(shí)驗(yàn)室)，對(duì)所有應(yīng)用于航天器產(chǎn)品的材料選用、使用過程進(jìn)行質(zhì)量控制與管理。航天應(yīng)用領(lǐng)域總體技術(shù)機(jī)構(gòu)從頂層建立統(tǒng)一編碼，為數(shù)據(jù)流的形成與過程管理提供基本保障，實(shí)現(xiàn)材料數(shù)據(jù)從原材料到材料制品、從性能數(shù)據(jù)到工藝數(shù)據(jù)、從質(zhì)量保證數(shù)據(jù)到質(zhì)量歸零數(shù)據(jù)、從生產(chǎn)數(shù)據(jù)到應(yīng)用數(shù)據(jù)綜合數(shù)據(jù)流的匯總與收集。

在數(shù)據(jù)完整性方面，當(dāng)前存在的主要問題是數(shù)據(jù)信息斷檔、數(shù)據(jù)信息缺失、有效數(shù)據(jù)少、以自產(chǎn)數(shù)據(jù)為主。真正可用于數(shù)據(jù)服務(wù)的材料數(shù)據(jù)需要有明確的材料測(cè)試樣品狀態(tài)，如牌號(hào)、批次信息、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，通過特定工藝處理后的樣品也需具備可查的工藝狀態(tài)信息。此外，收納的材料數(shù)據(jù)信息需要具備溯源性、測(cè)試不確定度等信息，以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。所以，在航天器應(yīng)用領(lǐng)域，數(shù)據(jù)匯集與數(shù)據(jù)認(rèn)可需要專業(yè)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理。機(jī)構(gòu)在全國范圍內(nèi)通過認(rèn)定認(rèn)可的測(cè)試聯(lián)盟，依據(jù)統(tǒng)一的材料數(shù)據(jù)信息編碼格式和信息化手段將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流匯集到主數(shù)據(jù)庫，用于持續(xù)的數(shù)據(jù)維護(hù)。

在數(shù)據(jù)覆蓋性方面，不同領(lǐng)域?qū)Σ牧蠑?shù)據(jù)覆蓋性要求不同。在航天器工程應(yīng)用領(lǐng)域，數(shù)據(jù)信息主要包括材料的成分與性能數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、壽命數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)倉庫覆蓋性是保證數(shù)據(jù)完整性的前提，除收集匯總的材料基本性能數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫應(yīng)針對(duì)航天應(yīng)用領(lǐng)域核心、關(guān)鍵、高端材料進(jìn)一步組織完善材料在多維環(huán)境場(chǎng)、大通量測(cè)試和計(jì)算、長(zhǎng)壽命評(píng)估等方面材料工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)積累，不斷完善航天應(yīng)用領(lǐng)域特殊的數(shù)據(jù)源。

未來，期望通過行業(yè)間數(shù)據(jù)接口，融合我國各個(gè)工程應(yīng)用領(lǐng)域材料數(shù)據(jù)，在區(qū)域內(nèi)逐步建立數(shù)據(jù)流共享機(jī)制，從而逐步完善數(shù)據(jù)庫建設(shè)。

4.2 航天領(lǐng)域材料數(shù)據(jù)應(yīng)用

當(dāng)前，航天領(lǐng)域材料數(shù)據(jù)應(yīng)用主要基于手冊(cè)查詢或?qū)嶋H測(cè)試獲得材料本構(gòu)數(shù)據(jù)，并利用有限元仿真與計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品性能的仿真分析。近年來，隨著材料基因工程在高通量計(jì)算技術(shù)方面的發(fā)展，基于數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘發(fā)現(xiàn)知識(shí)并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用已然成為新的發(fā)展熱點(diǎn)。Sparks等[15]采用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法在熱電數(shù)據(jù)庫中分析了成千上萬化合物的熱電性能，再結(jié)合密度泛函理論(density functional theory, DFT)計(jì)算，預(yù)測(cè)未知的三元相圖中的低熱導(dǎo)率相。Agrawal等[16]使用日本國立材料科學(xué)研究院(NIMS)創(chuàng)建的MatNavi在線材料數(shù)據(jù)庫建立了鋼鐵疲勞強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型，分析結(jié)果顯示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹和多元多項(xiàng)式回歸等先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法可以顯著提高預(yù)測(cè)模型的精度。Takahashi等[17]利用DFT中的GPAW(grid-based projector-augmented wave)建立材料數(shù)據(jù)庫，預(yù)測(cè)金屬間化合物的性能數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)的點(diǎn)陣常數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)將集成材料數(shù)據(jù)庫、材料計(jì)算、材料測(cè)試與表征，形成材料數(shù)據(jù)管理和分析系統(tǒng)為一體的航天材料大數(shù)據(jù)平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)大的分析計(jì)算功能，例如通過原子尺度的第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)材料熱力學(xué)性質(zhì)、晶格常數(shù)以及單質(zhì)、二元與三元化合物和固溶體的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，建立熱力學(xué)性質(zhì)、晶格常數(shù)、多元體系動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)模型；利用多元相場(chǎng)方法在二維和三維尺度上預(yù)測(cè)材料微觀組織的演變規(guī)律；采用有限元分析方法從模擬組織中計(jì)算材料的機(jī)械性能；通過進(jìn)行從量子力學(xué)到材料服役的跨尺度高通量的材料計(jì)算，獲得大規(guī)模、多源異構(gòu)的材料數(shù)據(jù)；利用信息學(xué)方法進(jìn)行材料大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)材料成分、工藝、組織、性能與工程應(yīng)用之間的定量關(guān)系，并以三維和四維的形式呈現(xiàn)。材料數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)主要體現(xiàn)為以產(chǎn)品為最終目標(biāo)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程，見圖5[13]。數(shù)據(jù)庫將通過集成常規(guī)性能數(shù)據(jù)評(píng)估方法和性能曲線處理算法，滿足不同用戶對(duì)材料數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、選擇等需求。設(shè)計(jì)師可以利用數(shù)據(jù)庫資源，通過材料計(jì)算技術(shù)和仿真技術(shù)，將應(yīng)用需求轉(zhuǎn)化成材料性能和相應(yīng)的規(guī)范說明，在數(shù)據(jù)庫中排除不合規(guī)范的材料，對(duì)遴選的材料進(jìn)行評(píng)級(jí)，并基于試驗(yàn)和歷史應(yīng)用信息尋找等級(jí)最優(yōu)的候選者以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)選材。通過大數(shù)據(jù)服務(wù)，可將材料基因技術(shù)在航天工程領(lǐng)域轉(zhuǎn)化應(yīng)用，大大加快新材料的研發(fā)和應(yīng)用轉(zhuǎn)化進(jìn)度。

圖5 基于材料知識(shí)庫的數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用模型[13]Fig.5 Data mining and application model based on material knowledge base[13]

4.3 航天領(lǐng)域材料大數(shù)據(jù)綜合服務(wù)能力建設(shè)

數(shù)據(jù)服務(wù)、知識(shí)服務(wù)、模擬計(jì)算服務(wù)和測(cè)試分析服務(wù)組成了綜合的材料大數(shù)據(jù)服務(wù)體系(圖6)。各類服務(wù)相互促進(jìn)，協(xié)同發(fā)展，并不斷完善，逐步融合現(xiàn)代化的高通量測(cè)試分析技術(shù)，以及材料計(jì)算技術(shù)，提升數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)效力；利用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)分析與在線檢測(cè)預(yù)警計(jì)算，還可形成知識(shí)服務(wù)。其中，知識(shí)服務(wù)是基于大數(shù)據(jù)分析與綜合應(yīng)用體系，服務(wù)于航天器在材料選用、過程質(zhì)量保證、新材料需求規(guī)劃研究以及現(xiàn)代供應(yīng)鏈管理。

在質(zhì)量保證領(lǐng)域，對(duì)每一批次材料檢驗(yàn)數(shù)據(jù)提供自動(dòng)統(tǒng)計(jì)與異常預(yù)警能力，可實(shí)施跟蹤供方材料的穩(wěn)定性，輔助識(shí)別供方技術(shù)狀態(tài)變更，如重要原材料變更、重要工藝過程變更等；針對(duì)新選用材料評(píng)價(jià)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)相似相關(guān)材料同水平比對(duì)分析，以確認(rèn)新使用材料的優(yōu)勢(shì)與不足，規(guī)避歷史選用和使用風(fēng)險(xiǎn)。此外，針對(duì)數(shù)據(jù)庫提供的材料品種、供方、性能等綜合指標(biāo)，可按年代、型號(hào)、應(yīng)用背景等層面，統(tǒng)計(jì)分析材料需求趨勢(shì)、型號(hào)應(yīng)用特點(diǎn)以及型號(hào)材料風(fēng)險(xiǎn)與薄弱項(xiàng)目，為后續(xù)材料規(guī)劃與新材料開發(fā)提供更為科學(xué)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖6 材料大數(shù)據(jù)綜合服務(wù)能力結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of comprehensive service capability of material big data

5 結(jié) 語

我國于2015年1月提出了“原材料工業(yè)兩化深度融合推進(jìn)計(jì)劃”，旨在支持原材料工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)，促進(jìn)信息共享和數(shù)據(jù)開放。我國航天應(yīng)用領(lǐng)域代表了國家高端制造技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用水平，加快推進(jìn)材料大數(shù)據(jù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用，促進(jìn)材料基礎(chǔ)技術(shù)與工程深度融合，加快探尋先進(jìn)材料性能與應(yīng)用技術(shù)之間的關(guān)系?；诨A(chǔ)數(shù)字化與信息化能力建設(shè)，快速推廣科學(xué)化、體系化、網(wǎng)絡(luò)化的信息共享、數(shù)據(jù)共享、知識(shí)共享。通過大數(shù)據(jù)工程應(yīng)用技術(shù)，逐步在我國航天器領(lǐng)域構(gòu)建和諧共贏的工程材料網(wǎng)絡(luò)體系，形成互補(bǔ)型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航天產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力提供孵化器、加速器。