MatAi2018发布——基于材料基因组工程的材料智能平台

2018-08-10 13:57:31 作者：本网整理来源：材料科学与工程分享至：

材料数字研发平台

美国在2008年提出“集成计算材料工程”（ICME），2011年6月发布的“先进制造伙伴计划”，其核心部分之一为 “材料基因组计划”（MGI），这些计划包含了利用材料计算平台、材料实验平台和材料数据库平台三大工具相结合，从跨层次多尺度集成计算、高通量实验及测试表征、材料大数据集成与分析三个方面加快材料设计研发进程，达到新材料从设计到新产品开发应用全链条的进程至少加快1倍，成本至少降低一半的目标。

在科学第四范式：数据驱动的时代，以大量数据为前提，运用机器学习、数据挖掘技术，更快、更准、更省地建立起成分-结构-工艺-性能间的关联关系，标志着材料研发从“试错法”向“大数据驱动”的材料信息学模式转变。在数据密集型科学扮演着越来越重要的角色大数据时代，您需要一个系统可以高效灵活的管理您的材料数据，并能够将数据及其相关服务非常灵活的配置到各个业务流程中去。因此建设材料计算、实验、产品生命周期数据集成管理、分析和应用的材料数字研发平台，将在新材料设计、工艺优化升级、企业创新和宏观决策领域发挥显着的推动作用。

MatAi平台简介

新材料的设计、研发和应用离不开材料科学与工程数据的高效管理和分析，材料数据的特点是涉及面广，维度多，描述方式不统一，具有鲜明的特点：

种类多：各类材料（金属、无机非、高分子、纳米、非晶等）涉及各类材料测试（物理测试、化学测试）和材料试验加工数据（材料冶炼、压力加工、连接技术、热处理……），数据种类多样化显着，并且缺乏统一的标准规范约束数据的结构和描述；

结构各异：各种类型的材料数据结构各异，包括结构化、半结构化和非结构化数据，统一管理不易，数据规范化困难；

多维度：不同的材料数据具有可变的维度；

小样本：材料数据种类繁多，但每一类的数据体量不会很大；

含金量高：一些材料测试耗费的时间和资金非常可观，同时数据本身含金量很高，是材料研发生产的关键信息，如高温疲劳、蠕变、持久试验；

关系复杂：材料测试数据不能独立的发挥作用，必须和成分、工艺、环境因素结合起来进行分析，提取隐含在数据之中的知识和规律。

MatAi材料智能平台是专为材料数据管理、分析和应用打造的、健全的大型材料数据智能管理系统，可满足开放和灵活的材料数据管理和分析需求，在管理用户独有的材料数据和信息，提供解决方案的同时，也为用户提供业界权威、质量可靠的材料参考数据。用户可在MatAi软件的框架下，建立材料专用数据库或材料数据中心。

MatAi平台功能

1 B/S架构—基于Web的数据浏览

B/S架构的模式提供基于Web的数据浏览模式，MatAi只需要在服务器上安装部署，用户在个人的电脑终端无需再安装和维护软件，只需要通过Web浏览器即可登录平台访问数据库。为客户提供便捷的数据治理和维护服务。

用户可通过浏览器进行的操作有：

数据访问、数据编辑、数据导出

数据搜索（全文搜索、系统预置搜索、字段属性检索）

数据分析（对比分析、可视化分析、统计可视化）

数据事务管理（数据访问审核、导出审核、发布审核）

数据库及数据表维护

平台管理员管理

其它操作……

2 灵活的数据管理机制—自定义数据结构

MatAi具有灵活可配置的数据管理机制，理论上支持管理任何类型的材料数据。依据入库的材料数据的标准规范，以配置描述当前数据的自定义数据结构：字段属性和数据布局的方式，实现对不同类型数据的灵活管理。字段属性的数据类型涵盖材料科学与工程数据的全部类型，包括文本类（短文本、长文本、枚举文本）、数值类（整数、浮点数、数值范围）、资源类（图片、文件、链接）和其它类（表格、数值/离散函数、日期时间、布尔量、表达式）。支持用户为数值类属性赋予单位，为用户提供灵活的单位管理。

布局管理

根据在数据表管理中定义的材料数据结构进行数据访问

测试曲线可视化呈现

对于专业数据的特殊呈现需求，定制专业数据展示

第一性原理数据展示

Thermo-Calc热力学性质计算数据展示

3 数据批量导入—自适应数据导入技术

从测试仪器、生产设备、PDM系统等来源获得的数据结构固定的规范数据表单（Excel、CSV，txt文件），通过配置自适应数据导入模板，可快速的将这些数据导入到数据库中，减少人工录入的工作量。

数据模板配置

试验数据导入

产品数据导入

4 专业数据定制采集和呈现技术

数据库建设过程中会涉及到无法直接读取和录入的半结构化和非结构化的专业数据文件，如第一性原理计算结果文件。针对这类数据的管理和展示需求，定制开发专业数据文件的数据导入技术，根据具体的分析和展示需求，从数据文件的指定位置提取数据，存储到数据库中的相应位置。

定制开发专业数据导入模板

第一性原理专业数据采集和呈现

5 多种数据检索方式，更精确的数据定位

提供全文搜索、字段属性筛选、高级搜索、系统预置搜索多种检索方式，基于字段属性的字段属性筛选和高级搜索支持用户按照所需的性能指标范围检索匹配的数据信息。借助高性能集群搜索引擎，采用数值、字符串组合搜索的模式，具有强大的检索能力。

数据记录列表的字段属性筛选

高级搜索

6 多种数据分析工具，最大化挖掘材料数据价值

MatAi软件集成了基础的数据对比分析、数据统计和可视化工具，满足一般数据分析的需求。同时还支持根据企业特殊应用的需求，定制化数据分析工具，最大化的对材料数据进行分析和探索，从材料数据海洋中总结知识和规律的洞察。

对比表格分析

散点图对比分析

曲线图对比分析

热力学性质图分析（铝合金）

统计可视化

7 完备的权限控制，提高数据安全

提供基于用户-角色-权限资源模式的权限控制机制，便捷的进行用户管理和权限管理。用户仅能查看获得授权的材料数据，进行获得授权的平台操作，保证数据安全性的同时消除了不相关数据在业务过程中的干扰。例如将数据访问、创建、编辑、发布权限分开管理，确保材料数据由专家用户进行审核和维护。

MatAi价值

实施后即可获得的价值

对各类材料计算和模拟数据进行管理和分析；管理和应用材料全生命周期数据，并将数据部署到需要它们的部门和人员，提高研发和生产效率；信息检索能力强，支持多种材料数据在线分析；数据可溯源：管理材料数据的全部谱系信息，不只是实验数据结果，实验方法、过程、条件、设备信息等相关信息都进行管理，保证数据的完整性；维护数据和数据再利用，减少数据丢失；保证数据安全：完善的数据权限控制系统，确保正确的人看到正确的信息；避免在寻找材料信息上花费太多的时间，避免因为数据丢失带来的不必要材料重复测试和分析，加快产品设计进程，提高生产率，促进技术升级；完成材料研发的数字化（数据化），为“数据驱动研发”的材料基因组研发新模式的实现夯实地基。

在未来可获得的关键价值

降低数据运维和治理成本，提升技术升级和材料研发的效率获取大数据技术能力，赋能各业务链大数据推动创新，建立数据驱动的文化，面向未来转型材料基因组、智能制造、大数据、两化融合、云计算、人工智能等国家战略实施“数据银行”建设，推出新服务，获取数据变现能力，增加收入。

MatAi应用案例

1 北京有色金属研究总院有色金属材料数据管理

面临挑战：

北京有色金属研究总院积累了大量的有色金属数据，数据类型涵盖先进轻质合金、生物冶金、电子材料、复合材料、遥感材料等，如何多这些多源异构数据进行管理；如何管理计算中心的数据，例如：第一性原理；数据私密性要求高，如何保证安全

解决方案：

基于MatAi软件，搭建有研总院材料数据管理服务平台，按研究所部门建立各类数据库和数据表，涵盖轻质金属结构材料、生物冶金、电子材料等所有部门需要入库的数据内容；定制开发VASP文件的数据提取和展示技术，满足使用需求；配置各类权限角色，满足不同用户的数据访问控制

2 钢铁研究总院不锈钢试验数据管理

面临挑战：

材料实验报告种类繁多，可分为数大类（化学测试、物理性能测试、机械性能测试）及数十种试验，每一个试验又有多种试验标准，如何在数据库中有效管理和分析这些试验报告数据；如何高效的进行数据检索，例如：通过钢种检索完成了哪些种类的试验；按照人员检索做过了哪些试验；如何确保数据安全，数据只能被获得授权的用户访问：部门领导可以查看所有的数据，部门员工可以查看自己和自己学生的数据，学生只能查看自己的数据。

解决方案

基于MatAi软件搭建超高强及不锈钢数据平台，在数据平台下创建试验报告数据库，提取每一种试验报告中的公有属性和特定属性，建立了各类试验报告数据表，并按物理测试、力学测试、显微组织测试等类别进行分类管理；通过配置试验报告的公共属性（基本信息），可通过钢种、人员或更多限定条件查询已经完成的试验报告；可进行多个试验报告数据的在线对比，并导出对比数据进行分析；精确到文件夹、属性的权限控制，保证数据的安全性，部门领导可以查看所有的数据，部门员工可以查看自己和自己学生的数据，学生只能查看自己的数据。

3 钢铁研究总院航空耐热钢数据管理

面临挑战：

从行业标准，产品手册中搜集整理大量航空耐热钢数据，如何有效的进行管理、搜索和分析应用；大量数据如何自动批量处理和入库，避免耗时耗力的人工录入，减少倒是数据错误的可能性。

解决方案

基于MatAi软件搭建耐热钢数据平台，在数据平台下创建分类数据表，分别对管理耐热钢的化学成分、物理性能、力学性能进行管理；针对各种类型的数据（化学成分、室温拉伸、持久蠕变、物理性能……），通过自识别数据导入模板，高效处理多类型、多结构、大体量的数据，避免繁琐的手工录入数据；多种数据分析方法，支持快捷的在线分析，并支持将原始数据导出进一步的分析。