材料大数据助力中国制造创新发展

尹海清

随着IT技术的迅猛发展和电子产品的大众化普及，以及2012年美国政府发布“大数据计划”，使大数据成为全球热点话题，各领域对大数据的研究不断深入，而大数据的应用已经从互联网、电信、銀行等行业，扩展到交通、零售业、医疗行业等，其发展之势难于估量。而在高能物理、遥感、空间科学、生物、医学、地理等自然科学领域对大数据的研究和利用已成为常态。

大数据和互联网带来了全球性的巨变。然而，在互联网经济的光芒下，世界主要发达国家从国家层面上进一步强调关乎国家发展和基础建设的工业，尤其是制造业的革命性升级，并先后提出国家战略计划，包括美国总统奥巴马上任后推行的“再工业化”、“制造业复兴”、“先进制造伙伴计划”，德国的“工业4.0”计划，日本的“复兴战略”计划，法国的“新工业法国”计划，以及韩国的“新增动力战略”计划等，这些计划的共同目标之一旨在将制造业的比例提升至绝对优势水平，远超服务业。这些计划中，2013年4月德国在汉诺威工业博览会期间首次抛出的“工业4.0”计划对我国影响力最大，该计划被认为是第四次工业革命，超越了第三次工业革命的自动化生产的特点，赋予生产过程以智慧，形成一种带有智能思考的外在表现形式。

一、“互联网+”时代

今年3月5日召开的十二届全国人大三次会议上，国家总理李克强在政府工作报告中首次提出了“互联网+”行动计划。该计划是利用互联网的技术、工具、应用，通过制定该行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展”，将传统行业升级，创造新的业态。“互联网+”战略上升至国家层面，随即成为关注和讨论的热点。

1.“互联网+各行业”

互联网是当今时代的特征，因为它彻底改变了人们的生活方式，创造了很多颠覆性的效应，不仅使地球人的联系实现实时且免费的视频交流，B2B、O2O的移动互联思维使经济发展模式发生了完全的转变， 大型开放式网络（massive open online courses，MOOC）课程使每个在线的人可以共享世界上最好的教育资源，实现了孔子的“有教无类”的教育理念。而互联网信息的传输，催生了大数据时代，创造了数据科学的科学发现的范式，也造就了云计算的软硬件资源优化配置的服务模式，物联网和智慧城市则是互联网支持下的涉及范围更广的信息传播与服务。可见，互联网犹如一片沃土，已经在与社会的方方面面，尤其是第三产业的嫁接，取得了巨大的影响力。

在对“互联网+”的热议中，不同行业针对其对行业的理解提出了互联网对相关行业未来的影响和发展模式。易观国际董事长于扬在对互联网对中国的影响的分析上，从全面的视角纵观中国经济，关注了关乎国家发展大计的第二产业，他在2013年12月搜狐财经年会接受采访时表示，当前，“互联网+”关乎中国转型之路。腾讯、阿里、百度、搜狐等大型线上领军企业创造的经济总量在将近60万亿的GDP总额中的份额很少，而95%以上的经济都是线下。传统经济能否触网，将影响中国经济能否成功转型，能否由过去的高能耗、高污染、低附加值的来料加工、劳动力密集产业的产品和服务逐步过渡到低能耗、环境友好、高附加值的产品和服务。也就是说，在互联网的架构在应用于国民经济生产，尤其是传统制造业的升级改造和创新上的效果，尚存在客观的不确定性。

2.“互联网+中国制造”

实施“中国制造2025”，是李克强总理在《政府工作报告》中除“互联网+”以外强调的又一重点，指明了我国制造业应坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从中国制造向中国创造、从制造大国向制造强国的转变。德国的“工业4.0”国家战略，助力其在全球已独占鳌头的制造业，领跑制造业第四次工业革命的步伐。

我国制造业基础相对薄弱，自动化生产在很多行业尚未实现，由于制造业的落后而造成的难以创新性地生产高端一流产品的现状，成为我国经济发展速度放缓的重要因素之一。我国的“中国制造2025”战略，不是简单地将“工业4.0”移植我国，而是互联网与制造业相融合，形成“互联网+制造业”的思维和发展模式，在生产制造模式、产业组织创新、产业结构升级、产业创新方式等方面产生变革，形成我国制造业的跨越式发展的态势，加快中国制造业向智能制造的转型。今后随着美国“脑科学”国家战略计划的实施以及世界各国的相继跟进研究，如果将脑科学的成果应用于制造业，智能制造必将进一步提升到大智慧的程度。

3.“互联网+中国材料”

材料是社会发展的基础，是人类文明与进步的标志和里程碑，材料的发展直接决定了社会各方面的进步步伐。然而我国材料产业经过过去几十年的积累后，与工业革命后飞速发展的欧洲和美国仍有一定差距，我国的关键材料自给率不足20%。因此，材料领域及行业的发展，对于我国经济发展和国家安全至关重要。

美国在2008年提出“集成计算材料工程”（Integrated Computational Materials Engineering，ICME），旨在通过跨层次多尺度计算，加快材料的设计进程，2011年6月美国发布了“先进制造伙伴计划”，其核心部分之一为“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative，MGI），该计划旨在将高通量计算、高通量实验与表征，以及材料数据3大工具深度融合，使新材料的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。材料基因组的基本架构见图1，该计划打破了材料研究原有的各尺度计算相对独立、计算与实验相对分离，数据的价值不被重视的局面。

二、大数据在“互联网+”时代的价值

1.大数据的5“V”特征

大数据的特点随着对其研究的深入，从3“V”发展到目前的5个“V”特征，即Value（价值大但价值密度低）、Velocity（具有时效性，需要在规定时间分析）、Volume（数据量大，可达到 PB级）、Variety（在形式、来源上有多样性）、Veracity（真实、客观）。

大数据概念在各领域不断渗透，尤其是传统产业，在数据和大数据的应用中逐步弱化了5“V”特征，更加强调了数据的价值，从大数据的价值堪比石油，到数据科学是科学发现的新手段，哈佛大学Gary King教授指出，大数据将在学术界、产业界和政界迅速蔓延开来，没有哪个领域不会受到影响。麻省理工学院Erik Brynjolfsson教授将分析大数据与显微镜观察进行类比并指出，在商业、经济及其他领域中，决策行为将日益基于数据和分析而作出，而并非基于经验和直觉。

2.大数据带来的机遇与挑战

（1）高价值和财富

大数据所带来的直接价值和通过挖掘分析得到的数据产品的潜在价值，随着数据挖掘技术的发展和分析工具的普及性不断提升，因此数据已经成为一种资源财富，与石油这一不可再生资源相比，大数据资源的体量将越来越大，非但不会枯竭，而是巨量增长。

（2）大数据分析创造新的产业和就业机会

以大数据原始数据为基础，进行数据清洗、分析、建模、可视化后的数据产品，已经成为大数据交易的产品。2014年2月中关村大数据交易产业联盟成立，在国内开创了数字交易产业的先河。2015年4月14日，贵阳大数据交易所正式挂牌运营，并完成了首批大数据交易。大数据产业也让使数据分析和统计成为一个有趣的职业，不难想象，在不久的将来，数据分析及其外包服务，如同印度的软件外包服务一样，成为一个迅速崛起的行业，数据分析师将成炙手可热的职业。

（3）时效性的“双刃剑”效应

大数据的时效性为利用大数据进行分析提供了迅捷的手段和基础，但这种“稍纵即逝”的信息，要求大数据拥有者必须进行快速且正确的处理，否则遗漏的信息可能造成决策失误，错误的分析更有误导之嫌。因此，未来一个国家的竞争力很大程度上取决于整体数据分析能力。

三、大数据和“互联网+”助力中国制造的创新发展

1.大数据与“互联网+”助力中国材料的智能化设计与制造

制造业的发展强烈依赖于新材料的发展。材料的开发历程通常为10～20年，严重制约了多个行业的发展进程。因此，“中国制造2025”的突破，关键之一是材料的突破。

材料基因组计划和集成计算材料工程的发布，引发了加快新材料研发进程的蝴蝶效应。采用第一性原理方法，对化学元素周期表的元素进行多组元组合的高通量的并行计算，成为材料大数据的主要来源之一。通过聚类分析、机器学习等方法对第一性原理产生的材料大数据分析的研究不仅发现了新材料和新现象，而且推进了材料信息学的发展。而结构材料的材料跨尺度计算在实现数据的无障碍透明传递的同时，完全可以实现线上操作，在线上形成虚拟材料设计生产线，基于互联网的集成设计平台、仿真与验证平台、应用评价平台，形成满足未来新材料需求的智能化设计与智能化制造的需求，如图2所示。

而高通量实验的表征结果，通过数据在线传输，实现研究成果在研究者和用户间传递。但无论跨尺度计算，抑或是实验结果的传输，都在大数据技术、信息物理系统的支撑下，形成了“互联网+中国材料”的新格局，并表现为4个鲜明特征，分别为：

①材料设计过程的网络化：打破计算与模拟过程的各尺度、环节、方法的分立，基于互联网建立起交互关联关系，实现材料设计与优化，形成虚拟材料设计生产线；以应用需求出发，将材料的5大要素（成分、组织、结构、制备、性能）的设计与应用有机结合，并以3D和4D的形式呈现，与“中国制造2025”对接。

②生产过程的数字化与智能化：数字化贯穿于材料生产的全生产链条，实现生产过程的自动化，而每一步生产过程的数据通过关联关系传输到各环节进行验证、反馈与优化，在生产过程中实现产品性能的实时优化操作。

③生产管理信息化：目前我国在生产管理上存在效率低的突出问题。通过生产过程的实时信息记录，实现企业、公司等范围的数字化生产管理与调度，并逐步通过大数据分析实现企业发展的快速决策和管理效率的提升。

④大数据分析常态化：基于互联网的材料智能化设计过程中传输的全部为数据，在智能化制造中，控制各工序生产的也是计算优化和实验验证的数据，对数据的分析与挖掘是“互联网+中国材料”过程管理与发展的高效手段之一。

2.大数据与“互联网+”助力中国制造

我国制造业，尤其是传统制造业，相对落后、产品质量不高的原因不是单单某一方面的问题，而是多方面构成的系统问题，包括规划、生产、管理等多方面，如分析决策的手段相对落后，信息量不足且快速分析处理的技术相对落后，生产上缺乏各工序准确的过程数据，无法找出影响质量的关键因素，管理上现代化程度运用不足，难于做到各个环节的精确控制，导致我国生产的产品稳定性和一致性较差，质量不高。

近2年大数据思想渐渐进入制造业企业的体系，企业却在大数据和互联网的应用上难于落地，因为制造企业不仅与上述企业内部的问题有关联，而且与上下游的行业息息相关。美国的企业早在几年前就运用了全生命周期的管理思想，从一种化学元素从地壳中挖掘出来，到回收处理，并积累了大量数据，其思考问题的系统性和全局性值得学习和借鉴。

我国目前在制造业活动中，尚难产生严格符合定义的大数据。但制造业体系较材料领域更加庞杂，信息物理系统、物联网、工业互联网将企业相关的包括上下游行业的参量都关联在一起，企業的海量数据的发展趋势相当可观，而其复杂关联性，以及材料及制造业的科学理论的约束，对数据分析的要求提高。而制造业的大数据分析与电子商务等方面的大数据分析相比较不难发现，后者主要以发现趋势和规律为分析的目标，离群点因其为小概率事件而被清洗掉，而制造业中，发现问题是需要从特异点入手，离群点分析将成为创新发现的有效分析手段之一。

四、结语

材料及制造业在今天的发展中，是不断创造大数据并不断理解和消化大数据的过程，在大数据的创造方法以及大数据的分析上都需要不断创新。由于传统制造业的特点和基础，大数据的运用和“互联网+”支撑的效果难于一蹴而就，但要创造基于大数据、物联网、互联网发展的“生态环境系统”，形成制造业全面落实的发展新格局，克服区域间的发展不平衡，形成制造业的全面转型，而这正是时代的需要。

参考文献

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