2024年，工信部等九部門聯(lián)合印發(fā)了《原材料工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作方案（2024—2026年）》以及《智能制造系統(tǒng)解決方案揭榜掛帥項目申報工作》等文件，對建材行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提出具體目標(biāo)和任務(wù)。當(dāng)前，建材行業(yè)正步入深入推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型升級的高質(zhì)量發(fā)展階段。中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司（以下簡稱“中國建材總院”）作為建材行業(yè)的重要科研機構(gòu)，積極響應(yīng)國家政策號召，承擔(dān)了國資委“原創(chuàng)技術(shù)策源地”項目中的“水泥基材料數(shù)字化研發(fā)”任務(wù)，以共建共創(chuàng)、開放共享理念，聚焦行業(yè)痛點，用數(shù)字化技術(shù)進行新型低碳水泥研發(fā)創(chuàng)新，為低碳水泥基材料研發(fā)插上數(shù)字化的“翅膀”。

中國建材總院水泥基材料數(shù)字化研發(fā)項目技術(shù)總負責(zé)人葉家元

數(shù)字賦能搭建創(chuàng)新載體

建筑材料是構(gòu)成建筑物的物質(zhì)基礎(chǔ)，其性能直接決定了建筑的使用壽命。新型低碳水泥基材料是當(dāng)前建筑材料領(lǐng)域的研究熱點，其研究的初衷在于，通過技術(shù)創(chuàng)新和材料改良，有效降低水泥生產(chǎn)和使用過程中的碳排放，同時保持或提升材料的性能。比如，研發(fā)新的生產(chǎn)工藝，減少能源消耗，或者采用替代原料，降低石灰石等碳排放較高的成分比例。在實現(xiàn)減排目標(biāo)的同時，還要保持甚至進一步提升材料本身的性能，如抗壓強度、抗?jié)B性、耐久性等。這類材料的發(fā)展對于實現(xiàn)建材行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

記者了解到，“新型低碳水泥基材料”這一研究課題被列入了國資委“原創(chuàng)技術(shù)策源地”項目中，體現(xiàn)了國家對于這一領(lǐng)域的高度重視。中國建材集團作為牽頭單位揭榜了“低碳膠凝材料”等子領(lǐng)域任務(wù)，其中，中國建材總院揭榜承擔(dān)了用數(shù)字化技術(shù)進行新型低碳水泥研發(fā)創(chuàng)新的項目“水泥基材料數(shù)字化研發(fā)”。

2022年8月11日，中國建材總院召開了中國建材集團原創(chuàng)技術(shù)策源地“揭榜掛帥”項目“水泥基材料數(shù)字化研發(fā)”實施方案論證會暨項目啟動會。啟動會上，水泥基材料數(shù)字化研發(fā)項目技術(shù)總負責(zé)人、中國建材總院水泥新材院副院長葉家元介紹了項目總體實施方案。

該項目建設(shè)內(nèi)容涵蓋水泥基材料工業(yè)全流程，聚焦于四個研究方向：熟料煅燒機理的數(shù)字化創(chuàng)新、水泥基材料低碳制備與應(yīng)用的基礎(chǔ)理論及數(shù)字技術(shù)、新技術(shù)裝備的數(shù)字化仿真驗證、多源數(shù)據(jù)特征識別與數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。其核心目標(biāo)是圍繞“智能化”與“雙碳”戰(zhàn)略，創(chuàng)建低碳膠凝材料的數(shù)字化設(shè)計與智能制造技術(shù)，構(gòu)建多學(xué)科交叉的研發(fā)平臺，培育國際影響力的研究團隊。

截至目前，項目進展順利。葉家元在采訪中提及，兩年多來，中國建材總院水泥新材院建成以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫為重要支撐的雙碳公共服務(wù)平臺及水泥基材料數(shù)字化研發(fā)平臺，采用數(shù)據(jù)挖掘及機器學(xué)習(xí)等數(shù)字化技術(shù)，建成了國內(nèi)外首個水泥熟料礦相數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了低碳熟料高通量設(shè)計與試驗工作站，建立了混凝土骨料級配智能優(yōu)化模型，攻克了水泥燒成等關(guān)鍵工藝的數(shù)字孿生技術(shù)瓶頸，收錄了5000余萬條水泥組成、性能及工藝數(shù)據(jù)，低碳水泥性能預(yù)測模型等在國內(nèi)外9條生產(chǎn)線上應(yīng)用。

低碳熟料智能化設(shè)計與高通量實驗工作站

數(shù)字化技術(shù)的實施并非易事，數(shù)據(jù)便是其中的關(guān)鍵所在。在項目實施過程中，中國建材總院水泥基材料數(shù)字化研發(fā)項目組（以下簡稱“項目組”）面臨了數(shù)據(jù)來源這一首要難題。

“數(shù)據(jù)是數(shù)字化技術(shù)的根本所在，唯有具備充足的數(shù)據(jù)，才能夠確保我們的數(shù)字化成果是精確無誤且切實可用的，”葉家元告訴記者，“針對這一問題，中國建材集團及總院給予了項目組極大的幫助與支持。項目組憑借著探索精神與集團所屬眾多水泥產(chǎn)線開展協(xié)同創(chuàng)新，為產(chǎn)線提供性能檢測等相關(guān)的數(shù)據(jù)模型，各生產(chǎn)企業(yè)提供產(chǎn)線數(shù)據(jù)，這種合作模式不僅解決了項目組數(shù)據(jù)來源的問題，還促進了雙方的技術(shù)交流與合作，實現(xiàn)了資源共享和優(yōu)勢互補。目前，項目組已成功建成了5000余萬條水泥基材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并且針對研發(fā)的各類數(shù)據(jù)模型進行了全面且充分的優(yōu)化以及驗證工作。

”沒有樣本，沒有經(jīng)驗借鑒，葉家元等中國建材總院的科學(xué)家們，憑借著拼搏精神，對未知一一進行探索。談及所取得成果和最新進展，葉家元如數(shù)家珍：

構(gòu)建了自主可控且自有知識產(chǎn)權(quán)“數(shù)據(jù)基石”。項目組聯(lián)合中國建材總院所屬中存大數(shù)據(jù)科技有限公司，厘清了當(dāng)前所有已知熟料礦物的晶體結(jié)構(gòu)、膠凝活性、碳排放因子等數(shù)據(jù)，建立了低碳水泥基材料研發(fā)知識圖譜，并采集數(shù)十家水泥企業(yè)上千萬條工藝數(shù)據(jù)及化驗室數(shù)據(jù)，率先建成了水泥基材料數(shù)字化研發(fā)數(shù)據(jù)庫。

搭建了水泥基材料高通量制備與智能化設(shè)計工作站。項目組通過采取高通量試驗、機器學(xué)習(xí)、第一性原理計算等多種“智能尋寶”方式，成功搭建了水泥基材料高通量制備與智能化設(shè)計工作站。其恰似于材料世界的浩渺海洋之中，憑借智能化的“羅盤”和“望遠鏡”去探尋低碳熟料新礦物與新體系，也仿若一位“理論預(yù)言家”，可預(yù)測，可發(fā)現(xiàn)。該工作站還基于大數(shù)據(jù)與機器學(xué)習(xí)算法，開發(fā)了熟料礦相智能識別系統(tǒng)，構(gòu)建了熟料性能預(yù)測與熟料配料優(yōu)化設(shè)計模型，為基于強度、碳排放等指標(biāo)的熟料配料優(yōu)化與熟料礦相設(shè)計提供了科學(xué)的工具。與武漢理工大學(xué)合作建立的水泥水化模型，能夠生動地展現(xiàn)水泥水化過程中的物相變化等情況，為礦相活性調(diào)控及水泥組成設(shè)計提供了可視化的闡釋。

開發(fā)了混凝土骨料級配智能設(shè)計系統(tǒng)。項目組與中科院過程工程研究所合作，構(gòu)建了數(shù)字骨料，開發(fā)了混凝土骨料級配智能設(shè)計系統(tǒng)，可實現(xiàn)骨料緊密堆積并有效降低水泥用量，進而節(jié)能降碳。聯(lián)合合肥水泥研究設(shè)計院有限公司與中科院過程工程研究所，開發(fā)了低碳水泥生產(chǎn)流程的數(shù)字孿生系統(tǒng)——新型干法水泥生產(chǎn)“數(shù)字工廠”。在“數(shù)字工廠”中，科研人員和工程技術(shù)人員可在不消耗實際資源的情況下，模擬并優(yōu)化生產(chǎn)過程，開發(fā)并驗證水泥生產(chǎn)減碳技術(shù)，助力產(chǎn)線降低資能源消耗和減少碳排放。該“數(shù)字工廠”系統(tǒng)均為國產(chǎn)化，完全自主可控，為保障產(chǎn)業(yè)安全提供了屏障。

水泥生產(chǎn)全流程數(shù)字化仿真系統(tǒng)“數(shù)字工廠”

共建共創(chuàng)打造行業(yè)樣板

隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入推進，水泥工業(yè)迎來前所未有的機遇。通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，企業(yè)可以精準(zhǔn)預(yù)測市場需求、優(yōu)化生產(chǎn)計劃和庫存管理，從而有效降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力。

基于共建共創(chuàng)、開放共享理念，項目組將數(shù)據(jù)、模型、算法等匯集于水泥基材料數(shù)字化研發(fā)平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、算法、算力等人工智能要素的整合，為科研人員提供了科學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和高效數(shù)字化工具。這一平臺就是水泥基材料數(shù)字化研發(fā)的協(xié)作中心，科研人員可通過內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)庫、算法庫等功能輕松地共享數(shù)據(jù)、方法和成果，助力數(shù)據(jù)與知識的傳播與迭代。

除此之外，項目組更是走在了行業(yè)的前沿。他們在數(shù)字化設(shè)計與流程仿真模擬等方面取得的成果，為水泥基材料研發(fā)范式的革新提供了有力的借鑒，也為人工智能賦能水泥工業(yè)流程降碳提供了新的參考。

葉家元表示：“接下來，我們將繼續(xù)深耕水泥基材料數(shù)字化研發(fā)，不斷完善和豐富數(shù)據(jù)庫與平臺，深入開展模型泛化能力提升、知識與數(shù)據(jù)雙驅(qū)動低碳新體系創(chuàng)新等關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，為水泥基材料工業(yè)的綠色化、低碳化、高端化與智能化發(fā)展貢獻我們的智慧和力量?！?/p>

《中國建材》雜志記者：李勇