中國電工技術(shù)學(xué)會理事長、天津理工大學(xué)校長楊慶新在FAFEE 2020主題大會上發(fā)表了題為“現(xiàn)代電工裝備電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計理論與方法研究”的演講。

楊慶新指出，“電工裝備以電磁場理論為基礎(chǔ)，但電磁綜合性能一切正常的產(chǎn)品并不代表它就安全可靠，那么如何將電磁性能與可靠性結(jié)合起來考慮設(shè)計，將是事關(guān)電工裝備制造行業(yè)中非常重要且必須解決的關(guān)鍵問題。在能源革命和信息革命不斷融合并進(jìn)的當(dāng)下，我們往往要求電工裝備在實現(xiàn)其正常功能的前提下，還能夠運行得更加安全可靠、穩(wěn)定高效，因此提出了電工裝備電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計的理論，以更好地服務(wù)未來能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。”

楊慶新

天津理工大學(xué)校長，中國電工技術(shù)學(xué)會理事長兼無線電能傳輸技術(shù)專業(yè)委員會主任委員，中國科協(xié)智能制造學(xué)會聯(lián)合體主席團(tuán)副主席。西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員會委員。

曾任河北省自然科學(xué)基金委員會主任、國際電磁場計算學(xué)會理事及中國分會主席，國家自然科學(xué)基金委員會工程與材料科學(xué)部咨詢委員、2019年國家重點實驗室評估領(lǐng)導(dǎo)小組副組長、河北工業(yè)大學(xué)副校長、河北省科技廳廳長、天津工業(yè)大學(xué)校長等。新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選，國務(wù)院政府特殊津貼獲得者。主要從事工程電磁場與磁技術(shù)方面的研究工作。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)

據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019年我國全社會用電量達(dá)到72255億千瓦時（同比增長4.5%），我國用電量目前已位居全球第一。在能源需求不斷增長的當(dāng)下，我國能源利用效率水平與裝備技術(shù)水平還有待進(jìn)一步提高；能源可持續(xù)發(fā)展需要高可靠、智能化的現(xiàn)代電工裝備作為支撐?，F(xiàn)代電工裝備以電磁場理論為基礎(chǔ)，具有智能化與功能多元化等特點，未來我國電工裝備制造行業(yè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

近年來，大國間的博弈影響著電工裝備領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究與生產(chǎn)制造的開展。2017年8月，特朗普政府制定了加征關(guān)稅、限制投資的措施；2018年4月，中興通訊遭遇美國封鎖；2019年5月，華為被列入“實體清單”；2020年5月，13所國內(nèi)高校被列入“實體清單”，赴美留學(xué)生或訪問學(xué)者簽證遭遇限制；2020年6月，多所高校被禁止使用MATLAB軟件，等等。

楊慶新表示，“從貿(mào)易封鎖、科技封鎖到學(xué)術(shù)封鎖，因為無法獲得最新的軟件工具并進(jìn)行升級，我國高端裝備設(shè)計領(lǐng)域陷入被動局面。人工智能+大數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，其核心是工業(yè)設(shè)計軟件的轉(zhuǎn)型升級，這對我國現(xiàn)代電工裝備制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了巨大挑戰(zhàn)。”

當(dāng)前，全球180多個國家300萬+的工程師和科學(xué)家正在使用MATLAB數(shù)據(jù)分析處理軟件；幾乎所有與繪圖相關(guān)行業(yè)（建筑、機(jī)械、電子、天文、物理、化工等）都在使用AutoCAD、SolidWorks等計算機(jī)輔助設(shè)計軟件；我國100+的理工院校正在采用Ansys軟件作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件并進(jìn)行FEM分析；EDA芯片設(shè)計軟件主要由Synopsys、Cadence主導(dǎo)。

據(jù)了解，目前全球EDA產(chǎn)業(yè)競爭格局主要由Cadence、Synopsys和西門子旗下的MentorGraphics壟斷，三大EDA企業(yè)占全球市場的份額超過60%，在中國市場的份額達(dá)到了95%。其中，Synopsys是全球最大的EDA企業(yè)，2018年的市場份額已達(dá)到32.1%；Cadence僅次于Synopsys，2018年市場占有率為22.0%；MentorGraphics在被收購之前也能保持超過10%的市場占有率。

楊慶新認(rèn)為，“自主工業(yè)設(shè)計軟件的缺乏是高可靠智能化現(xiàn)代電工裝備設(shè)計的‘瓶頸’，我國亟待突破這一“瓶頸”。多年來，我國制造行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的工業(yè)設(shè)計軟件是工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域一直存在的“短板”，數(shù)字建模與仿真工具也與國外存在較大差距。因此，數(shù)字化時代下如何將我國在計算機(jī)速度、超級計算中心的優(yōu)勢真正變?yōu)閲俗约旱膽?yīng)用，這將是我們當(dāng)下需要認(rèn)真探索并開展的工作。”

楊慶新強(qiáng)調(diào)，“相較于世界能源科技強(qiáng)國和現(xiàn)代電工裝備智能化發(fā)展目標(biāo)，我國在自主工業(yè)設(shè)計軟件領(lǐng)域還存在諸多挑戰(zhàn)。例如，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計原理亟待突破，符合服役條件的材料特性測量方法和材料性能數(shù)據(jù)庫亟待建立，多物理場多時空尺度的全真建模方法與裝備可靠性統(tǒng)一設(shè)計理論亟待構(gòu)建，基于云計算和人工智能方法的自主創(chuàng)新軟件理論和設(shè)計方法還亟待挖掘。這些領(lǐng)域的建設(shè)還都需要較長的時間，都需要大家的積極參與?！?/p>

關(guān)鍵科學(xué)問題

現(xiàn)代電工裝備自主設(shè)計、研發(fā)及原始創(chuàng)新，其對象是現(xiàn)代電工裝備，關(guān)鍵基礎(chǔ)是電磁綜合性能，目標(biāo)是可靠性，科學(xué)途徑是構(gòu)建統(tǒng)一設(shè)計理論與方法。其中，材料服役特性測量分析與全生命周期物理表征是電工裝備性能提升的關(guān)鍵因素，多場多尺度全真耦合模型的建立是裝備多場全真耦合統(tǒng)一建模的重點環(huán)節(jié)，電工裝備性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計理論需要全真耦合模型與可靠性模型的互相作用機(jī)制，而統(tǒng)一設(shè)計理論實現(xiàn)方法與驗證則是實現(xiàn)現(xiàn)代電工裝備數(shù)字孿生的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

1）先進(jìn)電工材料服役特性參數(shù)測量、分析與全生命周期物理表征

先進(jìn)電工材料（磁性材料、絕緣材料、導(dǎo)電材料和超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、儲能材料）是現(xiàn)代電工裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)，對先進(jìn)電工材料服役特性進(jìn)行參數(shù)測量、分析與全生命周期物理表征將是提高其可靠性的關(guān)鍵因素。

楊慶新指出，“電工產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，都需要先從材料入手。材料首先要考慮其特性，對先進(jìn)電工材料特性進(jìn)行表征，需確立多尺度電磁/應(yīng)力/振動/溫度/濕度等因素和極端環(huán)境（高溫、低溫、輻射、高壓、海水浸泡以及高能、高速等）作用下先進(jìn)電工材料的測量原理與實現(xiàn)方法；建立先進(jìn)電工材料標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)激勵條件的材料特性數(shù)據(jù)庫；探索可表征先進(jìn)電工材料全生命周期的物化參數(shù)評估方法，并在標(biāo)準(zhǔn)化的前提下獲得可靠性數(shù)據(jù)。其實現(xiàn)的技術(shù)路線，即在電工材料經(jīng)過特性測量后建立數(shù)據(jù)庫，再通過高性能電磁模擬建立模型庫，從而提高電工材料的可靠性?！?/p>

2）現(xiàn)代電工裝備電磁熱力全真耦合模型的建立

楊慶新表示，“全真耦合，必須要考慮裝備系統(tǒng)的真實工作狀態(tài)與各種環(huán)境。全真耦合模型的提出，其目的是為實現(xiàn)智能制造、數(shù)字化建設(shè)，因此須把這一工作落實、做實。這涉及兩個方面，首先可以考慮多時空尺度下電磁熱力模塊化建模的實現(xiàn)方法；其次，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，將人工智能等數(shù)字化技術(shù)引入建模領(lǐng)域，形成自學(xué)習(xí)建模的方法。”

其實現(xiàn)的技術(shù)路線，即結(jié)合材料特性數(shù)據(jù)庫，考慮電工裝備真實工況，通過電磁熱力模塊化的實現(xiàn)方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的自學(xué)習(xí)建模方法，建立電工裝備系統(tǒng)的全真耦合模型，以提高電工裝備的可靠性。

3）電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計理論

楊慶新認(rèn)為，“電磁綜合性能與可靠性的融合，主要在于研究材料、結(jié)構(gòu)、工藝、服役、環(huán)境等各種影響因素下電工裝備的失效機(jī)理與防護(hù)措施，建立電工裝備全周期多尺度可靠性模型；分析各可靠性指標(biāo)的分布不確定性，計算各影響因素的可靠度置信區(qū)間；將可靠性理論的約束函數(shù)和不確定性引入多時空尺度全真耦合模型；基于全真耦合模型數(shù)值分析的可靠性優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計理論模型。”

電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計理論實現(xiàn)的技術(shù)路線：通過全真耦合模型（材料服役特性，多場、多尺度耦合，模塊化，自學(xué)習(xí)）與可靠性模型（多影響因素、失效機(jī)理、壽命預(yù)測），作用于優(yōu)化模型函數(shù)的構(gòu)建（人工智能、云計算），形成電工裝備電磁綜合性能與可靠性的統(tǒng)一設(shè)計理論。

4）現(xiàn)代電工裝備電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計理論的實現(xiàn)方法

楊慶新強(qiáng)調(diào)，“為構(gòu)建現(xiàn)代電工裝備電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計理論，則需進(jìn)行多樣本（如無人駕駛電動汽車及無線充電）和大規(guī)模數(shù)值（計算的量是數(shù)億級的節(jié)點）模擬算力機(jī)制的研究，進(jìn)而構(gòu)建相關(guān)的工業(yè)設(shè)計軟件，并利用人工智能與云計算的應(yīng)用及統(tǒng)一設(shè)計理論模型進(jìn)行進(jìn)一步的驗證，以實現(xiàn)電工裝備電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計，為現(xiàn)代電工裝備數(shù)字孿生技術(shù)奠定堅實基礎(chǔ)，以推動我國智能制造向前邁進(jìn)一大步?！?/p>

愿景與展望

為解決我國高端工業(yè)設(shè)計軟件的“瓶頸”問題，并實現(xiàn)彎道超車，推動我國現(xiàn)代電工裝備智能制造水平的跨越式發(fā)展，楊慶新總結(jié)性指出，“現(xiàn)代電工裝備制造業(yè)的發(fā)展應(yīng)全面考慮材料服役條件，基于電工材料特性先進(jìn)測量方法建立材料特性數(shù)據(jù)庫；結(jié)合材料特性數(shù)據(jù)庫，充分考慮電工裝備真實工況，建立裝備系統(tǒng)的全真耦合模型；綜合考慮可靠性影響因素、裝備預(yù)測壽命，利用優(yōu)化模型函數(shù)關(guān)聯(lián)全真耦合模型與可靠性模型，形成電工裝備電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計理論；基于人工智能、云計算等先進(jìn)方法實現(xiàn)電工裝備電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計理論，為現(xiàn)代電工裝備數(shù)字孿生技術(shù)奠定堅實基礎(chǔ)。”