中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、天津理工大學(xué)校長(zhǎng)楊慶新在FAFEE 2020主題大會(huì)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(jì)理論與方法研究”的演講。

楊慶新指出，“電工裝備以電磁場(chǎng)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(lái)考慮設(shè)計(jì)，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(wèn)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(shí)現(xiàn)其正常功能的前提下，還能夠運(yùn)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(jì)的理論，以更好地服務(wù)未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)?！?/p>

楊慶新

天津理工大學(xué)校長(zhǎng)，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)兼無(wú)線電能傳輸技術(shù)專業(yè)委員會(huì)主任委員，中國(guó)科協(xié)智能制造學(xué)會(huì)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。

曾任河北省自然科學(xué)基金委員會(huì)主任、國(guó)際電磁場(chǎng)計(jì)算學(xué)會(huì)理事及中國(guó)分會(huì)主席，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部咨詢委員、2019年國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室評(píng)估領(lǐng)導(dǎo)小組副組長(zhǎng)、河北工業(yè)大學(xué)副校長(zhǎng)、河北省科技廳廳長(zhǎng)、天津工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)等。新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程國(guó)家級(jí)人選，國(guó)務(wù)院政府特殊津貼獲得者。主要從事工程電磁場(chǎng)與磁技術(shù)方面的研究工作。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)

據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)全社會(huì)用電量達(dá)到72255億千瓦時(shí)（同比增長(zhǎng)4.5%），我國(guó)用電量目前已位居全球第一。在能源需求不斷增長(zhǎng)的當(dāng)下，我國(guó)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。現(xiàn)代電工裝備以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，具有智能化與功能多元化等特點(diǎn)，未來(lái)我國(guó)電工裝備制造行業(yè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

近年來(lái)，大國(guó)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(kāi)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(guó)封鎖；2019年5月，華為被列入“實(shí)體清單”；2020年5月，13所國(guó)內(nèi)高校被列入“實(shí)體清單”，赴美留學(xué)生或訪問(wèn)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?yàn)闊o(wú)法獲得最新的軟件工具并進(jìn)行升級(jí)，我國(guó)高端裝備設(shè)計(jì)領(lǐng)域陷入被動(dòng)局面。人工智能+大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，其核心是工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的轉(zhuǎn)型升級(jí)，這對(duì)我國(guó)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)?！?/p>

當(dāng)前，全球180多個(gè)國(guó)家300萬(wàn)+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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件；我國(guó)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(jì)軟件主要由Synopsys、Cadence主導(dǎo)。

據(jù)了解，目前全球EDA產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)的份額超過(guò)60%，在中國(guó)市場(chǎng)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(chǎng)份額已達(dá)到32.1%；Cadence僅次于Synopsys，2018年市場(chǎng)占有率為22.0%；MentorGraphics在被收購(gòu)之前也能保持超過(guò)10%的市場(chǎng)占有率。

楊慶新認(rèn)為，“自主工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的缺乏是高可靠智能化現(xiàn)代電工裝備設(shè)計(jì)的‘瓶頸’，我國(guó)亟待突破這一“瓶頸”。多年來(lái)，我國(guó)制造行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件是工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一直存在的“短板”，數(shù)字建模與仿真工具也與國(guó)外存在較大差距。因此，數(shù)字化時(shí)代下如何將我國(guó)在計(jì)算機(jī)速度、超級(jí)計(jì)算中心的優(yōu)勢(shì)真正變?yōu)閲?guó)人自己的應(yīng)用，這將是我們當(dāng)下需要認(rèn)真探索并開(kāi)展的工作?！?/p>

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

關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

現(xiàn)代電工裝備自主設(shè)計(jì)、研發(fā)及原始創(chuàng)新，其對(duì)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(jì)理論與方法。其中，材料服役特性測(cè)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(chǎng)多尺度全真耦合模型的建立是裝備多場(chǎng)全真耦合統(tǒng)一建模的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，電工裝備性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計(jì)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(jì)理論實(shí)現(xiàn)方法與驗(yàn)證則是實(shí)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(cè)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(chǔ)能材料）是現(xiàn)代電工裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)，對(duì)先進(jìn)電工材料服役特性進(jìn)行參數(shù)測(cè)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(duì)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(dòng)/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(cè)量原理與實(shí)現(xiàn)方法；建立先進(jìn)電工材料標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)條件的材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)；探索可表征先進(jìn)電工材料全生命周期的物化參數(shù)評(píng)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(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，即在電工材料經(jīng)過(guò)特性測(cè)量后建立數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過(guò)高性能電磁模擬建立模型庫(kù)，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(shí)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(shí)現(xiàn)智能制造、數(shù)字化建設(shè)，因此須把這一工作落實(shí)、做實(shí)。這涉及兩個(gè)方面，首先可以考慮多時(shí)空尺度下電磁熱力模塊化建模的實(shí)現(xiàn)方法；其次，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，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?！?/p>

其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，即結(jié)合材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)，考慮電工裝備真實(shí)工況，通過(guò)電磁熱力模塊化的實(shí)現(xiàn)方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)，構(gòu)建電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計(jì)理論模型?！?/p>

電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計(jì)理論實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線：通過(guò)全真耦合模型（材料服役特性，多場(chǎng)、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(cè)），作用于優(yōu)化模型函數(shù)的構(gòu)建（人工智能、云計(jì)算），形成電工裝備電磁綜合性能與可靠性的統(tǒng)一設(shè)計(jì)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(jì)理論的實(shí)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(jì)理論，則需進(jìn)行多樣本（如無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車及無(wú)線充電）和大規(guī)模數(shù)值（計(jì)算的量是數(shù)億級(jí)的節(jié)點(diǎn)）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(jì)軟件，并利用人工智能與云計(jì)算的應(yīng)用及統(tǒng)一設(shè)計(jì)理論模型進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)電工裝備電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計(jì)，為現(xiàn)代電工裝備數(shù)字孿生技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，以推動(dòng)我國(guó)智能制造向前邁進(jìn)一大步?！?/p>

愿景與展望

為解決我國(guó)高端工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的“瓶頸”問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)彎道超車，推動(dòng)我國(guó)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(cè)量方法建立材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)；結(jié)合材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)，充分考慮電工裝備真實(shí)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(cè)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(jì)理論；基于人工智能、云計(jì)算等先進(jìn)方法實(shí)現(xiàn)電工裝備電磁綜合性能與可靠性統(tǒng)一設(shè)計(jì)理論，為現(xiàn)代電工裝備數(shù)字孿生技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！?/p>