中國電工技術學會理事長、天津理工大學校長楊慶新在FAFEE 2020主題大會上發表了題為“現代電工裝備電磁綜合性能與可靠性統一設計理論與方法研究”的演講。

楊慶新指出，“電工裝備以電磁場理論為基礎，但電磁綜合性能一切正常的產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合起來考慮設計，將是事關電工裝備制造行業中非常重要且必須解決的關鍵問題。在能源革命和信息革命不斷融合并進的當下，我們往往要求電工裝備在實現其正常功能的前提下，還能夠運行得更加安全可靠、穩定高效，因此提出了電工裝備電磁綜合性能與可靠性統一設計的理論，以更好地服務未來能源互聯網建設。”

楊慶新

天津理工大學校長，中國電工技術學會理事長兼無線電能傳輸技術專業委員會主任委員，中國科協智能制造學會聯合體主席團副主席。西安交通大學、清華大學等國家重點實驗室學術委員會委員。

曾任河北省自然科學基金委員會主任、國際電磁場計算學會理事及中國分會主席，國家自然科學基金委員會工程與材料科學部咨詢委員、2019年國家重點實驗室評估領導小組副組長、河北工業大學副校長、河北省科技廳廳長、天津工業大學校長等。新世紀百千萬人才工程國家級人選，國務院政府特殊津貼獲得者。主要從事工程電磁場與磁技術方面的研究工作。

機遇與挑戰

據國家能源局統計數據顯示，2019年我國全社會用電量達到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下，我國能源利用效率水平與裝備技術水平還有待進一步提高；能源可持續發展需要高可靠、智能化的現代電工裝備作為支撐。現代電工裝備以電磁場理論為基礎，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機遇與挑戰并存。

近年來，大國間的博弈影響著電工裝備領域學術研究與生產制造的開展。2017年8月，特朗普政府制定了加征關稅、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所國內高校被列入“實體清單”，赴美留學生或訪問學者簽證遭遇限制；2020年6月，多所高校被禁止使用MATLAB軟件，等等。

楊慶新表示，“從貿易封鎖、科技封鎖到學術封鎖，因為無法獲得最新的軟件工具并進行升級，我國高端裝備設計領域陷入被動局面。人工智能+大數據驅動的制造業轉型升級，其核心是工業設計軟件的轉型升級，這對我國現代電工裝備制造產業的發展提出了巨大挑戰?！?/p>

當前，全球180多個國家300萬+的工程師和科學家正在使用MATLAB數據分析處理軟件；幾乎所有與繪圖相關行業（建筑、機械、電子、天文、物理、化工等）都在使用AutoCAD、SolidWorks等計算機輔助設計軟件；我國100+的理工院校正在采用Ansys軟件作為標準教學軟件并進行FEM分析；EDA芯片設計軟件主要由Synopsys、Cadence主導。

據了解，目前全球EDA產業競爭格局主要由Cadence、Synopsys和西門子旗下的MentorGraphics壟斷，三大EDA企業占全球市場的份額超過60%，在中國市場的份額達到了95%。其中，Synopsys是全球最大的EDA企業，2018年的市場份額已達到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。

楊慶新認為，“自主工業設計軟件的缺乏是高可靠智能化現代電工裝備設計的‘瓶頸’，我國亟待突破這一“瓶頸”。多年來，我國制造行業中應用最廣泛的工業設計軟件是工業設計領域一直存在的“短板”，數字建模與仿真工具也與國外存在較大差距。因此，數字化時代下如何將我國在計算機速度、超級計算中心的優勢真正變為國人自己的應用，這將是我們當下需要認真探索并開展的工作。”

楊慶新強調，“相較于世界能源科技強國和現代電工裝備智能化發展目標，我國在自主工業設計軟件領域還存在諸多挑戰。例如，基于數據驅動的設計原理亟待突破，符合服役條件的材料特性測量方法和材料性能數據庫亟待建立，多物理場多時空尺度的全真建模方法與裝備可靠性統一設計理論亟待構建，基于云計算和人工智能方法的自主創新軟件理論和設計方法還亟待挖掘。這些領域的建設還都需要較長的時間，都需要大家的積極參與?！?/p>

關鍵科學問題

現代電工裝備自主設計、研發及原始創新，其對象是現代電工裝備，關鍵基礎是電磁綜合性能，目標是可靠性，科學途徑是構建統一設計理論與方法。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一建模的重點環節，電工裝備性能與可靠性統一設計理論需要全真耦合模型與可靠性模型的互相作用機制，而統一設計理論實現方法與驗證則是實現現代電工裝備數字孿生的關鍵基礎。

1）先進電工材料服役特性參數測量、分析與全生命周期物理表征

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

楊慶新指出，“電工產品的生產制造，都需要先從材料入手。材料首先要考慮其特性，對先進電工材料特性進行表征，需確立多尺度電磁/應力/振動/溫度/濕度等因素和極端環境（高溫、低溫、輻射、高壓、海水浸泡以及高能、高速等）作用下先進電工材料的測量原理與實現方法；建立先進電工材料標準/非標準激勵條件的材料特性數據庫；探索可表征先進電工材料全生命周期的物化參數評估方法，并在標準化的前提下獲得可靠性數據。其實現的技術路線，即在電工材料經過特性測量后建立數據庫，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的真實工作狀態與各種環境。全真耦合模型的提出，其目的是為實現智能制造、數字化建設，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方法；其次，基于數據驅動，將人工智能等數字化技術引入建模領域，形成自學習建模的方法?！?/p>

其實現的技術路線，即結合材料特性數據庫，考慮電工裝備真實工況，通過電磁熱力模塊化的實現方法、基于數據驅動的自學習建模方法，建立電工裝備系統的全真耦合模型，以提高電工裝備的可靠性。

3）電磁綜合性能與可靠性統一設計理論

楊慶新認為，“電磁綜合性能與可靠性的融合，主要在于研究材料、結構、工藝、服役、環境等各種影響因素下電工裝備的失效機理與防護措施，建立電工裝備全周期多尺度可靠性模型；分析各可靠性指標的分布不確定性，計算各影響因素的可靠度置信區間；將可靠性理論的約束函數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值分析的可靠性優化設計，構建電磁綜合性能與可靠性統一設計理論模型?！?/p>

電磁綜合性能與可靠性統一設計理論實現的技術路線：通過全真耦合模型（材料服役特性，多場、多尺度耦合，模塊化，自學習）與可靠性模型（多影響因素、失效機理、壽命預測），作用于優化模型函數的構建（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一設計理論。

4）現代電工裝備電磁綜合性能與可靠性統一設計理論的實現方法

楊慶新強調，“為構建現代電工裝備電磁綜合性能與可靠性統一設計理論，則需進行多樣本（如無人駕駛電動汽車及無線充電）和大規模數值（計算的量是數億級的節點）模擬算力機制的研究，進而構建相關的工業設計軟件，并利用人工智能與云計算的應用及統一設計理論模型進行進一步的驗證，以實現電工裝備電磁綜合性能與可靠性統一設計，為現代電工裝備數字孿生技術奠定堅實基礎，以推動我國智能制造向前邁進一大步?！?/p>

愿景與展望

為解決我國高端工業設計軟件的“瓶頸”問題，并實現彎道超車，推動我國現代電工裝備智能制造水平的跨越式發展，楊慶新總結性指出，“現代電工裝備制造業的發展應全面考慮材料服役條件，基于電工材料特性先進測量方法建立材料特性數據庫；結合材料特性數據庫，充分考慮電工裝備真實工況，建立裝備系統的全真耦合模型；綜合考慮可靠性影響因素、裝備預測壽命，利用優化模型函數關聯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一設計理論；基于人工智能、云計算等先進方法實現電工裝備電磁綜合性能與可靠性統一設計理論，為現代電工裝備數字孿生技術奠定堅實基礎。”