核电材料数字化平台的开发及应用

王 卓 宋丹戎 许 斌 罗薛超 魏江林 魏学栋

(1.中南大学，湖南 长沙 410083； 2.成都材智科技有限公司，四川 成都 610041； 3.中国核动力研究设计院，四川 成都 610213； 4.核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213)

传统材料数据库的主要功能是数据存储和数据管理，同时还提供数据检索服务，方便用户快速获取感兴趣的数据信息。随着计算机技术的普及和进步，材料数据库趋于网络化、商业化、标准化及智能化，材料数据库功能得到快速发展。国外有名的材料数据库有美国MatWeb和NIST在线数据库、日本国立材料科学研究院NIMS材料数据库、英国NPL、GrantaMI材料数据库、MaterialCenter材料数据管理系统、德国Key to Steel数据库和瑞士Total Material材料性能数据库等[1]。这些数据库既支持用户对材料数据的查询，也满足数据的录入和管理，还可以灵活地导入和导出数据以及与CAE、ANSYS等外部工具的集成[2]。随着美国材料基因组理念的提出[3]，材料数字化软件已成为材料数据库新的发展方向。在材料基因工程框架下的材料数字化平台基于数据库、材料信息学、大数据、机器学习等技术，对试验数据、计算数据、系统数据、网络数据及文献数据进行高效集成，通过信息化技术对大规模、多源异构的材料数据进行处理分析，从而具备进行材料“基因组”整合、知识再发现、数据资源共享及跨平台协同研究等方面的功能。本文详述了结合核电领域典型应用场合的核电材料数字化平台的建设方案及功能。

1 核电材料数字化平台建设方案

本核电材料数字化平台包括网络资源采集、文档数据处理、数据库管理、核电材料数据应用等4个系统，如图1所示。

图1 核电材料数字平台架构示意图Fig.1 Architecture of digital platform for nuclear power materials

1.1 网络资源采集系统

要使材料数据应用全面进入科学探索的第四范式，必须先解决材料数据缺乏这一全球性难题[4]。因此，数据采集功能决定平台对各类设备、计算软件、系统、网站的连接能力，也决定数据库的规模和活力。科学研究第四范式下的全新的材料科学研究方式，要求软件能够快速、准确地获取各个来源的关键数据。

本文开发在线数据资源的采集技术，将网络资源采集系统用于对材料领域重要的在线数据库的数据实现定向采集。用户可在系统中录入在线数据库的网址，以设置关键词的方式实现数据筛选和定向采集。本文主要针对核电材料的在线数据以及相关网络资源进行采集，从而构建参考数据库。

1.2 文档数据处理系统

文献是科学与技术的载体，对海量文献中有价值信息的提取将极大提高数据库的质量和数量规模。文献数据的采集分为4类，即文本数据、表格数据、图表数据和图片数据的采集。文献数据的采集尚无普遍适用的技术，目前主要以机器学习、数据挖掘、深度学习等方法为主。Kim等[5]通过以机器学习方法构建的软件，能够自动阅读材料科学期刊论文获取金属氧化物合成条件等相关信息，为文献文本数据的自动采集提供了便利。Swain等[6]设计的表格解析软件可以直接提取表格中的数据。曾德华等[7]针对各类标准对应的材料手册开发出适应性广泛的材料性能表格数据化工具，将手册中的材料性能参数和试验技术状态数据解析成可以被软件存储、识别的数据化XML数据。对于图片数据的采集，如金属材料显微组织的自动分类，研究者采用数据挖掘和深度学习的方法获得非常准确的结果[8-9]。

文档数据处理系统用于材料研究或对装备设计中涉及到的重要文献数据进行高效提取。平台对文献文档利用OCR识别技术和差异化识别技术进行结构化数据(题录、段落数据、表格)和非结构化数据(曲线、图片)等的提取。本文主要对ASME BPVC第II卷D篇中的表格数据实现提取。

1.3 核电材料数据库管理系统

核电材料数据库管理系统通过集成网络资源采集系统、文献数据处理系统中的数据以及录入核电材料牌号性能数据，从而构建专业数据库。各个来源汇聚的核电材料数据，包括化学成分、组织结构、物理性能、力学性能、服役性能、热处理工艺、测试条件、分析结果和文献等，数据的形式多种多样，不仅包括常见的数据和文本字段，还有图片、曲线、表格及文档等的数据形式，需要对材料数据指标的描述进行统一，经过标准化和规范化处理后导入系统。这些材料数据的特点和应用需求对核电材料数据库管理系统的实现提出了挑战。因此，系统提供数据库设计、数据管理、数据可视化、数据关联、权限管理等功能，以较好的扩展性与灵活性的功能高效便捷实现核电材料数据管理的系统化、结构化、标准化、完整化。

数据库设计功能根据特定材料领域数据体系特点进行系统化与结构化的无代码设计。数据库设计工具提供多级容器实现数据库树形结构的设计。如图2所示，多级容器包括根系统(1级)、数据库文件夹(2级)、数据库(3级)、数据表分组(4级)、数据表(5级)、文件夹(6级)，各级容器可添加多个下级容器，其中文件夹容器支持多个层级的子文件夹的添加。各级容器均可以提供专业数据库的应用场景和数据内容进行自定义命名。

图2 多级容器树形结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the tree structure for multi-level containers

材料数据库的结构和内容可随着数据体系的发展进行扩展，从而保障数据库内容的持续开发。系统提供的多级容器可以通过3种方式不同程度地实现数据库的扩展，分别为：(1)新建根系统，根据新的专业数据库建设需求，扩展新的数据库体系；(2)新建数据库文件夹、数据库或数据表，根据原材料数据体系管理需求的扩展，在这三级容器上进行扩展，构建新的数据库内容；(3)新增数据表中材料数据字段属性，在原表单数据内容基础上设计新的材料数据字段，进而逐步完善现有材料数据体系，而不影响原数据的管理。

数据管理功能用于多源异构数据管理表单的设计与标准化管理，实现数据指标的设计，用户可以自定义设计指标名称和指标代表符号。系统还提供单位管理，用户可以自定义单位，单位之间可以实现自动转化。当用户录入或导入数据时，只需进行数据的操作即可，数据将与已设计好的指标名称、指标代表符号和单位进行组合，实现标准化与规范化处理。目前数据表单提供20种通用的数据类型属性和多种材料专业数据类型属性，可涵盖核电材料的所有数据类型，确保数据跨库查询、对比以及数据应用分析结果的准确性。数据可视化功能支持对材料多维数据的可视化呈现。数据关联功能用于材料数据之间建立联系以提高数据的完整性，如成分-工艺-组织-性能数据关联、测试表征数据与设备基本参数指标关联、文献数据与参考文献关联。

1.4 核电材料数据应用系统

核电材料数据应用系统提供材料查询、材料审核、牌号对照、选材用材、数据接口等功能，对专业数据库中的数据进行应用。

2 核电材料数据库

核电材料数据库(尤其是金属结构材料)的设计、开发与集成应用是核电材料数字化平台的重要组成部分。核电金属结构材料服役数据、设计数据及标准中材料牌号性能数据的综合利用将大大提高核电设计人员进行材料查询、材料对比、选材用材的效率，以及为工程技术人员在反应堆运行中安全评估提供帮助。

在核电领域，欧洲的聚变材料数据库(Fusion Materials Database)是一款集数据下载、浏览、检索以及提交等多种功能于一体的在线数据库，涵盖原始试验数据、专家组认证数据及相关电子报告[10]；欧洲原子能共同体建设的MatDB数据库，主要服务于第四代反应堆，可通过材料牌号、性能指标等条件进行数据筛选，数据内容涵盖数据来源、材料尺寸、化学成分、材料工艺、测试条件及性能数据，部分数据以图表展示；日本的核材料数据库(Data-Free-Way)整合了大量材料辐照性能数据，并具有数据绘图等拓展功能[11]；我国的核反应堆材料数据库(NRMD,nuclear reactor material database)具备材料性能数据查询、比较分析及下载等功能[12]。

核电材料数字化平台构建了3个核电结构材料数据库，即参考数据库、ASME数据库和牌号数据库，其中参考数据库包含6 492条数据(图3)、ASME数据库包含10 718条数据(以ASME BPVC第II卷D篇中的数据为主)、牌号数据库包括51个国内外常用金属材料牌号。平台后续建设可利用数据库管理系统中数据库设计功能扩展新的数据库。用户可按需设计数据库结构，通过导入材料数据构建新的专业数据库。

图3 核电材料数字化平台的参考数据库Fig.3 Reference database of the material digitization platform in the field of nuclear power

3 核电材料数字化平台的功能及应用

3.1 材料审核

为了满足工程设计人员对材料性能数据的权威要求，所有入库的数据必须经过严格的专家审核后才能通过管理员对数据进行发布。未发布的材料数据无法通过材料查询、材料对照、选材用材、数据接口等进行使用。平台管理员可通过权限管理的功能，赋予用户不同的角色，如数据录入人员、数据审核人员、数据查看人员。数据录入人员完成数据录入后，将新的数据记录提交审核。如图4所示，数据审核人员将收到审核提醒，提醒信息中包含数据记录名称、数据录入人员姓名、创建时间、数据链接及流程信息。

图4 数据审核提醒信息Fig.4 Reminder message for data audit

3.2 材料查询

材料查询是平台的基本应用功能之一，用户可根据关键词或数据范围快速筛选查找数据，能够满足比较复杂的检索需求。核电设计人员通过材料信息的筛选，获知满足工程部件适用的材料及相关信息。

材料查询应用支持自定义检索字段、组合检索、全文检索等功能。如图5所示，用户可以按照材料、成分、性能分别进行搜索，也可将材料-成分-性能进行组合检索，检索项数可根据需求增加。对不同类型的字段提供不同检索规则，实现数据的精准判定。材料查询应用支持文本、数值、枚举、表格、附件等类型的字段数据进行检索。

图5 材料-成分-性能组合检索Fig.5 Searching by material-composition-property

3.3 牌号对照

国际上的核电运作建设包括ASME体系、俄罗斯体系、法国RCC-M体系、加拿大CANDU体系和德国KTA体系等，不同体系的压水堆中所用关键材料有所不同但比较接近。我国核电材料标准体系正在建立中，目前主要采用了引进技术中的一些国外牌号材料。牌号对照功能对于金属材料的工程应用研究具有非常重要的意义。牌号对照功能利用材料化学成分自动匹配技术，实现中国和美国、法国、俄罗斯等多个国家金属材料牌号的快速对照和匹配检索。如图6所示，用户对金属材料牌号进行详细信息查询时，牌号对照功能将自动匹配多个国家相似牌号的信息，包括所属国家、标准体系、标准编号等。用户点击相似牌号的名称将跳转到数据详情页面，从而查看化学成分、物理性能、室温力学性能、高/低温力学性能曲线、许用应力曲线等信息(图7)。

图6 材料牌号对照匹配结果Fig.6 Result of material grade matching

图7 材料牌号数据详情页面Fig.7 Details of Material grade data

3.4 选材用材

选材用材功能提供可视化分析工具对材料数据库中的数据和性能曲线进行联动分析，实现材料牌号性能的批量、多维度、高效分析，能够帮助核电设计人员快速找到适合应用工况的材料牌号。

用户批量选取数据列表中的数据记录，加入到选材用材应用中进行分析。选材用材应用提供表格、散点图和曲线图等3种工具进行分析。用户确定对比材料种类后，可自定义配置图表的X/Y轴变量、数据拟合、坐标轴、标题、图例等信息，其中数据拟合方式包括线性拟合、多项式拟合、指数拟合和对数拟合。在图表绘制完成后，用户对特定区域放大、缩小、悬停查看等功能进行数据的动态交互，通过不断缩小满足性能需求的数据范围，锁定预选的材料牌号(图8)。

图8 选材用材分析界面Fig.8 Analysis interface of material selection and application

3.5 数据接口

核电材料数字化平台还可为多种CAD/CAE/PLM系统开发数据访问接口。在核电设计过程中，工程设计人员可以通过数据接口直接在外部软件系统界面访问材料数据库， 从而查询与应用数据。本平台与Simens Teamcenter PLM系统实现了数据协同。基于Teamcenter PLM系统和开发环境，平台中材料数据库和Teamcenter PLM系统进行了无缝集成。用户在Teamcenter PLM系统中，通过设计开发的材料数据库使用界面，根据材料牌号索引选取对应的材料数据，并通过查询接口进入材料数据库数据记录详情界面进行信息的查询和使用，从而快速地进行模型材料属性的构建，辅助完成CAD建模和有限元分析。

4 结束语

随着科技技术的高速发展，基于材料基因工程理念的材料数字化平台融合了材料科学、 信息科学、软件工程、先进试验方法等学科，采用数据库、计算模拟、数据挖掘、人工智能等技术实现了材料数据的高效采集、智能管理、多维分析及深度应用，推动了新材料研发及材料在装备制造领域中研究应用方式。本文详细介绍了核电材料数字化平台的建设方案，并从材料审核、材料查询、牌号对照、选材用材、数据接口等几个方面详述了该平台的功能和应用，展示了平台在核电材料数字化协同中的重要作用。核电材料数字化平台将为技术人员在反应堆设计中提供高效工具和高价值的材料数据。