專訪葉家元：為低碳水泥基材料研發插上數字化“翅膀”

2024年，工信部等九部門聯合印發了《原材料工業數字化轉型工作方案（2024—2026年）》以及《智能制造系統解決方案揭榜掛帥項目申報工作》等文件，對建材行業數字化轉型提出具體目標和任務。當前，建材行業正步入深入推進供給側結構性改革、數字化智能化轉型升級的高質量發展階段。中國建筑材料科學研究總院有限公司（以下簡稱“中國建材總院”）作為建材行業的重要科研機構，積極響應國家政策號召，承擔了國資委“原創技術策源地”項目中的“水泥基材料數字化研發”任務，以共建共創、開放共享理念，聚焦行業痛點，用數字化技術進行新型低碳水泥研發創新，為低碳水泥基材料研發插上數字化的“翅膀”。

中國建材總院水泥基材料數字化研發項目技術總負責人葉家元

數字賦能搭建創新載體

建筑材料是構成建筑物的物質基礎，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前建筑材料領域的研究熱點，其研究的初衷在于，通過技術創新和材料改良，有效降低水泥生產和使用過程中的碳排放，同時保持或提升材料的性能。比如，研發新的生產工藝，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。在實現減排目標的同時，還要保持甚至進一步提升材料本身的性能，如抗壓強度、抗滲性、耐久性等。這類材料的發展對于實現建材行業的綠色轉型和可持續發展具有重要意義。

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“原創技術策源地”項目中，體現了國家對于這一領域的高度重視。中國建材集團作為牽頭單位揭榜了“低碳膠凝材料”等子領域任務，其中，中國建材總院揭榜承擔了用數字化技術進行新型低碳水泥研發創新的項目“水泥基材料數字化研發”。

2022年8月11日，中國建材總院召開了中國建材集團原創技術策源地“揭榜掛帥”項目“水泥基材料數字化研發”實施方案論證會暨項目啟動會。啟動會上，水泥基材料數字化研發項目技術總負責人、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。

該項目建設內容涵蓋水泥基材料工業全流程，聚焦于四個研究方向：熟料煅燒機理的數字化創新、水泥基材料低碳制備與應用的基礎理論及數字技術、新技術裝備的數字化仿真驗證、多源數據特征識別與數據庫應用。其核心目標是圍繞“智能化”與“雙碳”戰略，創建低碳膠凝材料的數字化設計與智能制造技術，構建多學科交叉的研發平臺，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數據庫為重要支撐的雙碳公共服務平臺及水泥基材料數字化研發平臺，采用數據挖掘及機器學習等數字化技術，建成了國內外首個水泥熟料礦相數據庫，開發了低碳熟料高通量設計與試驗工作站，建立了混凝土骨料級配智能優化模型，攻克了水泥燒成等關鍵工藝的數字孿生技術瓶頸，收錄了5000余萬條水泥組成、性能及工藝數據，低碳水泥性能預測模型等在國內外9條生產線上應用。

低碳熟料智能化設計與高通量實驗工作站

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

“數據是數字化技術的根本所在，唯有具備充足的數據，才能夠確保我們的數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線開展協同創新，為產線提供性能檢測等相關的數據模型，各生產企業提供產線數據，這種合作模式不僅解決了項目組數據來源的問題，還促進了雙方的技術交流與合作，實現了資源共享和優勢互補。目前，項目組已成功建成了5000余萬條水泥基材料基礎數據庫，并且針對研發的各類數據模型進行了全面且充分的優化以及驗證工作。

”沒有樣本，沒有經驗借鑒，葉家元等中國建材總院的科學家們，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，葉家元如數家珍：

構建了自主可控且自有知識產權“數據基石”。項目組聯合中國建材總院所屬中存大數據科技有限公司，厘清了當前所有已知熟料礦物的晶體結構、膠凝活性、碳排放因子等數據，建立了低碳水泥基材料研發知識圖譜，并采集數十家水泥企業上千萬條工藝數據及化驗室數據，率先建成了水泥基材料數字化研發數據庫。

搭建了水泥基材料高通量制備與智能化設計工作站。項目組通過采取高通量試驗、機器學習、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“理論預言家”，可預測，可發現。該工作站還基于大數據與機器學習算法，開發了熟料礦相智能識別系統，構建了熟料性能預測與熟料配料優化設計模型，為基于強度、碳排放等指標的熟料配料優化與熟料礦相設計提供了科學的工具。與武漢理工大學合作建立的水泥水化模型，能夠生動地展現水泥水化過程中的物相變化等情況，為礦相活性調控及水泥組成設計提供了可視化的闡釋。

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

水泥生產全流程數字化仿真系統“數字工廠”

共建共創打造行業樣板

隨著數字化轉型的深入推進，水泥工業迎來前所未有的機遇。通過大數據分析和人工智能技術，企業可以精準預測市場需求、優化生產計劃和庫存管理，從而有效降低生產成本、提高產品質量和市場競爭力。

基于共建共創、開放共享理念，項目組將數據、模型、算法等匯集于水泥基材料數字化研發平臺，實現了數據、算法、算力等人工智能要素的整合，為科研人員提供了科學數據基礎和高效數字化工具。這一平臺就是水泥基材料數字化研發的協作中心，科研人員可通過內嵌的數據庫、算法庫等功能輕松地共享數據、方法和成果，助力數據與知識的傳播與迭代。

除此之外，項目組更是走在了行業的前沿。他們在數字化設計與流程仿真模擬等方面取得的成果，為水泥基材料研發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流程降碳提供了新的參考。

葉家元表示：“接下來，我們將繼續深耕水泥基材料數字化研發，不斷完善和豐富數據庫與平臺，深入開展模型泛化能力提升、知識與數據雙驅動低碳新體系創新等關鍵核心技術攻關，為水泥基材料工業的綠色化、低碳化、高端化與智能化發展貢獻我們的智慧和力量。”

《中國建材》雜志記者：李勇