中国电工技术学会理事长杨庆新：现代电工装备电磁综合性能与可靠性统一设计理论与方法研究

FAFEE 2020 专家报告

2020年8月26—28日，由中国电工技术学会和西安交通大学共同主办的“2020第九届电工技术前沿问题学术论坛暨第十三届中国电工装备创新与发展论坛” （FAFEE 2020）在西安盛大举行，其主题为“智能融合电气 创新引领发展”。

中国电工技术学会理事长、天津理工大学校长杨庆新在FAFEE 2020主题大会上发表了题为“现代电工装备电磁综合性能与可靠性统一设计理论与方法研究”的演讲。

杨庆新指出，“电工装备以电磁场理论为基础，但电磁综合性能一切正常的产品并不代表它就安全可靠，那么如何将电磁性能与可靠性结合起来考虑设计，将是事关电工装备制造行业中非常重要且必须解决的关键问题。在能源革命和信息革命不断融合并进的当下，我们往往要求电工装备在实现其正常功能的前提下，还能够运行得更加安全可靠、稳定高效，因此提出了电工装备电磁综合性能与可靠性统一设计的理论，以更好地服务未来能源互联网建设。”

杨庆新      

天津理工大学校长，中国电工技术学会理事长兼无线电能传输技术专业委员会主任委员，中国科协智能制造学会联合体主席团副主席。西安交通大学、清华大学等国家重点实验室学术委员会委员。

曾任河北省自然科学基金委员会主任、国际电磁场计算学会理事及中国分会主席，国家自然科学基金委员会工程与材料科学部咨询委员、2019年国家重点实验室评估领导小组副组长、河北工业大学副校长、河北省科技厅厅长、天津工业大学校长等。新世纪百千万人才工程国家级人选，国务院政府特殊津贴获得者。主要从事工程电磁场与磁技术方面的研究工作。

机遇与挑战

据国家能源局统计数据显示，2019年我国全社会用电量达到72255亿千瓦时（同比增长4.5%），我国用电量目前已位居全球第一。在能源需求不断增长的当下，我国能源利用效率水平与装备技术水平还有待进一步提高；能源可持续发展需要高可靠、智能化的现代电工装备作为支撑。现代电工装备以电磁场理论为基础，具有智能化与功能多元化等特点，未来我国电工装备制造行业机遇与挑战并存。

近年来，大国间的博弈影响着电工装备领域学术研究与生产制造的开展。2017年8月，特朗普政府制定了加征关税、限制投资的措施；2018年4月，中兴通讯遭遇美国封锁；2019年5月，华为被列入“实体清单”；2020年5月，13所国内高校被列入“实体清单”，赴美留学生或访问学者签证遭遇限制；2020年6月，多所高校被禁止使用MATLAB软件，等等。

杨庆新表示，“从贸易封锁、科技封锁到学术封锁，因为无法获得最新的软件工具并进行升级，我国高端装备设计领域陷入被动局面。人工智能+大数据驱动的制造业转型升级，其核心是工业设计软件的转型升级，这对我国现代电工装备制造产业的发展提出了巨大挑战。”

当前，全球180多个国家300万+的工程师和科学家正在使用MATLAB数据分析处理软件；几乎所有与绘图相关行业（建筑、机械、电子、天文、物理、化工等）都在使用AutoCAD、SolidWorks等计算机辅助设计软件；我国100+的理工院校正在采用Ansys软件作为标准教学软件并进行FEM分析；EDA芯片设计软件主要由Synopsys、Cadence主导。

据了解，目前全球EDA产业竞争格局主要由Cadence、Synopsys和西门子旗下的MentorGraphics垄断，三大EDA企业占全球市场的份额超过60%，在中国市场的份额达到了95%。其中，Synopsys是全球最大的EDA企业，2018年的市场份额已达到32.1%；Cadence仅次于Synopsys，2018年市场占有率为22.0%；MentorGraphics在被收购之前也能保持超过10%的市场占有率。

杨庆新认为，“自主工业设计软件的缺乏是高可靠智能化现代电工装备设计的‘瓶颈’，我国亟待突破这一“瓶颈”。多年来，我国制造行业中应用最广泛的工业设计软件是工业设计领域一直存在的“短板”，数字建模与仿真工具也与国外存在较大差距。因此，数字化时代下如何将我国在计算机速度、超级计算中心的优势真正变为国人自己的应用，这将是我们当下需要认真探索并开展的工作。”

杨庆新强调，“相较于世界能源科技强国和现代电工装备智能化发展目标，我国在自主工业设计软件领域还存在诸多挑战。例如，基于数据驱动的设计原理亟待突破，符合服役条件的材料特性测量方法和材料性能数据库亟待建立，多物理场多时空尺度的全真建模方法与装备可靠性统一设计理论亟待构建，基于云计算和人工智能方法的自主创新软件理论和设计方法还亟待挖掘。这些领域的建设还都需要较长的时间，都需要大家的积极参与。”

关键科学问题

现代电工装备自主设计、研发及原始创新，其对象是现代电工装备，关键基础是电磁综合性能，目标是可靠性，科学途径是构建统一设计理论与方法。其中，材料服役特性测量分析与全生命周期物理表征是电工装备性能提升的关键因素，多场多尺度全真耦合模型的建立是装备多场全真耦合统一建模的重点环节，电工装备性能与可靠性统一设计理论需要全真耦合模型与可靠性模型的互相作用机制，而统一设计理论实现方法与验证则是实现现代电工装备数字孪生的关键基础。 

1）先进电工材料服役特性参数测量、分析与全生命周期物理表征

先进电工材料（磁性材料、绝缘材料、导电材料和超导材料、半导体材料、储能材料）是现代电工装备的关键基础，对先进电工材料服役特性进行参数测量、分析与全生命周期物理表征将是提高其可靠性的关键因素。

杨庆新指出，“电工产品的生产制造，都需要先从材料入手。材料首先要考虑其特性，对先进电工材料特性进行表征，需确立多尺度电磁/应力/振动/温度/湿度等因素和极端环境（高温、低温、辐射、高压、海水浸泡以及高能、高速等）作用下先进电工材料的测量原理与实现方法；建立先进电工材料标准/非标准激励条件的材料特性数据库；探索可表征先进电工材料全生命周期的物化参数评估方法，并在标准化的前提下获得可靠性数据。其实现的技术路线，即在电工材料经过特性测量后建立数据库，再通过高性能电磁模拟建立模型库，从而提高电工材料的可靠性。”

2）现代电工装备电磁热力全真耦合模型的建立

杨庆新表示，“全真耦合，必须要考虑装备系统的真实工作状态与各种环境。全真耦合模型的提出，其目的是为实现智能制造、数字化建设，因此须把这一工作落实、做实。这涉及两个方面，首先可以考虑多时空尺度下电磁热力模块化建模的实现方法；其次，基于数据驱动，将人工智能等数字化技术引入建模领域，形成自学习建模的方法。”

其实现的技术路线，即结合材料特性数据库，考虑电工装备真实工况，通过电磁热力模块化的实现方法、基于数据驱动的自学习建模方法，建立电工装备系统的全真耦合模型，以提高电工装备的可靠性。

3）电磁综合性能与可靠性统一设计理论

杨庆新认为，“电磁综合性能与可靠性的融合，主要在于研究材料、结构、工艺、服役、环境等各种影响因素下电工装备的失效机理与防护措施，建立电工装备全周期多尺度可靠性模型；分析各可靠性指标的分布不确定性，计算各影响因素的可靠度置信区间；将可靠性理论的约束函数和不确定性引入多时空尺度全真耦合模型；基于全真耦合模型数值分析的可靠性优化设计，构建电磁综合性能与可靠性统一设计理论模型。”

电磁综合性能与可靠性统一设计理论实现的技术路线：通过全真耦合模型（材料服役特性，多场、多尺度耦合，模块化，自学习）与可靠性模型（多影响因素、失效机理、寿命预测），作用于优化模型函数的构建（人工智能、云计算），形成电工装备电磁综合性能与可靠性的统一设计理论。

4）现代电工装备电磁综合性能与可靠性统一设计理论的实现方法

杨庆新强调，“为构建现代电工装备电磁综合性能与可靠性统一设计理论，则需进行多样本（如无人驾驶电动汽车及无线充电）和大规模数值（计算的量是数亿级的节点）模拟算力机制的研究，进而构建相关的工业设计软件，并利用人工智能与云计算的应用及统一设计理论模型进行进一步的验证，以实现电工装备电磁综合性能与可靠性统一设计，为现代电工装备数字孪生技术奠定坚实基础，以推动我国智能制造向前迈进一大步。”

愿景与展望

为解决我国高端工业设计软件的“瓶颈”问题，并实现弯道超车，推动我国现代电工装备智能制造水平的跨越式发展，杨庆新总结性指出，“现代电工装备制造业的发展应全面考虑材料服役条件，基于电工材料特性先进测量方法建立材料特性数据库；结合材料特性数据库，充分考虑电工装备真实工况，建立装备系统的全真耦合模型；综合考虑可靠性影响因素、装备预测寿命，利用优化模型函数关联全真耦合模型与可靠性模型，形成电工装备电磁综合性能与可靠性统一设计理论；基于人工智能、云计算等先进方法实现电工装备电磁综合性能与可靠性统一设计理论，为现代电工装备数字孪生技术奠定坚实基础。”

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