专访叶家元：为低碳水泥基材料研发插上数字化“翅膀”

2024年，工信部等九部门联合印发了《原材料工业数字化转型工作方案（2024—2026年）》以及《智能制造系统解决方案揭榜挂帅项目申报工作》等文件，对建材行业数字化转型提出具体目标和任务。当前，建材行业正步入深入推进供给侧结构性改革、数字化智能化转型升级的高质量发展阶段。中国建筑材料科学研究总院有限公司（以下简称“中国建材总院”）作为建材行业的重要科研机构，积极响应国家政策号召，承担了国资委“原创技术策源地”项目中的“水泥基材料数字化研发”任务，以共建共创、开放共享理念，聚焦行业痛点，用数字化技术进行新型低碳水泥研发创新，为低碳水泥基材料研发插上数字化的“翅膀”。

中国建材总院水泥基材料数字化研发项目技术总负责人叶家元

数字赋能搭建创新载体

建筑材料是构成建筑物的物质基础，其性能直接决定了建筑的使用寿命。新型低碳水泥基材料是当前建筑材料领域的研究热点，其研究的初衷在于，通过技术创新和材料改良，有效降低水泥生产和使用过程中的碳排放，同时保持或提升材料的性能。比如，研发新的生产工艺，减少能源消耗，或者采用替代原料，降低石灰石等碳排放较高的成分比例。在实现减排目标的同时，还要保持甚至进一步提升材料本身的性能，如抗压强度、抗渗性、耐久性等。这类材料的发展对于实现建材行业的绿色转型和可持续发展具有重要意义。

记者了解到，“新型低碳水泥基材料”这一研究课题被列入了国资委“原创技术策源地”项目中，体现了国家对于这一领域的高度重视。中国建材集团作为牵头单位揭榜了“低碳胶凝材料”等子领域任务，其中，中国建材总院揭榜承担了用数字化技术进行新型低碳水泥研发创新的项目“水泥基材料数字化研发”。

2022年8月11日，中国建材总院召开了中国建材集团原创技术策源地“揭榜挂帅”项目“水泥基材料数字化研发”实施方案论证会暨项目启动会。启动会上，水泥基材料数字化研发项目技术总负责人、中国建材总院水泥新材院副院长叶家元介绍了项目总体实施方案。

该项目建设内容涵盖水泥基材料工业全流程，聚焦于四个研究方向：熟料煅烧机理的数字化创新、水泥基材料低碳制备与应用的基础理论及数字技术、新技术装备的数字化仿真验证、多源数据特征识别与数据库应用。其核心目标是围绕“智能化”与“双碳”战略，创建低碳胶凝材料的数字化设计与智能制造技术，构建多学科交叉的研发平台，培育国际影响力的研究团队。

截至目前，项目进展顺利。叶家元在采访中提及，两年多来，中国建材总院水泥新材院建成以基础数据库为重要支撑的双碳公共服务平台及水泥基材料数字化研发平台，采用数据挖掘及机器学习等数字化技术，建成了国内外首个水泥熟料矿相数据库，开发了低碳熟料高通量设计与试验工作站，建立了混凝土骨料级配智能优化模型，攻克了水泥烧成等关键工艺的数字孪生技术瓶颈，收录了5000余万条水泥组成、性能及工艺数据，低碳水泥性能预测模型等在国内外9条生产线上应用。

低碳熟料智能化设计与高通量实验工作站

数字化技术的实施并非易事，数据便是其中的关键所在。在项目实施过程中，中国建材总院水泥基材料数字化研发项目组（以下简称“项目组”）面临了数据来源这一首要难题。

“数据是数字化技术的根本所在，唯有具备充足的数据，才能够确保我们的数字化成果是精确无误且切实可用的，”叶家元告诉记者，“针对这一问题，中国建材集团及总院给予了项目组极大的帮助与支持。项目组凭借着探索精神与集团所属众多水泥产线开展协同创新，为产线提供性能检测等相关的数据模型，各生产企业提供产线数据，这种合作模式不仅解决了项目组数据来源的问题，还促进了双方的技术交流与合作，实现了资源共享和优势互补。目前，项目组已成功建成了5000余万条水泥基材料基础数据库，并且针对研发的各类数据模型进行了全面且充分的优化以及验证工作。

”没有样本，没有经验借鉴，叶家元等中国建材总院的科学家们，凭借着拼搏精神，对未知一一进行探索。谈及所取得成果和最新进展，叶家元如数家珍：

构建了自主可控且自有知识产权“数据基石”。项目组联合中国建材总院所属中存大数据科技有限公司，厘清了当前所有已知熟料矿物的晶体结构、胶凝活性、碳排放因子等数据，建立了低碳水泥基材料研发知识图谱，并采集数十家水泥企业上千万条工艺数据及化验室数据，率先建成了水泥基材料数字化研发数据库。

搭建了水泥基材料高通量制备与智能化设计工作站。项目组通过采取高通量试验、机器学习、第一性原理计算等多种“智能寻宝”方式，成功搭建了水泥基材料高通量制备与智能化设计工作站。其恰似于材料世界的浩渺海洋之中，凭借智能化的“罗盘”和“望远镜”去探寻低碳熟料新矿物与新体系，也仿若一位“理论预言家”，可预测，可发现。该工作站还基于大数据与机器学习算法，开发了熟料矿相智能识别系统，构建了熟料性能预测与熟料配料优化设计模型，为基于强度、碳排放等指标的熟料配料优化与熟料矿相设计提供了科学的工具。与武汉理工大学合作建立的水泥水化模型，能够生动地展现水泥水化过程中的物相变化等情况，为矿相活性调控及水泥组成设计提供了可视化的阐释。

开发了混凝土骨料级配智能设计系统。项目组与中科院过程工程研究所合作，构建了数字骨料，开发了混凝土骨料级配智能设计系统，可实现骨料紧密堆积并有效降低水泥用量，进而节能降碳。联合合肥水泥研究设计院有限公司与中科院过程工程研究所，开发了低碳水泥生产流程的数字孪生系统——新型干法水泥生产“数字工厂”。在“数字工厂”中，科研人员和工程技术人员可在不消耗实际资源的情况下，模拟并优化生产过程，开发并验证水泥生产减碳技术，助力产线降低资能源消耗和减少碳排放。该“数字工厂”系统均为国产化，完全自主可控，为保障产业安全提供了屏障。

水泥生产全流程数字化仿真系统“数字工厂”

共建共创打造行业样板

随着数字化转型的深入推进，水泥工业迎来前所未有的机遇。通过大数据分析和人工智能技术，企业可以精准预测市场需求、优化生产计划和库存管理，从而有效降低生产成本、提高产品质量和市场竞争力。

基于共建共创、开放共享理念，项目组将数据、模型、算法等汇集于水泥基材料数字化研发平台，实现了数据、算法、算力等人工智能要素的整合，为科研人员提供了科学数据基础和高效数字化工具。这一平台就是水泥基材料数字化研发的协作中心，科研人员可通过内嵌的数据库、算法库等功能轻松地共享数据、方法和成果，助力数据与知识的传播与迭代。

除此之外，项目组更是走在了行业的前沿。他们在数字化设计与流程仿真模拟等方面取得的成果，为水泥基材料研发范式的革新提供了有力的借鉴，也为人工智能赋能水泥工业流程降碳提供了新的参考。

叶家元表示：“接下来，我们将继续深耕水泥基材料数字化研发，不断完善和丰富数据库与平台，深入开展模型泛化能力提升、知识与数据双驱动低碳新体系创新等关键核心技术攻关，为水泥基材料工业的绿色化、低碳化、高端化与智能化发展贡献我们的智慧和力量。”

《中国建材》杂志记者：李勇