鍍膜玻璃智能化系統中的在線光譜測試裝置
■本報記者 丁佳
看上去普普通通的一塊窗玻璃，裡面能有多少科技含量？很多人可能從來都沒有想過這個問題。
但中國建築材料科學研究總院教授、國家玻璃深加工工程技術研究中心首席科學家、綠色建築材料國家重點實驗室副主任汪洪卻想了20年。現代窗戶上的玻璃早已不僅僅是為了防風擋雨，通過高科技手段給玻璃鍍上不同的薄膜，能夠實現節能、防曬、除霜、防霧等諸多功能，這些高性能鍍膜玻璃產品，已成為降低建築能耗、充分利用可再生能源的重要材料。
多年來，汪洪先後提出了鍍膜產品開發流程、數位化設計與智能化製造技術系統構想，並帶領團隊面向鍍膜玻璃行業共性問題，自主開發了相應的整套技術及軟硬體裝備，提高了行業設計、製造的整體水平。他結合國外的工作經驗與國內鍍膜行業現狀，與劉靜、餘剛等團隊骨幹一起，從基礎做起，一步一個腳印，走出了一條自主發展的道路，將玻璃鍍膜技術做到了極致，詮釋了科學技術中的「工匠精神」。
小玻璃的大問題
「汪博士，您快幫我們瞧瞧，這同一批玻璃，安裝在同一座樓上，怎麼顏色還不一樣啊？」
2010年，汪洪剛回國不久，被一個廠商請去查看他們生產的鍍膜玻璃產品。望著眼前「五顏六色」的玻璃，他突然意識到，中國鍍膜玻璃產業的問題真的不少。
早在20世紀70年代末、80年代初，歐美國家就開始通過玻璃鍍膜來實現建築節能；而我國則大約從80年代末至90年代開始，以引進國外產品、技術，購買設備等形式進入到該領域。
「我國鍍膜技術的進步一直以來是市場驅動、企業引領。一批大型玻璃企業對我國節能鍍膜玻璃的普及和鍍膜技術水平的提高做出了巨大的貢獻。但是，從經濟學的角度講，企業需要在市場競爭中追求最大化的利潤，因此企業對行業技術進步的推動往往體現在與市場結合緊密、能夠快速帶來經濟效益、可以『直接拿來』的新技術或新工藝上。經過20多年的發展，我國鍍膜產品和技術雖然實現了從無到有的轉變，但是國內平板玻璃鍍膜行業與國外相比普遍存在材料基礎研發欠缺、膜系設計以仿照國外同類產品為主、產品開發和生產工藝控制缺乏系統理論指導與相應軟體支持、主要依賴技術人員經驗等問題，在引進技術、產品、設備時消化不透，知其然不知其所以然，這些綜合因素導致了我國高性能、高附加值鍍膜產品少，產品質量、生產穩定性與一致性等與國外有較大的差距。」汪洪說。
然而，我國鍍膜行業中小企業居多，從經濟效益、成本等出發，經常是只學了個皮毛就開始生產。所以，即使我國已擁有了上百條鍍膜線，居世界第一，卻依然存在著效率低下、產品性能偏低的問題。即使具有一定研發能力的企業，也往往是在國外技術的框架下，調整一下參數，做一些產品線上的延伸，業內稱為「二次開發」，基礎上的創新很少。
在汪洪看來，我國鍍膜行業只有針對行業現狀，系統地建立自己的技術體系，注重基礎材料研發，注重原始創新，才能徹底擺脫目前仿照國外、亦步亦趨的局面。「對於這些工作，作為引領行業進步的科研院所，我們責無旁貸。」他決定帶領團隊從數位化設計與智能化製造入手，整體提升我國鍍膜產品設計、開發與工藝的水平，做一套中國人自己的系統，並最終開發出能夠比肩國際先進水平的節能鍍膜玻璃產品。
向「世界上最好的買家」說不
起初，這個想法並不是沒有人質疑。不少人跟他說，既然市場上有成熟產品，為什麼不直接買現成的來用？
「我們是能買現成的。可如果永遠買，就意味著永遠要依賴別人，也意味著永遠也別想超過別人。」汪洪說，「如果我們沒有自主創新能力，最多只能做世界上最好的買家；如果地基的土都是松的，就無法把大樓蓋得堅固。」
憑藉著這份初心，在中國建材總院的支持下，汪洪帶領團隊從零開始，通過自主軟硬體開發與集成，一步一步去構建一套完整的數位化設計與智能化製造技術國產化系統，內容涵蓋了玻璃鍍膜材料基礎研發、膜系設計、在線檢測、工藝控制、生產管理的全過程，以期達到產品設計開發的可預測性和鍍膜生產的標準化、規範化。
他們做的第一件事，就是開發一套具有自主智慧財產權的膜系設計軟體。「雖然國外也有相應的數位化設計軟體，但我們選擇自己開發，是因為我們希望有一套軟體，能夠符合中國的國家標準，具備漢字操作界面，更加適用於中國的本土環境，更重要的是，自己掌握基礎代碼，為今後的創新發展奠定基礎。」汪洪說。
之前，膜系設計的光譜、單片玻璃的光學性能、整體窗結構的熱工性能是由三套不同的國外設計軟體來完成的，鍍膜工程師在實際使用時，需要在三套軟體之間來回切換。光是來回「倒騰」數據格式，一個熟手也至少需要20分鐘，導致工作效率大大降低。針對這個問題，他們對設計軟體功能進行了整合，最終開發出了國內首款面向節能鍍膜玻璃產品的膜系設計軟體（GLASCOAT）。
這款軟體具備膜系、中空結構設計，光譜、顏色、光學及熱工性能計算等功能；並利用遺傳算法實現膜繫結構優化和反演，通過參數控制及流程優化實現了快速全局收斂；實現了對鍍膜玻璃設計的一站式服務，只需要一次按鍵，就可在數秒內同步計算膜系光譜與單片玻璃及中空玻璃的光學與熱工性能，一舉實現原來三套軟體聯用的功能，各項功能達到國際先進水平，填補了國際上同類軟體計算中不涵蓋中國標準的空白；而且操作界面與操作方式更適合國內鍍膜工程師使用。
在解決了「能不能生產」的問題後，他們乘勝追擊，開始解決「產品好不好」的問題。
「以玻璃鍍膜的顏色為例，我們發現雖然產品是按照同一個色標數值進行生產，但實際生產出來的產品在視覺上總是會出現偏差。我就想，為什麼參數一樣，看起來卻不同呢？」汪洪說。
原來，眼睛看到的顏色是由光譜構成的，色標數值是將光譜進行加權計算得到，在實際中與光譜並非嚴格一一對應，也就是常說的多解。所以，即使數值在合格範圍之內，眼睛看到的顏色也有可能出現可辨別的差別。對此，汪洪提出用光譜代替國內外鍍膜業界慣用的色標數值作為產品一致性檢驗指標，並在軟體中加入一種快速算法，對產品與設計的符合度進行實時評估，解決了實際生產中產品的色差控制問題。
工業產品的特點之一就是重複性，同一型號的每件產品都必須一模一樣，不論是誰生產的、什麼時候生產的。在汪洪看來，由於文化問題，我國在工業生產上比較依賴於「老師傅」的經驗，但「人治」總是帶有一定的主觀性。「在現代化生產中，我們能不能把人的因素儘可能排除掉，讓科學來主導整個工藝過程呢？」
抱著這樣的想法，汪洪團隊在GLASCOAT的代碼基礎上，集成了人工智慧運算、自動化控制等技術，開發了首款節能鍍膜玻璃智能製造軟體（AI-GLASCOAT）。這套工藝分析控制軟體能夠最大限度地減少人為因素，使經驗型產品開發、工藝控制更具理論性、系統性、規範性和可預見性，產品質控由對結果監督提升為對原因的控制。這在國內外類似軟體中都沒有先例。
與此同時，汪洪團隊還自行設計開發了在線光學掃描測量系統（FILMSCAN）和多功能磁控濺射玻璃鍍膜生產線。日積月累，循序漸進，他們通過多年的不懈努力，自主開發完成了適合我國鍍膜產品開發的軟硬體，實現了從鍍膜玻璃設計、開發，到製造、質控的完整閉環，讓行業具備了設計、開發、生產高質量鍍膜玻璃產品的實力和「底氣」。
能賺錢的科研成果
經過多年攻關，汪洪團隊研究獲得的鍍膜產品智能化製造系統縮短了我國與歐美先進鍍膜行業技術水平差距，加速了鍍膜產品向高端化發展，促進了玻璃產業的結構調整；同時汪洪團隊重視材料基礎研發，先後開發出達到或超過國際先進水平的耐酸鹼陽光控制膜、太陽能吸熱膜、高性能可鋼Low-E膜等高端鍍膜產品，打破了歐美公司在高端鍍膜產品市場的壟斷地位。將鍍膜產品智能化製造系統向國內鍍膜行業推廣，提高行業的整體技術水平是這套系統開發的初衷，也是終極目標。
「我們盼望著這個科研成果能夠儘早對實際生產作出貢獻。我們感覺，市場需求是有的，但是以成果轉化的方式推廣並不容易。」汪洪坦言，「中國該領域中小規模的廠家居多，它們在乎一分一釐的錢，要說服它們上馬新的設備或軟體，並不簡單。」
於是，他們決定從規模較大的生產商入手，先在幾條現有生產線上產生示範效應後，再向業界進行推廣。迄今，團隊先後在中建材（內江）玻璃高新技術有限公司、武漢長利新材料科技有限公司、河南中聯玻璃等三條鍍膜線上安裝使用了GLASCOAT和AI-GLASCOAT軟體，構成了完整數位化設計與智能化製造軟硬體體系；開發的在線光譜測量系統已完成4臺套安裝使用。
中建材（內江）玻璃高新技術有限公司安裝了鍍膜產品智能化製造系統，並成功開發出高性能Low-E鍍膜玻璃、太陽能吸熱膜等高端產品，5年來公司規模快速發展，產品種類及產業鏈不斷延伸。2018年產值達到1.49億、利潤716.73萬元，預計2019年產值將達到1.57億，利潤1161萬元。
目前，中建材（內江）玻璃高新技術有限公司已成為當地招商引資的示範項目。在未來的幾年內，內江市將以此起點依託建材集團的支持，形成新材料產業集群，對國內國際市場產生重大影響和市場輻射能力，預計將帶來將近500億元的產值、近50億元的利稅，創造上萬個就業崗位。
與此同時，汪洪團隊的技術成果也在業內迅速開花。重慶一家企業負責人表示，他們使用的中國建材總院技術生產的太陽能光熱轉換膜吸收率高於95%，輻射率低於4%，光譜選擇性、耐鹽霧性能等超過同類進口產品，產品質量穩定，並且與進口吸熱膜相比價格具有競爭優勢。
優異的產品性能，來源於汪洪團隊對吸熱材料開展的機理性研究與掌握的大量基礎數據。他們還對中建材太倉公司長期進行技術支持，促進了該公司鍍膜生產線的銷售、安裝調試及產品穩定生產，目前該公司已實現經濟效益3億元。
經過近10年的潛心鑽研，汪洪帶領團隊使我國的膜系設計與鍍膜工藝控制技術從「經驗技能」升級到「科學技術」。「在節能玻璃領域，中國還大有文章可做。」近兩年，他們又將目光集中在擴展玻璃鍍膜的功能性上。隨著國家經濟的發展和社會的進步，對門窗玻璃也不斷提出更高的要求。門窗的智能化已成為未來的趨勢。可以肯定，在中國從鍍膜玻璃大國向強國轉型的道路上，他們將不斷前行，將玻璃鍍膜做到極致。
《中國科學報》 (2019-12-26 第5版 轉移轉化)