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让仿真，跟上AI的脚步

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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仿真圈

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作者 | 王学滨教授辽宁工程技术大学

首发 | 仿真秀App

一个期刊的编辑问我，有一篇稿件能不能审？我心想，这有何难？

我年轻的时候做过多年的理论研究，就是建立简化的力学模型，推导公式，还做过数值模拟，不仅是国外商业软件的应用，还包括二次开发，长长的程序都是我自己编的。随后，我破釜沉舟，不再使用和二次开发国外商业软件，白手起家，两条腿走路，一条腿走的是从编写源代码开始研究数字图像相关方法，另一条腿走的是从编写源代码开始从事连续-非连续方法研究。很多人现在都知道我研究计算力学，而很少有人知道我研究过多年的数字图像相关方法。两种研究都和数字有关，一个属于数字仿真，一个属于数字图像，同时，还做了一些实验。

如此看来，我做计算力学，是半路出家。我是在做感兴趣的研究面临一些困境时，怀着一腔热血，才想到去做计算力学。在那个年代，自主研发工业软件、工程软件的事情还没进入大众的视野，没有人愿意做计算力学，周围也没有人做计算力学，有人把花费不菲买来的国外商业软件当个宝，垄断起来，在使用上乐此不疲。在那个年代，当今十分火热的并行计算、高性能计算、数据驱动和数字孪生，等等，更是少有人知。幸运的是，我没有从众，经过痛苦的抉择，走上了不同的道路，开始在漫天的迷雾中摸索，卡了不少跟头。

我觉得我还是幸运的。第一件幸运的事情是我历经磨难， 2020年，主要在硕士生刘天成的努力之下，成功开发了矿业领域首个岩层运动并行计算系统StrataKing（王之岩层或岩层之王）。这是后面一切的基础。有了StrataKing这件利器，可以算得更快，可以算得更大，可以引入关注的功能，而不再受国外商业软件的卡脖子。为了不让人卡脖子，卡点跟头不算什么！

StrataKing：自主研发的岩层运动并行计算系统

在单卡GPU下，StrataKing的计算单元可达到600万+，1万个单元1万个时步的计算时间一般不到2s，具有行业领先优势，明显优于国外通用串行商业软件，并形成了云平台，为煤炭行业科技工作者提供了一种具备岩层运动模拟基本功能的新的研究手段。StrataKing可高效率、大规模地模拟采场岩层运动过程（例如，应力场、裂隙场、位移场以及“三带”和支撑压力）（图1 ）。StrataKing和云平台可为矿山灾害防治和生态环境治理、煤炭行业数字化转型升级和高质量发展提供强大算力支撑。

图1 基于StrataKing的走向岩层运动模拟

2025年，一个不认识的老外Steven Davies于Sustainable Construction Review网站以China ’ s StrataKing: Revolutionizing Coal Mine Simulation（中国StrataKing：彻底变革煤矿模拟）为题对StrataKing给予了热情洋溢的点评。他写道：

“His team has developed a groundbreaking parallel computing system called StrataKing designed to simulate strata movement with unprecedented efficiency and scale（他的团队开发了称之为StrataKing的地层破裂并行计算系统，旨在以前所未有的效率和规模模拟岩层运动）”

“StrataKing not only enhances operational efficiency, but also paves the way for future advancements in mining technology（StrataKing不仅提升了开采效率，还为采矿技术的未来发展铺平了道路）”

“The insights gained from StrataKing can inform the development of new mining methods and technologies, driving innovation in the industry（从StrataKing获得的洞见可为开发新的开采方法和技术提供参考，从而驱动整个行业的创新）”

“The future of coal mining is here and it’s powered by parallel computing.（煤炭开采的未来已来，且由并行计算驱动）”

无疑，这个老外对StrataKing给予了极高的认可。我在想，他这么表扬我是图啥呢？我深知，StrataKing和他的评价还有距离，我还需要不断努力。

在最近的5年时间里，主要进行了StrataKing支护特色模拟方法的开发和应用。支护主要包括锚杆、锚索、液压支架和钢支架（图2 ）。其中，锚杆为虚拟锚杆，以此为基础，形成了锚索和钢支架模拟方法。采用静动摩擦力转化模拟液压支架的增阻和恒阻。支护特色模拟方法的开发秉持的原则是等效处理支护的复杂作用，引入与冲击地压发生紧密联系、最受关注的功能，例如，锚杆的可破断、液压支架的可伸缩和可破断、钢支架的可收缩和可破断，而非严格去刻画复杂的机械结构，这十分有利于并行计算，最终有利于保持高计算效率和大计算规模。以锚杆为例，在冲击地压发生后往往会发生较大弯曲甚至破断，若不考虑其破断，则会高估其承载能力，这不利于工程安全。

图2 StrataKing的支护特色模拟方法

数据驱动：研究范式的改变

我没有躺在温床上陶醉，因为我深知StrataKing虽然算得快，算得规模大，但在本质上，还是传统计算的范畴，也就是计算结果完全依赖于计算模型，包括参数。我不能沾沾自喜，我要改变这一长期困扰。我想到了要做数据驱动，要让计算结果不仅依赖于计算模型，还依赖于实际数据。于是，经过硕士生余保健、刘栋仅1个月的努力，就把这件事情给做出来了数据驱动并行计算力学—灾害实时预测有潜力方法。StrataKing做了10年，而数据驱动StrataKing只做了1个月。看来，在一定高度的平台上，高大上的研究一点也不难啊！当时，余保健在忙毕业，没有推诿，和刘栋一起，在业余时间，就把这件有重大意义的事情完成了。这是第二件幸运的事情，使我们的研究范式发生了改变。

由于井下微震定位技术较为成熟，且微震是岩石的破裂而引发的微小震动，这与冲击地压的发生紧密相关，因此，选用微震做为数据，驱动StrataKing并行计算，这无疑是一个理想的选择。这样，可以选择巷道周围一定尺寸的围岩建立模型，而无需考虑整个采场。在此条件下，逐天引入微震定位结果，以迫使StrataKing中相应节点发生分离，这是跟踪微震阶段。此后，通过对巷道围岩模型缓慢加载即可获得其临界应力及对应的时间，这是无微震输入下的预测阶段，从而可以预测出巷道冲击地压何时发生（图3 ）。如果有发生巷道冲击地压的可能性或者发生日期临近，则可对企业进行反馈，以消除任何安全隐患，这就形成了一个从微震→StrataKing跟踪和预测→回馈的闭环。此即为微震数据驱动巷道冲击地压发生时间预测方法，也可称之为巷道冲击地压发生时间数字孪生预测技术一种力学和数据双驱动地质灾害发生时间预测方法。计算表明，红庆河煤矿2018年11月30日3-1103新辅运顺槽冲击地压发生前4天即可做出“零”误差预测。StrataKing虽有3维版本，但由于预测的计算量较大，上述工作目前是在平面应变条件下进行的。

图3 微震数据驱动巷道冲击地压发生时间数字孪生预测策略

03
引入AI：紧跟时代的必然选择

有了 StrataKing 数据驱动就可以了吗？这还需要一个时步一个时步实打实地做并行计算。能否不做并行计算呢？我想，很多时候不做并行计算是不行的，但是，在有些时候不做并行计算是完全可以的。

以我研究的巷道临界应力 P cr 为例，在要求及时反馈，或者，用于初略估计时，用AI是可以的。 P cr 是冲击地压扰动响应失稳理论的核心概念。巷道的 P cr 是指巷道在生命历程中所能受应力P的最大值，而非其当前服役状态下某处的应力水平（图4 ）。巷道的 P cr 一旦达到，在任何微小扰动下，巷道即可发生失稳，即发生冲击地压。这就好比是一只重压之下处于临界状态的骆驼，被又来的一颗稻草压死。如果获知了巷道的 P cr ，只需要实际应力 P c 不超过它，即可保证当前服役巷道在未来冲击条件下的安全性。实际上，为了保险起见，可以认为安全系数 n 大于1.5为本质安全。上述观点与一座桥梁为了安全限制大于一定吨位的卡车通过是一样的道理。

图4 关于巷道临界应力的比喻

那么，用于快速确定 P cr 的AI模型的训练数据从何而来呢？自然，一方面是来源于现场，另一方面是来源于 StrataKing并行计算（图5 ）。关于 P cr 的计算结果越多，AI模型会训练得越好。AI模型不必如数值模型精细，例如，可考虑将巷道形状和尺寸、支护方式及参数分别等效为巷道等效面积和等效支护阻力，做为输入参数。在AI时代了，用上AI，这不是跟风式研究，而是自然而然，是发展的必然。我们用的AI与别人有显著不同：部分训练数据来源于StrataKing并行计算，数据可以很多，数据可以短时间获得。这是第三件幸运的事情，在研究上用上AI。

图5 支护下巷道临界应力数值计算及AI快速识别

04
未来方向：还有更多工作要做

事情到此就结束了吗？远远没有结束。我们还有许多极有意义的工作需要去做。例如，在微震数据驱动巷道冲击地压发生时间预测方法的基础上，能否进行实验室岩样的强度的实时预测呢？

微震数据驱动巷道冲击地压发生时间预测方法的本质如下：通过微震数据引入破裂位置，实时修正数值模型，并计算未来何时临界应力达到。数值模型所需的基本力学参数，例如，弹性模量、黏聚力、内摩擦角等，都要求已知。也就是说，上述方法的本质是力学方法，需要完备的力学参数。力学参数是指各岩层及岩层之间界面的力学参数，需要通过岩样实验或凭借经验选取。能否在无需知道一些力学参数的前提下，将岩样强度实时预测出来？这里，或许还要用上AI等方法。

05
走对道路：紧跟时代发展的必然

从破釜沉舟，白手起家，到研发连续-非连续方法，到并行计算，到数据驱动，到AI，这一步一步走来，看似偶然，无心地踩在时代发展的脚印上，背后其实是因为正确选择而导致的必然。为何能有正确选择？不看眼前，不看小利，不怕困难，看长远，看发展，勇于挑战自我！摒弃落后技术手段，勇于革自己的命，紧跟时代发展，向新兴技术看齐，打造绝无仅有的锋利长剑！

功成不必在我。我这一路风雨兼程，由于计算力学、并行计算等所学与社会当前及未来的紧迫需要高度契合，研究生也改变了自身的命运。例如，一个本科学土木的，没有和土打交道，而是吃上了天鹅肉，现在设计飞机，弄得我不敢去坐飞机（开句玩笑）；一个本科学交通的，没有和地铁信号灯打交道，而是在军队搞大国重器研发，在大洋中建立功勋；一个本科学地下空间的，在高薪岗位玩起了显卡；本科学机械的学生经过计算力学和并行计算的学习，去搞天上飞的器械，逐梦蓝天，更是十分常见的事情。有的研究生在一定时期经常睡不着觉，这不是因为科研的压力，而是因为拿到了近10个offer。我认为，会计算力学、并行计算的研究生的就业不应该满足于寻常的、普通的单位，而应优选大国重器和高科技领域。这里，更容易将个人的追求与国家的需要紧密地结合在一起，更能发挥出计算力学和并行计算的巨大威力。越重要的领域，越重要的工程和装备，越需要高等级的计算，个人也就越有价值！

我说的话不是谁都当回事。一个本科机械出身的学生，在手握多个offer的前提下，选择了一个离家近的待遇不错的工程机械单位。这不是用一柄锋利的长刀去杀鸡吗？我和他说：男儿志在四方。他敏锐地答道：英雄难过美人关。原来他的漂亮的小女朋友离他的家不远，看来不想远嫁啊！我为什么要把他的故事写在这里？就是要隔空再次告诉他：干重要的事，才能彰显个人的价值，不能满足于做一个富家翁，献身国防最光荣！干就干别人干不了的事！

目前，会计算力学、并行计算的学生在当前就业市场上十分紧俏！供的地方没几个，求的单位像潮水一般。见多识广、慧眼如炬的仿真秀App前段时间发文（图6 ）指出：

深圳地区的多物理场仿真工程师岗位，针对在校/应届硕士的薪资达到 20-40K・15 薪，而拥有 10 年以上经验的多物理场仿真专家，薪资直接飙升至 40-50K・16 薪，一倍多的薪资差距，背后是十年磨一剑的技术沉淀与能力积累；应届生岗位已明确要求熟悉多物理场仿真软件、掌握并行算法开发，这意味着行业对入门人才的要求已不再是“只会点软件”，而是兼具理论基础与实操能力的复合型人才，这也为高校学子与职场新人指明了学习方向。

一天，我走在有些黑暗的路上，突然想到了下列几句话的雏形，试图总结自己，后经完善如下，与诸君共勉：用美好的年华做重要的研究，将研究铸成利剑，用利剑斩获与众不同的成果，将成果写成文章，将文章写成科普，将科普写成诗，用诗写出一切美好！

写给自己

并无军炮响，未有喊杀声。

常去问题克，科研一个兵。

06
作者简介

王学滨，教授博导，辽宁工程技术大学计算力学研究所所长，辽宁大学煤矿冲击地压机理与防控技术国家矿山安监局重点实验室研究人员、高性能计算室负责人，中国煤炭学会首席科学传播专家。

1994-1998年，本科就读于机械设计与制造专业；2000-2006年，硕士、博士就读于工程力学专业；2009-2015年，做博士后于地质学、力学专业。2010年，开始从事原创的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法（一种与国内外流行的有限元与离散元耦合连续-非连续方法相平行的非线性断裂力学计算方法）研究。2020年，成功研发岩层运动GPU并行计算系统StrataKing（王之岩层）。主持国家自然科学基金多项，7次入围全球前2%顶尖科学家-终身榜，2次入围中国知网Top1%高被引学者（力学），获得数字仿真科技奖（杰出贡献奖+卓越应用奖+自主软件创新奖）、省五一劳动奖章等奖励。第17-18届中国CAE工程技术分析年会之论坛“地质体材料破坏和稳定性仿真分析”主席（海口、厦门），第20届中国CAE工程技术分析年会之论坛“工程软件研发及应用论坛”主席（北京），第21届中国CAE工程技术分析年会之论坛“土木矿业地质仿真技术论坛”主席（长春）。

2025年，作为指导教师，指导研究生获得“一带一路”暨金砖国家技能大赛工程仿真创新设计赛一等奖。近年来培养的学生主要在数字仿真、工业软件领域大国重器（飞机、航母等）和高科技产品（汽车、风电等）研发单位工作，把个人追求和国家利益紧密结合，有些已经成为技术骨干。

王学滨隶属于潘一山院士团队，从事计算岩石力学、岩层运动并行计算、微震数据驱动地质灾害数值预测方面的研究。历时15年，开发并逐步完善了矿业领域首个岩层运动GPU并行计算系统StrataKing（王之岩层），适于高效率模拟大规模连续介质向非连续介质转化和非连续介质进一步演化，矿业特色鲜明（例如，具备冒落单元膨胀、可破断锚杆、可伸缩液压支架、可收缩钢支架模拟等功能）。在某型号单一GPU下，StrataKing计算单元可达到600万+，1万个单元1万个时步的计算时间一般不到2s，具有行业领先优势，明显优于国外通用串行商业软件，并形成了云平台，为煤炭行业科技工作者提供了一种具备岩层运动模拟基本功能的新的研究手段。StrataKing和云平台可为矿山灾害防治和生态环境治理、煤炭行业数字化转型升级和高质量发展提供强大算力支撑。

来源：仿真秀App

System 断裂非线性电磁兼容二次开发通用汽车岩土煤炭离散元理论材料科普数字孪生 StrataKing

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首次发布时间：2026-03-30

让仿真，跟上AI的脚步

StrataKing：自主研发的岩层运动并行计算系统

数据驱动：研究范式的改变

03 引入AI：紧跟时代的必然选择

04 未来方向：还有更多工作要做

05 走对道路：紧跟时代发展的必然

06 作者简介

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引入AI：紧跟时代的必然选择

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未来方向：还有更多工作要做

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走对道路：紧跟时代发展的必然

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作者简介