Chapter4 數(shù)據(jù)庫和新材料新合金的設(shè)計

1、計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用王建剛王建剛第第4 4章章 材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)本本 章章 要要 點點4.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)4.2 材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫4.3 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)4.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)4.5人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用4.1 4.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述180s后后涉及到各種工程和科技領(lǐng)域涉及到各種工程和科技領(lǐng)域70-80s 關(guān)系數(shù)據(jù)庫關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論理論60s 層次數(shù)據(jù)層次數(shù)據(jù)模型和模型和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型模型如：分布式數(shù)據(jù)庫

2、、工程數(shù)據(jù)庫、模糊數(shù)據(jù)庫、并行數(shù)據(jù)庫以及多媒體數(shù)據(jù)庫等。4.1 4.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)80s后后涉及到各種工程和科技領(lǐng)域涉及到各種工程和科技領(lǐng)域70-80s 關(guān)系數(shù)據(jù)庫關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論理論關(guān)系型關(guān)系型DBMS和和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型模型 主要有dBASE，F(xiàn)oxBASE，UNIFY,INFORMIX，INGRES，ORACLE和DB2。它們都是關(guān)系型的(Data Base Management System, DBMS)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)2dBASEORACLE4.1 4.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) (1)數(shù)據(jù)庫；(2)物理存儲器；

3、 (3)數(shù)據(jù)庫軟件；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3應(yīng)用程序A應(yīng)用程序B應(yīng)用程序C應(yīng)用程序D子模式1子模式2子模式3模式存儲模式數(shù)據(jù)庫三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu) 應(yīng)用程序 1 應(yīng)用程序 2 應(yīng)用程序 2 外模式 1 外模式 2 模 式 內(nèi)模式 物物理理數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)外模式/模式映射 模式/內(nèi)模式映射 外模式（用戶級數(shù)據(jù)庫） 模 式（概念級數(shù)據(jù)庫） 內(nèi)模式（物理級數(shù)據(jù)庫） 操作系統(tǒng) DBMS 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要特征數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要特征44.1 4.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一致性和可維護(hù)性數(shù)據(jù)一致性和可維護(hù)性數(shù)據(jù)獨立性數(shù)據(jù)獨立性數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)

4、的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化減少數(shù)據(jù)冗余減少數(shù)據(jù)冗余工程數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用工程數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用54.1 4.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)Eg. 一個CAD系統(tǒng)主要包括DBMS、圖形系統(tǒng)、方法庫及應(yīng)用程序四大軟件模塊 。工程數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用環(huán)境工程數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用環(huán)境 應(yīng)用程序應(yīng)用程序方法庫方法庫圖像系統(tǒng)圖像系統(tǒng)DBMS數(shù)據(jù)庫材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展14.2 4.2 材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫金相圖數(shù)據(jù)庫陶瓷相圖數(shù)據(jù)庫材料腐蝕數(shù)據(jù)庫材料摩擦磨損數(shù)據(jù)庫PD F X 衍 射 數(shù) 據(jù) 庫國外國外(美國）美國）MDI Jade材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫、金屬彈性性能材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫、金屬彈性性

5、能數(shù)據(jù)中心和金屬擴散數(shù)據(jù)中心等。數(shù)據(jù)中心和金屬擴散數(shù)據(jù)中心等。材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展14.2 4.2 材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫材料熱處理數(shù)據(jù)庫材料熱處理數(shù)據(jù)庫北京機電研究所北京機電研究所機械工程材料數(shù)據(jù)庫機械工程材料數(shù)據(jù)庫上海材料研究所上海材料研究所航空材料數(shù)據(jù)庫航空材料數(shù)據(jù)庫航空航天工業(yè)部材料數(shù)據(jù)中心航空航天工業(yè)部材料數(shù)據(jù)中心國內(nèi)國內(nèi)腐蝕數(shù)據(jù)庫和摩擦數(shù)據(jù)庫腐蝕數(shù)據(jù)庫和摩擦數(shù)據(jù)庫武漢材料保護(hù)研究所武漢材料保護(hù)研究所90s90s清華大學(xué)材料研究所等單位聯(lián)合建成新清華大學(xué)材料研究所等單位聯(lián)合建成新材料數(shù)據(jù)庫材料數(shù)據(jù)庫, ,包括新型金屬和合金、精細(xì)陶瓷、包括新型金屬和合金、

6、精細(xì)陶瓷、新型高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料和非晶態(tài)材新型高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料和非晶態(tài)材料料5 5個子庫。個子庫。8080s s以來以來Power Diffraction File 是是X衍射相分析必不可衍射相分析必不可少的、最權(quán)威的工具。到少的、最權(quán)威的工具。到2001年年11月，月，X衍射衍射PDF卡片已多達(dá)卡片已多達(dá)47卷、卷、87500張，而且每年都在張，而且每年都在不斷更新和增加。從不斷更新和增加。從60年代開始采用計算機來處年代開始采用計算機來處理理PDF卡片?，F(xiàn)在使用的卡片?，F(xiàn)在使用的PDF計算機檢索系統(tǒng)有計算機檢索系統(tǒng)有美、英、法和加拿大等國參加的粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)美、英、法和加拿大

7、等國參加的粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會組織開發(fā)，采用合委員會組織開發(fā)，采用windows界面。界面。材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例14.2 4.2 材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫PDF DatabasesPDF Databases5.2 5.2 材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫沉積工藝沉積工藝預(yù)抽真空預(yù)抽真空20min；預(yù)轟擊清洗預(yù)轟擊清洗15min離子鍍沉積離子鍍沉積30min后冷卻出爐后冷卻出爐負(fù)偏壓負(fù)偏壓(100-300V)靶電流靶電流(35-80A)氮分壓氮分壓(0.5-1.5Pa) 根據(jù)Fe-Ti相圖，Ti在Fe中溶解度小，穩(wěn)定化合物只有TiFe和TiFe2兩種，分

8、析得出優(yōu)先形成TiFe。根據(jù)Ti-N相圖，在PVD的溫度下可能形成的穩(wěn)定相有a-Ti、Ti2N,及TiN。用用PC-PDF檢索系統(tǒng)分析檢索系統(tǒng)分析PVD表面涂層表面涂層材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例1Ti2N PDF 17-386材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例1用用PC-PDF檢索系統(tǒng)分析檢索系統(tǒng)分析PVD表面涂層表面涂層材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例1 結(jié)合PVD工藝，PDF卡片，得出TiN涂層表面主要有TiN、Ti2N、TiN0.26、FeTi相。2 04 06 08 0-1 0 001 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0TiN(222)-

9、Fe(211)b ia -vo ta g e = -1 0 0 Vta rg e t-c u rre n t= 5 0 AN p a rtia l p re s u re = 1 P aH V = 2 0 9 0a d h e n s ive s tre n g th = 3 0 -6 0 NFeTi(211)TiN0.26(200)-Fe(200)TiN(220)-Fe(110)FeTi(110)TiN(200)TiN0.26(10-1)TiN(111)TiN0.26(100)counts2(6 )用用PC-PDF檢索系統(tǒng)分析檢索系統(tǒng)分析PVD表面涂層表面涂層(http:/www.china

10、- Jade物相檢索物相檢索材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例1二元相圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)二元相圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)24.2 4.2 材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫(http:/www.crct.polymtl.ca/)FactSage Databases5.2 5.2 材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫美國金屬學(xué)會(ASM)，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)4700余幅二元合金相圖Eg,輸入Ti、N二元相圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)二元相圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)2FactSage Databases5.2 5.2 材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫陶瓷相圖數(shù)據(jù)庫陶瓷相圖數(shù)據(jù)庫美國陶瓷學(xué)會，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(ACerS-

11、NIST)Eg,輸入ZrO2-Y2O3二元相圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)二元相圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)2專家系統(tǒng)的歷史和發(fā)展專家系統(tǒng)的歷史和發(fā)展14.3 4.3 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 人工智能人工智能(Artificial Intelligence, AI)是計算是計算機科學(xué)的一個分支，是機科學(xué)的一個分支，是20世紀(jì)中期產(chǎn)生的并世紀(jì)中期產(chǎn)生的并正在迅速發(fā)展的新興邊緣學(xué)科。正在迅速發(fā)展的新興邊緣學(xué)科。ES是人工智能研究領(lǐng)域中最活躍、最具實用價是人工智能研究領(lǐng)域中最活躍、最具實用價值的應(yīng)用領(lǐng)域。值的應(yīng)用領(lǐng)域。 什么是專家系統(tǒng)什么是專家系統(tǒng)(Expert System, ES)？ 專家系統(tǒng)是一個智能計算機程序系統(tǒng)，其內(nèi)部專家系統(tǒng)是

12、一個智能計算機程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題。處理該領(lǐng)域問題。專家系統(tǒng)的工作原理專家系統(tǒng)的工作原理24.3 4.3 材料科學(xué)專家系統(tǒng)材料科學(xué)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)工作原理圖專家系統(tǒng)工作原理圖知識庫知識庫推理機推理機專家知識專家知識輸入或提問輸入或提問答案答案專家系統(tǒng)的工作原理專家系統(tǒng)的工作原理24.3 4.3 材料科學(xué)專家系統(tǒng)材料科學(xué)專家系統(tǒng)用 戶領(lǐng) 域 專 家人 機 接 口推 理 機解 釋 程 序知 識 獲 得綜 合 數(shù) 據(jù) 庫知 識 庫專

13、家系統(tǒng)工作原理圖專家系統(tǒng)工作原理圖專業(yè)知識專業(yè)知識Why How 信息信息Knowledge baseGlobal databaseReasoning machineExplicatorInterface（1）知識庫）知識庫 用于存放領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑膶ｉT知識。用于存放領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑膶ｉT知識。（2）工作數(shù)據(jù)庫）工作數(shù)據(jù)庫 主要由問題的有關(guān)初始數(shù)據(jù)和系統(tǒng)主要由問題的有關(guān)初始數(shù)據(jù)和系統(tǒng)求解期間所產(chǎn)生的中間信息組成。求解期間所產(chǎn)生的中間信息組成。（3）推理機）推理機 用于解決如何選擇和使用知識庫中的知用于解決如何選擇和使用知識庫中的知識。識。（4）知識獲取機制）知識獲取機制 為實現(xiàn)專家系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)，在

14、為實現(xiàn)專家系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)，在系統(tǒng)使用過程中能自動獲取知識，不斷完善擴大現(xiàn)系統(tǒng)使用過程中能自動獲取知識，不斷完善擴大現(xiàn)有系統(tǒng)功能。有系統(tǒng)功能。（5）解釋機制）解釋機制 回答用戶提出的各種問題?；卮鹩脩籼岢龅母鞣N問題。（6）人機接口）人機接口 實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的雙向信息轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的雙向信息轉(zhuǎn)換。專家系統(tǒng)的工作原理專家系統(tǒng)的工作原理2專家系統(tǒng)的類型專家系統(tǒng)的類型34.3 4.3 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)解釋專家系統(tǒng)解釋專家系統(tǒng)（interpretation ES ） 預(yù)測專家系統(tǒng)預(yù)測專家系統(tǒng)（prediction ES) 診斷專家系統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)（diagnosis ES ） 設(shè)計專家系統(tǒng)設(shè)

15、計專家系統(tǒng)（design ES ） 規(guī)劃專家系統(tǒng)規(guī)劃專家系統(tǒng)（planning ES ） 監(jiān)視專家系統(tǒng)監(jiān)視專家系統(tǒng)（monitoring ES）控制專家系統(tǒng)控制專家系統(tǒng)（control） 調(diào)試專家系統(tǒng)調(diào)試專家系統(tǒng)（debugging）教學(xué)專家系統(tǒng)教學(xué)專家系統(tǒng)（instruction） 修理專家系統(tǒng)修理專家系統(tǒng)（repair）1. 熱處理工藝專家系統(tǒng)熱處理工藝專家系統(tǒng)典型專家系統(tǒng)分析典型專家系統(tǒng)分析44.3 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)熱處理工藝專家系統(tǒng)可根據(jù)用戶提供的零件信息自動推熱處理工藝專家系統(tǒng)可根據(jù)用戶提供的零件信息自動推理出最恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕⒋_定相應(yīng)的保溫溫度和時間理出最恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，并確

16、定相應(yīng)的保溫溫度和時間等參數(shù)；得到用戶調(diào)整后，系統(tǒng)自動繪制出熱處理工藝卡，等參數(shù)；得到用戶調(diào)整后，系統(tǒng)自動繪制出熱處理工藝卡，并將工藝卡中得有關(guān)信息存儲，以便以后需要時進(jìn)行使用并將工藝卡中得有關(guān)信息存儲，以便以后需要時進(jìn)行使用和研究。和研究。1. 熱處理工藝專家系統(tǒng)熱處理工藝專家系統(tǒng)典型專家系統(tǒng)分析典型專家系統(tǒng)分析44.3 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)（1）信息輸入模塊）信息輸入模塊 接受初始的零件信息、熱處理后的性能接受初始的零件信息、熱處理后的性能要求和生產(chǎn)條件，并以一定的設(shè)計結(jié)構(gòu)形式存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫要求和生產(chǎn)條件，并以一定的設(shè)計結(jié)構(gòu)形式存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中。中。（2）方案推理及參數(shù)選擇模塊）方案推理及

17、參數(shù)選擇模塊 根據(jù)用戶輸入的信息，推理根據(jù)用戶輸入的信息，推理出適當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞剑瑫r選擇出合適的溫度和時間等參數(shù)。出適當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞?，同時選擇出合適的溫度和時間等參數(shù)。（3）方案及參數(shù)調(diào)整模塊）方案及參數(shù)調(diào)整模塊 修改方案、改變參數(shù)。修改方案、改變參數(shù)。（4）繪圖打印模塊）繪圖打印模塊 繪制熱處理工藝曲線。繪制熱處理工藝曲線。（5）知識庫管理模塊）知識庫管理模塊 實現(xiàn)專家系統(tǒng)知識庫的維護(hù)、完善和實現(xiàn)專家系統(tǒng)知識庫的維護(hù)、完善和補充。補充。（6）系統(tǒng)管理模塊）系統(tǒng)管理模塊 完成方案確定過程中的輔助功能。完成方案確定過程中的輔助功能。1. 熱處理工藝專家系統(tǒng)熱處理工藝專家系統(tǒng)典型專家系統(tǒng)分析典型

18、專家系統(tǒng)分析44.3 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)金屬材料數(shù)據(jù)庫金屬材料數(shù)據(jù)庫、熱處理工藝數(shù)據(jù)庫熱處理工藝數(shù)據(jù)庫和和典型零件數(shù)據(jù)庫。典型零件數(shù)據(jù)庫。推理步驟：推理步驟：1）用戶選擇輸入工件的類別，系統(tǒng)把符合條件的材料提）用戶選擇輸入工件的類別，系統(tǒng)把符合條件的材料提供給用戶選擇；供給用戶選擇；2）確定工件材料，系統(tǒng)提供熱處理方法供用戶選擇；）確定工件材料，系統(tǒng)提供熱處理方法供用戶選擇；3）確定熱處理方法后，系統(tǒng)提示輸入?yún)?shù)；）確定熱處理方法后，系統(tǒng)提示輸入?yún)?shù)；4）系統(tǒng)根據(jù)條件從知識庫中獲得熱處理工藝參數(shù)；）系統(tǒng)根據(jù)條件從知識庫中獲得熱處理工藝參數(shù)；5）確認(rèn)或修改工藝。）確認(rèn)或修改工藝。2. 超精淬透性控

19、制專家系統(tǒng)超精淬透性控制專家系統(tǒng)The SKF Steel Extra Hardenabi1ity Control System),(CuVMoNiCrSPMnSiCfHV 將用戶的淬透性要求同煉鋼工藝過程的淬透性控制聯(lián)系起將用戶的淬透性要求同煉鋼工藝過程的淬透性控制聯(lián)系起來。鋼廠能夠按用戶的要求提供具有指定淬透性的鋼材。來。鋼廠能夠按用戶的要求提供具有指定淬透性的鋼材。淬透性帶寬控制淬透性帶寬控制(與成分、晶粒尺寸和夾雜物等有關(guān)）與成分、晶粒尺寸和夾雜物等有關(guān)）通過爐外精煉時的快速化學(xué)分析和借助電子計算機作淬透通過爐外精煉時的快速化學(xué)分析和借助電子計算機作淬透性計算預(yù)報性計算預(yù)報(在線聯(lián)機在

20、線聯(lián)機)進(jìn)行鋼液成分微調(diào)，以及將模鑄改為進(jìn)行鋼液成分微調(diào)，以及將模鑄改為連鑄等措施，可使淬透性帶寬控制在要求的范圍之內(nèi)。連鑄等措施，可使淬透性帶寬控制在要求的范圍之內(nèi)?！八箘P孚斯凱孚”典型專家系統(tǒng)分析典型專家系統(tǒng)分析44.3 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)2. 超精淬透性控制專家系統(tǒng)超精淬透性控制專家系統(tǒng)http:/瑞典奧瓦科鋼公司模型中模型中Mo和和Mn對鋼淬透性影響示意圖對鋼淬透性影響示意圖模型考慮了合金模型考慮了合金元素對不同端淬元素對不同端淬距離處的淬透性距離處的淬透性貢獻(xiàn)的差別貢獻(xiàn)的差別, 對每對每個端淬距離建立個端淬距離建立了兩個回歸方程。了兩個回歸方程。典型專家系統(tǒng)分析典型專家系統(tǒng)分析42.

21、超精淬透性控制專家系統(tǒng)超精淬透性控制專家系統(tǒng)http:/瑞典奧瓦科鋼公司過程控制計算機總過程控制計算機實驗過程計算機數(shù)據(jù)補償系統(tǒng)SKF淬透性模塊合金優(yōu)選模塊離線淬透性模塊SKF鋼包爐SKF系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)框圖系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)框圖典型專家系統(tǒng)分析典型專家系統(tǒng)分析4http:/瑞典奧瓦科鋼公司SKF152鋼的淬透性帶和用戶要求鋼的淬透性帶和用戶要求01020302003004005000102030200300400500硬度(HV)Jd /mm用戶要求2. 超精淬透性控制專家系統(tǒng)超精淬透性控制專家系統(tǒng)典型專家系統(tǒng)分析典型專家系統(tǒng)分析4 復(fù)合材料設(shè)計中，材料選擇專家系統(tǒng)將有復(fù)合材料設(shè)計中，材料選擇專家系統(tǒng)

22、將有關(guān)材料及它們的特性的數(shù)據(jù)處理并儲存在數(shù)據(jù)庫關(guān)材料及它們的特性的數(shù)據(jù)處理并儲存在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)里。這樣使用者就可以通過系統(tǒng)里。這樣使用者就可以通過CADCAD系統(tǒng)中的圖系統(tǒng)中的圖形接口來接近材料的計算機輔助模型，從而選擇形接口來接近材料的計算機輔助模型，從而選擇最佳的材料最佳的材料 對于某些應(yīng)用的聚合物通常是一些復(fù)雜性對于某些應(yīng)用的聚合物通常是一些復(fù)雜性能的結(jié)合，因此對于大量可用聚合物的選擇非常能的結(jié)合，因此對于大量可用聚合物的選擇非常困難。為此，開發(fā)出了一個用于聚合物選擇的專困難。為此，開發(fā)出了一個用于聚合物選擇的專家系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)，可有效的應(yīng)用聚合物工程家系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)，可有效的應(yīng)用聚合

23、物工程的專門知識進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計。的專門知識進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計。 3. 人工智能專家系統(tǒng)在復(fù)合材料設(shè)計的應(yīng)用人工智能專家系統(tǒng)在復(fù)合材料設(shè)計的應(yīng)用4.4 4.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種信息處理技術(shù)，力圖模擬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種信息處理技術(shù)，力圖模擬人類處理問題方式去理解和利用信息。人類處理問題方式去理解和利用信息。（1 1）可以解決定性問題，也可以用于直接解）可以解決定性問題，也可以用于直接解決定量問題，具有較好的可靠性；決定量問題，具有較好的可靠性；（2 2）擅長處理復(fù)雜的多元非線性問題；）擅長處理復(fù)雜的多元非線性問題；（3 3）具有自學(xué)能力。）具有自學(xué)能力。人工神經(jīng)網(wǎng)

24、絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Artificial Neural Network)1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由排列成層的神經(jīng)單元組成。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由排列成層的神經(jīng)單元組成。輸入層輸入層；輸出層輸出層；中間層（隱含層）中間層（隱含層） 。輸入層接受到輸入模式的輸入層接受到輸入模式的一小部分出層通過連接傳一小部分出層通過連接傳遞給中間層。中間層的輸遞給中間層。中間層的輸入模式發(fā)生改變，中間層入模式發(fā)生改變，中間層單元將輸入信號傳遞給輸單元將輸入信號傳遞給輸出層的全部單元。出層的全部單元。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元是神經(jīng)元神經(jīng)元，又稱處理單元。，又稱處理單元。

25、ijyjW1jW2jWijWnjX1X2X3Xn神經(jīng)元模型神經(jīng)元模型圖中神經(jīng)元圖中神經(jīng)元j有一個輸入有一個輸入集合集合X1,X2,Xn和一個和一個單位輸出單位輸出yj，其數(shù)學(xué)描述，其數(shù)學(xué)描述為：為：)()()()()a(S1cgybSfXWjjjjniijijj其中其中j(t)和和j(t)分別表示神經(jīng)元的一個與時間有關(guān)的活動分別表示神經(jīng)元的一個與時間有關(guān)的活動狀態(tài)和閾值，狀態(tài)和閾值，Wij表示神經(jīng)元之間的連接強度的權(quán)值。表示神經(jīng)元之間的連接強度的權(quán)值。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式（1）前饋式網(wǎng)絡(luò)）前饋式網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元分層排列，每個神經(jīng)元只與網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元分層排列，每個神經(jīng)元只

26、與前一層神經(jīng)元相連。前一層神經(jīng)元相連。（2）輸入輸出有反饋的前饋網(wǎng)絡(luò)）輸入輸出有反饋的前饋網(wǎng)絡(luò)（3）前饋內(nèi)層互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）前饋內(nèi)層互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)y1y2ynx1x2xny1y2yny1y2ynx1x2xnx1x2xn（4）反饋型全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）反饋型全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) （5）反饋型局部連接網(wǎng)絡(luò)）反饋型局部連接網(wǎng)絡(luò) 反饋型網(wǎng)絡(luò)存在穩(wěn)定性問題，必須討論其收斂性和穩(wěn)定性。反饋型網(wǎng)絡(luò)存在穩(wěn)定性問題，必須討論其收斂性和穩(wěn)定性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法及規(guī)則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法及規(guī)則2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)來解決問題而不是通過編程。對于每個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)來解決問題而不是通過編程。對于每個神經(jīng)元來說，如果傳遞函數(shù)不變，輸出由兩個因素決定：神

27、經(jīng)元來說，如果傳遞函數(shù)不變，輸出由兩個因素決定：輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)和此神經(jīng)元連接的和此神經(jīng)元連接的各輸入量的權(quán)重各輸入量的權(quán)重。權(quán)重是變量，。權(quán)重是變量，可以動態(tài)修改，產(chǎn)生一定的輸出。可以動態(tài)修改，產(chǎn)生一定的輸出。兩種不同的學(xué)習(xí)方式：有指導(dǎo)的訓(xùn)練和沒有指導(dǎo)的訓(xùn)練兩種不同的學(xué)習(xí)方式：有指導(dǎo)的訓(xùn)練和沒有指導(dǎo)的訓(xùn)練（1）有指導(dǎo)的訓(xùn)練）有指導(dǎo)的訓(xùn)練 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)有的輸出與實際輸出數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)有的輸出與實際輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。據(jù)進(jìn)行比較。（2）沒有指導(dǎo)的訓(xùn)練）沒有指導(dǎo)的訓(xùn)練 網(wǎng)絡(luò)不靠外部的影響來調(diào)整權(quán)重。網(wǎng)絡(luò)不靠外部的影響來調(diào)整權(quán)重。誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和學(xué)習(xí)方法誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和學(xué)習(xí)方法3利用誤差反

28、向傳播（利用誤差反向傳播（back-propagation，BP）計算來處理）計算來處理誤差的網(wǎng)絡(luò)模型，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以解決誤差的網(wǎng)絡(luò)模型，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以解決大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所面臨的問題。大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所面臨的問題。BP網(wǎng)絡(luò)是在輸入層和輸出網(wǎng)絡(luò)是在輸入層和輸出層之間加上一層或幾層中間層構(gòu)成。層之間加上一層或幾層中間層構(gòu)成。BP網(wǎng)的學(xué)習(xí)過程主要由網(wǎng)的學(xué)習(xí)過程主要由四部分組成：輸入模式四部分組成：輸入模式順傳播；輸出誤差逆?zhèn)黜槀鞑?；輸出誤差逆?zhèn)鞑ィ谎h(huán)記憶訓(xùn)練；播；循環(huán)記憶訓(xùn)練；學(xué)習(xí)結(jié)果判別。學(xué)習(xí)結(jié)果判別。2. 材料設(shè)計的范圍材料設(shè)計的范圍原料材料試樣組織結(jié)構(gòu)特性可否評價改變結(jié)構(gòu)制備觀察測試實際試用微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計制備方法設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計材料設(shè)計材料設(shè)計的范圍材料設(shè)計的范圍4.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在材料科學(xué)中的應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在材料科學(xué)中的應(yīng)用ANN實現(xiàn)材料設(shè)計與