材料科學(xué)中的信息技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ) 課件 第9講 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用第9講為提高在梳棉機上紡出的粘棉混紡紗的質(zhì)量，考察三個二水平因素：試驗指標(biāo)為棉粒結(jié)數(shù)，該值越小越好，同時考慮交互作用A×B和A×C。請分別采用直觀分析法和方差分析法找出使棉粒結(jié)數(shù)達到最低的水平組合，并排列出各因素對試驗指標(biāo)影響的順序。試驗號ABA×BCA×C誤差1誤差2棉粒結(jié)數(shù)111111110.30211122220.35312211220.20412222110.305212121205072211221040K11.151.31.20.81.41.151.25K21.21.051.151.550.951.20.85R0.050.250.050.750.450.050.4一、直觀分析法C-A×C-B-A-A×B C選C1，A×C的交互作用大于A，再進行選擇。A1A2C1(0.3+0.2)/2=0.25(0.15+0.15)/2=0.15C2(0.3+0.35)/2=0.325(0.5+0.4)/2=0.45C1B2A2二、方差分析法試驗號ABA×BCA×C誤差1誤差2棉粒結(jié)數(shù)111111110.30211122220.35312211220.20412222110.305212121205072211221040S0.0120.0350.0200.8750.6240.0120.012f1111122S/f0.0120.0350.0200.8750.6240.0060.006F25.833.33145.8104材料設(shè)計：應(yīng)用相關(guān)的信息與知識進行預(yù)測并指導(dǎo)人們合成具有預(yù)期性能的材料。數(shù)據(jù)庫人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)本節(jié)內(nèi)容：（信息技術(shù)在材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用）相關(guān)概念（1）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（2）專家系統(tǒng)（3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2.Jade軟件在物相檢索中的應(yīng)用（上機）3.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述層次數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論涉及到各種工程和科技領(lǐng)域60’s70-80’s80’s后分布式數(shù)據(jù)庫工程數(shù)據(jù)庫模糊數(shù)據(jù)庫并行數(shù)據(jù)庫多媒體數(shù)據(jù)庫層次數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型關(guān)系數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)庫物理存儲器數(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)概述數(shù)據(jù)一致性、可維護性數(shù)據(jù)獨立性數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化減少數(shù)據(jù)冗余數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要特征數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述i.需求分析了解用戶需求基礎(chǔ)：最難、耗時影響后續(xù)工作數(shù)據(jù)庫設(shè)計步驟ii.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段對用戶需求進行綜合、歸納與抽象，形成概念模型iii.邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計：將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)模型，并進行優(yōu)化iv.物理結(jié)構(gòu)設(shè)計：存儲結(jié)構(gòu)存儲方法數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述v.數(shù)據(jù)庫實施建立數(shù)據(jù)庫：編程序+調(diào)試+輸入數(shù)據(jù)+試運行vi.數(shù)據(jù)庫的運行和維護數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)庫的發(fā)展趨勢網(wǎng)絡(luò)化：面向全球用戶智能化：單純的數(shù)據(jù)檢索、瀏覽→專家系統(tǒng)：提供咨詢、幫助決策也可與CAD、CAM配套使用現(xiàn)代化：面向當(dāng)前的需求商業(yè)化：付費—→產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量↗—→雙贏標(biāo)準(zhǔn)化：不同單位間共享材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫1.PDF（PowderDiffractionFile）標(biāo)準(zhǔn)卡片數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫2.二元相圖數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫3.晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫（CrystallographyOpenDatabase，COD數(shù)據(jù)庫）/cod材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫4.薩特勒（Sadtler）光譜數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫5.材料性能數(shù)據(jù)庫/材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫6.現(xiàn)代智能化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫Atomly材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫（1）“更多、更強”的數(shù)據(jù)材料科學(xué)中常用的數(shù)據(jù)庫（2）創(chuàng)新型材料設(shè)計方法采用Jade軟件進行物相分析時，比對下列哪個數(shù)據(jù)庫？（）PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片數(shù)據(jù)庫COD晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫二元相圖數(shù)據(jù)庫Sadtler光譜數(shù)據(jù)庫ABCD提交單選題1分當(dāng)需要分析紅外光譜時，我們需要比對哪個數(shù)據(jù)庫？（）PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片數(shù)據(jù)庫COD晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫二元相圖數(shù)據(jù)庫Sadtler光譜數(shù)據(jù)庫ABCD提交單選題1分3.2專家系統(tǒng)歷史與發(fā)展工作原理類型材料科學(xué)中典型的專家系統(tǒng)歷史與發(fā)展第一代專家系統(tǒng)（DENDRAL系統(tǒng)，1965-1971），具有高度專業(yè)化與求解能力強的特點，但在體系結(jié)構(gòu)的完整性、可移植性與靈活性方面存在短板。第二代專家系統(tǒng)（用于血液感染病診斷的MYCIN系統(tǒng)，1972-1981），首次提出知識庫概念，改進了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性和移植性，同時在人機接口、解釋機制、知識獲取、知識表示等方面均有所提升。第三代專家系統(tǒng)（集成多種知識表示方法和多種推理機制及控制策略研發(fā)的多學(xué)科綜合性專家系統(tǒng)，1981-1995），這一時期專家系統(tǒng)逐步被市場接受，開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探、科學(xué)研究、企業(yè)管理、工業(yè)控制、故障排除等領(lǐng)域。第四代專家系統(tǒng)（新一代專家系統(tǒng)，1996-至今），在計算機科學(xué)和人工智能理論快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，將知識工程、模糊技術(shù)、實時操作技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等有機結(jié)合，通過并行與分布處理、多專家系統(tǒng)協(xié)同工作、多知識表示、自組織解題機制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識獲取及機器學(xué)習(xí)與糾錯機制等技術(shù)形成的具有多知識庫、多主體的專家系統(tǒng)。工作原理—→代替人進行推理、咨詢、決策在某些方面（數(shù)據(jù)量大、復(fù)雜），優(yōu)于人類專家工作原理什么是專家系統(tǒng)(ExpertSystem,ES)？專家系統(tǒng)是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，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?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法=程序”×傳統(tǒng)：專家系統(tǒng)：“知識+推理=系統(tǒng)”√工作原理存儲和管理專家知識存儲求解問題的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的中間數(shù)據(jù)以及最終的推理結(jié)論根據(jù)知識庫和數(shù)據(jù)庫推理

核心類型解釋專家系統(tǒng)（interpretationES）預(yù)測專家系統(tǒng)（predictionES)診斷專家系統(tǒng)（diagnosisES）設(shè)計專家系統(tǒng)（designES）規(guī)劃專家系統(tǒng)（planningES）監(jiān)視專家系統(tǒng)（monitoringES）控制專家系統(tǒng)（controlES）調(diào)試專家系統(tǒng)（debuggingES）教學(xué)專家系統(tǒng)（instructionES）修理專家系統(tǒng)（repairES）材料科學(xué)中的典型專家系統(tǒng)1.鑄造工藝專家系統(tǒng)伯明翰大學(xué)研發(fā)的CADcast專家系統(tǒng)構(gòu)建了用于選擇合金和鑄造方法的知識庫，根據(jù)合金種類可初步選擇與其匹配的鑄造方法，同時還可根據(jù)零件結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的鑄造工藝CAD產(chǎn)生式專家系統(tǒng)開發(fā)工具，該系統(tǒng)中知識庫與數(shù)據(jù)庫通過兩種方式耦合，具有經(jīng)驗與標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的特點，能夠提供近七種鑄造方法。鑄造方法選擇專家系統(tǒng)美國亞拉巴馬大學(xué)研究者開發(fā)的砂型鑄造輕金屬鑄件澆冒設(shè)計專家系統(tǒng)RDEX可以確定分型方向和分型面，識別壁厚區(qū)域，進一步確定冒口、

自然流道和澆口位置。美國賓夕法尼亞州并行技術(shù)公司開發(fā)人員通過基于啟發(fā)性知識和幾何分析的集成方法進行澆冒系統(tǒng)的自動、優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)了適用于復(fù)雜形狀鑄件的點模數(shù)模型，更有效地分析三維鑄件的壁厚。國內(nèi)的沈陽工業(yè)大學(xué)針對軋鋼機機架鑄造工藝，建立了知識層次結(jié)構(gòu)模型，進而進行了造型、制芯方法、鑄造種類選擇、澆注位置、分型面選擇與澆冒系統(tǒng)設(shè)計。材料科學(xué)中的典型專家系統(tǒng)澆冒設(shè)計專家系統(tǒng)材料科學(xué)中的典型專家系統(tǒng)2.熱處理專家系統(tǒng)

主要應(yīng)用于碳鋼和低合金鋼的熱處理設(shè)計過程，包含生產(chǎn)周期的優(yōu)化、輔助材料的選擇以及構(gòu)件設(shè)計等方面。材料科學(xué)中的典型專家系統(tǒng)3.水泥廠化驗室專家系統(tǒng)/武漢億勝科技有限公司

總結(jié)了幾百家水泥廠化驗室的工作經(jīng)驗，針對當(dāng)前水泥廠普遍存在的一些技術(shù)問題，并經(jīng)國家水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心認(rèn)可，中國水泥協(xié)會推薦的適用于所有水泥廠的微機質(zhì)量分析、決策的管理系統(tǒng)。有報表自動匯總、產(chǎn)質(zhì)量分析、最佳配料方案、最佳磨機級配、最佳石膏摻量、最佳粉磨細度、最佳混合材摻量、窯況判斷和自動預(yù)報結(jié)窯和生燒情況、智能化配料計算和智能化配球計算、設(shè)備故障原因分析和排除、遠程通訊、技術(shù)咨詢等。材料科學(xué)中的典型專家系統(tǒng)4.汽車沖壓件選材專家系統(tǒng)南京航空航天大學(xué)汽車左車門內(nèi)板選材實例材料科學(xué)中的典型專家系統(tǒng)汽車左車門內(nèi)板選材實例材料科學(xué)中的典型專家系統(tǒng)汽車左車門內(nèi)板選材實例材料科學(xué)中的典型專家系統(tǒng)汽車左車門內(nèi)板選材實例專家系統(tǒng)的核心是（）知識庫數(shù)據(jù)庫推理機解釋器ABCD提交單選題1分3.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述學(xué)習(xí)方法與規(guī)則在材料科學(xué)中的應(yīng)用概述ChatGPT人工智能聊天軟件2017年7月20日，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，并將在制造、金融、農(nóng)業(yè)、物流、商務(wù)、家居等重點行業(yè)和領(lǐng)域開展人工智能應(yīng)用試點示范工作。人工智能便是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息處理是由神經(jīng)元之間的相互作用來實現(xiàn)的，知識與信息的存儲表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)元件互連間分布式的物理聯(lián)系。概述人腦的信息處理機制是在漫長的進化過程中形成的。到目前為止，人類對大腦是如何處理信息以及如何進行思維的只有粗淺的認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，以數(shù)學(xué)和物理方法并從信息處理的角度對人腦生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行抽象，并建立某種簡化模型，即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，ANN。簡化模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種旨在模仿人腦結(jié)構(gòu)及其功能的腦式智能信息處理系統(tǒng)。概述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點能力自學(xué)習(xí)自組織自適應(yīng)性自學(xué)習(xí)功能1聯(lián)想存儲功能2高速尋找最優(yōu)解功能3學(xué)習(xí)方法與規(guī)則Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則

Widow-Hoff學(xué)習(xí)規(guī)則兩個神經(jīng)元同時處于激發(fā)狀態(tài)時，連接強度與教師信號和網(wǎng)絡(luò)實際輸出之差成正比。有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則將上述兩者結(jié)合起來

在材料科學(xué)中的應(yīng)用1.在材料設(shè)計和成分優(yōu)化中的應(yīng)用國內(nèi)學(xué)者蔡煜東等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP模型建立了化合物、金屬元素參數(shù)與氧心結(jié)構(gòu)（非氧心結(jié)構(gòu)）之間的復(fù)雜對應(yīng)關(guān)系。東北大學(xué)的張國英等在試驗的基礎(chǔ)上，提出將材料（Co-Ni二次硬化鋼）的力學(xué)性能作為網(wǎng)絡(luò)的輸入量，材料的其他合金成分（C，Ni，Cr，Mo）及熱處理溫度（時效、淬火）作為網(wǎng)絡(luò)的輸出，采用反向傳播算法（BP）建立了8×16×6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用這個反映試驗數(shù)據(jù)內(nèi)在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)對材料的力學(xué)性能要求，直接確定各種合金成分含量和熱處理溫度。在材料科學(xué)中的應(yīng)用2.在材料力學(xué)性能預(yù)測中的應(yīng)用學(xué)者Myllylcoski用生產(chǎn)線上獲得的數(shù)據(jù)，建立了能較準(zhǔn)確地預(yù)測軋制帶鋼力學(xué)性能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。南京航空航天大學(xué)的李水鄉(xiāng)等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法，將編織工藝參數(shù)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，將彈性模量及強度性能作為輸出，建立了編織工藝參數(shù)與力學(xué)性能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。西北工業(yè)大學(xué)的劉馬寶等人以鋁合金LY12CZ為例，在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首次建立了預(yù)測超塑變形后材料的室溫性能指標(biāo)，并且充分反映了超塑變形工藝參數(shù)對其室溫機械性能變化的影響規(guī)律。專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作原理有何區(qū)別？專家系統(tǒng)利用知識庫解決已知問題；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用知識庫學(xué)習(xí)用以解決未知問題。專家系統(tǒng)依賴于知識庫的完善。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依賴于知識學(xué)習(xí)訓(xùn)練。3.4Jade軟件在物相分析中的應(yīng)用Jade軟件是一款常用的材料結(jié)構(gòu)分析軟件，通過將樣品的衍射圖譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進行比對，獲得材料的結(jié)構(gòu)信息。主要功能：1、物相檢索2、圖譜擬合3、結(jié)構(gòu)精修4、晶粒大小和微觀應(yīng)變5、*殘余應(yīng)力6、*物相定量物相檢索也就是“物相定性分析”。它的基本原理是基于以下三條原則:（1）任何一種物相都有其特征的衍射譜;（2）任何兩種物相的衍射譜不可能完全相同;（3）多相樣品的衍射峰是各物相的簡單疊加。物相檢索的步驟包括:①給出檢索條件；

檢索子庫、樣品的元素組成、其他檢索條件②計算機按照給定的檢索條件進行檢索；FOM排序③從列表中檢定出一定存在的物相（人工完成）；④觀察是否還有沒被檢出的衍射峰。判定物相是否存在的條件（1）PDF卡片中的峰位與測量譜的峰位是否匹配。（2）PDF卡片的峰強比（I/I0）與樣品峰的峰強比（I/I0）要大致相同。（3）檢索出來的物相包含的元素在樣品中必須存在?；竟δ芙榻BEdit菜單

在這個菜單中，有三個Copy命令，前兩個Copy命令是復(fù)制當(dāng)前圖像窗口，另外一個是復(fù)制數(shù)據(jù)到剪貼板。Preferences命令打開一個對話框，在這里可以設(shè)置顯示、儀器、報告和個性化的參數(shù)。CopyVectorplotCopyBitmapimageCopyPatterndataPDF菜單在Jade作物相檢索前，必須導(dǎo)入ICDDPDF卡片索引。這個命令打開PDF-Setup對話框，建立PDF卡片索引。輸入卡片編號，對其信息進行查詢。Options菜單

Jade的高級操作都包含在這里。這個菜單中主要的功能有:CeIIRefinement:晶胞晶修，即點陣常數(shù)精確測量。CalculateStress:殘余應(yīng)力測量。View菜單這個菜單中主要有ZoomWindow-fullRange和ZoomWindows-DisplayRange命令，前者設(shè)置Zoom窗口顯示全譜，后者設(shè)置該窗口中的顯示范圍。另外，還有窗口顏色設(shè)置。Filters菜單主要用于數(shù)據(jù)的初步處理，如平滑、去毛刺等。Indentify菜單主要用于物相鑒定，也可以建立用戶自己的PDF卡片。Analyze菜單主要用于尋峰、擬合、背景設(shè)置、角度校正等。常用工具欄中的按鈕及其作用:手動工具欄中的按鈕及其作用:大海撈針法限定條件的檢索法單峰搜索法物相檢索的方法一、大海撈針法（1）打開一個圖譜，不作任何處理，鼠標(biāo)右鍵點擊“S/M”按鈕。根據(jù)檢索列表，從上至下列出最可能的100種物相，一般按“FOM”由小到大的順序排列，F(xiàn)OM是匹配率的倒數(shù)。數(shù)值越小，表示匹配性越高。特點:(1)一般可檢測出主要的物相。

(2)在對樣品無任何己知信息的情況下可用。

(3)在考慮樣品受到污染、反應(yīng)不完全的情況可試用。

(4)不可能檢索出全部物相。

(5)檢索出來的物相可能與實際存在的物相偏差較大。需要其它實驗作進一步證實。二、限定條件的檢索法

限定條件主要指三個方面:(1)限定PDF卡片的子庫。(2)限定檢索的焦點。(3)限定條件最主要的是限定樣品中存在的“元素”或化學(xué)成分。特點：（1）縮小了程序的搜索范圍，限定條件越嚴(yán)格，檢索出來的物相可能越正確。（2）限定元素時，原則上一次限定的元素不超過4個。（3）此方法一般能將剩余相都檢索出來。（4）反復(fù)改變限定條件，程序會給出不同的檢索結(jié)果。三、單峰搜索法前兩種