Chapter4 數(shù)據(jù)庫和新材料新合金的設(shè)計

計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用王建剛第4章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)本章要點4.1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4.3專家系統(tǒng)4.4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)用計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://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)概述180’s后——涉及到各種工程和科技領(lǐng)域70-80’s——關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論60’s——層次數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型如：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)庫以及多媒體數(shù)據(jù)庫等。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://4.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)80’s后——涉及到各種工程和科技領(lǐng)域70-80’s——關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論關(guān)系型DBMS和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型主要有dBASE，F(xiàn)oxBASE，UNIFY,INFORMIX，INGRES，ORACLE和DB2。它們都是關(guān)系型的(DataBaseManagementSystem,

DBMS)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)2計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://4.1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)數(shù)據(jù)庫軟件；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3三級結(jié)構(gòu)計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3三級結(jié)構(gòu)計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要特征44.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一致性和可維護性數(shù)據(jù)獨立性數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化減少數(shù)據(jù)冗余計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://工程數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用54.1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)境應(yīng)用程序方法庫圖像系統(tǒng)DBMS數(shù)據(jù)庫計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展14.2材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫國外(美國）MDIJade材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫、金屬彈性性能數(shù)據(jù)中心和金屬擴散數(shù)據(jù)中心等。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展14.2材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫材料熱處理數(shù)據(jù)庫—北京機電研究所機械工程材料數(shù)據(jù)庫—上海材料研究所航空材料數(shù)據(jù)庫—航空航天工業(yè)部材料數(shù)據(jù)中心國內(nèi)腐蝕數(shù)據(jù)庫和摩擦數(shù)據(jù)庫—武漢材料保護研究所90’s—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,包括新型金屬和合金、精細陶瓷、新型高分子材料、先進復(fù)合材料和非晶態(tài)材料5個子庫。80’s以來計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://PowerDiffractionFile是X衍射相分析必不可少的、最權(quán)威的工具。到2001年11月，X衍射PDF卡片已多達47卷、87500張，而且每年都在不斷更新和增加。從60年代開始采用計算機來處理PDF卡片。現(xiàn)在使用的PDF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準聯(lián)合委員會組織開發(fā)，采用windows界面。材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例14.2材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫PDFDatabases計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://PDFDatabases計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://5.2材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫沉積工藝預(yù)抽真空20min；預(yù)轟擊清洗15min離子鍍沉積30min后冷卻出爐負偏壓(100-300V)靶電流(35-80A)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PC-PDF檢索系統(tǒng)分析PVD表面涂層材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例1計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://Ti2NPDF17-386材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例1用PC-PDF檢索系統(tǒng)分析PVD表面涂層計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://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。用PC-PDF檢索系統(tǒng)分析PVD表面涂層計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://(/materialtry/clph/Default.asp)MDIJade物相檢索材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用舉例1計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://二元相圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)24.2材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫(http://www.crct.polymtl.ca/)FactSageDatabases計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://5.2材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫美國金屬學(xué)會(ASM)，美國國家標準局(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)2FactSageDatabases計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://5.2材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫陶瓷相圖數(shù)據(jù)庫美國陶瓷學(xué)會，美國國家標準局(ACerS-NIST)Eg,輸入ZrO2-Y2O3二元相圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)2計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://專家系統(tǒng)的歷史和發(fā)展14.3專家系統(tǒng)人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是計算機科學(xué)的一個分支，是20世紀中期產(chǎn)生的并正在迅速發(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、最具實用價值的應(yīng)用領(lǐng)域。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。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://專家系統(tǒng)的工作原理24.3材料科學(xué)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)工作原理圖知識庫推理機專家知識輸入或提問答案計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://專家系統(tǒng)的工作原理24.3材料科學(xué)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)工作原理圖專業(yè)知識WhyHow信息KnowledgebaseGlobaldatabaseReasoningmachineExplicatorInterface計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://（1）知識庫用于存放領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑膶ｉT知識。（2）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)求解期間所產(chǎn)生的中間信息組成。（3）推理機用于解決如何選擇和使用知識庫中的知識。（4）知識獲取機制為實現(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)有系統(tǒng)功能。（5）解釋機制回答用戶提出的各種問題。（6）人機接口實現(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2計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://專家系統(tǒng)的類型34.3專家系統(tǒng)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)（control）

調(diào)試專家系統(tǒng)（debugging）教學(xué)專家系統(tǒng)（instruction）

修理專家系統(tǒng)（repair）計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://1.熱處理工藝專家系統(tǒng)典型專家系統(tǒng)分析44.3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理出最恰當?shù)臒崽幚砉に?，并確定相應(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，并將工藝卡中得有關(guān)信息存儲，以便以后需要時進行使用和研究。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://1.熱處理工藝專家系統(tǒng)典型專家系統(tǒng)分析44.3專家系統(tǒng)（1）信息輸入模塊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)庫中。（2）方案推理及參數(shù)選擇模塊根據(jù)用戶輸入的信息，推理出適當?shù)臒崽幚矸绞剑瑫r選擇出合適的溫度和時間等參數(shù)。（3）方案及參數(shù)調(diào)整模塊修改方案、改變參數(shù)。（4）繪圖打印模塊繪制熱處理工藝曲線。（5）知識庫管理模塊實現(xiàn)專家系統(tǒng)知識庫的維護、完善和補充。（6）系統(tǒng)管理模塊完成方案確定過程中的輔助功能。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://1.熱處理工藝專家系統(tǒng)典型專家系統(tǒng)分析44.3專家系統(tǒng)金屬材料數(shù)據(jù)庫、熱處理工藝數(shù)據(jù)庫和典型零件數(shù)據(jù)庫。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；3）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)；5）確認或修改工藝。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://2.超精淬透性控制專家系統(tǒng)TheSKFSteelExtraHardenabi1ityControlSystem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。淬透性帶寬控制(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性計算預(yù)報(在線聯(lián)機)進行鋼液成分微調(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)?！八箘P孚”典型專家系統(tǒng)分析44.3專家系統(tǒng)計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://2.超精淬透性控制專家系統(tǒng)http://瑞典奧瓦科鋼公司模型中Mo和Mn對鋼淬透性影響示意圖模型考慮了合金元素對不同端淬距離處的淬透性貢獻的差別,對每個端淬距離建立了兩個回歸方程。典型專家系統(tǒng)分析4計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://2.超精淬透性控制專家系統(tǒng)http://瑞典奧瓦科鋼公司SKF系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)框圖典型專家系統(tǒng)分析4計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://http://瑞典奧瓦科鋼公司SKF152鋼的淬透性帶和用戶要求2.超精淬透性控制專家系統(tǒng)典型專家系統(tǒng)分析4計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://復(fù)合材料設(shè)計中，材料選擇專家系統(tǒng)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)庫系統(tǒng)里。這樣使用者就可以通過CAD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家系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)，可有效的應(yīng)用聚合物工程的專門知識進行復(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)用計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://4.4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)，力圖模擬人類處理問題方式去理解和利用信息。（1）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；（2）擅長處理復(fù)雜的多元非線性問題；（3）具有自學(xué)能力。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

(ArtificialNeuralNetwork)1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；輸出層；中間層（隱含層）。輸入層接受到輸入模式的一小部分出層通過連接傳遞給中間層。中間層的輸入模式發(fā)生改變，中間層單元將輸入信號傳遞給輸出層的全部單元。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元是神經(jīng)元，又稱處理單元。θiαjyjW1jW2jWijWnjX1X2X3Xn神經(jīng)元模型圖中神經(jīng)元j有一個輸入集合{X1,X2,···,Xn}和一個單位輸出yj，其數(shù)學(xué)描述為：其中αj(t)和θj(t)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，Wij表示神經(jīng)元之間的連接強度的權(quán)值。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式（1）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)元只與前一層神經(jīng)元相連。（2）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)y1y2ynx1x2xny1y2yny1y2ynx1x2xnx1x2xn計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://（4）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。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://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)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)和此神經(jīng)元連接的各輸入量的權(quán)重。權(quán)重是變量，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（1）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)據(jù)進行比較。（2）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。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和學(xué)習(xí)方法3利用誤差反向傳播（back-propagation，BP）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)過程主要由四部分組成：①輸入模式順傳播；②輸出誤差逆?zhèn)鞑?；③循環(huán)記憶訓(xùn)練；④學(xué)習(xí)結(jié)果判別。計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://2.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ANN實現(xiàn)材料設(shè)計與優(yōu)化一1.材料設(shè)計(MaterialsDesign)計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第五章材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

http://3.材料設(shè)計專家系統(tǒng)材料設(shè)計專家系統(tǒng)：（1）以知識檢索、簡單計算和推理為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)（2）以計算機模擬和運算為基礎(chǔ)的材料設(shè)計專家系統(tǒng)（3