材料科学中的信息技术应用基础 课件 第9讲 数据库系统

计算机在材料科学中的应用第9讲为提高在梳棉机上纺出的粘棉混纺纱的质量，考察三个二水平因素：试验指标为棉粒结数，该值越小越好，同时考虑交互作用A×B和A×C。请分别采用直观分析法和方差分析法找出使棉粒结数达到最低的水平组合，并排列出各因素对试验指标影响的顺序。试验号ABA×BCA×C误差1误差2棉粒结数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、直观分析法C-A×C-B-A-A×B C选C1，A×C的交互作用大于A，再进行选择。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、方差分析法试验号ABA×BCA×C误差1误差2棉粒结数111111110.30211122220.35312211220.20412222110.305212121205072211221040S0.0120.0350.0200.8750.6240.0120.012f1111122S/f0.0120.0350.0200.8750.6240.0060.006F25.833.33145.8104材料设计：应用相关的信息与知识进行预测并指导人们合成具有预期性能的材料。数据库人工神经网络专家系统本节内容：（信息技术在材料设计与结构分析中的应用）相关概念（1）数据库系统（2）专家系统（3）人工神经网络2.Jade软件在物相检索中的应用（上机）3.1数据库系统概述材料科学中常用的数据库数据库系统概述层次数据模型和网状数据模型关系数据库理论涉及到各种工程和科技领域60’s70-80’s80’s后分布式数据库工程数据库模糊数据库并行数据库多媒体数据库层次数据模型网状数据模型关系数据模型数据库物理存储器数据库软件数据库系统结构数据库系统概述数据一致性、可维护性数据独立性数据共享数据结构化减少数据冗余数据库数据主要特征数据库系统概述i.需求分析了解用户需求基础：最难、耗时影响后续工作数据库设计步骤ii.概念结构设计阶段对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成概念模型iii.逻辑结构设计：将概念结构转换为数据模型，并进行优化iv.物理结构设计：存储结构存储方法数据库系统概述数据库系统概述v.数据库实施建立数据库：编程序+调试+输入数据+试运行vi.数据库的运行和维护数据库系统概述数据库的发展趋势网络化：面向全球用户智能化：单纯的数据检索、浏览→专家系统：提供咨询、帮助决策也可与CAD、CAM配套使用现代化：面向当前的需求商业化：付费—→产品质量和服务质量↗—→双赢标准化：不同单位间共享材料科学中常用的数据库1.PDF（PowderDiffractionFile）标准卡片数据库材料科学中常用的数据库材料科学中常用的数据库2.二元相图数据库材料科学中常用的数据库材料科学中常用的数据库3.晶体学数据库（CrystallographyOpenDatabase，COD数据库）/cod材料科学中常用的数据库4.萨特勒（Sadtler）光谱数据库材料科学中常用的数据库材料科学中常用的数据库5.材料性能数据库/材料科学中常用的数据库6.现代智能化网络数据库Atomly材料科学中常用的数据库（1）“更多、更强”的数据材料科学中常用的数据库（2）创新型材料设计方法采用Jade软件进行物相分析时，比对下列哪个数据库？（）PDF标准卡片数据库COD晶体学数据库二元相图数据库Sadtler光谱数据库ABCD提交单选题1分当需要分析红外光谱时，我们需要比对哪个数据库？（）PDF标准卡片数据库COD晶体学数据库二元相图数据库Sadtler光谱数据库ABCD提交单选题1分3.2专家系统历史与发展工作原理类型材料科学中典型的专家系统历史与发展第一代专家系统（DENDRAL系统，1965-1971），具有高度专业化与求解能力强的特点，但在体系结构的完整性、可移植性与灵活性方面存在短板。第二代专家系统（用于血液感染病诊断的MYCIN系统，1972-1981），首次提出知识库概念，改进了系统结构的完整性和移植性，同时在人机接口、解释机制、知识获取、知识表示等方面均有所提升。第三代专家系统（集成多种知识表示方法和多种推理机制及控制策略研发的多学科综合性专家系统，1981-1995），这一时期专家系统逐步被市场接受，开始应用于医学、地质勘探、科学研究、企业管理、工业控制、故障排除等领域。第四代专家系统（新一代专家系统，1996-至今），在计算机科学和人工智能理论快速发展的基础上，将知识工程、模糊技术、实时操作技术、神经网络技术、数据库技术等有机结合，通过并行与分布处理、多专家系统协同工作、多知识表示、自组织解题机制、人工神经网络知识获取及机器学习与纠错机制等技术形成的具有多知识库、多主体的专家系统。工作原理—→代替人进行推理、咨询、决策在某些方面（数据量大、复杂），优于人类专家工作原理什么是专家系统(ExpertSystem,ES)？专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。“数据结构+算法=程序”×传统：专家系统：“知识+推理=系统”√工作原理存储和管理专家知识存储求解问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据以及最终的推理结论根据知识库和数据库推理

核心类型解释专家系统（interpretationES）预测专家系统（predictionES)诊断专家系统（diagnosisES）设计专家系统（designES）规划专家系统（planningES）监视专家系统（monitoringES）控制专家系统（controlES）调试专家系统（debuggingES）教学专家系统（instructionES）修理专家系统（repairES）材料科学中的典型专家系统1.铸造工艺专家系统伯明翰大学研发的CADcast专家系统构建了用于选择合金和铸造方法的知识库，根据合金种类可初步选择与其匹配的铸造方法，同时还可根据零件结构进行调整。西北工业大学研发的铸造工艺CAD产生式专家系统开发工具，该系统中知识库与数据库通过两种方式耦合，具有经验与标准相结合的特点，能够提供近七种铸造方法。铸造方法选择专家系统美国亚拉巴马大学研究者开发的砂型铸造轻金属铸件浇冒设计专家系统RDEX可以确定分型方向和分型面，识别壁厚区域，进一步确定冒口、

自然流道和浇口位置。美国宾夕法尼亚州并行技术公司开发人员通过基于启发性知识和几何分析的集成方法进行浇冒系统的自动、优化设计，开发了适用于复杂形状铸件的点模数模型，更有效地分析三维铸件的壁厚。国内的沈阳工业大学针对轧钢机机架铸造工艺，建立了知识层次结构模型，进而进行了造型、制芯方法、铸造种类选择、浇注位置、分型面选择与浇冒系统设计。材料科学中的典型专家系统浇冒设计专家系统材料科学中的典型专家系统2.热处理专家系统

主要应用于碳钢和低合金钢的热处理设计过程，包含生产周期的优化、辅助材料的选择以及构件设计等方面。材料科学中的典型专家系统3.水泥厂化验室专家系统/武汉亿胜科技有限公司

总结了几百家水泥厂化验室的工作经验，针对当前水泥厂普遍存在的一些技术问题，并经国家水泥质量监督检验中心认可，中国水泥协会推荐的适用于所有水泥厂的微机质量分析、决策的管理系统。有报表自动汇总、产质量分析、最佳配料方案、最佳磨机级配、最佳石膏掺量、最佳粉磨细度、最佳混合材掺量、窑况判断和自动预报结窑和生烧情况、智能化配料计算和智能化配球计算、设备故障原因分析和排除、远程通讯、技术咨询等。材料科学中的典型专家系统4.汽车冲压件选材专家系统南京航空航天大学汽车左车门内板选材实例材料科学中的典型专家系统汽车左车门内板选材实例材料科学中的典型专家系统汽车左车门内板选材实例材料科学中的典型专家系统汽车左车门内板选材实例专家系统的核心是（）知识库数据库推理机解释器ABCD提交单选题1分3.3人工神经网络概述学习方法与规则在材料科学中的应用概述ChatGPT人工智能聊天软件2017年7月20日，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，并将在制造、金融、农业、物流、商务、家居等重点行业和领域开展人工智能应用试点示范工作。人工智能便是基于人工神经网络发展而来的，人工神经网络的信息处理是由神经元之间的相互作用来实现的，知识与信息的存储表现为网络元件互连间分布式的物理联系。概述人脑的信息处理机制是在漫长的进化过程中形成的。到目前为止，人类对大脑是如何处理信息以及如何进行思维的只有粗浅的认识。在此基础上，以数学和物理方法并从信息处理的角度对人脑生物神经网络进行抽象，并建立某种简化模型，即人工神经网络，ANN。简化模型人工神经网络是一种旨在模仿人脑结构及其功能的脑式智能信息处理系统。概述人工神经网络的特点能力自学习自组织自适应性自学习功能1联想存储功能2高速寻找最优解功能3学习方法与规则Hebb学习规则

Widow-Hoff学习规则两个神经元同时处于激发状态时，连接强度与教师信号和网络实际输出之差成正比。有监督Hebb学习规则将上述两者结合起来

在材料科学中的应用1.在材料设计和成分优化中的应用国内学者蔡煜东等采用人工神经网络BP模型建立了化合物、金属元素参数与氧心结构（非氧心结构）之间的复杂对应关系。东北大学的张国英等在试验的基础上，提出将材料（Co-Ni二次硬化钢）的力学性能作为网络的输入量，材料的其他合金成分（C，Ni，Cr，Mo）及热处理温度（时效、淬火）作为网络的输出，采用反向传播算法（BP）建立了8×16×6网络结构，利用这个反映试验数据内在人工神经网络的数学模型，根据对材料的力学性能要求，直接确定各种合金成分含量和热处理温度。在材料科学中的应用2.在材料力学性能预测中的应用学者Myllylcoski用生产线上获得的数据，建立了能较准确地预测轧制带钢力学性能的人工神经网络模型。南京航空航天大学的李水乡等采用人工神经网络BP算法，将编织工艺参数作为人工神经网络的输入，将弹性模量及强度性能作为输出，建立了编织工艺参数与力学性能的人工神经网络模型。西北工业大学的刘马宝等人以铝合金LY12CZ为例，在试验数据的基础上，利用人工神经网络首次建立了预测超塑变形后材料的室温性能指标，并且充分反映了超塑变形工艺参数对其室温机械性能变化的影响规律。专家系统和人工神经网络工作原理有何区别？专家系统利用知识库解决已知问题；神经网络利用知识库学习用以解决未知问题。专家系统依赖于知识库的完善。神经网络依赖于知识学习训练。3.4Jade软件在物相分析中的应用Jade软件是一款常用的材料结构分析软件，通过将样品的衍射图谱与标准图谱进行比对，获得材料的结构信息。主要功能：1、物相检索2、图谱拟合3、结构精修4、晶粒大小和微观应变5、*残余应力6、*物相定量物相检索也就是“物相定性分析”。它的基本原理是基于以下三条原则:（1）任何一种物相都有其特征的衍射谱;（2）任何两种物相的衍射谱不可能完全相同;（3）多相样品的衍射峰是各物相的简单叠加。物相检索的步骤包括:①给出检索条件；

检索子库、样品的元素组成、其他检索条件②计算机按照给定的检索条件进行检索；FOM排序③从列表中检定出一定存在的物相（人工完成）；④观察是否还有没被检出的衍射峰。判定物相是否存在的条件（1）PDF卡片中的峰位与测量谱的峰位是否匹配。（2）PDF卡片的峰强比（I/I0）与样品峰的峰强比（I/I0）要大致相同。（3）检索出来的物相包含的元素在样品中必须存在。基本功能介绍Edit菜单

在这个菜单中，有三个Copy命令，前两个Copy命令是复制当前图像窗口，另外一个是复制数据到剪贴板。Preferences命令打开一个对话框，在这里可以设置显示、仪器、报告和个性化的参数。CopyVectorplotCopyBitmapimageCopyPatterndataPDF菜单在Jade作物相检索前，必须导入ICDDPDF卡片索引。这个命令打开PDF-Setup对话框，建立PDF卡片索引。输入卡片编号，对其信息进行查询。Options菜单

Jade的高级操作都包含在这里。这个菜单中主要的功能有:CeIIRefinement:晶胞晶修，即点阵常数精确测量。CalculateStress:残余应力测量。View菜单这个菜单中主要有ZoomWindow-fullRange和ZoomWindows-DisplayRange命令，前者设置Zoom窗口显示全谱，后者设置该窗口中的显示范围。另外，还有窗口颜色设置。Filters菜单主要用于数据的初步处理，如平滑、去毛刺等。Indentify菜单主要用于物相鉴定，也可以建立用户自己的PDF卡片。Analyze菜单主要用于寻峰、拟合、背景设置、角度校正等。常用工具栏中的按钮及其作用:手动工具栏中的按钮及其作用:大海捞针法限定条件的检索法单峰搜索法物相检索的方法一、大海捞针法（1）打开一个图谱，不作任何处理，鼠标右键点击“S/M”按钮。根据检索列表，从上至下列出最可能的100种物相，一般按“FOM”由小到大的顺序排列，FOM是匹配率的倒数。数值越小，表示匹配性越高。特点:(1)一般可检测出主要的物相。

(2)在对样品无任何己知信息的情况下可用。

(3)在考虑样品受到污染、反应不完全的情况可试用。

(4)不可能检索出全部物相。

(5)检索出来的物相可能与实际存在的物相偏差较大。需要其它实验作进一步证实。二、限定条件的检索法

限定条件主要指三个方面:(1)限定PDF卡片的子库。(2)限定检索的焦点。(3)限定条件最主要的是限定样品中存在的“元素”或化学成分。特点：（1）缩小了程序的搜索范围，限定条件越严格，检索出来的物相可能越正确。（2）限定元素时，原则上一次限定的元素不超过4个。（3）此方法一般能将剩余相都检索出来。（4）反复改变限定条件，程序会给出不同的检索结果。三、单峰搜索法前两种