Разработка концепции интегрированной информационной системы по свойствам авиационных материалов с возможностью расчета характеристик разрабатываемых новых материалов

Введение

Для успешного развития экономики необходимо повышение эффективности производства, а также конкурентоспособности продукции на внутреннем и внешнем рынках, основанное на модернизации промышленной сферы. Немаловажную роль в этом играет разработка и внедрение новых материалов с принципиально улучшенным комплексом свойств в ведущих отраслях промышленности. Многолетняя практика показывает, что более 80% инновационных разработок базируется на внедрении новых материалов и технологий их производства [1, 2]. Для этого необходимо повышение значения науки в производстве, основанное на ускорении научных исследований и опытно-конструкторских работ, а также повышении их эффективности. Это в свою очередь требует облегчения доступа к необходимой информации, автоматизации научных исследований и опытно-конструкторских работ, увеличения доли расчетно-аналитических методов в НИОКР. Решение этих задач возможно только при широком использовании информационных технологий. Информатизация НИОКР снизит затраты на НИР и уменьшит сроки создания новых материалов с заданными свойствами, ускорит поиск и выбор материалов, необходимых для разработки новых образцов техники в авиационной, энергетической, машиностроительной и других отраслях промышленности.

Обсуждение концепции

В настоящее время в ВИАМ накоплено достаточно большое количество данных по свойствам авиационных материалов собственной разработки [3–6]. Также специалистами ВИАМ проведен ряд исследований по изучению зависимостей «состав–свойства» [7] и установлению взаимосвязи между структурой материала и его свойствами [8, 9]. Кроме того, аналогичные данные накоплены и в других организациях, занимающихся проблемами разработки новых материалов [10]. В качестве примера можно привести базы данных по материаловедческим и физико-химическим характеристикам – Springer Materials, ASM Handbooks, Mat Web, MMPDS, БД ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова. К сожалению, эти данные носят разрозненный характер и зачастую не хранятся в электронном виде. Для повышения эффективности использования этих данных необходимо провести их сбор, систематизацию и формализацию в единой информационной системе, обеспечивающей «прозрачный» доступ исследователей к этим данным, а также предусмотреть механизм их обработки, позволяющий прогнозировать свойства новых материалов.

Похожая задача сформулирована в работе [11], но она описывает разработку интеллектуальной информационной системы, предназначенной для доступа к разнородным базам данных библиографической и фактографической информации.

К сожалению, для решения сформулированных выше задач этого недостаточно. Требуется также возможность теоретического расчета и прогнозирования свойств новых материалов на основе использования накопленных данных для создания математических моделей, необходимых для выполнения прогнозов. Задачи построения математических моделей частично можно решить с помощью таких программных продуктов, как FactSage, MTDATA, PANDAT, Thermo-Calc, NUCLEA/GEMINI и других. Однако эти продукты предназначены для расчета термодинамических равновесий, фазовых диаграмм многокомпонентных систем, а этих данных недостаточно для построения математических моделей «состав–свойство». Кроме того, эти программные продукты имеют различные форматы выходных данных, что требует решения задачи приведения их к единому виду.

Анализ опубликованной научно-технической информации позволяет сделать вывод, что в настоящее время основные усилия по разработке и внедрению направлены на следующие классы информационных систем:

1. Системы, предназначенные для моделирования бизнес-процессов, оказания помощи при принятии управленческих решений и управлении предприятиями, – это, пожалуй, наиболее многочисленный класс.

2. Системы, предназначенные для управления технологическими процессами и их оптимизации, – наиболее традиционный класс.

3. Системы, предназначенные для поиска библиографической и фактографической информации, – передовые методы в постоянно расширяющемся информационном пространстве.

Упоминаемые в литературе информационные системы поддержки научных исследований сводятся либо к управлению параметрами эксперимента (экспериментальной установкой), либо к автоматизации сбора экспериментальных данных, либо к поиску информации по различным источникам. Первые два направления являются специализированными АСУТП, а последнее – вариантом информационно-поисковых систем, для которых поле поиска ограничено предметной областью конкретного научного направления [12].

Опубликованных сведений об информационных системах, ориентированных на прогнозирование свойств новых материалов и их структуры, практически нет. Это не означает, что такие системы не существуют, так как имеется довольно большое количество научных работ, посвященных разработке различных методов расчета физико-химических свойств сложных систем, их структуры, фазовых равновесий в многокомпонентных системах и тому подобного [13–15]. Вероятнее всего на основе таких работ различными компаниями разрабатываются внутренние специфически ориентированные информационные системы, входящие в пакеты ноу-хау этих компаний.

С учетом из вышеизложенного, концепцией разрабатываемой интегрированной информационной системы (ИИС) является создание системы, предназначенной для:

– сбора, первичной обработки, формализации и хранения исходных данных;

– формализации и хранения экспериментальных значений характеристик материала, влияющих на его эксплуатационные свойства;

– расчета промежуточных данных, основанных на математических моделях процессов, происходящих в многокомпонентных гетерогенных системах;

– построения математических моделей «состав–свойство» для прогнозирования характеристик, влияющих на эксплуатационные свойства материала;

– проверки соответствия разработанных математических моделей вновь полученным конечным характеристикам, корректировки существующих моделей или разработки новых для других диапазонов исходных данных.

Кроме основной задачи – обеспечения научных исследований по разработке новых материалов, ИИС должна являться справочником конечных характеристик существующих и вновь разработанных материалов для удовлетворения потребностей в информации организаций, занимающихся проектно-конструкторской деятельностью в различных отраслях промышленности.

Такая интегрированная информационная система (накопление, хранение+расчеты) позволит уменьшить расходы на поиск и создание материалов, обладающих необходимыми свойствами для применения в различных отраслях техники.

Кроме определения основных задач, для решения которых предназначена предлагаемая ИИС, необходимо определить основные критерии ее построения. Исходя из анализа работ, посвященных разработке информационных систем [16–18], в концепцию ИИС включены следующие критерии:

– системный подход;

– иерархическое построение;

– модульность;

– технологическая поэтапность;

– возможность адаптации и модификации.

Системный подход обеспечивает организацию эффективного взаимодействия множества элементов ИИС.

Иерархическое построение ограничивает связи между элементами, упрощая и ускоряя процесс разработки и улучшая технологические параметры (расширяемость, модифицируемость и т. п.).

Модульность на основе требования структурной замкнутости, монолитности и функциональной определенности элемента позволяет проектировать и разрабатывать любой компонент независимо от других, что дает преимущества в развитии системы, гибкости и совместимости с другими системами, легкости и простоте обслуживания. Модульное строение также подразумевает наличие стандартных интерфейсов взаимодействия модулей информационной системы между собой и с компонентами системы ввода/вывода.

Технологическая поэтапность разработки и возможность адаптации/модификации ИИС при изменении внешних требований напрямую связаны с ее модульным строением. Также из модульности вытекают возможности масштабирования системы и расширения области ее использования.

Наличие стандартных интерфейсов межмодульного взаимодействия позволяет организовать вывод и ввод данных в/из любых файлов, описанных в открытых стандартах, соответствующих ГОСТ Р ИСО/МЭК 26300–2010 [19].

Выводы

В конечном итоге, концепция интегрированной информационной системы по свойствам авиационных материалов с возможностью расчета характеристик новых разрабатываемых образцов включает в себя задачи, для решения которых разрабатывается ИИС (сбор, первичная обработка, формализация, хранение и использование исходных и конечных экспериментальных данных; построение и использование математических моделей для прогнозирования конечных характеристик новых авиационных материалов; проверки соответствия и корректировки этих моделей), основные принципы ее построения (системный подход, иерархическая структура, модульность, поэтапность разработки, возможность адаптации и модификации) и описание стандартов данных, соответствующих ГОСТ Р ИСО/МЭК 26300–2010 и предназначенных для обмена с информационными системами сторонних организаций – например, в рамках центров компетенции и трансфера технологий.