材料科學數據平臺的研究及開發(fā)狀況

張大全，吳崇田，陸鋮俊，杜海舟

(上海電力學院a.能源與環(huán)境工程學院，b.計算機與信息工程學院，上海 200090)

材料科學數據是國家經濟和基礎設施建設、國防工程建設，材料科學技術創(chuàng)新不可缺少的重要基礎信息［1-4］.隨著計算機技術的發(fā)展，材料科學與信息科技之間相互交叉滲透所形成的材料信息學科，已成為材料研究的重要方向之一［5-9］.材料信息系統對材料的研究、開發(fā)、生產、推廣、使用及材料科學知識的普及教育起著越來越重要的作用［10-12］.我國在材料信息系統建設方面起步較晚，主要表現在:數據庫規(guī)模小、進程慢，服務質量差，商業(yè)化程度不高，標準化工作不及時，投入少產值低，學科發(fā)展不平衡，低水平重復現象嚴重等［13，14］.我國科技基礎條件建設的滯后與薄弱，已嚴重影響了我國科技創(chuàng)新能力和國際競爭力的提高.因此，加快材料科學數據庫建設已成為我國迫切需要解決的問題.目前，國家已啟動“材料科學數據共享網”的建設，該項目以教育部為依托單位，北京科技大學、中科院金屬所、西北工業(yè)大學為項目牽頭單位，全國高校、科研院所的共15家單位參與，協調分工，密切配合，共同搭建具有公益性、基礎性、戰(zhàn)略性的科研基礎條件平臺.上海電力學院承擔其中的“電力能源材料數據共享的結點規(guī)劃與框架建設”子課題，這是上海地方高校首次參與國家科研基礎條件平臺建設項目.本文主要介紹國內外材料科學數據平臺建設的研究開發(fā)現狀，并對電力能源材料數據共享平臺前期建設工作進行初步的總結.

1 國外材料科學數據共享發(fā)展概況

在過去幾十年中，以有效數據為基礎的材料設計和選擇得到快速發(fā)展，發(fā)達國家和新興工業(yè)化國家都在積極建立各種材料科學數據庫.美國國家標準局建立了材料力學性能數據庫、合金相圖數據庫、陶瓷相圖數據庫、材料腐蝕數據庫、材料摩擦及磨損數據庫等.德國技術實驗協會的金屬數據庫收錄了3 000種黑色和有色金屬的20 000多條數據［15，16］.法國共建有材料數據庫4O多個，內容覆蓋了大部分工業(yè)材料，法國物理冶金熱力學實驗室為鋯合金在核工業(yè)中的應用開發(fā)了鋯合金熱力學數據庫Zireobase［17］.英國的有色金屬數據中心、石油化學公司、鋼鐵公司、金屬研究所、國家物理實驗室等單位都建有各自的材料性能數據庫［18］.荷蘭PETTER歐洲研究中心的高溫材料數據庫(HT-DB)收錄了金屬、非金屬和復合材料的力學和熱力學數據.俄羅斯科學院建立的無機材料性能數據庫，包括了45 000種3元化合物和15 000種4元化合物的特性，超過100種聲-光、電-光和非線性光學材料的特性，以及超過3 000種物質的能帶間隙的數據等.所有這些數據是由相關專業(yè)技術人員從超過23 000篇公開發(fā)表的文獻中進行挑選和鑒別而來的［19］.

在亞洲國家中，日本是較早進行材料數據收集、整理加工和應用的國家.日本國立材料科學研究院(NIMS)于2001年建立了材料信息技術研究所，整合了自己所建立的11個材料數據庫系統，其中有4個是關于結構材料的，2個涉及超導材料，1個聚合物數據庫和4個物理性質數據庫，系統內含有1個綜合性的檢索系統MAT NAVI，可方便進行各種檢索(http://mits.nims.go.jp/db_top_eng.htm).日本金屬研究所、日本金屬學會建有金屬和復合材料力學性能數據庫［20，21］，其中收錄了疲勞、斷裂、腐蝕、高溫長時蠕變等數據.2000年日本政府基金支持建立了碳/環(huán)氧材料性能及其對環(huán)境抗力設計評估數據庫.日本科學技術公司開發(fā)了基于網絡的支持擴散研究和材料設計的固體擴散數據庫，收錄了包括鐵基、鎳基和鋯基合金及鎢合金等金屬和核材料.韓國的數據庫產業(yè)起步于20世紀70年代初，當時韓國科學技術信息中心主要利用外國數據庫向公眾提供數據服務.韓國政府的數據庫產業(yè)技術開發(fā)集中于標準化、多媒體技術等方面，韓國材料信息中心建立了合金多元相圖數據庫.2007年韓國啟動了“材料數據銀行”項目，第一個5年計劃投資折合人民幣約5 000萬元，構建金屬、陶瓷和化學品3個分數據庫.該項目包括3方面的內容:構建聯合的材料數據信息系統滿足應用為導向的信息傳播的需求;通過國際合作和網絡系統對材料高級性能的查詢;對材料專業(yè)技術人員進行材料信息學教育以提高其研究和開發(fā)能力［22］.

由于數據庫涉及面廣，通過多個單位甚至幾個國家聯合建庫，推動科學數據的國際交流和共享已得到廣泛認可.例如美國金屬學會、陶瓷學會、腐蝕工程師協會與能源部合作建立了美國國家標準局的許多材料數據庫;美國與加拿大等國聯合完成了美國晶體數據中心;美國金屬學會與英國金屬學會合作開發(fā)了一個大型材料數據庫——金屬數據文檔庫，庫中收錄了2萬種金屬和合金的性能數據［23，24］.美、英、法、德、意大利、加拿大等7大工業(yè)國開展了有關先進材料及其標準的“凡爾賽計劃”(VAMAS)［25，26］.該計劃的首要任務就是提高材料性能測試的精確性，確保這些數據得到實際有效的應用.該計劃在歐洲標準化委員會框架內啟動各種工作組項目，其中包括提高技術人員對工程材料性能數據交流經驗和交流標準的認識.中日合作開發(fā)的MatGuide網站就是服務于跨國鋼鐵材料選擇的商業(yè)網站，這也將成為現代材料數據庫的重要分支方向.

2 我國材料科學數據共享現狀

我國數據庫的發(fā)展始于20世紀70年代，1977年11月召開了第一次全國數據庫學術會議，對我國開展數據庫技術的研究和應用起到了推動作用.我國的數據庫主要分布在各行業(yè)的科研、高校和工廠等單位.中科院是我國科學數據庫重要的研究開發(fā)單位，1979年中國科學院化工冶金所與上海有機所共同建立了化學數據庫，該數據庫包含10多個子庫，其中材料數據庫是其重要的組成部分［27］.中科院硅酸鹽研究所建立的古陶瓷數據庫，包括中國古陶瓷物理化學數據庫和古陶瓷器型結構數據庫.中科院大連化學物理研究所建立的儲氫材料數據庫，包括300多種儲氫材料，涵蓋了大部分的金屬有機骨架化合物和一部分復雜氫化物.該數據庫還提供了在不同溫度和壓力下材料的儲氫量，并配以分子式、所屬類別、晶體結構信息、結構譜圖，以及合成制備方法等.中科院沈陽金屬所建立的材料數據庫包括61 300條數據，7個分數據庫，涵蓋超合金、鈦合金、納米材料、管道材料、材料焊接、材料腐蝕和材料失效分析等內容.中科院長春應用化學研究所建立了應用化學數據庫，它包括稀土萃取數據庫、稀土物理化學性質數據庫、碳-13 NMR數據庫和化合物活性數據庫等.1983年，中科院提出了“科學數據庫及其信息系統”的重大項目，2000年中科院啟動知識創(chuàng)新工程信息化建設的重大專項.這些重大項目旨在將科學研究中積累起來的、分散的專業(yè)數據庫通過不斷發(fā)展的計算機技術、數據庫技術和網絡技術加以集成，提供共享.已建立的中科院科學數據庫中心，涵蓋了中科院學科領域的各個方面.

在國內高教系統，根據中國高科技研究發(fā)展計劃對新材料領域的要求，1990年清華大學材料研究所等單位聯合建成了新材料數據庫［28］，包括新型金屬和合金、精細陶瓷、新型高分子材料、先進復合材料和非晶態(tài)材料5個子庫.北京科技大學等長期致力于材料腐蝕數據庫的研究與開發(fā)，西北工業(yè)大學則在C/C復合材料數據庫開發(fā)方面具有特色.河南工業(yè)大學開發(fā)了耐火材料科學數據共享平臺，包括9個信息資源子庫，目前數據庫信息總量近90 000條.蘭州理工大學建立了耐磨料磨損材料數據庫系統，實現對耐磨料磨損材料的信息存儲、管理、查詢等功能，從而采用定量關系進行選材，為生產工藝提供輔助依據［29］.山東大學針對航空難加工材料的車、銑、鉆、鏜切削方式，建立了基于B/S結構的難加工材料切削數據庫系統，并開發(fā)了相應的應用程序.

其他建立較早、較完善的材料數據庫還有［30］:航空航天工業(yè)部材料數據中心和北京航空材料研究所聯合建立的航空材料數據庫和國家863復合材料數據庫;武漢材料保護研究所的腐蝕數據庫和摩擦數據庫;上海材料研究所等單位建立的機械工程材料數據庫;鄭州機械研究所的機械強度數據庫;機械科學研究總院建立的工程材料數據共享平臺，除了分出鋼鐵、有色金屬和非金屬3大類材料外，還將型材、典型和常用零部件材料和新材料列入數據體系;北京機電研究所的材料熱處理數據庫;機械電子工業(yè)部機械結構強度數據庫;冶金工業(yè)部北京鋼鐵研究總院的合金鋼數據庫;有色金屬研究總院創(chuàng)建的有色金屬數據庫，收錄了360種鋁合金數據，還包括銅合金和部分稀有金屬數據;西北有色金屬研究院建立了鈦合金材料數據庫等.這些數據庫是基于各個部門的需求建立的，具有一定的材料數據量，但是其數據重復和差異問題突出，相互之間的聯系和共享機制還沒有建立.

目前，國內建立起來的一些材料數據庫系統，得到大規(guī)模實際應用的不多［31］.值得一提的是我國有關材料自然環(huán)境腐蝕數據積累具有特色.20世紀50年代，由國家科委牽頭，中國科學院及有關工業(yè)部門的研究單位參加，開始建設我國材料大氣、海水、土壤腐蝕試驗網站，投試材料，積累數據，為制訂材料和產品的有關標準與規(guī)范提供依據.在60年代和70年代，這項工作一度被中斷.從80年代起，國家科委和國家自然科學基金委員會連續(xù)資助了“材料大氣、海水、土壤腐蝕數據積累及基礎研究”等重點和重大項目，所獲得材料環(huán)境腐蝕數據在長江三峽工程、西氣東輸工程、海上石油平臺、杭州灣大橋工程等重大工程建設方面發(fā)揮了重要作用.目前，國家材料自然環(huán)境腐蝕實驗臺網設有大氣環(huán)境腐蝕試驗站13個，水環(huán)境腐蝕試驗站6個，土壤環(huán)境腐蝕試驗站9個，不間斷地進行材料腐蝕數據積累和信息化工作，部分研究成果在國家建設和國防重大工程防腐設計與選材、防腐規(guī)范與標準制訂、材料生產，以及新材料的研究開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用.如何快速提高我國材料數據庫的公眾服務水平是一個急需解決的問題.雖然可以借鑒國外一些成熟數據庫系統的產業(yè)化運行模式，但由于各國的語言和材料標準不同，材料的應用環(huán)境和對象不同，完全依靠引進國外材料數據庫是不現實的.

3 材料科學數據共享存在的問題

在科技競爭日益激烈的今天，我國材料科學數據庫少，收錄的材料種類和材料的數據量少，而且數據庫大多分別建設于不同的部門系統，沒有形成真正的數據共享.無論與發(fā)達國家相比，還是與科技經濟發(fā)展日益增長的需求相比，差距都很大.目前我國材料科學數據共享存在以下幾方面的問題［32-34］.

(1)缺乏國家層面的整體規(guī)劃，分散浪費，布局不合理.由于沒有明確的數據共享政策和法規(guī)，造成數據不能很好共享.科學數據共享與計算機信息技術的發(fā)展密切相關，我國數據庫技術應用落后于信息技術的發(fā)展水平，缺乏統一的數據庫開發(fā)語言和網絡技術標準，不同的數據庫之間的數據結構不統一，以至材料科學數據很少能夠通過互聯網提供共享服務.

(2)財政投入總量不夠，配置不當.目前主要的材料科學共享數據庫的開發(fā)和建立完全依靠科研項目經費的支持，經費不充足，所以在數據的收集、整理和共享上存在困難，數據共享系統的正常運轉難以保障.

(3)管理體制與方式不適應科技創(chuàng)新的要求，材料科學數據管理、積累和應用處于十分落后的狀態(tài).大量數據分散在條塊分割和相對封閉的各部門中，共享機制缺乏，利用率低.各個單位在從事材料研究、生產和應用中產生了大量的試驗、工藝和測試數據，由于沒有建立完善的數據共享與服務體系，使得科技工作者不能及時了解材料發(fā)展動態(tài)，以至于低水平重復研究現象較為突出.

(4)評價和激勵機制不合理，復合型人員缺乏.缺少數據庫產業(yè)發(fā)展的鼓勵政策和措施，無法保護數據提供者的知識產權和經濟利益.從事材料科學數據庫開發(fā)的計算機開發(fā)人員并不具備材料科學知識，材料工作者的數據庫和網絡技術欠缺，缺少復合型的材料信息專業(yè)技術人才.

4 電力能源材料數據共享建設狀況

電力工業(yè)是國民經濟和社會發(fā)展的重要基礎產業(yè)，高新材料的開發(fā)與應用是電力生產安全經濟運行的重要保證.電力能源材料科學數據是電力工程與電站設備設計、制造與服役安全評估，以及新材料研發(fā)等活動不可缺少的重要信息，是工程設計、產品設計的依據，不但關系到工程、產品的質量與成本，而且關系到重大工程的服役安全，也關系到產品的失效分析、壽命預測的準確性.

目前我國還沒有完善的電力能源材料數據庫，相關數據庫中有關電力能源材料的大多集中在鋼鐵材料，如山東電力研究院在VB中應用Active X數據對象開發(fā)了“電廠金屬材料數據庫管理系統”［34］;中國核動力研究設計院進行了核電工程材料數據庫的設計.但是這些數據庫結構不統一，沒有形成真正的數據共享.鋼鐵研究總院研究了超超臨界火電機組用鋼性能數據庫和相應的管理系統，數據庫中收錄了18種鐵素體鋼，16種奧氏體鋼，3種鎳基高溫合金，共計37個鋼種，1 115條數據［35］.但是國內對于超(超)臨界火電機組材料和風電材料數據庫系統的開發(fā)較少，存在數據庫規(guī)模小、數據量少等問題，遠不能滿足電力能源材料研究與開發(fā)的迫切需求.

在“國家材料科學數據共享網”的結構體系下，我們首先進行了電力能源材料科學數據的結點規(guī)劃和框架設計，以滿足電力能源工程中材料應用為主線、為電力工程設計提供依據、從而突出電力能源材料數據庫特色的要求.我們的前期工作主要是通過收集資料與資源整合，進行電力能源材料的數據共享資源結點規(guī)劃，按照材料分類體系和電力能源材料特點，將數據資源整合為5大類，13個亞類，23個數據表.根據現實情況將數據庫建模，將概念模型轉化為E/R圖(實體-聯系圖)，再轉化為具體的關系模式.電力能源材料數據庫的簡單E/R圖見圖1.

圖1 電力能源材料數據庫的簡單E/R示意

電力能源材料數據庫的材料亞類表見表1.

我們選用oracle10g數據庫和相應的plsqldev前臺開發(fā)軟件，保證能夠有效、方便地儲存、管理、加工和恢復各種類型的數據，保證系統安全并控制數據冗余，為不同訪問權限的用戶提供數據查詢與服務支持.采用搜集公開數據(利用中國知網、維普期刊、書籍)、歸納整理內部資料等多種方式搜集了大量的文獻資料.查閱公開發(fā)行的書籍、手冊;歸納整理了內部資料如《火力發(fā)電廠金屬材料手冊》、《電廠金屬材料》、《汽輪機、鍋爐、發(fā)電機金屬材料手冊》等科學數據與資訊，同時對自有數據進行整理，對不同來源數據進行甄別和鑒定，確保數據的可靠性.此外，我們還致力于電廠常用材料的各種標準數據、報告及失效案例，快速地對材料和失效方式等進行查詢、修改及編輯，從而為電廠的正常運行服務，對于維護電站設備的安全正常運行有著積極的社會和經濟效益.目前開始進行發(fā)電機轉子及其附件用鋼、汽輪機葉片用鋼、銅合金熱交換管等亞類表材料數據的錄入.現階段正在進行對超(超)臨界材料、風電材料等數據資源的搜集和整合工作，以增加數據涵蓋面.為了保證將材料科學數據共享網真正建設成為國家級的數據庫，數據內容的英文版也在同步建設.

表1 電力能源材料(137)數據庫的材料亞類

5 結語

標準的材料科學數據庫系統的建立，對材料的研究開發(fā)、生產、銷售、使用和改進等工作具有重要意義，可為現代化的產品設計和生產提供強有力的支持.建立材料數據共享網是一項艱巨的任務，目前不論是電力能源行業(yè)中的正確選材與科學用材，還是從電力能源材料領域的創(chuàng)新研究和高新技術的發(fā)展來看，我國對電力能源材料科學數據的需求十分迫切.同時，新材料的不斷研究開發(fā)，更要求電力能源材料數據庫進行持續(xù)不斷地更新、補充.因此，各級科研管理部門應該加大投入，制定統一的管理條例，以推動材料數據庫建庫工作的健康發(fā)展.此外，要加強校企合作，注重數據庫與人工智能及專家系統的結合，以滿足電力材料監(jiān)督技術工作的要求，提高電力能源材料數據庫開發(fā)的效率和效益.

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