材料腐蝕領(lǐng)域本體下的腐蝕特征元數(shù)據(jù)模型研究

紀(jì) 鋼，劉芳芳，司洞洞

(重慶理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

在工業(yè)生產(chǎn)中，材料在不同環(huán)境下的腐蝕行為及腐蝕數(shù)據(jù)是新產(chǎn)品研發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中耐久性設(shè)計的重要信息資源，由于材料種類繁多、腐蝕過程與環(huán)境因素關(guān)聯(lián)緊密，在材料腐蝕數(shù)據(jù)及環(huán)境因素數(shù)據(jù)不斷積累下，對于材料腐蝕數(shù)據(jù)庫的組成，腐蝕數(shù)據(jù)處理及檢索應(yīng)用中，如何表述材料腐蝕數(shù)據(jù)的基本特征及組成方式就顯得尤為重要。另外，在材料腐蝕數(shù)據(jù)處理中，不同時期對材料腐蝕特征采用的記錄方式不同，導(dǎo)致不同的材料腐蝕應(yīng)用系統(tǒng)之間的記錄數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致，使得材料腐蝕領(lǐng)域各應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)不能交換與共享，給材料腐蝕數(shù)據(jù)的應(yīng)用及專家決策系統(tǒng)的實施帶來嚴(yán)重的影響。隨著材料腐蝕試驗研究的廣泛深入，所獲得的信息量呈指數(shù)增長，其相關(guān)信息也變得更加復(fù)雜。如何有效的進行數(shù)據(jù)組織及表示各數(shù)據(jù)之間的層次關(guān)系，是材料腐蝕特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要重點解決的問題［1］。目前，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，已使用元數(shù)據(jù)的概念來描述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，元數(shù)據(jù)是數(shù)字信息組織和處理的基本工具，它們?yōu)楦鞣N形態(tài)的數(shù)字化信息單元和資源集合提供規(guī)范、普遍的描述基準(zhǔn)和方法。由于信息量的急劇增加，信息之間關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性，使得傳統(tǒng)數(shù)據(jù)表述方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足材料腐蝕特征處理、查詢的需要。本體為基于領(lǐng)域知識的共享和推理提供了堅實的基礎(chǔ)，從而利用本體來指導(dǎo)數(shù)據(jù)的構(gòu)建來保證語義上的一致性。針對材料腐蝕領(lǐng)域元數(shù)據(jù)異構(gòu)問題，利用本體知識在材料腐蝕特征元數(shù)據(jù)層次上建立一種對不同系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)之間進行語義映射的方案，以實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的互操作。所以，有必要在本體方式下，表述材料腐蝕特征元數(shù)據(jù)的組成。

1 材料腐蝕特征及元數(shù)據(jù)

1.1 材料腐蝕特征分析

材料腐蝕即材料在不同環(huán)境中，受環(huán)境因素的種種影響，其表面會出現(xiàn)銹蝕、裂紋、鼓泡等腐蝕特征，這些腐蝕現(xiàn)象從一定程度上反映了材料的抗環(huán)境腐蝕性能，是材料腐蝕學(xué)科中分析和評價材料對環(huán)境適應(yīng)性的一個重要信息。材料腐蝕數(shù)據(jù)處理就是對現(xiàn)實材料的試驗、產(chǎn)品設(shè)計、信息管理和日常活動要產(chǎn)生或處理大量數(shù)據(jù)所進行的工作。在材料進行環(huán)境腐蝕試驗中，直接獲取的是材料腐蝕原始數(shù)據(jù)。其中包括各種材料外觀腐蝕數(shù)據(jù)、力學(xué)性能數(shù)據(jù)以及環(huán)境因素數(shù)據(jù)等，這些原始數(shù)據(jù)中一定關(guān)聯(lián)著材料腐蝕的試驗地點、試驗環(huán)境、試驗方式、應(yīng)用對象等各種信息。為了準(zhǔn)確處理材料腐蝕特征與材料腐蝕試驗狀況、環(huán)境參數(shù)、各種信息之間的關(guān)聯(lián)度等情況，在材料腐蝕特征組成方式中，就需要如何表述好材料腐蝕特征基本實體及屬性。

1.2 材料腐蝕元數(shù)據(jù)的組成

元數(shù)據(jù)(Metadata)就是數(shù)據(jù)之?dāng)?shù)據(jù)或描述原始數(shù)據(jù)的獨立數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)在表述中應(yīng)該是用盡可能少而精的數(shù)據(jù)反映對象盡可能多而全的信息。元數(shù)據(jù)的作用就是元數(shù)據(jù)是數(shù)字信息組織和處理的基本工具，它們?yōu)楦鞣N形態(tài)的數(shù)字化信息單元和資源集合提供規(guī)范、普遍的描述基準(zhǔn)和方法［2］。在基于元數(shù)據(jù)的信息組織中，對于材料腐蝕特征信息來說，其材料腐蝕元數(shù)據(jù)可定義為:

“材料腐蝕元數(shù)據(jù)是一種用來描述材料腐蝕特征基本數(shù)字化信息資源，用于表述材料腐蝕特征、環(huán)境因素信息資源、環(huán)境試驗方式、環(huán)境試驗地點等基本特征及其相互關(guān)系，從而確保這些數(shù)字化信息資源能夠被計算機及其數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自動辨析、分解、提取和分析歸納?！?/p>

從材料腐蝕元數(shù)據(jù)的定義來看，基于元數(shù)據(jù)的信息組織主要用于實現(xiàn)兩個功能:一是較為準(zhǔn)確地描述材料腐蝕信息資源的原始數(shù)據(jù)信息內(nèi)容;二是能夠?qū)崿F(xiàn)腐蝕信息資源的發(fā)現(xiàn)、共享，即實現(xiàn)信息語義的定位、自動辨析、分解、提取等功能，將繁雜信息資源的無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)。所以，在材料腐蝕特征元數(shù)據(jù)表述中，根據(jù)材料產(chǎn)生的腐蝕特征有所不同，材料產(chǎn)生腐蝕的環(huán)境及試驗方式也不同，可表述為實體類元數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)元素元數(shù)據(jù)。

(1)實體類元數(shù)據(jù)。①腐蝕材料:材料在服役期間所用的材料類型;②腐蝕特征:材料在服役期間的腐蝕特征現(xiàn)象;③圖像特征:材料在服役期間的材料外觀腐蝕圖像信息;④ 材料試驗:考核材料腐蝕所進行的各種試驗;⑤環(huán)境因素:對材料腐蝕所影響的環(huán)境因素;⑥腐蝕環(huán)境:材料腐蝕試驗所處的環(huán)境。

(2)屬性數(shù)據(jù)元素元數(shù)據(jù)。①材料類別:腐蝕材料所具備的材料類型，主要有金屬材料、涂層材料、鍍層材料等類別;② 腐蝕特征類別:材料在服役期間所表現(xiàn)的腐蝕特征現(xiàn)象，主要有銹點、裂紋、鼓泡、剝落、斑點、粉化等特征類別;③腐蝕特征分布:材料腐蝕特征整體表述形式，如點狀、塊狀、網(wǎng)狀等腐蝕特征;④ 外觀腐蝕圖像特征:利用圖像記錄材料的腐蝕過程，主要通過顏色、紋理、形狀來表述材料外觀腐蝕特征;⑤腐蝕特征文本描述:用文字對腐蝕的材料進行描述;⑥ 試驗方式:材料在何種條件下進行試驗，主要有自然暴露試驗、人工加速試驗、模擬仿真試驗;⑦試驗地點:材料在何地點進行的腐蝕試驗，主要有重慶江津、海南萬寧、漠河、甘肅敦煌、西藏拉薩等試驗站;⑧腐蝕環(huán)境:材料腐蝕試驗所處的環(huán)境，主要有大氣腐蝕、海洋腐蝕、微生物腐蝕、土壤腐蝕和高溫腐蝕等環(huán)境;⑨ 環(huán)境因素:材料腐蝕所進行的環(huán)境因素，主要包括氣象因素:溫度、濕度、紫外線，介質(zhì)因素:SO2、粉塵等;⑩試驗周期:材料試驗所用時間:主要包括試驗開始時間、試驗結(jié)束時間、檢測周期時間;○11腐蝕特征大小:材料腐蝕特征量化信息，主要包括腐蝕面積、直徑大小、腐蝕特征點個數(shù);○12 腐蝕圖像顏色等級:腐蝕圖像顏色，用紅、綠、藍(lán)色表示，即RGB(0 ～255，0 ～255，0 ～255);○13腐蝕特征等級:對材料外觀腐蝕特征等級的評定，主要包括1～10級。

2 材料腐蝕領(lǐng)域本體的建立

本體是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說明，定義包含4層含義:概念模型(Conceptualization)、明確(Explicit)、形式化(Formal)和共享(Share)，其中，“概念模型”是指通過確定現(xiàn)象的相關(guān)概念對現(xiàn)實世界中的現(xiàn)象進行抽象建模;“明確”是指概念及其之間的關(guān)系都被明確定義;“形式化”是指本體應(yīng)該是機器可讀的;“共享”是指本體中反映的知識是其使用者共同認(rèn)可的。典型的本體一般由概念集合、描述概念特征的屬性、概念之間的關(guān)系、概念和屬性之間的約束組成，它表示了靜態(tài)的領(lǐng)域知識，因此一個本體可認(rèn)為是一種描述某個領(lǐng)域的概念模式。本體是一種技術(shù)，它可以在許多涉及知識表示與共享的環(huán)境下應(yīng)用。

對于材料腐蝕所涉及的本體是一種領(lǐng)域本體，需以材料腐蝕領(lǐng)域方面的特點及認(rèn)知作為基礎(chǔ)背景，進行領(lǐng)域本體的構(gòu)建，對材料腐蝕領(lǐng)域內(nèi)的信息進行一致性地描述，建立概念之間的層次結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，為獲取信息與共享信息提供互操作機制。在材料腐蝕領(lǐng)域中，對于涂層腐蝕材料及金屬腐蝕材料為處理對象。其構(gòu)建材料腐蝕領(lǐng)域本體如圖1所示，為有向無環(huán)圖(directed acyclic graph，DAG)表示。

圖1 材料腐蝕領(lǐng)域本體模型

3 基于本體的材料腐蝕元數(shù)據(jù)模型

3.1 基于本體下的建模元語

“本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”，對本體進行組織分類，本體的基本建模元語主要包括5個部分:

(1)類(classes)或概念(concepts):指客觀存在的任何事物，如行為、任務(wù)、功能等。本體中的類往往具有層次關(guān)系。

(2)關(guān)系(relations):領(lǐng)域中概念間的聯(lián)系和交流，如子類關(guān)系(SubClassof)、部分關(guān)系(Part-of)、非交關(guān)系(DisjoinWith)等。

(3)函數(shù)(functions):是一種特殊關(guān)系，表示多個元素只能唯一確定一個元素的特殊關(guān)系。

(4)公理(Axiom):表示在領(lǐng)域內(nèi)得到共識的永真式斷言，用來約束概念的屬性，概念之間關(guān)系。

(5)實例(instances):用來表示屬于某個概念的個體。

本體描述的是概念及其關(guān)系，如果對材料腐蝕特征其本體應(yīng)包括材料類和描述類。材料腐蝕特征類層次結(jié)構(gòu)是基于各層次的Wordnet名詞產(chǎn)生的，可構(gòu)建一個材料腐蝕類層次結(jié)構(gòu)(如金屬材料、涂層材料)，如圖1所示，葉子節(jié)點表示本體中不同語義范疇和實例。描述類分為低層特征描述和高層語義描述［4］。

3.2 基于本體的材料腐蝕元數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

在材料腐蝕試驗中，材料種類繁多，環(huán)境試驗各不相同，從材料種類的差異性、材料在不同的環(huán)境下腐蝕程度不一致性、以及材料用途的多樣性，從而在材料腐蝕試驗中將產(chǎn)生大量不同種類的元數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與環(huán)境關(guān)聯(lián)緊密的特點。另外，從20世紀(jì)90年代起，各個材料腐蝕信息資源越來越多地被數(shù)字化，且這些數(shù)字化信息的載體、類型和格式在信息的共享上，就可能存在著較大的差異，同時元數(shù)據(jù)的應(yīng)用使資源有了基本的微觀結(jié)構(gòu)，但是元數(shù)據(jù)并不能完全解決信息系統(tǒng)的語義異構(gòu)問題，包括資源采用不同元數(shù)據(jù)方案所造成的微觀結(jié)構(gòu)的異構(gòu)問題以及資源對象之間存在的復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，這就需要在元數(shù)據(jù)之上再建立基于本體的材料腐蝕元數(shù)據(jù)模型來靈活地實現(xiàn)信息系統(tǒng)之間的互操作［5］。

本體將對象或者概念劃分為若干類，每一類還可以劃分成子類，類和子類都可以具有屬性，類或子類的具體體現(xiàn)是其實例，本體的對象關(guān)系遠(yuǎn)比元數(shù)據(jù)復(fù)雜對象類之間可能是層次關(guān)系，可能是組合關(guān)系，還可能是復(fù)雜的邏輯關(guān)系，所以，元數(shù)據(jù)展示的關(guān)系是樹形的，那么本體展示的關(guān)系則是網(wǎng)狀的。建立基于本體的元數(shù)據(jù)模型，可以將元數(shù)據(jù)中實體類的含義、類間的關(guān)系更加明確地表達出來［6-8］。針對材料腐蝕特征元數(shù)據(jù)的特點，基于本體的元數(shù)據(jù)模型構(gòu)建為一個六元組，記作:

其中:

(1)T是術(shù)語集，T中主要包括概念術(shù)語(用C表示)和概念屬性術(shù)語(用A表示)，記為T={C，A}。比如{腐蝕材料，試驗方式，試驗地點，試驗周期，銹蝕，鼓泡，顏色等}

(2)X是實例集，實體類概念術(shù)語的對象的集合。?s?X，?C，且C?T，s=＜Name，C＞表示實例s是屬于C這個實體類。比如＜鋼鐵，金屬材料＞，＜感光涂層材料，涂層材料＞，＜江津試驗站，試驗地點＞，＜海南試驗站，試驗地點＞等。

(3)Td表示術(shù)語定義集，用構(gòu)造符號來實現(xiàn)多個術(shù)語定義一個術(shù)語的集合。{腐蝕材料≡材料∩?有腐蝕，文本描述≡試驗方式∩實驗地點∩實驗日期，金屬腐蝕材料?有銹蝕，涂層腐蝕材料?有銹蝕∪有鼓泡，實驗方式≡庫內(nèi)暴露∪戶外暴露，實驗地點≡江津∪海南∪敦煌，銹蝕?顏色∩面積∩形狀，江津試驗站?濕度∩溫度∩SO2∩粉塵，敦煌?溫度∩紫外線，海南?濕度∩溫度∩紫外線∩Na+}，

(4)R 表示實體類概念術(shù)語的屬性聲明集，?p∈P，?c?T，p=＜name，c＞，name(p)表示 p的命名詞匯，c表示屬性p所屬的實體類。材料腐蝕元數(shù)據(jù)模型中有:＜剝落面積，剝落＞，＜占總面積百分比，剝落＞，＜有銹蝕，金屬腐蝕材料＞等。

(5)L來描述約束集，描述類術(shù)語之間的關(guān)系。主要表現(xiàn)為3種:等價關(guān)系(≡)，包含關(guān)系(?)，非交關(guān)系(?)。{鼓泡?銹蝕，有鼓泡?有腐蝕等}

(6)Tc術(shù)語注釋集，用自然語言對本體中的術(shù)語進行描述。?tc∈Tc，?c?T，tc=＜name，comment＞，name(c)為概念的名稱，comment(c)表示對概念c的解釋。比如材料腐蝕本體中面積解釋為:＜面積，根據(jù)腐蝕圖像計算材料腐蝕面積占材料百分比＞。

4 結(jié)束語

利用本體理論建立材料腐蝕領(lǐng)域的元數(shù)據(jù)模型。在以其他材料腐蝕模型建立方式下，模型具有較好的通用型與擴展性，能有效的解決材料腐蝕領(lǐng)域元數(shù)據(jù)的多元化問題。此外模型能反映材料腐蝕領(lǐng)域語義的層次與非層次關(guān)系，描述了實體類，屬性與實例之間的映射，可以更加明確地表達出材料腐蝕領(lǐng)域元數(shù)據(jù)中術(shù)語之間的關(guān)系。

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