Систематизация информации и построение базы данных расчетных моделей для оценки и прогнозирования физико-механических свойств эластомеров

Из самых общих представлений о технологическом процессе ясно, что в современных условиях при быстром развитии техники и технологии для создания новых технических решений и оперативного достижения целей необходимо максимально использовать имеющиеся и возникающие информационные ресурсы и системное (целенаправленное) планирование эксперимента и проектной деятельности. Одним из вариантов продуктивного использования информационных ресурсов является формирование профилированных баз данных и создание с их использованием автоматизированных систем поддержки принятия инженерных (научных) решений, в частности прогнозирования возможных результатов.

В самом общем виде цели настоящей работы в данной области следующие:

1) Анализ и полноценное применение имеющихся результатов на основе использования регрессионных и других расчетных моделей;

2) Документирование новых результатов в компактной форме;

3) Снижение доли рутинной деятельности в лаборатории;

4) Полноценное использование информационных ресурсов;

5) Создание научной основы для принятия решений;

6) Архивирование и хранение данных;

7) Адаптация регрессионных и других расчетных моделей для решения новых задач в области конструирования резиновых смесей.

В этом контексте стратегия постановки решения технических и научных задач, как представляется, может состоять из стадий, которые отраженьгна рисунке 1.

Рис. 1. Современная стратегия постановки решения технических задач с использованием новых информационных ресурсов.

Сказанное полностью относится к области, в которой выполненная настоящая работа — создание новых материалов и конкретному объекту исследования — резиновым смесям (вулканизатам) и изделиям на их основе. Времени для накопления информации о резиновых смесях было достаточно — несколько столетий — и сегодня воспользоваться этой информацией в полной мере, не используя современные информационные технологии практически невозможно.

Об этом же говорят, в частности, и историки науки и техники. Можно перефразировать высказывание Ивана Агаянца в научноисторической монографии «Пять столетий каучука и резины» [1] и применительно к данной работе сказать: «Когда исследователь или инженер решает для себя, какой проблемой или технической задачей он будет заниматься, в его личную задачу может входить либо изобретать заново, либо обнаруживать имеющееся». Информационные ресурсы и технологии позволяют помогать делать и то и другое. При этом очень важным является снижение избыточности информации в процессе моделирования технических систем. Здесь одним, из устойчивых и активно используемых методов является регрессионный анализ, который в данной работе взят как средство для систематизации и оптимизации информации в области резиновых смесей.

Несколько слов о предмете исследования. Резиновые смеси представляют собой сложные гетерогенные многокомпонентные материалы (системы), управление свойствами которых представляет собой непростую научную и технологическую задачу.

Марочный ассортимент определяется строением и свойствами многих исходных компонентов. Управление свойствами резин осуществляют как на стадии получения исходных ингредиентов и их смешения, так и путем модификации и структурирования композиции.

В современных условиях, учитывая научные достижения и потребности рынка, наиболее популярным способом регулирования свойств и изменения ассортимента является введение в состав резиновых смесей модифицирующих добавок: пластификаторов, антиоксидантов, наполнителей, вспенивателей, красителей, других специальных ингредиентов [2]. Набор этих возможностей велик и продолжает возрастать пропорционально росту конкуренции. Однако действительно новых технических решений на этом пути становится все меньше из-за ускоряющегося роста объема информации.

В связи с большим разнообразием способов модификации и используемых ингредиентов в общем плане задачи регулирования свойств резиновых смесей помимо чистого эксперимента можно решать в условиях:

1) использования имеющейся информации с применением информационных моделей;

2) экспериментального (эмпирического) моделирования;

3) математического моделирования;

4) создания баз и банков данных;

5) использования имеющихся и создания новых систем автоматизированного проектирования.

При этом для резиновых смесей важно найти способ информационными средствами подобрать состав и максимально точно оценить возможные физико-химические и технико-технологические свойства.

Таким образом, область настоящего исследования связана с использованием системного анализа информации, представленной в виде регрессионных моделей, полученных в результате экспериментального и теоретического исследования полимерных композиций, формированием из этих моделей базы данных, созданием программных средств для оценки и прогнозирования свойств резиновых смесей (вулканизатов) и выбором оптимального состава.

В связи со сказанным, в настоящем исследовании решались следующие задачи:

1. Систематизировалась и сортировалась информация в виде регрессионных моделей в предметной области;

2. Систематизировались характеристики и параметры для описания резиновых смесей и их физико-химических и технологических свойств.

3. Конструировалась и формировалась профильная база данных и переносилась на машинные носители.

4. Разрабатывались алгоритмы обработки информации в виде регрессионных моделей для выполнения прогностических операций.

5. Создавались программные модули и проводилась их проверка.

6. Проводился вычислительный эксперимент для решения практических задач выбора состава и расчета свойств резиновых смесей.

Основные научные идеи и предпосылки, на которых базировалось выполнение исследовательской части диссертационной работы следующие:

1. Регрессионные модели являются средством снижения избыточности информации и адекватно отражают взаимосвязь «состав-свойство» резиновых смесей;

2. Регрессионные модели, сформированные в виде автоматизированной базы данных, можно использовать для комплексного прогнозирования свойств и проектирования резиновых смесей и изделий из них.

Предметом защиты данной диссертационной работы являются:

1) Методика формирования информационной модели объекта резиновых смесей) с использованием регрессионных зависимостей, методика сужения информационного пространства;

Ill этап 1.

Сбор информации в виде регрессионных моделей накопленных на бумажных носителях и в системе Internet.

1 г.

Сортировка, классификация, систематизация, анализ, структурирование, верификация информации.

1 г.

Ввод информации в компьютер, ее преобразование и создание базы данных.

1 т.

Оснащение базы данных программными средствами.

1 Г.

Формирование прогностического модуля.

1 г.

Формирование общей методики.

1 г.

Экзаменационная проверка.

1 г.

Вычислительный эксперимент i г.

Результаты в виде нового технического решения.

Рис. 2. Основные этапы выполнения диссертационной работы.

2) методика использования базы данных для прогнозирования свойств и проектирования новых составов резиновых смесей;

3) алгоритмы вычисления и прогнозирования;

4) результаты вычислительного эксперимента, практических расчетов и системного анализа информации.

Примерная последовательность осуществленных действий при выполнении настоящей диссертационной работы представлена на рисунке 2. При этом первый этап, связанный со сбором, сортировкой, верификацией информации, является наиболее рутино-и трудоемким, второй — интеллектуальноемким.

Результаты диссертационной работы опубликованы в следующих изданиях:

1. Автоматизированное проектирование рецептур эластомеров с использованием информационных подходов и регрессионных моделей /Вебер В.В., Гайдадин А. Н., Дербишер В.Е.//Материалы научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники», Белгород, 2004. -Т. 25. С. 3−6.

2. Расчет теплопроводности резин на основе смесей каучуков и наполнителей разных типов /Петрюк И.П., Гайдадин А. Н., Каблов В. Ф., Вебер В. В. //Сырье и материалы для резиновой промышленности. От материалов — к изделиям. РКР-99- Тез. докл. 6-ой Рос. науч.-практ. конф. резинщиков, 17−21мая.-/ М., 1999.-С.12−14.

3. Каблов В. Ф., Гайдадин А. Н., Вебер В. В. Автоматизированный банк данных патентов по эластомерным материалам «Патент» //Каучук и резина.- 1997.-N3. С.40−42.

4. Средства компьютерной поддержки для изобретателей и специалистовв области охраны интеллектуальной собственности /Каблов В.Ф., Вебер В. В., Гайдадин А. Н., Каблова JL В., Руклядева Н. М. //Проблемы шин и резинокордных композитов. Дорога, шина, автомобиль: [Матер.] 8-го симп., 2024 окт. 1997 г. /НИИ шин. пром-сти" ассоциация «Эластомеры» .-М., 1997.-Т. 1. С.209−211.

5. Вебер В. В., Каблов В. Ф., Дербишер В. Е. Конструирование базы данных регрессионных моделей резиновых смесей «Модель» //Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материаловСб. науч. тр. /ВопгГТУ.- Волгоград, 1996. С.152−156.

6. Вебер В. В., Каблов В. Ф. Применение методов кластерного анализа при решении задачи прогнозирования свойств многокомпонентных полимерных композиций //Математические методы в химии и химической технологии (ММХ — 10): Тез. докл. межд. конф., Тула, 26−28 июня 1996 г. /ТулГУ и др.-Тула, 1996., — С. 55.

7. Конструирование автоматизированной системы оценки и прогноза экологического риска /Каблов В.Ф., Лихолетов С. М., Гайдадин. А.Н., Вебер В. В. //Экология и безопасность жизнедеятельности, научно — прикладные аспекты, инженерные решенияТез. докл. межд. симп., Волгоград, 12−14-сент. 1996 г /ВолгГТУ и др.- Волгоград, 1996. С. 98−99.

8. Моделирование режимов переработки и эксплуатационных показателей резин /Гайдадин А.Н., Петрюк И. П., Каблов В. Ф., Вебер В. В. //Проблемы шин и резинокордных композитов. Задачи на пороге XXI века: Мат. 7-го симп., Москва, 21−25 окт. 1996 г. /НИИШП.- М., 1996. С.17−21.

9. Создание автоматизированных обучающих систем в области физики и химии полимеров для инновационного и поддерживающего обучения /Каблов В.Ф., Дербишер В. Е., Прошина И. В., Вебер В. В., Каблова JI.B. //Инновационное проектирование в образовании, технике и технологииТез. докл. междунар. науч.-мет. конф., сент. 1995 г. /ВолгГТУ.- Волгоград, 1995. С. 17 -18.

Основные материалы доложены на следующих научных и других конференциях:

1. 6-ая Российская научно-практическая конференция резинщиков.

2. 8-й Симпозиум: Проблемы шин и резинокордных композитов. Дорога, шина, автомобиль, 1997 г.

3. Международная конференция «Математические методы в химии и химической технологии», Тула, 1996 г.

4. 7-й симпозиум «Проблемы шин и резинокордных композитов. Задачи на пороге XXI века», Москва, 1996 г.

5. Научно-технические конференции Волгоградского государственного технического университета, 2000;2004 год.

6. Международная конференция «Rubber-04» по каучуку и резине, Россия, Москва, 1—4 июня 2004 г.

7. Научно-практическая конференция «Перспективные разработки науки и техники», Белгород, 2004 г.

Автор выражает особую благодарность доктору технических наук, профессору Виктору Федоровичу Каблову за участие в формировании научных идей диссертационной работы и в постановке исходных задач, а также кандидату технических наук, доценту Гайдадину Алексею Николаевичу за активное участие в обсуждении постановки задачи и помощь в эксперименте и обсуждении результатов.

7 Выводы.

1. Впервые сформированы наборы данных и разработана проблемно-ориентированная база данных <Модель>, как информационная основа для автоматизированного прогнозирования свойств и проектирования составов резиновых смесей.

2. Для формирования многомерного массива проведен сбор, системный анализ верификация и группирование информации о составах и физико-механический свойствах резиновых смесей и вулканизатов, изучены информационные потоки, выявлены и предложены регрессионные и другие эмпирические модели, отражающие зависимость <состав — свойства>.

3. Расширены возможности решения класса многокритериальных задач проектирования составов сложных многокомпонентных веществ и прогнозирования их свойств на основе применения регрессионных моделей <отклик — параметр>, исходя из информационных ресурсов и собственных экспериментов с использованием статических методов, планирование эксперимента на примере создания резиновых изделий.

4 Проведена алгоритмизация и выполнен программный модуль работы с базой данных <Модель>, позволяющий обеспечивать информационное обслуживание пользователя и оказывать существенную помощь в специализированной инженерной деятельности — конструкторской, проектной, экспериментальной.

5. Выполнена работоспособная модель системы автоматизированного проектирования резиновых смесей, спроектированы патентоспособные технические решения. Разработанную концепцию можно рассматривать как инструмент поддержки инженерного творчества в создании новых резиновых смесей и вулканизатов.

6. Полученные в работах результаты используются в учебном процессе ВолгГТУ на кафедрах химии и технологии переработки эластомеров и технологии высокомолекулярных и волокнистых материалов в курсах методы <инженерного творчества>, <информатика>, и <математическое моделирование^ <в технике и технологии>.

7. Развитие базы данных <Модель> и системы автоматизированного проектирования резиновых смесей возможно в следующих направлениях: а) пополнение наборов новыми данными, техническими требованиями и расширение информационного сервиса пользователя. б) адаптация методики для решения новых задач, конструирования новых композиционных материалов на полимерной основе. в) создание многофункциональной экспертной системы.

Заключение

.

Подводя итог, можно сказать, что основные цели созданных баз данных — это их использование для получения оперативной информации и, пока в малой степени, для конструирования и прогнозирования свойств новых, особенно виртуальных веществ. Поэтому, автоматизированных систем, которые бы использовались для проектирования новых решений проблем, на сегодняшний день почти нет. В основном либо предлагаются уже существующие и по выбранным критериям подходящие решения, либо рассматривается новое решение, полученное каким-то иным (эмпирическим), чаще всего недостаточно достоверным способом, которое оценивается системой. В то же время, результаты применения автоматизированной экспертизы и прогноза могут дать невероятно полезные результаты. Поэтому сформулированные нами проблемы требуют решения, и данная диссертационная работа призвана их частично преодолеть в области конструирования конкурентоспособных резиновых смесей.

2 Формирование информационного массива и системный анализ информации.

Основная цель данного раздела заключается в том, чтобы оценить возможности содержательного использования накопленных ресурсов информации в предметной области (регрессионные и близкие модели связи «состав — свойства» резиновых композиций) и создать условия для конструирования профильной базы данных с последующим ее оснащением программными средствами, ориентированными на решение текущих и творческих инженерных задач. При этом во внимание принималось следующее:

1. Технологические характеристики исходного сырья, полупродуктов, готового материала;

2. Ассортиментное многообразие;

3. Состав резиновых смесей;

4. Физико-механические и эксплуатационные параметры изделий.

Для информационного обслуживания базы данных выполнялась следующая работа:

1. Собиралась информация (монографии, учебники, обзоры, статьи, электронная информация — примерно 900 источников), в которой описано применение регрессионного анализа и близких подходов для изучения, получения и свойств резиновых смесей и вулканизатов.

2. Проведен системный анализ и классификация ингредиентов резиновых смесей;

3. Проведена классификация способов модификации резин;

4. Осуществлена классификация физико-механических и технологических характеристик резиновых смесей и вулканизатов;

5. Систематизированы уравнения регрессии и близкие расчетные методывыделены уравнения, представляющие интерес.

6. Проведена верификация регрессионных моделей и расчетных методов.

7. Проводилась оптимизация информации с целью ликвидации ее избыточности.

8. Информация готовилась в виде наиболее пригодном для использования для ее обработки электронно-вычислительной техникой.

При этом использовались современные подходы, принятые для анализа аналогичных информационных задач [86,87], проводилась адаптация некоторых приемов к конкретной задаче исследования и модификация резиновых смесей с использованием информационных технологий.

2.1 Информационные потоки по резиновым смесям и их свойства.

Информационные потоки специализированной информации характеризуют, прежде всего, активность исследователей и технологов, заполненность соответствующей ниши, динамику развития проблемы и дают основания для прогнозирования и регулирования деятельности в предметной области.

Исследование информационных потоков проводилось на основе систематизации, анализа и статистической обработки реферативной информации (рефератов) в реферативном журнале «Химия» за период 1985 — 2003 гг. по направлениям:

А) применение регрессионного анализа и моделирования для исследования химико-технологических систем, включая резиновые смеси;

Б) формирование и использование автоматизированных баз данных (как информационных, так и исследовательских) в химии и химической технологии.

Можно отметить, что указанные вопросы отражаются в разных источниках — справочниках, каталогах, монографиях, информационных листках, статьях, сайтах в системе Internet, регламентах и др. Однако, информацию в реферативных журналах можно обработать быстрее, и она является репрезентативной.

Общая динамика развития интегрального и дифференциального информационных потоков по направлению «А» представлена на рисунке 2−1. Активность исследователей по применению регрессионного анализа не снижается, а имеется общая тенденция даже расширения применения его и моделирования на его основе для описания и исследования, включая задачи прогнозирования и проектирования химико-технологических систем, а в период 1995 -2002 гг. имеется экспоненциальный рост.

Темпы роста исследований, а, следовательно, и информации, в области технологии резины (кривая 2, рис. 2−1) несколько ниже, чем следует из анализа интегрального потока. Здесь может быть ряд причин, не самая последняя из которых многофакторность и гетерогенность системы, и трудное обеспечение воспроизводимости надежности и достоверности информации. Последнее для гетерогенных композиционных материалов вообще является, так сказать, «ахиллесовой пятой» проблемы. Попутно можно отметить, что это же создает значительные трудности при верификации и системном анализе специализированной информации, что подчеркивает актуальность настоящего исследования. При этом попутно установлено, что дифференциальная (специализированная) технологическая информация в реферативных журналах представлена несколько хуже, чем общенаучная, поэтому при выявлении потока «2» (рис. 2−1, кривая 2) использовались специализированные издания и первичная (а не вторичная, как в РЖ) информация.

Характер накопления вторичной информации в РЖ — Химия по указанной проблеме примерно показывает прямая 3 (рис. 2−1), которая может быть оценена мгновенной константой скорости потока (тангенс.

—-з 1 2.

N. число ЮО публикаций.

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ^ / & f ^ ^ & & # / # f # # & годы.

Рис. 2−1. Движение информационных потоков по применению регрессионного анализа в химии и химичческой технологии. 1 — общая информация, 2 — информация в специализированных изданиях, 3 — информация по регресисонным моделям. угла наклона касательной к кривой) — скорость значительно ниже, что. однако, не влияет на характер общей тенденции и оценки движения информационных потоков.

На рисунке 2−2 представлены данные, отражающие кинетику развития информации по проблеме «б», являющейся главной темой настоящей работы.

Надо отметить, что сама проблема формирования специализированных баз данных в области химической технологии более или менее оформилась в районе девяностых годов прошлого столетия, то есть около двадцати лет назад, и сегодня получает все большее развитие. Однако, как было показано в первом разделе, специализированных баз данных по резиновым смесям, использующих идеи, заложенные в настоящем исследовании, в литературе не представлено, а проектирование резиновых смесей осуществляется на другой основе. Баз данных, систематизирующих регрессионные модели по другим проблемам, нами так же не обнаружено.

Из представленных данных следует, что информационных ресурсов для выполнения поставленных в данной работе задач достаточно, интерес к проблеме высок, перспективы использования и развития имеются.

N, число 160−1————публикаций.

120—————.

100—————^;

80———-— —.

60 v——— - ——.

40————.

20—-^^——-оI ¦ ———.

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 годы.

Рис.2−2. Накопление публикаций по созданию и применению баз и банков данных в химии и химической технологии.

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003.

2.2 Сбор информации, ее анализ, сортировка, классификация.

Сбор содержательной информации о резиновых смесях представленной в виде регрессионных зависимостей, включал как ее накопление, так и преобразование, необходимо было также исключить искаженную информацию, обеспечить ее полноту, достоверность, надежность, пополняемость, комплексность и непротиворечивость. Это достигалось по возможности сопоставлением информации из нескольких источников, использованием теоретических и устойчивых справочных данных.

2.2.1 Рассеянность данных по информационным источникам.

Проведенным анализом установлено, что интересующая нас информация, в той или иной степени доступная российскому исследователю, рассеяна начиная с 1989 года по журнальным или продолжающимся изданиям, систематизированным в таблицах 5 (первая группа) и 6 (вторая группа) приложения. Это 164 издания в России и ближнем зарубежье (бывшая территория СССР) и 1201 издание дальнем зарубежье, являющиеся изданиями, связанными с химической тематикой. Из этих изданий вопросы, связанные с химией и технологией резины, освещают в первой группе 19 изданий (приложение, табл. 5) и 92 — во второй (приложение, табл. 6). Однако, не во всех этих изданиях удалось обнаружить данные, необходимые для конструирования и пополнения специализированной базы данных регрессионных уравнений, что собственно и следовало ожидать, тем не менее все указанные издания для развития исследуемой проблематики следует держать на контроле, так как невозможно предугадать появление тех или иных регрессионных моделей, пригодных для целей прогнозирования свойств и конструирования новых резиновых смесей.

Для характеристики и анализа составов и свойств резиновых смесей также использовалась патентная информация, представленная в классах.

МПк C08 °F, C08J, и C08L. Данная информация в настоящей работе имеет подсобный (справочный) характер, а также может использоваться для анализа новизны конструкторских решений, получаемых при использовании методики предлагаемой настоящим исследованием.

Из данных таблицы 5 приложения следует, что доля изданий, в которых к настоящему времени обнаружена тематическая информация, составляет 0.53 (53%).

Из данных таблицы 6 приложения следует, что доля изданий, в которых к настоящему времени обнаружена тематическая информация, составляет 0.33 (33%), что ниже, чем по данным таблицы 5 приложения. Общий процент продуктивных (информативных) изданий составляет 36.6%.

Распределение основных изданий по странам представлено на рисунке 2−3.

Из приведенных данных следует (рис. 2−3), что наиболее интенсивный вклад в пополнение информационных ресурсов в области резин вносят США, Великобритания, Россия и Германия — в общем объеме информации их доля составляет 64.6%. Можно отметить также Японию (вклад 9.7%), вклад всех остальных стран составляет менее трети (28.3%), хотя они занимают 75% информационных мест, а пять стран, указанных на рисунке 2−3 всего 25% мест.

Представляет интерес рассмотреть информационный вклад различных стран в развитие регрессионного анализа применительно к резиновым смесям. Данные представлены на рисунке 2−4. Общее количество информационных источников — 42.

Из приведенных данных (рис. 2−4) следует, что наибольший вклад в развитие регрессионного моделирования применительно к.

N, число-изданий.

14 щ • 3 о.

Q.

Ш О к 111 ffl и о о Q.

5 2 а о.

Я! а. и о у о.

Страны.

Рис. 2−3. Диаграмма распределения профильных изданий по странам, вносящим наибольший информационный вклад в развитие тематики по химии и технологии резин резиновым смесям внесли Россия (23.8%), США (19%), меньше Великобритания и Германия (по 6%), что вместе составляет 71.4%, в то время, как доля других стран (80% информационных мест) равна всего 28.6%. Этот анализ показывает, что репрезентативную выборку можно составлять используя информационные ресурсы 4−5 стран. Это Россия,.

США, Великобритания, Германия, в меньшей степени Япония и Франция.

N, число изданий.

10 о о й. 3 о к s I га с. ю о * X с в m X.

IS 5 6.

HI л.

X (О Q. hо.

О)? т о а.

Страны.

Рис. 2−4. Диаграмма распределения вклада стран в в развитие информации по использованию регрессионных моделей для изучения свойств и проектирования составов резиновых смесей.

Следует, однако, отметить, что рассматриваемый информационный массив (период 1985 — 2003 гг.) характеризует сложившееся на момент формирования базы данных положение. Появление даже 2-х — 3-х новых работ в этой области меняет развитие информационных потоков и дифференциальное распределение внутри массива, давая возможность формировать новое информационное пространство для генерации и решения новых системно-технических задач с учетом развивающегося технического уровня.

2.3 Системный анализ составов и свойств резиновых смесей.

Как указывалось выше, резиновые смеси и резины на их основе представляют собой сложные многокомпонентные гетерогенные системы на основе каучуков. Для построения квалифицированной базы данных мы предлагаем придерживаться схемы, приведенной на рисунке 2−5.

Рис.2−5. Схема анализа резины, как технического объекта для формирования профильной базы данных.

Здесь необходимо учесть взаимосвязь элементов резины и проявляемые ей свойства во всей совокупности (рис.2−5). Предварительно проведем структурный и функциональный анализ резины, как технического объекта.

2.3.1 Системный анализ ингредиентов и их назначения.

Основой для получения резин является многокомпонентная система — резиновая смесь. Систематизация ингредиентов резиновой смеси в соответствии с принятой в научных кругах ([88]) адаптированная к настоящей работе дана на рисунке 2−6.

Рис. 2−6. Систематизация (классификация) ингредиентов резиновых смесей.

В настоящее время ассортимент ингредиентов насчитывает десятки тысяч торговых наименований продуктов.

Классификация резин в соответствии с [88] в зависимости от назначения представлена на рисунке 2−7.

Рис. 2−7. Классификация (систематизация) назначения резин.

Пример составов резиновых смесей, взятых из работы [88]с дополнениями приведен ниже (табл. 2−1, 2−2, 2−3).