Разработка нечетко-логических алгоритмов и клиент-серверного комплекса программ для выбора температуроустойчивых покрытий требуемого качества

Актуальность работы.

Современные проблемы неорганического материаловедения настоятельно требуют разработки материалов, в которых конструкционные свойства одного материала сочетаются с определенными физико-химическими, физико-механическими свойствами другого. Одним из принципиальных решений задачи объединения нескольких свойств материала в одной композиции является создание функциональных покрытий.

Покрытия позволяют защитить конструкционные материалы в экстремальных условиях эксплуатации от воздействия агрессивных факторов или придать поверхности материала особые электрофизические, оптические или другие эксплуатационные свойства. Температуроустойчивые функциональные покрытия — это покрытия, сохраняющие свои эксплуатационные характеристики в течение заданного срока службы при температурах от 100 до 3000 °C.

В разработке температуроустойчивых функциональных покрытий и эффективных технологий их производства заинтересованы многие отрасли промышленности и техники: нефтегазодобывающая и химическая промышленность, авиакосмическая техника, судостроение, машиностроение, черная и цветная металлургия, атомная энергетика, электронная техника и ДР.

В России и за рубежом для повышения эффективности разрабатываемых функциональных покрытий создан ряд информационных систем, например, Coatings Guide, Solvent Alternatives Guide, European Coating Net, Surface Web, AMERON Coatings IDS. В существующих информационных системах по покрытиям массив данных ограничен узкой специализацией фирмы, т. е. методом нанесения покрытия (электроннолучевой, ионно-плазменный, и т. д.) или областью эксплуатации (например, лопатки газовых турбин). Данные системы имеют ограниченные возможности анализа данных и практически являются только информационно-поисковыми. Большая часть информационных систем — не более чем инструмент поиска возможных производителей и потребителей продукции.

В связи с этим, задача разработки нечетко-логических алгоритмов выбора функциональных покрытий требуемого качества и их реализация в клиент-серверном комплексе программ является актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение для разработки композиционных материалов нового функционального назначения и выбора рациональных технологий их производства.

Основные разделы данной диссертации выполнялись в соответствии с программами:

— Федеральной целевой научно-технической программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», приоритетное направление «Новые материалы и химические продукты» Министерства промышленности, науки и технологии РФ, государственный контракт № 41.002.1.1.2410 от 31 января 2002 г.;

— Проектом «Разработка и адаптация научно-методического обеспечения подготовки кадров в области наукоемких технологий неорганического материаловедения» Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002;2006 годы», государственный контракт № У-0032 от 31 июля 2002 г.

Тема диссертационной работы соответствует основным направлениям развития науки и техники России в области новых материалов и отвечает Перечню критических технологий РФ.

Цели диссертационной работы.

Разработать комплекс нечетко-логических алгоритмов, позволяющих принимать научно-обоснованные решения по выбору оптимальных температуроустойчивых покрытий требуемого качества с учетом качественных и количественных признаков. Программно реализовать разработанные нечетко-логические алгоритмы в виде комплекса программ, основанного на трехуровневой архитектуре «программа-клиент» -«программа-сервер» — «СУБД».

Применить разработанные нечетко-логические алгоритмы и клиент-серверный комплекс программ для научно-обоснованного выбора покрытий для лазерной техники, обладающих заданными оптическими свойствами.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. анализ существующих информационных систем выбора покрытийобоснование применения теории нечетких множеств для разработки алгоритмов выбора температуроустойчивых покрытий требуемого качества;

2. определение основных функционально-значимых признаков температуроустойчивых покрытий и проведение классификации этих признаков;

3. разработка алгоритма формирования нечетких множеств покрытий в соответствии с классифицируемыми (качественными) и числовыми признаками;

4. разработка комплексного нечетко-логического алгоритма выбора покрытий требуемого качества в соответствии с запросом пользователя;

5. разработка архитектуры и программно-информационного обеспечения клиент-серверного комплекса программ выбора требуемых функциональных покрытий на основе предложенных нечетко-логических алгоритмов;

6. применение разработанного комплекса программ для научно-обоснованного выбора покрытий для лазерной техники, обладающих заданными оптическими свойствами.

Методы исследования: методы теории нечетких множеств, исчисления предикатов, вычислительной математикисредства объектно-ориентированного программирования.

Обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, определяется корректным использованием методов теории нечетких множеств, исчисления предикатов и вычислительной математики.

Достоверность теоретических разработок подтверждена многочисленными вычислительными экспериментами и физико-химическими экспериментами, результаты которых позволяют сделать вывод об адекватности разработанных математических моделей и работоспособности созданных алгоритмов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование возможности применения теории нечетких множеств для формализации процедуры выбора температуроустойчивых покрытий требуемого качества.

2. Алгоритм формирования нечеткого множества покрытий в соответствии с классифицируемыми признаками, основанный на оценке полноты представления информации определенным классом классификатора.

3. Алгоритм формирования нечеткого множества покрытий в соответствии с числовыми признаками, на основе предложенных в работе функций принадлежности нечетких отношений сравнения.

4. Комплексный нечетко-логический алгоритм, основанный на применении дерева поиска решений и позволяющий сократить время обработки запроса пользователя.

5. Архитектура и режимы функционирования клиент-серверного комплекса программ, назначением которого является формирование рекомендаций по выбору температуроустойчивых покрытий требуемого качества.

Научная новизна:

1. Обоснована возможность применения аппарата теории нечетких множеств для формализации процедуры выбора температуроустойчивых покрытий требуемого качества, что обеспечивает достоверность и эффективность принимаемых решений.

2. Разработана регистрационная карта и система классификаторов функционально-значимых признаков покрытий, позволяющие описать покрытия на основе единой логико-функциональной системе знаний.

3. Предложен алгоритм формирования нечетких множеств покрытий в соответствии с классифицируемыми признаками, основанный на оценке полноты представления информации классом классификатора и позволяющий найти степень соответствия покрытия классифицируемому признаку.

4. Разработан алгоритм формирования нечетких множеств покрытий в соответствии с числовыми признаками, который основан на использовании функций принадлежности нечетких отношений сравнения и позволяет найти степень соответствия покрытия числовому признаку.

5. Предложен комплексный нечетко-логический алгоритм выбора покрытий требуемого качества, основанный на применении дерева поиска решений, что позволяет сократить время обработки запроса пользователя при выборе требуемых покрытий.

6. Разработана архитектура и режимы функционирования клиент-серверного комплекса программ, который обеспечивает формирование рекомендаций по выбору температуроустойчивых покрытий требуемого качества.

Научная значимость работы. Разработанные алгоритмы могут являться основой для проведения научных исследований в области неорганического материаловедения.

Практическая значимость. Разработанный с использованием интегрированной среды программирования «BORLAND С++Builder 6.0» клиент-серверный комплекс программ, реализующий нечетко-логические алгоритмы, позволяет формировать научно-обоснованные рекомендации по выбору температуроустойчивых покрытий требуемого качества с обеспечением удаленной работы пользователей, централизованного хранения и оперативного обновления информации. Структура комплекса программ реализует максимальную функциональность и расширяемость.

Разработанный протокол верхнего уровня эталонной модели сетевого взаимодействия ISO/OSI (International Standards Organization / Open System Interconnection) для передачи данных по покрытиям между сервером приложений и программами-клиентами позволяет сократить объем передаваемых данных и, таким образом, снизить нагрузку на вычислительную сеть.

Реализация результатов работы. Разработанные нечетко-логические алгоритмы и клиент-серверный комплекс программ используются в Инновационно-технологическом центре «Новые материалы и химические технологии» Санкт-Петербурга при научно-обоснованной разработке новых функциональных покрытий на основе стекла.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на молодежных научных конференциях Института химии силикатов РАН (Санкт-Петербург, 1999, 2000, 2001, 2002 г. г.) — Всероссийской конференции «Химия твердого тела и функциональные материалы» (Екатеринбург, ноябрь 2000 г.) — XVIII Совещании по температуроустойчивым функциональным покрытиям (Тула, 15−17 мая 2001 г.) — 4-й научной молодежной школе «Наноматериалы, нанотехнологии, наноструктуры и методы их анализа» (Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 20−22 ноября 2001 г.) — VI Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов (Политехнический симпозиум «Молодые ученые — промышленности региона», Конференция «Технические науки — промышленности региона», Санкт-Петербург, 22 февраля 2002 г.) — XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 3−6 июня 2002 г) — VIII Всероссийском совещании «Высокотемпературная химия силикатов и оксидов» (Санкт-Петербург, 19−21 ноября 2002 г.) — 5-й научной молодежной школе «Микрои наносистемная техника» (Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 25−26 ноября 2002 г.) — VII Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов (Политехнический симпозиум «Молодые ученыепромышленности региона», Конференция «Компьютерные технологии, коммуникации, численные методы и математическое моделирование», Санкт-Петербург, 17 декабря 2002 г.) — XIX Всероссийском совещании по температуроустойчивым функциональным покрытиям (Санкт-Петербург, 1517 апреля 2003 г.).

Публикация работы. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект «Экспертная система по температуроустойчивым покрытиям широкого функционального назначения» (грант № 03−07−90 108) — Научной программы СПбНЦ РАН 2002 г., раздел «Информационная деятельность», проект «Информационно-поисковая система по температуроустойчивым функциональным покрытиям" — персональных грантов Конкурсного центра фундаментального естествознания и Комитета по науке и высшей школе Администрации Санкт-Петербурга 2002 г. «Элементы искусственного интеллекта информационной системы по температуроустойчивым функциональным покрытиям» и 2000 г. «Моделирование процессов изотермической кристаллизации для направленного формирования интерметаллидных покрытий».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 93 наименований и четырех приложений. Работа изложена на 126 листах основного текста, и 67 листах приложений. Работа содержит 42 рисунка и 10 таблиц.

Основные результаты работы.

1. Обоснована возможность применения теории нечетких множеств для разработки процедур и алгоритмов принятия решений по выбору температуроустойчивых покрытий требуемого качества.

2. В результате системного анализа предметной области «Температуроустойчивые функциональные покрытия» выделены основные функционально-значимые признаки покрытийразработана система классификаторов признаковразработана регистрационная карта покрытия, позволяющая описать физико-химические, физико-механические и технические характеристики покрытий на основе единой логико-функциональной системы.

3. Разработан алгоритм формирования нечеткого множества покрытий в соответствии с классифицируемыми (качественными) признаками, основанный на оценке полноты представления информации классом классификатораразработан алгоритм формирования нечеткого множества покрытий в соответствии с числовыми (неклассифицируемыми) признаками, основанный на использовании функций принадлежности нечетких отношений сравнения.

4. Разработан комплексный нечетко-логический алгоритм принятия рациональных решений по выбору температуроустойчивых покрытий требуемого качества, который основан на использовании дерева поиска решений и позволяет сократить время обработки запроса пользователя.

5. Разработана архитектура и программно-информационное обеспечение клиент-серверного комплекса программ, реализующего нечетко-логический алгоритм выбора температуроустойчивых покрытий требуемого качества.

6. Для передачи данных о покрытиях между сервером приложений и программами-клиентами разработан протокол верхнего уровня модели ISO/OSI. Протокол позволяет сократить объем данных, передаваемых по сети.

По нашему мнению, настоящая диссертация представляет собой научно-квалификационную работу, в которой изложены научно-обоснованные технические решения по разработке нечетко-логических алгоритмов и клиент-серверного комплекса программ выбора температуроустойчивых покрытий требуемого качества, имеющие существенное научно-прикладное значение для создания новых материалов, которые используются в нефтегазодобывающей, химической промышленности, авиакосмической технике, черной и цветной металлургии, электронной технике и др.