材料科学数据平台的研究及开发状况

张大全，吴崇田，陆铖俊，杜海舟

(上海电力学院a.能源与环境工程学院，b.计算机与信息工程学院，上海 200090)

材料科学数据是国家经济和基础设施建设、国防工程建设，材料科学技术创新不可缺少的重要基础信息［1-4］.随着计算机技术的发展，材料科学与信息科技之间相互交叉渗透所形成的材料信息学科，已成为材料研究的重要方向之一［5-9］.材料信息系统对材料的研究、开发、生产、推广、使用及材料科学知识的普及教育起着越来越重要的作用［10-12］.我国在材料信息系统建设方面起步较晚，主要表现在:数据库规模小、进程慢，服务质量差，商业化程度不高，标准化工作不及时，投入少产值低，学科发展不平衡，低水平重复现象严重等［13，14］.我国科技基础条件建设的滞后与薄弱，已严重影响了我国科技创新能力和国际竞争力的提高.因此，加快材料科学数据库建设已成为我国迫切需要解决的问题.目前，国家已启动“材料科学数据共享网”的建设，该项目以教育部为依托单位，北京科技大学、中科院金属所、西北工业大学为项目牵头单位，全国高校、科研院所的共15家单位参与，协调分工，密切配合，共同搭建具有公益性、基础性、战略性的科研基础条件平台.上海电力学院承担其中的“电力能源材料数据共享的结点规划与框架建设”子课题，这是上海地方高校首次参与国家科研基础条件平台建设项目.本文主要介绍国内外材料科学数据平台建设的研究开发现状，并对电力能源材料数据共享平台前期建设工作进行初步的总结.

1 国外材料科学数据共享发展概况

在过去几十年中，以有效数据为基础的材料设计和选择得到快速发展，发达国家和新兴工业化国家都在积极建立各种材料科学数据库.美国国家标准局建立了材料力学性能数据库、合金相图数据库、陶瓷相图数据库、材料腐蚀数据库、材料摩擦及磨损数据库等.德国技术实验协会的金属数据库收录了3 000种黑色和有色金属的20 000多条数据［15，16］.法国共建有材料数据库4O多个，内容覆盖了大部分工业材料，法国物理冶金热力学实验室为锆合金在核工业中的应用开发了锆合金热力学数据库Zireobase［17］.英国的有色金属数据中心、石油化学公司、钢铁公司、金属研究所、国家物理实验室等单位都建有各自的材料性能数据库［18］.荷兰PETTER欧洲研究中心的高温材料数据库(HT-DB)收录了金属、非金属和复合材料的力学和热力学数据.俄罗斯科学院建立的无机材料性能数据库，包括了45 000种3元化合物和15 000种4元化合物的特性，超过100种声-光、电-光和非线性光学材料的特性，以及超过3 000种物质的能带间隙的数据等.所有这些数据是由相关专业技术人员从超过23 000篇公开发表的文献中进行挑选和鉴别而来的［19］.

在亚洲国家中，日本是较早进行材料数据收集、整理加工和应用的国家.日本国立材料科学研究院(NIMS)于2001年建立了材料信息技术研究所，整合了自己所建立的11个材料数据库系统，其中有4个是关于结构材料的，2个涉及超导材料，1个聚合物数据库和4个物理性质数据库，系统内含有1个综合性的检索系统MAT NAVI，可方便进行各种检索(http://mits.nims.go.jp/db_top_eng.htm).日本金属研究所、日本金属学会建有金属和复合材料力学性能数据库［20，21］，其中收录了疲劳、断裂、腐蚀、高温长时蠕变等数据.2000年日本政府基金支持建立了碳/环氧材料性能及其对环境抗力设计评估数据库.日本科学技术公司开发了基于网络的支持扩散研究和材料设计的固体扩散数据库，收录了包括铁基、镍基和锆基合金及钨合金等金属和核材料.韩国的数据库产业起步于20世纪70年代初，当时韩国科学技术信息中心主要利用外国数据库向公众提供数据服务.韩国政府的数据库产业技术开发集中于标准化、多媒体技术等方面，韩国材料信息中心建立了合金多元相图数据库.2007年韩国启动了“材料数据银行”项目，第一个5年计划投资折合人民币约5 000万元，构建金属、陶瓷和化学品3个分数据库.该项目包括3方面的内容:构建联合的材料数据信息系统满足应用为导向的信息传播的需求;通过国际合作和网络系统对材料高级性能的查询;对材料专业技术人员进行材料信息学教育以提高其研究和开发能力［22］.

由于数据库涉及面广，通过多个单位甚至几个国家联合建库，推动科学数据的国际交流和共享已得到广泛认可.例如美国金属学会、陶瓷学会、腐蚀工程师协会与能源部合作建立了美国国家标准局的许多材料数据库;美国与加拿大等国联合完成了美国晶体数据中心;美国金属学会与英国金属学会合作开发了一个大型材料数据库——金属数据文档库，库中收录了2万种金属和合金的性能数据［23，24］.美、英、法、德、意大利、加拿大等7大工业国开展了有关先进材料及其标准的“凡尔赛计划”(VAMAS)［25，26］.该计划的首要任务就是提高材料性能测试的精确性，确保这些数据得到实际有效的应用.该计划在欧洲标准化委员会框架内启动各种工作组项目，其中包括提高技术人员对工程材料性能数据交流经验和交流标准的认识.中日合作开发的MatGuide网站就是服务于跨国钢铁材料选择的商业网站，这也将成为现代材料数据库的重要分支方向.

2 我国材料科学数据共享现状

我国数据库的发展始于20世纪70年代，1977年11月召开了第一次全国数据库学术会议，对我国开展数据库技术的研究和应用起到了推动作用.我国的数据库主要分布在各行业的科研、高校和工厂等单位.中科院是我国科学数据库重要的研究开发单位，1979年中国科学院化工冶金所与上海有机所共同建立了化学数据库，该数据库包含10多个子库，其中材料数据库是其重要的组成部分［27］.中科院硅酸盐研究所建立的古陶瓷数据库，包括中国古陶瓷物理化学数据库和古陶瓷器型结构数据库.中科院大连化学物理研究所建立的储氢材料数据库，包括300多种储氢材料，涵盖了大部分的金属有机骨架化合物和一部分复杂氢化物.该数据库还提供了在不同温度和压力下材料的储氢量，并配以分子式、所属类别、晶体结构信息、结构谱图，以及合成制备方法等.中科院沈阳金属所建立的材料数据库包括61 300条数据，7个分数据库，涵盖超合金、钛合金、纳米材料、管道材料、材料焊接、材料腐蚀和材料失效分析等内容.中科院长春应用化学研究所建立了应用化学数据库，它包括稀土萃取数据库、稀土物理化学性质数据库、碳-13 NMR数据库和化合物活性数据库等.1983年，中科院提出了“科学数据库及其信息系统”的重大项目，2000年中科院启动知识创新工程信息化建设的重大专项.这些重大项目旨在将科学研究中积累起来的、分散的专业数据库通过不断发展的计算机技术、数据库技术和网络技术加以集成，提供共享.已建立的中科院科学数据库中心，涵盖了中科院学科领域的各个方面.

在国内高教系统，根据中国高科技研究发展计划对新材料领域的要求，1990年清华大学材料研究所等单位联合建成了新材料数据库［28］，包括新型金属和合金、精细陶瓷、新型高分子材料、先进复合材料和非晶态材料5个子库.北京科技大学等长期致力于材料腐蚀数据库的研究与开发，西北工业大学则在C/C复合材料数据库开发方面具有特色.河南工业大学开发了耐火材料科学数据共享平台，包括9个信息资源子库，目前数据库信息总量近90 000条.兰州理工大学建立了耐磨料磨损材料数据库系统，实现对耐磨料磨损材料的信息存储、管理、查询等功能，从而采用定量关系进行选材，为生产工艺提供辅助依据［29］.山东大学针对航空难加工材料的车、铣、钻、镗切削方式，建立了基于B/S结构的难加工材料切削数据库系统，并开发了相应的应用程序.

其他建立较早、较完善的材料数据库还有［30］:航空航天工业部材料数据中心和北京航空材料研究所联合建立的航空材料数据库和国家863复合材料数据库;武汉材料保护研究所的腐蚀数据库和摩擦数据库;上海材料研究所等单位建立的机械工程材料数据库;郑州机械研究所的机械强度数据库;机械科学研究总院建立的工程材料数据共享平台，除了分出钢铁、有色金属和非金属3大类材料外，还将型材、典型和常用零部件材料和新材料列入数据体系;北京机电研究所的材料热处理数据库;机械电子工业部机械结构强度数据库;冶金工业部北京钢铁研究总院的合金钢数据库;有色金属研究总院创建的有色金属数据库，收录了360种铝合金数据，还包括铜合金和部分稀有金属数据;西北有色金属研究院建立了钛合金材料数据库等.这些数据库是基于各个部门的需求建立的，具有一定的材料数据量，但是其数据重复和差异问题突出，相互之间的联系和共享机制还没有建立.

目前，国内建立起来的一些材料数据库系统，得到大规模实际应用的不多［31］.值得一提的是我国有关材料自然环境腐蚀数据积累具有特色.20世纪50年代，由国家科委牵头，中国科学院及有关工业部门的研究单位参加，开始建设我国材料大气、海水、土壤腐蚀试验网站，投试材料，积累数据，为制订材料和产品的有关标准与规范提供依据.在60年代和70年代，这项工作一度被中断.从80年代起，国家科委和国家自然科学基金委员会连续资助了“材料大气、海水、土壤腐蚀数据积累及基础研究”等重点和重大项目，所获得材料环境腐蚀数据在长江三峡工程、西气东输工程、海上石油平台、杭州湾大桥工程等重大工程建设方面发挥了重要作用.目前，国家材料自然环境腐蚀实验台网设有大气环境腐蚀试验站13个，水环境腐蚀试验站6个，土壤环境腐蚀试验站9个，不间断地进行材料腐蚀数据积累和信息化工作，部分研究成果在国家建设和国防重大工程防腐设计与选材、防腐规范与标准制订、材料生产，以及新材料的研究开发等方面发挥了重要作用.如何快速提高我国材料数据库的公众服务水平是一个急需解决的问题.虽然可以借鉴国外一些成熟数据库系统的产业化运行模式，但由于各国的语言和材料标准不同，材料的应用环境和对象不同，完全依靠引进国外材料数据库是不现实的.

3 材料科学数据共享存在的问题

在科技竞争日益激烈的今天，我国材料科学数据库少，收录的材料种类和材料的数据量少，而且数据库大多分别建设于不同的部门系统，没有形成真正的数据共享.无论与发达国家相比，还是与科技经济发展日益增长的需求相比，差距都很大.目前我国材料科学数据共享存在以下几方面的问题［32-34］.

(1)缺乏国家层面的整体规划，分散浪费，布局不合理.由于没有明确的数据共享政策和法规，造成数据不能很好共享.科学数据共享与计算机信息技术的发展密切相关，我国数据库技术应用落后于信息技术的发展水平，缺乏统一的数据库开发语言和网络技术标准，不同的数据库之间的数据结构不统一，以至材料科学数据很少能够通过互联网提供共享服务.

(2)财政投入总量不够，配置不当.目前主要的材料科学共享数据库的开发和建立完全依靠科研项目经费的支持，经费不充足，所以在数据的收集、整理和共享上存在困难，数据共享系统的正常运转难以保障.

(3)管理体制与方式不适应科技创新的要求，材料科学数据管理、积累和应用处于十分落后的状态.大量数据分散在条块分割和相对封闭的各部门中，共享机制缺乏，利用率低.各个单位在从事材料研究、生产和应用中产生了大量的试验、工艺和测试数据，由于没有建立完善的数据共享与服务体系，使得科技工作者不能及时了解材料发展动态，以至于低水平重复研究现象较为突出.

(4)评价和激励机制不合理，复合型人员缺乏.缺少数据库产业发展的鼓励政策和措施，无法保护数据提供者的知识产权和经济利益.从事材料科学数据库开发的计算机开发人员并不具备材料科学知识，材料工作者的数据库和网络技术欠缺，缺少复合型的材料信息专业技术人才.

4 电力能源材料数据共享建设状况

电力工业是国民经济和社会发展的重要基础产业，高新材料的开发与应用是电力生产安全经济运行的重要保证.电力能源材料科学数据是电力工程与电站设备设计、制造与服役安全评估，以及新材料研发等活动不可缺少的重要信息，是工程设计、产品设计的依据，不但关系到工程、产品的质量与成本，而且关系到重大工程的服役安全，也关系到产品的失效分析、寿命预测的准确性.

目前我国还没有完善的电力能源材料数据库，相关数据库中有关电力能源材料的大多集中在钢铁材料，如山东电力研究院在VB中应用Active X数据对象开发了“电厂金属材料数据库管理系统”［34］;中国核动力研究设计院进行了核电工程材料数据库的设计.但是这些数据库结构不统一，没有形成真正的数据共享.钢铁研究总院研究了超超临界火电机组用钢性能数据库和相应的管理系统，数据库中收录了18种铁素体钢，16种奥氏体钢，3种镍基高温合金，共计37个钢种，1 115条数据［35］.但是国内对于超(超)临界火电机组材料和风电材料数据库系统的开发较少，存在数据库规模小、数据量少等问题，远不能满足电力能源材料研究与开发的迫切需求.

在“国家材料科学数据共享网”的结构体系下，我们首先进行了电力能源材料科学数据的结点规划和框架设计，以满足电力能源工程中材料应用为主线、为电力工程设计提供依据、从而突出电力能源材料数据库特色的要求.我们的前期工作主要是通过收集资料与资源整合，进行电力能源材料的数据共享资源结点规划，按照材料分类体系和电力能源材料特点，将数据资源整合为5大类，13个亚类，23个数据表.根据现实情况将数据库建模，将概念模型转化为E/R图(实体-联系图)，再转化为具体的关系模式.电力能源材料数据库的简单E/R图见图1.

图1 电力能源材料数据库的简单E/R示意

电力能源材料数据库的材料亚类表见表1.

我们选用oracle10g数据库和相应的plsqldev前台开发软件，保证能够有效、方便地储存、管理、加工和恢复各种类型的数据，保证系统安全并控制数据冗余，为不同访问权限的用户提供数据查询与服务支持.采用搜集公开数据(利用中国知网、维普期刊、书籍)、归纳整理内部资料等多种方式搜集了大量的文献资料.查阅公开发行的书籍、手册;归纳整理了内部资料如《火力发电厂金属材料手册》、《电厂金属材料》、《汽轮机、锅炉、发电机金属材料手册》等科学数据与资讯，同时对自有数据进行整理，对不同来源数据进行甄别和鉴定，确保数据的可靠性.此外，我们还致力于电厂常用材料的各种标准数据、报告及失效案例，快速地对材料和失效方式等进行查询、修改及编辑，从而为电厂的正常运行服务，对于维护电站设备的安全正常运行有着积极的社会和经济效益.目前开始进行发电机转子及其附件用钢、汽轮机叶片用钢、铜合金热交换管等亚类表材料数据的录入.现阶段正在进行对超(超)临界材料、风电材料等数据资源的搜集和整合工作，以增加数据涵盖面.为了保证将材料科学数据共享网真正建设成为国家级的数据库，数据内容的英文版也在同步建设.

表1 电力能源材料(137)数据库的材料亚类

5 结语

标准的材料科学数据库系统的建立，对材料的研究开发、生产、销售、使用和改进等工作具有重要意义，可为现代化的产品设计和生产提供强有力的支持.建立材料数据共享网是一项艰巨的任务，目前不论是电力能源行业中的正确选材与科学用材，还是从电力能源材料领域的创新研究和高新技术的发展来看，我国对电力能源材料科学数据的需求十分迫切.同时，新材料的不断研究开发，更要求电力能源材料数据库进行持续不断地更新、补充.因此，各级科研管理部门应该加大投入，制定统一的管理条例，以推动材料数据库建库工作的健康发展.此外，要加强校企合作，注重数据库与人工智能及专家系统的结合，以满足电力材料监督技术工作的要求，提高电力能源材料数据库开发的效率和效益.

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