楊小渝, 張 蕾

1(中國科學(xué)院 計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心, 北京 100190)

2(中國科學(xué)院大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100049)

我們調(diào)研發(fā)現(xiàn), 對于很多新材料研發(fā)企業(yè)而言, 其材料研發(fā)設(shè)計、制備以及測試表征分處于不同的部門,導(dǎo)致材料制備工藝數(shù)據(jù)、測試表征數(shù)據(jù)以及材料研發(fā)設(shè)計數(shù)據(jù), 呈離散化、碎片化狀態(tài), 形成信息孤島. 測試表征人員要用到多種實驗儀器來測量材料不同性能,但是不同表征設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)格式各不相同, 大多保存在測試表征部門的電腦中. 對于同樣的物性, 還會涉及到用不同測試設(shè)備進行表征. 比如電導(dǎo)率的測試表征方法就有渦流法、U型管和平管3種方法； 熱導(dǎo)率的測試表征方法就有激光導(dǎo)熱儀和導(dǎo)熱系數(shù)測試兩種方法. 對材料制備工藝數(shù)據(jù)而言, 或沒有得到保存, 或僅保存在生產(chǎn)部門的電腦中. 而測試表征設(shè)備和制備工藝的多樣性, 導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄方式也不盡相同, 有的數(shù)據(jù)需要人工手動記錄, 有的數(shù)據(jù)以電子文檔格式呈現(xiàn).材料實驗數(shù)據(jù)的上述特點, 概括起來, 就是“多源、異構(gòu)”. 這種測試表征和制備工藝分散的數(shù)據(jù)存儲方式不便于材料研發(fā)數(shù)據(jù)共享, 更不便于借助AI方法開展新材料設(shè)計[1,2].

為了解決多源、異構(gòu)的材料數(shù)據(jù)集中存儲和共享,國內(nèi)外已有一些材料數(shù)據(jù)庫平臺, 旨在解決這個問題.其中最知名是國外的Citrination[3,4]. 它是一個開放的材料數(shù)據(jù)和分析云平臺, 允許用戶上傳自己的材料數(shù)據(jù),開放共享, 并基于此開展材料數(shù)據(jù)挖掘. Citrination支持十多種文件格式(如csv、cif、dat、fid、txt), 文件上傳后能自動被轉(zhuǎn)換為Citrination定義的標準格式PIF (Product Information File) 進行標準化存儲. 但是它不能很好地支持針對各類測試表征設(shè)備所獲取數(shù)據(jù)的錄入和集中管理存儲, 尤其是離散型數(shù)據(jù)的錄入. 國內(nèi)主要有材料基因數(shù)據(jù)庫平臺MgeData (https://mgedata.cn/), 它的數(shù)據(jù)錄入要針對材料基因工程數(shù)據(jù)匯交,并不主要針對材料研發(fā)企業(yè)的制備和測試表征數(shù)據(jù)錄入.

因此為了實現(xiàn)一個能幫助不同材料研發(fā)企業(yè)構(gòu)建他們專用材料數(shù)據(jù)庫的一個統(tǒng)一、通用的系統(tǒng), 從而便于企業(yè)在一個集成的環(huán)境下錄入材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù), 本文結(jié)合材料基因工程數(shù)據(jù)通則標準,以及無代碼編程理念, 研發(fā)了一個材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)庫無代碼生成系統(tǒng), 稱之為MatFusion.MatFusion主要包括基于CSTM材料數(shù)據(jù)通則[5]的一個材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)庫框架, 以及基于此材料數(shù)據(jù)庫框架而開發(fā)的一個材料數(shù)據(jù)庫無代碼生成系統(tǒng). MatFusion設(shè)計為一款無代碼生成系統(tǒng), 在代碼上提供抽象層, 以代碼為基礎(chǔ), 允許用戶以視覺方式構(gòu)建數(shù)據(jù)錄入的UI界面. 這不僅有助于提高開發(fā)速度,也給用戶帶來了更大的自主權(quán), 使用戶的需求很大程度地“自定義化”.

CSTM指中關(guān)村材料實驗數(shù)據(jù)聯(lián)盟[6], 它于2019年8月頒布了材料基因工程數(shù)據(jù)通則, 用于指導(dǎo)我國的材料基因工程. 無代碼編程是指一種無需代碼基礎(chǔ),適合業(yè)務(wù)人員、IT開發(fā)及其他各類人員來組裝和配置程序. 無代碼并不是指軟件沒有代碼, 軟件的底層依舊是由很多代碼組成, 但是把傳統(tǒng)需要寫大量代碼才能實現(xiàn)的功能組件化了[7,8]. 用戶可以在圖形界面中, 使用可視化建模的方式, 來組裝和配置應(yīng)用程序, 跳過所有的基礎(chǔ)架構(gòu), 只關(guān)注于使用應(yīng)用模塊來實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯.

MatFusion的最大創(chuàng)新在于, 將CSTM材料基因工程數(shù)據(jù)通則和無代碼開發(fā)理念相結(jié)合, 開發(fā)了一個通用的材料專用數(shù)據(jù)庫的無代碼生成系統(tǒng), 用戶僅需自定義語義UI模板, 便能動態(tài)生成針對不同材料測試表征設(shè)備的數(shù)據(jù)錄入頁面. MatFusion能夠適用于不同的材料研發(fā)企業(yè), 解決了新材料研發(fā)企業(yè)存在的材料研發(fā)設(shè)計、制備以及測試表征分處于不同的部門而形成的“數(shù)據(jù)孤島”問題. 并將分散獨立的測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)融合, 方便數(shù)據(jù)共享且有助于基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法, 幫助新材料研發(fā).

本文介紹了MatFusion的設(shè)計和開發(fā)理念, 并以液態(tài)金屬測試表征和制備工藝離散型數(shù)據(jù)的錄入為案例, 介紹了MatFusion的使用.

1 CSTM材料數(shù)據(jù)通則

要做到一種通用的解決方案, 首先要遵循一個標準. 中關(guān)村材料實驗數(shù)據(jù)聯(lián)盟CSTM, 于2019年8月頒布了材料基因工程數(shù)據(jù)通則, 建立了適合材料基因工程需求的數(shù)據(jù)標準, 規(guī)范數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程中要收集的信息和遵循的格式, 滿足數(shù)據(jù)FAIR原則(Finabale,Accessible, Interoperable, Reusable)[9]. CSTM是在中國工程院戰(zhàn)略研究下, 結(jié)合國家深化標準化工作改革方案, 在國家標準委、工信部、中國工程院、中關(guān)村管委會等部門的支持下成立的. 目前中關(guān)村材料實驗數(shù)據(jù)聯(lián)盟負責中國材料基因工程相關(guān)標準制定, 以及其它材料研發(fā)和試驗標準的制定.

CSTM材料基因工程數(shù)據(jù)通則基于材料科學(xué)在數(shù)據(jù)驅(qū)動模式下對數(shù)據(jù)的需求, 將數(shù)據(jù)分為樣本信息、源數(shù)據(jù)(未經(jīng)處理的數(shù)據(jù))與衍生數(shù)據(jù)(經(jīng)分析處理得到的數(shù)據(jù))三類, 以操作(樣品制備/表征/計算/數(shù)據(jù)處理)為條目單位, 對每次操作分別賦予獨立資源標識(根據(jù)國標GB/T 32843或DOI). 每條數(shù)據(jù)收集與操作相關(guān)的元數(shù)據(jù). 元數(shù)據(jù)主要包括: 方法、條件、結(jié)果、和科技資源標識. 樣品可以是實驗產(chǎn)生的實物, 也可以是經(jīng)計算產(chǎn)生的虛擬物. 同理, 源數(shù)據(jù)可以來自于表征或是直接測量, 也可以通過模擬計算產(chǎn)生.

參照CSTM材料基因工程數(shù)據(jù)通則, 本文提出了一個基于CSTM材料基因工程數(shù)據(jù)通則的材料數(shù)據(jù)庫架構(gòu)體系, 如圖1所示. 從圖中可以看到對于不同來源的數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)庫要存儲數(shù)據(jù)的樣本信息、源數(shù)據(jù)以及它的衍生數(shù)據(jù), 同時對于樣本的制備或者測試方法等都需要給出它的測試方法、條件、結(jié)果以及科技資源標識等信息.

圖1 基于CSTM材料基因工程數(shù)據(jù)通則的材料數(shù)據(jù)庫架構(gòu)體系

2 材料數(shù)據(jù)庫框架設(shè)計

基于圖1, 本文提出了一個測試表征和制備工藝專用數(shù)據(jù)庫的架構(gòu). 從材料生命周期看, 包括如下數(shù)據(jù)庫表. 由于不同材料或樣品, 采用的設(shè)備、工藝、方法等均不相同, 本文提出了采用語義模板的方法, 動態(tài)生成數(shù)據(jù)的的采集頁面.

(1) 樣本信息: 錄入化學(xué)式、結(jié)構(gòu)、成分等信息.

(2) 制備工藝: 錄入制備工藝相關(guān)信息.

(3) 物相組成: 錄入該樣本物相組成等信息.

(4) 微觀組織: 錄入該樣本的微觀組織信息.

(5) 基本物性: 錄入該樣本的基本物性數(shù)據(jù).

(6) 服役性能: 錄入該樣本測試的服役性能數(shù)據(jù).

從實驗角度(制備和表征)來看, 一般有組成元素,組成物相, 制備工藝以及物性等. 材料屬性又有牌號和名稱等. 因此針對金屬和無機非金屬材料的一個制備表征的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)如圖2所示. 主要的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)如下:

圖2 材料數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

材料(ID, 名稱, 牌號, 化學(xué)表達式, …)

組成元素(ID, 材料ID, 元素序號, 含量, …)

元素屬性(ID, 組成元素ID, 電負性, …)

制備工藝(ID, 材料ID, 原料, 工藝, …)

組成物相(ID, 材料ID, 名稱, 含量, 類型, …)

晶體結(jié)構(gòu)(ID, 物相ID, 空間群, 晶格常數(shù), 原子占位, …)

物 性(ID, 材料ID, 表征ID, 溫度條件, 尺寸條件,其它條件, …)

表征方法(ID, 儀器, 操作, …)

通過晶體結(jié)構(gòu)可以與計算數(shù)據(jù)庫建立起關(guān)聯(lián), 從而實現(xiàn)制備表征數(shù)據(jù)庫、晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫與計算數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián), 從而真正實現(xiàn)材料基因工程所倡導(dǎo)的計算、制備和表征的一體化集成.

3 材料數(shù)據(jù)庫框架無代碼構(gòu)建系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)庫無代碼生成系統(tǒng)架構(gòu)

材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)庫無代碼生成系統(tǒng)如圖3所示. 主要包括材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)庫, 離散型數(shù)據(jù)錄入, 以及電子數(shù)據(jù)錄入. 材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)庫, 分為成分信息, 制備工藝, 物相組成, 組織結(jié)構(gòu)、基本物性, 以及服役性能幾個層面.數(shù)據(jù)錄入分為: 手工錄入(離散型)和電子數(shù)據(jù)導(dǎo)入. 由于手工錄入數(shù)據(jù)和電子數(shù)據(jù)導(dǎo)入的特點不同, 因而數(shù)據(jù)錄入方法不同.

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1.1 手工錄入數(shù)據(jù)的流程

(1)根據(jù)材料體系, 通過語義UI模板, 定義該材料體系的測試方法, 測試條件和結(jié)果, 以及制備方法, 制備條件和結(jié)果.

(2) UI頁面生成模塊, 調(diào)用上述定義的語義UI模板, 生成相應(yīng)的成分信息錄入頁面, 制備數(shù)據(jù)錄入頁面,物相組成錄入頁面, 組織結(jié)構(gòu)錄入頁面, 基本物性錄入頁面, 以及服役性能錄入頁面.

(3)基于上述的各錄入頁面, 用戶調(diào)用數(shù)據(jù)錄入模塊, 進行成分信息, 制備工藝, 物相組成, 組織結(jié)構(gòu)、基本物性, 以及服役性能的錄入, 進入材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)庫中.

3.1.2 電子數(shù)據(jù)導(dǎo)入的流程

(1)用戶輸入設(shè)備名稱和型號.

(2)測試表征設(shè)備管理模塊基于上述的設(shè)備名稱和型號, 通過設(shè)備名稱和型號獲取模塊, 獲取輸入設(shè)備名稱和型號, 從而在預(yù)設(shè)的設(shè)備電子文檔解析插件庫中, 獲取相匹配的電子文檔解析插件.

(3)用戶輸入該材料測試表征的電子文檔結(jié)果, 電子文檔解析模塊通過調(diào)用上述的電子文檔解析插件,解析出該材料的測試表征數(shù)據(jù), 進入測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)庫中.

3.2 無代碼生成系統(tǒng)設(shè)計

前文可知本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計遵循了CSTM規(guī)范, 無論對于制備和表征, 都只能通過方法、條件和結(jié)果去定義, 這個“方法、條件和結(jié)果”如何與材料的成分信息、制備工藝、物相組成、微觀組織、基本物化屬性以及服役性能關(guān)聯(lián)? 以測試表征為例, 不同材料的測試表征方法不同, 即便是對于相同的材料的同一屬性的測試表征方法都有所不同. 例如對于密度這一物理性質(zhì)來說, 就有比重瓶法和密度天平法兩種不同的測試方法.

基于上述考慮, 本系統(tǒng)引入了語義UI模板的設(shè)計.即對材料的測試表征方法和制備工藝, 預(yù)先定義一個通用的語義UI模板, 定義測試或制備所涉及的方法,條件和結(jié)果. 一旦語義UI模板定義好后, 在用戶進行材料表征和制備數(shù)據(jù)錄入時, 便可以選擇定義好的模板進行數(shù)據(jù)的錄入, 解決了數(shù)據(jù)錄入時“通用”和“個性化”的問題.

3.2.1 語義UI模板構(gòu)成元素及元數(shù)據(jù)

語義UI模板元素構(gòu)成, 根據(jù)上述討論, 遵循CSTM規(guī)范, 語義UI模板的構(gòu)成元素為: 方法、條件和結(jié)果. 條件又分為一級條件1、一級條件2等. 每個一級條件下又可含有二級條件1、二級條件2等.

模板元素的元數(shù)據(jù)描述, 如何定義方法、條件和結(jié)果呢? 為了解決這一問題, 本文提出了如下的元數(shù)據(jù)規(guī)范來描述它們, 如圖4所示.

圖4 UI模板的構(gòu)成

從圖4可以看出, 方法由方法名和方法兩個元數(shù)據(jù)定義. 測試條件由條件名、條件值和條件值單位3個元數(shù)據(jù)描述； 結(jié)果同樣由結(jié)果名、結(jié)果值和結(jié)果值單位3個元數(shù)據(jù)描述. 條件又分為一級條件、二級條件等. 例如對測試條件溫度來說, 在溫度這一條件下又分為外焰溫度和內(nèi)焰溫度, 此時溫度就是一級條件, 外焰溫度和內(nèi)焰溫度則是二級條件.

無論是條件值或者結(jié)果值, 都可以是字符類型、文本類型、文件類型、圖片類型、范圍值以及數(shù)組和矩陣類型. 因此用戶可以通過UI模板對層級關(guān)系以及數(shù)據(jù)的類型進行自定義.

3.2.2 語義UI模板的實現(xiàn)

根據(jù)語義UI模板的構(gòu)成要素和元數(shù)據(jù)規(guī)范, 如何描述該語義UI模板呢?

在實現(xiàn)技術(shù)上, 可以使用文本或者XML或者JSON或者知識圖譜等來描述對象, 本系統(tǒng)中使用的是輕量級的JSON. 對于測試條件來說, 用戶只需定義測試條件名、測試條件值類型、測試條件單位, 系統(tǒng)會自動將用戶的輸入以JSON的格式描述(目前用戶暫只能以JSON格式輸入).

例如用戶要錄入測試條件名為“溫度”, 其下又包含“內(nèi)焰溫度”和“外焰溫度”兩個二級條件, 數(shù)值類型均為字符類型, 單位均為“攝氏度”, 并且外焰溫度值為100. 相關(guān)的UI模板語句如下所示:

[{

"name": "溫度",

"valueType": "object",

"value": [{

"name": "內(nèi)焰溫度",

"unit": "攝氏度",

"valueType": "string"

}, {

"name": "外焰溫度",

"unit": "攝氏度",

"value": "100",

"valueType": "string"

}]

}]

本系統(tǒng)也對多種的錄入數(shù)據(jù)格式進行了定義. 例如在錄入溫度時可能需要錄入最高溫度、最低溫度,此時在進行語義UI模板的填寫時將valueType寫為“range”即可. 當前本系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)類型有字符類型、文本類型、矩陣、文件/圖片、范圍值, 分別為“string”“text”“array”“file”“range”. 之后也將會根據(jù)實際的使用情況進行數(shù)據(jù)類型的擴充.

3.2.3 模板數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)計

由前文可知語義UI模板的構(gòu)成元素為方法、條件和結(jié)果, 以及相應(yīng)的元數(shù)據(jù)描述. 因此本系統(tǒng)設(shè)計了如下的數(shù)據(jù)庫, 用于存儲語義UI模板的構(gòu)成元素和元數(shù)據(jù)描述, 如圖5所示, 數(shù)據(jù)庫中“MethodTemplate”存儲表用于存儲模板類型、方法名和方法描述. 其中模板類型指明是用于描述“結(jié)果”或者“條件”. “Condition”表用于存儲條件的元數(shù)據(jù)描述. “Result”表用于存儲結(jié)果的元數(shù)據(jù)描述.

圖5 模板數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.2.4 語義UI模板管理

為了實現(xiàn)用戶對語義UI模板的管理, 本系統(tǒng)不僅提供了模板定義和查看功能, 還提供了模板的修改和刪除功能, 這樣用戶不僅可以錄入方法模板, 也可以對已經(jīng)錄入的方法模板存在的不恰當?shù)牡胤竭M行修改和刪除, 這讓語義UI模板的使用更加靈活.

修改模板是用戶對已添加好的方法模板進行的管理操作. 當用戶選定了某一個具體的測試方法后, 點擊“修改模板”按鈕將會跳轉(zhuǎn)到修改模板頁面, 頁面的內(nèi)容則是用戶選擇的該方法模板的具體內(nèi)容. 用戶可以對方法名、方法描述、測試條件和測試結(jié)果進行修改,測試條件和測試結(jié)果的錄入語句遵循前文提到過的語義UI模板的規(guī)范. 當用戶對需要修改的內(nèi)容修改完畢后點擊“保存”按鈕將會觸發(fā)相應(yīng)的方法將用戶修改過后的內(nèi)容更新到數(shù)據(jù)庫中.

刪除模板是用戶對已添加好的方法模板進行的管理操作. 當用戶選定了某一個具體的測試方法后, 點擊“刪除模板”按鈕將會觸發(fā)相應(yīng)的方法將用戶選擇的該方法模板從數(shù)據(jù)庫中刪除.

3.2.5 UI頁面生成

語義UI模板實現(xiàn)了用戶在錄入數(shù)據(jù)時對錄入頁面的自定義功能. 當用戶錄入模板語言并保存時, 本系統(tǒng)會調(diào)用模板解析模塊對用戶錄入的模板信息進行解析； 基于對模板的解析, 調(diào)用頁面生成模塊最終生成數(shù)據(jù)錄入頁面.

用戶錄入數(shù)據(jù)時, 當用戶選擇模板后, 系統(tǒng)便會依次讀取語義模板數(shù)據(jù)庫中存儲的信息, 最終根據(jù)存儲的“valueType”的值來生成相應(yīng)的頁面. 系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)據(jù)值的類型, 字符類型、文本類型、矩陣、文件圖片、范圍值, 分別生成相應(yīng)的頁面.

(1)當數(shù)據(jù)類型為字符類型時頁面如圖6所示.

圖6 字符類型頁面顯示

(2)當數(shù)據(jù)類型為文本類型時頁面如圖7所示.

圖7 文本類型頁面顯示

(3)當數(shù)據(jù)類型為矩陣、數(shù)組類型時頁面如圖8所示.

圖8 矩陣、數(shù)組類型頁面顯示

(4)當數(shù)據(jù)類型為文件、圖片類型時頁面如圖9所示.

圖9 文件、圖片類型頁面顯示

(5)當數(shù)據(jù)類型為范圍值時頁面如圖10所示.

圖10 范圍值頁面顯示

3.2.6 語義UI模板的使用案例

接下來本文將舉兩個簡單的例子來說明語義UI模板的使用. 分別是制備工藝的“化學(xué)合成法”和磁滯回線的測試表征方法“振動樣品磁強計”.

(1)化學(xué)合成法制備工藝模板

“化學(xué)合成法”的制備條件為“溫度”和“時間”, 單位分別是“攝氏度”和“小時”, 輸入定義為字符型, 則該方法的制備條件的模板語句為:

[{

"name": "溫度",

"unit": "攝氏度",

"valueType": "string"

}, {

name": "時間",

"unit": "小時",

"valueType": "string"

}]

制備結(jié)果包括“顏色”和“狀態(tài)”, 同樣按字符定義,定義的語義UI模板語句如下:

[{

"name": "顏色",

"unit": "",

"valueType": "string"

}, {

"name": "狀態(tài)",

"unit": "",

"valueType": "string"

}]

一旦定義好后, 該語義模板相關(guān)信息會存于數(shù)據(jù)庫中. 最終生成的基于化學(xué)合成法制備工藝的數(shù)據(jù)錄入頁面如圖11所示.

圖11 化學(xué)合成法UI頁面

(2)振動樣品磁強計語義UI模板

磁滯回線的測試表征方法“振動樣品磁強計”, 其測試條件為“溫度”, 單位為“攝氏度”, 輸入定義為字符類型, 則該測試表征方法的表征條件模板語句為:

[{

"name": "溫度",

"unit": "攝氏度",

"valueType": "string"

}]

表征結(jié)果為飽和磁化強度的一個圖片文件, 因此定義的語義UI模板如下:

[{

"name": "結(jié)果文件",

"valueType": "file"

}]

基于振動樣品磁強計生成的數(shù)據(jù)錄入界面如圖12.

圖12 振動樣品磁強計UI頁面

3.3 電子文檔數(shù)據(jù)的錄入

電子文檔數(shù)據(jù)的錄入, 相對比較容易. 電子文檔數(shù)據(jù)的錄入和測試表征設(shè)備密切關(guān)聯(lián). MatFusion 針對常見的測試表征設(shè)備所產(chǎn)生的電子文檔數(shù)據(jù), 預(yù)先開發(fā)了相應(yīng)的解析模塊. 用戶在錄入數(shù)據(jù)時, 只需輸入測試表征設(shè)備, 型號, 以及關(guān)注的物性數(shù)據(jù), 然后上傳該電子文檔文件, 系統(tǒng)會自動解析電子文檔, 提取關(guān)鍵數(shù)據(jù), 存入數(shù)據(jù)庫中. 對于沒有定義的測試表征設(shè)備, 根據(jù)該電子文檔格式, 需要進行個性化的開發(fā), 集成到MatFusion中, 如圖13.

圖13 MatFusion系統(tǒng)主頁面

4 案例

本章以錄入Ga基合金Ga61In25Sn13Zn1液態(tài)金屬的離散型實驗數(shù)據(jù)為例, 說明MatFusion的使用. 要錄入的數(shù)據(jù)包括: 成分信息、制備工藝、物相組成、組織結(jié)構(gòu)、基本物性以及服役性能幾個層面. 要錄入的樣本數(shù)據(jù)如表1所示.

從表1分析可以看出, 不同的物化性能, 測試表征所用的儀器不同, 測試表征條件, 數(shù)據(jù)類型也不盡相同.而且, 即便是同一種物化性質(zhì)(如熱導(dǎo)率), 測試表征所用儀器也不相同.

表1 樣本數(shù)據(jù)表

采用本文提出的方法, 錄入的方法如4.1, 4.2節(jié).

4.1 錄入頁面

根據(jù)材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)庫, 分為成分信息、制備工藝、物相組成、組織結(jié)構(gòu)、基本物性以及服役性能幾個層面, 開發(fā)出如圖14的錄入頁面.

圖14 電子數(shù)據(jù)錄入界面

4.2 離散數(shù)據(jù)的手工錄入

(1)成分信息錄入

成分信息的測試方法, 包括 X 射線頻譜分析(EDS),以及X射線光電子能譜分析(XPS)等. 這里選擇用X射線頻譜分析(EDS), 測試條件是在室溫下, 結(jié)果為圖像. 則對于X射線頻譜分析方法錄入測試表征數(shù)據(jù)所定義的語義UI模板關(guān)鍵語句如下(JSON 語句格式).

測試方法: X 射線頻譜分析.

測試條件主要是溫度. 定義的語句如下:

[{

"name": "溫度",

"unit": "攝氏度",

"valueType": "string"

}]

測試結(jié)果為EDS樣本, 以文件的形式呈現(xiàn), 定義的語義UI模板如下:

[{

"name": "EDS樣本",

"unit": "",

"valueType": "file"

}]

基于上述語義UI模板, 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錄入UI頁面如圖15所示. 這時用戶就可上傳X 射線頻譜分析的圖像文件.

圖15 X射線頻譜分析UI頁面生成

(2)制備表征

制備表征的數(shù)據(jù)錄入, 分為兩個部分: 制備原料和制備方法. 制備原料一般包括: 原料、純度、用量、廠家和批號, 而制備方法主要是文本描述. 制備原料的數(shù)據(jù)錄入是基于靜態(tài)頁面. 制備方法和制備結(jié)果則是使用語義UI模板進行定義. 對于真空冶煉法的數(shù)據(jù)錄入,所定義的語義UI模板關(guān)鍵語句如下.

制備方法: 真空冶煉法

制備條件為溫度和時間, 定義的語句如下:

[{

"name": "溫度",

"unit": "攝氏度",

"valueType": "string"

}, {

"name": "時間",

"unit": "小時",

"valueType": "string"

}]

制備結(jié)果為顏色和狀態(tài), 定義的語句如下:

[{

"name": "顏色",

"unit": "",

"valueType": "string"

}, {

"name": "狀態(tài)",

"unit": "",

"valueType": "string"

}]

生成的制備工藝數(shù)據(jù)錄入頁面如圖16所示.

圖16 制備工藝數(shù)據(jù)錄入頁面

(3)物相組成

材料的物相組成可通過X射線衍射法(XRD), 測試條件為室溫, 其結(jié)果也是圖像, 因此生成物相組成數(shù)據(jù)錄入頁面的UI定義語句如下:

測試方法: X 射線衍射法(XRD)

測試條件:

[{

"name": "溫度",

"unit": "攝氏度",

"valueType": "string" }]

測試結(jié)果:

[{

"name": "結(jié)果文件",

"unit": "",

"valueType": "file" }]

生成的物相組成數(shù)據(jù)錄入頁面如圖17所示.

圖17 物相組成數(shù)據(jù)錄入頁面

(4)微觀組織

該類Ga基合金的微觀組織用掃描電鏡(SEM), 在室溫下表征, 表征結(jié)果為圖像. 要支持該掃描電鏡表征結(jié)果的錄入, 則定義的針對掃描電鏡測試表征數(shù)據(jù)錄入的語義UI模板關(guān)鍵語句如下.

測試方法: 掃描電子顯微鏡

測試條件:

[{

"name": "溫度",

"unit": "攝氏度",

"valueType": "string"

}]

測試結(jié)果:

[{

"name": "結(jié)果文件",

"unit": "",

"valueType": "file"

}]

通過上述語句定義的UI模板, 產(chǎn)生的掃描電鏡圖像錄入頁面如圖18所示, 這時用戶就可錄入微觀組織數(shù)據(jù).

圖18 掃描電鏡圖像錄入頁面

(5)基本物化屬性數(shù)據(jù)的錄入

這里以輸入該類材料體系的比熱容、熔點和熔化焓熱學(xué)性質(zhì)為例, 說明如何定義語義模板. 這些數(shù)據(jù)都是離散型. 定義生成比熱容、熔點和熔化焓熱學(xué)數(shù)據(jù)的UI錄入頁面語句如下:

測試方法: DSC差式掃描量熱儀(200F3)

測試條件

[{

"name": "溫度",

"unit": "攝氏度",

"valueType": "string"

}]

測試結(jié)果:

[{

"name": "比熱熔",

"unit": "",

"valueType": "string"

}, {

"name": "熔點",

"unit": "攝氏度",

"valueType": "file"

}, {

"name": "熔化焓",

"unit": "",

"valueType": "file"

}]

生成的錄入界面如圖19所示.

圖19 基本物化屬性數(shù)據(jù)錄入界面

5 討論

相較與其它材料基因數(shù)據(jù)庫平臺或系統(tǒng), MatFusion的最大特點在于提出了一種通用的方法, 用于整合材料研發(fā)企業(yè)分散的測試表征和制備工藝數(shù)據(jù). 其主要創(chuàng)新點, 體現(xiàn)在以下幾個方面.

(1)提供了一種通用的材料測試表征和專用數(shù)據(jù)庫架構(gòu), 解決了由于測試表設(shè)備和方法的不同帶來的數(shù)據(jù)存儲多樣性問題. 將新材料研發(fā)所需要的各種數(shù)據(jù)整合在一起, 方便實驗人員之間數(shù)據(jù)的傳遞以及保證數(shù)據(jù)的安全性.

(2)基于上述架構(gòu), 提出了一種材料專用數(shù)據(jù)庫的無代碼生成系統(tǒng). 用戶僅需自定義語義模板, 便能生成數(shù)據(jù)動態(tài)錄入頁面. 用戶通過自定義語義模板, 動態(tài)的生成數(shù)據(jù)錄入界面, 這為離散的數(shù)據(jù)的錄入帶來很大的便利. 同時模板的設(shè)計還包含了多種形式數(shù)據(jù)的錄入, 這可以支持更多方法的錄入, 使用戶有更多的選擇.

(3)能便捷地幫助實現(xiàn)材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)的融合. 該方案能將材料的分散獨立的數(shù)據(jù)整合到一起方便了實驗人員之前的數(shù)據(jù)共享, 而且有助于對新材料開展機器學(xué)習, 構(gòu)建QSPR模型, 預(yù)測新型材料的性質(zhì), 加快新材料的研發(fā).

目前的語義UI模板的定義, 主要通過輕量級的JSON. 實際上, 語義UI模板的定義, 還可通過知識圖譜的方式, 使得數(shù)據(jù)的錄入變得更加智能化.

6 結(jié)束語

由于測試表征的多樣性以及各種數(shù)據(jù)的獨立存儲,導(dǎo)致新材料在研發(fā)時的各種數(shù)據(jù)等變得離散化、碎片化, 形成信息孤島. 如何將這些離散且多樣性的數(shù)據(jù)以一種統(tǒng)一的方式存儲起來, 是新材料研發(fā)時亟待解決的問題. 因此為了實現(xiàn)在一個統(tǒng)一的、通用的環(huán)境下實現(xiàn)對不同材料種類和體系數(shù)據(jù)的錄入, 本文結(jié)合材料基因工程數(shù)據(jù)通則, 以及無代碼生成理念, 研發(fā)了要一個材料測試表征和制備工藝數(shù)據(jù)庫無代碼生成系統(tǒng)MatFusion. 該系統(tǒng)提出了語義UI模板語言, 用戶能夠通過自己定義的語義UI模板實現(xiàn)對不同測試表征和制備工藝的數(shù)據(jù)錄入界面的自定義.

我們將會對語義UI模板語言進一步優(yōu)化, 通過更加友好的頁面讓用戶定義描述方法、條件和結(jié)果的元數(shù)據(jù), 使其擁有更加良好的交互界面和更加全面的功能,滿足更多“多源、異構(gòu)”的材料數(shù)據(jù)融合、集成和共享.