【www.zhangdahai.com--现实表现材料】
吴家菊，程 铮，左洪福，杨永辉，孔令刚，康时嘉，朱行林
（1.南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 210016；
2.中国工程物理研究院 计算机应用研究所，四川 绵阳 621999）
随着IBM的数据库管理产品IMS的推出，各国先后开始建立材料数据库，为材料标准、科研数据提供结构化的储存途径以及信息查询等功能[1]。材料性能数据库系统作为专家系统，是目前CAD∕CAE∕CAM∕CIMS以及装备综合保障、材料科学以及高性能数值模拟的重要数据支撑。航空、航天、船舶以及武器装备等领域涉及到的部分材料性能数据敏感，关系到国家安全及利益，要求材料性能数据库能够基于可信用户管控使用。因此建立基于标准的材料性能数据库系统，提供可控的数据服务，是材料科学领域以及高性能数值模拟领域面临的紧迫任务。
在过去几十年中，发达国家和新兴工业化国家都在积极建立各种材料性能数据库。美国国防部以CALS计划为牵引，建立了大量的工程数据库，服务于海军、陆军、空军以及国防部，涉及钢铁材料、有色金属材料、高分子材料、复合材料等多个门类，例如Mat Web数据库[2]。欧洲的材料建模委员会（EMMC）也针对材料科学研究开发了一些优秀的软件，比如新材料发现（NoMaD）资源库和自动化互动基础设施和数据库（Aii DA）[3]。法国共建有材料数据库40多个，内容覆盖了大部分工业材料，如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[4]。部分知名专业的分析软件自带材料性能数据库，如DEFORM有限元分析软件自带的金属材料性能数据库[5]，NASGRO损伤容限分析软件包含NASMAT材料数据库模块等[6]。近十年来，出现Materials Project、AFLOW、OQMD、Atomly等材料计算数据库[7-8]。这些数据库依赖专业软件运行，更新、追溯困难。复杂国际形式下，国外的材料性能数据库对我国的武器装备设计及数值模拟验证开放有限，材料性能数据使用困难，其更新及追溯更难。
我国在材料信息系统建设方面起步较晚，20世纪80年代，部分科研院所、企业开始自主建立不同规模的材料数据库，如工艺研究所工程院的化学数据库、清华大学的新材料数据库、西北工业大学的复合材料数据库、中国航发北京航空材料研究院的航空材料数据库等等[9]。国内材料数据库系统大规模实际应用不多，主要表现在：
1）网络化共享不足。目前大量的材料性能数据库分别建设于不同的部门系统，采用离线的PC单机模式运行，网络化共享和对外提供服务能力不够。
2）数据融合及多学科支持不足。武器装备工程是一个多学科、多领域的系统工程，其设计、研制及维保过程需要使用多个领域、多学科材料性能数据，如力学性能数据、热力学数据、金属数据及电磁学性能数据等，单一的性能数据库不能支持相关工作的开展[2]。
3）智能化服务不足。现有材料性能数据库基本都是提供条件检索服务，对于智能化近似材料匹配以及基于机器学习预测分析等智能化算法的定制能力支持不够[10]。
4）标准化不足。不同国家地区以及单位的材料性能数据库采用的数据标准、单位以及结构的不同，导致数据共享使用困难。
5）数据安全管控不足。现有材料性能数据库局限于某一领域的专业数据，由不同国家或者部门建设，自己内部使用，基本未考虑材料性能数据的分级保护及安全管控问题。
为方便材料性能数据的使用，材料性能数据管理需要解决网络化共享、多学科支持及数据融合、智能化服务、不同标准的转换以及数据安全管控问题，材料性能数据管理需求如下：
1）覆盖材料性能标准及学科；
2）支持模板化数据采集及导入数据库系统；
3）多标准、多学科材料分类数据的融合管理；
4）支持材料参数数据模块化拼接，方便使用；
5）合理的结构化、半结构化及文档化存储方式，方面数据共享使用；
6）材料性能数据具有版本管理和追溯能力；
7）以最小工作知悉原则进行材料性能数据授权；
8）支持材料标准、材料分类、元数据以及材料性能参数数据的持续更新，并存储更新记录，供查询追溯。
建立材料性能数据库的目的是共享使用，确保数据安全情况下最大限度的使用材料性能数据，具体使用需求如下：
1）支持材料性能数据网络化共享条件化受控查询、分析；
2）支持材料性能数据统计分析、智能分析算法编辑或者导入，形成算法库；
3）支持材料性能数据及分析方法配置；
4）支持材料性能数据单位制自动转换；
5）提供CAE计算数据查询服务，支持授权材料性能数据推送到CAE平台进行相应仿真计算；
6）支持材料性能数据网络化分析计算，计算结果可视化展示；
7）支持近似材料自动匹配，支持产品设计工作开展。
根据材料性能数据网络化共享管理使用需求，材料性能数据库系统主要包含材料性能数据采集、数据授权查询、数据对比分析、数据可视化展示和数据安全管控模块，同时提供数据查询、分析以及可视化展示服务接口，行业用户可以授权查询具体行业或领域材料性能数据并定制相应领域的材料性能数据服务APP，例如化学成分数据服务APP、机械性能数据服务APP、物理性能数据服务APP、热学性能数据服务APP等。材料性能数据库系统方案如图1所示。
图1 材料性能数据库系统方案
材料性能数据库系统模块之间的关系如图2所示。材料性能数据库功能模块具体执行过程为：材料性能数据采集用户通过数据安全管控模块的身份认证功能进行身份认证，登录系统，基于分级访问控制权限，材料性能数据采集用户登录系统后对材料性能数据进行标准化处理并存储到数据库，形成材料性能数据库；
材料性能数据查询用户通过身份认证后登录系统，对存储的标准化处理后的材料性能数据按照权限进行受控查询共享；
材料性能数据分析用户通过身份认证后登录系统，对受控查询共享得到的材料性能数据进行对比分析；
最后，对得到的材料性能数据的受控查询共享结果和对比分析结果进行可视化展示。
图2 材料性能数据库系统模块之间的关系
材料性能数据库包括数据采集、数据授权查询、数据分析服务、数据可视化及数据安全管控等模块。
1）数据采集模块：基于分级访问控制策略，用户登录系统后对材料性能数据进行标准化处理并存储；
2）数据授权查询模块：对存储的标准化处理后的材料性能数据按照权限进行受控查询共享；
3）数据分析服务模块：对受控查询共享得到的材料性能数据进行对比分析；
4）数据可视化模块：对得到的受控查询共享结果和得到的对比分析结果进行可视化展示；
5）数据安全管控模块：对材料性能数据库的使用用户进行身份认证，对于敏感材料数据进行混淆保护或加密存储，对使用用户进行功能及数据授权，对用户的行为进行审计追踪，达到材料性能数据安全可控使用。
3.1 材料性能数据采集
材料性能数据采集包括材料数据标准数据采集、材料性能数据分类管理、材料性能元数据管理、材料性能数据模板化导入、参数模块化拼接和材料性能数据版本管理功能。
1）材料数据标准数据采集。基于材料性能数据标准（例如：强制性国标（GB）和推荐性国标（GB∕T）、地方标准（DB）、企业标准（Q∕）、ANSI美国国家标准、BS英国标准、EN欧洲标准、NF法国标准等）的属性内容，通过浏览器访问材料性能数据标准采集界面获取标准的材料性能数据，并采用结构化方式进行存储，其中，属性包括标准编号、中国标准分类号CCS、国际标准编号ICS、名称、发布日期、实施日期、废止日期、版本号、发布单位和敏感级别，浏览器为IE、Chrome或Firefox。
2）材料性能数据分类管理。基于树形结构，如图3所示，对材料性能数据进行分类结构构建，得到材料性能数据的分类结构树，并采用结构化或者文件方式存储结构树中的材料性能数据。
图3 材料性能数据分类结构树模型
树形结构的材料性能数据分类的XML文件存储结构示例如下：
＜materials＞
＜node code="1"name="金属材料"describe=""＞
＜node code="1.1"name="有色金属"describe=""＞
＜node code="1.1.1"name="重金属"describe=""∕＞
＜node code="1.1.2"name="轻金属"describe=""∕＞
＜node code="1.1.3"name="贵金属"describe=""∕＞
＜node code="1.1.4"name="稀有金属"describe=""＞
＜node code="1.1.4.1"name="钨"describe=""∕＞
＜node code="1.1.4.2"name="钼"describe=""∕＞
＜node code="1.1.4.3"name="锗"describe=""∕＞
＜node code="1.1.4.4"name="锂"describe=""∕＞
＜node code="1.1.4.5"name="镧"describe=""∕＞
＜node code="1.1.4.6"name="铀"describe=""∕＞
＜∕node＞
＜∕node＞
＜node code="1.2"name="黑色金属"describe=""＞
＜node code="1.2.1"name="铁"describe=""∕＞
＜node code="1.2.2"name="锰"describe=""∕＞
＜node code="1.2.3"name="铬"describe=""∕＞
＜∕node＞
＜∕node＞
＜∕node＞
＜∕materials＞
3）元数据管理。将结构树中的材料性能数据抽象为元数据，通过浏览器的元数据采集界面采集各元数据，采用结构化方式进行存储。元数据的属性包括元数据标识、参数名称、英文名称、定义、数据类型、值域、约束条件、最大出现次数和单位。金属锻件的部分元数据样例如表1所示。
表1 金属锻件元数据样例
4）材料性能数据模板化导入。从材料性能数据对应的元数据的数据属性中根据需求选取生成，基于材料性能数据及其元数据生成Excel或XML格式的材料性能数据模板，如表2所示。通过材料性能数据模板采集材料性能数据。系统解析模板化的材料性能数据，根据数据敏感程度进行数据混淆保护、加密后存储。其中，敏感级别为“公开”，采用明文方式存储；
敏感级别为“内部”，采用混淆保护方式存储；
敏感级别为高于“内部”，采用加密方式存储。例如，根据金属锻件的元数据生成的数据采集模板如表3、表4所示，包括执行标准、材料牌号、密度、重量、价格、化学成分、力学性能、金相、无损检测、敏感级别等属性，一般采用Excel或者XML文件格式；
用户通过模板采集材料性能数据，形成规范化的材料性能数据表或者XML文件；
导入时，系统采用DOM或者SAX方法解析读入的数据文件[11]，根据元数据的值域、数据类型、出现次数、约束条件进行数据校验数据的合法性，若不合法则抛出数据不规范异常，合法则根据数据的敏感级别采用MD5或者HASH等算法进行混淆保护，集成商密、普密或者国密加密产品进行加密，存储到MongoDB数据库中。金属锻件的数据采集模板及部分数据样例如下所示，以3个XML文件存储到数据库中。
表2 金属锻件材料性能数据模板样例
表3 钛合金锻件1化学成分数据模板及数据样例
表4 钛合金锻件的力学性能数据模板及数据样例
"Density"：
{"Type"："Parameter"，
"Subtype"："double"，
"Value"：7.8，
"Unit"："g∕cm^3"
}
5）参数模块化拼接。基于给定的每一行材料性能数据的属性的拼接顺序材料性能数据具体参数进行拼接，得到拼接后的材料性能数据，根据拼接后的材料性能数据的敏感程度进行数据混淆保护或加密或明文进行存储。例如：参数模块化拼接中的TA7和TA12的钛合金锻件的材料性能数据文件分别包括基本信息、化学成分数据、力学性能数据三个XML文件，一共六个文件存储在数据库中，当数据量大量增加，做查询对比分析时会存在大量的遍历文件及库表操作，例如：数据量增加到1 000 000条时，会有3 000 000个XML文件存储到数据库。通过参数模块化拼接，将常用的数据拼接后形成一个复杂结构的拼接XML文件，存储到MongoDB中，方便高效查询分析使用。
6）材料性能数据版本管理，即用于材料性能数据的版本追溯及查询，用3位带点数据表示，初始版本号为1.0.0。当材料性能数据库数据单条数据修改完善或者重新导入保存数据时，系统自动更新材料性能数据的版本号，每一次小修订，版本号末位数字增加1，例如版本更新为1.0.1或1.0.2等，同一标准下的批量大修订（当导入数据量为多条时），版本号中间位数字加1，例如版本号更新为1.1.1或1.2.1等。当材料性能数据标准版本变化时，对应新的材料性能数据首位数字增加1，例如2.0.0或3.0.0，系统保存材料性能数据更新数据。小修订是指对单个参数及参数值修订或者信息完善，大修订是指某一标准的材料性能数据批量大修改，批量重新导入的情况，标准版本变化是指标准版本的升级修订，发布实施该标准新版本。
3.2 材料性能数据授权查询
材料性能数据授权查询模块包括条件分类查询、CAE计算数据查询服务、数据更新记录查询功能。
1）条件分类查询。基于分类查询接口和权限信息对输入查询条件参数化拼接的拼接后的材料性能数据进行查询，若为敏感级别数据，通过解混淆保护方法或解密方法将对应的查询结果转换为明文；
否则，直接读取明文数据。若明文不是指定单位，则进行单位转换，否则不转换。其中，查询条件包括标准、版本、分类和参数，采用MD5或者HASH算法进行解混淆保护，采用集成商密、普密或者国密加密产品进行解密。默认查询对应标准及版本的最新材料性能数据，如需追溯某材料性能数据的更新记录，调用材料性能数据分类结果进行结果查询。
2）CAE计算数据查询服务。基于分类查询接口和权限信息对用户在CAE软件（例如：Ansys Fluent、CFX、Star ccm+、Ls-Dyna、Abaqus、Mechanicial、Feko等）[12]中输入的查询条件对步骤参数模块化拼接得到的拼接后的材料性能数据进行查询，若为敏感级别数据，通过解混淆保护方法或解密方法将对应的查询结果转换为明文；
否则，直接读取明文数据。若明文不是指定单位，则进行单位转换，否则不转换，查询结果推送到CAE计算平台进行计算。
3）数据更新记录查询。根据具体的材料性能数据的属性，查询该属性的性能数据的所有历史版本号对应的数据，若敏感级别为高于“内部”，通过解混淆保护方法或解密方法将对应的查询结果转换为明文；
否则，不解密。
3.3 材料性能数据分析
材料性能数据分析包括分析算法导入、材料相似度匹配和材料数据对比分析三个功能。数据库系统集成CAE计算平台（例如：Ansys Fluent、CFX、Star ccm+、Ls-Dyna、Abaqus、Mechanicial、Feko、Matlab等）[12]或深度学习框架（例如：Pytorch、Tensorflow、Keras、Caffe）[10]，直接通过材料性能数据库系统中的统计分析法对材料性能数据进行分析，或从材料性能数据管理系统查询并推送待计算分析的材料性能数据到CAE计算平台或深度学习框架，集成调用CAE计算平台或深度学习框架的API接口。将数据分析算法（新型机器学习方法）加载到CAE计算平台或深度学习框架，通过CAE计算平台或深度学习框架运行算法处理并计算材料性能数据，形成分析结果，具体实现过程为：
1）分析算法导入，实现各类自定义的分析算法（例如Python算法、C++算法）文件的导入，形成材料性能数据分析算法库存。
2）材料数据对比分析，基于分析算法对查询得到的材料性能数据进行分析，包括对材料性能数据的材料相似度、性能变化和可替代性分析等。
其中，加权评价法、参数指标数据匹配法、统计数量化综合法、成本分析法、价值工程法和目标函数法和裕值比较法为统计分析方法；
BP神经网络法、随机森林法、LSTM、贝叶斯网络法和模糊综合评判法为新型机器学习算法[10]。
新型机器学习算法需采用集成深度学习框架或CAE平台进行材料性能数据的分析，根据设置的材料相似度阈值，推荐匹配的相似材料。
3）分析结果标准化，将分析结果生成标准格式文件，标准格式文件为XML、TXT、CSV或Excel格式。
3.4 数据可视化
数据模块可视化实现材料性能数据库的查询分析结果可视化展示，即基于可视化工具组件组装受控查询共享结果或对比分析结果进行可视化展示，即按照展示方法，采用可视化工具组件中的Html5技术绘制材料性能数据。
其中，可视化工具组件包括MXgragh、Chart Director或者ECharts；
展示方法包括表格、曲线、散点图、饼图、二项式拟合图、柱状图、曲面图或雷达图等。
数据可视化具体实现过程为：
1）将可视化工具组件的运行程序作为Jar包引入系统软件的代码工程中；
2）将格式化后的材料性能数据分析结果转变为展示数组；
3）将展示数组、绘制区域及可视化展示页面jsp文件名作为输入参数，调用MXgragh、Chart Director或者ECharts等可视化工具组件的绘制方法；
4）MXgragh、Chart Director或者ECharts等可视化工具组件在jsp页面的制定区域绘制表格、曲线、散点图、饼图、二项式拟合图、柱状图、曲面图或雷达图等材料性能数据可视化图形。
3.5 数据安全管控
数据安全管控模块提供材料性能数据库系统所必需的身份认证、数据混淆保护、数据加密、数据授权、访问控制、审计等功能[13]。
模块详细功能如图4所示。
图4 数据安全管控模块详细功能框图
系统登录身份认证采用PKI证书、用户名密码或者生理特征（例如：指纹、虹膜等）方式认证登录用户的身份合法性。用户通过浏览器（IE、Chrome、Firefox）登录系统，输入用户名及密码、录入指纹或者选择用户证书并输入密码，系统读取登录页面的“用户名+密码”“指纹”或者“用户证书+密码”，与材料性能数据系统内配置的“用户名+密码”“指纹”或者“用户证书+密码”进行匹配，若匹配成功，系统认为该登录用户为合法用户，否则为非法用户，合法用户允许登录系统，非法用户不允许登录系统。
对于敏感级别高的数据，在数据存储或者访问时，通过国密或商密的加密产品接口集成，实现数据的加解密服务。对于普通敏感数据，在数据存储或者访问时，调用数据混淆保护算法（例如MD5或者HASH等算法）实现数据的混淆保护及解保护[13]。
材料性能数据库的访问控制采用基于角色的访问控制（Role Based Access Control，RBAC）模型，引入材料结构分类及材料性能数据进行扩展，形成基于材料分类结构-角色的访问模型，实现基于材料分类结构树的用户授权、用户角色授权和角色操作授权[14]。分级访问控制通过系统管理、安全管理及数据授权软件功能实现。基于材料分类-角色的访问控制模型如图5所示。
图5 基于材料分类-角色的访问控制模型
基于材料分类结构-角色的访问控制模型中权限包括功能操作权限及数据权限，约束主要用来判断各部分的取值是否合法，如用户密级与数据密级的匹配性约束，数据密级与用户密级匹配性约束，上级分类级权限包含子分类权限约束、互斥角色约束（系统三员必须分离）等[14]。当用户登录系统时，系统根据用户角色权限信息、角色功能权限信息以及角色功能操作权限信息进行过滤，系统只加载具有权限的功能及操作按钮。系统根据数据权限信息过滤用户查询分析数据，只从条件查询结果中获取数据权限范围内的材料性能数据，实现分级访问控制并保障数据受控。
审计是对用户操作行为及内容进行记录，实现对非法行为的追溯，保障系统数据安全可控使用。审计管理员登录系统，使用软件功能时，首先查询功能及操作的审计配置信息。如果当前功能及操作的审计配置信息为“否”，则不审计；
如果当前功能及操作的审计配置信息为“是”，系统自动获取当前用户、操作数据对象、数据ID、当前操作名称、操作时间、操作机器、机器IP等信息，并记录到审计记录表中。根据需要可按期或者随时查询审计记录，生成审计报告。审计记录查询条件为操作时间、操作人、操作名称、机器IP等。
为满足材料性能数据网络化共享使用需求，方便数据库系统网络化部署，材料性能数据库系统软件采用B∕S模式设计，材料性能数据库系统软件采用J2EE技术架构，并且将按照成熟的MVC架构模式进行设计，采用Java和JavaScript编程语言。应用服务器采用Jboss、东方通或金蝶，使用IE、Firefox、Chrome浏览器实现人机交互[14]，便于与Python、C++算法运行工具集成。MongoDB是一个基于分布式、文件存储的非关系型数据库，其特点是高性能、易部署、易使用、存储数据方便。因此，后台数据库采用MongoDB[15]，软件界面适应设备；
若采用统一的CSS，界面自适应。材料性能数据库系统软件在Idea开发平台调试开发。材料性能数据库系统软件技术架构如图6所示。
图6 材料性能数据库系统软件实现技术架构
本文设计的材料性能数据库系统基于B∕S架构，方便网络化共享使用，采用跨平台Java和JavaScript语言实现。通过标准的数据材料性能数据管理、基于标准的元数据及模板管理、基于模板的材料性能数据导入功能实现多领域、多标准、多学科材料性能数据的采集、更新及追溯；
通过参数拼接、单位换算等功能实现不同标准、不同学科、不同领域的材料性能数据融合，方便用户使用。数据库系统支持智能化定制分析算法导入，形成算法库；
常规分析算法的直接计算及结果可视化；
集成第三方智能化分析工具平台，实现智能化定制算法的运行及结果可视化。软件支持材料性能数据的标准、版本分类采集、存储、查询及对比分析，实现了材料性能数据的标准化管理及服务。软件扩展了RBAC访问控制模型，实现材料性能数据库的功能操作及数据分层访问控制，通过身份认证、数据加密、数据混淆保护及审计功能实现材料性能数据的安全管控。
