Информационно-справочная система

Информационно-справочная система для анализа и решения задач инженерной химии

Содержание

  1. Цель работы
  2. Справочники и базы данных, представленные в Интернете
  3. Версии
  4. Основные определения
  5. Структура информационно-справочной системы
  6. Интерфейс информационно-справочной системы
  7. Заключение

Приложения

  1. Обзор электронных источников информации по химии
  2. Характеристики веществ, представленные в информационно-справочной системе
  3. Функции веществ, представленные в информационно-справочной системе
  4. Таблицы базы данных, представленные в информационно-справочной системе

1. Цель работы

Целью работы является разработка и создание электронной информационно-справочной системы (ИСС) для системного отображения свойств и характеристик веществ, охватывающей такие разделы, как термодинамика, теплофизика, гидродинамика, кинетика, а также ряд макро-структурных характеристик, например, характеристики катализаторов. ИСС также включает в себя комплекс расчетных программ, позволяющих на основе данных рассчитывать значительный ряд физико-химических характеристик.

Данная информационно-справочная система может стать практическим инструментом для специалистов в области разработки химических технологий, моделирования сложных физико-химических процессов кинетики и макрокинетики, теплофизики, ермодинамики, общей химии, а также для студентов и аспирантов этих дисциплин.

Основными блоками ИСС являются:

  • база данных;
  • алгоритмы расчета характеристик и функций, представленных в ИСС;
  • статьи с описанием расчетных методов характеристик и функций;
  • дефиниции терминов, содержащихся в ИСС.

Необходимость подобной работы обосновывается обзором реального состояния информационных структур данной тематики.

2. Справочники и базы данных, представленные в Интернете

В рунете (русскоязычном Интернете) представлены либо сканированные справочники, книги, либо разрозненные данные, представленные на сайтах химической тематики. На ряде сайтов приводятся данные в виде набора таблиц и, несмотря на значительное число таких таблиц, подобные справочники трудно рассматривать как пример систематического изложения. Примером такого справочника может служить справочник, расположенный на сайте Chemport. Существуют хорошие, но узкоспециализированные базы данных, например, справочник «Термические свойства веществ». Наиболее полный список веществ представлен в Базе Данных национального института стандартов и технологий США [National Institute of Standards and Technology (NIST)]. Данная База Данных является условно-бесплатной.

Краткий обзор электронных справочников и баз данных приведен в приложении 1.

Принципиальные отличия предлагаемого проекта от существующих Баз Данных будут приведены ниже.

3. Версии

Информационно-справочная система разрабатывается в двух версиях: в виде сайта (WEB-версия) для Интернета и в виде версии для ПК (локальная версия). Версии содержат эквивалентные (относительно числа таблиц и их содержания) базы данных, содержание информацию о характеристиках веществ и заполняемые разработчиками. Однако локальная версия предоставляет возможность не только редактировать и дополнять эти таблицы; она также включает ряд иных таблиц. Более подробно отличия различных версий баз данных приведены в пункте «Структура информационно-справочной системы».

Число функций, реализованных в локальной версии, значительно расширено по сравнению с WEB-версией (понятия характеристик и функций ИСС приведены ниже). В основном это функции, требующие численных решений, т.е. не имеющие аналитические решения. В WEB-версии такие функции представлены demo-примерами. Интерфейс локальной версии также существенно расширен. В этой версии, в частности, присутствуют редакторы для составления стехиометрических и кинетических уравнений, что позволяет пользователю составлять и хранить в азе данных кинетические схемы (системы кинетических и стехиометрических уравнений, описывающих тот или иной процесс). Локальная версия обладает еще одной важной опцией: в ней реализован язык запросов, позволяющий составлять сложные текстовые файлы данных, включающие в себя необхо-димые данные по термодинамике, теплофизике, кинетике. Эти файлы можно использовать в качестве начальных данных в различных приложениях. Такая возможность существенна для формирования данных, требующих определения большого массива значений. Подобная ситуация достаточно типична для ряда важных задач, например задач описания технологических процессов в нефтехимии. Локальная версия, в отличие от WEB-версии, позволяет пользователю редактировать и создавать новые данные в базе данных, что позволяет самостоятельно адаптировать ИСС к интересующим пользователя приложениям. Таким образом, локальную версию можно рассматривать как платформу, на которой можно реализовать алгоритмы, нуждающиеся в значительном количестве разнообразных численных характеристик веществ.

Полноценный перенос всех функций ИСС, а также разрабатываемых алгоритмов приложений для инженерной химии в WEB-версию (то есть создание виртуального вычислительного центра, в котором реализованы методы удаленных вычислений) требует решения достаточно сложных задач, основными из которых являются следующие:

  • шифрование системы связи и ее совместимость с существующими инфраструктурами безопасности;
  • разработка протоколов, позволяющих пользователю создавать свои персональные базы данных и базы с полученными решениями для дальнейшего анализа, в то же время ограничивающие доступ ко всем ресурсам ИСС с целью предотвращения бесконтрольного копирования данных ИСС;
  • учет особенностей технических возможностей персональных компьютеров, которые могут сильно различаться, что приводит к требованию достаточно универсального отображения данных и решений ИСС;
  • учет специфических требований некоторых приложений к аппаратному обеспечению компьютеров;
  • требование надежности, доступности, тестируемости и восстановимости системы в случае сбоев.

Исходя из приведенных выше доводов, по мнению разработчиков, целесообразными представляются следующие этапы реализации данного проекта:

- на первом этапе основной целью является заполнение базы данных, создание и тестирование расчетных методов как для приведенных функций, так и для более сложных алгоритмов в рамках задач инженерной химии, а также разработка интерфейса ИСС;

- второй этап может заключаться в создании виртуального вычислительного центра на основе созданной ИСС.

4. Основные определения

     4.1. Характеристики и функции

Все численные величины, определяющие свойства веществ в разрабатываемой ИСС, делятся на две группы: характеристики и функции.

Под характеристиками понимаются величины, однозначно характеризующие вещество (с допущениями, приемлемыми для инженерных расчетов). К таким величинам относится, например, молярная масса чистого вещества. Такие величины непосредственно содержатся в базе данных информационно-справочной системы. Источниками являются, прежде всего, литературные данные из авторитетных изданий. Для большинства этих величин в справочнике приведены расчетные методы с указанием области применимости и возможных погрешностей расчета.

Сами характеристики, в свою очередь, объединяются в следующие шесть групп: характеристики имени, основные характеристики, молекулярные характеристики, характеристики газовой, жидкой и твердой фазы. Такое деление объясняется прежде всего одной из форм представления данных при разработке интерфейса (вывод на экран для данного имени вещества группы однотипных характеристик), а также необходимостью учета фазового перехода для ряда характеристик, например, для коэффициента теплоемкости.

Список всех характеристик приведен в приложении 2.

Под функциями понимаются величины, определяемые либо несколькими характеристиками, либо составом для смеси веществ, либо одним или несколькими термодинамическими величинами (температурой, давлением, объемом). Простым примером функций являются параметрические величины, рассчитанные для конкретного значения термодинамического параметра, например, расчет коэффициента теплопроводности как функции температуры или расчет термодинамических параметров реального газа как функции температуры и давления. Полный список функций, определенных в информационно-справочной системе, приведен в приложении 3. Реализация функций определяется также версией ИСС.

     4.2. Скалярные и параметрические величины

Величины, характеристик разделяются на скалярные (однозначно определяемые одним числом) и параметрические (величины, определяемые группой чисел – коэффициентов и являющиеся функцией термодинамической величины, как правило, температуры). К скалярным величинам относятся, например, молярная масса, температура плавления, к параметрическим – коэффициент теплоемкости, коэффициент теплопроводности. В базе данных хранятся только коэффициенты, описывающие параметрические величины, но не сами величины. Описание параметрических величин в виде группы коэффициентов термодинамического параметра повышает точность расчетов для таких характеристик.

     4.3. Имя вещества

Основным понятием базы данных ИСС, по которому производится поиск значений характеристик, является имя вещества.

Так как число имен веществ в базе данных может быть весьма значительным (так, даже при неполном заполнении базы данных число имен в нем может составлять несколько тысяч), то, с целью облегчения поиска, имена определены как составные, следующим образом:

раздел / класс имени / ряд имени / имя

Структура и подробное описание данной иерархии определена в документе ИСС «Классификация химических веществ» Сама классификация основана на общепринятой номенклатуре химических веществ IUPAC.

Понятие раздел может принимать одно из двух значений: неорганические или органические вещества.

Например, соединение гексафторбензол имеет следующую структуру имени

     Органические вещества [- раздел]

          Галогенсодержащие соединения [- класс имени]

                Ароматические галогенсодержащие соединения [- ряд имени]

                     Гексафторбензол [- имя]

Подобное определение имени вещества наиболее естественно для химиков, являющихся основной группой пользователей, для которых предназначена данная ИСС, а также позволяет ра-ботать с относительно короткими списками имен (рядами имен).

В базе данных также учтена следующая особенность имен веществ. Одно и то же вещество может иметь несколько имен, поэтому было предложено в базе данных каждое вещество характе-ризовать тремя именами на русском языке и тремя именами на английском. Первое имя соответ-ствует (по возможности) общепринятой номенклатуре, второе – «рациональное» имя, отражающее структуру молекулы, и третье – тривиальное имя, определенное, как правило, вне номенклатурных понятий и поддерживаемое по историческим причинам. Интерфейс ИСС позволя-ет производить поиск имени по различным классификациям имен. В качестве еще одного определения имени включен и номер CAS, по которому также возможен поиск имени.

5. Структура информационно-справочной системы

Все данные, представляемые в ИСС, можно разделить на две группы: различные статьи, содержащие описания расчетных методов характеристик и функций, дефиниций терминов, используемых в ИСС; статьи, посвященные применяемой в ИСС номенклатуре химических веществ, описание таблиц, характеристик, функций, help интерфейса и т.п. и собственно базу данных. Выбор данных пользователем из базы данных производится с помощью меню или запросов, реализованных в интерфейсе ИСС.

Все данные, содержащиеся в базе данных, можно разделить на следующие группы:

  • Таблицы, содержащие характеристики веществ . Эта группа таблиц является динамической частью ИСС. Предполагается постоянное пополнение этих таблиц, за счет дополнения новыми именами, численными значениями характеристик. Возможно также пополнение за счет ввода новых характеристик имен. В локальной версии пользователь самостоятельно может редактировать, дополнять и изменять эти таблицы, а также формировать группы данных, используемые в приложениях.
  • Таблицы свойств веществ . Данное понятие (достаточно условное) характеризует группу таблиц, заимствованных из авторитетных литературных источников. Каждая такая таблица является консервативной, то есть законченной с точки зрения ввода данных. Расширение в этой группе возможно за счет введение новых таблиц и определения имен этих таблиц в меню интерфейса. Введение в ИСС таблиц данной группы объясняется как непосредственной ценностью информации, представленной в таких таблицах, так и рассмотрением значений, содержащихся в ряде этих таблиц в качестве опорных при тестировании расчетных методов. В данной группе таблиц содержатся такие, достаточно репрезентативные, таблицы, как таб-лица свойств изотопов, таблица свойств кристаллов, таблицы термодинамических функций и ряд других.
  • Таблицы сравнения экспериментальных и расчетных методов . Эти таблицы тоже можно рассматривать как источник данных, но основное их назначение заключается в описании погрешностей расчетных методов.
  • Таблицы расчетных методов . Многие расчетные методы не являются аналитическими, они основаны на использовании тех или иных таблиц, например, так называемые аддитивные методы. Вне описания расчетного метода подобные таблицы не информативны. Представление таких таблиц в явном виде, с одной стороны, повышает достоверность представленных расчетных методов, позволяя проверять рассчитываемые значения. С другой стороны, таблицы, приводимые с описанием самих расчетных методов, дадут возможность пользователю воспроизводить подобные методы для своих приложений.

Список таблиц приведен в приложении 4. Оно включает полный список существующих на данный момент таблиц в базе данных WEB-версии.

База данных локальной версии расширена, прежде всего, за счет включения таблиц, позво-ляющих хранить стехиометрические, кинетические уравнения и константы кинетических уравнений. Также включены таблицы, позволяющие пользователю сохранять данные характеристик смесей газов, жидкостей, композиций твердых веществ, кинетических схем (систем стехиометрических, кинетических уравнений и соответствующих им констант). Эти таблицы позволяют пользователю формировать данные в блоки, характерные для конкретных приложений, что может значительно экономить время при модификации подобных блоков данных.

Все таблицы базы данных являются двуязычными, то есть все текстовые данные вводятся на русском и английском языках. Для превращения ИСС в полноценный двуязычный справочник требуется лишь привлечение квалифицированного переводчика для перевода текстовых статей, help`а, текстовых терминов интерфейса. Для базы данных необходимо лишь указать лишь версию языка.

6. Интерфейс информационно-справочной системы

Доступ к данным базы данных осуществляется через меню или строки запросов

Строки запросов позволяют осуществлять поиск имен собственно по имени или по индексу CAS, с указанием характеристики или группы характеристик.

Интерфейс ИСС имеет развитое меню, позволяющее легко получать доступ к определенным таблицам в базе данных. Также реализовано представление параметрических данных и функций в виде графиков. Графический интерфейс включает в себя возможность изменение размерности представляемых величин и масштабирования графиков. Возможность масштабирования сущест-вует и для табличного представления расчетных величин. WEB-версия включает в себя систему поиска, обеспечивающую быстрый поиск всех понятий (дефиниций, имен таблиц), содержащихся в справочнике. Включена также функция вывода данных в виде отчетов для последующей печати или вывода на экран.

7. Заключение

Включение в ИСС расчетных методов, возможность расчета важных термодинамических и теплофизических функций, наличие развитого интерфейса, включающего представление данных в виде графиков, модульность структуры ИСС, позволяющая достаточно легко включать в ИСС новые разделы, динамическая структура относительно имен веществ и списка характеристик – все это позволяет предположить, что настоящая ИСС будет адекватна целям данной работы, и ее реализация в полном объеме может явиться уникальной разработкой, созданной на русском зыке.

Разрабатываемая в настоящий момент структура ИСС ориентирована, прежде всего, на за-дачи формирования данных и анализа моделей в области нефтехимии (как наиболее и типичных и требующих именно подобной полноты данных, представленных в базе данных и расчетных алгоритмах ИСС). Но модульность структуры позволяет достаточно быстро разработать и включить в данную ИСС иные разделы, представляющие практический интерес, например, описание характе-ристик полимеров или специфических физико-химических процессов, например, реакций горения и т.д.

На сайте chemway.ru представлена разрабатываемая WEB-версия. Данный сайт в основном отражает структуру ИСС, но на сегодняшний день является сугубо рабочим вариантом: база данных практически не заполнена, а также не представлен ряд статей и алгоритмов. Сайт плани-руется дополнить такими разделами, как форум, гостевая книга, подборка тематических ссылок и т.д.

О разработчиках

Концепция и структура ИСС разработана к.т.н. Палагутой Сергеем Ивановичем. Им же написана основная часть программного обеспечения, реализующего данную ИСС. Статья «Классифи-кация химических веществ» написана аспирантом РХТУ им. Д.И. Менделеева Токаревым Андреем Михайловичем. Им же написана такая часть WEB-версии, как графическое отображение функций и ряд других значимых опций интерфейса.удет адекватна целям данной работы, и ее реализация в полном объеме может явиться уникальной разработкой, созданной на русском зыке.