Реляционные технологии и компьютерное моделирование в задачах исследования фазовых диаграмм

Захаров А..А., Е.А.Оленников, Андреев О.В., Котомин Л.Л.

Ответ.(Оленников Е.А.Тюменский государственный университет, Тюмень ) Интернет-версия безусловно планируется. И в ближайшее время после решения некоторых технических вопросов доступ к данной ИС будет возможен по адресу http://study.tsu.tmn.ru/VLab

Комментарий (Рудный Е.Б., МГУ, Москва) На мой взгляд, при планировании любого научного проекта следует начать с обзора литературы. Это помогает понять современное состояние дел в данной области, и, соответственно, избежать "изобретения колеса". В вашем докладе, к сожалению, литературный обзор полностью отсутствует. Вопрос - почему? Насколько мне известно, существует достаточно много программ, предназначенных для моделирования фазовых диаграмм. Перечислю те, которые знаю - ThermoCalc, F*A*C*T, MTData, ChemSage. К слову сказать, подход, избранный в этих программах в корне отличается от вашего. Здесь авторы для моделирования фазовых диаграмм опираются на химическую термодинамику (даже есть специальный термин - вычислительная термодинамика). Хотелось бы услышать про сравнение предлагаемой вами системы с существующими аналогами, и обоснование вашего подхода. Мне лично кажется, что так как вы предлагаете, ничего хорошего не выйдет. Скажем у нас есть три бинарные системы A-B, B-C, A-C. Как в рамках вашего подхода предсказать ликвидус и фазовые равновесия в тройной системе? P.S. From Kurt Vonnegut "Address to the Americal Physical Society" Back in my days as a chemistry student I used to be quite a technocrat. ... I told them [my fraternity brothers at Cornell] that all power in the future would rest properly in the hands of chemists and physicists and engineers. The fraternity brothers knew more about the future and about the uses of power than I did. They are rich and they are powerful now. They all became lawyers.

Ответ. (Оленников Е.А.Тюменский государственный университет, Тюмень ) Уважаемые участники обсуждения, позвольте ответить порядку на возникшие вопросы. Вопрос 1. В нашем докладе, к сожалению, литературный обзор полностью отсутствует. Вопрос - почему? По нашему мнению литературный обзор по технологии создания информационных систем здесь не совсем уместен. Мы обозначили свой подход, сославшись на то, что нами развивается одна из технологий традиционно используемая при создании геоинформационных систем. Суть ее вкратце сводится к включению пользовательского расширения стандартных типов используемой базы данных на основе ООП. Вопрос 2. Существует много программ, для моделирования фазовых диаграмм (ThermoCalc и т.д.). Подход, избранный в этих программах в корне отличается от вашего. Авторы этих программ для моделирования фазовых диаграмм опираются на химическую термодинамику. Хотелось бы услышать про сравнение предлагаемой вами системы с существующими аналогами, и обоснование вашего подхода. Большой опыт разработки различных программ, как для научных исследований, так и для задач управления позволяет нам утверждать, что время жизни любого пакета достаточно невелико (в среднем год - небольшое кол-во долгожителей только подтверждают этот эмпирический вывод). Другое дело, когда программа включена в качестве объекта в информационную систему. Тогда со временен ценность системы возрастает именно за счет собранных данных. Нами разрабатываются технологии такого использования программного кода в ИС, чтобы его модификация, замена и включение в ИС новых моделей сводили модификацию самой системы к разумному минимуму. Т.е. наша основная задача - объединение научно-исследовательских и информационных технологий. Теперь по поводу не использования термодинамических законов. Идея, развиваемая авторами доклада - создание Информационной системы (ИС) включающей экспериментальные данные, РАЗЛИЧНЫЕ МОДЕЛИ, результаты расчетов. ИС обеспечивает многопользовательский (в том числе и удаленный) доступ к информации, наряду с возможностью использовать блок моделирования для своих данных. Основа ИС - база данных, включающая как традиционные (числа, строки, даты), так и активные данные - объекты, методы которых позволяют оперировать с проблемно-ориентированной информацией типа "фазовая диаграмма", "эвтектика", "сольидус" и т.д. В настоящее время в ИС представлены методы визуализации, а так же интерполяции и аппроксимации для задач планирования экспериментов. Т.о. в докладе мы хотим показать не столько один из методов обработки экспериментальных данных (в нашем случае это построение элементов ф. диаграмм путем интерполяции экспериментальных данных), а возможность объединить в рамках одной ИС как можно большего числа различных методов. Мы, безусловно, понимаем, что при моделировании фазовых диаграмм необходимо опираться на химическую термодинамику. К сожалению, нам в настоящий момент еще не удалось разработать качественную постановку для блока моделирования, использующего такую технологию, но работы в этом направлении ведутся и мы планируем включить данный метод в ИС. Причем, интересно будет сравнить результаты, полученные разными методами. Естественно мы не будем делать сравнения результатов сами, а постараемся включить в нашу ИС объекты позволяющие обрабатывать экспериментальный материал на основе разных методов. По нашему мнению это должно привести к увеличению, как массива данных, так и пользователей ИС, что в конечном итоге является нашей основной задачей. Мы были бы очень признательны Вам за указание доступных литературных источников и публикаций по вычислительной - термодинамике. Вопрос 3. Об обоснованности применения представленного метода при прогнозировании фазовых диаграмм (метод трансформации). На каф. Неорганической химии ТюмГУ по данной технологии был предсказан целый ряд бинарных систем. Например: CaS-Ho2S3, SrS-Sm2S3, SrS-Y2S3, SrS-Tm2S3, BaS-Pr2S3, BaS-Tb2S3, BaS-Y2S3. Данные системы прошли экспериментальную проверку, в ходе которой было выявлено, что отклонение спрогнозированных данных от экспериментальных данных составляет 1.5% - 2%. В двух системах было заметное расхождение, вызванное тем, что в ряду трансформации проявлялись новые элементы. Вопрос 4. Скажем у нас есть три бинарные системы A-B, B-C, A-C. Как в рамках вашего подхода предсказать ликвидус и фазовые равновесия в тройной системе? Совершенно очевидно, что если на плоскости интерполяция проводилась, например, по 5 точкам, то в пространстве для этой точности нужно не менее 25 (квадрат + коэффициент, определяемый гладкостью поверхности). Отсюда актуальность использования термодинамики бесспорна. И еще раз хочется подчеркнуть, что метод построение элементов ф. диаграмм путем интерполяции экспериментальных данных разработан нами на данный момент и показанный в докладе, это лишь один из возможных методов, который включен в ИС. С уважением, Евгений Оленников.

Комментарий. (Рудный Е.Б., МГУ, Москва) <<Интернет-ссылки по вычислительной термодинамике>> Спасибо авторам за подробный ответ. >> Мы были бы очень признательны Вам за указание доступных литературных источников и публикаций по вычислительной - термодинамике. >> Я бы рекомендовал начать с двух списков ресурсов по химической термодинамике T.M. Gordon. Software and Data for Thermodynamics and Phase Equilibrium Calculations in Geology, http://ichor.geo.ucalgary.ca/~tmg/Research/thermo_links.html C.W. Bale. Web Sites in Inorganic Chemical Thermodynamics, http://www.crct.polymtl.ca/fact/websites.htm Также обратите внимание на узел Эфенберга www.msiwp.com - по идеологии он чем-то похож на ваш проект. К сожалению, большинство работ публикуется в журналах, и я понимаю, что с доступом к ним есть проблемы. Тем не менее, я рекомендую, если будет возможность, познакомиться с публикамиями журналов CALPHAD и Journal Phase Equilibria. К слову сказать, у ASM была демо-версия доступа к жураналам, в рамках которой можно было просмотреть журналы за последний год. Попробуйте www.asm-intl.org/journals/demo.htm С уважением, Евгений Рудный

Комментарий. (Рудный Е.Б., МГУ, Москва) Основа ИС - база данных, включающая как традиционные (числа, строки, даты), так и активные данные - объекты, методы которых позволяют оперировать с проблемно-ориентированной информацией типа "фазовая диаграмма", "эвтектика", "солидус" и т.д. >> Идея, без всякого сомнения, правильная. Вопрос в том, как ее реализовать. К сожалению, в докладе я не увидел ответа на этот вопрос. Например, а как у вас выглядит объект "фазовая диаграмма". Было бы интересно посмотреть. Позволяет ли он работать с многокомпонентыми системами, или пока это только "плоская фазовая диаграмма двухкомпонентных систем"? Так, я не представляю себе, как можно создать объект "многомерная шестикомпонентая фазовая диаграмма" без использования термодинамики. Скажем, что будет более эффективно в этом случае - хранить все возможные линии фазовых равновесий, или на ходу рассчитывать требуемые проекции и сечения из энергий Гиббса фаз? Мой личный ответ на этот вопрос совпадает с мнением группы CALPHAD, что в базе данных надо хранить энергии Гиббса фаз, а все требуемые фазовые равновесия проще рассчитывать на лету из энергий Гиббса. Более подробно мои соображения можно найти по адресу http://www.chem.msu.su/~rudnyi/tdlib/ С уважением, Евгений Рудный

Комментарий. (Оленников Е.А.Тюменский государственный университет, Тюмень ) Прежде всего, большое спасибо за внимание к докладу. Насколько нам известно, существует два противоположных подхода при построении фазовых диаграмм. Первый заключается в измерении термодинамических характеристик и дальнейшем расчете по термодинамическим законам и закладываемой модели. Второй заключается в экспериментальном построении фазовой диаграммы методами физико-химического анализа. Возьмем, например, сульфидные системы. Эти системы изучаются систематически исходя из практического значения определенных сульфидов. Но расчет большинства сульфидных систем практически ни кем не проводился. Сложность состоит в том, что отсутствуют данные по теплотам плавления полуторных сульфидов редкоземельных элементов. Первоначально, в своей работе мы поставили цель: - Если нельзя термодинамически рассчитать фазовую диаграмму, то нельзя ли из экспериментально построенных фазовых диаграмм 2-х компонентных систем определять термодинамические характеристики фаз. А далее корректировать полученные величины, что бы они были достоверными. И затем, используя полученные величины рассчитывать 3-х и более компонентные системы. (Пока мы работаем с 2-х компонентной системой, которая является квазибинарным разрезом 3-х компонентной системы.) Т.о. наша работа была инициирована потребностью оптимизировать построение фазовых диаграмм именно при использовании второго подхода. Была создана специализированная программа обработки экспериментальных данных и визуализации полученных результатов (не только фазовая диаграмма, но и зависимости типа состав - свойства), в которой, строилась модель фазовой диаграммы на основе экспериментальных данных и представлений исследователя. Эта модель описывается как набор групп (линий), состоящих из экспериментальных точек (состав-температура фазовых переходов). Затем методом аппроксимации по экспериментальным точкам строится функции, описывающая данную линию. Понятно, что данный метод не дает строгого соответствия между моделью и реальной диаграммой, но и задача его несколько иная. Также, данный метод позволяет экспериментатору определять направление проведения дальнейших экспериментов. С уважением, Евгений Оленников