（模式识别与智能系统专业论文）航天先进功能材料数据管理系统的研究与应用.pdf

摘要 摘要 随着材料科学与技术的发展日新月异，新材料、新技术、新工艺和新方法层 出不穷，材料信息的数据量和复杂性也大大提高。航天先进功能材料数据管理系 统将各种涉及材料方面的数据( 如实验数据、试样数据、实验项目数据、实验统 计分析数据、性能预测数据、和经验数据等) 统一管理起来，形成了集成的信息 源。 本课题研究的主要内容如下： 分析和研究材料数据库在航天领域应用的重要性和必要性； 提出了对航天材料数据库系统设计、结构设计及实现的过程，并进行了深 入研究后，使用c 语言和a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) 在s q l 2 0 0 5 平台上开发完成 数据管理是系统实现的核心，也是本课题研究的重点。其功能包括材料数 据的录入、材料数据的查询、材料数据的修改、材料数据的统计和新材料特性的 预测分析等。 课题构建了具备智能化的航天先进功能材料数据管理系统，实现了在w e b 平台的材料性能预测。预测方法主要采用数据挖掘技术，建立以b p 人工神经网 络的预测模型。该功能的实现大大节省了科技人员做实验的时间，也节省了人力 物力财力。 该应用系统经过部署和调试，形成了一个完整的航天先进功能材料数据管理 系统，并己在航天系统推广使用。本系统友好的用户界面，强有力的报表生成工 具、分析工具和信息共享使得航空材料人员得以快速准确、方便地进行设计。同 时该系统的开发填补了航天材料信息科学的空白。 关键词航天先进功能材料数据管理系统；数据挖掘：b p 人工神经网络：a s p b s 模式 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n tt h ep r o c e e d i n go na n dt e c h n o l o g yo na d v a n c e dm a t e r i a l s i ns p a c e c r a f t ，n e wm a t e r i a l s ，t e c h n o l o g ya n dm e t h o de m e r g ei ne n d l e s s ly _ w i t ht h e s e ， d a t a q u a n t i t y a n dc o m p l i c a c yo fm a t e r i a l si n f o r m a t i o ni m p r o v e dl a r g e l y t h e a d v a n c e dm a t e r i a l sm a n a g e m e n ts y s t e mi n s p a c e c r a f t u n i f i e st h e9 d u r c eo f i n f o r m a t i o na n dm a n a g e sd a t a ( 1 i k et h ee x p e r i m e n t sd a t ao fs a m p l e ，t h ed a t ao f m a n a g e m e n tp r o j e c t ，t h ed a t ao f s t a t i s t i ca n da n a l y z e ，t h ed a t ao f p r e d i c tp e r f o r m a n c e ， 也ed a t ao f r e f e r e n c em a n u a l a n dt h ed a t ao f e x p e r i e n c e ) t h ec o n t e n t so ft h ea d v a n c e dm a t e r i a l sm a n a g e m e n ts y s t e mi ns p a c e c r a f ta r ea s t h ef o l l o w i n g ： a n a l y z e dt h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t ya n dr e s e a r c h i n gp r o f e s s i o n a lm a t e r i a l s s y s t e mi ns p a c e c r a f t ； b r i n gf o r w a r dt od e s i g nt h es y s t e ma n ds t r u c t u r e ，r e a l i z a t i o np r o c e s s o ft h e s y s t e m ；d e v e l o pt h es y s t e mi ns q l 2 0 0 5p l a t f o r mw i t hc a n da s p ； d a t am a n a g e m e n ti st h ek e yp a r ti nt h i ss y s t e ma n di ti n c l u d e si m p o r t i n g ， s e a r c h i n g , p r e d i c t i n g , s t a t i s t i c i a na n da n a l y z i n gd a t ae t c s t r u c t u r et h es y s t e mw h i c hh a st h ei n t e l l e c t u a l i z e dc h a r a c t e r i s t i c ；i m p l e m e n tt h e p r e d i c t i n gf u n c t i o nb a s e do nw e b ，i l s et h em e t h o do ft h ed a t am i n i n g ，a n db u i l dt h e m o d e lb a s eo nb pa r i t h m e t i c i m p l e m e n t e dt h ef u n c t i o nw h i c hc o u l ds a v eal o to f t i m e so ft h eu s e ro fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n da l s os a v em u c hh u m a nr e s o u r c e ， m a t e r i a lr e s o u r c e s ，a n dm o n e y t h r o u g hd e p l o ya n dd e b u gt h es y s t e m , t h i ss y s t e mi m p l e m e n t e da l l f u n c t i o no f m a n a g e m e n td a t a , a n dp r o v i d e sac o m m u n i c a t i n gi n t e r f a c e ，as t r o n gt o o lf o rr e p o r t i n g f o r m ，a n a l y z i n ga n ds h a r i n gi n f o r m a t i o n t h e s ep r o v i d es p e e d i l ye x p e d i e n t l ya n d a c c u r a t e l yf o rt e c h n o l o g i c a ll a s e ri nt h ef i e l do f t h es p a c e c r a f t i tw i l lg r e a t l y t of i ut h e b l a n k so f m a t e r i a l si n f o r m a t i c s k e yw o r d s d a t am i n d i n g ；p r o f e s s i o n a lm a t e r i a l ss y s t e mi ns p a c e c r a f t ；h u m a nc o m p u t e r i n t e r a c t i o n ；b p ；a s p ；b s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名日期：2 口口1 r 2 ( 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 形经导师签名：姜维日期：丕必髟 1 1 引言 第1 章绪论 当前，航天材料科学与技术的发展日新月异，新材料、新技术、新工艺和新方 法层出不穷随之而来，材料信息的数据量和复杂性大大提高。如何高效管理、 存储不同类型的材料科学数据，如何最大限度地从中挖掘有价值的信息。如何 最大限度地实现材料信息的资源共享和知识创新等，都是摆在材料研究工作者 面前的一系列难题。“， 先进功能材料数据管理系统( a d v a n c e dm a t e r i a l sd a t a b a s e s y s t e mi ns p a c e c r a f ) ，简称a m d s 。它是在一个或多个组织中，为多个用 户服务的、在网络上运行的、数据库集合。a m d s 则是把有关的软件、硬件、 数据组合起来为用户提供服务的数据库二次开发系统。 1 2a m d s 的发展过程及现状 1 2 1 研究背景和意义 a m d s 课题研究的背景如下： 新材料技术一直是航天科技工业规划之中一个十分重要的领域，复合化先 进功能材料是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。目前我国航天 开发先进功能材料数据库也进行了大量工作，我们同航天集团7 0 3 所合作开发 先进功能材料数据管理系统，利用信息科学与技术对材料信息进行收集、存储、 加工、检索、提取、交换、传输、分析、研究和应用在航天材料工业设计。 航天集团7 0 3 所从事专用航天新材料、新工艺研究，经过多年的连续改进 和积累，已经形成并保存了大量数据。先进功能材料数据管理系统的建立，集 中地反映了上述新材料、新工艺的研究成果，并随研究工作的进展不断更新。 主要内容包括各种类别材料的成分、组织、制备与加工工艺、物理性能、力学 性能、其它使用性能和防护技术等，以及已经获得应用的情况，并对这些材料 和工艺的使用环境和应用领域提出参考建议。 a m d s 研究的意义如下： 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 激增数据需要高层次的分析目前我国航天开发材料数据库也进行了大量 工作，但是在数据采集计算机平台方面的工作则不足，大多数单位里，积累的 材料性能数据越来越多，一般每一次材料实验数据大约1 0 0 m 左右，这些数据 是在实验仪器的各类传感器收集的，激增的数据背后隐藏着许多重要的信息， 科研人员希望能够对其进行更高层次的分析，以便更好地利用这些数据。目前 的数据库系统可以高效地实现数据的录入、查询、统计等功能，但无法发现数 据中存在的关系和规则，无法根据现有的数据预测未来的发展趋势。 ( 2 ) 新技术需要新型数据库创新支持材料科学与技术的发展日新月异，新材 料、新技术、新工艺和新方法层出不穷随之而来，材料信息的数据量和复杂性 大大提高材料研究工作者希望开发高效管理、存储不同类型的材料科学数据。 最大限度地从中挖掘有价值的信息以及实现材料信息的资源共享和知识创新 等。航天设计与c a d 技术的应用同步，现代制造技术也要求采用数据库技术，有 些设计所已明确提出要与结构分析软件直接接口的要求，以便提高分析、计算的 效率，加快设计进度。“3 “” ( 3 ) 航天国防事业必须自主开发数据库新型航空航天器的先进性标志之一是 结构的先进性。而先进材料库管理系统是实现结构先进性的重要物质基础和先 导技术。然而对于关系我国经济安全、军事发展的数控核心技术，依靠从国外 购买是根本买不到的。例如某国家向我国出口的此类产品，要求对最终用户进 行调查，不得用于军事工业，也不得将其出口第三国。打破技术垄断，促进中 国航天技术产业化发展。那些工业发达国家至今仍对我进行进口限制。“1 综上所述，a m d s 结合材料科学专业特点( 材料、处理工艺及相关性质的多 样性) ，实现材料信息的共享和有效知识挖掘，揭示材料的内在本质，促进新材料 的开发和设计应用信息技术和计算机网络技术对材料信息进行表示、解析、存 储、管理、分析。最后，实现材料信息的共享和有效知识挖掘，从而更好地理 解材料的内在本质，促迸新材料的开发和设计。 1 2 2 材料数据库的发展及现状 材料数据库自8 0 年代始，己在一些技术发达国家相继建立。9 0 年代末， 材料数据库已逐步实现网络化和商品化，并在国民经济各领域发挥日益重要的 作用。随着材料科学、信息工程和计算机技术的迅猛发展，材料数据库系统设 计、软件开发和管理水平都有了较大的进展。然而，由于传统设计观念的影响， 以及先进的设计方法对数据提出更高的要求，原有的材料数据库已不能满足设 计选材的需求。 目前，国际上已建有材料数据库的国家有美、英、俄、德、法，日以及东 南亚国家和地区，据报道发达国家的材料数据库有5 0 已实现了联网。9 0 年代 又相继开发了多媒体数据库、面向对象数据库和有限元分析软件与c a d ，c a m 相结合的新型材料数据库。数值型数据库已在工程设计、新材料研制、工艺优 化、理化测试和咨询决策中发挥了重要作用。”“1 我国航天材料数据库方面，虽然进行了大量工作，但是一直未开发专用材 料数据库，材料性能数据仍然以单独文件形式保存，数据的核对工作量大，查 询很不方便。试验室数据库是材料数据的采集平台，是数据库应用系统的重要 组成部分，迫切需要建立试验数据的数据库信息管理系统。 1 2 3国内外材料数据库发展趋势 从数据库技术发展趋势上看，数据库应用设计进入更高层次，数据库系统将 不再只针对解决单一目标问题以及简单的查询，更多期望数据库结合模式识别、 数据挖掘技术，使系统同时具备多种功能，如将材料制备与加工的工艺过程控制 系统同材料性能检测与缺陷诊断系统形。 综合起来，数据库的发展趋势是： ( 1 ) 完整性与集成性 ( 2 ) 易用性 ( 3 ) 网络功能于自助服务 ( 4 ) 开放性 ( 5 ) 灵活性 ( 6 ) 智能化 ( 7 ) 强大的报表图形输出功能 ( 8 ) 系统安全 北京工业丈学工学硕士学位论文 1 3 课题的来源 本课题来源于航天集团7 0 3 所的项目“航天先进功能材料数据管理系统研 发”。中国航天科技集团公司7 0 3 研究所主要从事航天工业所需的新材料，新工 艺、电子产品的科研开发及生产。取得了部级、国家级科技成果近3000 项。 97 年通过is090 02 质量体系认证。7 0 3 所研究生产的产品在我国运载 火箭和卫星上得到广泛应用。 航天集团7 0 3 所经过四十余年的连续改进和积累，已经形成并保存了大量 数据。航天先进功能材料数据管理系统的项目建立，集中地反映了上述新材料、 新工艺的研究成果，并随研究工作的进展不断更新。 航天集团7 0 3 希望和我们合作，建立包括各种类别材料的成分、组织、制 备与加工工艺、物理性能、力学性能、其它使用性能和防护技术等数据的数据 库应用系统，该系统能对这些材料和工艺的使用环境和应用领域提出参考建议。 1 4 本课题的研究内容和具体工作 在分析和研究材料数据库在航天领域开发的重要性和必要性后：我在课题中具 体工作如下： ( 1 ) 系统分析和结构设计设计开发出一个安全，高效，快速，方便和易于 使用的功能强大的先进功能材料表面质量测试管理系统。填补航天材料信息科 学的空白。 ( 2 ) 建立数据库在服务器上建立一个可以通过网络访问、管理的数据库， 应用网页与数据库进行信息命令交换。在此数据库基础上，形成一个方便航天 设计工作者查询的材料数据管理系统。 ( 3 ) 构架系统利用a s p 和i s ( i n f o r m a t i o ns e r v e r ) 构架开发了航天先进 功能材料数据管理系统。 ( 4 ) 设计友好界面和人性化功能模块设计友好的用户界面，强有力的报表 生成工具、分析工具和信息的共享使得航空材料人员得以快速准确、方便的设 计。 ( 5 ) 安全容错设计 ( 6 ) 系统部署调试设计好的应用系统经过部署和调试，形成了一个完整的 航天先进功能材料数据管理系统。 ( 7 ) 完成了本系统的测试工作和文档撰写 第j 荦绪论 其中此课题具体研究了如下内容： 在学习了数据挖掘和b p 人工神经网络模型的理论知识基础上，研究了数据挖 掘一般过程，同时在w e b 上实现材料性能预测应用： 深入实践i i s 构架，参加了a m o s 的研发： 深入研究了航天材料数据管理流程，提出本课题航天先进功能材料数据管理 系统的研究内容。 1 5 论文结构 全篇论文分为七章介绍 第一章主要介绍课题的背景和意义及来源，以及本人在此课题中完成的主 要研究内容和具体工作； 第二章介绍了系统的总体构架和技术路线选择： 第三章详细介绍系统最重要数据管理的部分各个子系统方案设计： 第四章系统重要模块的界面实现； 第五章系统软硬件的安全保障体系； 第六章系统调试、问题及解决方案； 第七章系统最终验收过程及验收结果。 1 6 本童小结 本章首先介绍了本课题来源及研究的目的和意义，分析了当今航天先进功 能材料数据的发展及现状；介绍课题的内容及在课题中的具体工作；最后给出 全篇论文的结构导航。 第2 章a m d s 系统结构分析 2 1a m d s 需求分析 2 1 1 系统描述 采用a s 结构设计，是基于w e b 的管理方式。它提供给普通用户非常熟悉的w e b 浏览器的单一用户接口，管理业务用户能够在任何时间、从任何地点、按照规定的 业务权限、通过界面终端使用管理功能，达到了远程监控和管理的目的。 最底层是物理网络，中间的管理系统实现的系统管理功能，包括用户管理、数 据管理、数据维护输出管理、系统安全管理四个管理域，最上层提供管理功能的 外在表示形式，提供w e b 浏览两种形式。 2 1 2 技术目标 ( 1 ) 数据精度要求：数据量保留小数点后两位，其他按照系统中数据的具体含 义其精度会有不同。 ( 2 ) 时间特性要求：系统统一利用后台主机系统时钟，由于本系统对时间的一 致性要求不是特别高，可以不利用网络同步服务时间。 ( 3 ) 灵活性要求：本系统采用标准协议，采用较为通用的编程工具，模块化编 程，采用国际上较为通用的关系数据库系统，采用开发式体系结构。因此系统具备 较强的灵活性和可扩充性。 ( 4 ) 实用性要求：系统应具有较长的生命周期以及较成熟的技术支持；具有较 高的性价比，通过合理选择软硬件平台，使系统的建立和运行费用较低；在设计时 应注重采用成熟的先进的技术，充分吸收h n 锄e t i n t r a r i e t 技术。 ( 5 ) 一般适用性要求：系统要求对使用者的权限进行控制，由于用户为7 0 3 所 用户，性能方面以满足检索为主。由于管理系统的功能可能发生变化，对应系统的 扩展性应该予以考虑。 ( 6 ) 预测性误差要求：材料的性能预测误差率小于l0 9 6 。 第2 章a m d s 系统结构分析 2 1 3 系统安全性需求 因为委托单位是航天领域的重要科研单位，也是重要的国防保密单位，系统安 全性对用户来说至关重要，需要达到以下要求： ( 1 ) 防止非授权用户登录：所有用户登录时都进行口令认证，严格限制非授权 用户登录管理。 ( 2 ) 防止非法数据入侵：目录屏蔽，能较好的保证系统的数据安全，性能稳定。 ( 3 ) 密码存储及加密：关键数据加密( 如口令) ，关键系统信息通过s s l 协议保 证数据的安全性。 2 1 4 数据保存容量需求 数据库数据应定期的备份转储；数据管理系统可以存储大量的图片及相关数 据，并可以增加容量，留有扩容接口。 2 1 5 功能需求 按照先进功能信息管理系统需求说明书的要求，系统应实现以下功能： ( 1 ) 数据管理：可以增删、修改、检索、统计、预测数据，并可以打印：全面 的数据可操作性：提供数据录入、数据增减、数据修改等基本功能( 数据包括表面 的二维图形、三维形貌图、轮廓图、波形图、粗糙度图以及相应的二维及三维计算 数值) ，其中，数据录入、数据增减、修改等功能仅限于该系统管理人员进行操作。 ( 2 ) 用户留言服务：按照此处的信息提示，用户便可获得留言功能。 ( 3 ) 系统登录：输入用户名、口令，校验登录用户的合法性，不合法则拒绝服 务。 ( 4 ) 注册审批：审查用户注册信息，合适时便可批准用户的申请，要完成以下 工作：建立用户帐号，并赋予一定的访问权限，修改数据库中相关记录。 ( 5 ) 审批：系统管理员在此审批用户的暂停申请。 ( 6 ) 恢复审批：系统管理员在此审批用户的恢复申请。 ( 7 ) 注销审批：系统管理员在此审批用户的注销申请，审批通过时，后台系统 要把与该用户有关的数据统统删除，包括用户的帐号，数据库中的信息，其他地方 也要考虑这个问题。 ( 8 ) 数据维护：提供一个系统配置维护的接口，具备数握备份、恢复、导入、 导出功能。 7 ( 9 ) 口令修改：可以强制修改用户的口令，这在用户口令遗忘时是非常必要的。 ( 1 0 ) 信息维护：系统管理端应该具备一个修改用户信息的接口。 ( 1 1 ) 权限维护：系统管理员可以维护自己的信息并可进行口令的修改，根据管 理员的权限系统管理员可以创建新的管理员，但不可删除自己，系统要始终保 持一个超级管理员。系统管理员可以维护自己的信息以及系统管理员可以修改自己 的口令。 ( 1 2 ) 高可靠的数据安全性：提供对后台数据库的自动手动备份和恢复功能。 同时提供用户的证件、用户权限的设置及登录口令管理。 ( 1 3 ) 项目管理：项目登记：自动生成项目编号。并填充项目名称、项目内容、 合同时间、负责人姓名、负责人联系电话、客户单位名称。项目查询、删除、 修改。以及项目经费登记、支出登记、经费查询、经费查询。项目计划登记、进度 登记、计划查询、进度查询。 ( 1 4 ) 用户管理：用户词典、用户注册、查询、删除、修改。 2 2 a m d s 系统的总体结构 2 2 1 系统的总体结构设计 根据航天先进功能材料数据管理系统的需求分析，可以将航天先进功能材料数 据管理系统分为五个子系统：应用支撑平台、材料数据管理子系统、复合材料管理 子系统、实验项目管理系统和系统维护管理子系统。整个系统跨越因特网、广域网、 内部局域网三个网络环境，因此，对整个系统进行全面规划，采用统一的企业门户 和应用支撑环境，以保证系统的先进性、可用性、可扩展性。 第2 章a m d s 系统结构分析 2 2 2 a m d s 系统物理结构图 a m d s 系统的物理结构如图2 - 1 所示 图2 1 系统物理结构图 f i g u r e 2 - 1 t h ed i a g r a mo f t h ep h y s i c a ls t n l c t u r eo f s y s t e m 9 2 2 3 系统的总体结构框架图 a m d s 系统的整体结构框架如图2 2 所示： 图2 2 系统结构整体设计框架图 f i g u r e 2 2t h eb l o c kd i a g r a mo f t h eh o l i s t i cd e s i g nf o rt h es y s t e ms t r u c t u r e 登录门户的人员包括所领导、总工、各事业部门领导、实验室助理、各室技术 员工等等。登录门户的人员按照不同权限，使用系统的主要功能。图中先进材料数 据资源管理则是系统的核心部分，为系统提供业务逻辑支持，它是整个系统的大脑。 然而整个系统应用了许多组件，这些组件简化系统的编程，提高系统的可复用性， 对系统以后的升级提供了便利。i t 硬件网络基础设施是系统的硬件设备。整个系统 还必须有相应的维护与支持体系和安全保障体系，只有这样，才是一个完整的航天 先进功能材料数据管理系统。 第2 章a m d s 系统鲒构分析 2 2 4a m d s 门户 所有用户通过“先进功能材料数据门户”处理材料数据查询以及系统维护。 登录门户的人员包括所领导、总工、各事业部门领导、实验室助理、各室技术 员工等等。按照不同权限，使用系绕的主要功能。 2 2 5a m d s 系统资源管理 d s 系统具有流程化的设计，丰富灵活的功能模块结构和满足不同用户 不同时期需要，自由构建数据库的特点，始终把最大限度满足用户需要作为产 品开发指导思想。根据航天7 0 3 所开展先进功能材料数据计算机管理需求，在 广泛，了解我国材料数据库开发管理经验基础上进行航天先进功能材科数据管理 系统设计。 先进功能材料数据管理是系统的核心部分。目前来说，先进功能材料数据 管理一般以实验数据管理体系为核心，而实验数据管理体系具体体现在数据库 设计和数据查询统计分析以及预测的设计。做好航天先进功能材料数据管理系 统，首先要设计数据库录入体系、数据查询体系、数据统计体系、数据预测体 系等。当前的航天先进功能材料数据管理系统都是围绕着这些体系来建设的。 数据库录入体系、数据查询体系、数据统计体系、数据预测体系都是先进功能 材料数据管理的重要组成部分和重要的内容。根据航天7 0 3 所的要求，详细设 计好这些模块是系统价值的体现。 2 2 6 用户共享组件 业务组件是在开发应用系统中常用的功能模块。其中包括六个组件， ( 1 ) 简易门户组件可以根据单位及个人的需求简单方便地设计和制的 作单位及个人门户接口。 ( 2 )接口定义组件提供基于w e b 开发时需频繁使用的各种接口部件。 能够通过使用一般的“所见即所得”开发工具，加入特有的标识，简单地进行 画面设计，生成能够与数据库关联的页面。 ( 3 ) 窗体打印组件提供基于h t m l 的分页打印窗体功能。 “) 文件上传和下载可在文件服务器和用户杌之阂，透过w e b 浏览器 来下载或上传文件。 北京工业大学丁学硕上学位论文 ( 5 ，树形表示组件通过使用本组件可以用树形结构显示层次化资料， 简化选择操作。 ( 6 )定时服务组件定时启动某一功能或程序，以便定时或在空闲时间 无人职守处理某些事务。 2 2 7 应用系统支撑平台 航天先进功能材料数据管理系统的应用系统支撑环境包括公共资源配置平 台。 ( 1 ) 公共资源定义指在整个信息系统中各个业务系统中共同使用到的信 息资源。公共资源管理是适用于信息系统中所有的业务系统，它提供的服务协 议必须是其它系统所能使用的，它的管理方式和所提供的服务协议必须相对稳 定。 ( 2 ) 公共资源配置的必要性各部门已经投资建设的网络和网络应用以及 未来要投资建设的网络和网络应用，都使网络系统的复杂度在持续不断地增长， 信息化建设在满足不断变化的需求和管理各个应用系统上的成本越来越高。目 前信息化现状是存在多种操作系统( w i n d o w s u n i x n e t w a r e 等) 、多种数据库系 统( o r a c l e ，s q l s e r v e r ，d b 2 等) 、多种应用系统( 邮件、办公系统、业务系 统、财务系统等) ，它们大多各自为政，有着独立的用户身份管理、独立的系统 管理，彼此之间没有共享的关系和一致的安全机制。这样就造成了用户在使用 多个系统时必须有各自帐户、口令。用户账号无处不在，不但用户面临帐号失 控的问题，系统管理员也面临用户身份维护、认证、授权管理等方面的问题、 有些疲于奔命。这种“信息孤岛”的现状无法满足企业协同工作要求。 面对这种现状，公共资源配置平台技术应运而生。采用公共资源配置平台， 各个应用系统在管理上将采用一致的接口进行用户与资源的集中管理，使用共 同的安全机制，提高应用的安全性和可靠性，并使管理任务自动化，同时减少 重复建设。 2 2 8 维护与支持体系 应用管理主要包括资源配置服务、系统初始设置、安全管理与运行维护、 7 在线帮助等。资源配置服务是指服务器端资源的配置，根据实际情况的需要决 定所需要的资源。系统的初始设置可以设置一些系统的基本属性，主要是数据 库配置、服务器配置，并且可以根据具体情况变化而修改以满足系统用户个性 化的需求。安全管理与运行维护是系统f 常运行的保障，包括用户管理、权限 管理和数据管理，数据定期备份、并且能够做到在系统破坏后及时恢复。在线 帮助为客户提供帮助文档和热线帮助等，解决各种发生的问题。 2 2 9 硬件网络基础设施 硬件网络基础设旌是保证整个系统运行的前提，主机如何选型、网络如何接 入，应用如何部署、资料如何备份、系统如何管理、安全如何保障，都是本部分 涉及的内容。 经测试，运行此航天先进功能材料数据管理系统，需要配置服务器端和客 户端，其中服务器端和客户端分别包含如下内容。 服务器端： c p u ：i n t e lp e n t i u m 41 7 g 以上处理器 内存：最少5 1 2 m 以上 硬盘：最少1 g 以上可用空间 操作系统：推荐使用w i n d o w ss e r v e r2 0 0 0 或以上版本 服务器：s 数据库：s q 2 0 0 5 客户端： c p u ：配备兼容i n t e lp e n t i u m4 3 3 以上处理器 内存：最少1 2 捌以上 操作系统：w i n d o w s9 8 ，w i n d o w s 2 0 0 0 p r o ，w i n d o w sx p 浏览器：m i c r o s o ri n t e m e ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s ( s ) 5 0 以上。 2 2 1 0 安全保障体系 安全保障体系包括信任服务、基本安全防护、故障恢复及容灾等方面来保障 信息系统各个层面的安全。 信任服务管理体系主要对三类实体进行服务管理：自然人、机构和信息设 备。对三类实体进行归类后构成的三个职能信任服务管理体系分别是：自然人信 任服务管理体系、机构信任服务管理体系和信息设备信任服务管理体系。 基本安全防护包括防火、放永、防盗等，这些都由企业自身完成。 故障恢复就是在系统发生故障时能够及时恢复，并且基本不影响系统的后期 运行。 容灾能够做到在系统发生灾难性破坏时进行恢复。 2 3 关键技术选择 2 3 1 o s 与c s 结构的比较与选择 针对用户需求提出的a m d s 是基于网络平台，即用户既可以通过i n t e r n e r t 访问 服务器，也可以在企业内部网进行数据访问操作这一特点，研究和分析了系统 体系结构。 ( 1 ) c s 结构特点c l i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 结构，是大家熬知的软件 系统体系结构，通过将任务合理分配到c l i e n t 端和s e r v e r 端，降低了系统的 通讯开销，可以充分利用两端硬件环境的优势。c s 结构由两部分构成：前端 是客户机，通常是p c ：后端是服务器，运行数据库管理系统，提供数据库的查 询和管理，结构如图2 - 4 所示。 图2 - 4 两层结构c s 圈 f i g u r e 2 - - 4t h ec sd i a g r a mo f t h ed o u b l e - d e c ks t r u c t u r e ( 2 ) c s 模式主要的缺点正是基于以上特点，导致了c s 结构难维护，性能瓶 颈，并发用户数少，难于适应集中管理的要求。随着i n t e r n e t 技术的迅速发展， 基于b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式的计算环境为越来越多的应用系统所采用， 它有效地克服了c s 模式的缺点。在这种结构下，用户界面完全通过啊啊浏览 器来实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现， 形成所谓3 - t i e r 结构。b s 结构主要是利用了不断成熟的w 聊浏览器技术，结 合浏览器的多种s c r i p t 语言( v b s c r i p t 、j a v a s c r i p t 等) 和a c t i v e x 技术， 用通用浏览器实现了原来需要复杂专用软件才能实现的强大功能，并节约了开 发成本，是一种全新的软件系统构造技术。随着w i n d o w s9 8 w i n d o w s2 0 0 0 将 浏览器技术植入操作系统内部，这种结构更成为当今应用软件的茸选体系结构。 ( 3 ) 8 s 模式主要的特点： j i ：发人员元需 发客户端软件，而统一采片j 测览器柬。实现客_ f 。端卜j 服筹器 第2 章a m d s 系统结_ f 分析 的交互。此外当需要对应用系统进行升级时，只需对服务器端的应用程序进行 升级即可。 ( 4 ) b i s 结构的核心概念： b s 结构将应用分为表示层，业务逻辑层和数据存储层三个不同的处理层 次，如图2 5 所示。三个层次的划分是从逻辑上来分的，具体的物理分法可以有 多种组合。中间件作为构造三层结构应用系统的基础平台，提供了以下主要功 能：负责客户机与服务器间、服务器问与服务器间的连接和通信：实现应用与 数据库的高效连接：提供一个三层结构应用的开发、运行、部署和管理的平台。 鲁囊确而飘脚井 k 訇应丹船务器凌选罹务请菘显示她埋络累 一：d业务逻辑层：执行显霎譬喜?同擞壤库发选嚼艰 1 翮 数搬本艚务器 l 剖觚存锖磊执行擞据艄心行弧躺髓过程 图2 巧三层结构b s 图 f i g u r e 2 5t h eb sd i a g r a mo f t h et h r e e p l ys t n j e t u r e 因此我们最终选择b s 体系结构。 2 3 2 数据库的比较与选择 本系统实际是在数据库上面二次开发，选择什么样的数据库类型是决定 a m d s 系统性能的关键问题，故对常用的数据库技术和类型进行分析研究，以便 进行合理选择。 数据库技术的发展已经有几十年的历史，在整个发展过程中，大致有以下 几种数据库类型：关系数据库、结构数据库、网络数据库，面向对象数据库以 及关系式面向对象数据库。各种类型的数据库都有其优缺点和时代背景，现阶 段应用最广泛的是关系型数据库。现阶段有四大主流关系数据库：o r a c l e 、 s y b a s e d b 2 和s o ls e r v e r ，它们的优缺点比较如f 。 ( 1 ) o r a c l e 的特点0 r a c l c 数据库能在所有丰流平台上运行，并且完令支持所 有的工业标准，采用完全丌放策略，可以仕客户选择展适合的解决方案。如果 在w i n d o w s n t 上不能满足需要，用户可以把数据库移到u n i x 中。0 r a c l e 的并 行服务器对各种u n i x 平台的集群机制都有着相当高的集成度。在安全性上， o r a c l e 已经获得了最高认证级别的i s 0 标准认证。o r a c l e 的性能最高，保持在 开放平台下的t p c d 和t p c c 的世界记录。在操作上o r a c l e 比较复杂，同时提 供g u i 和命令行，在w i n d o w s n t 和u n i x 下操作相同。“”“ g ) s y b a s e 的特点s y b a s e 数据库能在所有主流平台上运行。但由于早期 s y b 蠲e 与o s 集成度不高，因此v e r s i o n l l 9 2 以下版本需要较多o s 和d b 级补丁。在多平台的混合环境中，s y b a s e 的运行会有一定问题。虽然有d b s w i t c h 来支持其并行服务器，但d bs w i t c h 在技术层面还未成熟，且只支 持版本1 2 5 以上的a s es e r v e r 。d bs w i t c h 技术需要一台服务器充当 s w l t c h ，从而在硬件上带来一些麻烦。在安全性上，s y b a s e 已经获得最高认 证级别的i s o 标准认证。s y b a s e 的性能接近于s q l s e r v e r ，但在u n i x 平台下 的并发性要优于s q ls e r v e r 。在操作上s y b a s e 同时提供g u i 和命令行，但g u i 较差，速度比较慢。 ( 3 ) d b 2 的特点d b 2 数据库能在所有主流平台上运行，最适于海量数据的存 取。d b 2 在企业级的应用最为广泛，在全球的5 0 0 家最大的企业中，几乎8 5 以上用d b 2 数据库服务器，而国内到9 7 年约占5 。具有很好的并行性。d b 2 把数据库管理扩充到了并行的、多节点的环境。数据库分区是数据库的一部分， 包含自己的数据、索引、配置文件和事务日志。在安全性上，d b 2 已经获得最 高认证级别的i s o 标准认证。性能上，d b 2 比较适用于数据仓库和在线事物处 理。d b 2 的操作比较简单，同时提供g l 和命令行，在w i n d o w s n t 和i m x 下操作相同。 ( 4 ) s q ls e r v e r 的特点s q ls e r v e r2 0 0 0 是m i c r o s o f c 公司推出的关系型数据 库管理系统，具有完善的分布式数据库和数据仓库功能，能够进行分布式事务 处理和联机分析处理。此外，s q ls e r v e r2 0 0 0 还具有强大的网络功能，它与 i n t e m e t 高度集成，能够轻易地将w e b 应用程序与企业营运应用程序集成在一 起。另外，s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据库系统还提供了强大的管理功能它提供了一 套功能完善且具备可视化界面的管理工具。这些管理工作主要由数据库管理员 ( d b a ) 和系统管理员( s a ) 负责完成，主要包括s o l 服务器的安装、配置 和管理、服务管理、数据库管理、数据库对象的管理、数据管理、安全性管理、 作业管理和集成操作8 项功能，这些功能在各方面以不同方式保证了s o l s e r v e r 2 0 0 0 数据库系统的正常运行“。 以上四种数据库都可以满足系统的要求，但与其它三种数据库相比。s q l s e r v e r2 0 0 0 的性价比最高且操作简单，所以选择了s o ls e r v e r2 0 0 0 作为本系 统的后台数据支持系统。 2 3 3 数据挖掘技术 7 0 3 航天材料专家希望通过筛选实验的部分实验数据，为碳陶瓷复合材料的设 计及性能预报提供理论指导。数据挖掘技术是近来比较常用的预测方法。 ( 1 ) 数据挖掘技术定义数据挖掘( d a t am i n i n g ) 就是从大量的、不完全的、 有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中，提取隐含在其中的、人们事先不 知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程。由于数据挖掘是一门受到来自 各种不同领域的研究者关注的交叉性学科，数据挖掘主要流行于统计界( 最早 出现于统计文献中) 、数据分析、数据库和管理信息系统界“。 ( 2 ) 数据挖掘与传统分析方法的区别数据挖掘与传统的数据分析( 如查询、报 表、联机应用分析) 的本质区别在于数据挖掘是在没有明确假设的前提下去挖掘 信息、发现知识，数据挖掘所得到的信息应具有先前未知，有效和可实用三个特 征。大多数的统计分析技术都基于完善的数学理论和高超的技巧，对使用者的 要求很高。随着计算机计算能力的不断增强，我们有可能利用计算机强大的计 算能力只通过相对简单和固定的数据挖掘方法完成同样的功能“”“”。 ( 3 ) 数据挖掘过程中韵各步骤内容鲡下，觅图2 3 。 确定业务对象清晰地定义出业务问题，认清数据挖掘的目的是数据挖掘 的重要一步挖掘的最后结构是不可预测的，但要探索的问题应是有预见的，为 了数据挖掘而数据挖掘则带有盲目性，是不会成功的。 数据准备： 数据的选择：搜索所有与业务对象有关的内部和外部数据信息，并 从中选择出适用于数据挖掘应用的数据。 数据的预处理：研究数据的质量，为进一步的分析作准备。并确定将 要进行的挖掘操作的类型。 数据的转换：将数据转换成一个分析模型这个分析模型是针对挖 掘算法建立的建立一个真正适合挖掘算法的分析模型是数据挖掘成 功的关键，“2 “”1 数据挖掘对所得到的经过转换的数据进行挖掘除了完善从选择合适的 挖掘算法外，其余一切工作都能自动地完成。 结果分析解释并评估结果其使用的分析方法一般应根据数据挖掘操 作而定，通常会用到可视化技术。 应用将分析所得到的知识集成到业务信息系统的组织结构中去。 图2 3 数据挖掘过程图 f i g u r e 2 3 t h ep r o c e s sd i a g r a mo f t h ed a t am i n d m g ( 4 ) 数据挖掘常用算法一人工神经网络 数据挖掘是- - f 3 交叉学科，它把人们对数据的应用从低层次的简单查询， 提升到从数据中挖掘知识，提供决策支持。数据挖掘的分析算法主要来自于以 下两个方面：统计分析和人工智能( 机器学习、模式识别等) 。目前，预测方法 有经典的统计方法、神经网络和机器学习等。 经过分析神经元网络算法比较适合做为材科性能预测算法模型。2 “。 人工神经网络模型定义人工神经网络( a n n ) 作为一种模拟人脑神经系统的 结构与功能特征的数学处理方法，具有自学习能力，不需要任何先验函数的 假设，即可从实验数据中自动总结规律，并可用总结出的规律来预测未知