Введение к работе
Актуальность проблемы
Химическая структура (ХС) представляет собой сложную многокомпонентную систему. Поэтому исследования, направленные на обработку информации о ХС, анализ строения, моделирование ее компонентов и их взаимодействия довольно сложны и связаны с такими проблемами, как идентификация целевой функции, формализация данных и методов, разработка специализированного математического и информационного аппарата.
Так мировой опыт исследования зависимости «структура – свойства» показал очень большую сложность этой проблемы. На сегодня оказалось возможным решить ее лишь частично. В качестве примера такого исследования можно привести работу Черкасова А. Р. , применившего трехмерный корреляционный анализ для установления взаимосвязей между строением молекул и их реакционной способностью. Современные тенденции таковы, что приходит осознание очень большой сложности данной зависимости, в связи с чем отказываются от прямого статистического структурного анализа и переходят к системному исследованию химической структуры, применяют современный аппарат искусственного интеллекта.
Информация о ХС и веществах, вообще говоря, является расплывчатой и неполной. Можно выделить несколько видов такого рода информации: субъективные суждения, погрешность в измерениях и расчетах параметров, ошибки и т. д. Исследование такой информации средствами нечетких множеств приводит к повышению уровня достоверности в процессе принятия решений, к расширению областей применения ХС и веществ, позволяет осуществлять поиск новых объектов, исследовать потребительские качества, конструировать и проектировать их.
Поэтому одним из подходов, позволяющих поддерживать такого рода исследования, является использование нечеткой математики. Сегодня в этом направлении получены существенные результаты в фундаментальных исследованиях, но что касается прикладных исследований, то в основном — это управление технологическими процессами. А применение нечеткой математики для исследования химических структур — это единичные исследования.
Проникновение нечетких множеств в химию и химическую технологию позволяет решать компьютерными средствами не только широкий круг задач интеллектуальной поддержки систем синтеза и идентификации, связанных с неопределенностью, но и, что особенно важно, создает условия для генерации новых научных и технических задач и новых способов их решения.
Данная работа базируется на нечеткой математике, основоположником которой является Л. Заде. Фундаментальные аспекты нечеткой математики получили существенное развитие в направлении теории нечетких множеств и нечеткой логики (Р. Р. Ягер, В. Новак, И. Перфильева, И. Мочкорж), мягкого математического анализа и исследования операций (Д. А. Молодцов). Прикладное направление (А. В. Леоненков, К. Хартманн) и применительно к химии и химической технологии было развито В. В. Кафаровым, И. Н. Дороховым, В. П. Мешалкиным, А. Ф. Егоровым, И. З. Батыршиным, Р. Х. Бахитовой, З.-х. Янгом, В. Марковой. На основе моделирования химико-технологических систем (В. В. Кафаров, В. П. Мешалкин, С. И. Дворецкий) были использованы математические подходы к компьютерному анализу данных (Ю. Н. Тюрин, А. А. Макаров, А. А. Самарский, П. Джурс, Т. Айзенауэр) и применительно к зависимости «структура – свойство» (Н. С. Зефиров, В. А. Палюлин, А. Р. Черкасов, М. Рандич, С. Хэнч).
Цель работы и основные задачи исследования
Основной целью работы являлось создание научно-методической базы для обработки нечеткой информации о химических структурах и веществах для теоретических и практических приложений.
При проведении исследования решались следующие задачи.
В области теории:
-
Систематизация задач, относящихся к предмету исследования.
-
Анализ современного состояния математических методов исследования зависимости «структура – свойство» в химии и химической технологии и формирование методик обработки химической информации в условиях неопределенности.
-
Анализ и развитие математического аппарата теории нечетких множеств и возможностей его использования применительно к обработке химической информации.
-
Разработка и формализация математических методов анализа и синтеза химических структур и веществ в рамках построенной системы исследований.
В области приложения теории к предметной области:
-
Разработка, формализация и апробация метода прогноза физико-химических и технологических свойств химических веществ на основе моделирования зависимости «структура – свойство».
-
Разработка, формализация и апробация метода экспертизы свойств реальных, малоизученных и виртуальных химических соединений.
-
Разработка, формализация и апробация метода конструирования виртуальных химических структур и соединений для создания веществ с заданными свойствами.
-
Решение задач внеэкспериментального экологического нормирования малоизученных веществ.
Объектом исследования являлась количественная зависимость «химическая структура – свойство – применение», предметом — математическая обработка информации о химических структурах и веществах в условиях неопределенности.
Достоверность проведенных исследований основана на формальном доказательстве ряда утверждений, касающихся теоретической базы, и анализе алгоритмов, использованных для реализации разработанных методов. Полученные алгоритмы реализованы на компьютере и апробированы в виде вычислительных экспериментов.
Научная новизна
-
Создан комплекс методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки систем анализа и синтеза химических объектов на основе формализации информации в терминах нечеткой математики. Эти методы предназначены для подготовки данных к наполнению электронных баз данных, их последующего анализа и на этой основе синтеза необходимых правил в рамках компьютерной системы. Основные отличия предлагаемых методов от уже известных обеспечивают в совокупности эффективность разработки и наполнения компьютерных систем исследования химических объектов — это подход к учету нечетких данных и единый подход к формализации на всех этапах исследования, что обеспечивает преемственность и согласованность данных.
-
Предложен метод математической формализации информации в терминах нечетких множеств, позволяющий адаптировать математические методы для приложений к предметной области исследования, отличающийся от известных тем, что позволяет формализовать широкий класс химических и иных технических объектов в условиях неопределенности, унифицировать исходные данные, интерпретировать результаты для принятия решений.
-
Предложен класс унимодальных функций принадлежности и на их основе исследованы операции над нечеткими множествами, что позволило эффективно обрабатывать предметную информацию.
-
Разработаны оригинальные алгоритмы анализа и синтеза ХС, учитывающие неопределенности и позволяющие автоматизировать исследования ХС на этапах классификации информации, прогноза свойств, экспертизы и конструирования ХС и веществ.
-
Получены профилированные базы данных ХС, статистики ХС, выявлены статистические зависимости «структура – свойство», новые виртуальные ХС, на основе которых были синтезированы вещества с заданными свойствами.
Практическая ценность и реализация результатов
Разработан метод анализа нечеткой химической информации, разработаны алгоритмы, позволяющие реализовать его на компьютере, и на этой основе созданы электронная база данных добавок для полимерных композиций и обучающие выборки для прогноза физико-химических, технологических и экологических свойств и конструирования ХС.
Метод позволяет численно оценить абсолютное потребительское качество химической продукции и путем систематизации и соответствующей обработки информации, сравнивать между собой вещества с неодинаковым набором описанных свойств, что особенно важно при принятии предпроектных, проектных и технологических решений в условиях многофакторности, разновидности, разнотипности данных и других видах неопределенности. Данный метод был использован в своей деятельности ООО «Системы управления производственными рисками».
Приведенные здесь подходы использовались для решения частных задач, возникших и в других научных исследованиях.
Разработаны методы прогноза и конструирования виртуальных ХС с заданными свойствами для технической химии. На этой основе имеется техническое решение по разработке состава полимерной композиции с улучшенными свойствами.
На основе теоретических исследований подготовлено учебное пособие по обработке нечеткой информации о ХС. Методы и алгоритмы анализа и синтеза ХС были использованы при создании различных учебных курсов Волгоградского государственного педагогического университета.
Апробация работы и публикации по теме диссертации
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 4-й международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии 96», Волгоград – 1996; III межвузовской научно-практической конференции, Волгоград – 1996; Школе по моделированию автоматизированных технологических процессов при международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии», Новомосковск – 1997; 1-й школе специалистов резиновой промышленности «Компьютерные методы в технологии переработки эластомеров», Волгоград – 1997; 32-35 научных конференциях ВолгГТУ, Волгоград – 1995-98; 10-11-й международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии», Тула – 1996, Владимир – 1998; IV традиц. науч.-техн. конф. стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств», Волгоград – 1998; IV межвуз. конф. студ. и молод. учен. Волгограда и Волгоград. обл., Волгоград – 1998; Юбилейном смотре-конкурсе науч., конструкторских и технолог. работ студ. ВолгГТУ, Волгоград – 2000; V Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград – 2000; IX Международной научной конференции «Химия и технология каркасных соединений», Волгоград – 2001; Междунар. науч.-техн. конф. «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс - 2001)», Иваново – 2001; Междунар. конф. «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология (Композит-2001)», Саратов – 2001 г.; Втор. всерос. н.-теор. конф. «ЭВТ в обучении и моделировании», Бирск – 2001; V-VI традицион. науч.-техн. конф. стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств», Волгоград – 2000, 2002; Междунар. науч.-техн. конф. «Полимерные композиционные материалы и покрытия. POLYMER 2002», Ярославль – 2002; II Всерос. науч. конф. (с междунар. участ.) «Физико-химия процессов переработки полимеров», Иваново – 2002; Международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования», Воронеж – 2005; Внутривузовская научная конференция профессорско-преподавательского состава ВГПУ, Волгоград – 2007, 2009; 12-22-й международной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Новгород – 1999, Санкт-Петербург – 2000, Смоленск – 2001, Тамбов – 2002, Ростов-на-Дону – 2003, Кострома – 2004, Казань – 2005, Воронеж – 2006, Ярославль – 2007, Саратов – 2008, Псков – 2009.
