Возможности использования современных средств комплексного описания ядерно-технологических знаний о ядерных и теплофизических свойствах конструкцион

В.М. КУПРИЯНОВ

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 

СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ КОМПЛЕКСНОГО 
ОПИСАНИЯ ЯДЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

ЗНАНИЙ О ЯДЕРНЫХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ 

СВОЙСТВАХ КОНСТРУКЦИОННЫХ 

МАТЕРИАЛОВ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ 
И ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ПРОЦЕССАХ

Статья

Москва

ИНФРА-М

2019

УДК 001.8
ББК 72.5

К92

Для журнала Journal of Engineering Thermophysics

Куприянов В.М.

К92
Возможности использования современных средств комплексного описания

ядерно-технологических знаний о ядерных и теплофизических свойствах 
конструкционных 
материалов 
в 
образовательном 
и 
производственном 

процессах : статья / В.М. Куприянов. — М. : ИНФРА-М, 2019. — 21 с.

ISBN 978-5-16-107759-7 (online)

Проанализированы 
существующие 
современные 
подходы 
к 
формализованному 

представлению и фиксации в информационно-вычислительной среде, наборов данных о 
ядерно-физических и теплофизических свойствах конструкционных материалов для АЭС с 
учетом требований как к обеспечению реальных технологических расчетов, так и к 
использованию в учебных  процедурах при подготовке специалистов. Рассмотрены
особенности процедурного, дата ориентированного  и онтологического подходов при 
описании знаний о взаимосвязях данных различной природы. Предложено для обсуждения 
новое понятие «элементарный объект знания» в качестве средства ограничения степени 
детализации представления технологических знаний в обеспечение сбалансированности 
требований к достоверности знаний в системах хранения технологических данных и 
облегчения восприятия понятий моделирования данных в учебном процессе.

Для научных работников и специалистов.

УДК 001.8

ББК 72.5

ISBN 978-5-16-107759-7 (online)
© Куприянов В.М., 2019

Оглавление

Оглавление...................................................................................................................................................3

Введение.......................................................................................................................................................4

1.
Особенности представления и описания научно технологических данных о свойствах 

конструкционных материалах для  ядерной энергетики. ...................................................................................4

1.1.
Представление численных данных в библиографических системах.......................................5

1.2.
Представление ядерных данных .................................................................................................6

1.3.
Система данных о свойствах веществ в Росатоме.....................................................................7

2.
Современные средства описания и представления  теплофизических данных................................7

2.1.
Особенности организации хранилищ ядерно-технологических и теплофизических данных в 

цифровой форме. .................................................................................................................................................8

3.
Роль формализованного описания знаний  в формировании компетенции ...................................12

4.
Заключение ............................................................................................................................................16

Приложение 1 ........................................................................................................................................18

Приложение 2 ........................................................................................................................................19

Список литературы ...............................................................................................................................20

Введение

Современные 
требования 
к 
обоснованности 
проектных 
решений 

ядерно-технологических установок предполагают наличие средств, обеспечивающих 
возможность 
многократно 
верифицировать 
все 
элементы 
исходной 
информации, 

использованные на этапах предпроектной и проектной деятельности. Эти требования 
предполагают, что современные информационные системы и системы управления1 должны 
иметь возможность предоставить заинтересованным экспертам доступ к данным, 
использованным проектировщиками при создании проекта. 

Такая потребность возникает, например, при адаптации проектной документации при 

строительстве АЭС к специфике  новой площадки (локализации проекта), при анализе 
причин инцидентов на АЭС c высокими уровнями опасности по шкале INES, а также при 
формировании соответствующих компетенций аспирантов и магистров  в учебном процессе 
ВУЗов. 

Особенно важным обеспечение доступности к знаниям о данных проекта становится при 

формировании компетенций специалистов в странах, планирующих начать использование 
ядерных технологий. МАГАТЭ специально выделяет это требование как одно из базовых 
требований [2]. Необходимость обеспечения доступа к проектным научно-технологическим 
данным в течении всего жизненного цикла установки следует  также и из требований  новой 
редакции международного стандарта качества ИСО 9001:2015 [3]. Практическая реализация 
этих требований носит комплексный характер и является технологически сложной и 
трудоемкой задачей. Ее решение лежит в нескольких направлениях деятельности: 
организационном, информационном, правовом, научно-технологическом и т.п.

В настоящей работе рассматривается только один аспект - технология управление 

знаниями о теплофизических свойствах конструкционных материалов.

1.
Особенности представления и описания научно технологических данных о 

свойствах конструкционных материалах для  ядерной энергетики.

Управление ядерными знаниями и информацией [4] объединяет нескольких направлений 

деятельности (хотя и не исчерпывается ими):

- менеджмент знаний в ядерных организациях (Nuclear Knowledge Management- “NKM”);
- формирование библиографических коллекций по определенным тематикам публикаций 

(Nuclear Knowledge Colllections Harvestig “NKCH”);

- сохранение фактологической информации о результатах деятельности предприятий 

ядерно-технологической сферы (Nuclear Knowledge Preservation- “NKP”);

- описание, сохранение и обеспечение эффективного доступа к ядерно-технологическим 

конструкционным знаниям (данным) - (Design Knowledge Management - DKM)

Каждое 
направление 
к 
настоящему 
времени 
уже 
определило 
совокупность 

инструментальных 
средств, 
обеспечивающих 
эту 
деятельность, 
рекомендуемых 
в 

соответствующих документах МАГАТЭ среди которых можно выделить:

- NKM - [5] - Организационно- управленческие средства;

- NKCH -.[6] - Система INIS IAEA;

- NKP - [7] - Порталы знаний;

- DKM - [8] - Таксономии и онтологии по тематикам;

В совокупность инструментальных средств управления знаниями, входят различные 

технологические 
методы 
и 
приемы, 
которые 
реализуются 
через 
нормативные, 

управленческие, технологические и информационные механизмы [2]. Задача настоящей 
работы выделить из  всего комплекса деятельности, реализующей управление 

фактологическими знаниями,  особенности, связанные с описаниями и представлением 
технологических данных, т.е., в основном численной информации, используемой 
специалистами при проведении обосновывающих расчетов, принятии решений, анализе 
рисков и т.п. 

Понятие “данные” в среде информационного обеспечения науки и образования в 

последнее время приобрело специальное узкое толкование, в отличие более широкого, 
существовавшего в “докомпьютерную” эру. В информатике используется следующее 
определение: ”Данные – это информация, пригодная для дальнейшей обработки. Как правило, 
данные предоставляются в структурированном виде”. “Данные” - это одно из средств 
представления знаний. Встречаются и другие определения.

В настоящем тексте предполагается, что “данные” обозначают понятия физического 

мира, ассоциированные с информационными объектами, предназначенными для дальнейшей 
обработки. В более узком смысле в настоящей работе слово “данные” используется для 
обозначения 
группы 
понятий 
ассоциированных 
с 
физическими 
величинами, 

представляющими свойства веществ и материалов. Основное внимание в работе уделяется 
представлению данных, описывающих ядерные, ядерно-технологические и теплофизические 
свойства веществ и конструкционных материалов, используемых в ядерно-энергетических 
технологиях. 

1.1.
Представление численных данных в библиографических системах

Исторически, численные данные о свойствах веществ широко публикуются в различных 

научных изданиях и книгах. Широко известны, например,  таблицы физических и 
химических величин под редакцией Кэя и Лэби (http://www.kayelaby.npl.co.uk) или 
(Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А., Таблицы теплофизических свойств воды и 
водяного пара, М, Гос. служба стандартных и справ. данных . – М. : Изд-во стандартов, 1969 . 
– 408 с.). 

Как правило, данные предоставляются в структурированном виде, через заполнение 

какой-либо формы.

Очевидно, с развитием  средств вычислительной техники табличные данные 

переносились в соответствующие электронные формы. Однако, при дальнейшем 
использовании этих электронных форм, специалисты столкнулись  с рядом новых проблем.

1. Верификация и валидация наборов данных - установление достоверности и 

качества электронных данных.

2. Стандартизация 
 
форматов 
данных 
определение 
правил 
перевода 

посимвольного представления напечатанных цифр в число во внутреннем 
представлении компьютера

3. Классификация и тематическая рубрикация наборов данных - формирование 

текстовых надстроек, позволяющих пользователю однозначно соотнести 

последовательности чисел со “знанием”, которое эти числа представляют вне 
компьютера.

Эксперты в каждой конкретной области технологических знаний решали эти проблемы 

своими средствами и методами, однако, возникновение комплексных вычислительных задач, 
таких как, например, использование экспериментальных теплофизических данных в  
моделях 
обоснования 
ядерной 
безопасности 
реакторов, 
требовало 
создания 

унифицированного подхода к стандартизации обменных форматов данных. 

1.2.
Представление ядерных данных

В ядерно-технологической области знаний одним из первых успешных обменных 

форматов стал текстовый формат “EXFOR”, разработанный в 1960-х гг совместными 
усилиями специалистов Brookhaven National Laboratory (BNL), USA; OECD Nuclear Energy 
Agency, France, Sacley; International Atomic Energy Agency (IAEA), Vienna, Austria и 
Fiziko-EnergeticheskijInstitut (IPPE) Obninsk, Russia [9].

Стандарт определялся как текстовый файл, составленный из строк, представленных 

принятой тогда 80-колоночной перфокартой, на которой в позициях с 1 по 72 содержались 
коды символов сущностной информации, например, чисел, а в позициях 73-80 кодировалась 
описывающая структуру файла метаинформация (классификатор представляемых знаний, 
структура файла как объекта и т.п.). 

После ряда модификаций, отражающих развитие вычислительной базы,  EXFOR 

используется и в настоящее время [10].

Представление теплофизических данных
Теплофизические данные о свойствах веществ и материалов использовались в научной и 

инженерной практике задолго до ядерной эры. Переход к их современному системному 
представлению в цифровой форме в значительной мере осуществился благодаря усилиям 
сотрудников Thermodynamics Research Center Национального Институт Стандартов США 
(NIST).

В 1986 году д-р Рэндольф С. Вилхойт разработал и создал электронную базу данных, для 

управления численными значениями термодинамических, термохимических и транспортных 
свойств чистых веществ и смесей, извлеченными из научной литературы в мире. Это  
ознаменовало начало новой фазы автоматизированного управления и обработки данных. 
Множество  специализированных баз данных, таких как "TRC давление пара", "TRC 
идеального газа", "вязкость"... были подготовлены и к ним был обеспечен удаленный доступ 
[11].

В ядерно-теплофизической  сфере стандартизация форматов обмена данных: “TEFOR” 

была реализована в 1981 году созданием в Обнинском Физико-энергетическом институте 
(IPPE) аналога системы  EXFOR - для автоматизированной среды хранения и обработки 
теплофизических данных “АСХСД” [ 12 ]. Этот формат впоследствии был принят на 
международном уровне для ряда наборов данных в МАГАТЭ.

Принципиальным в обоих направлениях деятельности является то, что информация 

внутри наборов данных представлялась в форме специально организованных текстов, в 
которых  цифровая информация и ее метаописания хранились совместно в одном файле. Для 
того, чтобы воспользоваться данными для расчета было необходимо преобразовать 
текстовую информацию во внутреннее представление ЭВМ, для чего использовались 

специальные компьютерные программы, обычно написанные на языке ФОРТРАН (или PL/1 в 
IBM-совместимых машинах) [12]. 

Трудоемкость и не вполне надежная верифицируемость такого представления данных 

привела экспертное  сообщество в дальнейшем к  созданию новых, более надежных форм 
представления фактологических и ядерно-технологических данных [13].

1.3.
Система данных о свойствах веществ в Росатоме

Интенсивный обмен ядерно-технологическими данными, необходимый для обеспечения 

расчетно-технологических работ по созданию научных и промышленных  установок и 
обоснованию безопасности их жизненного цикла на предприятиях ГК “Росатом” (прежде Минатома, Минсредмаша, Госкомитета СССР по использованию Атомной энергии в мирных 
целях) обеспечивался созданием  в 80- 90 х годах системы Отраслевых Центров стандартных 
справочных данных ГСССД [14]. К 2007 году система ГСССД ГК “Росатом” включала в себя 
совокупность 17 центров данных, обеспечивавших основные направления деятельности 
предприятий ядерно-технологической сферы [15] (см. Приложение). 

Несмотря на неоднократные попытки, создателям ГСССД ГК “Росатом” не удалось 

сформировать единый подход к обменным форматам данных между центрами 
и, к 

настоящему времени,  практически каждый центр имеет собственные механизмы 
представления данных.  Однако, вступление в силу Федерального закона от 26 июня 2008 
года N 102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений" (с учетом редакции от 02.12.2013 N 
338-ФЗ, от 23.06.2014 N 160-ФЗ)  привело к изменению сложившейся системы центров 
ГСССД и коренной перестройке ее функций и задач.

Одновременно работы по созданию средств информационных описаний наборов 

числовых данных различной природы для обеспечения учебного процесса в системе высшего 
ядерного образования были начаты в НИЯУ МИФИ после перехода Головного отраслевого 
центра данных системы стандартных справочных данных в его структуру. 

В настоящий момент реализуются необходимые преобразования функциональных задач

Головного центра для внесения в состав методического обеспечения подготовки и 
использования ядерно-технологических данных современных средств их комплексного 
описания. Одним из направлений этой деятельности является разработка средств описания и 
представления знаний о свойствах веществ и материалов, позволяющих построить описания 
данных для комплексных задач на основе современных подходов к практике обмена данными.  

2.
Современные средства описания и представления 

теплофизических данных 

Основная проблематика задач, требующих использования теплофизических данных в 

ядерной энергетике связана с расчетами тепло-массопереноса [16]. Традиционная  практика 
представления численных теплофизических данных для практического использования 
заключается в подготовке компьютерных программ на различных языках программирования, 
аппроксимирующих функциональные зависимости каких-либо физических свойств: 
теплопроводности, теплоемкости, массы и т.п.  как функции параметров, - температуры, 
давления, состава сложных смесей. Типичным представителем такого подхода является, 
например, [ 17 ]. В практической сфере такой подход представления данных обычно 
называется “процедурным”.

2.1.
Особенности 
организации 
хранилищ 
ядерно-технологических 
и 

теплофизических данных в цифровой форме.

Традиционно, 
интерфейс 
для 
удаленного 
доступа 
к 
хранилищам 

ядерно-технологических и теплофизических данных строился в предположении, что 
результатом запроса будет пользоваться специалист, имеющий необходимые знания и навыки 
в соответствующей предметной области. То есть, теплофизическими данными будет 
пользоваться теплофизик, ядерными данными - физик-ядерщик. Возникновение комплексных 
задач (например, компьютерных кодов анализа тяжелых аварий ядерного реактора [18]) 
потребовали создания соответствующих библиотек разнородных физических данных о 
различных свойствах материалов и, специализированных компьютерных программ, 
обеспечивающих комплектацию входных наборов для так называемых “тяжелых” кодов. Эти 
программы (коды подготовки входных наборов) создаются, как правило, специалистами 
различной тематической направленности, каждый из которых представляет знания из своей 
узкоспециальной сферы [19].

Очевидным препятствием развитию такого подхода для использования “тяжелых кодов” 

и создания систем управления знаниями в ядерных технологиях является дефицит 
специалистов, владеющих необходимыми навыками и способных глубоко вникнуть в 
требования кодов, обеспечивающие согласованность библиотек программ, рассчитывающих 
значения данных для генерации входных наборов. Подготовка таких специалистов в 
соответствующих специализациях ВУЗов, также требует много сил и дополнительных знаний 
как от преподавателей, так и от обучающихся.

В противоположность процедурному подходу представления данных, в последние годы 

для решения комплексных задач в энергетике все более широкое место занимает 
альтернативный подход, называемый “подход, ориентированный на данные» (data-oriented
approach)” [20]. Его характерной чертой является размещение в специально организованных 
электронных хранилищах всех значений всех данных, вместе с необходимыми описаниями 
свойств этих данных, которые могут быть востребованы в рамках той задачи, для которой 
создается это хранилище. Основной нагрузкой на процесс создания таких наборов является 
большой объем трудозатрат при создании адекватных описаний каждого объекта данных, 
размещаемых в файле.

В связи с этим, международное экспертное сообщество CODATA и комитет UIPAC

сочли необходимым рекомендовать для международного обмена данными “подход, 
ориентированный на данные» при описании свойств материалов [21]. К настоящему моменту 
разработан ряд специализированных стандартов описания данных для различных предметных 
областей. 

Подход, ориентированный на данные является особенно привлекательным для 

использования данных в учебном процессе, поскольку не требует от пользователя глубокого 
знания «тяжелых» кодов, а позволяет формировать наборы данных для них на основе 
детального описания только требуемых данных.

Международные Стандарты на основе XML
В соответствии с рекомендациями CODATA, все рассматриваемые ниже стандарты 

основаны на использовании возможностей языка разметки текстов eXtensible Markup 
Language (XML) и его основного инструмента “XML-schema” (XML-схема) [22]. XML-schema 
позволяет однозначно сослаться на  понятия, которые стоят за словами текстового файла. 
Именно конкретная XML-schema определяет возможности того или иного обменного 
формата как средства описания и представления данных. Во всех случаях формат хранения 
размеченных файлов - это текстовый файл в кодировке UTF-8 (или UTF-16). Это позволяет 
построить информационное хранилище на полностью свободных программных ресурсах, 
одинаково доступных в любой операционной системе компьютера и использовать кодировки 
национальных языков (в том числе - русского),  что особенно важно для образовательной 
среды, поскольку  не требует никаких лицензий для построения полномасштабной среды 
хранения данных и углубленного знания английского языка.

Язык MatML
При разработке языка для описания материаловедческих файлов, содержащих 

информацию о свойствах веществ и материалов рабочая группа поставила задачу создать 
язык разметки, обладающий следующими свойствами: MatML должен быть достаточно 
гибким в предметной области его применения, т. е.,  он должен позволять описание 
широкого разнообразия данных о свойствах веществ и материалах  из широкого спектра 
источников; словарь MatML должен быть дата -ориентированным и легко дополняемым; а 
синтаксис MatML должен быть расширяемым, чтобы обеспечить описания как 
альтернативных определений, так и ранее непредусмотренных данных о формах материалов и 
их состоянии.

В настоящее время разработка стандарта MatML полностью завершена, стандарт 

используется практически во всех сферах деятельности, связанной с применением различных 
материалов (Рис. 1)[23]

Рис. 1 Сферы применения MatML-технологии для описания данных о свойствах 

материалов 
(схема 
из 
MatML: 
XML 
for 
Information 
Exchange 
with 
Materials, 

http://www.matml.org, перевод)

Использование XML в качестве базы языка MatML позволяет расширить его 

описательные возможности до построения онтологических описаний [ 24 ]. Необходимо 
подчеркнуть, что schema-MatML ориентирована на описание теплофизических данных как 
материальных объектов, т.е. утверждений типа “теплоемкость <чего-то>равна <значение>”.

Язык TermoML
В 
практике 
научных 
и 
технологических 
исследований, 
помимо 
описания 

теплофизических 
свойств 
веществ, 
необходимо 
описывать 
и 
классифицировать 

термодинамические понятия. Для описания систем хранения знаний о моделях и их свойствах 
типа “энтальпия <данного процесса> определяется <следующими параметрами>” в 
настоящее время широко используется стандарт ThermoML, также разработанный рабочей 
группой специалистов NIST USA. 

Стандарт предназначен для использования в различных научных и технологических 

сферах [24](См. Рис. 2) 

Рисунок 2. Направления применимости стандарта описания термодинамических понятий 

и данных ThermoML (перевод из [24].

Schema-ThermoML 
ориентирована 
на 
описание 
в 
первую 
очередь 
понятий 

термодинамики и связанных с ними величинами.

В отечественной образовательной сфере (МЭИ) стандарт ThermoML используется в 

описании методических и расчетных работ в теплофизической сфере некоторыми 
предприятиями. [25].

Язык UnitsML
Языки MatML и ThermoML позволяют описать различные свойства веществ и 

физических понятий и предоставляют пользователю средства конструирования нужных ему 
особенностей параметрического представления данных для моделей и расчетов. Однако в 
ряде случаев необходима более глубокая стандартизация описаний объектов, которая всем 
пользователям представит унифицированное представления ряда сущностей. Это прежде 
всего касается физических и материаловедческих констант, в частности величин, 
определенных в системе единиц “СИ”, других, в том числе, внесистемных величин,  
различных метрологических характеристик и т.п. Эти величины должны быть описаны 
одинаково во всех приложениях различных направлений, т.е. быть столь же стандартными 
как и сами константы. Для реализации такого подхода был разработан соответствующий язык 
описания данных UnitsML [26] и его schemа-UnitsML.