一种基于特征分析的新材料数据智能管理系统

本发明涉及生产数据监测，更具体地说，本发明涉及一种基于特征分析的新材料数据智能管理系统。

背景技术：

1、在工业排放处理中，使用特定尺寸的纳米金属催化剂（如纳米铂）对有害气体如一氧化碳（co）和氮氧化物（nox）进行催化转化是一种常见的环保措施。这些纳米催化剂因其极高的比表面积提供了大量的活性位点，显著提高了化学反应的效率和速度。

2、尺寸控制影响最大的关键特征通常包括纳米粒子的平均粒径、粒径分布、形状、表面性质等，这些特征直接决定了纳米粒子在催化反应中的活性和选择性。在纳米催化剂的生产过程中，这些尺寸相关的特征的稳定性是确保高效催化性能的关键。如果不能提前对尺寸控制影响最大的关键特征发生改变的概率较大的情况进行预警，可能会导致纳米催化剂的性能不达标，从而影响催化效率和稳定性，这会使得工业排放处理中的有害气体未能有效转化，增加环境污染风险。

3、为了解决上述问题，现提供一种技术方案。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于特征分析的新材料数据智能管理系统以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于特征分析的新材料数据智能管理系统，包括合成数据采集模块、关键特征提取模块、应力风险标记模块、化学变化监测模块、聚集行为分析模块、特征改变预测模块以及重新设计判断模块；

4、合成数据采集模块：收集纳米铂合成过程中的合成数据，合成数据包括关键参数和性能数据；

5、关键特征提取模块：从合成数据中提取与粒径控制和催化性能相关的关键特征，并筛选出对尺寸控制影响最大的关键特征；

6、应力风险标记模块：通过对纳米材料合成过程中应力场的多尺度分析，分别标记纳米材料的应力高风险区域和应力低风险区域；

7、化学变化监测模块：对于应力低风险区域通过监测纳米粒子表面等离子体共振频率的变化，评估由于纳米粒子表面化学变化导致的纳米粒子尺寸控制失效的概率；

8、聚集行为分析模块：对于应力低风险区域通过分析纳米粒子聚集行为的动态和非线性特征，评估聚集行为导致的尺寸分布不均的风险概率；

9、特征改变预测模块：基于对由于纳米粒子表面化学变化导致的纳米粒子尺寸控制失效的概率和聚集行为导致的尺寸分布不均的风险概率的综合分析，预测尺寸控制影响最大的关键特征发生改变的概率，当概率大于预设阈值时发出特征改变预警信号；

10、重新设计判断模块：将发出特征改变预警信号对应的时间区间内的数据标记为风险合成数据，根据近期风险合成数据的出现频率，判断是否需要重新设计纳米铂合成过程。

11、在一个优选的实施方式中，收集纳米铂合成过程中的合成数据，具体为：

12、关键参数包括温度、压力、反应时间、前驱体浓度以及搅拌速率；

13、性能数据包括粒径分布、表面形貌、晶体结构、催化活性以及表面化学性质。

14、在一个优选的实施方式中，从合成数据中提取与粒径控制和催化性能相关的关键特征，并筛选出对尺寸控制影响最大的关键特征，具体包括：

15、使用主成分分析提取合成数据中的主要成分，初步筛选出与粒径和催化性能相关的特征；

16、应用pearson相关系数，计算特征与粒径控制、催化性能之间的相关性；

17、通过随机森林算法计算各特征的重要性分数，识别对尺寸控制影响最大的关键特征；

18、采用递归特征消除方法，逐步移除低重要性特征，优化最终的特征集。

19、在一个优选的实施方式中，通过对纳米材料合成过程中应力场的多尺度分析，分别标记纳米材料的应力高风险区域和应力低风险区域，具体包括：

20、构建包含微观和宏观的多尺度力学模型，模拟纳米材料在不同尺度下的应力分布；

21、将纳米材料的物理性质参数化，表征纳米材料在各尺度下的力学行为；

22、采用有限元分析配置多尺度模型，划分细化网格；

23、执行时间步长动态模拟，计算纳米材料在合成过程中各时刻的应力分布，捕捉应力集中区域；

24、将模拟出的应力分布与预设的应力阈值进行比较，评估各点应力是否超过预设的应力阈值，分别标记纳米材料的应力高风险区域和应力低风险区域。

25、在一个优选的实施方式中，通过监测纳米粒子表面等离子体共振频率的变化，评估由于纳米粒子表面化学变化导致的纳米粒子尺寸控制失效的概率，具体包括：

26、持续收集纳米粒子表面的共振频率数据；

27、使用时间序列分析技术分析表面共振频率数据变化趋势，识别由化学吸附或分子重排引起的表面特性变化；

28、通过建立表面化学变化与纳米粒子尺寸控制失效之间的数学模型，预测尺寸控制失效的概率：构建逻辑回归模型来链接表面化学变化和尺寸控制失效的概率。

29、在一个优选的实施方式中，通过分析纳米粒子聚集行为的动态和非线性特征，评估聚集行为导致的尺寸分布不均的风险概率，具体为：

30、将纳米粒子视为网络中的节点，粒子之间的物理或化学相互作用视为网络中的边；基于纳米粒子的空间位置、相互作用能量或聚集状态，定义网络中的节点连接；

31、通过粒子追踪技术，实时收集纳米粒子位置和相互作用力数据，构建动态网络结构；

32、计算网络的模块性，其表达式为：；其中：为模块性，为网络中节点和之间的实际连接权重，和分别是节点和的度，是网络中的总边数；

33、：当节点和属于同一模块时为1，否则为0；

34、实时更新纳米粒子网络的结构和连接权重，并即时计算模块性；

35、将模块性值与纳米粒子尺寸分布之间建立关联模型，以预测在特定聚集状态下尺寸分布不均的风险概率，其表达式为：；其中，是聚集行为导致的尺寸分布不均的风险概率，是根据实验数据校准的比例因子，是通过统计分析或机器学习模型拟合的函数关系。

36、在一个优选的实施方式中，基于对由于纳米粒子表面化学变化导致的纳米粒子尺寸控制失效的概率和聚集行为导致的尺寸分布不均的风险概率的综合分析，预测尺寸控制影响最大的关键特征发生改变的概率，具体为：

37、对纳米粒子尺寸控制失效的概率和聚集行为导致的尺寸分布不均的风险概率进行无量纲化处理；

38、将经过无量纲化处理的纳米粒子尺寸控制失效的概率和聚集行为导致的尺寸分布不均的风险概率进行加权求和，计算得到尺寸控制影响最大的关键特征发生改变的概率；

39、将尺寸控制影响最大的关键特征发生改变的概率与预设阈值进行比较：

40、当尺寸控制影响最大的关键特征发生改变的概率大于预设阈值时，发出特征改变预警信号；当尺寸控制影响最大的关键特征发生改变的概率小于等于预设阈值时，发出特征正常信号。

41、在一个优选的实施方式中，将发出特征改变预警信号对应的时间区间内的数据标记为风险合成数据，根据近期风险合成数据的出现频率，判断是否需要重新设计纳米铂合成过程，具体为：

42、在发出特征改变预警信号后，将对应时间区间内的合成数据标记为风险合成数据；

43、设置预设区间；将预设区间内风险合成数据占总合成数据的比值标记为风险合成数据频率；

44、设定风险合成数据频率阈值，将风险合成数据频率与风险合成数据频率阈值进行比较：

45、当风险合成数据频率大于风险合成数据频率阈值时，则判定需要重新设计纳米铂合成过程；

46、当风险合成数据频率小于等于风险合成数据频率阈值时，则判定不需要重新设计纳米铂合成过程。

47、本发明一种基于特征分析的新材料数据智能管理系统的技术效果和优点：

48、1、通过合成数据采集模块的实时数据采集，系统能够持续监控生产过程中的关键参数和性能指标，确保关键生产变量处于最佳状态。关键特征提取模块的深入数据分析进一步使生产团队能够了解影响尺寸控制和催化性能的关键因素，从而优化纳米粒子的特性。这种实时监控和快速响应机制减少了生产中的试错成本，提高了生产的一致性和可预测性，从而保证了最终产品的高质量和高性能。

49、2、应力风险标记模块为生产过程中潜在的风险区域提供了早期警告，允许及时的调整和干预，对于应力低风险区域通过监测纳米粒子表面等离子体共振频率的变化和分析纳米粒子聚集行为的动态和非线性特征的综合分析，特征改变预测模块预测尺寸控制影响最大的关键特征发生改变的概率；通过预警信号和重新设计判断模块的风险评估机制相结合，不仅增强了对生产异常的应对能力，也显著降低了环境负担，通过减少废料产生和提高原材料使用效率。