Разработка и использование интеллектуальных информационных систем и технологий генерации и анализа знаний для поддержки фундаментальных и прикладных научных исследований в области катализа и химической технологии

В Институте катализа СО РАН в последние годы ведется активная работа по организации информационного обеспечения и разработке, внедрению и использованию интеллектуальных информационных систем и технологий генерации и анализа знаний для поддержки фундаментальных и прикладных научных исследований выполняемых в нашем институте.

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН является одним из ведущих мировых научно-исследовательских центров в области катализа (рис.1). Институт катализа был организован в 1958 году в составе Сибирского отделения Академии наук СССР.

Рис. 1. Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Верный первоначальный замысел, а именно - сочетание фундаментальной науки с решением актуальных проблем промышленности - помогли Институту уже за первые 10-15 лет своей деятельности стать крупнейшим в мире научноисследовательским институтом в области химического катализа. И в дальнейшем, позволило только укреплять свои позиции (рис. 2). Институт имеет филиалы в гг. С.-Петербурге и Волгограде. На сегодняшний день персонал Института насчитывает около 1000 человек, в том числе более 350 научных сотрудников.

Рис. 2. Структура ОИК СО РАН

Институт является постоянным участником крупных международных и российских проектов, имеет партнерские отношения с большим количеством фирм и заводов в России и за рубежом.

Для экономики нашей страны очень важно поддерживать приоритет в этой области, т.к. катализу и каталитическим технологиям принадлежит ключевая роль в формировании современного состояния      топливно-энергетического, нефтеперерабатывающего и химического комплексов России.

Область работ Института простирается от решения задач фундаментального характера в области катализа до создания новых катализаторов, каталитических технологий и опытно-промышленного производства катализаторов.

Ежегодно из стен Института выходит более 300 публикаций в рецензируемых изданиях. За пять последних лет Институтом получено 180 охранных документов на территории России и поддерживается 30 зарубежных патентов.

Прикладные исследования в Институте катализа ведутся в рамках важнейших федеральных программ государственного значения и направлены на решение конкретных практически важных задач.

Лаборатории института оснащены уникальным научным оборудованием. В Институте создана мощная компьютерная база.

Одной из основных целей Института наряду с выполнение фундаментальных научных исследований и прикладных разработок является научно-учебная деятельность по подготовке высококвалифицированных кадров.

В Институте катализа проходят дипломную практику студенты и выполняют квалификационные работы аспиранты НГУ, НГТУ, ТГУ, ТПУ.

• •   Новосибирский Государственный Университет:

• -    Кафедра катализа и адсорбции, ФЕН (Институт катализа является базовым для этой кафедры);

• -    Кафедра химической и биологической физики, Физический факультет;

• -    Кафедра низких температур, Физический факультет,

• -    Кафедра дифференциальных уравнений, Мех.-мат. факультет.

• •    Новосибирский Государственный Технический Университет:

• -    Кафедра инженерных проблем экологии (Институт катализа является базовым для этой кафедры);

• -    Машины и аппараты хим. Производств.

• •   Томский Государственный Университет:

  - Кафедра физической и коллоидной химии.

• •    Томский Политехнический Университет:

• -    Кафедра химической технологии топлива и химической кибернетики.

В целом ежегодно на научно-учебной базе Института катализа СО РАН проходят обучение более 100 студентов и аспирантов.

Информационное сопровождение научных исследований осуществляет Информационный центр, объединивший в себе лабораторию информационных систем и программного обеспечения, и Научную библиотеку. А также сотрудники Бизнес - отдела: Патентной группы и Группы научно-технических и инновационных программ. Это позволило оптимально организовать процесс информационного обеспечения Научно - Исследовательских Работ – от поиска информации, её аналитико-синтетической переработки, библиографической доработки до предоставления первоисточника для всех подразделений Института.

В институте создана единая информационная среда (рис. 3). Для обслуживания сотрудников института, аспирантов и студентов привлекаются разнообразные информационные ресурсы:

Библиографические базы данных

РЖ «Химия»

РЖ « Физика»

“STN Chemical Abstracts”

Earth Sciences”

“Current contents, Engineering, Technology

“Science Citation Index Expanded”

Библиографические и полно текстовые Internet-ресурсы

“Web of Science”

Поисковые системы Google, Yandex,

Scirus и др.

Открытые БД, сайты издательств и др.

Полно текстовые электронные журналы (web-доступ)

Полно текстовые электронные книги изд-ва “Springer-Kluwer Academic Publishers” (более 2030 наименований)

Полно текстовые журналы, книги, материалы конференций на CD-носителях (фонд научной библиотеки, отдельных лабораторий)

Рис. 3. Информационные ресурсы, используемые в ИК СО РАН

• -    традиционные библиографические Базы данных – РЖ «Химия», РЖ «Физика», Chemical Abstracts и др.;

• -    библиографические и полнотекстовые Интернет – ресурсы: Базы данных доступные в online-версиях, например “Web of Science”, электронные каталоги библиотек, сайты различных обществ и др.;

Благодаря участию в консорциумах «НЭБ» и «НЭЙКОН» и поддержке РФФИ Институт имеет доступ ко многим очень важным и нужным для нас ресурсам с полнотекстовыми электронными журналами, такими как журналы: ”The Royal Society of Chemistry”, ”American Physical Society”, «American Chemical Society”, “American Institute of Physics”, “Oxford University” ”Institute of Physics”, ”Springer-Kluwer”, ”Blackwell Publishing Ltd.” и др.

• А, присоединившись в 2006 году к консорциуму библиотек под эгидой «МИЦ» Институт получил доступ к полнотекстовым электронным книгам издательства «Springer-Kluwer» (более 2030 наименований).

Понимая важность, расширения репертуара полнотекстовых электронных журналов и учитывая, что все основные журналы по катализу и химической технологии выпускаются издательством «Эльзевир», дирекцией института было принято решение приобрести доступ к текущей коллекции “Chemical Engineering” на портале Science Direct. И начиная, с 2003 года и по сегодняшний день Институт является постоянным подписчиком этого ресурса. А в 2004 году мы купили доступ и к архивной коллекции “Chemical Engineering”.

• -    патентные и маркетинговые Базы данных и Internet-ресурсы;

• -    Базы данных собственной генерации, фактографические, адресные и др.

Усилиями сотрудников Информационного Центра разработана единая технологическая система баз данных в области химического катализа (банк данных «Катализ»), обладающая элементами экспертного анализа и объединяющая унифицированную систему сбора и обработки физико-химической информации, спектральные и библиографические базы данных. Также для выполнения конкретных проектов и при отсутствии нужной информации в своих информационных ресурсах привлекаются ресурсы организаций-партнеров.

Понятно, что каждая организация располагает собственной базой данных в области химии и химических технологий, но их разнообразие и разностильность не позволяют создать единое информационное пространство и обеспечить эффективный информационный обмен.

И как один из способов решения этой проблемы сотрудниками Некоммерческого партнерства "Химико-технологический научный центр“, в его состав входит и наш Институт, была разработана Корпоративная интегральная информационная база (КИИБ). Основными целями создания Корпоративной Интегральной Информационной Базы являются:

• •    обеспечение членов Центра постоянно обновляемыми информационными ресурсами в области химии и химической технологии по всем основным аспектам: российские и зарубежные патенты, рефераты и статьи из российских и зарубежных журналов, материалы российских и зарубежных выставок и конференций, маркетинговая информация, необходимые правовые документы;

• •    объединение и совместное пользование информационными базами организаций-членов Центра;

• •    использование возможностей этих организаций для пополнения базы и совместное приобретение информационных ресурсов.

Корпоративная База данных предоставляет пользователям широкие возможности:

• •    единообразно вести поиск информации в БД различной структуры и направленности - патентной, научно-технической и правовой информации;

• •    проводить тематический поиск, как по классификаторам, так и поиск по любым терминам непосредственно в текстах;

• •    организовать информационный обмен с разнообразными офисными приложениями, в том числе Word и Excel;

• •    вести подготовку найденных документов для печати в виде сборников, отчетов и т.п..

Отбор документов ведется по наличию терминов, выделенных как на этапе создания БД, так и непосредственно в процессе поиска; другими словами набор поисковых терминов меняется пользователем в зависимости от выполняемой задачи.

При этом документы из большого информационного массива отбираются по формальному признаку (наличию поисковых терминов) без ручного анализа всех документов БД.

КИИБ выполнена в среде Windows, использует некоммерческую свободно-распостраняемую версию СУБД pcBirs 3.2®

Постоянно обновляемая корпоративная база данных по химии и химической технологии включает в себя основные разделы необходимые для работы в рассматриваемой предметной области. Структура базы данных включает в себя 10 разделов, которые содержат более 8 млн. единиц хранения:

• -    Патенты РФ;

• -    Зарубежные патенты (рефераты на англ. яз.);

• -    Журналы, российские и зарубежные;

• -    Выставки, российские и зарубежные;

• -    Конференции, российские и зарубежные;

• -    Маркетинговая информация по России и зарубежным странам;

• -    Материалы по правовым вопросам в области химии и химической технологии;

• -    Базы данных предприятий-производителей и НИИ;

• -    Рефераты статей по российским источникам;

• -    Рефераты статей по зарубежным источникам;

Объём информационного хранилища (системы) 16,2 Гигабайт.

Благодаря развитой функциональности подсистемы ввода информации, процессы переноса данных в разработанную систему большей частью были автоматизированы, а сам процесс занесения данных занимал относительно небольшое время.

Все части базы данных взаимосвязаны между собой, посредством хранящейся в структуре Базы данных метаинформации.

Подсистема интерфейса пользователя обеспечивает доступ к данным через конструкторы форм, универсальный поисковый модуль, систему выборки информации, необходимой для работы.

Панель инструментов содержит набор элементов управления и обеспечивает основными режимами работы системы. За операциями закреплены элементы управления, которые действуют одинаково для любой из составных частей БД в любом режиме. После их нажатия операция либо выполняется сразу же, либо вызывается дополнительный пользовательский диалог (рис. 4). Система предоставляет возможность работы в многооконном режиме. Поддерживается одновременная независимая работа с различными хранилищами данных и их разделами.

Рис. 4. КИИБ. Окно базы данных «Журналы».

В корпоративной базе реализован поиск по словарю, включая поиск по нескольким словам и работу с формулами химических соединений, а также поиск по ключевым словам с использованием логических и контекстных операторов.

Разработанная корпоративная база позволяет: объединить множество массивов баз данных с различными структурами от разных разработчиков в единое информационное пространство; осуществить тематический поиск по словарю и ключевым словам как по всему документу, так и по отдельным фрагментам, используя логические и контекстные операторы, что значительно экономит время и затраты пользователя на поиск нужной информации.

Представленная корпоративная база по разнообразию включенной информации, представляет несомненный интерес для специалистов в области химии и химической технологии, интересующихся постоянно обновляемой информацией в данной области знаний.

В современном мире стремительное увеличение информационных объемов, накопление данных и знаний во всех областях естественных наук, необходимость быстрой разработки новых решений на базе существующих знаний заставляют искать новые пути организации работы научного коллектива.

Например, наука о катализе представляет собой сложный сплав из самых различных дисциплин из области химии, физики, материаловедения, технологии и т.д., скорость накопления данных в которой достигает огромных масштабов. Она характеризуется использованием всех известных на сегодняшний день физических методов исследования материалов и химических процессов, участием специалистов самого различного профиля.

Очень остро стоят проблемы структурирования и систематизации, имеющихся у исследователя данных (литературных ссылок, заметок, экспериментальных таблиц) и поиска содержательной информации в накопленных архивах. Также очень остро стоит вопрос об использовании различных подходов к обработке, классификации и описанию данных. А отсутствие интеллектуальных технологий генерации и анализа знаний на основе накопленных данных, проведения их комплексного анализа, сильно затрудняет работу научных экспертов при принятии тех или иных решений в современных динамичных областях естественных наук (таких, например, как катализ и молекулярная биология).

Способы организации традиционных типов информации уже хорошо изучены и формализованы, однако из-за возрастающего объема данных становится всё более сложно организовывать эффективный поиск, систематизацию, обработку традиционных типов данных – книг, статей, журналов, дневников, рукописных материалов. В тоже время, за относительно небольшой срок существования информационно-коммуникационных технологий накоплен очень большой объем разнообразных данных, представленных исключительно в электронной форме.

Информационные системы (рис.5.), облегчающие профессиональную деятельность научного коллектива, начали создаваться еще в середине прошлого века, выполняя различные (актуальные для того времени) задачи.

1. Числовые (фактографические) базы данных (Numerical Databases)	DETHERM, CHEMSAFE, REGISTRY и др.
2Лазы данных по химическим структурам (Chemical Structures Database)	Базы структурных данных по химии ВИНИТИ, The WWW Chemical Structures Database и др.
3. Библиографические базы данных (Bibliographic Databases)	Реферативные журналы и базы ВИНИТИ, Chemical Abstracts, Current Contents, Medline и др.
4. Универсальные информационно-поисковые системы	STN International, Disc every Gate и др.
5. Электронные библиотеки (Digital Library)	National Science Digital Library, Analytical Science Digital Library, Digital Chemistry, НЭБ и др.
6. Порталы доступа к полнотекстовым источникам	CAS Online, ScienceDirect, web-сайты издательств и др.

7.Системы обработки и анализа данных (Data Preparation Software)

Linux4Chemistiy, StarWork station, Saturn Workstation, CIAO 3.3 и др.

8. Лабораторные информационно управляющие системы (LIMS)

LaBbase LIMS, AIS LIMS, LAB2000 LIMS, Omega LIMS, LabPro 3.x, LABWORKS LIMS и др.