Введение к работе
Актуальность работы. Информация о качественном и количественном )ставе веществ - необходимое условие успешного управления техноло-ічес"и\'и процессами, обеспечения заданного качества промышленного фья и продукции, развития биотехнологии, совершенствования эдра-юуранения, решения экологических проблем и т.д. Потребность в ікой информации экспоненциально возрастает: увеличивается колкче-ево выполняемых анализов, возрастает номенклатура контролируемых эществ, расширяется диапазон измеряемых концентраций.
Например, в атмосфере городов и в составе парогазовых выбросов ромышленных предприятий идентифицируется более 200 вредных ве-зств, в числе которых диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, анцерогенные органические вещества и др. Необходимость аналитиче-<ого контроля за содержанием примесей в воздухе в диапазоне от 0,1 ]К (предельно допустимой концентрации), установленной Минздравом жилой зоне, до уровня промышленных выбросов приводит к тому, что ія отдельных веществ диапазон определяемой концентрации составля-г величину порядка 10 при пороговой концентрации менее 10" объ-дных %.
В настоящее время для указанной цели широко используются селек--юные газоанализаторы, обеспечивающие заданный диапазон и чувст-ттельность. Однако, селективные газоанализаторы способны опреде-=гть только одно вещество или, в лучшем случае, сумму веществ (нэ-эимер, углеводородов). Поэтому проведение компонентного анализа, апример, атмосферного воздуха, на содержание в нем различных за-рязняющих веществ с иу помощью ведет к существенным материальным ітратам.
Наиболее перспективным для анализа многокомпонентных веществ яв-їєтся использование аналитических приборов (хроматографов, спект-эметров, дифрактометров и т.д.), позволяющих определять содержа-іе до нескольких десятков компонентов. Однако низкая разрешающая юсобность, сложность ручной обработки аналитических сигналов за-эудняет их использование для указанных целей. Поэтому создание" талитических информационно-измерительных систем (АИИС), содержа-IX в своем составе аналитические приборы и ЭВМ, обеспечивающие зтоматическую обработку аналитической информации, является зада-эй актуальной и имеющей большое прикладное значение.
Создание АИИС высокого разрешения для определения содержания эльшого числа компонентов в широком диапазоне концентраций требу-
ет разработки специального алгоритмического обеспечения, модернизации методик анализа и реализации специфических режимов измерение (например, накопление сигналов, многократный ввод анализируемой пробы и др.).
Выходной многокомпонентный сигнал аналитического прибора представляет собой суперпозицию элементарных сигналов от каждого компонента анализируемого вещества. Проблема обработки данных аналитических приборов включает задачи обнаружения компонентов в обрабатываемом сигнале и оценивания их информативных параметров. Обработка сигналов проводится на фоне различных мешающих факторов,возникающих в аналитической и электронной частях прибора. Эти факторі проявляются в виде шумов, дрейфа и т.д. Кроме того, информационные сигналы претерпевают в приборе воздействие различных искажающих факторов, определяемых методическими, конструктивными и технологическими причинами, приводящими к недостаточной их разрешенности (появлению совмещенных сигналов). Таким образом, сигналы аналитических приборов обладают рядом особенностей (наличие совмещенных сигналов, низкое отношение сигнал/шум при анализе микроконцентраций), затрудняющих осуществление автоматической обработки и уменьшающих достоверность результатов анализов.
Среди современных методов, обеспечивающих возможность повышение отношения сигнал/шум и разрешения сигналов, наиболее перспективными являются методы, основанные на реализации мультиплексного принципа измерений и редукционной обработке (редукции) сигналов.
Редукционная обработка сигналов аналитических приборов предусматривает апостериорное обращение тех этапов формирования сигналої которые вызвали его расширение, и как следствие, наложение его кої понентов. Результат такого преобразования можно рассматривать как данные измерений, полученные на некотором приборе, предельные возможности которого могут быть существенно выше, чем у исходного.
При мультиплексных измерениях, в отличие от традиционного подхода, на измерительной стадии эксперимента регистрируется линейна) комбинация отсчетов исходного сигнала. Для того, чтобы этой информации придать естественную форму, полученные данные подвергают обратному преобразованию.
Таким образом, прикладной аспект методов редукции и мультиплексных измерений сводится к возможности наилучшим образок преобразовать аналитический сигнал к виду, допускающему его последующую обработку традиционными методами. Прагматический аспект этих методої представляют результаты, характеризующие предельные возможности
іалитического прибора в составе АИИС.
Широкое применение методов мультиплексных измерений и редукци-шой обработки аналитических сигналов существенно сдерживается і-за неразработанности основных вопросов теории (построения об-ітного оператора для разрешения сигналов; отсутствия обостряющих «образований для непрерывных и дискретных моделей аналитических ігналов; соотношений, дающих возможность количественного сравне-[я различных методов разрешения; методик выбора входных воздейст-гй, вычислительных алгоритмов получения усредненных сигналов в 'льтиплексных измерениях и т.д.).
Поэтому диссертационная работа, посвященная разработке научных нов построения автоматических АИИС, решает крупную научно-техни-скуга проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение -.сширение функциональных и технических возможностей аналитических С с целью анализа многокомпонентных веществ и смесей в широком апазоне концентраций.
Работа осуществлялась в рамках комплексной научно-технической ограммы Минвуза РСФСР "Надежность конструкций" по направлению овыиение надежности и ресурса средств приборостроения, автомати-ции и вычислительной техники", согласно межвузовской научко-тех-ческой программы "Автоматизация научных исследований" на 1986-90г.г. и координационного апана АН СССР по проблеме "Измеритель-е процессы и системы" на 1986-1990г.г.
Цель работы - разработка теоретических основ, алгоритмического программного обеспечения методов мультиплексных измерений и ре-кционной обработки сигналов в аналитических ИИС.
Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:
1. Анализ известных результатов в области обработки аналитичес-
й информации.
-
Теоретические исследования методов повышения отношения сиг-л/шум и разрешения сигналов на основе мультиплексных измерений ред-уки-иотшй обработки сигналов.
-
Разработка эффективных и простых алгоритмов повышения разреши аналитических сигналов (обостряющих преобразований).
4. Синтез аппаратной функции аналитического прибора в составе
-і
5. Разработка новых вариантов входных воздействий при проведе-
и мультиплексньтх измерений и реализация на их основе эффективных ?оритмов повышения отношения сигнал/шум.
6. Исследование специфики методов редукции и мультиплексных
измерений в алгоритмах обработки аналитической информации.
7. Внедрение теоретических разработок, включая вопросы построения АИИС с использованием серийных средств автоматизации экспери мента.
Методы исследования. Для решения перечисленных задач использованы методы решения некорректных задач, математической статистика имитационного моделирования, математический аппарат матричного ис числения, теории идентификации динамических систем, теории кодирования, теории измерений. Для подтверждения результатов исследований проводились расчеты на модельных примерах, апробация в реальных условиях и внедрение разработанных алгоритмических и прогрг ммных средств.
Новые научные результаты.
-
Доказано существование абсолютного предела повышения разрешения сигналов, показана его зависимость от энергетического отношения сигнал/шум. Наличие этого предела дает возможность количес: венного сравнения различных методов повышения разрешения как между собой, так и по сравнению с абсолютным пределом.
-
Разработаны и исследованы обостряющие преобразования типа дискретной свертки, основанные на использовании непрерывных и ди< кретных моделей сигналов. Предложена методика построения регуля-ризирующих алгоритмов по заданным метрологическим характеристика! АИИС.
-
Исследованы свойства оценок основных информативных парамеТ' ров аналитического сигнала, подвергнутого обостряющим преобразові ниям.
-
Разработан метод синтеза аппаратной функции аналитического прибора в составе ИИС, основанный на рекуррентном алгоритме обр щения матриц специального вида.
-
Сформулированы и теоретически обоснованы требования к вход ним воздействиям при проведении мультиплексных измерений, на осн ве которых предложены новые варианты входных воздействий - псевд случайные троичные последовательности.
-
Разработаны и исследованы алгоритмы вычисления усредненног на множестве вводов проб хроматографического сигнала, не требующ процедуры обращения матриц в процессе вычисления.
-
Исследованы алгоритмы первичной обработки аналитической ин формации при проведении мультиплексных измерений и редукционной обработки сигналов.
Практическая ценность работы. На основе теоретических результ
ов, полученных в диссертации, разработана совокупность средств етодивеского, алгоритмического и программного обеспечения для об-абстки аналитической информации, ядром, которого является диалого-ая система CHR0MC0R для реализации мультиплексного принципа иэме-ений в хроматографии (корреляционная хроматография (ЮО) и пакет рикладных программ CHR0M для обработки результатов аналитичес-их экспериментов. Разработанный комплекс программных средств ап-юбирован и внедрен на следующих предприятиях:"Гипровостокнефть" г.Самара) с экономическим эффектом 65 тыс.руб. в год; НПО "Хим-.втоматика" (г.Москва) с экономическим эффектом 215 тыс.руб. в год; осШИметанолпроект (г.Северодонецк) с экономическим эффектом 125 ис.руб. в год.
Показана возможность использования персональных автоматизированных рабочих мест исследователей (ПАРМ) на базе ПЭВМ и стандартных нтерфейсов для целей построения АИИС.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ІУ и УП Всесоюзных научно-техничес-их конференциях "Информационно-измерительные системы"(г.Куйбышев, 983; г.Ленинград,!991), ІУ, У, УІ Всесоюзных конференциях "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной інформации" (г.Москва, 1982, 1984, 1987 ), УШ Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных иссле-іованиях" (г.Ленинград, 1986), ІУ и УІ Всесоюзных научно-техничес-:их конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" г.Москва, 1982, 1985), I и П Всесоюзных конференциях "Математиче-:кие методы и ЭВМ в аналитической химии" (г.Москва,1986, 1991), XI і X Всесоюзных конференциях по газовой хроматографии (г.Куйбышев, !987; г.Казань, 1991), П Всесоюзной конференции "Методы и средства ібработки сложной графической информации'' (г.Горький, 1985), Все-ююзной научно-технической конференции "Повышение качества и на-(ежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических федств обучения" (г.Куйбышев, 1989), І, П, Ш Всесоюзных конференціях "Хроматографические процессы и автоматизация измерений'Чг.Дзе-ямнск, 1977; г.Москва, 1979; г.Ташкент, 1981), Всесоюзной конференции "Применение хроматографии в нефтепереработке и нефтехимии" г.Уфа,1977), П Всесоюзной конференции по автоматизации анализа :имического состава вещества(г.Москва,1980), УШ Всесоюзной конфе-)енции по теории кодирования и передачи информации (г.Куйбышев, !981), I Всесоюзной конференции "Автоматизированные системы обра-іотки изображений" (г.Москва,1981), Всесоюзной конференции "Примо-
нение хроматографии в химии и химической промышленности" (г.Пермь, 1981), Всесоюзной научно-технической конференции "Измерение параметров формы и спектра радиотехнических сигналов" (г.Харьков,1981) Ш Всесоюзном симпозиуме "Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии" (г.Новосибирск,1982), УІ Всесоюзном симпозиуме по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения (г.Томск,1982), УІ Всесоюзной конференции по электрохимии (г.Москва,1982), Всесоюзной конференции "Теория адаптивных систем и ее применение" (г.Ленинград,1983), П Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие теории и техники сложных сигналов" (г,Москва,1983), Всесоюзной конференции "Робототехника и автоматизация производственных процессов" (г.Барнаул,1983), Всесоюзной научно-технической конференции "Образный анализ многомерных данных" (г.Москва,1984), УІ Всесоюзной научно-технической конференции "Метрология в радиоэлектронике" (г.Москва,1984), П Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе" (г.Барнаул,1984), У Всесоюзном симпозиуме "Проблемы создания преобразователей формы информации" (г.Киев, 1984), ІУ Всесоюзном симпозиуме "Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии" (г.Новосибирск,1985), У Всесоюзном симпозиуме по модульным информационно-измерительным системам (г.Кишинев,1985), Всесоюзном научно-техническом совещании "Применение методов промышленной хроматографии в нефтепереработке и нефтехимии" (г.Ярославль,1986), I Всесоюзной научно-технической конференции "Прикладная рентгенография металлов" (г.Ленинград, 1986), Всесоюзной научно-технической конференции "Образное представление данных в управлении и научных исследованиях" (г.Москва, 1987), Всесоюзной конференции по математическому и машинному моделированию (г.Воронеж,1991), П Всесоюзной конференции "Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов" (г.Барнаул, 1991), Ш Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение ИИС и АСУ ТП" (г.Пенза,1990) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 4 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из основной части и приложений. Основная часть содержит введение, пять глав и заключение, изложенные на 260 страницах. Работа иллюстрирована 59 рисунками, содержит 10 таблиц. Список литературы включает 165 наименований. Полный объем 297 страниц.
На зашиту выносятся:
-
Теоретические основы методов редукционной обработки аналитических сигналов.
-
Обостряющие преобразования для непрерывных и дискретных моде-гей аналитических сигналов, их регуляризация; исследования свойств щенок информативных параметров аналитического сигнала, подвергну-ого обостряющим преобразованиям.
-
Метод синтеза аппаратной функции аналитического прибора в юставе ИИС, основанный на рекуррентном алгоритме обращения мат->иц специального вида.
-
Теоретические основы мультиплексных аналитических, измерений.
-
Новые варианты входных воздействий в мультиплексных измере-іиях - псевдослучайные троичные последовательности, конструктивные ілгоритмьі их синтеза, методика выбора.
-
Алгоритмы вычисления усредненных хроматограмм, не требующие ібращения матриц в процессе вычисления, методики имитационного мо-(елирования, новые приложения корреляционной хроматографии (односменный анализ нескольких образцов на одном хроматографе, иссле-рвание различия в концентрациях двух анализируемых образцов).
-
Алгоритмическое и программное обеспечение аналитических ИИС, іеализация модульного принципа построения АИИС на основе ПАРМ, ре-ультаты экспериментальных исследований и внедрений.