ИНФОРМАЦИОННО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ИК-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На сегодняшний день метод ик-спектрометрии является одним из основных методов изучения строения органических соединений. Ик-спектрограмма состояния, полученная в ходе эксперимента, дает исследователю возможность идентификации различных органических веществ, позволяет изучать фазовые переходы и структуры углеводородов. Данный метод составляет основу процедуры современного экспресс-анализа показателей качества нефти и продуктов нефтехимии

При организации и проведении ик-спектрометрических исследований органических веществ применяется методология системного подхода к описанию процессов и структурного анализа для выполнения детализации составляющих функциональных подпроцессов

Организация планирования и выполнения научных исследований является важнейшей задачей. Четкое планирование объема испытаний, строгое следование методикам проведения эксперимента, грамотная интерпретация полученных результатов – все это – неотъемлемые составляющие успешной и продуктивной научной работы

2.1. Вербальная модель организации и проведения спектрометрических испытаний веществ

Ик-спектроскопия – научный метод проведения исследований, заключающийся в проведении процессов идентификации различных веществ, качественный анализ на основе малой пробы. Данный метод анализа основан на эффекте взаимодействия инфракрасного излучения с веществами. Экспериментальным результатом аналитического метода ИК-спектроскопии является инфракрасный спектр – функция интенсивности пропущенного инфракрасного излучения от его частоты. Обычно инфракрасный спектр содержит ряд полос поглощения, по положению и относительной интенсивности которых делается вывод о строении изучаемого образца. Такой подход стал возможен благодаря большому количеству накопленной экспериментальной информации: существуют специальные таблицы, связывающие частоты поглощения с наличием в образце определённых молекулярных фрагментов. Созданы также базы ИК-спектров некоторых классов соединений, которые позволяют автоматически сравнивать спектр неизвестного анализируемого вещества с уже известными и таким образом идентифицировать это вещество.

Для снятия спектров используется специальный прибор – ик-спектрометр. Для проведения подобных испытаний существует специальный регламент

2.2. Информационное обеспечение процессов спектрометрических испытаний веществ

В общем случае процессная информационная модель содержит в себе детализацию сведений по планированию, контролю и управлению экспериментальными исследованиями. Была построена процессная информационная модель организации и проведения ик-спектрометрических исследований. Построение процессной модели организации, проведения и управления спектрометрическими исследованиями предполагает постановку задачи проведения идентификации веществ, их качественного и количественного определения в исследуемой пробе, а также анализ результатов интерпретации полученных ик-спектров, для этого необходимо выделение групп процессов и их формализованное описание

На рисунке 1 представлена информационная модель процессов идентификации (качественного и количественного анализа веществ) на основе ик-спектрометрических исследований. Выделены четыре конкретных группы процессов. Группа процессов № 1 содержит в себе детализацию информации о приборной базе процессов ик-спектрометрии. Она включает в себя подпроцессы выбора средств инструментального анализа веществ и материалов, а также подпроцесс, описывающий инструкции по применению выбранных средств инструментального анализа.

Вторая группа процессной модели управления экспериментальными исследованиями отвечает за реализацию двух отдельных функций – подпроцессов планирования и контроля проведения экспериментальных работ по снятию ик-спектров.

Третья группа процессов представляет собой блок моделирования – основу создания формализованного строгого описания процессов экспериментальных исследований на основе вербальных, математических и функциональных моделей процессов получения ик-спектрограмм для идентификации веществ. Создание подобного комплекса моделей необходимо для организации функций контроля и управления спектрографической информацией.

Четвертая группа процессов реализует подходы к управлению изменениями – отслеживание изменений и корректировки процессов. Группа включает два подпроцесса: функциональный подпроцесс актуализации сведений и параметров ик-спектрометрических исследований; второй подпроцесс, реализующий функцию управления данными по ик-спектрам веществ и их запись в информационную базу данных спектрометрических испытаний веществ и материалов

[10]

,

[11]

,

[12]

.

Рисунок 1 - Процессная модель управления процессами ик-спектрометрического анализа веществ

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.6.1

После выделения групп процессов и синтеза процессной модели управления спектрометрическими исследованиями веществ и материалов было построено информационное и алгоритмическое обеспечение данных процессов. Информационное обеспечение представлено в виде функциональных моделей, построенных в соответствии с методологическими принципами функционального моделирования

[12]

,

[13]

. Первоначально была выполнена обобщенная функциональная технологическая схема управления процессами ик-спектрометрического анализа веществ. Данная модель приведена на рисунке 2. В функциональной диаграмме реализовано четыре типа стрелок согласно методологии информационного моделирования: вход, выход, исполнитель (механизм) и управление

[13]

,

[14]

. На входе данный диаграммы представлена информация об исходной смеси веществ. Задача проведения ик-спектроскопических исследований выполняется отдельным конкретным исполнителем в химической лаборатории (стрелка – механизм, исполнитель процесса). Управление в данной модели происходит на основании нормативных документов, регламентирующих проведение исследований: это технический регламент, паспорт прибора – ик-спектрометра, а также утвержденная методика испытаний. Выходные стрелки представляют собой потоки информации о результатах испытаний: идентификации (качественного определения) вещества, и количественного анализа (содержание в пробе).

Рисунок 2 - Диаграмма уровня А-0. Обобщенная функционально-технологическая схема управления процессами ик-спектрометрического анализа веществ

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.6.2

Для повышения уровня детализации информации о процессах ик-спектроскопических исследований выполненная на рисунке 2 обобщенная диаграмма была подвергнута дальнейшей функциональной декомпозиции. В ходе проведения процесса декомпозиции выделено шесть отдельных функциональных блоков – характеристик проводимых процессов. Полученная в ходе функциональной декомпозиции обобщенной «родительской» диаграммы дочерняя диаграмма приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Декомпозиция обобщенной функционально-технологическая схемы управления процессами ик-спектрометрического анализа веществ

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.6.3

Рисунок 3 наглядно иллюстрирует детализацию процессов организации и проведения ик-спектрометрических исследований веществ и материалов. На входе имеется некая исходная смесь. Для идентификации вещества следует сначала выбрать метод определения его – аналитический метод, выбранный на основе классификатора физико-химических методов анализа. Процесс выбора реализуется отдельным исполнителем – специалистов по методам физико-химического анализа. Далее необходимо провести процесс снятия ик-спектров по выбранной методике проведения испытаний. Данный процесс реализуется в лаборатории физико-химического анализа. Следующим шагом является оцифровка полученных спектров при помощи специального программного обеспечения. Данный процесс может быть совмещён со снятием спектральных характеристик, или выполнен после получения изображения пиков. После оцифровки полученных результатов производится их обработка – очистка шума и моделирование в комплексах программ. Далее проводится идентификация веществ на основе совпадения пиков спектрограмм.

Заключительный этап – анализ результатов испытаний, также проводится в лаборатории и содержит несколько процедур: анализ данных идентификации: качественный анализ – определение индивидуальных веществ, и количественный анализ – элементный состав и количественное содержание вещества в пробах, все операции выполняются согласно методике испытаний. Также проводится запись полученных данных в информационную базу данных (ИБД).

2.3. Алгоритмическое обеспечение процессов выполнения спектрометрических исследований веществ

На основе анализа и систематизации информации о процессах подготовки, организации, проведения, контроля и управления спектрометрическими испытаниями веществ и материалов, было построено алгоритмическое обеспечение цепочки процессов организации, проведения и управления ик-спектрометрическим анализом веществ. Графическая интерпретация алгоритмического обеспечения процессов организации и проведения ик-спектрометрического анализа приведена на рисунке 4.

Предложенное на рисунке 4 алгоритмическое обеспечение включает в себя основные этапы работ по планированию, организации, контролю и управлению и может быть использовано в качестве модели управления процессами ик-спектрометрических испытаний веществ и материалов.

Рисунок 4 - Структурно-функциональная блок-схема организации и проведения процессов ик-спектрометрического анализа веществ

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.6.4

В ходе проведения теоретических исследований было создано формализованное описание процессов проведения и обработки результатов ик-спектрометрических исследований органических веществ.

Построение комплекса информационных моделей процессов является эффективным инструментом формализации знаний по проведению экспериментальных исследований в области снятия ик-спектров веществ и материалов. Приведенное формализованное описание процедур спектрометрических испытаний может быть использовано в качестве инструмента интеллектуальной информационной поддержки процесса принятия управленческих решений в химических лабораториях контроля качества, занимающихся проблема идентификации веществ с использованием методов ик-спектроскопии.