INFORMATION AND ALGORITHMIC SUPPORT OF IR SPECTROMETRIC RESEARCH PROCESSES
INFORMATION AND ALGORITHMIC SUPPORT OF IR SPECTROMETRIC RESEARCH PROCESSES
Abstract
In this article, the main issues concerning the development of information and algorithmic support of the processes of organization and carrying out of IR spectrometric studies of organic substances are examined in detail. On the basis of the system approach procedure, the main stages of organization, conducting and processing the results of scientific research in the field of IR spectrometry were reviewed. The verbal and process models of spectrometric testing have been constructed. Four separate groups of processes were singled out. For each functional group of processes, the constituent specific subprocesses are given. Formalization of testing processes on the basis of a set of functional models – a set of structured diagrams built according to the methodology of functional modelling SADT/IDEF0
. A generalized functional-technological scheme of the process of IR spectrometry was built. Functional decomposition of the generalized functional-technological scheme of IR spectrometry tests was performed. The detailing of testing processes is carried out. Creation of information and algorithmic support of spectrometric studies of organic substances is examined. The formalized description of processes of organization and carrying out of IR spectrometric researches of substances in the form of functional block diagram of control algorithm is given. The proposed algorithmic and information support can be used as a model of information support of the processes of development, preparation and making control decisions in the organization and conduct of scientific research on identification – qualitative analysis of substances.1. Введение
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 . Выполнение экспериментальных исследований сопряжено с анализом и обработкой большого количества разнородной информации. Это нормативные документы по планированию и организации проведения эксперимента, методики испытаний, технические характеристики приборов и узлов, классификаторы методов научных исследований, рекомендации по обработке результатов проведенных опытов, а также их качественной и количественной интерпретации. В современных реалиях планирование, организация, проведение и обработка результатов экспериментальной работы невозможно без применения компьютерных методов и технологий по управлению информацией. Это объясняет необходимость разработки информационно-алгоритмического обеспечения процессов выполнения всех стадий научного исследования. Целью данной научной работы является разработка формализованного описания процессов ик-спектрометрических исследований органических веществ в виде алгоритмического и информационного обеспечения выполнения исследований и обработки полученных результатов. Данный подход представляет собой инструмент информационной поддержки процессов выработки, подготовки и принятия управляющих решений при организации и проведении научных исследований по идентификации, а также качественному анализу органических веществ.
2. Основная часть
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 . Он регламентирует методику проведения испытаний: условия проведения, используемое оборудование, число повторных наблюдений в параллельном опыте, обработку и интерпретацию полученных экспериментальных данных процесса , , . Большой объем данных и параметров исследований диктует необходимость систематизации всей информации посредством построения информационного и алгоритмического обеспечения процессов испытаний как инструмента информационной поддержки процессов принятия решений и управления спектрометрической информацией . Научная новизна и оригинальность статьи заключатся в применении метода структурного системного анализа к описанию процессов организации и проведения ик-спектрометрических исследований органических веществ, а также в создании формализованного описания ик-спектрометрических исследований на основе алгоритма действий (представлен в виде блок-схемы) и комплекса визуальных информационных моделей детализации составляющих подпроцессов.
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.
Рисунок 1 - Процессная модель управления процессами ик-спектрометрического анализа веществ
Рисунок 2 - Диаграмма уровня А-0. Обобщенная функционально-технологическая схема управления процессами ик-спектрометрического анализа веществ
Рисунок 3 - Декомпозиция обобщенной функционально-технологическая схемы управления процессами ик-спектрометрического анализа веществ
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.
Рисунок 4 - Структурно-функциональная блок-схема организации и проведения процессов ик-спектрометрического анализа веществ
3. Заключение
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.