Введение к работе
Актуальность работы
Практически любое промышленное предприятие имеет в своей структуре аналитические лаборатории (АЛ). Целью АЛ является получение данных о химическом составе веществ и материалов, которые необходимы для материального производства, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды, здравоохранения, научных исследований. Поэтому основной продукт, производимый лабораторией -информация в виде документа (протокола, отчета и т.п.) о содержании определенных компонентов в исследуемом веществе или материале. АЛ стремится к оперативному получению достоверных и воспроизводимых результатов.
АЛ проходят процедуру аккредитации для официального подтверждения качества получаемых результатов анализов. Аккредитованная АЛ обязана проводить процедуры внутрилабораторного контроля качества результатов количественного химического анализа (ВЛК) в соответствии с федеральным законом о техническом регулировании, что нередко сопряжено со сложностью расчетов и интерпретацией результатов. Кроме того, при проведении ВЛК лабораторией необходимо достижение компромисса между длительностью анализов и достоверностью их результатов. Поэтому автоматизация ВЛК становится для АЛ важнейшей составляющей их успешной деятельности.
Для автоматизации деятельности АЛ применяется специальный класс информационных систем - лабораторные информационно-управляющие системы (ЛИУС). Кроме того, на российском рынке существуют специальные программы, автоматизирующие ВЛК. Среди информационных систем класса ЛИУС только в ЛИУС «Химик-аналитик» реализован функциональный блока автоматизации ВЛК (ВЛК-1), отвечающий требованиям российской нормативной документации (МИ 2335-2003, ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002, РМГ 59-2003). До недавнего времени применение ВЛК-1 было достаточным, чтобы АЛ могла автоматизировать основные процессы в этой области. Опыт многолетней эксплуатации показал:
ВЛК-1 является самым востребованным среди пользователей ЛИУС; интерфейс ВЛК-1 хорошо воспринимается обслуживающим персоналом в лице химиков-аналитиков;
ВЛК-1 обладает высокой степенью адаптируемости под конкретные задачи АЛ.
Вместе с тем:
- непрерывно расширяется функциональный объем работ АЛ за счет приобретения более совершенного измерительного оборудования,
применения современных методик анализа, появления новой нормативной документации (НД);
ряд АЛ применяет в своей деятельности по ВЛК вьгаислительные процедуры (алгоритмы), не представленные в указанных НД, либо их модернизированные варианты;
многие отрасли регламентируют процедуры ВЛК своими НД;
- вступил в силу РМГ 76-2004 и ряд других НД, вызвавший
необходимость модернизации некоторых прежних алгоритмов для ВЛК.
Все это привело к тому, что функциональных возможностей ВЛК-1 оказалось уже недостаточно для реализации всего спектра алгоритмов из НД и их различных модификаций.
Решить указанную задачу можно двумя способами. Первый способ состоит в доработке существующих функциональных возможностей программных средств автоматизации ВЛК внедрением новых алгоритмов в программный код блока. Практика показывает, что этот подход будет иметь временный эффект, поскольку он не избавит от необходимости модификации логики блока в связи с возможностью последующего добавления или изменения алгоритмов.
Второй подход заключается в разработке программного инструмента, который с одной стороны позволит пользователю самостоятельно конфигурировать вычислительную последовательность алгоритмов контроля, с другой стороны автоматически интерпретирует сформированную последовательность и выдаст результат расчета. Таким программным инструментом может быть информационная система синтеза и автоматизации процедур ВЛК. Используя этот инструмент, аналитик сможет самостоятельно создать именно тот алгоритм, который используется в конкретной лаборатории без вмешательства в программный код блока. Такой подход отличается гибкостью и позволит легко адаптировать функциональный блок автоматизации ВЛК под меняющиеся задачи АЛ и требования НД. Подход развит Шалыто А.А. и известен как автоматное программирование. Подход подразумевает представление последовательности расчета процедуры ВЛК как множества связанных автоматов.
Таким образом, актуальность работы заключается в разработке особой информационной системы по конфигурированию и интерпретации процедур ВЛК, которая позволит синтезировать процедуры, соответствующие российской НД по ВЛК, а с другой стороны оперативно внедрять новые и модернизировать старые алгоритмы сотрудниками АЛ.
Целью данной диссертационной работы является разработка методики проектирования и прототипа информационной системы, позволяющей синтезировать вьгаислительные процедуры внутрилабораторного контроля качества, регламентированные нормативными документами, и автоматизировать деятельность аналитических лабораторий в этой области.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
1)провести обзор и анализ функциональных возможностей современных программных средств автоматизации ВЛК, представленных на российском рынке и выявить их достоинства и недостатки;
2)исследовать опыт эксплуатации существующего в ЛИУС «Химик-аналитик» функционального блока автоматизации ВЛК и сформулировать требования к разрабатываемым информационным системам;
3)провести комплексный анализ типовых процедур ВЛК, приведенных в российской нормативной документации, разработать на его основе обобщенную модель процедур ВЛК и выявить типовые элементы на обобщенном графе;
4)разработать концептуальную модель информационной системы прокладки маршрута на графе, позволяющую конфигурировать и выполнять процедуры ВЛК;
5)осуществить программную реализацию структуры информационной системы, провести его комплексное тестирование и внедрить в ЛИУС «Химик-аналитик»;
6)сконфигурировать множество процедур ВЛК, приведенных в исследуемых российских нормативных документах.
Объекты исследований
Автоматизированные информационные системы ВЛК в АЛ; процедуры ВЛК; функциональная и информационная модели информационной системы; функциональные блоки, модули и компоненты ЛИУС «Химик-аналитик».
Методы исследований
Для решения поставленной задачи используются методы теории графов, элементы теории формальных языков и автоматного программирования, методологии CASE-технологий функционального и информационного моделирования информационных систем. Разработка и реализация программного обеспечения комплекса базируется на современных подходах к программированию, хранению и обработке данных.
Научная новизна
1)предложена классификация процедур ВЛК, систематизирующая процедуры по задачам ВЛК, методам контроля, диапазонам выполнения измерений, отличающаяся от существующих включением не только процедур контроля, но и процедур проверки пригодности реактивов, проверки готовности лаборатории к применению методик анализа;
2)предложена оригинальная методика синтеза множества вычислительных процедур ВЛК посредством особых информационных систем, заключающаяся в конфигурировании последовательности расчета процедуры на обобщенном графе;
3)впервые разработана концептуальная имитационная модель информационной системы синтеза процедур ВЛК, основанная на автоматном программировании и включающая набор диаграмм методологии функционального моделирования. На основе концептуальной модели
разработана схема элементарного конечного автомата и последовательности элементарных конечных автоматов;
4)впервые формализовано множество вычислительных процедур ВЛК из ряда российских нормативных документов в виде последовательностей конечных автоматов.
Значение для теории
Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, создают теоретическую основу для разработки моделей, методов математического моделирования и алгоритмизации множества любых альтернативных вычислительных процедур, выбираемых в соответствии с задаваемыми пользователем критериями.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Предложенная методика и сформированная на её основе модель информационной системы использованы при разработке и внедрении нового функционального блока автоматизации ВЛК (ВЛК-2) в структуру ЛИУС «Химик-аналитик». Обновленная ЛИУС позволяет аналитическим лабораториям:
оперативно адаптироваться под меняющиеся требования НД в части алгоритмов ВЛК;
автоматизировать комплексные испытания по всем алгоритмам, созданным средствами блока;
значительно снизить влияние человеческого фактора в процессе ВЛК путем автоматизации сложных расчетов и наглядного представления результатов анализа.
Кроме того, разработанный функциональный блок обеспечивает стабильность основного критерия оценки деятельности АЛ - достоверности результатов анализа по всем предлагаемым в НД алгоритмам и любым их модификациям. Как следствие, принятие решений на основе достоверных данных позволяет избежать ошибок при проведении технологического процесса производства продукции или оказания услуги.
Положения, выносимые на защиту
разработанная классификация процедур ВЛК, позволяющая ускорить выбор оптимальной процедуры аналитиком в соответствии с задаваемыми критериями поиска;
предложенная методика синтеза множества вычислительных процедур, увеличивающая мощность автоматизируемого множества процедур ВЛК посредством синтеза большего количества его элементов. Разработанные на ее основе программно - алгоритмические обеспечения обрабатывают гораздо больше процедур ВЛК, чем обычные инкапсулирующие программно - алгоритмические обеспечения;
функциональная модель информационной системы синтеза процедур ВЛК, содержащая блок формализованного описания процедуры ВЛК последовательностью конечных автоматов, блок вычислений с ведением единого информационного пространства расчета и блок исполнительного
механизма, синтезирующего расчет по заданной последовательности конечных автоматов;
4) программно-алгоритмическое обеспечение синтеза и автоматизации вычислительных процедур ВЛК, основанное на концептуальной имитационной модели и заключающееся в конфигурировании последовательности конечных автоматов.
Степень достоверности результатов проведённых исследований
Анализируемые алгоритмы ВЛК представлены в современных российских НД и актуальны для большинства российских аналитических лабораторий различной отраслевой направленности. Результаты автоматизации по альтернативным алгоритмам ВЛК соответствуют результатам из НД.
Корректность и достоверность получаемых с помощью разработанного программно-алгоритмического комплекса данных подтверждена аттестацией на соответствие требованиям государственных стандартов, рекомендаций и отраслевого стандарта для атомной промышленности, а также фактом успешного внедрения и эксплуатации на двух предприятиях госкорпорации «Росатом», нефтегазодобывающих и муниципальных предприятиях.
Внедрение результатов работы
Новый блок автоматизации ВЛК в структуре ЛИУС «Химик-аналитик» прошел аттестацию в ВНИИ НМ им. А.А. Бочвара на соответствие требованиям ОСТ 10289-2005 «Отраслевая система обеспечения единства измерений. Внутренний контроль качества результатов измерений» и эксплуатируется в АЛ двух предприятий Госкорпорации «Росатом», ООО «Спецморнефтепорт Козьмино» ОАО «АК «Транснефть», ООО «Газпромнефть-Хантос», Бийский водоканал, ОАО «Салым Петролиум Девелопмент (Shell)».
Помимо этого, разработанный блок прошел аттестацию в Уральском
научно-исследовательском институте метрологии, являющимся
разработчиком основных НД по ВЛК, на соответствие требованиям ГОСТ Р ИСО 5725-6-2000, РМГ 76-2004, Р 60.2.060-2008, РМГ 59-2003, ГШД Ф 12.10.1-2000, РМГ 58-2003 и ГОСТ 8.532-2002, что является официальным подтверждением достоверности получаемых блоком результатов и дает возможность применять разработку в любых аналитических лабораториях, проводящих процедуры ВЛК по указанным НД.
Область исследований по паспорту специальности 05.13.06:
Автоматизация контроля и испытаний.
Формализованные методы анализа, синтеза, исследования и оптимизация модульных структур систем сбора и обработки данных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др.
Средства и методы проектирования технического, математического, лингвистического и других видов обеспечения АСУ.
Публикации
Основные результаты работы отражены в 16 публикациях: в 4 журналах, которые рекомендованы перечнем ВАК; в 3-х отраслевых сборниках трудов;
в 2-х сборниках трудов конференций; в 1-м сборнике трудов всероссийской школы-семинара.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка. Приложение включает свидетельства об аттестации и результаты внедрений. Список литературы включает 108 наименований.
