摘 要 为了克服由于分析仪器缺乏而带来的诸多不便,采用系统工程的方法建立了分析仪器的计算机仿真系统,并给出了系统构成。结果表明,该仿真系统可以加强分析人员的操作技能,提高仪器的使用效率。
1 概 述
认识世界是改造世界的前提,而仪器正是认识世界的工具。在信息时代中,分析仪器是源头信息技术,在社会发展过程中发挥着重要的作用。发达国家近年来对分析仪器的发展越来越重视。我国科技部“九五”期间还拨出专款用于启动分析仪器发展计划[1]。
目前,随着现代科技和产业对分析仪器要求的提高,分析仪器事业的发展出现了日新月异的变化,其主要特点如下:(1)分析仪器的制造中大量采用高新技术,使仪器性能得到了很大的提高;(2)分析仪器越来越小型化和操作个人化,使越来越多的人具有了使用专业分析仪器的能力;(3)应用领域不断扩展,主要领域已不再局限于传统的化学、地质、材料等部门,而是开始向医药、生物、环保发展[2]。
然而,分析仪器的应用与发展还存在着不少问题。首先,仪器本身的高科技性和较昂贵的价值,使得希望通过分析仪器从事创新的人的接触仪器的机会少,使得初级使用者对分析仪器的熟练操作的机会少。对学生而言,则普遍存在实习用分析仪器少的矛盾。其次,即使在广大科研单位,受实际条件所限,无法通过进行足够数量的试验来确定分析仪器的最佳操作条件,结果导致仪器分析效率降低。最后,许多单位在采购新方法分析仪器时,因为缺乏对欲购仪器的工作原理、用途、应用范围等方面的了解,导致出现了买非所用、买多用少和重复引进等问题,造成了大量经费的浪费[3]。目前,分析仪器价格昂贵、软硬件要求高、应用人员需要较高专业水平等因素,已经成为广大中小企业从事创新开发的障碍。
纵观以上所有问题,仪器昂贵、数量少、缺乏深入了解是一个重要的原因,有必要使广大希望使用分析仪器的人员和潜在使用者无需实际操作即可熟练地掌握操作技能,这就是分析仪器的计算机仿真。所谓分析仪器的计算机仿真,就是通过建立分析仪器的数学模型,利用计算机技术、网络技术、仿真技术和信息技术,在计算机上建立起一套反应特性与真实分析仪器完全相同的虚拟分析系统。分析人员通过操作这台虚拟分析仪器,可以获得与操作真实仪器一样的丰富经验。该仿真系统除了可用于仿真培训,还可以优化操作条件,甚至可以作为虚拟分析仪器用于现场生产装置的在线分析。
2 国内外分析仪器计算机仿真的现状
计算机仿真技术是伴随着计算机的诞生和以相似理论为基础的模拟技术的应用而出现的,作为一种研究、发展新产品、新技术的科学手段,在航空、造船、兵器、建筑和化工等领域中得到了充分的发展,并取得了巨大的社会经济效益[4]。将计算机仿真技术应用于分析仪器行业,国外已有了较为成熟的仿真软件,而国内尚不多见。即便少数已有的分析仪器计算机仿真系统,也大多专门针对某一类分析仪器,存在着开发周期长、可靠性差、不能资源共享等缺点。
本文采用了系统工程的方法来构建分析仪器的计算机仿真系统,可以大大提高其应用水平。
3 系统构成
为满足可持续发展的要求,分析仪器的计算机仿真系统应该建立在一个通用仿真框架结构之上。首先,该框架结构应为一开放体系,可针对各种分析仪器开发仿真系统,并可适用于各种化学试样组分。同时,该结构框架还应具有可扩展性,即在开发某一具体分析仪器的计算机仿真系统时,只需开发和往系统中添加该分析仪器的专用数学模型,其它部分则由通用框架以搭积木的形式来构建。
这种具有通用框架结构的仿真体系,具有稳定可靠、开发周期短、通用性强的优点。在具体实现时,将采用先进的面向对象编程方式和模块化结构来完成,并设有开放式的通用接口,用户可随时扩充系统。这样,在对软件进行升级时,只需通过网络更新部分模块即可,大大方便了后期维护。所有这些,都为分析仪器计算机仿真软件的实用化奠定了良好的基础,也为向国际软件标准靠拢做好了准备。
借鉴化工设备模型的物性计算和传递现象,这种通用框架结构可基于通用化工流程仿真系统平台来实现。本文作者自行开发了通用化工流程动态模拟系统,通过改进,即可形成分析仪器计算机仿真系统的通用框架体系,其基本框架如图1所示。
从图1可以看出,分析仪器的计算机仿真系统实际上是由调度系统和各功能组件构成,调度系统将各功能组件有机地结合在一起。在该仿真系统中,物性数据库是仿真系统准确计算和加宽适用范围的重要保证。该数据库包括了近两千种化学物质的各种物性数据,即使对于库中没有的物质,也可以通过官能团法来估算其物性数据。在实际应用中,用户只需提供试样组分的名称或分子式,物性数据库将自动从库中调出相应的数据,并以特定的形式提供给调度系统。
在该仿真系统中,设备模块库包括了各种分析仪器的数学模型。它除了包含有各种现今具有代表性的分析仪器的数学模型,还设有用户自定义接口,允许高级用户在系统中开发自己特定的分析仪器的数学模型。设备模块库的这种可添加性保证了分析仪器仿真系统的可扩展性,提高了系统对用户的透明度。
以上两方面构成了分析仪器仿真系统的主要部分,对系统的模拟计算能力起到关键性的作用。而作为仿真系统主要功能的仿真培训功能,则通过智能评分系统和事故处理训练来支持。智能评分系统能实时地监测用户的操作情况,并可根据用户要求以各种形式给出操作成绩单,以作为考核依据。事故处理系统则可以人为地设定分析仪器的各种非正常运行情况,训练用户在紧急事故状态下对突发情况的应变能力。
以上四部分通过调度系统来统一协调工作,属于分析仪器仿真系统的后台运算部分。通过通讯系统,多媒体界面与后台运算部分组成了整个的分析仪器的计算机仿真系统。其中,通讯系统采用通用的TCP/IP网络通讯协议,它是分析仪器计算机仿真系统网络数字化的重要保障,也使远程教育成为可能。通过该通讯系统,仿真模型和界面系统可以通过网络在不同的微机上运行,且一个仿真模型可以同时对应于多个操作界面,可以训练多用户间的协调工作能力,对实现分析仪器仿真系统的资源共享起到了重要的作用。而多媒体界面则是系统与用户沟通的主要方式,它一方面负责接收用户的各种操作指令,另一方面又将仿真系统的计算结果以各种形式显现出来。由于用户界面采用了多媒体技术,故可以大大增强仿真操作的趣味性,使用户在一种轻松、愉快的氛围下得到了技能训练,提高了他们的实际动手操作能力。
4 分析仪器计算机仿真的实际应用
为检验该分析仪器计算机仿真系统的可行性和准确性,我们利用该系统开发了气相色谱仪的计算机仿真系统,同样还可以开发质谱、红外光谱分析仪的计算机仿真系统。由于气相色谱仪为应用较为广泛的一种分析仪器,所以针对该种仪器开发仿真系统将更具有代表性。气相色谱仪计算机仿真系统的模拟结果表明[5],该系统能较好地反映出组分的分离情况,并能给出谱图随进样量、载气流速等操作因素变化的情况。结果也表明,该仿真系统不仅可用于培训气相色谱仪的操作人员,还能优化气相色谱仪的操作参数,并能辅助指导对待测试样的定性和定量问题。
总之,分析仪器的计算机仿真作为分析仪器事业发展中的重要组成部分,具有互动性、生动性、专业性和实用性的特点。随着分析仪器和计算机仿真技术的发展,分析仪器的计算机仿真技术必将提供更容易、更便捷、更节省、更高效的服务。
参考文献
[1] 范世福.新形势下我国分析仪器事业的发展.现代科学仪器,1999,3:11~15
[2] 金钦汉.从’99匹兹堡会议看分析仪器的跨世纪发展方向.现代科学仪器,1999,3:8~10
[3] 姜润喜.企业中分析检测仪器设备的现状问题与对策.现代科学仪器,2000,3:32~33
[4] 李伯虎,文传源.系统仿真技术新动向.计算机仿真,1996,9:36
[5] 鄢红.化工过程的计算机仿真研究———气相色谱仪及其实验过程的计算机仿真研究,[学位论文].北京化工大学,1999
本文作者：姚 飞
