Разработка структуры информационной системы и алгоритмов реализации метрологических требований документов аналитической лаборатории

Актуальность работы.

Во второй половине двадцатого столетия мир вступил в период переоценки ценностей, когда количества производимой продукции уступили место ее качеству. Во многом это обусловлено как недостатком природных ресурсов и угрозой экологической катастрофы, так и использованием более совершенных технологий и более эффективных систем управления производством, которые позволяют производить продукцию стабильно высокого качества. Во всем мире качество продукции превратилось в основной рычаг экономического развития предприятий.

Под качеством продукции в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9000:2000 [1] понимается степень, с которой совокупность собственных характеристик выполняет требования на продукцию. Показатели качества продукции — это количественные характеристики одного или нескольких свойств продукции, входящих в ее качество в соответствии с нормативным документом, рассматриваемые применительно к определенным условиям ее создания и эксплуатации или потребления. Контроль качества продукции предусматривает решение целого ряда организационных и методических проблем.

В современных условиях качество продукции имеет двойной смысл: как потребительское свойство и как соответствие требованиям нормативных документов. Информация о выполнении второго условия проводится в результате испытаний характеристик продукции в аналитических лабораториях, качество работы которых определяется оперативностью, полнотой и достоверностью предоставляемой информации о результатах количественного химического анализа.

Измерительные процедуры являются неотъемлемой частью любого количественного химического анализа, который включает специфические этапы и приемы. В общем случае химический анализ — это многоэтапная процедура, и пренебрежение любой операцией с точки зрения ее влияния на достижение достоверных результатов может привести к существенным погрешностям, ставящим под сомнение полученные данные. Такая специфика количественного химического анализа привела к повышенному вниманию решения организационных проблем, направленных на обеспечение требуемой точности данного измерительного процесса. В ряду необходимых организационных мер следует выделить использование единой терминологии и нормативной базы, своевременное и обязательное проведение метрологической аттестации методик анализа и контроль выполнения измерений. Главная трудность метрологического обеспечения химического анализа — это необходимость охватить чрезвычайное многообразие существующих методов и средств измерений, которые затрудняют выработку общих методических рекомендаций, способствующих устранению и исключению отрицательных последствий недостоверных результатов измерений. К тому же проводится активная гармонизация нормативно-технической документации на соответствие с международными стандартами, внедрение которой, в свою очередь, приводит к увеличению объема обрабатываемой информации.

С этой целью в России разрабатываются и аттестуются новые методики выполнения измерений в соответствии с ГОСТ 8.563−96 [2]. Эти методики регламентируют совокупность операций и правил, обеспечивающих получение результатов измерений с известной погрешностью.

Общим подтверждением технической компетентности в выполнении аналитических работ лаборатории является процедура ее аккредитация, которая подразумевает, что испытательные лаборатории правомочны осуществлять конкретные испытания или конкретные типы испытаний. В каждой аккредитованной лаборатории должна функционировать система обеспечения качества получаемых в ходе испытаний результатов анализа, которая включает в себя следующие организационные мероприятия:

— контроль правильности использования нормативных документов на методики выполнения измерений,.

— внутренний и внешний контроль результатов измерений,.

— постоянный анализ действующей системы качества с выполнением корректирующих и предупреждающих действий.

Одним из перспективных направлений решения организационно-технических задач управления качеством анализов и оптимизации деятельности аналитических лабораторий является разработка программного обеспечения. Различные предприятия разрабатывают собственные специализированные программы для реализации конкретных задач или приобретают зарубежные лабораторные информационные системы (ЛИС, ЛИУС, в зарубежной литературе LIMS — Laboratory Information Management System), которые позволяют:

— увеличить оперативность предоставляемой информации,.

— исключить ошибки при вводе и обработке данных,.

— планировать работу лаборатории и выдавать задания,.

— перейти на электронный документооборот,.

— объединить в одном информационном пространстве всю аналитическую службу предприятия.

Однако наличие зарубежных программных обеспечений не исключает необходимости разработки информационных систем, которые учитывали бы специфику функционирования отечественных аналитических лабораторий с их особенностями. К числу таких особенностей относится организация и проведение внутрилабораторного контроля количественного химического анализа. И хотя современные средства измерения позволяют одновременно с обработкой данных по результатам анализа проводить их контроль, проведение химического анализа не сводится к измерению некоторых исходных физических величин (оптической плотности, потенциала, проводимости, тока и др.) и часто включает операции пробоотбора, пробоподготовки, идентификации компонентов пробы. Данные операции вносят существенный вклад в погрешность конечного результата анализа. Так, например, если всю погрешность принять равной 100%, то на стадию отбора проб приходится от 40 до 70%, на стадию подготовки проб (обеззараживание, высушивание, взятие навески, минерализация) — 20−40%, на выполнение измерений — 5−10%.

В настоящее время внутрилабораторный контроль химического анализа — это эксперимент, который постоянно проводится параллельно с испытаниями рабочих проб, требующий, как правило, наличия стандартных образцов. Для наиболее точного моделирования процедуры внутрилабораторного контроля качества результатов анализа для конкретного метода испытаний анализу подлежат множество критериев (нормативная база, специфика образцов, экономические аспекты, ресурсы лаборатории). Поэтому стратегическим направлением организационного и методического решения данных задач в рамках информационных систем, является их интеллектуализация, заключающаяся в построении формализованных процедур обработки, интерпретации и представления информации в виде некоторых решений и последующего выбора одного из альтернативных вариантов. В практике разработки программных обеспечений это направление принято реализовывать как систему поддержки принятия решений (СППР), которую целесообразно разработать к решению проблемы управления качеством количественного химического анализа в аналитической лаборатории в условиях неопределенности.

Таким образом, актуальность работы заключается в необходимости разработки технических и нормативно-методических решений, способствующих обеспечению достоверности проводимых анализов и требуемого уровня качества продукции.

Цель работы и задачи исследований.

Цель настоящей диссертационной работы — обеспечение достоверности количественного химического анализа с помощью лабораторной информационной системы, в модель построения которой заложены алгоритмы процедур метрологического обеспечения результатов анализа и информационная система поддержки принятия решений при планировании и организации внутрилабораторного контроля проведения измерений.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи: провести комплексный анализ деятельности аналитических лабораторий и нормативной базы для выявления современных тенденций и перспектив развития метрологического обеспечения количественного химического анализаразработать логичную модель информационной системы на основе алгоритмов, которые отражают метрологические требования нормативных документовразработать алгоритмы проектирования программного обеспечения анализа информации в системе поддержки принятия решений при планировании, организации и прогнозировании внутрилабораторного контроля результатов количественного химического анализа.

Объекты исследований.

Методики выполнения измерений, включая методики количественного химического анализа, характеристики погрешности методик выполнения измерений и результатов анализа и процесс управления качеством лабораторно-аналитических измерений.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач используются методы теоретической и прикладной метрологии, системного анализа, структурного проектирования информационной системы. Методы исследования базируются на концепциях процессного и системного подходов к построению модельных блоков.

Научная новизна.

— в результате исследований нормативных документов определены действующие требования к метрологическому обеспечению достоверности количественного химического анализа, связанные с оценкой характеристик погрешностей методик выполнения измерений и результатов анализа, а также процедур внутреннего и внешнего контроляпредложены технические решения по обеспечению достоверности результатов измерений, заключающиеся в автоматизации процессов контроля количественного химического анализа путем создания информационной системыразработана модель лабораторной информационной системы, в основу построения которой заложен жизненный цикл методики выполнения измеренийразработаны алгоритмы анализа аналитических данных в информационной системе поддержки принятия решений с целью выбора наилучшего варианта организации внутрилабораторного контроля качества количественного химического анализа, позволяющие исключить отрицательные последствия недостоверных результатов измерений.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Предложенные в работе унифицированные решения и методология построения информационной системы с автоматизацией процедур метрологического обеспечения аналитических исследований использованы при разработке лабораторной информационной системы (ЛИС) «Химик-аналитик» для оперативного решения организационных и методических задач метрологического обеспечения. Предложенная система информационно — технического решения управления качеством работы в аналитических лабораториях предприятий позволяет повысить достоверность и точность химического анализа, а также способствовать: организации процесса планомерного управления деятельностью аналитической лаборатории в соответствии с требованиями метрологических нормативных документов, сокращению времени при расчетах и оформлении результатов исследований, формированию отчетности в соответствии с принятыми нормативными документами.

Разработанные алгоритмы оценки и прогнозирования стабильности выполнения количественного химического анализа с помощью информационной системы поддержки принятия решений позволяют свести к минимуму получение недостоверных результатов измерений.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы были использованы при проектировании ЛИС «Химик-аналитик», которая внедрена в ста девятнадцати предприятиях России, что подтверждается соответствующими актами. Система прошла процедуру аттестации в ФГУП «Уральский НИИ метрологии» на соответствие требованиям МИ 2335−2003, ГОСТ Р ИСО 5725−2002, РМГ 542 003, МУ 6/113−30−19−83, РМГ 60−2003 в части проверки приемлемости результатов измерений, положений внутреннего контроля качества результатов измерений, расчетов параметров градуировочных графиков и метрологических характеристик аттестованных смесей, что подтверждено свидетельством № 2−2005.

Апробация работы.

Результаты работы представлялись на выставках: «Лаборатория-2005» (г. Москва), «Нефть. Газ. Химия-2006» (г. Пермь), «ПромТехЭкспо-2007» (г. Омск). Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на X Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2004) — VII Международной научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 2004) — Научно-практической конференции к 100-летию Томского водопровода «Основные водохозяйственные проблемы и пути их решения» (Томск, 2005) — XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2005) — Научно-практическом семинаре «Метрологическое обеспечение технического регулирования» (Москва, 2005) — VII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2006) — Семинаре-совещании «Компетентность испытательных лабораторий в свете ИСО/МЭК 17 025:2006» (Краснодар, 2007) — Семинаре-совещании «Внедрение.

ГОСТ Р ИСО/МЭК 17 025:2006 в практику деятельности лабораторий, осуществляющих испытания (анализ, контроль) веществ, материалов, объектов окружающей среды" (Краснодар, 2008) — Всероссийской школе-семинаре «Лабораторные информационные системы: их роль в обеспечении требований стандартов и контроля качества измерений» (Томск, 2008).

Область исследований.

1 Создание новых научных, технических и нормативно-методических решений, обеспечивающих повышение качества продукции.

2 Совершенствование научно-методических, технико-экономических и других основ метрологического обеспечения для повышения эффективного управления народным хозяйством.

Публикации.

Основные результаты работы отражены в 26 опубликованных научных работах: в 10 журналахв 14 рецензируемых сборниках трудов конференцийв 2 учебных пособиях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка используемой литературы и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1 На основании проведенных исследований действующей нормативной документации для аналитических лабораторий выявлены существенные изменения в терминологии, принципах и механизмах метрологического обеспечения количественного химического анализа, которые приводят к:

— увеличению информационных потоков, многообразию алгоритмов оценки и контроля показателей химического анализа,.

— многократному использованию одной и той же информации.

Кроме того, установлено, что в деятельности аналитических лабораторий наряду с задачами, которые требуют пересмотра, появились новые, подлежащие решению: необходимость установления характеристик погрешности результатов анализа при реализации методики в лабораторииоценка приемлемости результатов испытаний, получаемых в условиях повторяемости, воспроизводимости;

— проверка квалификации лабораторий посредством межлабораторных сравнительных испытаний.

2 Сформулированы требования к построению ЛИС, которые были реализованы в разработке:

— логической модели информационных потоков системы, в основу которой заложен жизненный цикл методики, позволяющая реализовать процессный и системный подход к управлению качеством проводимых аналитических испытаний.

— алгоритмов анализа информации аналитических данных в системе поддержки принятия решений для оценки и прогнозирования метрологической достоверности количественного химического анализа, который позволит исключить отрицательные последствия недостоверных результатов измерений.

3 Разработанные технические и нормативно-методические решения к проектированию универсальной информационной системы на основе алгоритмов, которые отражают метрологические требования нормативных документов, легли в основу проектирования ЛИС «Химик-аналитик». При внедрении данной системы в практику аналитических, лабораторий была решена задача обеспечения достоверности количественного химического анализа и, как следствие, повышение качества продукции.

4 Разработанные алгоритмы информационного сопровождения процедур метрологической достоверности результатов измерений в системе поддержки принятия решений явились основой автоматизации процесса управления качеством количественного химического анализа и расширением функциональности ЛИС с целью ее интеллектуализации.

5 Экспериментально-статистические исследования по обеспечению достоверности количественного химического анализа с помощью ЛИС.

Химик-аналитик" в санитарно-химической лаборатории «Центра гигиены и эпидемиологии в Томской области» подтвердили факт минимизации недостоверных результатов анализа и улучшения их точности на 5%.

6 Практическая реализация разработанных алгоритмов и успешное внедрение ЛИС «Химик-аналитик» в аналитических лабораториях разного профиля подтвердили обоснованность данных технических и нормативно-методических решений, обеспечивающих повышение качества продукции.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность доценту Томского политехнического университета к.т.н. Пикуле Н. П. и старшему научному сотруднику НИИ высоких напряжений к.т.н. Терещенко А. Г. за помощь и полезные советы при выполнении данной работы.