Хемометрика и контроль производственных процессов (PAT)

Хемометрика и контроль
производственных процессов
(PAT)
Алексей Померанцев
Институт химической
физики РАН им Семенова
Российское хемометрическое
общество
Международная
выставочная компания
12.04.05
Analytica Expo 2005
1
Содержание
1) Что такое хемометрика?
2) Что такое PAT?
3) Что такое SPC и MSPC?
4) Как связаны PAT и MSPC?
5) Причем здесь аналитическая химия?
12.04.05
Analytica Expo 2005
2
Хемометрика: два определения
Дедуктивное
Хемометрика - это раздел (аналитической) химии, использующий математические методы для исследования химических данных и процессов.
D. L. Massart
Индуктивно
е
1) Хемометрика – это то, что делают хемометрики.
сайт Международного хемометрического общества
2) Хемометрики – это такие люди, которые все время пьют
пиво и воруют идеи у математиков
Svante Wold
12.04.05
Analytica Expo 2005
3
Что делает хемометрика?
• Данные, которые исследует хемометрика по
большей части происходят из химии, поэтому
хемометрика - это подраздел химии (Analytical
chemistry)
• Хемометрика имеет дело с данными (зачастую с очень большими), поэтому хемометрика это подраздел информатики (Data mining)
• Методы, которые использует хемометрика
ориентированы на формальное моделирование
(Soft modeling)
12.04.05
Analytica Expo 2005
4
Почему «хемо-» ?
• Хемометрика родилась из задачи анализа химических спектров
• Спектроскопия – наилучший метод получения
информации по ходу процесса (on-line) в режиме
реального времени: быстро и без влияния на
процесс
• «Хемо» подчеркивает практическую, а не статистическую значимость применяемых методов
12.04.05
Analytica Expo 2005
5
Почему «-метрика» ?
• Хемометрические методы легко и плодотворно
переносятся в другие области, например, в психологию, биологию, геологию, и т. д.
• Хемометрика активно эксплуатирует математику
статистику, линейную алгебру
• ‘It is easier to teach a chemist statistics that to teach
chemistry to a statistician.’ (Svante Wold)
12.04.05
Analytica Expo 2005
6
Много переменных и много измерений
Одно измерение – спектр (600 точек)
Один цикл – 800 спектров (времен)
Один массив данных – 200 образцов (циклов)
ю
12.04.05
...
Analytica Expo 2005
7
Основная задача хемометрики
Заменить прямые измерения, которые либо –
 невозможны
 дороги
 длительны
на косвенные измерения, которые –
 доступны
 дешевы
 быстры
с последующей их обработкой (калибровкой).
12.04.05
Analytica Expo 2005
8
Контроль процессов в реальном времени
Главная проблема, с которой сталкивается современная промышленность – это обеспечение постоянно высокого качества конечного продукта в
типовом производственном процессе.
Принимая во внимание увеличивающуюся глобальную конкуренцию и быстро меняющиеся потребности рынка, эффективный контроль процессов в реальном времени становится насущной потребностью всех производящих компаний.
12.04.05
Analytica Expo 2005
9
Что такое PAT?
Process Analytical Technology (PAT) =
Технология (методы) анализа процессов
FDA = U.S. Department of Health and Human
Services Food and Drug Administration
Guidance for Industry PAT — A Framework for Innovative
Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance
Pharmaceutical CGMPs, September 2004
12.04.05
Analytica Expo 2005
10
PAT: Определение бюрократа
PAT – это система планирования, анализа и контроля критических переменных, характеризующих
состояние производственных материалов и процессов в реальном времени (т.е. по ходу производства), с целью подтверждения качества производимого продукта.
Guidance for Industry PAT — A Framework
for Innovative Pharmaceutical Development,
Manufacturing, and Quality Assurance.
Pharmaceutical CGMPs, September 2004
12.04.05
Analytica Expo 2005
11
PAT: Определение хемометрика
1) Современный инструментальный контроль
процессов в реальном времени (in-line)
2) Хемометрические методы анализа данных, т.н.
многомерный статистический контроль процессов
(MSPC)
3) Многочисленные бюрократические формальности, придуманные
FDA для оправдания своей полезности
4) Дубинка, придуманная фармацевтическими гигантами для уничтожения мелких
конкурентов
12.04.05
Analytica Expo 2005
12
Зачем в PAT нужна хемометрика?
Потому, что все больше данных о процессах
получают с помощью современных, эффективных
аналитических методов
12.04.05

Спектроскопия (УФ, ИК, БИК, ...)

Хроматография (ЖХ, ГХ, ...)

Гибридные методы (ЖХ/МС, ЖХ/ЯМР, ...)

Видео образы и гиперспектры (2D, 3D)

Акустические измерения

и еще многие, многие другие ...
Analytica Expo 2005
13
Многомерный статистический
контроль процессов (MSPC)
MSPC – это анализ реальных исторических данных,
характеризующих опыт работы процесса
Цель:
Контроль процесса в реальном времени.
Средства: Хемометрический анализ данных.
Результат: Стабилизации качества, снижение затрат.
MSPC – это главный инструмент PAT
12.04.05
Analytica Expo 2005
14
Зачем в MSPC нужна хемометрика?
Потому, что исторические данные анализируются с
помощью хемометрических методов:
12.04.05

Анализ главных компонент (PCA)

Проекция на латентные структуры (PLS)

n-модальный анализ (PARAFAC)

Многофакторный анализ изображений (MIA)

Блочный и иерархический анализ (BPLS, HPLS)

Распознавание структур (SIMCA, D-PLS)

и еще многие, многие другие ....
Analytica Expo 2005
15
Реализации процесса s1, s2, ... ,s54
Пример данных о процессе
Ключевые переменные процесса (датчики) X1, X2, ... , X17
s1
s2
s3
s4
s5
s6
s7
s8
s9
s10
s11
s12
s13
s14
s15
s16
s17
s54
12.04.05
X1
-1.19E-01
-1.37E-01
2.51E-02
-1.14E-01
-7.93E-02
1.51E-02
7.44E-02
3.65E-02
1.36E-01
-2.74E-02
7.47E-02
-1.17E-01
1.06E-01
7.39E-02
-9.87E-03
-1.06E-01
-4.76E-02
X2
7.28E-01
7.28E-01
-9.15E-02
6.70E-01
4.14E-01
-6.38E-02
-5.24E-01
-2.66E-01
-7.06E-01
3.60E-01
-3.31E-01
7.02E-01
-2.82E-01
-5.28E-01
1.02E-01
7.68E-01
2.66E-01
X3
-2.15E-02
-2.89E-02
6.73E-03
-2.18E-02
-1.69E-02
3.74E-03
1.11E-02
5.12E-03
2.89E-02
1.82E-03
1.80E-02
-2.16E-02
3.23E-02
1.07E-02
-3.21E-04
-1.52E-02
-9.52E-03
X4
5.22E-01
6.08E-01
-1.13E-01
5.04E-01
3.51E-01
-6.75E-02
-3.24E-01
-1.59E-01
-6.01E-01
1.12E-01
-3.34E-01
5.13E-01
-4.82E-01
-3.21E-01
4.17E-02
4.62E-01
2.10E-01
X5
7.06E-04
7.09E-04
-9.07E-05
6.50E-04
4.04E-04
-6.28E-05
-5.06E-04
-2.56E-04
-6.88E-04
3.42E-04
-3.25E-04
6.81E-04
-2.85E-04
-5.09E-04
9.75E-05
7.41E-04
2.59E-04
X6
7.32E-01
7.02E-01
-7.58E-02
6.65E-01
3.98E-01
-5.67E-02
-5.45E-01
-2.78E-01
-6.77E-01
4.12E-01
-2.99E-01
7.03E-01
-1.87E-01
-5.50E-01
1.13E-01
8.03E-01
2.61E-01
…
X7
3.10E-04
6.58E-04
-2.29E-04
3.83E-04
3.96E-04
-1.15E-04
-1.73E-05
1.43E-05
-6.83E-04
-4.31E-04
-5.30E-04
3.40E-04
-1.25E-03
2.49E-06
-8.29E-05
-2.54E-05
1.92E-04
X8
-6.13E-04
-1.22E-03
4.10E-04
-7.34E-04
-7.35E-04
2.07E-04
7.92E-05
-3.95E-07
1.26E-03
7.24E-04
9.62E-04
-6.63E-04
2.21E-03
4.48E-05
1.36E-04
-2.68E-05
-3.61E-04
X9
-5.92E-05
-1.49E-04
5.65E-05
-7.96E-05
-9.05E-05
2.78E-05
-1.07E-05
-1.14E-05
1.56E-04
1.22E-04
1.28E-04
-6.76E-05
3.14E-04
-1.59E-05
2.44E-05
2.88E-05
-4.19E-05
6.61E-02 -5.40E-01 7.19E-03 -2.85E-01 -5.19E-04 -5.78E-01 1.81E-04 -2.67E-04 -6.23E-05
Analytica Expo 2005
…
X17
9.74E-03
1.01E-02
-1.43E-03
9.07E-03
5.78E-03
-9.49E-04
-6.79E-03
-3.42E-03
-9.86E-03
4.18E-03
-4.84E-03
9.44E-03
-4.99E-03
-6.81E-03
1.23E-03
9.90E-03
3.65E-03
-6.78E-03
16
Карты Шухарта (1927)
1.2
1.5
0.5
X2
Control
Control
0.4
0.8
1.0
0.3
X2 Normal
X1 Control
X1X2
X2
Sensor
X1All
&
Sensors
Sensors
Normal
0.2
0.5
0.4
0.1
X1 Normal
X1 Control
X1 Normal
0.0
X2 Normal
-0.1
-0.5
-0.4
-0.2
X1 Control
X1 Normal
Normal
-0.3
-1.0
-0.8
-0.4
X1 Control
X2 Normal
Control
X2
Control
s56
s56
s54
s51
s51
s49
s49
s46
s46
s43
s43
s41
s41
s39
s37
s37
s35
s35
s33
s31
s31
s29
s29
s27
s27
s25
s25
s23
s23
s21
s21
s19
s19
s17
s17
s15
s15
s13
s13
s11
s11
s9
s7
s7
s5
s5
s3
s3
s1
s1
-1.5
-0.5
-1.2
Cycles (time)
12.04.05
Analytica Expo 2005
17
Контроль с помощью SPC
X1
X2
Одномерная область контроля
t
t
t
t
t
t
t
X2
t
t
t
t
t
X1
t
t
12.04.05
Многомерная область контроля
Analytica Expo 2005
18
Контроль с помощью MSPC
X3
PC2
PC1
Мера Т2 Хотеллинга
(расстояние внутри модели)
X1
X2
Ошибка моделирования
(расстояние до модели)
12.04.05
Analytica Expo 2005
19
Причем здесь аналитическая химия?
Analysis,
греч., разложение
1) Определение
Определение состава
состава вещества
вещества (качественный
(качественный А.,
количественныйА.)
количественный
А.)
2) Метод
Метод научного
научного исследования
исследования путем
путем рассмотрения
рассмотрения
отдельных частей,
отдельных
частей,сторон,
сторон,и ит.п.
т.п.
Analytical Chemistry
12.04.05
Analytica Expo 2005
20
Программа конференции
12:00-12:30
А. Померанцев (ИХФ РАН, Москва)
Хемометрика и контроль производственных процессов
12:30-14:00
Р. Бреретон (Университет Бристоля, Великобритания)
Введение в хемометрику
14:00-14:30
Обед
14:30-16:00
Р. Бреретон (Университет Бристоля, Великобритания)
PAT - Технология (методы) анализа процессов
16:00-16:15
Перерыв
16:15-16:45
А. Богомолов (EMBL, Гамбург), П. Берзигияров (InterProgma, Черноголовка)
Математическое и программное обеспечение для аналитического контроля
производственных процессов (MSPC/PAT):
16:45-17:45
В. Вершинин (Омский ГУ)
Метрологические оценки неопределенности в качественном анализе
17:45-18:00
О. Родионова (ИХФ РАН, Москва)
Заключительное слово
12.04.05
Analytica Expo 2005
21
Ричард Бреретон
Профессор университета Бристоля, Великобритания
Глава Центра по Хемометрике
Около 80 статей в журналах Analyst, Chemom. Intell. Lab.
Syst., J. Chromatography, Analytica Chimica Acta,
J.Chemometrics, Talanta и др.
С 1999 по 2003 автор более 100 статей по хемометрике в
электронном журнале The Alchemist, на сайте ChemWeb.
http://www.chemweb.com/alchemist/
Автор самой популярной за последнее время книги –
«Хемометрика: Анализ данных в лаборатории и на
химическом предприятии»
Область научных интересов: хемометрика, судебная
экспертиза, контроль процессов, хроматография и
спектроскопия, химия полимеров, кинетика и т.д.
12.04.05
Analytica Expo 2005
22
Андрей Богомолов
Кандидат хим. наук
Более 30 публикаций в журналах Analytica Chimica Acta.,
Кинетика и катализ, Жур. физической химии и др
Разработчик математического и программного обеспечения
для аналитической химии, руководитель проектов
международной компании ACD.
Соавтор патента США в области алгоритмов обработки
аналитических данных
Член Российского хемометрического общества
Область научных интересов: программное обеспечение для
аналитической химии, хемометрика, численные методы,
спектроскопия, химическая кинетика
12.04.05
Analytica Expo 2005
23
Вячеслав Вершинин
Профессор Омского государственного университета
Заведующий кафедрой аналитической химии, доктор хим.
наук
Около 150 статей в журналах Журнал аналитической
химии, Известия вузов, Журнал прикладной спектроскопии,
и др.
Автор 6 монографий
Соавтор 8 патентов и авторских свидетельств
Член Совета по аналитической химии РАН
Область научных интересов: математические и
компьютерные методы в аналитической химии,
люминесцентные методы, методика химического
образования
12.04.05
Analytica Expo 2005
24
Оксана Родионова
Старший научный сотрудник Института химической
физики РАН
Кандидат физ-мат. наук
Более 40 статей в журналах Chemom. Intell. Lab. Syst.,
J.Chemometrics, Ж. вычил. матем. и матем. физ., J Appl
Polym Sci., ЖЭТФ, Кинетика и катализ, и др
Редактор перевода книги «Анализ многомерных данных»
Кима Эсбенсена
Секретарь Российского хемометрического общества
Одна из основателей и организаторов Зимних симпозиумов
по хемометрике в России
Область научных интересов: хемометрика, численные
методы, математическая физика.
12.04.05
Analytica Expo 2005
25
Fifth Winter Symposium on Chemometrics
Самара
Школа
16-17.02.2006
Симпозиум
18-23.02.2006
Kim Esbensen
Paul Geladi
Agnar Höskuldsson
Roma Tauler
Beata Walczak
12.04.05
Analytica Expo 2005
26
Участники WSC-4 в Звездном городке
12.04.05
Analytica Expo 2005
27