1 在线分析工程技术的规范化释义

1.1 在线分析系统 （On-line Analysis System，OAS）

在线分析系统（以下简称OAS）是在线分析仪（核心技术）与样品处理系统技术（关键技术）的合理匹配、完善组合，能长寿命周期协调运行的复杂技术系统。它至少包括一台在线分析仪和一套样品处理系统，能够长期连续稳定，少维护地精确测量样品流中特定组分的浓度。

1.2 在线分析工程技术 （On-line Analytical Technology，OAT）

OAS广泛用于环保产业、流程工业和科学试验等领域，需要很好适应和协调配合具体的工程应用项目，其中包括软件技术和工程应用操作技术，才能确保高准确度地在线检测，适时动态监控物质成分量，成为真正的信息工业源头，仪器仪表皇冠上的耀眼明珠。OAS的工程应用技术就是在线分析工程技术（以下简称OAT）。OAS和OAT的名词术语启用于2017年的第二届在线分析仪器应用及发展国际论坛。而美国至今仍然称为过程分析系统（Process Analytical System，PAS）和过程分析技术（Process Analytical Technology，PAT）。

2 认真传承朱良漪的学术思想

朱良漪先生是中国仪器仪表和自动化控制领域的开拓者、奠基人，尤其是分析仪器行业的主要创始人和学术带头人，国际著名的仪器仪表工程技术专家。我们尊称他为朱老总，他如此深刻地洞悉、指引着我国分析仪器产业的发展方向，为此倾注了毕生精力。

朱良漪的学术思想，我们撰写有专题论文“认真传承朱良漪的学术思想”^[1]，主要包括以下七个方面：

（1）早在上世纪六十年代，他就开始倡导系统工程学，并发表论文“必须积极开展系统工程学的研究”^[2]。

（2）组织领导仪器仪表行业的引进技术国产化

“30/60万千瓦火力发电机组引进技术的国产化”，他更是亲自操刀实施，其成功具有标志性意义；并总结出“一用、二批、三改、四创”的工程经验。

（3）强调国家重点工程导向

朱老总的两篇重要论文：“以重点工程带系统，以系统带仪表”^[3] 和“再论以重点工程带系统，以系统带仪表”^[4]，其核心技术思想是“以科技为先导，以工程促成套，以系统带产品”的产业发展方针。

（4）创建“在线分析仪器应用及发展国际论坛”

自1997年10月10日的首届国际论坛开始，至今已成功举办了十一届，成为中国最专业且唯一的在线分析仪器行业盛会，中国在线分析仪器权威的学术交流和展示平台。

（5）指引在线分析仪器的发展方向

分析仪器在仪器仪表行业早期处于非常边缘的部分，朱良漪成功地使其回归主流。“过程分析仪器的发展”^[5]论文，高瞻远瞩地总结了“制约过程分析仪器发展的三大症结及处置手段”。

（6）突出样品处理技术的重要性

朱老总将“过程分析的取样和预处理”作为制约过程分析仪器发展的第一个症结^[5]，他在最后一次主旨报告中，再次强调在线分析技术的难点和闪点是：“取样系统、少维护、可靠性和软件技术”^[6]。

（7）六次研究“人类社会发展前途”的公式

2007年第二届国际论坛上，他提出关于21世纪世界性危机的公式^[6]：

（Gain真实收入）         （1）

（8）朱老总的论著

朱老总主编的巨著《分析仪器手册》^[7]，是他统领全国从事分析技术及仪器仪表研制的99位资深专家，历时三年半才完成的。《朱良漪文集》^[8]收录了朱老总的论文和报告共63篇。

朱老总的学术思想是具有鲜活生命力的技术理论和创新方法论，能有朱老总的谆谆教诲和领航，整个分析仪器行业，所有的分析仪器工程师都很幸运。忠实地认真传承朱良漪的学术思想，是我辈当前面临的重要课题。

3 在线分析工程技术的应用型基础理论

3.1 技术系统（简称系统）的规范化释义

朱老总在“必须积极开展系统工程学的研究”^[2]论文中，强调“系统本身就是一门科学。”他最早（1978年）给系统下了十分准确的定义：“系统就是指由若干又相互关联、又相互影响的单元组成的一个有机‘整体’，而这个‘整体’又是集中地来实现某些作用。”“既然能够称之为系统，就是承认它应具有连续性、复杂性、综合性、可测性和可控性。同时，系统工程学与其它工程学最不同之点，就在于它不专注于单个要素，而是着眼于各个要素的综合，要看成一个整体的概念。”“系统工程就是从系统工程学的角度，来考虑。一整套过程的工程实践。工程项目的连续化、大型化、综合化、自动化和最优化，已成为主要动向。” 

我国最伟大的科学家钱学森院士于1979年正式提出要建立系统学（Systematology），2001年出版专著《创建系统学》^[9]，他给系统学下的定义是：“系统学是研究系统结构和功能（系统的演化、协同与控制）一般规律的科学，这就是系统学的基础理论。”

钱学森院士还在他的专著《工程控制论》（新世纪版）^[10]序中，指出“控制论的对象是系统。所谓系统，是由相互制约的各个部分组织成的具有一定功能的整体，为了实现系统的功能和稳定。”

前苏联发明大师根里奇﹒阿奇舒勒（Genrich S.Altshuler）在其《发明问题解决理论TRIZ（拉丁文Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）》^[11]中，在中国推广应用时简称“萃智”。该理论也首先定义技术系统：“一个产品或物体都可以看作是一个技术系统，技术系统可简称为系统。系统由多个子系统组成，并通过子系统间的相互作用来实现一定的功能，子系统可以是零件或部件甚至于是构成元素。”

简言之，凡是具有一定功能的事物都是技术系统，即系统。

3.2 在线分析系统的系统学诠释

金义忠先生从2013年开始探索研究OAS应用型基础理论的初创^[12]，突出了两个重点，一是OAS的层级结构。OAS的层级结构图参见图1，样品处理系统的层级结构参见图2^[13]。

图1 在线分析系统层级结构图                       图2  样品处理系统层级结构图

Fig.1 On-line analysis system hierarchical structure diagram            Fig.2 Hierarchical structure of sample processing system

第二个重点是系统的功能和特性（系统的进化、协调和控制），强调长寿命周期的协调进化法则。OAS的众多功能和特性中，择重研究了OAS的开放性：OAS与其周围的外部环境（样品条件、环境条件、应用要求等）长期存在复杂的、动态的物质交换、能量交换和信息交换。要对这种开放性深入调研极为困难，但又是必须的。不但是OAS优化设计的前提，也是诊断和排除OAS工程应用故障最适用的技术手段。在线分析工程师所从事的技术工作，有机会欣赏到在线分析工程技术的“系统之美”，无疑是一种美妙的享受。

4在线分析技术的核心本质

学习、研讨和传承朱良漪的学术思想，并将系统学看作是OAT这一细分专业最重要、最基本、最适用的基础理论之后，就很容易抓住OAT的核心本质了。

在线分析工程技术（OAT）的产品业态是在线分析系统（OAS），是涉及多个层级的复杂技术系统，包括分析小屋那样的在线分析系统集成，那更是复杂的大技术系统；也有像过滤元件那样的微技术系统（简称微系统）。

在线分析工程技术（OAT）的核心本质是物质成分量信息的长期在线准确检测，成为信息工业无可替代的真正源头，多学科交叉的技术特点特别突出，是我国经济发展和科技创新的核心之一。在线分析系统（OAS）确然是仪器仪表皇冠上特别耀眼的明珠。

5 在线分析工程技术的精髓

5.1 在线分析系统的三大技术基础

（1）在线分析仪（On-line Analyzer，OA）是OAS的核心技术，例如，特殊复杂样品的在线检测。

（2）样品处理系统是OAS的关键技术；例如，高危险工程现场的无人值守。

（3）软件技术是OAS的优化技术。例如，区域性、行业性的在线监控。

OAS以上的三大技术基础缺一不可，不可能相互替代，但是可以相互协调和强化，它们处于平行的同一技术层级。

5.2 在线分析工程技术精髓的综合归纳

（1）OAS对不均一样品条件的完全适应性，OAS在工程应用中，首先必须彻底弄清楚OAS与其外部环境条件之间复杂的、动态的物质交换、能量交换和信息交换，体现OAS特殊的开放性。

（2）OA和OAS最具代表性的核心技术指标，只能是更直观的稳定性，这是最困难的。

（3）样品处理系统最具代表性的核心技术性能，只能是最直观的少维护，甚至是免维护。也就是OAS在工程应用中尽可能减少人工介入和干预。

（4）样品处理系统对于千差万别、严重缺乏均一性，又不可能按期望预设的样品条件的全面适应性，是OAS优化设计的第一重点和最大难点。

（5）OAS工程应用的另一个重大难题，是“成分信息的获得与共生信息和噪音的处理”^[5]，为确保物质成分量信息检测计量的准确度，切实做好“广义抗干扰”^[14]就尤为重要。

（6）OAS作为开放性复杂技术系统，必须对在线分析仪（OA）的稳定性、可靠性、准确性、安全性和长寿命周期提供最可靠的保障，定然处于不断协调进化的过程中。

以上初步归纳的六条，都可以在朱老总的著述中，直接或间接地找到针对性特别强的论据，这就增强了我们的技术自信。

6 如何提高在线分析系统的可靠性

在线分析系统的可靠性是本行业具有最高关注度的热门论题，也是朱老总特别关注和强调的四大难点之一。本文从OAS众多功能与特性中，独将“可靠性”挑选出来进行比较全面的探讨。

6.1 在线分析系统工程应用失败的剖析

OAS工程应用失败的技术实质，其宏观表现不外乎“失准、失灵、失效和失败”。失准是指OAS的物质成分量检测信息严重失准，没有利用价值。失灵是指OAS工程应用的中断，不能继续提供物质成分量信息。失效是指OAS经过检修（大修）之后，仍然不能恢复正常的工程运行状态。失败是指OAS工程应用彻底失败，完全报废或需要替代更新。以上四种令工程师难堪的糟糕表现，都是工程用户完全不能接受的。

6.2 分析仪器可靠性指标MTBF的困惑

平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）虽说是最受业界关注的“高级”技术特性，在本行业却缺乏实践和可操作性，本行业真实的MTBF试验只有极个别的两三次。样品数多，试验周期长，对于分析小屋集成那样的综合性大型设备，更是不可能。中小型企业对此也困难重重。

退其次，可以转而关注和可靠性有关的还有两个名词术语：一是“故障率”（Failure rate），是单位时间周期（一般以年为单位），产品的故障总数与运行的产品总量之比。二是分析仪器的“返修率”，也是一年内返厂或去现场修理的故障产品数与出厂产品总量之比。

故障率和返修率的评价有长时间周期下的统计概念，并不难操作，但可能会产生“事后诸葛亮”的不良后果，有时会造成巨大损失。

6.3 提高在线分析系统可靠性的技术措施

在线分析系统的可靠性是一种“刚需”，绝不可失察和缺位。

（1）分析仪器产品在试制过程中或批量生产之前，必须全面进行专业规范的“型式试验”，这是保证OAS可靠性切实有效的措施。这又恰是许多中小企业的技术短板。

（2）部件、材料、元件的采购要经过认证后的定点供货，不可以只选择购买价格低的。

（3）OAS的可靠性肯定源于设计。整个OAS的设计，必须采用成熟的先进技术，要经验主义地解决工程应用难题。

（4）采用成熟的生产工艺，实施可追溯的“过程控制”。

6.4 在线分析系统的长寿命周期

总之：我们理应追求OAS工程应用意义的可靠性，这就得超越OA的可靠性，超越OA出厂前所表现的可靠性。

OAS的长寿命周期，可认为是OAS可靠性别样的宏观表达，石化行业提出的严格要求是15年，我国大化肥行业创造了OAS二十年长寿命周期的记录。

OAS工程应用的寿命周期，按8-10年以上来进行整体优化设计，应该是必须的，也是普遍行得通的。

7 在线分析系统创新设计的有效途径

（1）开展战略性基础研究

大型分析仪器企业必须要有持久的技术进步和积累，前瞻性技术战略思维的表现之一，就是要加大投入，积极开展“战略性基础研究”，包括工信部实施的“四基工程”。这种战略持久性是建设“百年老店”不可缺少的前提条件。

（2）开展过程分析技术工程教育

对OA和OAS研发工程师开展有针对性的“过程分析技术工程教育”，这是在学习美国过程分析化学中心（Center for Process Analytical Chemistry，CPAC）的成功经验，能够培养造就大批既懂专业理论知识，又懂工程技术，还会工程应用实施的专业技术人才，特别是超一流水平的研发人才，也包括具有工匠精神的高级技师。

（3）熟练应用系统学理论

任何专业的健康发展，绝对离不开专业技术理论的导向。OAS的应用型基础理论，只能是系统学，OAS研发工程师应该直接应用系统学理论来开展创新设计。因为技术最核心、最本质、最重要、最适用的概念就是系统，它是OAT的核源，活的灵魂。技术系统既是理论，也是方法论，更是得心应手的工具，因为它最适用。

（4）高度重视样品处理系统技术

OA一般是通用型的，样品处理系统一般是专用型的，虽然要按分类处置，有时也需要量身定制。在一些高校和中小企业，样品处理系统技术是明显的短板。

样品处理系统常有“细节决定成败”的案例，必须认真协调处理好局部与整体之间的技术功能关系，做到“明察秋毫”，不能留下任何技术错误和技术漏洞。所谓“细节”的技术本质，就是微技术系统（简称微系统），也就是常被忽视的微观技术。

（5）追求最终理想解

采用多目标整体优化设计的系统性方法^[13]，追求OAS创新设计的最终理想解（Ideal final result，IFR）是完全可能的，这主要体现在金义忠先生总结的“OAS协调进化五原则”^[15]中：

（a）很好保留了原系统的优点；

（b）比较彻底地消除了原系统的技术缺陷和不足；

（c）新系统没有变得更复杂和成本更高；

（d）新系统没有引入新的技术缺陷和潜在的技术风险；

（e）新系统更能长寿命周期地协调运行。

8 结束语

以哲学家的思维定义技术规律，就是在技术概念和现实的技术内容之间建立起本质的联系。诚如此，我们才有技术自信去定义、探寻和驾驭OAT最本质的技术规律，开展实质性的综合性探索研究。采用多目标整体优化设计的系统性方法^[13]，就能确保OAS的稳定性、可靠性、准确性、安全性、协调性，以及少维护性和长寿命周期。这样OAS的技术成熟度就高，技术生命力就强。

工程实践证明：近乎零漂移的在线分析仪^[16]，免维护的取样探头系统^[17,18]，也能够研发成功！如此长期坚持，大型企业运维服务的压力必能减轻许多。

国家重点工程紧迫、严苛的现实需要，是在线分析工程技术健康发展、爆发性增长最强劲的驱动力，在线分析产业定然会有更辉煌的明天。

                                            2018.9.24

参 考 文 献

[1] 金义忠，梅青平．认真传承朱良漪学术思想[J]．分析仪器，2018.

[2] 朱良漪．必须积极开展系统工程学的研究[J]．工业仪表与自动化装置，1978(1).

[3] 朱良漪．以重点工程带系统，以系统带仪表[J]．仪表工业，1984(5).

[4] 朱良漪．再论以重点工程带系统，以系统带仪表[J]．仪表工业，1988(6).

[5] 朱良漪．过程分析仪器的发展[J]．世界仪表与自动化，1998(6).

[6] 朱良漪．21世纪的前沿技术“分析技术”与“自动化”的系统集成[C]//第二届过程分析仪器应用及发展国际论坛论文集．2007:4-6.

[7] 朱良漪等．分析仪器手册[M]．北京：化学工业出版社，1997.

[8] 朱良漪．朱良漪文集[M]．北京：化学工业出版社，2013.

[9] 钱学森．创建系统学[M]．太原：山西科学技术出版社，2001.

[10] 钱学森．工程控制论（新世纪版）[M]．上海：上海交通大学出版社，2007.

[11] 杨清亮．发明是这样诞生的—TRIZ理论全接触[M]．北京，机械工业出版社，2006.

[12] 金义忠，姜培刚．构建在线分析系统基础理论的探索[C]//第五届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集．2012:96-104.

[13] 梅青平，金义忠等．在线分析样品处理系统技术创新发展综论[J]．自动化仪表，2018(4):63-68.

[14] 金义忠，曹以刚．在线分析系统的广义抗干扰研究[J]．分析仪器，2009(6):71-76.

[15] 金义忠，姜培刚．在线分析系统基础理论和整体优化设计的探索研究[C]//第六届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集．2013:151-159.

[16] 金义忠，姜培刚．热导电桥传感器研制的技术突破研究[M]//在线分析工程教育．北京：科学技术出版社，2016:139-143.

[17] 金义忠，曹旭鹏，杨永龙．免维护取样探头系统的核心技术集成[C]//第八届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集．2015:106-113.

[18] 金义忠．样气处理系统技术的创新和工程实践[C]//第九届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集．2016:148-154.