第一篇：核磁共振系統(tǒng)的數(shù)字化研究

核磁共振系統(tǒng)的數(shù)字化研究

【摘要】：核磁共振(NMR)技術(shù)作為一種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要工具,在物質(zhì)檢測(cè)和醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí),其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和科學(xué)研究的深入,又對(duì)核磁共振系統(tǒng)提出了更高的要求。本論文主要針對(duì)目前常規(guī)商業(yè)化NMR譜儀存在的問題,開展了譜儀技術(shù)的數(shù)字化研究,在保證譜儀功能和性能的前提下,對(duì)譜儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,降低了設(shè)計(jì)成本。該研究工作為NMR設(shè)備的普及奠定了基礎(chǔ)。論文的主要內(nèi)容如下:1.核磁共振系統(tǒng)數(shù)字化研究的趨勢(shì)。首先,介紹了核磁共振技術(shù)的發(fā)展,指出應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)是譜儀發(fā)展的一個(gè)重要方向。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)本論文的主要工作論述了數(shù)字化研究的意義。2.基于USB總線的一體化核磁共振譜儀控制臺(tái)的數(shù)字化研究。首先,在總結(jié)常規(guī)核磁共振譜儀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了全數(shù)字、一體化的譜儀控制臺(tái)的設(shè)計(jì)思想。然后,詳細(xì)介紹了該譜儀控制臺(tái)的設(shè)計(jì)思路和硬件結(jié)構(gòu)。該譜儀控制臺(tái)采用USB總線,實(shí)現(xiàn)了外置式架構(gòu)。此外,該譜儀控制臺(tái)將控制/通訊部分、脈沖序列控制部分、射頻發(fā)射部分與信號(hào)接收部分集成于一塊板卡之上,還可以實(shí)現(xiàn)兩種工作模式。最后,采用常規(guī)NMR序列實(shí)驗(yàn)較好地驗(yàn)證了整套系統(tǒng)的性能。可以看到,在譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的同時(shí)保證了性能指標(biāo),增強(qiáng)了靈活性,拓寬了應(yīng)用范圍。3.多通道磁共振信號(hào)接收方法的數(shù)字化研究。首先,討論了近年來(lái)隨著相控陣和并行成像技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)的要求。然后,針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出了F_TDM多通道接收方法,并進(jìn)行了

理論分析。最后,我們?cè)O(shè)計(jì)了基于PCI總線的四通道F_TDM數(shù)字接收機(jī),通過成像實(shí)驗(yàn)論證了該方法的可行性。4.選擇性激發(fā)脈沖的數(shù)字化研究。為提高射頻功率放大器的效率,降低儀器的成本,我們提出了正負(fù)相位組合(P/N)選擇性激發(fā)脈沖。首先,我們將P/N脈沖展開成傅立葉級(jí)數(shù),分析了P/N脈沖和軟脈沖在選擇性激發(fā)上的等效性。然后通過密度矩陣的方法模擬了P/N脈沖的激發(fā)帶寬曲線,并與軟脈沖的激發(fā)帶寬曲線作了比較。最后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了P/N脈沖的激發(fā)帶寬曲線,并給出了采用P/N脈沖選層獲得的多層SE2D圖像。5.磁共振系統(tǒng)數(shù)字化研究的總結(jié)與展望?？偨Y(jié)了本論文的主要研究工作及其應(yīng)用方向,對(duì)目前工作中存在的問題進(jìn)行了分析并指出了改進(jìn)的方向?！娟P(guān)鍵詞】：核磁共振磁共振成像數(shù)字化研究一體化USB微處理器時(shí)分復(fù)用頻分復(fù)用選擇性激發(fā)正負(fù)相位組合脈沖 【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué) 【學(xué)位級(jí)別】：博士 【學(xué)位授予年份】：2008 【分類號(hào)】：O482.532 【目錄】：論文摘要6-8ABSTRACT8-12第一章緒論12-171.1核磁共振技術(shù)的發(fā)展概述12-131.2論文的主要研究?jī)?nèi)容及其意義13-15參考文獻(xiàn)15-17第二章基于USB總線的一體化核磁共振譜儀控制臺(tái)17-562.1核磁共振譜儀的結(jié)構(gòu)及發(fā)展17-212.1.1常規(guī)PFT-NMR譜儀結(jié)構(gòu)17-202.1.2一體化核磁共振譜儀結(jié)構(gòu)20-212.2基于USB總線的一體化核磁共振譜儀控制臺(tái)的數(shù)字化研究21-462.2.1控制/通訊單元

22-282.2.2脈沖序列控制單元28-312.2.3射頻發(fā)射單元31-412.2.4信號(hào)接收單元41-462.3硬件設(shè)計(jì)46-482.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果48-522.5總結(jié)52-53參考文獻(xiàn)53-56第三章F_TDM多通道接收方法56-863.1磁共振信號(hào)的檢測(cè)方法56-583.2相控陣與并行成像技術(shù)對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)的要求58-603.3F_TDM多通道接收方法的理論分析60-683.3.1時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)61-633.3.2頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)63-653.3.3F_TDM技術(shù)65-683.4F_TDM多通道接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)68-763.4.1放大與混頻的設(shè)計(jì)69-703.4.2時(shí)分復(fù)用的設(shè)計(jì)70-713.4.3F_TDM信號(hào)接收與解調(diào)的設(shè)計(jì)71-753.4.4數(shù)字邏輯控制的設(shè)計(jì)75-763.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果76-823.5.1耦合度76-783.5.2相位相干性78-803.5.3成像實(shí)驗(yàn)80-823.6討論82-83參考文獻(xiàn)83-86第四章正負(fù)相位組合(P/N)選擇性激發(fā)脈沖86-1074.1選擇性激發(fā)脈沖在磁共振成像中的應(yīng)用86-894.2P/N脈沖的理論分析89-914.3等效性的驗(yàn)證91-984.3.1計(jì)算機(jī)模擬方法91-934.3.2相位93-944.3.3傾倒角94-974.3.4激發(fā)邊帶97-984.4硬件設(shè)計(jì)98-994.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果99-1024.6討論102-105參考文獻(xiàn)105-107第五章總結(jié)與展望107-1101、基于USB總線的一體化核磁共振譜儀控制臺(tái)107-1082、多通道磁共振信號(hào)接收方法的數(shù)字化研究1083、選擇性激發(fā)脈沖的數(shù)字化研究108-110攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文110-111攻讀博士學(xué)位期間申請(qǐng)的國(guó)家發(fā)明專利111-112致謝112

本論文購(gòu)買請(qǐng)聯(lián)系頁(yè)眉網(wǎng)站。

第二篇：核磁共振研究的歷史

核磁共振研究的歷史

劉志軍

（中科院自然科學(xué)史研究所，北京 100190；忻州師范學(xué)院物電系，山西 034000）

摘要：本文選取不論是對(duì)于眾多學(xué)科的基礎(chǔ)理論方面，還是在人類的生產(chǎn)、生活方面都有重大貢獻(xiàn)的核磁共振研究作為典型案例進(jìn)行研究，清晰地呈現(xiàn)出了核磁共振研究鮮明的階段性特征，以及由這一典型案例所揭示出的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究之間動(dòng)態(tài)變化著的、復(fù)雜的互動(dòng)關(guān)系。最后通過分析和總結(jié)，得出了這一典型案例對(duì)我國(guó)的科技發(fā)展和科技創(chuàng)新的一些啟示。

關(guān)鍵詞：核磁共振；諾貝爾獎(jiǎng)；基礎(chǔ)理論；應(yīng)用研究 中圖分類號(hào)：04－09

1二戰(zhàn)結(jié)束之前核磁共振實(shí)驗(yàn)的發(fā)展

1.1核磁共振研究的開端，這個(gè)時(shí)期主要以物理學(xué)的純基礎(chǔ)理論研究為特征 自從十九世紀(jì)末，二十世紀(jì)初人類對(duì)于微觀世界的科學(xué)探究真正起步后，不論是在實(shí)驗(yàn)還是在理論方面都在不斷取得突破和進(jìn)展。正如麻省理工學(xué)院物理系電子研究實(shí)驗(yàn)室的丹尼爾·克萊普納（Daniel Kleppner）所說(shuō)，二十世紀(jì)初那些深刻改變了我們的世界觀的，物理學(xué)天才們的思想和成就，主要是建立在當(dāng)時(shí)重要的物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)之上的[1]?？梢哉f(shuō)，物理實(shí)驗(yàn)是物理基礎(chǔ)理論創(chuàng)新和發(fā)展的主要源泉和基礎(chǔ)。

核磁共振研究是從斯特恩（Otto Stern）的分子束實(shí)驗(yàn)開始的。斯特恩（Otto Stern）1888年2月17日出生于德國(guó)的索勞（Sorau）。1912年，他從德國(guó)的布雷斯勞大學(xué)（University of Breslau）獲得物理化學(xué)博士學(xué)位后，作為愛因斯坦的助手，追隨愛因斯坦，先后到過布拉格大學(xué)和蘇黎世大學(xué)任教。1914他開始在法蘭克福大學(xué)工作，職務(wù)是理論物理學(xué)的無(wú)薪教師（Privatdocent），服兵役歸來(lái)后，1919年斯特恩在法蘭克福大學(xué)開始和玻恩一起工作，玻恩時(shí)任該校理論物理系主任。就在這一年，斯特恩觀察到，注入高真空室內(nèi)的原子或分子沿直線運(yùn)動(dòng)，形成一束粒子流，在某些方面類似于光束。使斯特恩成名的實(shí)驗(yàn)工作就是由此發(fā)展起來(lái)的。1919年，斯特恩對(duì)銀原子束首次應(yīng)用了這一方法，以檢驗(yàn)1850年前后氣體中分子速率的理論計(jì)算結(jié)果。1920年，斯特恩在他的助手彼得·勒特斯和蓋拉赫的幫助下，用實(shí)驗(yàn)事實(shí)無(wú)可辯駁地說(shuō)明了在外加非均勻磁場(chǎng)的作用下，原子的空間取向是量子化的，這就是非常著名的斯特恩－蓋拉赫實(shí)驗(yàn)?？臻g量子化的概念是索末菲1916 年為了描述氫原子在外磁場(chǎng)和外電場(chǎng)作用下的行為而引入量子理論的?？臻g量子化可以滿意地描述正常塞曼效應(yīng)（Zeeman effect）和斯塔克效應(yīng)（Stark effect），對(duì)于解釋X射線譜線和說(shuō)明氦譜問題也起過重要作用。然而在斯特恩－蓋拉赫實(shí)驗(yàn)之前，一直沒有人能夠以實(shí)驗(yàn)證實(shí)空間量子化這一客觀事實(shí)的存在。這一實(shí)驗(yàn)不僅支持了玻爾的定態(tài)軌道原子理論，并且也為“電子自旋”概念的提出提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，大大促進(jìn)了分子束（原子束）實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展。

斯特恩也因?yàn)榘l(fā)展了分子束的方法以及發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子磁矩這兩方面的重要貢獻(xiàn)而獲得了1943年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[2]。

包括斯特恩－蓋拉赫實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的一系列物理理論及實(shí)驗(yàn)成就的取得并沒有功利和實(shí)用性的技術(shù)創(chuàng)新的目標(biāo)因素在其中。從斯特恩實(shí)驗(yàn)研究的資金來(lái)源方面，也有力的佐證了這一點(diǎn)。當(dāng)時(shí)正值第一次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束，玻恩所主持的物理系資金異常緊張。從1920 年1 月 1 始，玻恩連續(xù)面向公眾做了多次有償?shù)年P(guān)于愛因斯坦廣義相對(duì)論的報(bào)告，從中得到了約七千馬克的收入[3]。有了這筆資金作保證，斯特恩的實(shí)驗(yàn)才得以正常進(jìn)行。

美國(guó)著名科學(xué)史家和科學(xué)哲學(xué)家?guī)於髟?962年對(duì)于斯特恩的訪談[4]，印證了斯特恩當(dāng)年的科學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)完全是基于對(duì)于物質(zhì)世界的本質(zhì)進(jìn)行探究的好奇心的，很顯然他沒有也不可能預(yù)見到核磁共振實(shí)驗(yàn)對(duì)于當(dāng)今人類生產(chǎn)和生活的巨大影響。

1.2核磁共振實(shí)驗(yàn)研究在美國(guó)的發(fā)展，核磁共振開始向應(yīng)用研究發(fā)展

1927年6月，申請(qǐng)到哥倫比亞大學(xué)赴歐留學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金的拉比（Isidor Isaac Rabi）攜妻子海倫踏上了赴歐求學(xué)之路。當(dāng)時(shí)，斯特恩已成為了漢堡大學(xué)的物理化學(xué)教授和實(shí)驗(yàn)室主任，并且創(chuàng)建了頗有影響的分子束實(shí)驗(yàn)室。見到斯特恩后，拉比將自己對(duì)于分子束實(shí)驗(yàn)的一個(gè)改進(jìn)思想告訴給了斯特恩，斯特恩立即建議拉比在他的分子束實(shí)驗(yàn)室里將這一想法付諸實(shí)踐。拉比在均勻磁場(chǎng)中完成了他的第一個(gè)分子束實(shí)驗(yàn)。1929年回到美國(guó)后，在哈羅德·尤里（Harold Urey）的幫助下，拉比在哥倫比亞大學(xué)創(chuàng)建了分子束實(shí)驗(yàn)室。[5]從此，原本專攻理論物理的拉比開始了他一系列成就非凡的核磁共振實(shí)驗(yàn)研究。

1944年，拉比由于發(fā)明了精確測(cè)定了一些核磁屬性的方法而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。到這個(gè)時(shí)候，世界上仍沒有將核磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究發(fā)展的端倪出現(xiàn)。

在二戰(zhàn)之前，美國(guó)政府對(duì)科技活動(dòng)的支持僅限于個(gè)別領(lǐng)域，對(duì)全國(guó)科技如何發(fā)展，政府并沒有形成全面影響的指導(dǎo)政策?；A(chǔ)研究是以民間支持自由發(fā)展為主，政府的功能主要體現(xiàn)在立法上。在憲法中規(guī)定了要保護(hù)發(fā)明人的權(quán)益。1790 年制定了保護(hù)專利的第一部法律。1802 年成立了聯(lián)邦專利局。1862 年林肯政府通過了《土地贈(zèng)與法案》(The Land Grant Act)，寬泛地鼓勵(lì)對(duì)教育和研究事業(yè)的支持。總的來(lái)說(shuō)，二戰(zhàn)前美國(guó)基本談不上什么系統(tǒng)的科技政策，政府主要是對(duì)農(nóng)業(yè)部門進(jìn)行適度的支持[6]。而哥倫比亞大學(xué)是一所私立的常春藤盟校，所以拉比的赴歐留學(xué)是一種在當(dāng)時(shí)的政策大環(huán)境下的個(gè)人行為。1963年12月庫(kù)恩對(duì)他進(jìn)行訪談時(shí)，拉比回憶說(shuō)，他認(rèn)為在他去歐洲之前，美國(guó)本土并沒有幾個(gè)真正懂量子力學(xué)的物理學(xué)家，他到歐洲學(xué)習(xí)的主要志向就是要改變美國(guó)物理學(xué)落后的現(xiàn)狀的[9]。在得到在美國(guó)訪問的海森堡的推薦，回到哥倫比亞大學(xué)當(dāng)講師后，拉比能建立分子束實(shí)驗(yàn)室在很大程度上得益于尤里（Harold Urey，一個(gè)1934年獲得諾貝爾獎(jiǎng)的化學(xué)家）的慷慨捐助。尤里將自己7600美元的諾貝爾獎(jiǎng)金的一半給了資金遇到困難的拉比，他對(duì)別人說(shuō)：“那個(gè)人（拉比）將會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)”[7]。

2二戰(zhàn)結(jié)束之后核磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展

2.1核磁共振開始真正進(jìn)入實(shí)用技術(shù)領(lǐng)域

接下來(lái)對(duì)核磁共振研究的理論和實(shí)驗(yàn)作出卓越貢獻(xiàn)的物理學(xué)家是布洛赫（Felix Bloch）和珀塞爾（Edward Mills Purcell）。

與拉比一樣，珀塞爾成長(zhǎng)于美國(guó)本土，作為交換生，1934年珀塞爾到德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Technische Hochschule, Karlsruhe）跟隨光譜學(xué)教授衛(wèi)澤爾（Walter Witzel）學(xué)習(xí)了一年?；貒?guó)后，1938年在哈佛獲得了博士學(xué)位。布洛赫出生于瑞士的一個(gè)猶太人家庭，1928年，在萊比錫師從海森堡獲得了理論物理學(xué)的博士學(xué)位。1933年，迫于形勢(shì)，移居美國(guó)接受了斯坦福大學(xué)的一個(gè)教職。

二戰(zhàn)是美國(guó)科技政策的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

二戰(zhàn)期間，美國(guó)政府向麻省理工學(xué)院的輻射實(shí)驗(yàn)室（Radiation Laboratory）注入資金，羅斯?？偨y(tǒng)任命萬(wàn)尼瓦爾·布什為這一實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)人，率領(lǐng)一大批物理學(xué)家從事軍事研發(fā)的工作，這其中就包括拉比、布洛赫和珀塞爾。這一實(shí)驗(yàn)室無(wú)疑對(duì)美國(guó)在戰(zhàn)后物理學(xué)的研究和發(fā)展影響深遠(yuǎn)，意義重大。也正是這一時(shí)期與拉比等物理學(xué)家的合作和交往為布洛赫和珀塞爾在核磁共振領(lǐng)域的研究和貢獻(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1945年二戰(zhàn)剛一結(jié)束，分別回到斯 2 坦福和哈佛的布洛赫和珀塞爾就同時(shí)用新的方法，在精確測(cè)定物質(zhì)的核磁屬性方面取得了突破和進(jìn)展[8]，并因此而共同榮獲了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

要強(qiáng)調(diào)的是，他們的核磁共振研究并沒有政府行為的影響，而且研究所需的經(jīng)費(fèi)也不是從政府或是有利益訴求的投資方來(lái)取得的。

布洛赫回憶說(shuō)，當(dāng)他們想在斯坦福建造一臺(tái)回旋加速器和購(gòu)置一些設(shè)備時(shí)，首先碰到的就是資金來(lái)源問題，他們甚至沒有得到校方的任何支持和幫助，而最終是從洛克菲勒基金會(huì)（Rockefeller Foundation）獲取到了資助，而洛克菲勒基金會(huì)的宗旨是為了“促進(jìn)全人類的安康”而進(jìn)行無(wú)償援助的。并且當(dāng)時(shí)基金會(huì)的管理人員也完全清楚布洛赫他們是以純基礎(chǔ)科學(xué)研究為目的的[9]。那么同樣，當(dāng)時(shí)他們從事核磁共振研究的資金也主要是自籌為主。

1946年7月，幫助軍方研究微波雷達(dá)的拉塞爾·瓦里安（Russell Varian）也回到了斯坦福，作為物理學(xué)教授漢森的實(shí)驗(yàn)助手，他卻敏銳地意識(shí)到了核磁共振技術(shù)在化學(xué)分析領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，捕捉到了其商機(jī)所在。雖然布洛赫和漢森對(duì)此并不以為然，可瓦里安還是促使他們倆人在1948年共同取得了這一技術(shù)的專利權(quán)。同年4月，瓦里安兄弟倆共同創(chuàng)建了以核磁共振技術(shù)應(yīng)用為目的的瓦里安公司。

就在布洛赫和珀塞爾獲獎(jiǎng)的1952年，瓦里安公司研制出了世界上第一臺(tái)商用核磁共振波譜測(cè)定儀（Varian HR-30），同年9月，這臺(tái)儀器在德州貝城市的一家石油公司（Humble Oil company）里投入使用。

在諾貝爾頒獎(jiǎng)宴會(huì)演說(shuō)（Banquet Speech）中，珀塞爾表達(dá)了對(duì)和他共同研究這一課題的一些國(guó)內(nèi)及國(guó)際同行的感激，介紹了他們的一些重要研究成果。并由衷贊賞了科學(xué)家同行們?cè)诠餐芯繂栴}時(shí)，互相之間毫無(wú)保留的無(wú)私精神[10]。這也從一個(gè)側(cè)面反映了當(dāng)時(shí)布洛赫及其他科學(xué)家的研究在主觀上是排除技術(shù)創(chuàng)新或是任何商業(yè)動(dòng)機(jī)在外的。

2.2核磁共振技術(shù)創(chuàng)新、發(fā)展和應(yīng)用的全面繁榮 上世紀(jì)五十年代，核磁共振在理論上也不斷取得突破和創(chuàng)新，比如在分析和解釋弛豫現(xiàn)象方面，先后有1953年布洛赫提出的布洛赫方程(Bloch equations)，1955年所羅門提出的所羅門方程（Solomon equations），和1957年雷德菲爾德理論（Redfield theory）等[11]。

從第一臺(tái)商用核磁共振波譜測(cè)定儀誕生之后起，核磁共振技術(shù)就迅速向應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域不斷取得突破和進(jìn)展。而這些進(jìn)展則幾乎都和一些科技公司或是技術(shù)創(chuàng)新的訴求相聯(lián)系，已不再像早期發(fā)展的那樣，主要是以基礎(chǔ)科學(xué)研究為目的了。

1962年，世界上第一臺(tái)超導(dǎo)磁體的核磁共振波譜測(cè)定儀在瓦里安公司誕生。

1965年，在瓦里安公司工作的恩斯特（Richard R Ernst）提出了利用核磁共振技術(shù)來(lái)測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新方法，將傅立葉變換方法真正引入到了核磁共振技術(shù)中，相對(duì)于化學(xué)界所使用的傳統(tǒng)光譜學(xué)方法，這一創(chuàng)新數(shù)十甚至數(shù)百倍的提高了物質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定的敏感度。

1966年到1968年間，為了用傅立葉變換方法處理大量的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)引入到了核磁共振的數(shù)據(jù)處理和程序控制當(dāng)中。

1970年，世界上第一臺(tái)用于商業(yè)化目的的超導(dǎo)磁體傅立葉變換核磁共振波譜測(cè)定儀在德國(guó)的布魯克公司（Bruker Company）正式生產(chǎn)。

1971年美國(guó)科學(xué)家雷蒙德·達(dá)馬迪安（Raymond Damadian）在實(shí)驗(yàn)鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了腫瘤和正常組織之間核磁共振信號(hào)有明顯的差別，從而揭示了核磁共振技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。

1973年保羅·勞特布爾（Paul C Lauterbur）和彼得·曼斯菲爾德（Peter Mansfield）分別獨(dú)立地發(fā)表文章，來(lái)闡述核磁共振成像的原理[12][13]。他們都認(rèn)為用線性梯度場(chǎng)來(lái)獲取核磁共振的空間分辨率是一種有效的解決方案，因而為核磁共振成像奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。就在同一年，世界上第一幅二維核磁共振圖像產(chǎn)生。

1974年，勞特布爾獲得活鼠的核磁共振圖像。1976年曼斯菲爾德獲得世界上第一幅人體斷層像。

從此，核磁共振成像技術(shù)（MRI）向醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用和其他更廣泛的領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，引發(fā)了眾多學(xué)科的基礎(chǔ)研究和技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的深刻變革。

二十世紀(jì)八十年代，在約翰·芬恩（John B Fenn）、田中耕一（Koichi Tanaka）和科特·維特里希（Kurt Wüthrich）等科學(xué)家的共同努力下，又成功地解決了生物大分子的核磁共振波譜測(cè)量技術(shù)，這對(duì)于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論的研究都有不可估量的重要意義[14]。例如，他們的成果幾乎立即就對(duì)生物制藥領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻的影響，特別是在上世紀(jì)九十年代對(duì)艾滋病藥物的研制有突出的貢獻(xiàn)。他們也因此而榮獲了2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

到目前為止，核磁共振技術(shù)的發(fā)展仍然方興未艾。該技術(shù)在物理學(xué)的量子信息處理方面，在化學(xué)領(lǐng)域的分子結(jié)構(gòu)測(cè)試及有機(jī)合成反應(yīng)等方面，在心理學(xué)及精神衛(wèi)生方面，在生物和食品制造加工方面，在煤層勘探和油氣測(cè)量方面，在測(cè)井技術(shù)方面，在木材加工和處理方面，在造紙技術(shù)方面等等眾多領(lǐng)域基礎(chǔ)理論的研究和突破以及應(yīng)用等方面都有著非常重要的貢獻(xiàn)和潛在的技術(shù)創(chuàng)新前景。

3結(jié)語(yǔ)

核磁共振研究的發(fā)展歷程告訴我們，這一科學(xué)研究在不同的發(fā)展階段是呈現(xiàn)出不同的鮮明特點(diǎn)的。正因?yàn)槠湓诨A(chǔ)研究和應(yīng)用研究?jī)煞矫嫘纬闪肆己玫碾p向互動(dòng)關(guān)系，所以在近百年來(lái)，核磁共振研究才在人類的眾多研究、生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中作出了卓越的貢獻(xiàn)。

有統(tǒng)計(jì)表明，在諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)中，屬于重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和重大理論突破而獲獎(jiǎng)的比例平均在80%左右[15]。因此，很顯然諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的大部分是屬于基礎(chǔ)研究的。換言之，一個(gè)國(guó)家在某個(gè)時(shí)期內(nèi)所獲的諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的數(shù)量基本可以代表這個(gè)國(guó)家在那個(gè)時(shí)期的基礎(chǔ)科學(xué)的研究水平。到目前為止，有關(guān)于核磁共振技術(shù)而頒發(fā)的十項(xiàng)諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)中，有六項(xiàng)的主要貢獻(xiàn)是美國(guó)的科學(xué)家所做出的，因而核磁共振研究從一個(gè)側(cè)面反映和代表了美國(guó)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位，體現(xiàn)出了美國(guó)的基礎(chǔ)科學(xué)研究和科技創(chuàng)新之間非常密切的關(guān)聯(lián)度和良性互動(dòng)關(guān)系。這些情況都充分表明，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究并重對(duì)一個(gè)國(guó)家的科技發(fā)展至關(guān)重要，只有在它們同時(shí)堅(jiān)實(shí)而穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)上，形成良好的雙向互動(dòng)關(guān)系，才能真正為一個(gè)國(guó)家的科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、文化等各方面的發(fā)展提供持久強(qiáng)勁的推動(dòng)力。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Daniel Kleppner.A short history of atmoic physics in the twentieth century[J].Rev.Mod.Phys., Vol.71, No.2, Centenary 1999.[2] The Nobel Foundation.Otto Stern-Biography [EB/OL] [2010-10-13].Stockholm: The Nobel Foundation.http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1943/stern.html [3]Greenspan N T.The end of the certain world-the life and science of Max ·Born [M].John Wiley﹠Sons , Ltd , 2005 :92293.[4] Thomas S.Kuhn.Oral History Transcript-Dr.Otto Stern [J/OL](1962-05-29,1963-05-30)[2010-10-15].American Institute of Physics.http:// [5]Thomas S.Kuhn.Oral History Transcript-Dr.I.I.Rabi [J/OL](1963-12-08)[2010-10-15].American Institute of Physics.http:// [6]黃先智,美國(guó)科技政策的演變及特點(diǎn)[J].云南科技管理.2003,2:50-52.[7]Jeremy Bernstein.Experiencing Science[M].New York:Basic Books,Inc.,Pub.1978:38-129.[8]F.Bloch, W.W.Hansen, M.Packard.Nuclear Induction[J].Phys.Rev 69, 1948,127.[9]Charles Weiner.Oral History Transcript-Dr.Felix Bloch [J/OL](1968-08-15)[2010-10-15].American Institute of Physics.http:// [10]E.M.Purcell.E.M.Purcell –Banquet Speech [J/OL](1952-12-10)[2010-10-19] Stockholm: The Nobel Foundation.http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1952/purcell-speech.html [11] J.W.Emsley,J.Feeney.Forty years of Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy[R/OL]// Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 50 ,2007: 179–198 [2010-10-20].http://004km.cn/wps/find/journaldescription.cws_home/525435/description#description [12]P.C.Lauterbur, Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance[J], Nature ,1973,242:190–191.[13]Peter Mansfield,P K Grannell.NMR ‘diffraction’ in solids[J].Physics.C:Solid State Physics, 1973,6:422.[14]傅杰青,禹寬平.2003年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)給科學(xué)界的多重啟示（上）[J].醫(yī)學(xué)與哲學(xué),2004,25(2):18-20.[15]路甬祥.規(guī)律與啟示_從諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)與20世紀(jì)重大科學(xué)成就看科技原始創(chuàng)新的規(guī)律.西安:西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)[J].2000,12.3-11.The Development and Enlightenment of Nuclear Magnetic Resonance

Liu Zhijun(The Institute for the History of Natural Science,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190)（Department of Physics and Electronics,Xinzhou Teacher’s University,Shanxi Xinzhou 034000,China)

Abstract: It is well known that the development of NMR has made great contributions not only to the basic theories of many disciplines but also to the production and people’s livelihood.It clearly revealed the characteristics of stage on the development of NMR, as well as the dynamic and complicated interaction between the basic science and the applied technology to select the development of NMR as a typical case in this thesis.Finally through the analysis and summary，It puts forward some insight in this thesis for the purpose of progress and innovation in science and technology in our country.Key words:nuclear magnetic resonance(NMR);Nobel Prize;basic theory;applied research

第三篇：數(shù)字化石油鉆井系統(tǒng)框架研究

數(shù)字化石油鉆井系統(tǒng)框架研究

楊傳書

在信息技術(shù)迅猛發(fā)展、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，國(guó)內(nèi)外大公司、大企業(yè)紛紛加強(qiáng)信息化建設(shè)，優(yōu)化工作流程，提高技術(shù)和管理水平，以期達(dá)到提高核心競(jìng)爭(zhēng)力、創(chuàng)新增效的目的。信息化如何帶動(dòng)石油勘探開發(fā)這個(gè)傳統(tǒng)的工業(yè)完成新一輪的革命,我國(guó)很多石油企業(yè)紛紛開始了數(shù)字油田的研究與建設(shè)。而石油鉆井作為上游業(yè)務(wù)中耗費(fèi)投資最大又對(duì)石油勘探開發(fā)水平產(chǎn)生重大影響的工程技術(shù)服務(wù)板塊，其信息化也已經(jīng)得到石油企業(yè)的高度重視。在數(shù)字油田建設(shè)的大背景下，數(shù)字化石油鉆井系統(tǒng)建設(shè)也已經(jīng)成為了石油鉆井行業(yè)信息化的代名詞。石油鉆井行業(yè)的特點(diǎn)及面臨的形勢(shì)

石油鉆井是石油勘探開發(fā)業(yè)務(wù)流程中最重要的環(huán)節(jié)之一。它是最直接的勘探手段，只有通過鉆井才能最終確定油氣藏的存在。它是實(shí)現(xiàn)石油開發(fā)（開采）的惟一途徑，油氣只有通過鉆井井眼才能輸送到地面。鉆井施工作業(yè)大多在荒郊野外，而且大多沒有進(jìn)行過大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，地理?xiàng)l件復(fù)雜，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的管理和技術(shù)支持極為不便。

目前，世界石油鉆井行業(yè)面臨著以下嚴(yán)峻的形勢(shì)：

1．技術(shù)上，要在越來(lái)越復(fù)雜的地質(zhì)條件下達(dá)到越來(lái)越高的中靶精度；管理上，石油企業(yè)需要大幅度降低成本，要求鉆井管理更加精細(xì)化、決策更加科學(xué)化。

2．石油鉆井工程涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是一個(gè)人員與技術(shù)高度密集，集技術(shù)、管理與經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)等為一體的系統(tǒng)工程，也是融合多學(xué)科技術(shù)知識(shí)的一項(xiàng)綜合工程，要提高整體水平難度很大。

3．鉆井工程投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，鉆井過程中所使用的技術(shù)方法和專業(yè)技術(shù)人員、管理人員所做出的各項(xiàng)決策、制定的方案等都直接關(guān)系到鉆井施工的效益和成敗。

全世界的鉆井服務(wù)商都面臨著前所未有的來(lái)自經(jīng)濟(jì)與技術(shù)兩個(gè)方面的巨大挑戰(zhàn)。國(guó)外很多油公司和鉆井工程承包商在這方面走在了我們的前面，他們已經(jīng)逐步建立起了先進(jìn)的鉆井信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化施工。國(guó)外鉆井信息系統(tǒng)的發(fā)展情況及特點(diǎn)

國(guó)外鉆井服務(wù)商早在20世紀(jì)80年代開始就將信息技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)指揮中，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。到90年代，開始研究建立集鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信息傳輸、鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)、鉆井工程設(shè)計(jì)、鉆井施工監(jiān)測(cè)和鉆井生產(chǎn)指揮為一體的鉆井信息系統(tǒng)。鉆井參數(shù)自動(dòng)采集，生產(chǎn)信息及時(shí)送入現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)，通過通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到總部信息中心，經(jīng)過專家會(huì)診做出決策，反饋到鉆井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，指揮鉆井生產(chǎn)。

國(guó)外比我們提前近10幾年進(jìn)行鉆井信息技術(shù)的開發(fā)利用。由于采用了先進(jìn)的技術(shù)及與其相對(duì)應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)、應(yīng)用軟件，將信息技術(shù)很好地應(yīng)用到了鉆井生產(chǎn)中，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，使得鉆井水平、速度有了很大提高?？梢哉f(shuō)國(guó)外鉆井信息技術(shù)應(yīng)用比較成功的國(guó)家，鉆井隊(duì)已到了離開計(jì)算機(jī)就無(wú)法打井的水平。

美國(guó)蘭德馬克(LANDMARK)鉆井?dāng)?shù)據(jù)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了鉆井、完井和老井維修數(shù)據(jù)資料的一體化管理。意大利阿吉樸(AGIP)公司的鉆井信息系統(tǒng)是一套非常先進(jìn)的鉆井信息系統(tǒng)，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了鉆井?dāng)?shù)據(jù)資料的實(shí)時(shí)采集和處理。整個(gè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、衛(wèi)星通訊和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三大部分，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)模型和人工智能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，對(duì)與鉆井工程關(guān)系密切的、影響鉆井安全的、經(jīng)濟(jì)的幾個(gè)方面作了高水平的開發(fā)。BPAmoco，Texaxo 和EnterpriseOil等著名石油公司都已實(shí)現(xiàn)了一體化的數(shù)據(jù)管理和決策支持信息系統(tǒng)，有力地支持了公司決策，大大提高了生產(chǎn)效率，有效地降低了生產(chǎn)成本。

國(guó)外鉆井信息系統(tǒng)普遍存在以下特點(diǎn)： 1．信息量大，信息覆蓋面廣 2．網(wǎng)絡(luò)健全，應(yīng)用系統(tǒng)豐富

3．信息系統(tǒng)充分利用石油鉆井最新技術(shù)成果 4．軟件與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密

5．鉆井信息系統(tǒng)基于一體化的解決方案

因?yàn)樾畔⒒ㄔO(shè)的投入產(chǎn)生了良好的效益，因此許多大公司敢于不斷加大信息化投資力度，從而產(chǎn)生更大的效益，使得信息化建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了良性發(fā)展軌道。我國(guó)石油鉆井信息化建設(shè)的差距

自20世紀(jì)末期，我國(guó)石油企業(yè)開始了以鉆井資料管理系統(tǒng)應(yīng)用為代表的鉆井信息化建設(shè)。經(jīng)過多年的探索和實(shí)踐，大部分企業(yè)都建立了鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)，研發(fā)或配套了部分應(yīng)用軟件。這些系統(tǒng)促進(jìn)了鉆井技術(shù)水平的提高，一定程度上降低了鉆井成本，但與國(guó)外鉆井信息系統(tǒng)相比仍然存在很大差距，與我們國(guó)內(nèi)鉆井行業(yè)的自身要求仍然不相適應(yīng)。主要表現(xiàn)在：

1．鉆井?dāng)?shù)據(jù)的自動(dòng)采集率低、實(shí)時(shí)性差。目前雖然在自動(dòng)采集軟件和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面取得了很好的進(jìn)展，但就全國(guó)而言應(yīng)用覆蓋率仍然很低。

2．各企業(yè)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)良莠不齊，都還沒有涵蓋鉆井信息系統(tǒng)相關(guān)的全部數(shù)據(jù)，比如鉆前數(shù)據(jù)、固井?dāng)?shù)據(jù)、管具數(shù)據(jù)、HSE數(shù)據(jù)、專家知識(shí)數(shù)據(jù)以及勘探開發(fā)等關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等等，使得鉆井信息應(yīng)用難以得到全面的信息支持。

3．現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)的集成度和深度不夠。雖然現(xiàn)有的系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的查詢、數(shù)據(jù)處理、鉆井調(diào)度等方面都做了不少工作，但是缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的更深層次分析處理、綜合利用以及對(duì)鉆井全過程的協(xié)同管理與指揮功能，鉆井的智能化程度還很低，這些都是勝利鉆井信息系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決的問題。

4．對(duì)鉆井信息化的管理滯后。雖然各企業(yè)或多或少地建立了相應(yīng)的考核體系和獎(jiǎng)懲制度，但由于管理體制改革力度不夠，導(dǎo)致系統(tǒng)的推廣應(yīng)用效果不盡人意，尤其是數(shù)據(jù)不能按規(guī)定及時(shí)、準(zhǔn)確、完整地采集入庫(kù)，使得整個(gè)系統(tǒng)效率難以充分發(fā)揮，這就給后續(xù)的許多深層次的信息應(yīng)用造成很大的阻礙。

5．基礎(chǔ)設(shè)施不能滿足應(yīng)用需求。我國(guó)石油鉆井企業(yè)的服務(wù)器配置和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面不能滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用的需求。

數(shù)字化石油鉆井系統(tǒng)目標(biāo)及框架

數(shù)字化石油鉆井系統(tǒng)是包括鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)、鉆井應(yīng)用軟件和鉆井基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的鉆井綜合信息系統(tǒng)，是在數(shù)字油田的大背景下提出的。數(shù)字化石油鉆井系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是：建設(shè)一套與國(guó)際接軌的具有國(guó)際先進(jìn)水平的鉆井信息系統(tǒng)，形成集鉆井基層隊(duì)、鉆井專業(yè)公司（研究院）、油田總部為一體的，能夠滿足市場(chǎng)開拓、生產(chǎn)、管理、科研、經(jīng)營(yíng)、HSE管理等需求的信息體系，提升我國(guó)鉆井行業(yè)和鉆井企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

石油鉆井的主流程是從市場(chǎng)信息的收集與分析開始，經(jīng)過地質(zhì)設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、鉆前以及鉆井施工過程，其中鉆井施工過程還包括管具及井控、欠平衡、泥漿、固井、定向井及取心服務(wù)等子流程和錄井、測(cè)井、試油（或中途測(cè)試）等關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，流程所涉及的單位除了鉆井隊(duì)外，還有鉆井設(shè)計(jì)單位、鉆前施工隊(duì)、固井隊(duì)、定向技術(shù)服務(wù)隊(duì)、欠平衡服務(wù)隊(duì)、泥漿服務(wù)隊(duì)、錄井隊(duì)、測(cè)井隊(duì)、試油隊(duì)，以及上層的鉆井公司、鉆井研究機(jī)構(gòu)和技術(shù)服務(wù)等單位。在全面考慮鉆井全過程所涉及到的數(shù)據(jù)以及各單位從事生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)所需要的應(yīng)用功能，從鉆井?dāng)?shù)據(jù)的采集與管理、上層應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)與基礎(chǔ)設(shè)施配套等三方面提出數(shù)字化石油鉆 井的總體框架設(shè)計(jì)，見圖1。

上層應(yīng)用專業(yè)輔助應(yīng)用系統(tǒng)（數(shù)據(jù)挖掘等深層次）生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)保障數(shù)據(jù)發(fā)布與檢索系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控與管理系統(tǒng)管理制度與考核措施檔案培訓(xùn)生產(chǎn)科研鉆井設(shè)計(jì)鉆井工程鉆井實(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范專家知識(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)管理基建裝備生產(chǎn)財(cái)務(wù)HSE市場(chǎng)企管網(wǎng)絡(luò)與基礎(chǔ)設(shè)施后勤支撐鉆前管具泥漿定向固井供應(yīng)運(yùn)輸維修人力資源組織勞資工會(huì)團(tuán)委計(jì)生外部關(guān)聯(lián)勘探開發(fā)錄井測(cè)井測(cè)試地面數(shù)據(jù)中心 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（軟件）圖1 數(shù)字化石油鉆井總體技術(shù)框架

1.數(shù)據(jù)采集與管理體系

數(shù)據(jù)采集體系是從滿足鉆井生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求的角度出發(fā)，通過數(shù)據(jù)采集軟件和硬件，將鉆井生產(chǎn)科研、經(jīng)營(yíng)管理、后勤支撐、人力資源以及關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)等5大類源頭數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行采集管理，做到各種數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)發(fā)生的第一時(shí)間以統(tǒng)一的格式一次性入庫(kù)并通過校驗(yàn)，直接進(jìn)入鉆井?dāng)?shù)據(jù)中心集中管理，同時(shí)支持上層各類業(yè)務(wù)管理的應(yīng)用和數(shù)據(jù)的深層次處理應(yīng)用。這些數(shù)據(jù)在邏輯上構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的庫(kù)，稱為石油鉆井?dāng)?shù)據(jù)中心，其內(nèi)容構(gòu)成如圖2所示。

數(shù)據(jù)發(fā)布與檢索系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控與維護(hù)系統(tǒng)生產(chǎn)科研鉆井設(shè)計(jì)鉆井工程鉆井實(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范專家知識(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)管理基建裝備生產(chǎn)財(cái)務(wù)HSE市場(chǎng)企管后勤支撐鉆前管具泥漿定向固井供應(yīng)運(yùn)輸維修檔案培訓(xùn)人力資源組織勞資工會(huì)團(tuán)委計(jì)生外部關(guān)聯(lián)勘探開發(fā)錄井測(cè)井測(cè)試地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（軟件）圖2 “數(shù)字化石油鉆井”數(shù)據(jù)中心構(gòu)成

生產(chǎn)科研類數(shù)據(jù)包括鉆井設(shè)計(jì)、鉆井工程、鉆井實(shí)時(shí)、鉆井技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、鉆井專家知識(shí)等5小類。

經(jīng)營(yíng)管理類數(shù)據(jù)包括基建、裝備、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、財(cái)務(wù)、HSE管理、市場(chǎng)信息、企管合同等7小類。

后勤支撐類數(shù)據(jù)可分為鉆前、管具、泥漿、定向、固井、物資供應(yīng)、運(yùn)輸、維修、檔案、培訓(xùn)等10小類。

人力資源類數(shù)據(jù)包括組織、勞資、工會(huì)、團(tuán)委、計(jì)生等5小類。

外部關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)類數(shù)據(jù)包括勘探、開發(fā)、錄井、測(cè)井、測(cè)試、地面建設(shè)等6小類。2.上層應(yīng)用體系

數(shù)字化石油鉆井系統(tǒng)還包括很多數(shù)據(jù)應(yīng)用型軟件，這些是真正發(fā)揮鉆井信息效率的系統(tǒng)，主要分為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理和專業(yè)輔助應(yīng)用2類，如圖3所示。

專家咨詢決策中心鉆井?dāng)?shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)鉆井地質(zhì)環(huán)境描述及實(shí)鉆軌跡描述系統(tǒng)鉆井專家系統(tǒng)鉆井計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)隨鉆地震信息處理系統(tǒng)? ?專業(yè)輔助應(yīng)用系統(tǒng)（數(shù)據(jù)挖掘等深層次）生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理應(yīng)用系統(tǒng)鉆井設(shè)計(jì)系統(tǒng)鉆井協(xié)同調(diào)度指揮系統(tǒng)鉆井管具管理系統(tǒng)鉆井基層隊(duì)資質(zhì)管理系統(tǒng)鉆井HSE管理系統(tǒng)鉆井質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)鉆井物流及成本管理系統(tǒng)綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)鉆井財(cái)務(wù)網(wǎng)上結(jié)算系統(tǒng)? ?生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)組織中心 圖3 數(shù)字化石油鉆井上層應(yīng)用軟件構(gòu)成

生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理類軟件主要由鉆井設(shè)計(jì)系統(tǒng)、鉆井協(xié)同調(diào)度指揮系統(tǒng)、鉆井管具管理系統(tǒng)、鉆井基層隊(duì)資質(zhì)管理系統(tǒng)、鉆井HSE管理系統(tǒng)、鉆井質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)、鉆井物流成本管理系統(tǒng)、鉆井企業(yè)綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)等MIS系統(tǒng)構(gòu)成，該類應(yīng)用主要是圍繞鉆井生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)組織工作進(jìn)行的。

（1）鉆井設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能主要包括鉆井工程設(shè)計(jì)和管理、鉆井軌跡設(shè)計(jì)、固井工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、鉆具受力分析、欠平衡鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)應(yīng)該采用網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上共享。

（2）鉆井協(xié)同調(diào)度指揮系統(tǒng)是以GIS為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)方式將鉆井生產(chǎn)與管理的所有單位和部門組織在一個(gè)虛擬辦公室內(nèi)，通過信息的實(shí)時(shí)采集和指令的實(shí)時(shí)傳遞，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同調(diào)度，從而提高信息的準(zhǔn)確性和調(diào)度效率。

（3）鉆井管具管理系統(tǒng)功能主要包括鉆井管具（管材、鉆具、井控設(shè)備等）的準(zhǔn)備、跟蹤與管理也是鉆井大流程中的重要組成部分，它幾乎貫穿鉆井全過程。管具管理的效率直接關(guān)系到現(xiàn)場(chǎng)管具供應(yīng)質(zhì)量和速度，也直接影響整個(gè)鉆井質(zhì)量和速度。鉆井管具管理系統(tǒng)是對(duì)管具公司所有管具的整個(gè)生命周期進(jìn)行管理，提高管理水平和服務(wù)水平。

（4）鉆井基層隊(duì)資質(zhì)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井基層隊(duì)伍的規(guī)范、量化管理。（5）鉆井HSE管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)HSE及執(zhí)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理與監(jiān)控。

（6）鉆井質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)是對(duì)鉆井質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，主要包含井身質(zhì)量評(píng)價(jià)、固井質(zhì)量評(píng)價(jià)、井口質(zhì)量評(píng)價(jià)、取芯質(zhì)量評(píng)價(jià)等。

（7）鉆井物流及成本管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井物流和鉆井成本管理。

（8）綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)主要處理鉆井各單位的日常辦公和管理業(yè)務(wù)，比如生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、公文管理、車輛管理、內(nèi)部交流、黨政事務(wù)等等，各單位的管理方式不同，所要求的功能也不盡相同，但業(yè)務(wù)項(xiàng)大體相同。

專業(yè)輔助應(yīng)用是利用人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、進(jìn)化計(jì)算等新理論與技術(shù)同室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)行鉆井工程計(jì)算機(jī)建模及數(shù)據(jù)挖掘，以最大程度地發(fā)揮信息資源的優(yōu)勢(shì)。它主要包括鉆井?dāng)?shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)、鉆井地質(zhì)環(huán)境描述及實(shí)鉆軌跡描述系統(tǒng)、鉆井專家系統(tǒng)、鉆井計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)、隨鉆地震信息處理系統(tǒng)等等，該類應(yīng)用主要是圍繞鉆井技 5 術(shù)專家咨詢決策進(jìn)行的。各系統(tǒng)的主要功能簡(jiǎn)介如下：

（1）鉆井?dāng)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包括以下部分：鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析技術(shù)研究；鉆井綜合成本分析；底部鉆具分析；時(shí)效分析；與勘探開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)、油藏描述數(shù)據(jù)庫(kù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)、地質(zhì)錄井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的接口；井身結(jié)構(gòu)和套管的優(yōu)化設(shè)計(jì)；對(duì)實(shí)鉆數(shù)據(jù)的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)；鉆井施工措施實(shí)時(shí)優(yōu)化；井眼軌跡設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)和監(jiān)控。

（2）鉆井地質(zhì)環(huán)境描述及實(shí)鉆軌跡描述系統(tǒng)是對(duì)地層構(gòu)造、設(shè)計(jì)軌跡、靶點(diǎn)、老井井眼軌跡、正施工井井眼軌跡等進(jìn)行三維顯示，供現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員用于進(jìn)行油井路徑和鉆頭空間方位的觀察與監(jiān)視，并且與事先輸入的鉆井設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員提供鉆頭的實(shí)際空間方位與設(shè)計(jì)空間方位之間的偏離信息，為操作人員控制鉆頭的走向提供可靠的依據(jù)，以便隨時(shí)調(diào)整鉆井工藝，實(shí)現(xiàn)可視化鉆井。

（3）鉆井專家系統(tǒng)主要是利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)資源（實(shí)鉆數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)），結(jié)合先進(jìn)的鉆井技術(shù)，建立合理的模型，智能地處理鉆井施工中的各種問題，達(dá)到預(yù)防和處理事故，提高鉆井速度，降低鉆井成本之目的。

（4）鉆井計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)在快速準(zhǔn)確地提供信息的基礎(chǔ)上，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論、人工智能方法等，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)工程施工提供可選擇的最優(yōu)方案。

（5）隨鉆地震的信息處理系統(tǒng)對(duì)鉆頭鉆進(jìn)過程中鉆頭與鉆遇地層之間的撞擊、摩擦所產(chǎn)生的微弱地震信號(hào)作為信號(hào)源進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)鉆井過程時(shí)實(shí)監(jiān)測(cè)的手段，及時(shí)為鉆井工程師和決策者提供相關(guān)信息。3.基礎(chǔ)設(shè)施配套體系

基礎(chǔ)設(shè)施保障方面，需要從鉆井基層隊(duì)—>鉆井公司—>油田—>集團(tuán)總部進(jìn)行一系列的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建設(shè)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集儀器配備、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、服務(wù)器配備以及其他相關(guān)設(shè)施的配套建設(shè)。鉆井基層隊(duì)需要配備鉆井參數(shù)儀、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)和無(wú)線上網(wǎng)設(shè)備（如GPRS/CDMA卡），在偏遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠和海洋等地施工的鉆井隊(duì)還需要配備衛(wèi)星地面站，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和施工的遠(yuǎn)程指揮；鉆井公司以上單位則重點(diǎn)是配備滿足數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用軟件運(yùn)行所需的服務(wù)器，應(yīng)該根據(jù)所需量力而行，不可盲目貪大。為了生產(chǎn)調(diào)度的方便，可以為鉆井公司配備大屏幕等設(shè)施，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、可視化調(diào)度指揮?；A(chǔ)設(shè)施的邏輯部署如圖4所示。

衛(wèi)星攝像機(jī)GPRS/CDMA計(jì)算機(jī)鉆井隊(duì)參數(shù)儀鉆井隊(duì)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用計(jì)算機(jī)參數(shù)儀存儲(chǔ)鉆井分公司軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用千兆網(wǎng)存儲(chǔ)鉆井技術(shù)公司千兆網(wǎng)存儲(chǔ)鉆井分公司軟件應(yīng)用存儲(chǔ)固井公司千兆網(wǎng)存儲(chǔ)管具公司千兆網(wǎng)主干網(wǎng)千兆網(wǎng)大屏幕(7）千兆網(wǎng)千兆網(wǎng)油田總部IBM軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用存儲(chǔ)鉆井總公司存儲(chǔ)

圖4 數(shù)字化石油鉆井基礎(chǔ)設(shè)施邏輯結(jié)構(gòu)

效益分析

對(duì)于石油鉆井這個(gè)融合多學(xué)科技術(shù)知識(shí)、投資大、風(fēng)險(xiǎn)高的綜合工程來(lái)說(shuō)，所使用的技術(shù)方法以及中、高層專業(yè)技術(shù)人員和管理人員所做出的各項(xiàng)決策分析、制定的目標(biāo)方案都直接關(guān)系到鉆井施工的效益和成敗。另外，鉆井作業(yè)地區(qū)從陸地到海洋，從高原到沙漠，復(fù)雜多變，地域遼闊，有的自然條件極其惡劣，遠(yuǎn)離人煙，偏遠(yuǎn)、荒蕪，給施工帶來(lái)極大的不便，因此，若仍按石油工業(yè)的傳統(tǒng)方式組織和指揮施工，將要耗費(fèi)巨大的成本和代價(jià)。另外，由于地質(zhì)情況的多變性和復(fù)雜性，鉆井工藝技術(shù)的發(fā)展不僅需要多種理論知識(shí)的指導(dǎo)，而更重要的是通過鉆井過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)資料的分析處理，形成規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，完善和優(yōu)化鉆井工藝技術(shù)，達(dá)到提高鉆井速度、降低鉆井成本、減少鉆井過程對(duì)油藏污染的目的。這些都離不開信息技術(shù)的應(yīng)用。

數(shù)字化石油鉆井系統(tǒng)建設(shè)能夠?qū)@井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷采集、傳輸，經(jīng)過軟件處理，專家會(huì)診后再把決策指令反饋到鉆井隊(duì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)最優(yōu)化鉆井施工?？梢允广@井和油藏地質(zhì)人員“透視”地下三維圖像以實(shí)時(shí)地監(jiān)督正鉆和待鉆的井身軌跡。系統(tǒng)將綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、綜合性軟件集成技術(shù)和Internet技術(shù)，使鉆井過程控制和優(yōu)化鉆井達(dá)到新水平，使石油鉆井的信息共享和技術(shù)應(yīng)用突破地域的界限，各學(xué)科專家組成的項(xiàng)目工作組遠(yuǎn)程協(xié)同工作成為現(xiàn)實(shí)。

數(shù)字化石油鉆井系統(tǒng)的最終價(jià)值主要有四個(gè)方面：降低鉆井成本；整體提高鉆井技術(shù)水平，從而提高石油勘探開發(fā)效率；提高鉆井安全性；提高鉆井系統(tǒng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，從而創(chuàng)造更高的效益。

作者簡(jiǎn)介：楊傳書，男，勝利油田鉆井工藝研究院鉆井信息中心工程師。他長(zhǎng)期從事石油軟件研發(fā)與項(xiàng)目管理、石油企業(yè)信息化研究工作?，F(xiàn)正在參加國(guó)家863科技攻關(guān)項(xiàng)目“PetroDW 關(guān)鍵技術(shù)研究”以及數(shù)字化石油鉆井系統(tǒng)研究工作。

第四篇：核磁共振方法研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

核磁共振方法研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

維特里希教授創(chuàng)建的方法是對(duì)水溶液中的蛋白質(zhì)樣品測(cè)定一系列不同的二維核磁共振圖譜，然后根據(jù)已確定的蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)，通過對(duì)各種二維核磁共振圖譜的比較和解析，在圖譜上找到各個(gè)序列號(hào)氨基酸上的各種氫原子所對(duì)應(yīng)的峰。有了這些被指認(rèn)的峰，就可以根據(jù)這些峰在核磁共振譜圖上所呈現(xiàn)的相互之間的關(guān)系得到它們所對(duì)應(yīng)的氫原子之間的距離?？梢韵胂?，正是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子具有空間結(jié)構(gòu)，在序列上相差甚遠(yuǎn)的兩個(gè)氨基酸有可能在空間距離上是很近的，它們所含的氫原子所對(duì)應(yīng)的NMR峰之間就會(huì)有相關(guān)信號(hào)出現(xiàn)。通常，如果兩個(gè)氫原子之間距離小于0.5納米的話，它們之間就會(huì)有相關(guān)信號(hào)出現(xiàn)。一個(gè)由幾十個(gè)氨基酸殘基組成的蛋白質(zhì)分子可以得到幾百個(gè)甚至幾千個(gè)這樣與距離有關(guān)的信號(hào)，按照信號(hào)的強(qiáng)弱把它們轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的氫原子之間的距離，然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序根據(jù)所得到的距離條件模擬出該蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)既要滿足從核磁共振圖譜上得到的所有距離條件，還要滿足化學(xué)上有關(guān)原子與原子結(jié)合的一些基本限制條件，如原子間的化學(xué)鍵長(zhǎng)、鍵角和原子半徑等。

從1980年代初維特里希教授發(fā)展出這種方法至今，核磁共振技術(shù)在生物大分子的結(jié)構(gòu)研究方面有了飛速的發(fā)展，一方面是由于儀器技術(shù)本身的發(fā)展，能夠產(chǎn)生的磁場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)；計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度也越來(lái)越快，更多地是由于實(shí)驗(yàn)方法上的創(chuàng)新和發(fā)展，由二維的核磁共振實(shí)驗(yàn)發(fā)展成三維甚至更多維的實(shí)驗(yàn)；借助于基因技術(shù)可以得到同位素富集的蛋白質(zhì)樣品,核磁共振的實(shí)驗(yàn)也從原來(lái)單一的核發(fā)展到三種甚至四種核同時(shí)在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中共振而產(chǎn)生相關(guān)信號(hào)。核磁共振方法的應(yīng)用范圍也從原來(lái)單一的蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)研究發(fā)展到蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)方面的研究，蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與核酸以及小分子的相互作用和藥物篩選中蛋白質(zhì)分子與藥物分子的結(jié)合等方面。隨著人類基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究的不斷深入，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組學(xué)的研究也會(huì)隨之興起，核磁共振技術(shù)在這方面的應(yīng)用會(huì)更多更廣。這些應(yīng)用的需求反過來(lái)也會(huì)促進(jìn)核磁共振技術(shù)本身的進(jìn)步和發(fā)展，使之更趨成熟和完善

H-HCOSY是確定質(zhì)子間偶合關(guān)系的有力工具，就這種作用來(lái)說(shuō)，它相當(dāng)于多次質(zhì)子同核自旋去偶實(shí)驗(yàn)，但二者各有長(zhǎng)處。H-HCOSY中的相關(guān)峰（或稱交叉峰）主要反映的是2J和3J偶合關(guān)系，偶爾會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)程相關(guān)峰。

TOCSY（全相關(guān)譜，TOtal Correlation Spectroscopy）

可以找到同一偶合體系中所有氫核的相關(guān)信息，也就是說(shuō)，從某一個(gè)氫核的信號(hào)出發(fā)，能找到與它處在同一個(gè)自旋系統(tǒng)中所有質(zhì)子的相關(guān)峰。這是一種很有用的2DNMR技術(shù)。

COSY通常只能看到相鄰碳的氫的相關(guān)，（有時(shí)稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)）。但是TOCSY順著化學(xué)鍵可以看到相隔若干個(gè)碳的氫相關(guān)。因此TOCSY譜圖繁雜得多，不過也確實(shí)很有用。所需要時(shí)間和COSY差不多。

核磁共振ROESY和NOESY的區(qū)別及 適用范圍

核磁共振ROESY和NOESY的區(qū)別及 適用范圍

答案一： 在1000~3000用ROESY，小于1000大于3000用NOESY。

答案二： ROESY是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的NOESY。小分子的NOE是反相的，大分子是正相的。當(dāng)分子量接近2000時(shí)，NOE趨于0。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下NOE始終為正，故測(cè)2000左右的樣品時(shí)須用ROESY。

答案三：

NOESY：Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy 二維NOE譜

ROESY：Rotating Frame Overhauser Effect Spectroscopy 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系NOE譜

相同點(diǎn)：

1)都是二維核磁共振實(shí)驗(yàn)(包括同核和異核實(shí)驗(yàn))。同核實(shí)驗(yàn)主要有1H-1H COSY，TOCSY，E.COSY, NOESY，ROESY，relay-NOESY等實(shí)驗(yàn)，主要用于自旋體系(殘基內(nèi)部)的譜峰確認(rèn)，耦合常數(shù)的測(cè)定，順序識(shí)別，以及由NOE交叉峰的強(qiáng)度得出質(zhì)子間距離約束條件。這也是非標(biāo)記樣品所能進(jìn)行的主要實(shí)驗(yàn)。

2)都是檢測(cè) H-H 的空間相關(guān), 距離3.5-5 A，可以考察化合物的立體結(jié)構(gòu);

不同點(diǎn)：

1)分子量在 1000-3000范圍，建議使用 roesy;小于1000和大于3000的化合物宜做NOESY。

2)noesy 是相敏圖, 在對(duì)角峰附近的分辨率較差;

3)roesy 得到的都是吸收譜，因此有相信號(hào)點(diǎn)(交叉峰)距離對(duì)角峰近的可以考慮使用 roesy。

氫原子在分子中的化學(xué)環(huán)境不同,而顯示出不同的吸收峰,峰與峰之間的差距被稱作化學(xué)位移；化學(xué)位移的大小,可采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化合物為原點(diǎn),測(cè)出峰與原點(diǎn)的距離,就是該峰的化學(xué)位移,現(xiàn)在一般采用(CH3)4Si(四甲基硅烷TMS)為標(biāo)準(zhǔn)化合物,其化學(xué)位移值為0 ppm.處在不同環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)生共振時(shí)吸收電磁波的頻率不同,在圖譜上出現(xiàn)的位置也不同,利用化學(xué)位移,峰面積和積分值以及耦合常數(shù)等信息,進(jìn)而推測(cè)其在碳骨架上的位置.二維核磁共振波譜的基本原理

二維核磁共振譜的出現(xiàn)和發(fā)展，是近代核磁共振波譜學(xué)的最重要的里程碑。極大地方便了核磁共振的譜圖解析。

二維核磁共振譜是有兩個(gè)時(shí)間變量，經(jīng)兩次傅里葉變換得到的兩個(gè)獨(dú)立的頻率變量圖一般把第二個(gè)時(shí)間變量t2表示采樣時(shí)間，第一個(gè)時(shí)間變量t1則是與 t2無(wú)關(guān)的獨(dú)立變量，是脈沖序列中的某一個(gè)變化的時(shí)間間隔。

二維核磁共振譜的特點(diǎn)是將化學(xué)位移、耦合常數(shù)等核磁共振參數(shù)展開在二維平面上，這樣在一維譜中重疊在一個(gè)頻率坐標(biāo)軸上的信號(hào)分別在兩個(gè)獨(dú)立的頻率坐標(biāo)軸上展開，這樣不僅減少了譜線的擁擠和重疊，而且提供了自旋核之間相互作用的信息。這些對(duì)推斷一維核磁共振譜圖中難以解析的復(fù)雜化合物結(jié)構(gòu)具有重要作用。

劃分區(qū)域

一個(gè)二維核磁共振試驗(yàn)的脈沖序列一般可劃分為下列幾個(gè)區(qū)域：

預(yù)備期(preraration)—演化期 t1(evolution)—混合期tm(mixing)—檢測(cè)期t2(detection)。檢測(cè)期完全對(duì)應(yīng)于一維核磁共振的檢測(cè)期，在對(duì)時(shí)間域t2進(jìn)行Fourier變換后得到F2頻率域的頻率譜。二維核磁共振的關(guān)鍵是引入了第二個(gè)時(shí)間變量演化期 t1。當(dāng)樣品中核自旋被激發(fā)后，它以確定頻率進(jìn)動(dòng)，并且這種進(jìn)動(dòng)將延續(xù)相當(dāng)一段時(shí)間。在這個(gè)意義上講，我們可以把核自旋體系看成有記憶能力的體系，Jeener就是利用這種記憶能力，通過檢測(cè)期間接演化期中核自旋的行為。

氫的核磁共振譜提供了三類極其有用的信息：化學(xué)位移、偶合常數(shù)、積分曲線。應(yīng)用這些信 息，可以推測(cè)質(zhì)子在碳胳上的位置。

根據(jù)前面討論的基本原理，在某一照射頻率下，只能在某一磁感應(yīng)強(qiáng)度下發(fā)生核磁共振。例如：照射頻率為60 MHz，磁感應(yīng)強(qiáng)度是 14.092 Gs(14.092×10^-4 T），100 MHz—23.486

Gs(23.486×10^-4

T），200

MHz—46.973 Gs(46.973×10^-4 T）。600 MHz—140.920 Gs(140.920×10^-4 T）。但實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)1H在分子中所處化學(xué)環(huán)境（化學(xué)環(huán)境是指1H的核外電子以及與1H 鄰近的其它原子核的核外電子的運(yùn)動(dòng)情況）不同時(shí)，即使在相同照射頻率下，也將在不同的共振磁場(chǎng)下顯示吸收峰。下圖是乙酸乙酯的核磁共振圖譜，圖譜表明：乙酸乙酯中的8個(gè)氫，由 于分別處在a，b，c三種不同的化學(xué)環(huán)境中，因此在三個(gè)不同的共振磁場(chǎng)下顯示吸收峰。同種核由于在分子中的化學(xué)環(huán)境不同而在不同共振磁感應(yīng)強(qiáng)度下顯示吸收峰，這稱為化學(xué)位移（chemical shift）?；瘜W(xué)位移是怎樣產(chǎn)生的？分子中磁性核不是完全裸露的，質(zhì)子被價(jià)電子包圍著。這些電子 在外界磁場(chǎng)的作用下發(fā)生循環(huán)的流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)的磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)應(yīng)與外界磁場(chǎng)相反（楞次定律），所以，質(zhì)子實(shí)際上感受到的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)是外磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度減去感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。即

B有效=B0(1-σ）=B0-B0σ=B0-B感應(yīng)

外電子對(duì)核產(chǎn)生的這作用稱為屏蔽效應(yīng)（shielding effect），也叫抗磁屏蔽效應(yīng)（diamagnetic effect）。稱為屏蔽常數(shù)（shielding constant）。與屏蔽較少的質(zhì)子比較，屏蔽多的質(zhì)子對(duì)外磁場(chǎng)感受較少，將在較高的外磁場(chǎng)B0作用下才能發(fā)生共振吸收。由于磁力線是閉合的，因此感應(yīng)磁 場(chǎng)在某些區(qū)域與外磁場(chǎng)的方向一致，處于這些區(qū)域的質(zhì)子實(shí)際上感受到的有效磁場(chǎng)應(yīng)是外磁場(chǎng)B0加上感應(yīng)磁場(chǎng)B感應(yīng)。這種作用稱為去屏蔽效應(yīng)（deshielding effect）。也稱為順磁去屏蔽效應(yīng)（paramagnetic effect）。受去屏蔽效應(yīng)影響的質(zhì)子在較低外磁場(chǎng)B0作用下就能發(fā)生共振吸收。綜上所述：質(zhì)子發(fā)生核磁共振實(shí)際上應(yīng)滿足：

ν射=γB有效/2π

因在相同頻率電磁輻射波的照射下，不同化學(xué)環(huán)境的質(zhì)子受的屏蔽效應(yīng)各不相同，因此它們發(fā)生 核磁共振所需的外磁場(chǎng)B0也各不相同，即發(fā)生了化學(xué)位移。

對(duì)1H化學(xué)位移產(chǎn)生主要影響的是局部屏蔽效應(yīng)和遠(yuǎn)程屏蔽效應(yīng)。核外成鍵電子的電子云 密度對(duì)該核產(chǎn)生的屏蔽作用稱為局部屏蔽效應(yīng)。分子中其它原子和基團(tuán)的核外電子對(duì)所研究的 原子核產(chǎn)生的屏蔽作用稱為遠(yuǎn)程屏蔽效應(yīng)。遠(yuǎn)程屏蔽效應(yīng)是各向異性的。化學(xué)位移的差別約為百萬(wàn)分之十，要精確測(cè)定其數(shù)值十分困難?，F(xiàn)采用相對(duì)數(shù)值表示法，即選用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，以該標(biāo)準(zhǔn)物的共振吸收峰所處位置為零點(diǎn)，其它吸收峰的化學(xué)位移值根據(jù)這 些吸收峰的位置與零點(diǎn)的距離來(lái)確定。最常用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是四甲基硅（CH3)4Si簡(jiǎn)稱TMS。選TMS為標(biāo)準(zhǔn)物是因?yàn)椋篢MS中的四個(gè)甲基對(duì)稱分布，因此所有氫都處在相 同的化學(xué)環(huán)境中，它們只有一個(gè)銳利的吸收峰。另外，TMS的屏蔽效應(yīng)很高，共振吸收在高場(chǎng)出現(xiàn)，而且吸收峰的位置處在一般有機(jī)物中的質(zhì)子不發(fā)生吸收的區(qū)域內(nèi)?，F(xiàn)規(guī)定化學(xué)位移用δ來(lái) 表示，四甲基硅吸收峰的δ值為零，其峰右邊的δ值為負(fù)，左邊的δ值為正。測(cè)定時(shí)，可把標(biāo)準(zhǔn)物與樣品放在一起配成溶液，這稱為內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)法。也可將標(biāo)準(zhǔn)物用毛細(xì)管封閉后放人樣品溶液中進(jìn) 行測(cè)定，這稱為外標(biāo)準(zhǔn)法。此外，還可以利用溶劑峰來(lái)確定待測(cè)樣品各個(gè)峰的化學(xué)位移。

由于感應(yīng)磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)的B0成正比，所以屏蔽作用引起的化學(xué)位移也與外加磁場(chǎng)B0成正 比。在實(shí)際測(cè)定工作中，為了避免因采用不同磁感應(yīng)強(qiáng)度的核磁共振儀而引起化學(xué)位移的變化，δ一般都應(yīng)用相對(duì)值來(lái)表示，其定義為

δ=(ν樣-ν標(biāo))/ν儀×10^6 ④

在式④中，ν樣和ν標(biāo)分別代表樣品和標(biāo)準(zhǔn)化合物的共振頻率，ν儀為操作儀器選用的頻率。多數(shù)有機(jī)物的質(zhì)子信號(hào)發(fā)生在0～10處，零是高場(chǎng)，10是低場(chǎng)。需注意也有一些質(zhì)子的信號(hào)是在小于0的地方出現(xiàn)的。如安扭烯的環(huán)內(nèi)的質(zhì)子，受到其外芳環(huán)磁各向異性的影響，甚至可以達(dá)到-2.99。此外，在不同兆數(shù)的儀器中，化學(xué)位移的值是相同的?；瘜W(xué)位移取決于核外電子云密度，因此影響電子云密度的各種因素都對(duì)化學(xué)位移有影響，影 響最大的是電負(fù)性和各向異性效應(yīng)。

⑴電負(fù)性（誘導(dǎo)效應(yīng)）

電負(fù)性對(duì)化學(xué)位移的影響可概述為：電負(fù)性大的原子（或基團(tuán)）吸電子能力強(qiáng)，1H核附近的吸電子基團(tuán)使質(zhì)子峰向低場(chǎng)移（左移），給電子基閉使質(zhì)子峰向高場(chǎng)移（右移）。這是因?yàn)槲娮踊鶊F(tuán)降低了氫核周圍的電子云密度，屏蔽效應(yīng)也就隨之降低，所以質(zhì)子的化學(xué)位 移向低場(chǎng)移動(dòng)。給電子基團(tuán)增加了氫核周圍的電子云密度，屏蔽效應(yīng)也就隨之增加，所以質(zhì)子的 化學(xué)位移向高場(chǎng)移動(dòng)。下面是一些實(shí)例。

實(shí)例一： 電負(fù)性 C 2.6 N 3.0 O 3.5 δ C—CH3(0.77～1.88)N—CH3(2.12～3.10)O—CH3(3.24～4.02)實(shí)例二： 電負(fù)性 Cl 3.1 Br 2.9 I 2.6 δ CH3—Cl(3.05)CH2—Cl2(5.30)CH—Cl3(7.27)CH3—Br(2.68)CH3—I(2.16)電負(fù)性對(duì)化學(xué)位移的影響是通過化學(xué)鍵起作用的，它產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)屬于局部屏蔽效應(yīng)。

⑵各向異性效應(yīng)

當(dāng)分子中某些基團(tuán)的電子云排布不呈球形對(duì)稱時(shí)，它對(duì)鄰近的1H核產(chǎn) 生一個(gè)各向異性的磁場(chǎng)，從而使某些空間位置上的核受屏蔽，而另一些空間位置上的核去屏蔽，這一現(xiàn)象稱為各向異性效應(yīng)（anisotropic effect）。

除電負(fù)性和各向異性的影響外，氫鍵、溶劑效應(yīng)、van der Waals效應(yīng)也對(duì)化學(xué)位移有影響。氫鍵對(duì)羥基質(zhì)子化學(xué)位移的影響與氫鍵的強(qiáng)弱及氫鍵的電子給予體的性質(zhì)有關(guān)，在大多數(shù)情況 下，氫鍵產(chǎn)生去屏蔽效應(yīng)，使1H的δ值移向低場(chǎng)。有時(shí)同一種樣品使用不同的溶劑也會(huì)使化學(xué)位移值發(fā)生變化，這稱為溶劑效應(yīng)?；顫姎涞娜軇┬?yīng)比較明顯。

當(dāng)取代基與共振核之間的距離小于van der Waals半徑時(shí)，取代基周圍的電子云與共振核周圍的電子云就互相排 斥，結(jié)果使共振核周圍的電子云密度降低，使質(zhì)子受到的屏蔽效應(yīng)明顯下降，質(zhì)子峰向低場(chǎng)移動(dòng)，這稱為van der Waals效應(yīng)。氫鍵的影響、溶劑效應(yīng)、van der Waals效應(yīng)在剖析NMR圖譜時(shí)很有用。

（3）共軛效應(yīng)

苯環(huán)上的氫若被推電子基取代，由于P-π共軛，使苯環(huán)電子云密度增大，質(zhì)子峰向高場(chǎng)位移。而當(dāng)有拉電子取代基則反之。對(duì)于雙鍵等體系也有類似的效果。

第五篇：數(shù)字化廣播總控系統(tǒng)實(shí)施研究論文

摘 要：當(dāng)前數(shù)字廣播當(dāng)前存在著主要問題在于發(fā)展資金不足和用戶認(rèn)同度不高的現(xiàn)狀。在當(dāng)前信息化時(shí)代的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)傳遞信息速度的普及，廣播數(shù)字化已經(jīng)成為歷史的潮流，如何利用廣播中控系統(tǒng)的實(shí)施，通過建立有效的數(shù)字化控制體系，就能夠有效的解決當(dāng)前廣播總控系統(tǒng)中的不足與發(fā)展中的困境。筆者主要研究TVMMS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和MM1接口協(xié)議，分析整個(gè)TVMMS系統(tǒng)實(shí)施的方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字廣播總控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1序言

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，數(shù)字廣播已經(jīng)進(jìn)入了千家萬(wàn)戶。作為新興事物，數(shù)字廣播在發(fā)展的過程中遇到了一些問題，一是資金不足，二是用戶的認(rèn)可度不高，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)逐漸成為企業(yè)、政府和其它各種組織的重要信息載體和傳輸渠道，網(wǎng)絡(luò)和其所帶來(lái)的信息數(shù)字化大幅度提高了工作效率。然而如果沒有一個(gè)高效率的系統(tǒng)能夠針對(duì)當(dāng)前廣播系統(tǒng)進(jìn)行管理與監(jiān)控，則很難保證用戶滿意以及提升廣播電視收視率。因此有必要針對(duì)此問題真正使用上一整套符合當(dāng)前廣播現(xiàn)狀的TVMMS系統(tǒng)，并針對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施，保證其的有效運(yùn)行和解決上述存在的種種問題。

2TVMMS系統(tǒng)功能概述

TVMMS系統(tǒng),包括了電視多媒體消息系統(tǒng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）MMS系統(tǒng)、固定通信網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)就是用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的）（PSTN）MMS系統(tǒng)和Internet等。

2.1用戶代理（UA，User Agent）

其是位于機(jī)頂盒STB的應(yīng)用層軟件，它提供對(duì)TVMMS業(yè)務(wù)的支持能力。用戶通過它可以接收、觀看、制作和發(fā)送電視多媒體消息。用戶代理的主要功能如下：

用戶代理是一個(gè)用戶與其它用戶代理或服務(wù)器通信的終端，采用SIP協(xié)議作為信令協(xié)議。用戶代理可以運(yùn)行在各種系統(tǒng)平臺(tái)上，支持音頻、視頻、文本和電子白板等媒體類型。

用戶代理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致可以分為4個(gè)部分：圖形用戶界面（GUI）、SIP消息處理模塊、媒體處理模塊和JAIN SIP協(xié)議棧。其中JAIN SIP協(xié)議棧又分SIP包和SDP包2部分，分別負(fù)責(zé)SIP消息和媒體流的解析和發(fā)送。JAIN SIP對(duì)SIP通信實(shí)體的實(shí)現(xiàn)采用模塊化處理，每個(gè)實(shí)體都由SipStack，SipProvider和SipListener構(gòu)成。整個(gè)架構(gòu)以事件為基礎(chǔ)，采用了監(jiān)聽者（Listener）/提供者（Provider）的事件模型。

2.2服務(wù)器

TVMMS網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、處理來(lái)往的消息，在整個(gè)TVMMS系統(tǒng)中處于核心地位。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，TVMMS網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器可以集成在一起，也可以分開成2個(gè)設(shè)備，它們之間用MM2接口進(jìn)行通信。

3實(shí)施的技術(shù)要點(diǎn)

為了確保整個(gè)數(shù)字化廣播總控系統(tǒng)的實(shí)施，建立健全整個(gè)實(shí)施的方向，因此對(duì)于物理實(shí)施應(yīng)當(dāng)重視如下幾個(gè)方面：（1）采用透明隔離硬防系統(tǒng)，全部網(wǎng)絡(luò)基于因特網(wǎng)，不再新建物理內(nèi)網(wǎng)，以達(dá)到減小投資、方便實(shí)用、擴(kuò)大影響的目的；（2）采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，各類數(shù)據(jù)自動(dòng)二次處理，實(shí)時(shí)生成各類統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表和預(yù)警提醒事項(xiàng)，充分利用信息資源、減少勞動(dòng)強(qiáng)度、降低報(bào)表差錯(cuò)率；（3）采用虛擬3D技術(shù)，引入實(shí)戰(zhàn)指揮概念，對(duì)企業(yè)經(jīng)緯度、企業(yè)總平面進(jìn)行立體、實(shí)時(shí)監(jiān)控，并聯(lián)接辦公系統(tǒng)中其他各項(xiàng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題解決問題。

4實(shí)施的現(xiàn)狀及存在的問題

4.1系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程

TVMMS系統(tǒng)對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)自動(dòng)接入或通過人工錄入，系統(tǒng)進(jìn)行加工處理后，生成發(fā)布的信息進(jìn)行發(fā)布。數(shù)據(jù)的處理過程可以分為3個(gè)層面，分別是數(shù)據(jù)層，處理層和顯示層。(1)數(shù)據(jù)層：該層的主要作用是其他系統(tǒng)傳遞過來(lái)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)解包并進(jìn)行預(yù)處理。(2)處理層：在處理層中，由數(shù)據(jù)處理模塊調(diào)用相應(yīng)的模型，如播放的狀態(tài)分類計(jì)算模型等，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理,當(dāng)前接收人員的狀態(tài)信息，并經(jīng)由人工確認(rèn)，存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，有些突發(fā)事件需要人工信息輸入并存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。(3)顯示層：顯示層主要對(duì)狀態(tài)信息進(jìn)行處理，形成廣播總控信息。

4.2TVMMS系統(tǒng)發(fā)布信息的實(shí)時(shí)自動(dòng)生成(1)數(shù)據(jù)解析、融合：由于廣播信號(hào)信息的多樣性和異構(gòu)性，來(lái)自于各數(shù)據(jù)源的信息必須先經(jīng)過數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)融合處理轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式后才能寫入到流數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)解析是對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行理解、翻譯的過程，由于各流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)元和數(shù)據(jù)格式不完全相同，因此需要通過數(shù)據(jù)解析將源數(shù)據(jù)翻譯、格式化成標(biāo)準(zhǔn)的格式。數(shù)據(jù)融合將經(jīng)數(shù)據(jù)解析后得到的源數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，補(bǔ)充源數(shù)據(jù)中缺少的數(shù)據(jù)元，并根據(jù)配置信息將源數(shù)據(jù)和一個(gè)路段斷面相關(guān)聯(lián)。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理：數(shù)據(jù)預(yù)處理包含濾噪和判誤兩個(gè)過程。濾噪算法運(yùn)用平均差原理，將差值(原始值與整體平均值的差值)大于平均差的那些數(shù)據(jù)視為噪點(diǎn)丟棄不用。判誤算法則是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閥值判別源數(shù)據(jù)是否合法，如果不合法則丟棄。

4.3存在問題

(1)區(qū)域間缺乏聯(lián)動(dòng)誘導(dǎo)。在一些城市，隨著不同區(qū)域廣播控制系統(tǒng)的相繼建成和規(guī)劃建設(shè)，不同區(qū)域之間的廣播關(guān)聯(lián)性與不同區(qū)域廣播控制系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立性之間的矛盾成為目前廣播控制系統(tǒng)的主要矛盾之一。從出行者的角度主要表現(xiàn)在獲得交通信息的不連續(xù)性，特別是在區(qū)域邊界無(wú)法獲得所需要的信息。(2)非城市快速路缺乏動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)?，F(xiàn)行的誘導(dǎo)都只限于城市快速路，而作為銜接城市快速路的支路卻缺少誘導(dǎo)。雖然我國(guó)城市交通誘導(dǎo)率低不至于出現(xiàn)Braess矛盾效應(yīng)，但是卻很容易在支路上發(fā)生擁堵。(3)各個(gè)TVMMS系統(tǒng)廣播控制的獨(dú)立。區(qū)域性的TVMMS系統(tǒng)廣播控制并未有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)，因此需要特別的權(quán)限進(jìn)行管理與審核。

5結(jié)束語(yǔ)

TVMMS系統(tǒng)的發(fā)展需要有科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為支撐，需要由先進(jìn)的數(shù)學(xué)理論、模型和思維理念為基礎(chǔ)。如何提升TVMMS系統(tǒng)體系的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，以及提高動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)誘導(dǎo)的效率，將是衡量城市廣播管理水平的關(guān)鍵因素。

參考文獻(xiàn)

齊巖松，金純，蔣小宇.數(shù)字廣播多媒體消息及數(shù)據(jù)格式研究.廣東通信技術(shù)，2007，27（4）：16-19.