核磁共振系统的数字化研究

第一篇：核磁共振系统的数字化研究

核磁共振系统的数字化研究

【摘要】：核磁共振(NMR)技术作为一种研究物质结构的重要工具,在物质检测和医学影像等领域中得到了广泛的应用。与此同时,其应用领域的拓展和科学研究的深入,又对核磁共振系统提出了更高的要求。本论文主要针对目前常规商业化NMR谱仪存在的问题,开展了谱仪技术的数字化研究,在保证谱仪功能和性能的前提下,对谱仪结构进行了优化,降低了设计成本。该研究工作为NMR设备的普及奠定了基础。论文的主要内容如下:1.核磁共振系统数字化研究的趋势。首先,介绍了核磁共振技术的发展,指出应用数字化技术是谱仪发展的一个重要方向。在此基础上,针对本论文的主要工作论述了数字化研究的意义。2.基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台的数字化研究。首先,在总结常规核磁共振谱仪结构的基础上,提出了全数字、一体化的谱仪控制台的设计思想。然后,详细介绍了该谱仪控制台的设计思路和硬件结构。该谱仪控制台采用USB总线,实现了外置式架构。此外,该谱仪控制台将控制/通讯部分、脉冲序列控制部分、射频发射部分与信号接收部分集成于一块板卡之上,还可以实现两种工作模式。最后,采用常规NMR序列实验较好地验证了整套系统的性能。可以看到,在谱仪结构简化的同时保证了性能指标,增强了灵活性,拓宽了应用范围。3.多通道磁共振信号接收方法的数字化研究。首先,讨论了近年来随着相控阵和并行成像技术的飞速发展对信号采集系统的要求。然后,针对现有技术的不足,提出了F_TDM多通道接收方法,并进行了

理论分析。最后,我们设计了基于PCI总线的四通道F_TDM数字接收机,通过成像实验论证了该方法的可行性。4.选择性激发脉冲的数字化研究。为提高射频功率放大器的效率,降低仪器的成本,我们提出了正负相位组合(P/N)选择性激发脉冲。首先,我们将P/N脉冲展开成傅立叶级数,分析了P/N脉冲和软脉冲在选择性激发上的等效性。然后通过密度矩阵的方法模拟了P/N脉冲的激发带宽曲线,并与软脉冲的激发带宽曲线作了比较。最后通过实验测量了P/N脉冲的激发带宽曲线,并给出了采用P/N脉冲选层获得的多层SE2D图像。5.磁共振系统数字化研究的总结与展望。总结了本论文的主要研究工作及其应用方向,对目前工作中存在的问题进行了分析并指出了改进的方向。【关键词】：核磁共振磁共振成像数字化研究一体化USB微处理器时分复用频分复用选择性激发正负相位组合脉冲 【学位授予单位】：华东师范大学 【学位级别】：博士 【学位授予年份】：2008 【分类号】：O482.532 【目录】：论文摘要6-8ABSTRACT8-12第一章绪论12-171.1核磁共振技术的发展概述12-131.2论文的主要研究内容及其意义13-15参考文献15-17第二章基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台17-562.1核磁共振谱仪的结构及发展17-212.1.1常规PFT-NMR谱仪结构17-202.1.2一体化核磁共振谱仪结构20-212.2基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台的数字化研究21-462.2.1控制/通讯单元

22-282.2.2脉冲序列控制单元28-312.2.3射频发射单元31-412.2.4信号接收单元41-462.3硬件设计46-482.4实验结果48-522.5总结52-53参考文献53-56第三章F_TDM多通道接收方法56-863.1磁共振信号的检测方法56-583.2相控阵与并行成像技术对信号采集系统的要求58-603.3F_TDM多通道接收方法的理论分析60-683.3.1时分复用(TDM)技术61-633.3.2频分复用(FDM)技术63-653.3.3F_TDM技术65-683.4F_TDM多通道接收机的硬件设计68-763.4.1放大与混频的设计69-703.4.2时分复用的设计70-713.4.3F_TDM信号接收与解调的设计71-753.4.4数字逻辑控制的设计75-763.5实验结果76-823.5.1耦合度76-783.5.2相位相干性78-803.5.3成像实验80-823.6讨论82-83参考文献83-86第四章正负相位组合(P/N)选择性激发脉冲86-1074.1选择性激发脉冲在磁共振成像中的应用86-894.2P/N脉冲的理论分析89-914.3等效性的验证91-984.3.1计算机模拟方法91-934.3.2相位93-944.3.3倾倒角94-974.3.4激发边带97-984.4硬件设计98-994.5实验结果99-1024.6讨论102-105参考文献105-107第五章总结与展望107-1101、基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台107-1082、多通道磁共振信号接收方法的数字化研究1083、选择性激发脉冲的数字化研究108-110攻读博士学位期间发表的论文110-111攻读博士学位期间申请的国家发明专利111-112致谢112

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第二篇：核磁共振研究的历史

核磁共振研究的历史

刘志军

（中科院自然科学史研究所，北京 100190；忻州师范学院物电系，山西 034000）

摘要：本文选取不论是对于众多学科的基础理论方面，还是在人类的生产、生活方面都有重大贡献的核磁共振研究作为典型案例进行研究，清晰地呈现出了核磁共振研究鲜明的阶段性特征，以及由这一典型案例所揭示出的基础研究与应用研究之间动态变化着的、复杂的互动关系。最后通过分析和总结，得出了这一典型案例对我国的科技发展和科技创新的一些启示。

关键词：核磁共振；诺贝尔奖；基础理论；应用研究 中图分类号：04－09

1二战结束之前核磁共振实验的发展

1.1核磁共振研究的开端，这个时期主要以物理学的纯基础理论研究为特征 自从十九世纪末，二十世纪初人类对于微观世界的科学探究真正起步后，不论是在实验还是在理论方面都在不断取得突破和进展。正如麻省理工学院物理系电子研究实验室的丹尼尔·克莱普纳（Daniel Kleppner）所说，二十世纪初那些深刻改变了我们的世界观的，物理学天才们的思想和成就，主要是建立在当时重要的物理实验发现之上的[1]。可以说，物理实验是物理基础理论创新和发展的主要源泉和基础。

核磁共振研究是从斯特恩（Otto Stern）的分子束实验开始的。斯特恩（Otto Stern）1888年2月17日出生于德国的索劳（Sorau）。1912年，他从德国的布雷斯劳大学（University of Breslau）获得物理化学博士学位后，作为爱因斯坦的助手，追随爱因斯坦，先后到过布拉格大学和苏黎世大学任教。1914他开始在法兰克福大学工作，职务是理论物理学的无薪教师（Privatdocent），服兵役归来后，1919年斯特恩在法兰克福大学开始和玻恩一起工作，玻恩时任该校理论物理系主任。就在这一年，斯特恩观察到，注入高真空室内的原子或分子沿直线运动，形成一束粒子流，在某些方面类似于光束。使斯特恩成名的实验工作就是由此发展起来的。1919年，斯特恩对银原子束首次应用了这一方法，以检验1850年前后气体中分子速率的理论计算结果。1920年，斯特恩在他的助手彼得·勒特斯和盖拉赫的帮助下，用实验事实无可辩驳地说明了在外加非均匀磁场的作用下，原子的空间取向是量子化的，这就是非常著名的斯特恩－盖拉赫实验。空间量子化的概念是索末菲1916 年为了描述氢原子在外磁场和外电场作用下的行为而引入量子理论的。空间量子化可以满意地描述正常塞曼效应（Zeeman effect）和斯塔克效应（Stark effect），对于解释X射线谱线和说明氦谱问题也起过重要作用。然而在斯特恩－盖拉赫实验之前，一直没有人能够以实验证实空间量子化这一客观事实的存在。这一实验不仅支持了玻尔的定态轨道原子理论，并且也为“电子自旋”概念的提出提供了实验基础，大大促进了分子束（原子束）实验方法的发展。

斯特恩也因为发展了分子束的方法以及发现了质子磁矩这两方面的重要贡献而获得了1943年的诺贝尔物理学奖[2]。

包括斯特恩－盖拉赫实验在内的一系列物理理论及实验成就的取得并没有功利和实用性的技术创新的目标因素在其中。从斯特恩实验研究的资金来源方面，也有力的佐证了这一点。当时正值第一次世界大战刚刚结束，玻恩所主持的物理系资金异常紧张。从1920 年1 月 1 始，玻恩连续面向公众做了多次有偿的关于爱因斯坦广义相对论的报告，从中得到了约七千马克的收入[3]。有了这笔资金作保证，斯特恩的实验才得以正常进行。

美国著名科学史家和科学哲学家库恩在1962年对于斯特恩的访谈[4]，印证了斯特恩当年的科学研究的出发点完全是基于对于物质世界的本质进行探究的好奇心的，很显然他没有也不可能预见到核磁共振实验对于当今人类生产和生活的巨大影响。

1.2核磁共振实验研究在美国的发展，核磁共振开始向应用研究发展

1927年6月，申请到哥伦比亚大学赴欧留学奖学金的拉比（Isidor Isaac Rabi）携妻子海伦踏上了赴欧求学之路。当时，斯特恩已成为了汉堡大学的物理化学教授和实验室主任，并且创建了颇有影响的分子束实验室。见到斯特恩后，拉比将自己对于分子束实验的一个改进思想告诉给了斯特恩，斯特恩立即建议拉比在他的分子束实验室里将这一想法付诸实践。拉比在均匀磁场中完成了他的第一个分子束实验。1929年回到美国后，在哈罗德·尤里（Harold Urey）的帮助下，拉比在哥伦比亚大学创建了分子束实验室。[5]从此，原本专攻理论物理的拉比开始了他一系列成就非凡的核磁共振实验研究。

1944年，拉比由于发明了精确测定了一些核磁属性的方法而获得了诺贝尔物理学奖。到这个时候，世界上仍没有将核磁共振实验技术转向应用研究发展的端倪出现。

在二战之前，美国政府对科技活动的支持仅限于个别领域，对全国科技如何发展，政府并没有形成全面影响的指导政策。基础研究是以民间支持自由发展为主，政府的功能主要体现在立法上。在宪法中规定了要保护发明人的权益。1790 年制定了保护专利的第一部法律。1802 年成立了联邦专利局。1862 年林肯政府通过了《土地赠与法案》(The Land Grant Act)，宽泛地鼓励对教育和研究事业的支持。总的来说，二战前美国基本谈不上什么系统的科技政策，政府主要是对农业部门进行适度的支持[6]。而哥伦比亚大学是一所私立的常春藤盟校，所以拉比的赴欧留学是一种在当时的政策大环境下的个人行为。1963年12月库恩对他进行访谈时，拉比回忆说，他认为在他去欧洲之前，美国本土并没有几个真正懂量子力学的物理学家，他到欧洲学习的主要志向就是要改变美国物理学落后的现状的[9]。在得到在美国访问的海森堡的推荐，回到哥伦比亚大学当讲师后，拉比能建立分子束实验室在很大程度上得益于尤里（Harold Urey，一个1934年获得诺贝尔奖的化学家）的慷慨捐助。尤里将自己7600美元的诺贝尔奖金的一半给了资金遇到困难的拉比，他对别人说：“那个人（拉比）将会获得诺贝尔奖”[7]。

2二战结束之后核磁共振实验技术的发展

2.1核磁共振开始真正进入实用技术领域

接下来对核磁共振研究的理论和实验作出卓越贡献的物理学家是布洛赫（Felix Bloch）和珀塞尔（Edward Mills Purcell）。

与拉比一样，珀塞尔成长于美国本土，作为交换生，1934年珀塞尔到德国卡尔斯鲁厄理工学院（Technische Hochschule, Karlsruhe）跟随光谱学教授卫泽尔（Walter Witzel）学习了一年。回国后，1938年在哈佛获得了博士学位。布洛赫出生于瑞士的一个犹太人家庭，1928年，在莱比锡师从海森堡获得了理论物理学的博士学位。1933年，迫于形势，移居美国接受了斯坦福大学的一个教职。

二战是美国科技政策的一个重要转折点。

二战期间，美国政府向麻省理工学院的辐射实验室（Radiation Laboratory）注入资金，罗斯福总统任命万尼瓦尔·布什为这一实验室的领导人，率领一大批物理学家从事军事研发的工作，这其中就包括拉比、布洛赫和珀塞尔。这一实验室无疑对美国在战后物理学的研究和发展影响深远，意义重大。也正是这一时期与拉比等物理学家的合作和交往为布洛赫和珀塞尔在核磁共振领域的研究和贡献打下了坚实的基础。1945年二战刚一结束，分别回到斯 2 坦福和哈佛的布洛赫和珀塞尔就同时用新的方法，在精确测定物质的核磁属性方面取得了突破和进展[8]，并因此而共同荣获了1952年诺贝尔物理学奖。

要强调的是，他们的核磁共振研究并没有政府行为的影响，而且研究所需的经费也不是从政府或是有利益诉求的投资方来取得的。

布洛赫回忆说，当他们想在斯坦福建造一台回旋加速器和购置一些设备时，首先碰到的就是资金来源问题，他们甚至没有得到校方的任何支持和帮助，而最终是从洛克菲勒基金会（Rockefeller Foundation）获取到了资助，而洛克菲勒基金会的宗旨是为了“促进全人类的安康”而进行无偿援助的。并且当时基金会的管理人员也完全清楚布洛赫他们是以纯基础科学研究为目的的[9]。那么同样，当时他们从事核磁共振研究的资金也主要是自筹为主。

1946年7月，帮助军方研究微波雷达的拉塞尔·瓦里安（Russell Varian）也回到了斯坦福，作为物理学教授汉森的实验助手，他却敏锐地意识到了核磁共振技术在化学分析领域的广泛应用前景，捕捉到了其商机所在。虽然布洛赫和汉森对此并不以为然，可瓦里安还是促使他们俩人在1948年共同取得了这一技术的专利权。同年4月，瓦里安兄弟俩共同创建了以核磁共振技术应用为目的的瓦里安公司。

就在布洛赫和珀塞尔获奖的1952年，瓦里安公司研制出了世界上第一台商用核磁共振波谱测定仪（Varian HR-30），同年9月，这台仪器在德州贝城市的一家石油公司（Humble Oil company）里投入使用。

在诺贝尔颁奖宴会演说（Banquet Speech）中，珀塞尔表达了对和他共同研究这一课题的一些国内及国际同行的感激，介绍了他们的一些重要研究成果。并由衷赞赏了科学家同行们在共同研究问题时，互相之间毫无保留的无私精神[10]。这也从一个侧面反映了当时布洛赫及其他科学家的研究在主观上是排除技术创新或是任何商业动机在外的。

2.2核磁共振技术创新、发展和应用的全面繁荣 上世纪五十年代，核磁共振在理论上也不断取得突破和创新，比如在分析和解释弛豫现象方面，先后有1953年布洛赫提出的布洛赫方程(Bloch equations)，1955年所罗门提出的所罗门方程（Solomon equations），和1957年雷德菲尔德理论（Redfield theory）等[11]。

从第一台商用核磁共振波谱测定仪诞生之后起，核磁共振技术就迅速向应用技术领域不断取得突破和进展。而这些进展则几乎都和一些科技公司或是技术创新的诉求相联系，已不再像早期发展的那样，主要是以基础科学研究为目的了。

1962年，世界上第一台超导磁体的核磁共振波谱测定仪在瓦里安公司诞生。

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术来测定物质结构的新方法，将傅立叶变换方法真正引入到了核磁共振技术中，相对于化学界所使用的传统光谱学方法，这一创新数十甚至数百倍的提高了物质结构测定的敏感度。

1966年到1968年间，为了用傅立叶变换方法处理大量的数据，计算机引入到了核磁共振的数据处理和程序控制当中。

1970年，世界上第一台用于商业化目的的超导磁体傅立叶变换核磁共振波谱测定仪在德国的布鲁克公司（Bruker Company）正式生产。

1971年美国科学家雷蒙德·达马迪安（Raymond Damadian）在实验鼠体内发现了肿瘤和正常组织之间核磁共振信号有明显的差别，从而揭示了核磁共振技术在医学领域应用的可能性。

1973年保罗·劳特布尔（Paul C Lauterbur）和彼得·曼斯菲尔德（Peter Mansfield）分别独立地发表文章，来阐述核磁共振成像的原理[12][13]。他们都认为用线性梯度场来获取核磁共振的空间分辨率是一种有效的解决方案，因而为核磁共振成像奠定了坚实的理论基础。就在同一年，世界上第一幅二维核磁共振图像产生。

1974年，劳特布尔获得活鼠的核磁共振图像。1976年曼斯菲尔德获得世界上第一幅人体断层像。

从此，核磁共振成像技术（MRI）向医学临床应用和其他更广泛的领域迅速扩展，引发了众多学科的基础研究和技术发展和应用的深刻变革。

二十世纪八十年代，在约翰·芬恩（John B Fenn）、田中耕一（Koichi Tanaka）和科特·维特里希（Kurt Wüthrich）等科学家的共同努力下，又成功地解决了生物大分子的核磁共振波谱测量技术，这对于生物学和医学基础理论的研究都有不可估量的重要意义[14]。例如，他们的成果几乎立即就对生物制药领域产生了深刻的影响，特别是在上世纪九十年代对艾滋病药物的研制有突出的贡献。他们也因此而荣获了2002年诺贝尔化学奖。

到目前为止，核磁共振技术的发展仍然方兴未艾。该技术在物理学的量子信息处理方面，在化学领域的分子结构测试及有机合成反应等方面，在心理学及精神卫生方面，在生物和食品制造加工方面，在煤层勘探和油气测量方面，在测井技术方面，在木材加工和处理方面，在造纸技术方面等等众多领域基础理论的研究和突破以及应用等方面都有着非常重要的贡献和潜在的技术创新前景。

3结语

核磁共振研究的发展历程告诉我们，这一科学研究在不同的发展阶段是呈现出不同的鲜明特点的。正因为其在基础研究和应用研究两方面形成了良好的双向互动关系，所以在近百年来，核磁共振研究才在人类的众多研究、生产和生活领域中作出了卓越的贡献。

有统计表明，在诺贝尔自然科学奖中，属于重大科学发现和重大理论突破而获奖的比例平均在80%左右[15]。因此，很显然诺贝尔自然科学奖的大部分是属于基础研究的。换言之，一个国家在某个时期内所获的诺贝尔自然科学奖的数量基本可以代表这个国家在那个时期的基础科学的研究水平。到目前为止，有关于核磁共振技术而颁发的十项诺贝尔自然科学奖中，有六项的主要贡献是美国的科学家所做出的，因而核磁共振研究从一个侧面反映和代表了美国在基础研究领域的世界领先地位，体现出了美国的基础科学研究和科技创新之间非常密切的关联度和良性互动关系。这些情况都充分表明，基础研究和应用研究并重对一个国家的科技发展至关重要，只有在它们同时坚实而稳定发展的基础上，形成良好的双向互动关系，才能真正为一个国家的科学、技术、经济、文化等各方面的发展提供持久强劲的推动力。

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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：数字化石油钻井系统框架研究

数字化石油钻井系统框架研究

杨传书

在信息技术迅猛发展、市场竞争日益激烈的今天，国内外大公司、大企业纷纷加强信息化建设，优化工作流程，提高技术和管理水平，以期达到提高核心竞争力、创新增效的目的。信息化如何带动石油勘探开发这个传统的工业完成新一轮的革命,我国很多石油企业纷纷开始了数字油田的研究与建设。而石油钻井作为上游业务中耗费投资最大又对石油勘探开发水平产生重大影响的工程技术服务板块，其信息化也已经得到石油企业的高度重视。在数字油田建设的大背景下，数字化石油钻井系统建设也已经成为了石油钻井行业信息化的代名词。石油钻井行业的特点及面临的形势

石油钻井是石油勘探开发业务流程中最重要的环节之一。它是最直接的勘探手段，只有通过钻井才能最终确定油气藏的存在。它是实现石油开发（开采）的惟一途径，油气只有通过钻井井眼才能输送到地面。钻井施工作业大多在荒郊野外，而且大多没有进行过大规模的基础设施建设，地理条件复杂，对施工现场的管理和技术支持极为不便。

目前，世界石油钻井行业面临着以下严峻的形势：

1．技术上，要在越来越复杂的地质条件下达到越来越高的中靶精度；管理上，石油企业需要大幅度降低成本，要求钻井管理更加精细化、决策更加科学化。

2．石油钻井工程涉及到多个学科领域，是一个人员与技术高度密集，集技术、管理与经济运营等为一体的系统工程，也是融合多学科技术知识的一项综合工程，要提高整体水平难度很大。

3．钻井工程投资大、风险高，钻井过程中所使用的技术方法和专业技术人员、管理人员所做出的各项决策、制定的方案等都直接关系到钻井施工的效益和成败。

全世界的钻井服务商都面临着前所未有的来自经济与技术两个方面的巨大挑战。国外很多油公司和钻井工程承包商在这方面走在了我们的前面，他们已经逐步建立起了先进的钻井信息系统，实现了数字化施工。国外钻井信息系统的发展情况及特点

国外钻井服务商早在20世纪80年代开始就将信息技术应用到生产指挥中，取得了巨大的经济效益。到90年代，开始研究建立集钻井数据采集、数据信息传输、钻井数据库、钻井工程设计、钻井施工监测和钻井生产指挥为一体的钻井信息系统。钻井参数自动采集，生产信息及时送入现场计算机，通过通讯网络实时传送到总部信息中心，经过专家会诊做出决策，反馈到钻井现场进行实时监督，指挥钻井生产。

国外比我们提前近10几年进行钻井信息技术的开发利用。由于采用了先进的技术及与其相对应的应用系统、应用软件，将信息技术很好地应用到了钻井生产中，充分发挥了计算机的优势，使得钻井水平、速度有了很大提高。可以说国外钻井信息技术应用比较成功的国家，钻井队已到了离开计算机就无法打井的水平。

美国兰德马克(LANDMARK)钻井数据管理平台实现了钻井、完井和老井维修数据资料的一体化管理。意大利阿吉朴(AGIP)公司的钻井信息系统是一套非常先进的钻井信息系统，其特点是实现了钻井数据资料的实时采集和处理。整个系统包括数据采集、卫星通讯和数据处理系统三大部分，数据处理系统的开发技术实现了数学模型和人工智能技术的有机结合，对与钻井工程关系密切的、影响钻井安全的、经济的几个方面作了高水平的开发。BPAmoco，Texaxo 和EnterpriseOil等著名石油公司都已实现了一体化的数据管理和决策支持信息系统，有力地支持了公司决策，大大提高了生产效率，有效地降低了生产成本。

国外钻井信息系统普遍存在以下特点： 1．信息量大，信息覆盖面广 2．网络健全，应用系统丰富

3．信息系统充分利用石油钻井最新技术成果 4．软件与生产实际结合紧密

5．钻井信息系统基于一体化的解决方案

因为信息化建设的投入产生了良好的效益，因此许多大公司敢于不断加大信息化投资力度，从而产生更大的效益，使得信息化建设已经进入了良性发展轨道。我国石油钻井信息化建设的差距

自20世纪末期，我国石油企业开始了以钻井资料管理系统应用为代表的钻井信息化建设。经过多年的探索和实践，大部分企业都建立了钻井数据库，研发或配套了部分应用软件。这些系统促进了钻井技术水平的提高，一定程度上降低了钻井成本，但与国外钻井信息系统相比仍然存在很大差距，与我们国内钻井行业的自身要求仍然不相适应。主要表现在：

1．钻井数据的自动采集率低、实时性差。目前虽然在自动采集软件和远程网络技术方面取得了很好的进展，但就全国而言应用覆盖率仍然很低。

2．各企业的钻井数据库建设良莠不齐，都还没有涵盖钻井信息系统相关的全部数据，比如钻前数据、固井数据、管具数据、HSE数据、专家知识数据以及勘探开发等关联业务数据等等，使得钻井信息应用难以得到全面的信息支持。

3．现有应用系统的集成度和深度不够。虽然现有的系统在网络建设、数据采集和数据的查询、数据处理、钻井调度等方面都做了不少工作，但是缺乏对数据的更深层次分析处理、综合利用以及对钻井全过程的协同管理与指挥功能，钻井的智能化程度还很低，这些都是胜利钻井信息系统需要重点解决的问题。

4．对钻井信息化的管理滞后。虽然各企业或多或少地建立了相应的考核体系和奖惩制度，但由于管理体制改革力度不够，导致系统的推广应用效果不尽人意，尤其是数据不能按规定及时、准确、完整地采集入库，使得整个系统效率难以充分发挥，这就给后续的许多深层次的信息应用造成很大的阻碍。

5．基础设施不能满足应用需求。我国石油钻井企业的服务器配置和网络建设等方面不能满足不断增长的数据管理和应用的需求。

数字化石油钻井系统目标及框架

数字化石油钻井系统是包括钻井数据库、钻井应用软件和钻井基础设施在内的钻井综合信息系统，是在数字油田的大背景下提出的。数字化石油钻井系统的建设目标是：建设一套与国际接轨的具有国际先进水平的钻井信息系统，形成集钻井基层队、钻井专业公司（研究院）、油田总部为一体的，能够满足市场开拓、生产、管理、科研、经营、HSE管理等需求的信息体系，提升我国钻井行业和钻井企业的核心竞争力。

石油钻井的主流程是从市场信息的收集与分析开始，经过地质设计、工程设计、钻前以及钻井施工过程，其中钻井施工过程还包括管具及井控、欠平衡、泥浆、固井、定向井及取心服务等子流程和录井、测井、试油（或中途测试）等关联业务，流程所涉及的单位除了钻井队外，还有钻井设计单位、钻前施工队、固井队、定向技术服务队、欠平衡服务队、泥浆服务队、录井队、测井队、试油队，以及上层的钻井公司、钻井研究机构和技术服务等单位。在全面考虑钻井全过程所涉及到的数据以及各单位从事生产经营活动所需要的应用功能，从钻井数据的采集与管理、上层应用、网络与基础设施配套等三方面提出数字化石油钻 井的总体框架设计，见图1。

上层应用专业辅助应用系统（数据挖掘等深层次）生产、经营管理应用系统基础保障数据发布与检索系统数据质量监控与管理系统管理制度与考核措施档案培训生产科研钻井设计钻井工程钻井实时标准规范专家知识数据存储系统经营管理基建装备生产财务HSE市场企管网络与基础设施后勤支撑钻前管具泥浆定向固井供应运输维修人力资源组织劳资工会团委计生外部关联勘探开发录井测井测试地面数据中心 数据采集系统（软件）图1 数字化石油钻井总体技术框架

1.数据采集与管理体系

数据采集体系是从满足钻井生产业务需求的角度出发，通过数据采集软件和硬件，将钻井生产科研、经营管理、后勤支撑、人力资源以及关联业务等5大类源头数据按照统一的标准规范进行采集管理，做到各种数据在数据发生的第一时间以统一的格式一次性入库并通过校验，直接进入钻井数据中心集中管理，同时支持上层各类业务管理的应用和数据的深层次处理应用。这些数据在逻辑上构成一个统一的库，称为石油钻井数据中心，其内容构成如图2所示。

数据发布与检索系统数据质量监控与维护系统生产科研钻井设计钻井工程钻井实时标准规范专家知识数据存储系统经营管理基建装备生产财务HSE市场企管后勤支撑钻前管具泥浆定向固井供应运输维修档案培训人力资源组织劳资工会团委计生外部关联勘探开发录井测井测试地面数据采集系统（软件）图2 “数字化石油钻井”数据中心构成

生产科研类数据包括钻井设计、钻井工程、钻井实时、钻井技术标准与规范、钻井专家知识等5小类。

经营管理类数据包括基建、装备、生产统计、财务、HSE管理、市场信息、企管合同等7小类。

后勤支撑类数据可分为钻前、管具、泥浆、定向、固井、物资供应、运输、维修、档案、培训等10小类。

人力资源类数据包括组织、劳资、工会、团委、计生等5小类。

外部关联业务类数据包括勘探、开发、录井、测井、测试、地面建设等6小类。2.上层应用体系

数字化石油钻井系统还包括很多数据应用型软件，这些是真正发挥钻井信息效率的系统，主要分为生产经营管理和专业辅助应用2类，如图3所示。

专家咨询决策中心钻井数据综合处理系统钻井地质环境描述及实钻轨迹描述系统钻井专家系统钻井计算机模拟系统随钻地震信息处理系统„ „专业辅助应用系统（数据挖掘等深层次）生产、经营管理应用系统钻井设计系统钻井协同调度指挥系统钻井管具管理系统钻井基层队资质管理系统钻井HSE管理系统钻井质量综合评价系统钻井物流及成本管理系统综合业务管理系统钻井财务网上结算系统„ „生产运营组织中心 图3 数字化石油钻井上层应用软件构成

生产经营管理类软件主要由钻井设计系统、钻井协同调度指挥系统、钻井管具管理系统、钻井基层队资质管理系统、钻井HSE管理系统、钻井质量综合评价系统、钻井物流成本管理系统、钻井企业综合业务管理系统等MIS系统构成，该类应用主要是围绕钻井生产运营组织工作进行的。

（1）钻井设计系统功能主要包括钻井工程设计和管理、钻井轨迹设计、固井工艺优化设计、钻具受力分析、欠平衡钻井优化设计等。系统应该采用网络化协同设计思路进行设计，设计结果实现网上共享。

（2）钻井协同调度指挥系统是以GIS为基础，通过网络方式将钻井生产与管理的所有单位和部门组织在一个虚拟办公室内，通过信息的实时采集和指令的实时传递，实现网络协同调度，从而提高信息的准确性和调度效率。

（3）钻井管具管理系统功能主要包括钻井管具（管材、钻具、井控设备等）的准备、跟踪与管理也是钻井大流程中的重要组成部分，它几乎贯穿钻井全过程。管具管理的效率直接关系到现场管具供应质量和速度，也直接影响整个钻井质量和速度。钻井管具管理系统是对管具公司所有管具的整个生命周期进行管理，提高管理水平和服务水平。

（4）钻井基层队资质管理系统实现对钻井基层队伍的规范、量化管理。（5）钻井HSE管理系统实现对HSE及执行情况进行动态管理与监控。

（6）钻井质量综合评价系统是对钻井质量进行综合评价，主要包含井身质量评价、固井质量评价、井口质量评价、取芯质量评价等。

（7）钻井物流及成本管理系统实现对钻井物流和钻井成本管理。

（8）综合业务管理系统主要处理钻井各单位的日常办公和管理业务，比如生产动态、公文管理、车辆管理、内部交流、党政事务等等，各单位的管理方式不同，所要求的功能也不尽相同，但业务项大体相同。

专业辅助应用是利用人工智能、专家系统、神经网络、模糊逻辑、进化计算等新理论与技术同室内试验相结合，进行钻井工程计算机建模及数据挖掘，以最大程度地发挥信息资源的优势。它主要包括钻井数据综合处理系统、钻井地质环境描述及实钻轨迹描述系统、钻井专家系统、钻井计算机模拟系统、随钻地震信息处理系统等等，该类应用主要是围绕钻井技 5 术专家咨询决策进行的。各系统的主要功能简介如下：

（1）钻井数据处理系统主要包括以下部分：钻井数据分析技术研究；钻井综合成本分析；底部钻具分析；时效分析；与勘探开发数据库、油藏描述数据库、测井数据库、地质录井数据库的接口；井身结构和套管的优化设计；对实钻数据的分析和优化设计；钻井施工措施实时优化；井眼轨迹设计、预测和监控。

（2）钻井地质环境描述及实钻轨迹描述系统是对地层构造、设计轨迹、靶点、老井井眼轨迹、正施工井井眼轨迹等进行三维显示，供现场作业人员用于进行油井路径和钻头空间方位的观察与监视，并且与事先输入的钻井设计数据进行对比，可以为现场作业人员提供钻头的实际空间方位与设计空间方位之间的偏离信息，为操作人员控制钻头的走向提供可靠的依据，以便随时调整钻井工艺，实现可视化钻井。

（3）钻井专家系统主要是利用强大的数据资源（实钻数据和经验数据），结合先进的钻井技术，建立合理的模型，智能地处理钻井施工中的各种问题，达到预防和处理事故，提高钻井速度，降低钻井成本之目的。

（4）钻井计算机模拟系统在快速准确地提供信息的基础上，利用数理统计理论、人工智能方法等，建立数学模型，对工程施工提供可选择的最优方案。

（5）随钻地震的信息处理系统对钻头钻进过程中钻头与钻遇地层之间的撞击、摩擦所产生的微弱地震信号作为信号源进行处理，实现钻井过程时实监测的手段，及时为钻井工程师和决策者提供相关信息。3.基础设施配套体系

基础设施保障方面，需要从钻井基层队—>钻井公司—>油田—>集团总部进行一系列的基础设施建设，建设内容包括数据采集仪器配备、网络建设、服务器配备以及其他相关设施的配套建设。钻井基层队需要配备钻井参数仪、数据采集计算机和无线上网设备（如GPRS/CDMA卡），在偏远山区、沙漠和海洋等地施工的钻井队还需要配备卫星地面站，以实现数据的远程传输和施工的远程指挥；钻井公司以上单位则重点是配备满足数据管理和应用软件运行所需的服务器，应该根据所需量力而行，不可盲目贪大。为了生产调度的方便，可以为钻井公司配备大屏幕等设施，真正实现数字化、可视化调度指挥。基础设施的逻辑部署如图4所示。

卫星摄像机GPRS/CDMA计算机钻井队参数仪钻井队软件应用软件应用计算机参数仪存储钻井分公司软件应用软件应用千兆网存储钻井技术公司千兆网存储钻井分公司软件应用存储固井公司千兆网存储管具公司千兆网主干网千兆网大屏幕(7）千兆网千兆网油田总部IBM软件应用软件应用存储钻井总公司存储

图4 数字化石油钻井基础设施逻辑结构

效益分析

对于石油钻井这个融合多学科技术知识、投资大、风险高的综合工程来说，所使用的技术方法以及中、高层专业技术人员和管理人员所做出的各项决策分析、制定的目标方案都直接关系到钻井施工的效益和成败。另外，钻井作业地区从陆地到海洋，从高原到沙漠，复杂多变，地域辽阔，有的自然条件极其恶劣，远离人烟，偏远、荒芜，给施工带来极大的不便，因此，若仍按石油工业的传统方式组织和指挥施工，将要耗费巨大的成本和代价。另外，由于地质情况的多变性和复杂性，钻井工艺技术的发展不仅需要多种理论知识的指导，而更重要的是通过钻井过程中产生的大量数据资料的分析处理，形成规律性的认识，完善和优化钻井工艺技术，达到提高钻井速度、降低钻井成本、减少钻井过程对油藏污染的目的。这些都离不开信息技术的应用。

数字化石油钻井系统建设能够将钻井实时数据不断采集、传输，经过软件处理，专家会诊后再把决策指令反馈到钻井队，实现实时最优化钻井施工。可以使钻井和油藏地质人员“透视”地下三维图像以实时地监督正钻和待钻的井身轨迹。系统将综合运用网络技术、信息技术、数据库技术、综合性软件集成技术和Internet技术，使钻井过程控制和优化钻井达到新水平，使石油钻井的信息共享和技术应用突破地域的界限，各学科专家组成的项目工作组远程协同工作成为现实。

数字化石油钻井系统的最终价值主要有四个方面：降低钻井成本；整体提高钻井技术水平，从而提高石油勘探开发效率；提高钻井安全性；提高钻井系统的核心竞争力，从而创造更高的效益。

作者简介：杨传书，男，胜利油田钻井工艺研究院钻井信息中心工程师。他长期从事石油软件研发与项目管理、石油企业信息化研究工作。现正在参加国家863科技攻关项目“PetroDW 关键技术研究”以及数字化石油钻井系统研究工作。

第四篇：核磁共振方法研究蛋白质结构

核磁共振方法研究蛋白质结构

维特里希教授创建的方法是对水溶液中的蛋白质样品测定一系列不同的二维核磁共振图谱，然后根据已确定的蛋白质分子的一级结构，通过对各种二维核磁共振图谱的比较和解析，在图谱上找到各个序列号氨基酸上的各种氢原子所对应的峰。有了这些被指认的峰，就可以根据这些峰在核磁共振谱图上所呈现的相互之间的关系得到它们所对应的氢原子之间的距离。可以想象，正是因为蛋白质分子具有空间结构，在序列上相差甚远的两个氨基酸有可能在空间距离上是很近的，它们所含的氢原子所对应的NMR峰之间就会有相关信号出现。通常，如果两个氢原子之间距离小于0.5纳米的话，它们之间就会有相关信号出现。一个由几十个氨基酸残基组成的蛋白质分子可以得到几百个甚至几千个这样与距离有关的信号，按照信号的强弱把它们转换成对应的氢原子之间的距离，然后运用计算机程序根据所得到的距离条件模拟出该蛋白质分子的空间结构。该结构既要满足从核磁共振图谱上得到的所有距离条件，还要满足化学上有关原子与原子结合的一些基本限制条件，如原子间的化学键长、键角和原子半径等。

从1980年代初维特里希教授发展出这种方法至今，核磁共振技术在生物大分子的结构研究方面有了飞速的发展，一方面是由于仪器技术本身的发展，能够产生的磁场越来越强；计算机的计算速度也越来越快，更多地是由于实验方法上的创新和发展，由二维的核磁共振实验发展成三维甚至更多维的实验；借助于基因技术可以得到同位素富集的蛋白质样品,核磁共振的实验也从原来单一的核发展到三种甚至四种核同时在一个实验中共振而产生相关信号。核磁共振方法的应用范围也从原来单一的蛋白质分子的空间结构研究发展到蛋白质动力学方面的研究，蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸以及小分子的相互作用和药物筛选中蛋白质分子与药物分子的结合等方面。随着人类基因组学和蛋白质组学研究的不断深入，蛋白质结构组学的研究也会随之兴起，核磁共振技术在这方面的应用会更多更广。这些应用的需求反过来也会促进核磁共振技术本身的进步和发展，使之更趋成熟和完善

H-HCOSY是确定质子间偶合关系的有力工具，就这种作用来说，它相当于多次质子同核自旋去偶实验，但二者各有长处。H-HCOSY中的相关峰（或称交叉峰）主要反映的是2J和3J偶合关系，偶尔会出现远程相关峰。

TOCSY（全相关谱，TOtal Correlation Spectroscopy）

可以找到同一偶合体系中所有氢核的相关信息，也就是说，从某一个氢核的信号出发，能找到与它处在同一个自旋系统中所有质子的相关峰。这是一种很有用的2DNMR技术。

COSY通常只能看到相邻碳的氢的相关，（有时稍微远一点）。但是TOCSY顺着化学键可以看到相隔若干个碳的氢相关。因此TOCSY谱图繁杂得多，不过也确实很有用。所需要时间和COSY差不多。

核磁共振ROESY和NOESY的区别及 适用范围

核磁共振ROESY和NOESY的区别及 适用范围

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

答案二： ROESY是旋转坐标系下的NOESY。小分子的NOE是反相的，大分子是正相的。当分子量接近2000时，NOE趋于0。在旋转坐标系下NOE始终为正，故测2000左右的样品时须用ROESY。

答案三：

NOESY：Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy 二维NOE谱

ROESY：Rotating Frame Overhauser Effect Spectroscopy 旋转坐标系NOE谱

相同点：

1)都是二维核磁共振实验(包括同核和异核实验)。同核实验主要有1H-1H COSY，TOCSY，E.COSY, NOESY，ROESY，relay-NOESY等实验，主要用于自旋体系(残基内部)的谱峰确认，耦合常数的测定，顺序识别，以及由NOE交叉峰的强度得出质子间距离约束条件。这也是非标记样品所能进行的主要实验。

2)都是检测 H-H 的空间相关, 距离3.5-5 A，可以考察化合物的立体结构;

不同点：

1)分子量在 1000-3000范围，建议使用 roesy;小于1000和大于3000的化合物宜做NOESY。

2)noesy 是相敏图, 在对角峰附近的分辨率较差;

3)roesy 得到的都是吸收谱，因此有相信号点(交叉峰)距离对角峰近的可以考虑使用 roesy。

氢原子在分子中的化学环境不同,而显示出不同的吸收峰,峰与峰之间的差距被称作化学位移；化学位移的大小,可采用一个标准化合物为原点,测出峰与原点的距离,就是该峰的化学位移,现在一般采用(CH3)4Si(四甲基硅烷TMS)为标准化合物,其化学位移值为0 ppm.处在不同环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同,在图谱上出现的位置也不同,利用化学位移,峰面积和积分值以及耦合常数等信息,进而推测其在碳骨架上的位置.二维核磁共振波谱的基本原理

二维核磁共振谱的出现和发展，是近代核磁共振波谱学的最重要的里程碑。极大地方便了核磁共振的谱图解析。

二维核磁共振谱是有两个时间变量，经两次傅里叶变换得到的两个独立的频率变量图一般把第二个时间变量t2表示采样时间，第一个时间变量t1则是与 t2无关的独立变量，是脉冲序列中的某一个变化的时间间隔。

二维核磁共振谱的特点是将化学位移、耦合常数等核磁共振参数展开在二维平面上，这样在一维谱中重叠在一个频率坐标轴上的信号分别在两个独立的频率坐标轴上展开，这样不仅减少了谱线的拥挤和重叠，而且提供了自旋核之间相互作用的信息。这些对推断一维核磁共振谱图中难以解析的复杂化合物结构具有重要作用。

划分区域

一个二维核磁共振试验的脉冲序列一般可划分为下列几个区域：

预备期(preraration)—演化期 t1(evolution)—混合期tm(mixing)—检测期t2(detection)。检测期完全对应于一维核磁共振的检测期，在对时间域t2进行Fourier变换后得到F2频率域的频率谱。二维核磁共振的关键是引入了第二个时间变量演化期 t1。当样品中核自旋被激发后，它以确定频率进动，并且这种进动将延续相当一段时间。在这个意义上讲，我们可以把核自旋体系看成有记忆能力的体系，Jeener就是利用这种记忆能力，通过检测期间接演化期中核自旋的行为。

氢的核磁共振谱提供了三类极其有用的信息：化学位移、偶合常数、积分曲线。应用这些信 息，可以推测质子在碳胳上的位置。

根据前面讨论的基本原理，在某一照射频率下，只能在某一磁感应强度下发生核磁共振。例如：照射频率为60 MHz，磁感应强度是 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）。但实验证明：当1H在分子中所处化学环境（化学环境是指1H的核外电子以及与1H 邻近的其它原子核的核外电子的运动情况）不同时，即使在相同照射频率下，也将在不同的共振磁场下显示吸收峰。下图是乙酸乙酯的核磁共振图谱，图谱表明：乙酸乙酯中的8个氢，由 于分别处在a，b，c三种不同的化学环境中，因此在三个不同的共振磁场下显示吸收峰。同种核由于在分子中的化学环境不同而在不同共振磁感应强度下显示吸收峰，这称为化学位移（chemical shift）。化学位移是怎样产生的？分子中磁性核不是完全裸露的，质子被价电子包围着。这些电子 在外界磁场的作用下发生循环的流动，会产生一个感应的磁场，感应磁场应与外界磁场相反（楞次定律），所以，质子实际上感受到的有效磁感应强度应是外磁场感应强度减去感应磁场强度。即

B有效=B0(1-σ）=B0-B0σ=B0-B感应

外电子对核产生的这作用称为屏蔽效应（shielding effect），也叫抗磁屏蔽效应（diamagnetic effect）。称为屏蔽常数（shielding constant）。与屏蔽较少的质子比较，屏蔽多的质子对外磁场感受较少，将在较高的外磁场B0作用下才能发生共振吸收。由于磁力线是闭合的，因此感应磁 场在某些区域与外磁场的方向一致，处于这些区域的质子实际上感受到的有效磁场应是外磁场B0加上感应磁场B感应。这种作用称为去屏蔽效应（deshielding effect）。也称为顺磁去屏蔽效应（paramagnetic effect）。受去屏蔽效应影响的质子在较低外磁场B0作用下就能发生共振吸收。综上所述：质子发生核磁共振实际上应满足：

ν射=γB有效/2π

因在相同频率电磁辐射波的照射下，不同化学环境的质子受的屏蔽效应各不相同，因此它们发生 核磁共振所需的外磁场B0也各不相同，即发生了化学位移。

对1H化学位移产生主要影响的是局部屏蔽效应和远程屏蔽效应。核外成键电子的电子云 密度对该核产生的屏蔽作用称为局部屏蔽效应。分子中其它原子和基团的核外电子对所研究的 原子核产生的屏蔽作用称为远程屏蔽效应。远程屏蔽效应是各向异性的。化学位移的差别约为百万分之十，要精确测定其数值十分困难。现采用相对数值表示法，即选用一个标准物质，以该标准物的共振吸收峰所处位置为零点，其它吸收峰的化学位移值根据这 些吸收峰的位置与零点的距离来确定。最常用的标准物质是四甲基硅（CH3)4Si简称TMS。选TMS为标准物是因为：TMS中的四个甲基对称分布，因此所有氢都处在相 同的化学环境中，它们只有一个锐利的吸收峰。另外，TMS的屏蔽效应很高，共振吸收在高场出现，而且吸收峰的位置处在一般有机物中的质子不发生吸收的区域内。现规定化学位移用δ来 表示，四甲基硅吸收峰的δ值为零，其峰右边的δ值为负，左边的δ值为正。测定时，可把标准物与样品放在一起配成溶液，这称为内标准法。也可将标准物用毛细管封闭后放人样品溶液中进 行测定，这称为外标准法。此外，还可以利用溶剂峰来确定待测样品各个峰的化学位移。

由于感应磁场与外磁场的B0成正比，所以屏蔽作用引起的化学位移也与外加磁场B0成正 比。在实际测定工作中，为了避免因采用不同磁感应强度的核磁共振仪而引起化学位移的变化，δ一般都应用相对值来表示，其定义为

δ=(ν样-ν标)/ν仪×10^6 ④

在式④中，ν样和ν标分别代表样品和标准化合物的共振频率，ν仪为操作仪器选用的频率。多数有机物的质子信号发生在0～10处，零是高场，10是低场。需注意也有一些质子的信号是在小于0的地方出现的。如安扭烯的环内的质子，受到其外芳环磁各向异性的影响，甚至可以达到-2.99。此外，在不同兆数的仪器中，化学位移的值是相同的。化学位移取决于核外电子云密度，因此影响电子云密度的各种因素都对化学位移有影响，影 响最大的是电负性和各向异性效应。

⑴电负性（诱导效应）

电负性对化学位移的影响可概述为：电负性大的原子（或基团）吸电子能力强，1H核附近的吸电子基团使质子峰向低场移（左移），给电子基闭使质子峰向高场移（右移）。这是因为吸电子基团降低了氢核周围的电子云密度，屏蔽效应也就随之降低，所以质子的化学位 移向低场移动。给电子基团增加了氢核周围的电子云密度，屏蔽效应也就随之增加，所以质子的 化学位移向高场移动。下面是一些实例。

实例一： 电负性 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)实例二： 电负性 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)电负性对化学位移的影响是通过化学键起作用的，它产生的屏蔽效应属于局部屏蔽效应。

⑵各向异性效应

当分子中某些基团的电子云排布不呈球形对称时，它对邻近的1H核产 生一个各向异性的磁场，从而使某些空间位置上的核受屏蔽，而另一些空间位置上的核去屏蔽，这一现象称为各向异性效应（anisotropic effect）。

除电负性和各向异性的影响外，氢键、溶剂效应、van der Waals效应也对化学位移有影响。氢键对羟基质子化学位移的影响与氢键的强弱及氢键的电子给予体的性质有关，在大多数情况 下，氢键产生去屏蔽效应，使1H的δ值移向低场。有时同一种样品使用不同的溶剂也会使化学位移值发生变化，这称为溶剂效应。活泼氢的溶剂效应比较明显。

当取代基与共振核之间的距离小于van der Waals半径时，取代基周围的电子云与共振核周围的电子云就互相排 斥，结果使共振核周围的电子云密度降低，使质子受到的屏蔽效应明显下降，质子峰向低场移动，这称为van der Waals效应。氢键的影响、溶剂效应、van der Waals效应在剖析NMR图谱时很有用。

（3）共轭效应

苯环上的氢若被推电子基取代，由于P-π共轭，使苯环电子云密度增大，质子峰向高场位移。而当有拉电子取代基则反之。对于双键等体系也有类似的效果。

第五篇：数字化广播总控系统实施研究论文

摘 要：当前数字广播当前存在着主要问题在于发展资金不足和用户认同度不高的现状。在当前信息化时代的发展，互联网传递信息速度的普及，广播数字化已经成为历史的潮流，如何利用广播中控系统的实施，通过建立有效的数字化控制体系，就能够有效的解决当前广播总控系统中的不足与发展中的困境。笔者主要研究TVMMS系统体系结构的设计和MM1接口协议，分析整个TVMMS系统实施的方法。

关键词：数字广播总控系统设计

1序言

随着经济与社会的快速发展，数字广播已经进入了千家万户。作为新兴事物，数字广播在发展的过程中遇到了一些问题，一是资金不足，二是用户的认可度不高，随着计算机网络逐渐成为企业、政府和其它各种组织的重要信息载体和传输渠道，网络和其所带来的信息数字化大幅度提高了工作效率。然而如果没有一个高效率的系统能够针对当前广播系统进行管理与监控，则很难保证用户满意以及提升广播电视收视率。因此有必要针对此问题真正使用上一整套符合当前广播现状的TVMMS系统，并针对此系统进行实施，保证其的有效运行和解决上述存在的种种问题。

2TVMMS系统功能概述

TVMMS系统,包括了电视多媒体消息系统、移动通信网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）MMS系统、固定通信网络（网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的）（PSTN）MMS系统和Internet等。

2.1用户代理（UA，User Agent）

其是位于机顶盒STB的应用层软件，它提供对TVMMS业务的支持能力。用户通过它可以接收、观看、制作和发送电视多媒体消息。用户代理的主要功能如下：

用户代理是一个用户与其它用户代理或服务器通信的终端，采用SIP协议作为信令协议。用户代理可以运行在各种系统平台上，支持音频、视频、文本和电子白板等媒体类型。

用户代理的内部结构大致可以分为4个部分：图形用户界面（GUI）、SIP消息处理模块、媒体处理模块和JAIN SIP协议栈。其中JAIN SIP协议栈又分SIP包和SDP包2部分，分别负责SIP消息和媒体流的解析和发送。JAIN SIP对SIP通信实体的实现采用模块化处理，每个实体都由SipStack，SipProvider和SipListener构成。整个架构以事件为基础，采用了监听者（Listener）/提供者（Provider）的事件模型。

2.2服务器

TVMMS网关/服务器负责存储、处理来往的消息，在整个TVMMS系统中处于核心地位。在技术实现上，TVMMS网关和服务器可以集成在一起，也可以分开成2个设备，它们之间用MM2接口进行通信。

3实施的技术要点

为了确保整个数字化广播总控系统的实施，建立健全整个实施的方向，因此对于物理实施应当重视如下几个方面：（1）采用透明隔离硬防系统，全部网络基于因特网，不再新建物理内网，以达到减小投资、方便实用、扩大影响的目的；（2）采用动态数据库技术，各类数据自动二次处理，实时生成各类统计分析报表和预警提醒事项，充分利用信息资源、减少劳动强度、降低报表差错率；（3）采用虚拟3D技术，引入实战指挥概念，对企业经纬度、企业总平面进行立体、实时监控，并联接办公系统中其他各项实时采集数据，第一时间发现问题解决问题。

4实施的现状及存在的问题

4.1系统的数据流程

TVMMS系统对不同来源的数据自动接入或通过人工录入，系统进行加工处理后，生成发布的信息进行发布。数据的处理过程可以分为3个层面，分别是数据层，处理层和显示层。(1)数据层：该层的主要作用是其他系统传递过来的原始数据进行校验解包并进行预处理。(2)处理层：在处理层中，由数据处理模块调用相应的模型，如播放的状态分类计算模型等，进行数据计算处理,当前接收人员的状态信息，并经由人工确认，存入系统数据库。另外，有些突发事件需要人工信息输入并存入系统数据库。(3)显示层：显示层主要对状态信息进行处理，形成广播总控信息。

4.2TVMMS系统发布信息的实时自动生成(1)数据解析、融合：由于广播信号信息的多样性和异构性，来自于各数据源的信息必须先经过数据解析、数据融合处理转换成统一的格式后才能写入到流数据中心。数据解析是对源数据进行理解、翻译的过程，由于各流数据采集系统的数据元和数据格式不完全相同，因此需要通过数据解析将源数据翻译、格式化成标准的格式。数据融合将经数据解析后得到的源数据进行分类，补充源数据中缺少的数据元，并根据配置信息将源数据和一个路段断面相关联。

(2)数据预处理：数据预处理包含滤噪和判误两个过程。滤噪算法运用平均差原理，将差值(原始值与整体平均值的差值)大于平均差的那些数据视为噪点丢弃不用。判误算法则是根据预先设定的阀值判别源数据是否合法，如果不合法则丢弃。

4.3存在问题

(1)区域间缺乏联动诱导。在一些城市，随着不同区域广播控制系统的相继建成和规划建设，不同区域之间的广播关联性与不同区域广播控制系统的相对独立性之间的矛盾成为目前广播控制系统的主要矛盾之一。从出行者的角度主要表现在获得交通信息的不连续性，特别是在区域边界无法获得所需要的信息。(2)非城市快速路缺乏动态诱导。现行的诱导都只限于城市快速路，而作为衔接城市快速路的支路却缺少诱导。虽然我国城市交通诱导率低不至于出现Braess矛盾效应，但是却很容易在支路上发生拥堵。(3)各个TVMMS系统广播控制的独立。区域性的TVMMS系统广播控制并未有机统一起来，因此需要特别的权限进行管理与审核。

5结束语

TVMMS系统的发展需要有科学技术的发展为支撑，需要由先进的数学理论、模型和思维理念为基础。如何提升TVMMS系统体系的数字化、网络化、智能化，以及提高动静态数据的联动诱导的效率，将是衡量城市广播管理水平的关键因素。

参考文献

齐岩松，金纯，蒋小宇.数字广播多媒体消息及数据格式研究.广东通信技术，2007，27（4）：16-19.