Программная реализация вероятностно-детерминированного планирования химического эксперимента на R
Просмотры: 217 / Загрузок PDF: 40
DOI:
https://doi.org/10.32523/2616-6771-2025-151-2-130-142Ключевые слова:
вероятностно-детерминированное планирование эксперимента, R, аппроксимация, моделирование химико-технологических процессовАннотация
Представлена программная реализация алгоритма обработки экспериментальных данных, полученных по методике вероятностно-детерминированного планирования эксперимента (ВДПЭ), в среде R. Разработанный инструмент позволяет формировать частные и обобщённые зависимости между результатами и варьируемыми факторами, использовать шаблоны планов различной размерности, автоматизировать выбор моделей аппроксимации и оценивать их качество по метрикам R², коэффициенту нелинейной множественной корреляции RM и его значимости tRM. Реализация впервые выполнена в среде R с использованием пакетов openxlsx, dplyr, tcltk и других. Поддерживаются различные методы усреднения (арифметическое, геометрическое, гармоническое), автоматическая проверка ортогональности планов, приоритетное ранжирование моделей по tRM с выделением и приоритезацией физически обоснованных аппроксимирующих функций. Обобщенное уравнение строится методом перебора сочетаний значимых частных функций до достижения максимума tRM. Система обеспечивает визуализацию результатов, экспорт таблиц и имеет модульную архитектуру, допускающую расширение функционала. Возможна загрузка пользовательских шаблонов планов, добавление новых метрик и пользовательских аппроксимирующих функций, ручное назначение вида аппроксимирующей частной функции и обобщенного уравнения, адаптация под задачи конкретных предметных областей. Инструмент предназначен для исследователей, преподавателей и инженеров, работающих с многофакторными экспериментами, и может быть использован в научной деятельности, химической технологии и в образовательной практике. Большая языковая модель ChatGPT использовалась на этапе генерации и отладки кода. Кратко обсуждаются возможности использования языковой модели в прикладном программировании для решения задач химии и химической технологии.
Скачивания
Библиографические ссылки
Modifitsirovannyy metod veroyatnostno-determinirovannogo planirovaniya eksperimenta (MVE) [Modified method of probabilistic deterministic experiment planning (MPE)]. (2013). Internet Archive: https://web.archive.org/web/20130401063933/http://analiz3.com/
Ai, Q.X., Meng, F.W., Shi, J.L., et al. (2024). Extracting structured data from organic synthesis procedures using a fine-tuned large language model. Digital Discovery 3(9), 1822–1831. https://doi.org/10.1039/d4dd00091a
Akberdin, A.A., Kim, A.S., Sultangaziev, R.B. (2018). Experiment Planning in the Simulation of Industrial Processes. Steel Transl 48, 573–577. https://doi.org/10.3103/S0967091218090024
Akhmetkarimova, Z.S., Baikenov, M.I., Dyusekenov, A.M. (2017). Mathematical simulation of the hydrogenation of borodino coal. Solid Fuel Chemistry 51(2), 111–114. https://doi.org/10.3103/S0361521917020021
Barad, M. (2014). Design of experiments (DOE) - A valuable multi-purpose methodology. Applied Mathematics 5(14), 2120–2129. https://doi.org/10.4236/am.2014.514206
Belyaev, S.V., Malyshev, V.P. (2008). Puti razvitiya veroyatnostno-determinirovannogo planirovaniya eksperimenta [Development paths of probabilistic-deterministic experimental design]. In Kompleksnaya pererabotka mineral'nogo syr'ya Kazakhstana. Sostoyanie, problemy, resheniya [Complex processing of Kazakhstan's mineral raw materials. State, problems, solutions] 9(8), 599–633.
Bose, R.C., Shrikhande, S.S., Parker, E.T. (1960). Further results on the construction of mutually orthogonal Latin squares and the falsity of Euler's conjecture. Canadian Journal of Mathematics 12, 189–203
Box, G.E.P., Jenkins, G.M., Reinsel, G.C., Ljung, G.M. (2015). Time series analysis: Forecasting and control (5th ed.). John Wiley & Sons.
Chatterjee, S. (2021). A new coefficient of correlation. Journal of the American Statistical Association 116(536), 2009–2022. https://doi.org/10.1080/01621459.2020.1773984
Cooper, A.I. (2025). Concluding remarks: Faraday Discussion on data-driven discovery in the chemical sciences. Faraday Discussions 256, 664–690. https://doi.org/10.1039/d4fd00174e
Eriksson, L., Johansson, E., Wold, S. (2014). Design of experiments (DoE) and process optimization: A review of recent publications. Organic Process Research & Development 19(11), 1605–1633. https://doi.org/10.1021/op500169m
Fisher, R.A. (1926). The arrangement of field experiments. Journal of the Ministry of Agriculture of Great Britain 33, 503–513.
Fisher, R.A. (1935). The design of experiments. Oliver and Boyd.
Fomin, V.N., Dik, A.V. (2015). Using one-way analysis of variance in the stochastic determinated design of experiment. Bulletin of Karaganda University. Ser. Chemistry 1(58), 17–20.
Fomin, V.N., et al. (2021). Optimization of the parameters of a laser induced breakdown spectrometer (LIBS) using probabilistic-deterministic design of experiment. Industrial Laboratory Diagnostics of Materials 87(5), 14–19. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2021-87-5-14-19
Fomin, V.N., et al. (2021). Optimization of coal tar gas chromatography conditions using probabilistic-deterministic design of experiment. Bulletin of the University of Karaganda-Chemistry 104, 39–46. https://doi.org/10.31489/2021Ch4/39-46
Fomin, V.N., et al. (2022). Method for qualitative and quantitative analysis of ancient lead enamel using laser inducted breakdown spectroscopy. Bulletin of the University of Karaganda-Chemistry 108, 107–117. https://doi.org/10.31489/2022Ch4/4-22-16
Fomin, V.N., et al. (2024). Method of classification and quantitative analysis of vein quartz using LIBS and chemometric techniques. Bulletin of the L. N. Gumilyov Eurasian National University. Chemistry Geography Ecology Series 147(2), 48–60. https://doi.org/10.32523/2616-6771-2024-147-2-48-60
Fomin, V.N., Kovaleva, A.A., Aldabergenova, S.K. (2017). Ispolzovanie mnogofaktornykh peremennykh v veroyatnostno-determinirovannom planirovanii eksperimenta [Use of multifactor variables in probabilistic-deterministic design of experiment]. Vestnik Karagandinskogo Universiteta. Seriya Khimiya [Bulletin of Karaganda University. Chemistry Series] 3(87), 91–100.
Gogol, D.B., Rozhkovoy, I.E., Sadyrbekov, D.T., Makasheva, A.M. (2023). Deposition of transition metal onto carbonate materials surface: Theoretical evaluation of optimal parameters. Eurasian Journal of Chemistry 28, 4(112). https://doi.org/10.31489/2959-0663/4-23-13
Ibishev, K.S., Malyshev, V.P., Kim, S.V., Sarsembaev, B.S., Egorov, N.B. (2017). Preparation of nanosized nickel powder by direct-current electrolysis combined with high-voltage spark discharge. High Energy Chemistry 51(3), 219–223. https://doi.org/10.1134/S0018143917030055
Jankovic, A., Chaudhary, G., Goia, F. (2021). Designing the design of experiments (DOE) – An investigation on the influence of different factorial designs on the characterization of complex systems. Energy and Buildings 250, 111298. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.111298
Kallergis, G., Asgari, E., Empting, M., et al. (2025). Domain adaptable language modeling of chemical compounds identifies potent pathoblockers for Pseudomonas aeruginosa. Communications Chemistry 8(1), 114. https://doi.org/10.1038/s42004-025-01484-4
Kumari, M., Chauhan, R., Garg, P. (2025). Can LLMs revolutionize text mining in chemistry? A comparative study. Computer Standards & Interfaces 94, 103997. https://doi.org/10.1016/j.csi.2025.103997
Lee, B.C.Y., Mahtab, M.S., Neo, T.H., Farooqi, I.H., Khursheed, A. (2022). A comprehensive review of Design of Experiment (DOE) for water and wastewater treatment application - Key concepts, methodology and contextualized application. Journal of Water Process Engineering 47, 102673. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.102673
Mahmood, S.W., Basheer, G.T., Algamal, Z.Y. (2025). Quantitative structure-activity relationship modeling based on improving kernel ridge regression. Journal of Chemometrics 39(5), e70027. https://doi.org/10.1002/cem.70027
Malyshev, V.P. (1981). Probabilistic-deterministic design of experiment [Veroyatnostno-determinirivannoe planirovanie eksperimenta in Russian]. Nauka, Almaty.
Malyshev, V.P. (1994). Probabilistic-deterministic mapping [Veroyatnostno-determinirovannoe otobrazhenie in Russian]. Gylym, Karaganda.
Protodyakonov, M.M., Tedder, R.I. (1970). Methodology of rational experimental design [Metodika ratsional'nogo planirovaniya eksperimentov in Russian]. Nauka, Moscow.
R Core Team. (2024). R: A language and environment for statistical computing (Version 4.4.1). R Foundation for Statistical Computing. https://www.R-project.org/
Rampal, N., Wang, K.Y., Burigana, M., et al. (2024). Single and multi-hop question-answering datasets for reticular chemistry with GPT-4-Turbo. Journal of Chemical Theory and Computation 20(20), 9128–9137. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.4c00805
Schilling-Wilhelmi, M., Ríos-García, M., Shabih, S., et al. (2025). From text to insight: Large language models for chemical data extraction. Chemical Society Reviews 54(3), 1125–1150. https://doi.org/10.1039/d4cs00913d
Shi, S.W., Huang, Z.W., Gu, X.X., et al. (2025). From 2015 to 2023: How machine learning aids natural product analysis. Chemistry Africa 8(2), 505–522. https://doi.org/10.1007/s42250-024-01154-3
Shi, Y., Rampal, N., Zhao, C.B., et al. (2025). Comparison of LLMs in extracting synthesis conditions and generating Q&A datasets for metal-organic frameworks. Digital Discovery. https://doi.org/10.1039/d5dd00081e
Song, W.H., Sun, H.G. (2025). Local reaction condition optimization via machine learning. Journal of Molecular Modeling 31(5), 143. https://doi.org/10.1007/s00894-025-06365-0
Székely, G.J., Rizzo, M.L., Bakirov, N.K. (2007). Measuring and testing dependence by correlation of distances. Annals of Statistics 35(6), 2769–2794. https://doi.org/10.1214/009053607000000505
Taguchi, G. (1986) Introduction to Quality Engineering: Designing Quality into Products and Processes. Asian Productivity Organization, Tokyo.
Troeglasova, A.V. (2020). Veroyatnostno-determinirovannoe planirovanie eksperimenta po razlozheniyu kremniysoderzhashchikh obraztsov [Probabilistic-deterministic design of experiment for decomposition of silicon-containing samples]. Fiziko-khimicheskie issledovaniya [Physicochemical Research] 8(2), 49–55. https://doi.org/10.33764/2618-981X-2020-8-2-49-55
Turovets, M.A., et al. (2024). Chemometric approach for the determination of vanadium by the LIBS method. Eurasian Journal of Chemistry. https://doi.org/10.31489/2959-0663/4-24-10
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 V. Fomin (Author)
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
