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Multivariate Datenanalyse am Beispiel von Sensoren

Gang der Datenauswertung

Eine Abfolge der Datenauswertung lässt sich oft in folgende Schritte einteilen, wobei die Reihenfolge und die Präsenz der einzelnen Schritte variieren können.

  • Versuchsplan aufstellen (Experimental Design)
  • Datenextraktion (Feature Extraction) aus den gemessenen Rohsignalen
  • Datenvorbehandlung
  • Wahl der Auswertemethode
    • Modellbildung mit der Auswertemethode und einem Teil der Messungen
    • Vorhersage des anderen Teils der Messungen
  • Optimierungen der Auswerte- und der Messmethoden
  • Routinebetrieb mit Validierung

Die Aufstellung des Versuchsplanes erfolgt vor den eigentlichen Messungen. Dabei werden die verschiedenen signifikanten Faktoren festgelegt, welche die Messungen beeinflussen können. Dies sind vor allem die verschiedenen Störkomponenten und Analyte, welche in den Proben vorkommen können, als auch andere Faktoren wie zum Beispiel Feuchtigkeit und Temperatur, Messparameter und vieles mehr. Der Versuchsplan bestimmt die Zusammensetzung der zu messenden Proben in Bezug auf die vorher festgelegten Faktoren. Der Versuchsplan wird je nach Randbedingungen (Zahl der Messungen, Mischungen oder unabhängige Faktoren, Variierbarkeiten der einzelnen Faktoren) nach einem bestimmten Muster aufgestellt, wie zum Beispiel voll-faktorielle Pläne, Mischungsdesigns, D-optimale Designs... Diese Versuchspläne werden zum Messen der sogenannten Kalibrationsdaten verwendet. Ein zweiter Datensatz, die Test- bzw. Validierdaten, sollte unabhängig von diesen Daten aufgenommen werden. Dabei können die Konzentrationen der Proben zufällig oder auch nach einem Versuchsplan festgelegt werden, wobei alle Stufen der verschiedenen Faktoren (Konzentrationen der verschiedenen Analyte) immer unterschiedlich gegenüber den Kalibrationsproben sein sollten.

Die Datenvorverarbeitung der gemessenen Sensorsignale dient zur Verbesserung der Datenauswertung und hängt stark von der Auswertemethode und den Zielen der Datenauswertung ab. Die Wahl der Auswertemethode (Kalibrationsmethode) ist ein Prozess, welcher viel Erfahrung braucht und welcher den gesamten Gang der Datenauswertung beeinflusst. Die Auswertemethode dient dazu, mit Hilfe der Kalibrationsdaten ein Modell für die Sensorsignale und die verschiedenen Faktoren aufzustellen. Die Güte des Modells muss anschließend mit Hilfe der Validierdaten überprüft werden. In vielen Fällen erfolgt im anschließenden Schritt mit Hilfe des Modells eine Optimierung der Mess- und der Auswertemethodik, bis die Messmethodik und das aus den Auswertungen gewonnene Modell zusammen im Routinebetrieb eingesetzt werden können. Auch während des Routinebetriebs müssen die Messmethodik und das Modell ständig mit Hilfe von Testproben validiert werden.

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