Введение к работе
Актуальность темы.
Обеспечение населения Российской Федерации качественными, разнообразными отечественными продуктами питания является приоритетной социально- экономической проблемой. Решение этой проблемы тесно связано с широкой автоматизацией технологических процессов, внедрением новых информационных технологий, появлением необходимых средств контроля для реализации автоматизированных систем управления, проведением организационно-технических мероприятий, способствующих улучшению качества и увеличению ассортимента выпускаемых пищевых продуктов.
Среди многих отраслей пищевой промышленности важнейшее место принадлежит кондитерской. Шоколадные изделия необычайно сложны по своему составу и обладают комплексом различных свойств, которые составляют в совокупности качество продукции. Одними из важнейших критериями качества являются органолептические показатели. Первое, на что обращает внимание потребитель - это форма, цвет и вкус изделия. Одно из основных направлений развития кондитерской промышленности это автоматизация контроля органолептических показателей качества. Существующие в настоящее время методы оценки качества кондитерской продукции субъективны и далеки от совершенства. Так, в настоящее время основным заключающим фактором о вкусе готового кондитерского изделия является оценка дегустационной комиссии. За отсутствием профессиональных дегустаторов, а также вследствие несоблюдения на большинстве кондитерских предприятиях условий проведения дегустаций, такая оценка может зачастую давать необъективные показания о вкусе изделия. Назрела необходимость повышения объективности контроля вкуса готовой кондитерской продукции за счет внедрения высокоэффективных интеллектуальных технологий в производственный процесс.
Изложенное позволяет сделать вывод об актуальности темы диссертационной работы «Автоматизация контроля показателей вкуса готовых шоколадных изделий», имеющей важное народнохозяйственное значение.
Успешное решение этой задачи при минимальных затратах на подготовку и проведение анализов становится возможным, благодаря внедрению в производственный процесс разработанного автоматизированного программно-аппаратного комплекса (ПАК) контроля вкусовых показателей шоколадных изделий, в основе алгоритма работы которого заложена нейросетевая модель (НСМ). Функционирование НСМ базируется на применении аппарата искусственных нейронных сетей (НС), который является одним из направлений развития теории искусственного
интеллекта. Модель НС состоит из одного или нескольких слоев искусственных нейронов, которые имитируют работу своих биологических аналогов (нервных клеток).
Базовыми элементами автоматизированного ПАК являются:
микропроцессорные устройства сбора, обработки и передачи информации (входят в состав автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП));
человеко-машинный интерфейс, позволяющий осуществлять обмен данными между оператором и микропроцессорным устройством;
система управления базами данных (СУБД);
программное обеспечение, в основе алгоритма которого заложена НСМ;
шлюзовое программное обеспечение (позволяет осуществлять сбор, преобразование и передачу данных между различными коммуникационными протоколами).
Реализация ПАК позволит автоматически контролировать вкус выпускаемой кондитерской продукции на пригодность. Использование системы автоматизированного контроля вкуса уменьшит влияние человеческого фактора на объективность анализа, а также сократит производственный цикл выпуска шоколадных изделий, исключив стадию органолептической оценки вкуса.
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы является повышение эффективности кондитерского производства и качества готовой продукции за счет разработки научной концепции и методологии создания автоматизированной системы контроля показателей вкуса шоколадных изделий (на примере линии по производству шоколадных батончиков с помадно-сливочной начинкой).
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи исследований:
проведение анализа, обобщение и систематизация направлений использования аппарата НС в различных отраслях (в том числе пищевой) промышленности;
научное обоснование и разработка методологических основ создания автоматизированной системы контроля показателей вкуса кондитерских изделий;
проведение экспериментальных исследований и анализа технологического процесса производства шоколадных изделий (на примере линии по производству шоколадных батончиков с помадно-сливочной начинкой) с целью разработки метода автоматизации
контроля показателей вкуса; выявление и анализ зависимостей между измеряемыми в процессе производства шоколадных изделий параметрами и показателями вкуса готового изделия;
проведение анализа и классификация градаций вкуса шоколадных изделий на основе исследования экспериментальных данных по контролируемым параметрам этого процесса;
разработка и обоснование алгоритмического и математического обеспечения задачи автоматизации контроля показателей вкуса шоколадных изделий;
разработка оптимальной нейросетевой модели принятия решений о вкусе шоколадных изделий в условиях последовательной и параллельной обработки данных от произвольного числа информационных источников и влияния неопределенности;
проектирование и апробация структуры программно-аппаратного комплекса контроля показателей вкуса шоколадных изделий;
разработка архитектуры реализующей комплекс автоматизированной системы контроля показателей вкуса шоколадных изделии с использованием нейросетевой модели принятия решений;
разработка на базе современного программного и аппаратного обеспечения технических решений АСУ ТП для реализации предложенного метода контроля показателей вкуса шоколадных изделий.
Объекты и методы исследования.
Объектом исследования является поточная технологическая линия по производству шоколадных батончиков с помадно-сливочной начинкой, функционирующая на производстве ОАО Кондитерский Концерн «Бабаевский» (типовая линия производства шоколадных изделий).
Предмет исследования составила совокупность теоретических, методологических и практических задач, связанных с автоматизацией контроля показателей вкуса шоколадных изделий. Были исследованы модели, методы, средства и способы контроля показателей вкуса готовых изделий по результатам значений различных наиболее информативных технологических параметров, а также основных показателей качества сырья и полуфабрикатов, измеренных в процессе производства шоколадных батончиков.
При проведении теоретических и экспериментальных исследований использованы основные положения теории автоматического управления, математического моделирования, нейронных сетей; элементы теории принятия решений; методы системного анализа; теории нечетких множеств, методы математической статистики и сенсорной оценки.
Научная новизна работы.
В результате теоретического анализа и экспериментальных расчетов обоснованы наиболее перспективные направления автоматизации контроля вкуса кондитерских изделий на основе применения аппарата искусственных нейронных сетей.
Разработаны методологические основы создания
автоматизированной системы контроля показателей вкуса кондитерских изделий.
Разработаны теоретические основы общего подхода к автоматическому контролю показателей вкуса готовых шоколадных изделия, в частности впервые разработаны:
метод автоматизации контроля показателей вкуса шоколадных изделий,
способ автоматического контроля показателей вкуса шоколадных изделий, основанный на работе НСМ.
оптимальная нейросетевая модель принятия решений о вкусе шоколадных изделий в условиях последовательной и параллельной обработки данных от произвольного числа информационных источников и влияния неопределенности;
классификатор измеряемых в процессе производства шоколадных изделий параметров с точки зрения способов обработки информации;
алгоритмическое и математическое обеспечения задачи автоматизации контроля показателей вкуса шоколадных изделий;
методика и алгоритм проектирования архитектуры комплекса автоматизированной системы контроля показателей вкуса шоколадных изделии с использованием нейросетевой модели принятия решений;
структура программно- аппаратного комплекса ПАК, реализующего способ автоматического контроля показателей вкуса шоколадных изделий.
Практическая ценность работы состоит в возможности автоматического контроля показателей вкуса шоколадных изделий на основе нейросетевой модели для создания АСУ ТП в кондитерской промышленности.
Основные позиции, определяющие практическую ценность работы, заключаются в следующем:
Создана и апробирована методика автоматического контроля
показателей вкуса шоколадных изделий в режиме реального
времени.
Разработано и обосновано математическое и алгоритмическое обеспечение для задач автоматизации контроля показателей вкуса шоколадных изделий.
Сформулированы предложения для обеспечения широкого использования аппарата искусственных нейронных сетей (НС), который является одним из направлений развития теории искусственного интеллекта.
Даны рекомендации по созданию автоматизированного программно-аппаратного комплекса (ПАК) для контроля вкусовых показателей шоколадных изделий с использованием нейросетевой модели. Данная разработка позволит контролировать вкусовые показатели шоколадных изделий.
Применен и апробирован разработанный способ автоматического контроля показателей вкуса шоколадных изделий, на примере шоколадных батончиков с помадно-сливочной начинкой;
Создана структура и даны рекомендации по подбору технических средств автоматизации для функционирования ПАК контроля показателей вкуса в автоматическом режиме для применения на автоматизированных технологических линиях кондитерских предприятий, с возможностью интеграции в АСУ ТП.
Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, были использованы при проведении научных исследований по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации Федерального агентства по образованию:
по проекту «Снижение риска получения некачественной продукции за счет научно-обоснованных методов, приборов и систем автоматического контроля безопасности сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов питания» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (код ГРНТИ - 65.01.85, регистрационный номер - 7242).
по проекту «Организация и проведение научно-методической конференции по проблемам комплексной автоматизации и управления производственными процессами для обеспечения выпуска продукции заданного уровня качества на пищевых предприятиях города Москвы»
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы были обсуждены и одобрены на:
V-ой Юбилейной школе-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (г. Москва), МГУПП, 2007;
И-ой Конференции молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем», 2009;
1-ой Всероссийской студенческой научной конференции «Молодежная наука - пищевой промышленности», СевКавГТУ, 2009;
электронной научной конференции на основе Интернет-форума, научно-информационного издательского центра и редакции журнала «В мире науки», 2009;
семинаре «Интенсификация и автоматизация технологических процессов обработки пищевых продуктов», МГУПБ, 2009;
IX -ой Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2009»;
П-ом Испанско- Российском Форуме по информационным и коммуникационным технологиям, Мадрид, 21-25 сентября 2009;
Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные, ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания»,МГУПБ, 2009
Полученные в рамках настоящего исследования научные и практические результаты внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматизация биотехнических систем» ГОУ ВПО Московского государственного университета прикладной биотехнологии для студентов направлений «Автоматика и управление» и «Управление и информатика в технических системах», а также специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» по следующим дисциплинам: «Моделирование систем», «Технические средства автоматизации» и «Проектирование автоматизированных систем» о чем свидетельствуют соответствующие акты внедрения.
Проект «Программно-аппаратного комплекса автоматической оценки вкуса шоколадных изделий» стал финалистом отборочного тура конкурса по программе «У.М.Н.И.К.», а также награжден дипломом I степени по итогам Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2009».
Получена грамота за проект — победитель «Автоматизация контроля вкуса готовой продукции» конкурса 2009г. ассоциации «Университетский комплекс прикладной биотехнологии»
Разработанная, как часть ПАК, система расчета и регистрации показателей качества кондитерских изделий внедрена и введена в
эксплуатацию в конфетном цехе ОАО «КК Бабаевский» о чем свидетельствует соответствующий акт ввода в эксплуатацию.
По итогам работы подготовлены две заявки на изобретения.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем работы.
