Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечить стабильные характеристики и стабильное качество продукции чрезвычайно важно, поскольку остановки и переналадки обходятся дорого. Снижение качества продукции влечет за собой разнообразные тяжелые последствия: утрату позиций на рынке, прямые и косвенные экономические потери, а также социальные и даже политические последствия, что особенно характерно для производства товаров массового спроса: продукции пищевой промышленности и нефтепродуктов.
Сложность контроля качества (КК) продукции вообще и жидких продуктов, в частности, обусловлена разнообразием природы контролируемых величин, наличием связей между ними, влиянием различных химических и физических явлений, а также особенностями технологий производства. Особую сложность придает то, что при контроле качества измеряются, как правило, значения величин на пределе порога чувствительности средств измерения. Часто это наличие каких-либо примесей, присутствие которых в продукции допустимо лишь в малых и особо малых концентрациях.
Традиционные аналитические средства контроля разнообразны, основаны на разных принципах, имеют ограниченные возможности применения и часто предназначены для использования в лабораторных условиях. Для наиболее полного контроля состава жидких продуктов все шире применяются спектральные методы, условия и особенности использования которых комплексного контроля качества нуждаются в системном упорядочении. При использовании таких тонких методов, как спектральный анализ, результат измерения имеет нетривиальный вид, его интерпретация невозможна без соответствующей расшифровки, а оценка связи вида спектральной характеристики с оценкой показателя качества продукции предполагает применение детальных математических, физических, химических и физико-химических моделей.
Контроль содержания тяжелых металлов, прежде всего, в продуктах питания - постоянно актуальная проблема. Кроме того, в последнее время значительно обострилась проблема радиационного контроля всех видов продукции вследствие известных аварий и катастроф на объектах атомной промышленности и энергетики, которые привели к распространению техногенных радионуклидов в природе, в сырьевых материалах для производства и в самом производстве. Для радиационного контроля широко применяются спектральные методы; их применение в условиях контроля качества продукции нуждается в методологическом обосновании.
Повышение эффективности решений, принимаемых по оценке качества и управлению качеством, может быть достигнуто за счет использования методов и средств искусственного интеллекта, в частности, экспертных систем (ЭС). Применительно к задачам КК жидких сред (ЖС) ЭС целесообразно строить как совокупность программно-информационных комплексов. Этот подход дает возможность объединить различные информационные и программные средства так, чтобы при объединении они обеспечивали новые, в частности, интеллектуальные функции.
Информационное обеспечение таких ЭС будет содержать в базе данных (БД) сложные информационные образы - спектральные характеристики жидких сред, а в базе знаний (БЗ) - совокупность моделей, связывающих эти характеристики с качеством. Они могут создаваться и как специализированные программные оболочки с учетом соответствующего производства. В них возможно согласовать решение задач контроля качества с экономическими, экологическими и социальными аспектами производства.
В условиях рыночной экономики важную роль в любом производстве играют интегрированные информационные системы (ИС), объединяющие все стороны деятельности от поставки сырья до анализа финансового положения компании. В этой среде должна найти свое место и информационная технология (ИТ) поддержки контроля качества продукции на основе ЭС.
В решение круга проблем, связанных с совершенствованием систем контроля качества жидких сред, существенный вклад внесли:
- в исследование моделей, методов и систем контроля качества жидких сред - Большаков О.В., Бородин А.В., Бурачевский И.И., Елисеев М.Н., Ивашкин Ю.А., Калмановский В.И., Кантере В.М., Краснов А.Е., Красуля О.Н., Маклаков В.В.; Протопопов И.И., Тужилкин В.И., Bertino M., Buchles B., Cammins G., Cliff M., Deming E., Dohnal M., Dohus G., Jekman E., Heymann H., Kelih S., Krosby F., Lawless H., Numers C., Paik E., Pecora R., Pedrycz W., Petry F., Popper R., Pijuzy P., Yan X., Zhang Q., Shewhart W. и др.;
в развитие спектральных методов анализа - Абрамова И.М., Авраменко Е.Н., Балашов А.А., Вагин В.А., Дроханов А.Н., Жижин Г.Н., Кузин Р.Е., Пус- товойт В.И., Рогов И.А. и др.;
в развитие основ теории и практики процессов и систем контроля качества, построения экспертных и информационных систем - Гаврилова Т.А., Дорохов Н.Н., Егоров И.Н., Калянов Г.Н., Корнюшко В.Ф., Костров А.В., Куликов Г.Г., Логиновский О.В., Макаров Р.И., Мешалкин В.П., Низамутдинов О.Б., Николаев А.Б., Попов Э.В., Поспелов Г.С., Поспелов Д.А., Пригожин И.Р., Рудинский И.Д., Саймон Г., Советов Б.Я., Швецов А.Н. и др.
Вместе с тем, непосредственное применение результатов известных работ для конкретного их применения как методологии построения специализированных, в частности, ЭС невозможно, прежде всего, из-за отсутствия моделей, количественно связывающих качество ЖС с их спектральными характеристиками. Таким образом, актуальна разработка методологии построения систем контроля качества жидких сред по их спектральным характеристикам.
Объектом исследования являются системы контроля качества жидких сред по их спектральным характеристикам.
Предметом исследования является методология построения систем контроля качества жидких сред, основанная на совокупности моделей, связывающих качество жидких сред с их спектральными характеристиками.
Цель и задачи исследования. Цель работы - совершенствование систем контроля качества жидких сред за счет последовательного использования спектральных характеристик и разработанных методов их анализа.
Для ее достижения необходимо решить следующие задачи. У Разработать концептуальные основы методологии построения систем контроля качества жидких сред по спектральным характеристикам применительно к условиям различных производств. У Сформировать модели баз знаний экспертных систем контроля качества
жидких сред по различным спектральным характеристикам. У Разработать архитектуру и прототипы экспертных систем контроля качества разных жидких сред по различным спектральным характеристикам применительно к условиям различных производств.
Выявить особенности согласования систем контроля качества жидких сред и обеспечивающих информационных систем.
Научная новизна заключается в следующих результатах работы.
Создана методология построения систем контроля качества жидких сред по спектральным характеристикам как специализированных экспертных систем; ее концептуальные основы включают:
классификацию спектральных характеристик жидких сред на физически однородные и физически неоднородные спектры;
статистическое описание спектральных характеристик жидких сред на основе усеченного нормального распределения;
метод спектральной компьютерной квалиметрии.
Сформирована совокупность моделей баз знаний экспертных систем контроля качества жидких сред по спектральным характеристикам:
модель «состав - структура - свойство» для жидких сред, состояния которых наблюдаются по их спектральным характеристикам;
модель макросостояний жидких сред как кластеров в многомерном пространстве спектральных характеристик, определяемых их общегрупповыми функционально-технологическими свойствами;
модель идентификации микросостояний жидких сред путем оценивания совокупности значений показателей их функционально-технологических свойств параметрическим и непараметрическим методами.
Разработаны архитектура и прототипы экспертных систем контроля качества жидких сред по их спектральным характеристикам:
углеводородных соединений по инфракрасным спектрам молекулярного поглощения;
органических примесей в этиловом спирте по многомерным спектрам (совокупности оптических спектров возбуждения - испускания флуоресценции, поглощения - отражения);
спектрально-текстурного анализа жидких средах по данным многозональной телевизионной структурометрии.
Разработаны архитектура и прототипы экспертных систем для идентификации малых концентраций различных примесей в жидких средах по оптическим спектрам атомного поглощения, инфракрасным спектрам молекулярного поглощения, оптическим спектрам динамического когерентного светорассеяния, а также по данным масс-спектрометрии и радиационной спектрометрии.
> Предложена методика согласования уровня развития базовой экспертной технологии и обеспечивающих информационных систем в условиях экспертной системы контроля качества жидких сред.
Теоретическая значимость результатов работы состоит в том, что разработанная методология построения систем контроля качества жидких сред по спектральным характеристикам как специализированных ЭС вносит существенный вклад в совершенствование (повышение оперативности и достоверности) систем управления качеством жидких продуктов, в развитие их научно- методических и теоретических основ.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные прототипы ЭС обеспечивают автоматизированный контроль качества и позволяют отказаться от привлечения экспертов и физико-химических лабораторий. Основные результаты работы использованы в реальных проектах и в промышленных масштабах в конкретных производствах, а также в учебном процессе университета; их использование разработано и освоено при участии автора. Кроме того, по материалам диссертации получено 2 патента РФ, 2 разработки получили свидетельства об отраслевой регистрации, получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Результаты работы внедрены в следующих организациях: ВНИИ ПН, НТЦ УП РАН, ВНИИ ПБ, ООО «ИнтелКомТех», ООО «СпектрКомТех». Теоретические и практические результаты диссертации вошли в содержание дисциплин профессионального цикла по кафедре информационных технологий ФГБОУ ВПО «МГУТУ им. К.Г. Разумовского». Результаты работы могут непосредственно использоваться в научно-исследовательских работах и оказании консультационных услуг по данному профилю.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на:
V Международной научно-практической конференции «О состоянии и направлениях развития производства спирта этилового из пищевого сырья и ликёроводочной продукции» (Москва, май 2005); II научно-практической конференции «Проблемы качества, безопасности и диагно- стики в условиях информационного общества». - (Сочи, октябрь 2005); XI Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности» (Москва, ноябрь 2005); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и высшего образования» (Унечский ф-л МГУТУ, май 2006); Международной научной конференции, посвященной 90-летию со дня рождения Нобелевского лауреата академика А.М. Прохорова «Фундаментальные основы инженерных наук» (Москва, октябрь 2006); III научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно- коммуникационных технологий» (Сочи, октябрь 2006); V Международной выставке и научно- практической конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности» (Москва, 2007); VII научно-практической конференции ВФ МГУТУ «Технологии, научно-техническое и информационное обеспечение в образовании, экономике и производстве региона» (Вязьма, май 2007); XIII Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности» (Москва, ноябрь 2007); VIII научно- практической конференции ВФ МГУТУ «Технологии, научно-техническое и информационное обеспечение в образовании, экономике и производстве региона» (Вязьма, май 2008); V научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно- коммуникационных технологий» (Сочи, октябрь 2008); VI Международной научно- практической конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов» (Москва, декабрь 2008); VI Международной научно-практической конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов» (Москва, декабрь 2008); Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания» (Москва, 2009); I Международной научно-практической конференции «Инженерные инновационные технологии автоматизации и управления в агропромышленном комплексе» (Москва, октябрь 2009); XVII Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, октябрь 2009); I Международной межвузовской конференции «Современные методы аналитического контроля качества и безопасности продовольственного сырья и продуктов питания» (Москва, ноябрь 2010); 53-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Долгопрудный, ноябрь 2010); II Международной научно-практической конференции «Инженерные инновационные технологии автоматизации и управления в агропромышленном комплексе» (Москва, декабрь 2010); Международной научно-практической конференции «Стратегические аспекты управления экономикой в регионе» (Владимир, октябрь 2011).
Результаты работы отражены также в НИР, выполненных в МГУТУ:
«Разработка методологии применения экспертных систем компьютерной квалиметрии для идентификации и контроля качества ликероводочной продукции и этилового спирта», по договору № 1/11-04 от 26 ноября 2004 г., № гос. регистрации 0120.0500.670;
«Разработка принципов построения интеллектуальных экспертных систем реального времени для контроля состояний многопараметрических объектов и процессов». Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы», мероприятие 1 «Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов», № гос. регистрации 1.1.06, 2006 - 2010;
- «Разработка принципов описания многокомпонентных систем на основе объединения алгебры нечетких множеств и нейроноподобных алгоритмов». Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы», мероприятие 1 «Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов», 2011.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 99 работ, в том числе 3 монографии, 20 статей в изданиях из перечня ВАК; получены 2 патента РФ, 2 свидетельства об отраслевой регистрации разработки и свидетельство об официальной регистрации программы.
Автор выражает искреннюю благодарность за плодотворное сотрудничество в проектах, связанных с темой диссертации, докторам наук Краснову А.Е., Кострову А.В., Красуле О.Н, Вагину А.В., Шлёнской Т.В., Грузинову Е.В., Жирову М.В.; кандидатам наук Воробьевой А.В., Абрамовой И.М., Алаторцеву Е.И., Дроханову А.Н., Жировой В.В., Янькову В.Ю.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 7 глав, заключение, список литературы (315 наименований) и 5 приложений. Основной текст изложен на 265 страницах и содержит 33 таблицы и 93 рисунка.
