Введение к работе
Актуальность работы
Рост количества контрафактных товаров, подделок и изделий низкого качества, начиная от подделки музейных экспонатов и заканчивая некачественным топливом, наносит серьезный ущерб не только производителям, по и потребителям товаров. Особенно актуален вопрос защиты от подделок в отраслях, связанных с жизнью и здоровьем людей, например, в фармакологической отрасли.
Большинство с)іцествующнх методов анализа состава вещества требуют предварительной обработки тестируемых образцов, что приводит к существенному увеличению затрат труда и времени при проведении анализа, а также часто необратимо разрушает исследуемый образец. Следует отметить тот факт, что в большинстве случаев для проведения подобных анализов требуется громоздкое и достаточно хрупкое лабораторное оборудование, нуждающееся в специалистах высокого уровня для его использования и транспортировки.
Особенность контроля подлинности музейных экспонатов, жидкостей вообще и спиртосодержащей продукции в частности на контрольно-пропускных пунктах через границу и при внутреннем коїгтроле, а так же контроля подлинности ювелирных изделий состоит в том, что требуется проведение анализа в реальном времени без изъятия тестируемого образца. В настоящий момент такая задача практически не решена.
Вышеописанное показывает наличие знач)гтельных сложностей при использовании, а порой и полной непригодности методов, требующих непосредственного контакта исследуемого образца с тестером, потому видится перспективным развитие бесконтактных методов анализа химического состава веществ, основанных на использовании портативного оборудования. Неоспоримым преимуществом указанных методов является отсутствие необходимости специальной подготовки образца, что позволяет существенно сократить время одного измерения вплоть до проведения тестов в режиме реального времени. Кроме того, бесконтактный метод позволяет проводить анализ веществ, находящихся в прозрачной оболочке, что открывает перспективы построения портативных устройств с широким спектром практического применения: контроль подозрительных веществ службами безопасности, контроль подлинности лекарственных препаратов конечным потребителем.
Однако, несмотря на распространенность оптических методов анализа и разнообразие выпускаемого оборудования, многие вопросы конструкции, обработки сигнала и идентификации веществ на портативном оборудовании и в полевых условиях
остаются нерешенными. В частности, практически отсутствуют доступные портативные приборы для идентификации веществ, использующие в своей работе эффект комбинационного рассеяния.
Существующее портативное оборудование имеет, с одной стороны, очень высокую цену, что значительно ограничивает возможности его использования и делает недоступным для применения в повседневной жизни, с другой стороны, недостаточно высокую точность, что делает их использование в лаборатории малоэффективным. Особо отметим несовершенство используемых в указанных приборах алгоритмов обработки, фильтрации и идентификации полученных спектров. В частности, ряд портативных приборов для контроля качества в состоянии лишь проверять на соответствие эталону заданное вещество. Возможность поиска вещества из обширной базы данных в режиме реального времени отсутствует. Отметим так же и тот факт, что на данный момент в мире существует лишь единственный прибор, созданный для конечного потребителя. Им является Ahura Truscan.
Предлагаемая в диссертационном исследовании методика бесконтактной идентификации веществ позволяет реализовать возможности лабораторного высокоточного оборудования на портативном приборе.
Результаты исследований позволили разработать новый алгоритм обработки спектральных данных, а так же алгоритм идентификации с возможностью проведения покомпонентного анализа В ряде проведенных экспериментов разработки показывают более высокую точность по сравнению с аналогами. Указанные алгоритмы реализованы программно. Реализация на портативном компьютере и высокая скорость работы позволяют использовать как разработанную методику бесконтактной идентификации веществ, так и портативный прибор в решении различных задач не только в лабораторных, но и в полевых условиях.
Цель диссертационного исследования
Повышение эффективности и качества контроля подлинности различной продукции неразрушающим бесконтактным методом на основе разработанного универсального алгоритма для фильтрации спектральных данных и идентификации веществ по их спектрам, методики комплексной защиты изделий путем внедрения защитных меток, а так же возможность реализации указанных алгоритмов и методик в полевых условиях благодаря созданному портативному прибору со встроенным источником монохроматического излучения и модулем обработки информации дія апробации.
Задачи исследования
Работа посвящена разработке эффективного решения задачи обработки спектральных данных и идентификации веществ по их спектрам на портативном оборудовании в полевых условиях. Для достижения поставленных целей автором выделены следующие частные задачи исследования:
1.. Разработать алгоритм идентификации веществ но их спектрам с целью проведения анализа в реальном времени в полевых условиях.
-
Разработать прототип портативного прибора для идентификации веществ с целью апробации алгоритмов.
-
Произвести обоснование метода (физического эффекта), используемого дія идентификации веществ применительно к реализации на портативных устройствах.
-
На основе разработанных алгоритмов и макета предложить методику защитькют подделок и коїгтроля состава и подлинности изделий.
Научная новизна
\У Разработан атгоритм фильтрации и идентификации спектральных данных, сочетающий высокую скорость работы и достаточную точность идентификации с низкими требованиями к вычислительной мощности оборудования, способный проводить не только анализ веществ на предмет точного соответствия эталону, но и покомпонентный анализ смесей.
-
Разработан прототип прибора со встроенным рамановским спектрометром особой конструкции, модулем вычислений, источником монохроматического излучения и оптической схемой, на котором произведены испытания предлагаемого алгоритма. Разработанная система, в отличие от существующих, позволяет в реальном времени проводить покомпонеігтньїй анализ смеси бесконтактным неразрушающим методом в полевых условиях.
-
Разработана методика комплексной защиты изделий на основе предложенных алгоритмов. Контроль происходит бесконтактно без разрушения исследуемого вещества. Методика может применяться для контроля подлинности и постоянства состава различных веществ, нефтепродуктов, спиртосодержащей продукции, документов и ценных бумаг. Минимальная стоимость и низкая вероятность защитной метки такого типа позволят данному способу с успехом применяться в различных областях производства.
Научно-практическая значимость результатов работы
1. На основе разработанных алгоритмов создано программное обеспечение
для бесконтактной идентификации веществ в реальном времени в полевых условиях,
позволяющее:
проводить фильтрацию спектральных данных различными методами;
осуществлять процесс идентификации веществ, в том числе и их смесей.
Указанное программное обеспечение предназначено для применения на встроенных и портативных компьютерах. Подана заявка на получение авторского свидетельства.
-
В рамках апробации методики бесконтактной идентификации веществ разработан портативный программно-аппаратный комплекс, включающий в себя портативный прибор, готовый к применению как в лабораторных, так и в полевых условиях. На разработку подана заявка о выдаче патента РФ на полезную модель №2011141358 от 13.10.2011, решение о выдаче патента РФ получено 19.12.2011.
-
Применение результатов диссертационных исследований позволит существенно упростить проведение идентификации и анализа состава неизвестных веществ «на месте» с получением результата в реальном времени.
-
На основе диссертационных исследований разработан способ защиты от подделки и контроля подлинности изделий, основанный на бесконтактной идентификации. Способ позволяет эффективно бороться с некачественными товарами, в частности нефтепродуктами и алкоголем, обеспечивая при этом минимальную стоимость каждой защитной метки при высоком уровне безопасности. На указанный способ подана заявка на получение патента РФ на изобретение Л" 2011120394 от 23.05.2011, решение о выдаче патента РФ получено 14.12.2011.
Практические результаты работы
-
Создан рабочий прототип информационно-аналитической системы для идентификации веществ LightProbe, способный проводить идентификацию различных веществ в реальном времени. Прототип может использоваться в различных задачах, в частности: в фармакологии, нефтяной промыпненности и медицине.
-
В систему встроен портативный компьютер, на котором реализован пакет программного обеспечения Spectracer. Программное обеспечение может применяться отдельно от прибора для различных задач фильтрации и идентификации спектров, в том числе в задачах разделения веществ в смеси.
Практическая реализация результатов работы:
-
Разработанная программно-аналитическая система для бесконтактной идентификации веществ LightProbe, включая пакет программного обеспечения Spectracer, используется в учебно-методических целях на кафедре микроэлектроники и прикладной информатики МФТИ, атак же базовой кафедре ЭВМ МФТИ.
-
Созданный способ защиты от подделки и контроля подлинности изделий прошел апробацию в ЗАО «Компания Безопасность».
Положения, выносимые на защиту
-
Научно-методические положения фильтрации и распознавания спектральных данных.
-
Комплекс алгоритмов фильтрации и распознавания спектральных данных, позволяющий проводить покомпонентный анализ смеси в режиме реального времени.
-
Методика комплексной защиты объектов путем внедрения специализированной защитной метки.
-
Конструкция портативного рамановского спекгрометра со встроенным источником монохроматического излучения и модулем обработки информации.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах;
54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе». Секция систем безопасности. Секция радиоэлектроники и прикладной информатики. - М.: МФТИ, 2011. (г. Москва, ноябрь 2011 г.);
53-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. - М.: МФТИ, 2010. (г. Москва, ноябрь 2010 г.);
конференции-конкурсе молодых физиков в ФИАН. Секция инновационных проектов. -М.: МФО, 2011 г. (г. Москва, январь, 2011 г.);
научно-технической конференции по фотонике и информационной оптике НИЯУ МИФИ-2011 М.: НИЯУ МИФИ, 2011 (г. Москва, январь, 2011 г.);
конференции «Облик промышленности будущего» в рамках Форума биомедицинской индустрии МФТИ. Г. Москва, сентябрь, 2011 г.
семинаре «Перспективы поддержания нормогликемии при сахарном диабете: новые физические принципы», организованном совместно МФТИ и ФГУ ЭНЦ Минздравсоцразвития. По итогам семинара было принято решение о реализации совместных МФТИ-ЭНЦ проектов, в частности проекта InViewLab по созданию и апробации новых средств неинвазивного анализа гликемии крови. ФГУ ЭНЦ Минздравсоцразвития г. Москва, июль, 2011 г.
Материалы, входящие в диссертационное исследование, были отмечены на различных выставках и конкурсах:
В 2009 году работа была награждена медалью Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ в области нанотехнологий и наноматериалов «За лучшую студенческую работу», организованным Федеральным Агентством по образованию Министерства Образования и науки РФ.
В 2010 году работа была отмечена Дипломом победителя на творческом конкурсе «Дедал и Икар», организованном группой «ОНЭКСИМ» совместно с МГУ имени М.В. Ломоносова.
Разработанный макет портативного прибора выставлялся на выставках «Руснанотех - 2010» и «Здравоохранение - 2010» в Экспоцентре.
В 2011 году автор диссертационных исследований стал финалистом конкурса «Премия Инноваций Сколково» при поддержке CISCO I-PRIZE и фонда «Сколково», а проекту, включающему в себя основные результаты работы, был присвоен статус «Резидент Сколково».
В 2011 году основные результаты диссертационных исследований были отмечены
на научно-инновационном форуме «Селигер-2011», и проект был выдвинут в финал
Всероссийского конкурса «Зворыкинская премия».
Патенты
На разработанный способ защиты от подделки и контроля подлинности изделий, являющийся одним из результатов диссертационной работы, подана заявка №2011120394 от 23.05.2011 о выдаче патента Российской Федерации на изобретение «СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ПОДДЕЛКИ И КОНТРОЛЯ ПОДЛИННОСТИ ИЗДЕЛИЙ». Решение о выдаче патента получено 14.12.2011.
)
На разработанный прототип прибора для идентификации веществ, являющийся одним из результатов диссертационной работы, подана заявка № 2011141358 от 13.10.2011 о выдаче патента Российской Федерации на полезную модель «Устройство бесконтактной идентификации веществ и/или определения концентраций веществ, входящих в состав міюгокомпомеїтюй смеси». Решение о выдаче патента получено 19.12.2011.
Публикации
Результаты работы опубликованы в 11 статьях, монографиях, сборниках трудов конференций, научно-технических отчетах.
Личный вклад автора
Диссертация написана по материалам исследований, выполненных на базовой кафедре «ЭВМ» ФРТК МФТИ в период с 2008 по 2011 годы. Личный вклад соискателя в опубликованные работы составляет в среднем не менее 75%. Часть из них написаны автором диссертации лично. Результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично.
Структура н объем диссертации
Работа проводилась на кафедре Электронных Вычислительных Машин Московского Физико - Технического Института под руководством кандидата технический наук старшего научного сотрудника Преображенского Николая Борисовича
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 117 машинописных страницы формата А4 печатного текста с иллюстрациями. Список используемой литературы включает 72 наименования.
