Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Удовлетворение потребности людей в полноценных и экологически безопасных продуктах питания, экологический и энергетический кризисы, дефицит и недостаточно полное использование пищевых компонентов животного сырья выдвигают в число важнейших народохозяйственных проблем разработку нового поколения и совершенствование существующих технологий, позволяющих оптимизировать переработку мяса и молока. В условиях формирования рыночных отношений и связанных с этим структурных изменений в сферах производства и реализации пищи, обострилась проблема изготовления продуктов питания с заданным уровнем качества.
В связи с этим представляется актуальной задача оптимизации технологий переработки биосырья в условиях частичной информационной неопределенности, решение которой позволяет обеспечить требования сертификации мясных и молочных продуктов в ходе их производства.
Разработка научно-технических основ оптимизации технологий переработки мяса и молока связана с использованием достижений биотехнологии, химии пищи, методологии математического моделирования и интеллектуальных компьютерных систем, позволяющих выбрать наилучший вариант инженерного решения из множества допустимых.
Отличительной особенностью технологий производства мясных и молочных продуктов' является превалирующее влияние биологического фактора, что позволяет отнести отраслевые предприятия к классу биотехнологических систем. В связи с этим будем рассматривать предприятие как сложный биотехнологический комплекс ( ВТК ), представляющий собой целесообразно организованную совокупность технологической, технической и информационной подсистем, обеспечивающих направленную переработку структурно-сложного биосырья в мясные и молочные продукты с заданным уровнем качества.
Комплексный подход к анализу основных элементов и стадий жизненного цикла ВТК позволили обосновать выбор в качестве
- в дальнейшем для краткости используется термин - технологии переработки биосырья.
об"екта оптимизации технологии переработки биосырья, обеспечивающие максимальную эффективность промышленного производства пищи за счет полноты использования сырья, минимизации потерь на всех технологических операциях, увеличения выхода продукции, снижения энергозатрат, выработки продукции с заданным уровнем качества. Наилучшее выполнение функций элементами БТК обеспечивается диагностикой их текущего состояния в условиях информационной неопределенности и нестационарности характеристик перерабатываемых сред, технологических процессов и технических устройств.
В настоящее время в отрасли превалирует оптимизация отдельных технологических операций, стадий и процессов переработки животного сырья за счзт структурных изменений технологических схем, параметрических воздействий на биосреды и усложнения алгоритмов управления оборудованием технологических линий. Это приводит зачастую к "локализации" получаемых результатов, что связано с отсутствием системного подхода к проблеме оптимизации БТК, недостаточной разработанностью методологии оптимизации технологий переработки биосырья на функциональном уровне, отсутствием математического описания связей между динамикой отдельных подсистем и элементов, недостаточной формализацией отношений между показателями качества конечного продукта и режимами технологической переработки животного сырья.
В предлагаемой работе реализован биокибернетический подход к анализу технологий переработки биосырья, на основании которого выполнена классификация и сформулированы основные принципы разработки оптимальных технологий производства мясных и молочных продуктов, учитывающие взаимодействие основных элементов и функций БТК, предложена система параметров, показателей и критериев оптимизации, позволяющая рассматривать биотехнологические процессы как активный биофильтр, что способствует нормализации качества готовой продукции за счет оптимального сочетания биологического, механического и энергетического воздействий. Разработанные в диссертации методологические подходы позволяют оптимизировать технологии переработки биосырья не только за счет стремления к экстремальным результатам, но и за счет достижения разумного компромисса между интересами производителя мясных и молочных продуктов, их потребителем и состоянием окружающей среды.
Работа проводилась с учетом трудов отечественной школы
ученых в области прикладной биотехнологии: Большаков А.С, Бражников A.M., Дьяченко П,Ф., Журавская Н.К., Королева Н.С., Крашенинин П.Ф., Липатов Н.Н., Рогов И.А., Смородинцев И.А., Соколов А.А., Соловьев В.И., Хорольский В.В., Шалыгина A.M. и др. Применение методов информационной технологии на базе ЭВМ реалиэовывались с использованием основных положений, сформулированных в работах Бояринова А.И., Винарова А.Ю., Володина В.М., Гордеёва Л.С, Дорохова И.Н., Ивашкина Ю.А., Кафарова В.В., Кошелева Л.Г., Мешалкина В.П., Попова В.И., Самарского А.А. и др. Учтены работы таких зарубежных ученых, как Aiba S., Burton Н.«Eykhoff P.,Isikava K.,Hammes W.,Kessler H.G., Lauriere Y.-L.,Madsen R.,Osigi S.,Roberts H.R..Schone А. и др.
В диссертации обобщены результаты исследований за период 1975-1993 г.г., выполненных автором, а также при его личном участии и руководстве. В ней изложены итоги аналитических и экспериментальных исследований по оптимизации и автоматизации технологий производства мясных и молочных продуктов.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью диссертации является разработка с применением методов биокибернетического анализа, информатики и ЭВМ научных и практических основ оптимизации технологий переработки биосырья в высококачественные мясные и молочные продукты.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
применить биокибернетический подход в исследовании структуры и стадий жизненного цикла биотехнологических комплексов для формирования принципов разработки оптимальных технологий переработки биосырья;
выполнить на основе информационных оценок сложности и организации классификацию технологий производства мясных и молочных продуктов как об"ектов оптимизации, моделирования и автоматизации ;
разработать научные основы компьютерной оптимизации технологий переработки биосырья в мясные и молочные продукты с заданным уровнем качества;
разработать систему математических моделей и методологию компьютерного моделирования технологий производства мясных и молочных продуктов в режиме вычислительного эксперимента;
отработать методику оптимизации технологии переработки биосырья на функциональном уровне с применением систем компь-
ютерной диагностики и прогнозирования БТК;
- апробировать принципы компьютерной оптимизации и моделирования технологий переработки биосырья на примере основного ассортимента мясных и молочных продуктов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заклинается в разработке теоретических основ, моделей и алгоритмов оптимизации технологий переработки биосырья на функциональном уровне с использованием биокибернетического анализа основных подсистем и стадий жизненного цикла биотехнояогического комплекса, с применением систем компьютерной диагностики и прогнозирования для поиска оптимальных решений неформализуеиых задач управления технологиями по критерию качества.
Определена и реализована концепция биокибернетического анализа применительно к технологиям переработки биосырья на уровне основных подсистек и функций БТК, позволившая сформировать основные принципы разработки оптимальных технологий производства мясных и молочных продуктов с учетом информационной неопределенности количественных и качественных характеристик материально-энергетических потоков.
Введены биоинформационные оценки сложности и организации БТК, на основе которых разработана классификация технологий производства мясных и молочных продуктов как об"ектов оптимизации, выполнена классификация4 и сформирована структура критериев, показателей и параметров перерабатываемых технологических биосред в разрезе функционального назначения основных подсистем БТК.
Разработаны научные основы оптимизации технологий переработки биосырья на функциональном уровне, использующие методику компьютерной диагностики и прогнозирования производства мясных и молочных продуктов с учетом пространственно-временной распределенности элементов БІК.
Предложена компьютерная технология разработки математических моделей типовых элементов БТК с учетом их многостадий-ности и изменяемости иерархической структуры, сформирована структура банка моделей, учитывающая разные уровни обработки и представления информации, разработаны алгоритмы и программы автоматизированной системы моделирования и оптимизации технологий переработки биосырья в режиме вычислительного эксперимента .
Сформулирована система критериев оценки качества техноло-
гий производства мяснм.- и молочных продуктов, предназначенная для поиска оптимальных решений неформализуеиых задач управления с использованием экспертных компьютерных систем.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. На основании теоретических и экспериментальных исследований в области оптимизации .ехно-логий переработки биосырья, изложенных в диссертации, осуществлено следующее:
разработана и утверждена ГК СМ СССР по продовольствию и закупкам методика функциональной оптимизации на базе компьютерной диагностики производства мясных и молочных продуктов, на основе которой созданы системы технологической диагностики производства пастеризованных мясных консервов, участка приготовления фарша для вареных колбас, производства твердых сычужных сыров и цельномолочной продукции, а также система технической диагностики поверхностных теплообменников для биологических жидкостей и оборудования для механической обработки мясного сырья;
определены основные принципы и алгоритмы разработки оптимальных технологий переработки биосырья, учитывающие взаимодействие основных элементов и функций биотехнологических комплексов;
разработана автоматизированная система моделирования и оптимизации технологий переработки биосырья, с помощью которой рассчитаны оптимальные режимы термической обработки мясных консервов ( авт. свид. 1227150 ) и механической обработки при куттеровании фарша ( авт. свид. 1013847 );
разработана компьютерная система контроля, анализа и управления качеством производства мясных и молочных продуктов, с помощью которой отработаны Рекомендации по оптимизации и автоматизации производства мясных консервов ( ТУ 49822-83 "Говядина пастеризованная" ), Рекомендации по контролю и управлению качеством цельномолочного производства МПО "Молоко";
разработан инженерный метод расчета продолжительности тепловой обработки мясопродуктов в условиях частичной неопределенности теплофизических, геометрических и конструктивных параметров об"ектов;
проведена успешная апробация методологии и средств технологической и технической диагностики оборудования на предприятиях мясной, молочной, пищевой и легкой промышленности Монгольской Народной Республики в рамках работы по проекту ЮН.ИД0
ООН;
- обосновано применение биоинфоркационных оценок для создания роботизированных технологий переработки скота, сформирована система робототехнических устройств, утверждены технические требования и задание на автоматизированный участок убоя и обескровливания свиней и разработана проектно-конструк-торская документация для изготовления соответствующего робота.
Научные обобщения автора нашли практическое применение при разработке научных основ и подготовке "Концепции развития перерабатывающих отраслей АПК", одобренной сессией ВАСХНИЛ.
Результаты исследований реализованы во ВНИИМПе и ВНИМИ системы Российской акдемии сельскохозяйственных наук, на отраслевых предприятиях Минсельхозпроиа РФ (КИВЦ молочных предприятий г.Москвы, Ставропольский мясоконсервный комбинат и др.), на предприятиях мясной и молочной промышленности республики Беларусь ( Березовский мясокомбинат ), Литвы (Клайпедский мясокомбинат), Украины (Черкасский мясокомбинат), в Экспериментальном научно-исследовательском .институте металлорежущих станков, на Улан-Баторском молочном комбинате и мясокомбинате, на Монгольском кожевенно-обувном комбинате, в Монгольском государственном проектно-исследовательском институте легкой и пищевой промышленности.
Материалы диссертации использованы в учебном процессе при разработке методической документации и проведении лекционных, практических и лабораторных занятий на кафедрах Московской государственной академии прикладной биотехнологии при подготовке студентов по специальностям 21.03, 25.06, 27.08, 27.10 и при написании учебного пособия "Моделирование технологических процессов мясной и молочной промышленности на ЭВМ".
Общий экономический эффект от внедрения результатов исследований автора составил свыше 800 тыс. рублей (по курсу 1987-1990 гг), В том числе в размере 1 млн.380 тыс. тугриков по предприятиям МНР (курс 1977 года).
АПРОБАЦИЯ- РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы доложены и опубликованы на Европейских конгрессах научных работников мясной промышленности: ФРГ, г.Кульмбах,1976 г.;США, г.Колорадо-Спрингс, 1980 г.; Италия, г. Парма, 1983 г.; ЇІ-м Всесоюзном семинаре "Основные направления применения микропроцессорных средств и мини-ЭВМ в мясной и молочной промышленности" , г. Москва, 1983 г.; 1-ой Всесоюзной научно-технической
і б
конференции "Автоматизация технологических процессов и производств в пищевой промышленности", г.Москва, 1989 г.; Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт разработки и внедрения систем автоматизации на базе микропроцессорной техники, иинии иикро-ЭВМ", г.Одесса,1990 г.; Ш-м и lY-м научно-технических семинарах "Повышение надежности и эффективности защиты от коррозии технологического и холодильного оборудования агропромышленного комплекса", г. Москва,1988 и 1989 г.г.; школе-семинаре "Микропроцессорные системы управления технологическим оборудованием", г. Желтые Воды, 1990 г.; Всесоюзном семинара "Новое в автоматизации и технике измерений в мясной промышленности СССР и за рубежом", г.Москва, 1990 г.; научно-технической конференции "Биомедицинское и экологическое приборостроение: наука, промышленность, рынок", г.Рязань,1992 г.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 44 работы, в том числе 2 монографии и 1 учебное пособие, 7 обзоров, 19 статей в центральных журналах и сборниках научных трудов, 14 докладов на международных конгрессах и всесоюзных конференциях, в 2-х авторских свидетельствах. Кроме этого, основные результаты исследований отражены в отчетах по госбюджетным и хоздоговорным работам, в которых автор являлся научным руководителем и ответственным исполнителем.
ОБ"ЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация изложена на страницах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, выводов и приложений, содержит рисунка, таблиц, список литературы из 345 наименований. Основной текст диссертации изложен на страницах.
