автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Радиостатистический метод многокритериального контроля качества веществ

На правах рукописи

ВЕШКУРЦЕВ НИКИТА ДМИТРИЕВИЧ

РАДИОСТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВЕЩЕСТВ

Специальность 05.11.13 —Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ДЕК 2014

005556255

Омск 2014

005556255

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» на кафедре «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор

Никонов Александр Васильевич

доктор технических наук, профессор

Чуканов Сергей Николаевич

кандидат технических наук, доцент

Короткое Павел Иванович

ОАО «Центральное конструкторское бюро автоматики» (ЦКБА)

Защита состоится 25 декабря 2014 года в «16.30» часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 8-421

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета

Автореферат разослан « » ноября 2014 года

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 644050, 0мск-50, пр. Мира, 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.01

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.01 доктор технических наук, доцент

В. Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время проблема контроля качества пищевых сред и готовых продуктов питания как никогда актуальна. Среди всего многообразия пищевых продуктов и промышленных товаров очень часто встречаются некачественные изделия. Нередко в средствах массовой информации, по телевидению звучит информация о тех или иных некачественных продуктах питания, просто просроченных, содержащих определенные консерванты или канцерогенные вещества или произведенных с нарушением соответствующих технологических процессов. Во всех случаях подобные продукты представляют непосредственную опасность для здоровья человека. С не меньшей регулярностью некачественные товары появляются и среди изделий промышленности. Недобросовестные производители для увеличения объема, сроков хранения, улучшения внешнего вида и иных свойств производимых продуктов прибегают к разного рода фальсификациям: от простого добавления воды для увеличения объема и до применения отнюдь не безопасных консервантов и пищевых добавок.

Согласно Международному стандарту ИСО 9000:2005 качество продукции -это совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности,

Высокое качество продукции и услуг является самой весомой составляющей, определяющей их конкурентоспособность. А чтобы продукция была конкурентоспособной, необходима постоянная, целенаправленная, кропотливая работа товаропроизводителей по повышению качества, систематически осуществляемый контроль качества, другими словами можно сказать, что любое предприятие, желающее укрепить свои позиции в жесткой конкуренции и максимизировать свою прибыль, должно уделять большее внимание процессу управления и контроля качества.

Однако далеко не все производители следуют этому принципу и постоянно улучшают качество продукции для победы в конкурентной борьбе. Довольно часто они прибегают к другим методам максимизации прибыли, таким как использование некачественного сырья, нарушение технологических процессов, применение запрещенных консервантов и пищевых добавок и др.

Здесь и далее любое явление некачественного продукта будем называть фальсификацией. Как было отмечено выше, фальсификация может иметь как безопасный для человека характер (например, добавление воды для увеличения объема) так и опасный (например, использование некачественного, просроченного сырья), что может привести к серьезным последствиям для здоровья и жизни человека.

Основным способом определения качества продукта на сегодняшний день является лабораторный анализ. Анализ и выявление фальсифицированных веществ в лабораторных условиях — дело достаточно затратное как с временной, так и с финансовой точек зрения. Поэтому необходим простой и удобный метод анализа качества продукта в повседневной жизни. Разработка такого метода и реализация его в средствах контроля качества является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы: повышение быстродействия контроля веществ при помощи радиостатистического метода с использованием вероятностных характеристик для определения интегрального показателя качества.

Задачи диссертационной работы:

- разработка, теоретическое и экспериментальное исследование радиостатистического метода контроля качества веществ;

- разработка методики и стенда для экспериментального определения оценок вероятностных характеристик сигнала, полученного при взаимодействии электромагнитного поля с веществом;

- обоснование интегрального показателя качества вещества и разработка устройства для его контроля.

Методы исследований. В работе проводились теоретические исследования с использованием теории вероятностей и математической статистики, статистической математической физики, математического анализа и специальных функций, теории нейронных сетей и нечеткой логики.

Научная новизна. В процессе исследований получены следующие новые результаты:

- радиостатистический метод исследования веществ с элементами теории для его описания;

- результаты экспериментальных исследований различных веществ, позволяющие разработать интегральный показатель качества каждого из них;

- устройство экспресс-контроля интегрального показателя качества вещества, защищенное патентом на изобретение;

- подсистема нейро-нечеткого вывода для определения интегрального показателя качества вещества.

Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием математического аппарата при построении аналитических выражений, отсутствием противоречий между полученными результатами и выводами исследований, описанных в научной литературе, экспериментальной проверкой радиостатистического метода на метрологически проверенной аппаратуре с погрешностью не более 10 %.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработано программное обеспечение для определения вероятностных характеристик сигнала, полученного радиостатистическим методом, которое защищено свидетельством о государственной регистрации права на интеллектуальную собственность;

- разработано устройство контроля интегрального показателя качества вещества, которое защищено патентом на изобретение;

- разработана методика экспериментальных исследований веществ радиоста-

тистическим методом контроля.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- элементы математической теории радиостатистического метода исследования веществ;

- интегральный показатель качества и устройство для его контроля;

- результаты исследования оценок вероятностных характеристик сигнала, полученного при взаимодействии электромагнитного поля (ЭМП) с веществом.

Апробация результатов. Материалы и основные результаты диссертационной работы обсуждались на 4-ой Всероссийской молодежной научно-технической конференции с международным участием «Россия молодая: передовые технологии в промышленность!» (г. Омск, 2011 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Наука, образование, бизнес» (Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики, г. Омск, 2012-2013 гг.), V Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и автоматизация управления» (Омский государственный технический университет, г. Омск, 2013 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте» (Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, из них 3 статьи в журнале «Омский научный вестник» и 1 статья в журнале «Промышленные АСУ и контроллеры», включенные в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК, 2 доклада в трудах международных конференций, 7 докладов в трудах всероссийских конференций, 3 доклада в трудах региональных конференций, 1 патент на изобретение, 1 положительное решение по заявке на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения, заключения, списка литературы из 106 наименований, содержит 35 рисунков, 7 таблиц и 4 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, представлены научная новизна, практическая значимость результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор методов контроля качества веществ. Рассмотрены основные группы методов аналитической химии, применяемых в настоящее время для анализа различных веществ, и приборы, используемые для контроля качества веществ этими методами. К этим методам относятся как методы количественного анализа, позволяющие определять количества отдельных составных частей какого-либо химического соединения или смеси, так и

методы качественного анализа, включающие в себя обширные группы методов, в основе которых лежат различные физические явления, в том числе атомно-абсорбционная спектрометрия, атомно-эмиссионная спектрометрия, рентгенофлуоресцентная спектроскопия, активационный анализ и др.

В настоящее время методы аналитической химии являются точными методами анализа веществ. Они позволяют проводить количественный и качественный анализ веществ. Погрешность количественного определения отдельного компонента вещества в зависимости от цели химического анализа и применяемого метода может составлять от 10-15 % до 0,1-1 %, а при необходимости и до 0,01 %. Современные методы позволяют наиболее точно определять количественный и качественный состав веществ. Например, чувствительность атомно-эмиссионной спектрометрии составляет 10"7-10"8 % от массы исследуемого образца. Методы активационного анализа позволяют определять большинство элементов периодической системы начиная с Ыа с пределами обнаружения 10^-10"12 %. Таким образом, качественный анализ вещества выполняется с достоверностью, стремящейся к 100 %, однако это требует значительных временных затрат вплоть до нескольких часов или даже суток. Данные виды анализа не удовлетворяют условию экспрессности.

Быстродействие контроля веществ достигается с помощью неразрушающих методов, к числу которых относятся оптические и радиоволновые методы. В их основе лежат такие физические явления, как интерференция, дифракция, поляризация, преломление, отражение, поглощение, рассеяние, дисперсия. Эти методы используются для контроля линейных и угловых размеров изделий, механической чистоты обработки материалов, толщины покрытий материалов, структуры кристаллов и веществ. Известно большое количество приборов, успешно внедренных в практику контроля и дефектоскопию. Это достаточно сложные и дорогие приборы, которые затруднительно использовать в бытовых условиях без обучения и подготовки людей к работе. В данной группе методов существуют отдельные методы контроля физико-химического состояния вещества, но они сводятся к определению какого-либо физического параметра, например, плотности вещества, оптической прозрачности и т. п. Погрешность оптических методов зависит от используемых источников светового излучения и составляет 0,1-0,5 % для фотометров с оптической компенсацией и 0,05 % при использовании лазерного излучения. Погрешности радиоволновых методов очень разнородны, так как в значительной степени зависят от объекта контроля. Так контроль изменений диэлектрических свойств объекта проводится с погрешностью 0,5-3 %, тогда как контроль геометрический параметров объекта (толщина, диаметр) - с погрешностью 3-10 %. В среднем погрешность данной группы методов лежит в пределах 1-5%, а время контроля — в пределах от 1 до 5 минут.

Таким образом, актуальность разработки метода экспресс-контроля качества веществ сохраняется.

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию радиостатистического метода контроля веществ. Выдвигается гипотеза о зависимости вероятностных характеристик сигнала, полученного в результате взаимодействия ЭМП с веществом, от свойств вещества. Эта гипотеза позволяет говорить о том, что добавление в

вещество другого компонента изменит структуру вещества и как результат этого, изменятся вероятностные характеристики сигнала.

Дается определение радиостатистического метода контроля веществ, который основан на взаимодействии случайного электромагнитного поля с веществом и определении вероятностных характеристик сигнала (электрического, светового), полученного в процессе взаимодействия. Затем, с помощью шкалы со значениями вероятностных характеристик, построенной с использованием образцов, контролируемое вещество относится к ближайшей категории качества: «хорошее», «удовлетворительное», «фальсификат». Для определения категории по значениям вероятностных характеристик сигнала рассчитывается интегральный показатель качества вещества или степень соответствия совокупных требований к качеству.

Термин «интегральный показатель качества» рекомендован ГОСТ 15467-79 и определяет полезный эффект от потребления вещества к затратам на его приобретение. Нами добавлено требование взвешенного сочетания главных компонентов вещества, определяющих его органолептические и потребительские свойства согласно ГОСТа или сертификата. При этом понятие качества вещества, как степень соответствия совокупности присущих характеристик требованиям, остается неизменным.

Поскольку потребителем веществ является человек, то предполагается использовать градацию качества с помощью категорий «хорошее», «удовлетворительное», «фальсификат». Хотя могут быть и другие категории.

Задача исследований сформулирована следующим образом. Плоская волна светового диапазона частот под углом падает на границу раздела вещества и воздушной среды. Определить характеристики волны, прошедшей вещество и другую границу его раздела с воздухом, на удалении h от неё согласно рисунку 1 с указанными размерами.

Воздух представляет собой газообразную среду, а вещество - случайно-неоднородную среду с диэлектрической проницаемостью.

Источник излучения модулирован по амплитуде квазидетерминированным сигналом вида

u(t) = t/0cos(nt + (!)

где ti - начальный угол сдвига фаз случайно изменяется в пределах -Tt...+я. После модуляции плоская электромагнитная волна описывается формулой

uAM(t) = Um[ 1 + тпАМ cos (at + ri)] cos (ait + cp) (2)

где mAM - индекс амплитудной модуляции; Um - амплитуда плоской волны.

Запишем волну на входе приемника излучения в третьей среде

£3 = y0Ú3exp[—jK303tg р3 sin рз + l3 cos р3)]е'ш<с, (3)

где Ü3 - Ü1exp[-jk2(l2tñ Рг sin р2 + h cos р2)] - комплексная огибающая волны Б3; Úi = (Üml + &Ам)ехР[-/^1('148 Pisin Pi + h cos Pi)] - комплексная огибающая волны Éi, y0 - единичный вектор прямоугольной системы координат; Кп — jtKn -волновой коэффициент и-й среды; tKn =—а — относительная комплексная

диэлектрическая проницаемость и-й среды; еКп = £л — V ~ - комплексная

диэлектрическая проницаемость и-й среды; е„ - диэлектрическая проницаемость и-й среды; пп - удельная проводимость п-й среды; со, - круговая частота /'-й спектральной составляющей электромагнитного излучения; с = -==— скорость света.

z

Рисунок 1 — Распространение волны в среде: 1,3 - воздушная среда; 2 - вещество

Поляризации электромагнитной волны источника и на входе приемника излучения совпадают. Сигнал на выходе приемника излучения равен

«пр(0 = J ¿C«o. Р- 03ехр[Ч&з(.Ш Рз sin р3 + h cos p3)]dS, (4)

s

где L(a0, p, o)¡) — нормированная диаграмма направленности приемника излучения; а0 - азимутальный угол элемента поверхности с координатами х, у; S — площадь поверхности с координатами х, у, на которой расположен приемник излучения; dS = dx dy — элементарная площадка на поверхности в плоскости хОу. Этот сигнал обладает вероятностными характеристиками, зависящими от вещества, т. к. его свойства в качестве переменных вошли в U3 - комплексную огибающую волны.

Третья глава посвящена определению уравнений, характеризующих сигнал на выходе приемника излучения с цилиндрической и конической диаграммами направленности.

Выводятся аналитические выражения для расчета энергии и напряжения на выходе приемника излучения. Приемник излучения расположен в точке (0, 0, /з) декартовой системы координат (смотри рисунок 2). Граница раздела между второй средой и третьей средой совпадает с плоскостью хОу, а третья среда лежит выше плоскости хОу.

приемник

ал

Л Ь

а)

Рисунок 2 - Диаграммы направленности приемника излучения: а) коническая; б)

цилиндрическая

Уравнение напряжения сигнала на выходе приемника с конической диаграммой

направленности имеет вид

паи , г / Фа Ф2\1

unp(í)=—s3miM^5exp [-2(rlPl sin— + r2p2 sinyjj x

eos 2 (ílt + л + ф)'

e-ct(¡3-c) g-a!3 e-a(l3-c) e~al3

2 а2c2 ас a2c

(5)

где a,b,c> 0 - параметры конуса; h - расстояние от границы вещества до приемника излучения; а = 2r3p3 sin коэффициент затухания среды;

Pi = "¿^[e^wf + olí]*, Фа = arctg-^-, г\ = ^tg Pi sin Ра + k cos p1( (6)

р2 = сл>£лЛ17[е|2со? + Фг = arctg—r2 = l2tg р2 sin р2 + l2 cos р2,

ес2ш(

1

Рз = + 4¡]4. Фз = arctg——, г3 = tg Рз Sin рз + cos р3.

£c3M¡

Уравнение напряжения сигнала на выходе приемника с цилиндрической диаграммой направленности записывается следующим образом:

nab , , г / ф, ф,\1

u„p(t) = —z3mXMU^ S exp [-2 (r^ sin y + r2p2 sin x çj

x [е-°('з-0 - e_a'3] cos 2(to + n + ф)-

Выведенные расчетные формулы для нахождения значения напряжения на выходе приемника с конической и цилиндрической диаграммами направленности позволяют провести численное моделирование процесса взаимодействия электромагнитной волны с веществом и найти параметры сигнала на выходе приемника излучения.

В таблице 1 представлены характеристики сред, для которых выполнялся расчет. Расчеты выполнены при следующих значениях переменных:

- коэффициент амплитудной модуляции m am = 0,5;

- интегральная чувствительность фотоприемника S = 3,5 mA/JIm;

- нагрузка приемника R = 105 Ом;

- параметры диаграммы направленности приемника излучения: коническая а = 0,012 м, Ь = 0,006 м, с = 0,030 м; цилиндрическая - а = 0,012 м, Ъ = 0,006 м, высота цилиндра 0,030 м.

Таблица 1 - Значения переменных, характеризующих эксперимент

—Среда Характеристик^------^ Среда 1 (воздух) Среда 2 (вода) Среда 3 (воздух)

Диэлектрическая проницаемость £ 1,00058986 1,8 1,00058986

Магнитная проницаемость ц 1,00000038 0,999991 1,00000038

Удельная проводимость ст, См/м ю-5 10"4 10"5

На рисунке 3 представлены графики зависимости напряжений на выходе приемника излучения с конической и цилиндрической диаграммами направленности от геометрических размеров третьей среды. Размеры первой и второй среды равны Л = 0,1 м и /г = 0,1 м; коэффициент затухания третьей среды равен а = 0,6529.

При изменении размера третьей среды /з в пределах от 0,01 м до Юм зависимость напряжения на выходе приемника излучения имеет экспоненциальный характер. При этом значение напряжения на выходе приемник с цилиндрической диаграммой направленности, превосходит значение напряжения на выходе приемника с конической диаграммой направленности, так как при одинаковых параметрах конуса и цилиндра (длины полуосей и высота) объем цилиндра всегда будет превосходить объем конуса.

При /3 = 0,02 м напряжение на выходе приемника с цилиндрической диаграммой направленности равно 15,9 мВ, а с конической - 5,3 мВ; при /3 = 1 м напряжение на выходе приемника с цилиндрической диаграммой направленности равно 8,4 мВ, а с конической - 2,8 мВ. Напряжение на выходе приемника с цилиндрической диаграммой направленности в 3 раза больше, чем с конической, причем данное соотношение сохраняется для любого значения /3.

12, и

Рисунок 3 - График зависимости напряжения на выходе приемника излучения от

размера третьей среды

На рисунке 4 представлена зависимость напряжения на выходе приемника излучения с цилиндрической диаграммой направленности, от размеров первой и второй сред.

Рисунок 4 - График зависимости напряжения на выходе приемника излучения от размеров первой и второй сред

Размер третьей среды равен /з = 0,02 м. Эта зависимость также носит экспоненциальный характер, причем поглощение энергии во второй среде, которая представляет собой воду, больше, чем в первой (воздушной) среде. Падение энергии по оси 1г более ярко выражено, т. к. вторая среда имеет большие значения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости, чем первая (смотри таблицу 1).

По результатам теоретических исследований прохождения электромагнитного поля через различные среды установлено, что на нагрузке приемника значением 105 Ом появляется напряжение значением 15,9 мВ при длине среды /з = 0,02 м. Падение напряжения происходит по экспоненциальному закону. Эти данные можно использовать для разработки рекомендаций по построению преобразователя электромагнитного поля в напряжение при использовании различных веществ в качестве среды распространения.

Показан вариант построения преобразователя (смотри рисунок 5), в котором используется две различных среды распространения электромагнитных волн, а именно воздушная среда и контролируемое вещество. В диссертации эти рекомендации изложены и показывают возможные размеры преобразователя длиной 0,04 м, диаметром 0,01 м.

воздух

- воздух

источник

.........с

.......%

13

шг

<<<<<<<•

>*>>>>>>

•Ч

приемник

Рисунок 5 — Преобразователь электромагнитного поля в электрический сигнал

В четвертой главе описывается методика исследования веществ радиостатистическим методом. Структурная схема лабораторного стенда для проведения экспериментов по определению оценок вероятностных характеристик сигнала, полученного при взаимодействии электромагнитного поля с веществом, приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Структурная схема лабораторного стенда

Источник электромагнитного поля воздействует на случайно-неоднородную среду. В качестве случайно-неоднородной среды могут выступать разного рода жидкости (например, вода, различные растворы и др.). Электромагнитные волны, проходящие через случайно-неоднородную среду, подвергаются процессам поглощения, отражения и рассеивания, вследствие чего меняются вероятностные характеристики электромагнитного поля.

После прохождения случайно-неоднородной среды, электромагнитное поле попадает на приемник излучения с постоянной времени Т„, который преобразует его в случайные колебания напряжения. Затем случайное напряжение поступает на усилитель, после чего - на АЦП, подключенный к компьютеру.

Сохранённые в файл значения напряжения анализируются далее при помощи программного анализатора характеристической функции «Характериометр».

В рамках диссертации разработан программный анализатор «Характериометр» для расчета вероятностных характеристик случайных сигналов. «Характериометр» предназначен для расчета вероятностных характеристик случайных сигналов и их представления в виде графиков и таблиц, а также сохранения результатов расчета в файл и загрузки ранее сохраненных файлов. «Характериометр» позволяет измерять значения оценок 15-ти вероятностных характеристик случайного сигнала, включая действительную и мнимую части характеристической функции, плотность распределения вероятности, функцию распределения вероятности, корреляционную функцию, спектральную плотность мощности, начальные и центральные моментные функции распределения 1-го, 2-го, 3-го и 4-го порядков.

«Характериометр» позволяет строить графики вероятностных характеристик случайных процессов, получаемых при прохождении электромагнитного поля через различные случайно-неоднородные среды, на основании которых можно делать выводы о составе и качестве вещества.

«Характериометр» применим для расчета вероятностных характеристик любых случайных сигналов, представленных в цифровой форме. «Характериометр» позволяет получать вероятностные характеристики случайных сигналов любого происхождения.

На программный продукт получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент).

Для определения интегрального показателя качества по значениям оценок вероятностных характеристик предложен алгоритм, основанный на расчете площадей треугольников. Рассмотрим пример определения интегрального показателя качества на значениям оценок плотности вероятности. Треугольники строятся по следующему алгоритму:

— в прямоугольной трехмерной системе координат по осям откладываются значения плотности вероятности, взятые в трех разных точках w^), w(x2), w(x3);

— находится площадь треугольника, построенного на данных вершинах;

— на основе сравнения площадей построенного треугольника с эталонным значением делается вывод о качестве вещества.

Данный пример не единственный. Вместо значений оценки плотности вероятности можно взять значения оценок других вероятностных характеристик, в том числе начальных и центральных моментных функций. Поскольку математическое и программное обеспечение радиостатистического метода позволяет получить оценки 15-ти вероятностных характеристик, то при использовании трех значений оценок вероятностных характеристик для построения треугольника можно вычислить С?5 = 455 значений интегрального показателя качества вещества, где С\5 — число сочетаний. Если принять значение интегрального показателя критерием качества вещества, то возможность одновременного использования двух, трех, четырех и т.д. значений интегрального показателя для одного и того же вещества позволяет говорить о многокритериальное™ контроля качества. Таким образом, под многокритериальностью контроля качества вещества нами понимается здесь количество значений интегрального показателя, используемых в принятии решения при определении категории качества вещества.

Для определения интегрального показателя качества вещества разработана подсистема нейро-нечеткого вывода. В разработанной подсистеме реализован алгоритм нечеткого логического вывода Сугено нулевого порядка. Основное внимание уделено формулированию функций принадлежности (ФП), т. с. определению форм и областей определения ФП. В данном случае нахождение областей определения интервалов ФП весьма затруднительно и требует анализа значений большого массива экспериментальных данных. Использование нейро-нечетких сетей позволяет решить эту проблему.

Нечеткая нейронная сеть была разработана при помощи модуля адаптивного нейро-нечеткого вывода ANFIS (Adaptive Network-Based Fuzzy Inference System). Использование модуля ANFIS накладывает ряд ограничений, в частности нечеткий логический вывод ограничен системами типа Сугено нулевого и первого порядка, также количество правил вывода должно совпадать с количеством выходных категорий качества.

Разработанная сеть имеет три входные переменные М2, М4 - значения центральных моментных функций второго и четвертого порядков соответственно, к (т) — значение корреляционной функции в момент времени т. Выход сети - лингвис-

тическая переменная Q, т. е. категория качества вещества.

Программная реализация нейро-нечеткой сети получена при помощи модуля ANFIS из пакета расширений Fuzzy Logic Toolbox в среде MATLAB из настроенной вручную системы нечеткого вывода типа Сугено нулевого порядка. Для обучения сети применяется комбинация метода обратного распространения ошибки, который настраивает параметры ФП, и метода наименьших квадратов, который настраивает коэффициенты заключений правил.

Обучение проводилось при объеме обучающей выборки N = 150. На рисунке 7 показаны зависимости выходной переменной Q системы нечеткого вывода от входных переменных М2, М4 при к(т) = 0,1. Поверхность до настройки имеет резкие углы и перепады, после настройки поверхность стала более плавной, что говорит о повышении точности определения интегрального показателя качества вещества.

Рисунок 7 - Поверхности до настройки (слева) и после настройки (справа)

После обучения среднеквадратичное отклонение составило 0,012 бит. Это означает, что из тысячи сеансов экспресс-контроля вещества интегральный показатель качества будет правильно определен в 988 случаях, а в 12 случаях решение будет ошибочным.

Результатом проведенных исследований является предложенная подсистема нейро-нечеткого вывода, позволяющая определять интегральный показатель качества со среднеквадратическим отклонением не более 0,012 бит. Это позволяет говорить об адекватности и пригодности применения систем нейро-нечеткого вывода для определения интегрального показателя качества вещества.

В пятой главе даются результаты экспериментального исследования различных веществ радиостатистическим методом и описывается устройство контроля качества веществ.

По завершении каждого опыта и обработки данных получают оценки названных ранее 15-ти вероятностных характеристик одной реализации квазидетерминированного сигнала длительностью 0,165 с. Центральные моментные функции к-го порядка, где к = 2, 3, 4, при контроле воздушной среды и веществ сведены в таблицу 2. Эти результаты получены путем усреднения данных пяти независимых наблюдений при следующих начальных условиях эксперимента: частоте модуляции источника излучения 30 Гц и мощности ЭМП 2,86 мВт.

Таблица 2 - Центральные моментные функции сигнала

Вещество м7 м*

Воздух 3,21 19,71

Рыбий жир 2,79 16,46

Льняное масло 2,83 16,69

Кукурузное масло 3,24 20,05

Пчелиный мед 0,30 1,33

Вино Каберне 1,09 5,26

ФАЛЬСИФИКАТ

Рыбий жир 2,54 14,50

Льняное масло 1,92 10,25

Кукурузное масло 2,29 12,75

Пчелиный мед 2,79 16,36

Вино Каберне 2,63 15,15

Вероятностные характеристики сигнала, выделенного на выходе приемника излучения после взаимодействия ЭМП видимого диапазона частот со случайно-неоднородной средой, получились разные у каждой исследуемой среды. Всего исследовано 14 веществ и их фальсификатов, в том числе воздушная среда, питьевая вода, молоко различной степени жирности, рыбий жир, оливковое, подсолнечное, кукурузное, льняное масла, технические масла: компрессорное и трансмиссионное, красные сухие вина «Каберне», «Chateau Potensac Medoc 2004 года», «Chateau Grand Monteil», «Chateau Cadillac 2005 года». Таким образом, подтвердилась гипотеза, что вероятностные характеристики сигнала на выходе приемника излучения определяют вид случайно-неоднородной среды, под которой понимается вещество. Эта гипотеза проверялась многократно при исследовании разных веществ, занесенных в таблицу 2. Она не опровергнута ни одним экспериментом. Следовательно, вариации вероятностных характеристик сигнала, полученного в результате взаимодействия ЭМП с веществом, могут служить материалом для контроля интегрального показателя качества продукта. При фальсификации продукта вероятностные характеристики сигнала изменяются. Это хорошо показывают данные таблицы 2. Рассмотрим, например, кукурузное масло. При его фальсификации центральные моментные функции изменяются более чем в 1,5 раза. Следовательно, можно прогнозировать контроль качества вещества по значениям моментных функций. Шкала со значениями этих вероятностных характеристик позволит однозначно отделить качественное вещество от фальсификата.

В дополнение к проведенным экспериментам исследованы молочные продукты в виде молока и его фальсификаты. Данные сведены в таблицы 3,4.

В одинаковых лабораторных условиях (Т °С = 23 ± 2 °С, давление 760 мм рт. ст.) с постоянной погрешностью не более 10 % исследованы молочные продукты следующих видов: молоко цельное 2,5 % жирности, молоко цельное 3,5 % жирности, молоко цельное 5 % жирности; молоко, фальсифицированное водой (10 % воды); молоко, фальсифицированное маслом (10 % масла); прокисшее молоко.

Вероятностные характеристики сигнала, полученные на выходе приемника излучений после взаимодействия электромагнитного поля видимого диапазона частот со случайно-неоднородной средой, получились разные у каждого

исследованного вещества. Здесь вновь подтвердилась гипотеза, что вероятностные характеристики сигнала на выходе приемника излучений определяют вид случайно-неоднородной среды, под которой понимается вещество.

Рассмотрим значения центральных моментных функций второго (М2) и четвертого (М,) порядков, а также значение корреляционной функции к(х) в момент времени т. В таблице 3 представлены значения оценок вероятностных характеристик молока 2,5 % жирности. Для сравнения в таблице 4 приведены значения оценок вероятностные характеристики прокисшего молока 2,5 % жирности. Каждый столбец таблицы представляет собой одно независимое измерение случайного сигнала на выходе среды и полученные значения оценок вероятностных характеристик.

Таблица 3 - Вероятностные характеристики сигнала, полученного после исследования молока 2,5 % жирности

№ изм. 1 2 3 4 5 6 7 8

Мг 0,1072 0,1060 0,1062 0,1070 0,1068 0,1062 0,1072 0,1065

Мл 2,0113 1,9351 1,9353 1,9355 1,9808 1,9351 2,1184 1,9655

т 0,1070 0,1059 0,1060 0,1068 0,1066 0,1065 0,1064 0,1064

Таблица 4 - Вероятностные характеристики сигнала, полученного после исследования прокисшего молока 2,5 % жирности

№ изм. 1 2 3 4 5 6 7 8

Мг 0,0493 0,0499 0,0497 0,0494 0,0493 0,0500 0,0490 0,0490

М4 1,0263 1,1257 1,1005 1,1005 1,0385 1,1006 0,9660 1,0385

т 0,0492 0,0498 0,0496 0,0493 0,0492 0,0499 0,0489 0,0489

После рассмотрения значений вероятностных характеристик, представленных в таблицах 3 и 4, можно сделать вывод о существенном различии значении оценок вероятностных характеристик у молока 2,5 % хорошего качества и этого же, но прокисшего, молока. Различие значений оценок вероятностных хараетеристик в среднем 50 %.

Более наглядная иллюстрация различия значений оценок вероятностных характеристик вещества хорошего качества (молока 2,5 %) и фальсификата (прокисшего молока 2,5 %) представлена на рисунках 8 и 9. По графикам хорошо видно что области значений оценок вероятностных характеристик вещества и фальсификата не пересекаются, что делает их использование целесообразным для

проведения классификации.

На уровне изобретения разработано устройство контроля качества вещества. Устройство использует оценки вероятностных характеристик сигнала, полученного после взаимодействия электромагнитного поля с веществом. Оно реализует радиостатистический метод неразрушающего контроля. В неразрушающем контроле статистический метод повышает достоверность принятия решения при оценке качества материала, вещества или изделия.

Значения оценок М2

—♦"Вещество

--------------- —Фальсификат

123456789 10 Номер независимого измерения

Рисунок 8 - Значения оценок центральной моментной функции второго порядка

вещества и фальсификата

Рисунок 9 - Значения оценок центральной моментной функции четвертого порядка

вещества и фальсификата

При статистическом анализе используется статистическое среднее вида

01(Кп) = т1{ехрОК11ад]}, (8)

называемое характеристической функцией (х. ф.). Преобразование данного выражения приводит его в виду

01(Кп) = со8 [7ти(0] + [7ти(0]} = А<Ут) + )В(Кт), (9)

где А(Ут), В (1^) - действительная и мнимая части х. ф. соответственно; Ут = тАУ - параметр х.ф. (при АУ= 1, Ут = т).

На рисунке 10 приведена структурная схема предлагаемого устройства контроля, в котором использованы к(ут), ВО^).

Устройство контроля содержит источник физического поля 1, элемент 2 с объектом контроля, преобразователь физического поля 3, аналого-цифровой преобразователь 4, перемножитель 5, первый 6 и второй 7 функциональные преобразователи, первый 8 и второй 9 накапливающие усредняющие сумматоры, первый 10 и второй 11 отсчетные блоки, вычислительное устройство 12.

0.12 -

0.10

а 0.08

в

ы В 0.06 -

О V 0.04

в в 0.02

£ 0.00

в

м

^ 2.50 ^ 2.00 в 1.50

0 1.00 | 0.50

1 0.00

в

еч

Значения оценок М4

123456789 10 Номер независимого измерения

-♦-Вещество ~Фальсификат

Рисунок 10 - Структурная схема устройства контроля

Контроль основан на анализе взаимодействия физического поля с объектом контроля, например, веществом. Источником физического поля 1 может служить генератор электромагнитного излучения или элемент свечения (лампа накаливания, светодиод и др.), подключенный к генератору переменного напряжения.

Преобразователь физического поля 3 согласован с типом источника излучения, а при использовании лампы накаливания или светодиода представляет собой фотодиод, включенный в схему фотоприемника.

Быстродействие предложенного устройства контроля складывается из отрезков времени, затрачиваемых на измерение значений оценок действительной и мнимой частей характеристической функции и вычислении значений оценок выбранных вероятностных характеристик и интегрального показателя качества. При длительности реализации сигнала на выходе преобразователя физического поля, равной 0,1 с и значении т = 25 (Ут = 25) время измерения составит 2,5 с. Если время вычисления оценок вероятностных характеристик и интегрального показателя качества будет 0,5 с, то общее время экспресс-контроля категории качества вещества равно 3 с. Таким образом, предложенное устройство контроля повышает быстродействие известных средств контроля в 20 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итоги выполненного исследования по теме диссертации заключаются в следующем:

1. Выдвинута гипотеза о том, что вероятностные характеристики сигнала, полученные в результате взаимодействия электромагнитного поля с веществом, однозначно определяют качество вещества. Состоятельность этой гипотезы доказана экспериментально на метрологически проверенном оборудовании (погрешность не более 10 %) путем исследования радиостатистическим методом 14-ти разных веществ, в том числе растительных, компрессорных, трансмиссионных масел, рыбьего жира, воды, молока, разных сортов вин и фальсификатов этих веществ. Опровержения гипотезы не было ни в одном эксперименте.

2. Предложен радиостатистический метод исследования веществ и разработаны элементы теории его описания при рассмотрении трех случайно-неоднородных сред различных размеров, в частности воздушной и водной сред. Математическое описание метода позволило получить уравнения для вычисления напряжения на выходе приемника излучения с конической и цилиндрической диаграммами направленности при работе в видимом диапазоне частот.

3. Разработано программное обеспечение «Характериометр» для реализации радиостатистического метода исследования веществ, защищенное свидетельством о государственной регистрации права на интеллектуальную собственность. «Характериометр» позволяет прямым методом измерять оценки действительной и мнимой частей характеристической функции сигнала, а косвенным методом оценки других вероятностных характеристик. Всего можно измерять оценки 15-ти вероятностных характеристик.

4. Разработана методика проведения экспериментальных исследований различных веществ радиостатистическим методом с помощью метрологически проверенного лабораторного стенда (погрешность не более 10 %) с использованием «Характериометра». Методика может применяться для измерения оценок вероятностных характеристик случайных сигналов любого происхождения.

5. Впервые получены результаты экспериментальных исследований различных веществ в виде оценок 15-ти вероятностных характеристик, по которым определяется качество вещества с помощью интегрального показателя качества для установления его категории: «хорошее», «удовлетворительное», «фальсификат».

6. Значения оценок вероятностных характеристик для каждого вещества разные. Значения оценок вероятностных характеристик вещества отличаются от значений оценок вероятностных характеристик фальсификата того же самого вещества в 1,5-4 раза. Это позволяет говорить о возможности применения радиостатистического метода для экспресс-контроля интегрального показателя качества вещества. Для каждого вещества шкала категорий качества разрабатывается по образцам, которые создаются в лаборатории в соответствии с ГОСТами или сертификатами качества на вещество.

7. Разработана подсистема определения интегрального показателя качества вещества на основе нейро-нечеткой сети, повышающая достоверность контроля. Практическая реализация подсистемы показала высокий уровень точности принимаемых решений. Среднеквадратичное отклонение при определении значения интегрального показателя качества составило 0,012 бит.

8. На уровне изобретения разработано устройство контроля интегрального показателя качества вещества, которое защищено патентом на изобретение. Данное устройство полностью реализует радиостатистический метод контроля. Отсюда следует практическая значимость этого метода.

Рекомендации по использованию выполненного исследования по теме диссертации включают:

1. Программное обеспечение «Характериометр» для исследования вероятностных характеристик случайных и квазислучайных процессов разного

происхождения, например, радиосигналов и шумов, а также ад дитивной смеси сигнал плюс шум.

2. Результаты теоретического исследования прохождения электромагнитного поля через различные среды можно использовать для проектирования преобразователя, в котором разными будут две случайно-неоднородные среды.

3. Структурная схема устройства, защищенная патентом на изобретение, может быть использована при разработке прибора экспресс-контроля качества вещества в производственных и бытовых условиях.

Перспективы дальнейшей разработки темы диссертации содержат:

1. Построение теории описания радиостатического метода исследования веществ при рассмотрении трех и более случайно-неоднородных сред различных размеров.

2. Исследования радиостатистическим методом веществ при вариации мощностью электромагнитного поля, частотой модуляции, коэффициентом модуляции параметров электромагнитной волны.

3. Исследование достоверности контроля качества вещества при использовании одного, двух и более значений интегрального показателя качества, а также вычисление интегрального показателя качества при использовании значений оценок одной, двух и более вероятностных характеристик сигнала, полученного в результате взаимодействия электромагнитного поля с веществом.

4. Выполнение опытно-конструкторских работ, связанных с проектированием средства контроля качества веществ в производственных и бытовых условиях согласно патенту на устройство.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО ОмПО «Радиозавод им. А. С. Попова» (РЕЛЕРО) (г. Омск) и в филиале ООО «Люксофт Профешнл» (г. Омск), о чем свидетельствуют акты внедрения, приведенные в диссертации.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК:

1 Вешкурцев, Н.Д. Радиостатистичекий метод контроля качества веществ: математическая модель для расчета энергии и сигнала на выходе приемника излучения [Текст] /Н.Д. Вешкурцев // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2014. -№9.-С. 36-47

2 Вешкурцев, Н.Д. Энтропия центральных моментов распределения [Текст] / Н. Д. Вешкурцев // Омский научный вестник. Серия: Приборы, машины и технологии. - 2014. -№ 2 (130). - С. 228-231.

3 Вешкурцев, Н.Д. Радиостатистический метод исследования веществ. Часть 1. [Текст] / Ю. М. Вешкурцев, Н. Д. Вешкурцев, Е. А. Фадина // Омский научный вестник. Серия: Приборы, машины и технологии.-2012.-№ 3 (113).-С. 284-287.

4 Вешкурцев, Н.Д. Радиостатистический метод исследования веществ. Часть 2. [Текст] / Ю. М. Вешкурцев, Н. Д. Вешкурцев, Е. А. Фадина // Омский научный вестник. Серия: Приборы, машины и технологии. - 2013. - № 1 (117). - С. 238-242.

Статьи в других изданиях:

5 Вешкурцев, Н.Д. Проверка гипотезы зависимости вероятностных характеристик от свойств случайно-неоднородной среды [Текст] / Н. Д. Вешкурцев. // Информационные технологии и автоматизация управления. Материалы III региональной научно-практической конференции ОмГГУ (05-08 апреля 2011 г.) / Омский государственный технический университет. - Омск: ОмГТУ, 2011. - С. 141143.

6 Вешкурцев, Н.Д. Проверка гипотезы о зависимости вероятностных характеристик от свойств случайно-неоднородной среды [Текст] / Н. Д. Вешкурцев. // Материалы 4-ой Всероссийской молодежной науч.-техн. конференции с международным участием, «Россия молодая: передовые технологии в промышленность!» / Омский государственный технический университет. — Омск: ОмГТУ, 2011. - Кн.2. - С. 334-336.

7 Вешкурцев, Н.Д. Radiostatical method for substance quality control [Текст] / H. Д. Вешкурцев // Актуальные вопросы лингвистики в современном профессионально-коммуникативном пространстве: межвузовская молодежная научно-практическая конференция (Омск, 10 апреля 2012 г.) / Омский государственный технический университет. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. - С. 83-86.

8 Veshkurtsev N, Veshkurtsev Y. Radiostatistical method of control of substances in conditions of partial uncertainty // The Ninth International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies CM 2012/MFPT 2012 / Created by Coxmoor Publishing Co, on behalf of the BINDT. - Pp. 1-4.1 элект. опт. диск (CD-ROM). ISBN: 978 901892 36 8. London, 2012.

9 Вешкурцев, Н.Д. Исследование энергии электромагнитного поля в зависимости от параметров случайно-неоднородной среды [Текст] / Н.Д. Вешкурцев. // Информационные технологии и автоматизация управления. Материалы V всероссийской научно-практической конференции (Омск, 23-26 апреля 2013 г.) / Омский государственный технический университет. - Омск: ОмГТУ, 2013. - С. 98101.

10 Вешкурцев, Н.Д. Исследование напряжения на выходе фотоприемника в зависимости от параметров случайно-неоднородной среды [Текст] / Н.Д. Вешкурцев. // Наука, образование, бизнес: Материалы всероссийской научно-практической конференции / Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики. - Омск: Полиграфический центр КАН, 2013. - С. 125-131.

11 Вешкурцев, Н. Д. Метрологическая аттестация лабораторного стенда [Текст] / Н.Д. Вешкурцев, Ю.М. Вешкурцев // Наука, образование, бизнес: Материалы региональной научно-практической конференции / Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики. - Омск: Полиграфический центр КАН, 2011.-С. 241-245.

12 Вешкурцев, Н.Д. Энтропия закона арксинуса [Текст] / Н.Д. Вешкурцев, Ю. М. Вешкурцев. // Наука, образование, бизнес: Материалы региональной научно-

практической конференции / Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики. — Омск: Полиграфический центр КАН, 2011,- С. 143-146.

13 Вешкурцев, Н.Д. Нейро-нечеткая система для принятия решения о качестве вещества [Текст] / Н.Д. Вешкурцев. // Информационные технологии и автоматизация управления. Материалы IV региональной научно-практической конференции ОмГТУ (24-27 апреля 2012 г.) / Омский государственный технический университет. — Омск: ОмГТУ, 2012.-С. 94-96.

14 Вешкурцев, Н.Д. Нейро-нечеткая система для принятия решения о качестве вещества [Текст] / Н.Д. Вешкурцев. // Наука, образование, бизнес: Материалы всероссийской научно-практической конференции / Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики. - Омск: Полиграфический центр КАН, 2012. - С. 144-149.

15 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660776. Характериометр [Текст] / Н.Д. Вешкурцев, Ю.М. Вешкурцев.-Заявка № 2012618628; заявл. 11.10.2012; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 28.11.2012.

16 Патент 2529670 РФ, МПК в 01 N 27/00. Устройство контроля материалов и веществ [Текст] / Ю.М. Вешкурцев, Н.Д. Вешкурцев, Е.А. Фадина. -№ 2012124304/28; заявл. 13.06.2012, опубл. 27.09.2014, Бюл. № 27.

17 Заявка 2011114694 РФ, МПК С 01 Я 23/16. Устройство контроля материалов и веществ [Текст] / Ю.М. Вешкурцев, Н.Д. Вешкурцев; заявл. 13.04.2011; положительное решение от 24.06.2011, опубл. 20.10.2012, Бюл. № 29.

Личный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве, заключается в формулировании задачи исследования, в участии в проведении экспериментальных работ по исследованию вероятностных характеристик случайного сигнала на выходе приемника излучения, в обработке и анализе результатов исследований; в построении математической модели радиостатистического метода и выводе уравнений сигнала на выходе приемника излучения, в анализе метрологических характеристик лабораторного стенда, в формулировании отличительных признаков изобретения, в разработке алгоритмов программного продукта.

Подписано в печать 25.10.2014. Формат 60x90 1/16 Бумага Color Сору Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 474

Отпечатано ООО "Полиграфический центр КАН" 644122 г. Омск, ул. Красный Путь, 30 тел.: (3812)24-70-79; 8-904-585-98-84

E-mail: pc_kan@mail.ru Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97