CC BY
37
J КАЧЕСТВО ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
Г ТЕМА НОМЕРА
УДК 663.5
Информационные технологии в аналитическом контроле качества алкогольной продукции
Н.В. Шелехова, д-р техн. наук; В.А. Поляков, д-р техн. наук, профессор, академик РАН; Е.М. Серба, д-р биол. наук, профессор РАН; Т.М. Шелехова, канд. техн. наук; О.В. Веселовская; Л.И. Скворцова
ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания и биотехнологии, Москва
В современных условиях от российских предприятий, производящих алкогольные напитки, требуется постоянное совершенствование систем управления производством в целях обеспечения выпуска безопасной продукции с заданными качественными характеристиками. Очевидно, что одним из современных направлений создания эффективной системы управления является применение информационных технологий.
Анализ отечественного и зарубежного опыта применения информационных систем демонстрирует перспективность их использования в промышленности. Известно, что объем информации во всем мире увеличивается более чем в два раза каждые два года, что стало стимулом для разработки и совершенствования методов автоматизации обработки и структурирования информации, таких как кластеризация, классификации и идентификации [1-4].
Развитие информационно-коммуникационных технологий выделено в качестве одного из приоритетных направлений развития науки, технологии и техники Российской Федерации. Разработки в области информационных технологий для применения их в контроле качества и безопасности спиртных напитков являются актуальными.
Аналитический контроль технологических процессов производства этилового спирта из пищевого сырья предусматривает мониторинг химического состава полупродуктов на каждой стадии технологического процесса с использованием
современных инструментальных методов анализа и информационных технологий для сбора, хранения и анализа информации, проведения расчетов и оформления отчетов [5].
Известно, что аналитический контроль занимает значительное место в технологическом процессе производства алкогольной продукции. Необходимость расширения возможностей контроля требует разработки новых методов анализа, которые позволят увеличить достоверность, повысить скорость проведения испытаний.
Хроматографический метод - один из наиболее распространенных методов аналитического контроля. Разработка современных газохромато-графических методик анализа требует нового подхода к организации автоматизированной обработки информации результатов анализа. Следует подчеркнуть, что получение и обработка информации в процессе аналитического контроля является важной задачей, для решения которой необходимо создавать и применять новые информационные технологии в виде специализированных программных комплексов для обработки аналитической информации.
Проблемным местом обработки результатов измерений в аналитическом контроле показателей качества и безопасности алкогольной продукции является то, что значительная часть информации аналитического контроля обрабатывается вручную, что несомненно влияет не только на скорость выполнения расчетов, но и на эффективность контроля в целом.
Таким образом, актуальность данного исследования обусловлена необходимостью повышения эффективности аналитического контроля алкогольной продукции посредством оптимизации затрат рабочего времени на обработку результатов измерений, минимизации влияния человеческого фактора, повышения правильности и точности расчетов.
При проведении исследований использовали газовые хроматографы отечественного и зарубежного производства с пламенно-инизационным детектором. Объектом исследования служили бражка из пищевого сырья, спирт этиловый, водки, водки особые и программные инструментальные средства, используемые для разработки программного обеспечения. обработку данных, полученных не менее чем в двух повторностях, осуществляли с помощью программы Microsoft Excel и разработанного программного комплекса ПК «С2Н5ОН- аналитик».
Целью исследования являлось создание нового высокоэффективного и результативного механизма на основе информационных технологий для автоматизации обработки информации хроматографического анализа продуктов и полупродуктов производства спиртных напитков.
Обзор научно-технических достижений в исследуемой области показал, что оптимальным вариантом решения проблемы обработки аналитической информации является создание программного комплекса для реализации общей целевой задачи обработки и управления информацией в целях автоматизации процесса обработки результатов измерений [1-4].
Исследование процесса обработки результатов измерений без применения вычислительной техники позволило выявить проблемные места и разработать предложения по повышению эффективности и производительности обработки данных в результате автоматизации [5, 6].
В ходе работ составлен список функциональных задач, подлежащих автоматизации, к которым относятся: оценка выполнения условия приемлемости результатов двух параллельных измерений, расчет значения абсолютной погрешности; округление до 2 значащих цифр и представление результатов измерений; расчет критической разности и проверка приемлемости результатов измерений, полученных в условиях воспроизво-
димости; проведение контроля стабильности промежуточной прецизионности результатов измерений с изменяющимися факторами «время» и «оператор»; проверка однородности дисперсий по критерию Кохрена; расчет параметров для линий пределов и визуализация контрольных карт Шухарта; расчет параметров формирования контрольной карты следующего контрольного периода.
Анализ концепции требований к разработке программного комплекса позволил сформулировать основные требования и принципы автоматизации обработки результатов измерений показателей качества и безопасности алкогольной продукции, полученной при использовании метода газовой хроматографии и осуществить предварительный выбор основных методов и инструментальных средств программирования.
Установлены основные критерии для выбора среды программирования: минимальные затраты на разработку модуля, высокая производительность, низкие требования к ресурсам компьютера, высокая скорость компиляции, простота разработки приложений. В качестве средства разработки программного комплекса выбрана платформа Delphi как среда разработки приложений для Windows с большими возможностями, характеризующаяся простотой использования основных функций и широким набором взаимодействующих функциональных классов.
По сформулированным требованиям составлена концептуальная модель программного комплекса и определена структура, состоящая из отдельных программных модулей. важно подчеркнуть, что предложенная схема позволяет расширять функциональность комплекса посредством добавления модулей.
Основная функция программного комплекса декомпозирована в функции программных модулей. Каждый модуль, входящий в состав программного комплекса, обладает своей уникальной функциональностью и предназначен для решения определенного круга задач из своей области.
На основе анализа программных модулей проекта выявлены обобщенные сущности для различных элементов программных модулей и связи между ними, установлены соответствия между понятиями в различных элементах и построены универсальные блок-схемы.
I пропм«ш.ид «avwui "«пин ■ WA/HfryiK" □ X
«а £ EMJU tfi РчИ; ф •п ТА- КГ & 0 3 in til <П IT t(-W '(Hi!.": >mnii: 6r
шш^ш
Главное окно программного комплекса ПК «С2Н5ОН-аналитик»
Проведено предварительное проектирование и предложены принципиальные технические решения по созданию алгоритмов обработки данных. Разработаны унифицированные правила структурного построения функциональных программных модулей, унифицированные правила организации внешнего интерфейса и взаимодействия компонентов, математическая модель задачи, определены входные и выходные данные. Следует отметить, что повышению эффективности структурирования способствовало применение модульного подхода.
Моделирование процессов обработки данных позволило сформировать оптимальные алгоритмы, обеспечивающие результативную визуализацию представления результатов измерений. При проектировании интерфейса проведены следующие исследования: определен состав информации, подлежащей отображению на экране, установлен набор необходимых пиктограмм; сформирован набор команд меню; выбраны объекты, подлежащие группированию; разработан макет размещения данных на экране, проведена оценка эффективности разработанного интерфейса.
В целях обеспечения высокой эффективности организации хранения результатов измерений показателей качества и безопасности алкогольной продукции выбран подход, основанный на применении extensible Markup Language и форматов.хт1 файлов, что позволяет использовать протоколы Simple Object Access Protocol (SOAP) для обмена структурированными сообщениями в распределенной вычислительной среде. реализация данного подхода позволит построить качественно новую систему в парадигме Internet of Things (loT).
В ходе дальнейших исследований разработаны сценарии программного средства, алгоритмы обработки данных, организация межмодульных интерфейсов, схема интеграции модулей в программный комплекс, уточнены требования к программному обеспечению, проведено кодирование алгоритмов и компиляция программного комплекса.
Таким образом, в результате проведенных исследований разработан программный комплекс ПК «С2Н5ОН-аналитик», обеспечивающий автоматизированную обработку данных, полученных при проведении испытанной алкогольной продукции методом газовой хроматографии [7]. несомненным преимуществом разработанного комплекса является его специализированная направленность. Главное окно программного комплекса показано на рисунке.
Модули программного комплекса (КП «ГХ-30536, КП «ГХ-32039», КП «ГХ-32070», КП «ККШ-КС», КП «ККШ-КСП», КП «Б1») автоматизируют обработку результатов измерений показателей качества и безопасности алкогольной продукции в соответствии с Гост 30536-2013 «Водка и спирт этиловый из пищевого сырья. Газохроматогра-фический экспресс-метод определения содержания токсичных микропримесей», ГОСТ 32039-2013 «Водка и спирт этиловый из пищевого сырья. Газох-роматографический метод определения подлинности», ГОСТ 32070-2013 «Водка и спирт этиловый из пищевого сырья. Газохроматографический метод определения содержания летучих кислот и фурфурола», ГОСТ Р 55792-2013 «Бражка из пищевого сырья. Газох-роматографический метод определения содержания летучих органических примесей», автоматизируют расчеты и формируют графическое представление контрольных карт Шухарта [8].
КАЧЕСТВО ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
ТЕМА НОМЕРА
Эксперимент по апробации программного комплекса проводили на тестовых и практических задачах. Лабораторные испытания подтвердили, что применение программного комплекса значительно упрощает выполнение вычислений и генерацию отчетов, сокращая время на обработку результатов измерений на 90%.
Уровень точности расчета с применением программного комплекса составляет не менее 4 значащих цифр. При выполнении операций, не требующих обращения к базе данных, сохраняемых в программном комплексе, время обработки результатов измерений не превышает 1 сек. При выполнении операций, требующих обращения к базе данных, сохраняемых в программном комплексе, время обращения зависит от количества накопленных результатов и скоростных параметров используемой системы управления базой данных и составляет несколько секунд.
Программный комплекс «С2Н5ОН-аналитик» может быть рассмотрен в качестве клиентского рабочего места в IOT архитектуре «клиент/сервер», предназначенного для сбора, буферизации и обмена данными с центром обработки данных (ЦОД). Перспективой развития данного направления станет реализация функционала электронной подписи в программном комплексе, организация ЦОД, реализация SOAP-сервиса и создание автоматизированной системы поддержки принятия решений (Decision Support System, DSS), основанной на применении принципов искусственного интеллекта [9].
созданы новые научные, технологические и технические решения, внедрение которых внесет вклад в ускорение научно-технического прогресса в части разработки интеллектуальных систем для автоматизации контроля технологических процессов производства алкогольной продукции.
Разработан специализированный программный комплекс, обладающий универсальной структурой, реализующей принципы декомпозиции. Модули, входящие в состав комплекса, автоматизируют обработку результатов измерений показателей качества и безопасности алкогольной продукции.
Применение разработанного комплекса позволит интенсифицировать
процесс обработки аналитических данных и получать результаты с гарантированной точностью.
Перспективой развития данного направления является разработка интеллектуальных систем поддержки принятия решений.
НИР проведена за счет субсидии на выполнение госзадания в рамках Программы научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 гг. (тема № 0529-2014-0107).
ЛИТЕРАТУРА
1. Макконнелл, С. Совершенный код. Мастер класс/С. Макконелл. - М.: Русская редакция, 2010. - 896 с.
2. Коннолли, Т. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика/Т. Коннолли, К. Бегг. -М.: Вильямс. - 2017. - 1439 с.
3. Власов, И.В. Опыт разработки программного обеспечения для интеграции информационных систем при производственной деятельности эксплуатанта авиационной техники/ И. В. Власов, П.В. Дударин, А.Д. Юсупов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. - Т. 14. - № 4-2. -С. 577-582.
4. Дударин, П.В. Формирование признаков из иерархического классификатора для кластеризации коротких текстовых фрагментов/ П. В. Дударин, Н. Г. Ярушкина // Нечеткие системы и мягкие вычисления. - 2017. - Т. 12. -№ 2. - С. 87-96.
5. Шелехова, Н. В. Научное обеспечение контроля биотехнологических процессов производства этилового спирта/Н.В. Шелехова, Л.В. Римарева, В.А. Поляков // Пиво и напитки. - 2016. -№ 1. - С. 16-20.
6. Шелехова, Н.В. Комплексная система контроля производства этилового спирта и спиртных напитков/Н.В. Шелехова, В.А. Поляков, Л.В. Римарева // Хранение и переработка сельхозсырья. -2015. - № 12. - С. 53-56.
7. Шелехова, Н.В. Специализированный программный комплекс «С2Н5ОН-аналитик» - инновационный инструмент автоматизации контроля качества и безопасности алкогольной продукции/ Н. В. Шелехова, В.А. Поляков, Л.В. Римарева // Пищевая промышленность. - 2015. - № 9. - С. 28-31.
8. Шелехова, Н.В. Специализированные программные комплексы в контроле качества алкогольной продукции/Н.В. Шелехова [и др.] // Пищевая промышленность. -2017. - № 1. - С. 50-52.
9. Шелехова, Н.В. Управление технологическими процессами производства алкогольной продукции с применением информационных технологий/Н.В. Шелехова, Л.В. Римарева // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2017. -№ 3. - С. 28-31.
REFERENCES
1. Makkonnell, S. Sovershennyj kod. Master klass/S. MakkoneU. - M.: Russkaya redakciya, 2010. - 896 p.
2. KonnoUi, T. Bazy dannyh. Proek-tirovanie, realizaciya i soprovozhdenie. Teoriya i praktika/T. Konnolli, K. Begg. -M.: Vil'yams. - 2017. - 1439 p.
3. Vlasov, I.V. Opyt razrabotki program-mnogo obespecheniya dlya integracii informacionnyh sistem pri proizvodst-vennoj deyatel'nosti ehkspluatanta avia-cionnoj tekhniki/I.V. Vlasov, P.V. Dudarin, A. D. YUsupov // Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii na-uk. - 2012. - T. 14. - № 4-2. - P. 577-582.
4. Dudarin, P. V. Formirovanie prizna-kov iz ierarhicheskogo klassifikatora dlya klasterizacii korotkih tekstovyh frag-mentov/P.V. Dudarin, N.G. YArushkina // Nechetkie sistemy i myagkie vychisleniya. -2017. - T. 12. - № 2. - P. 87-96.
5. Shelekhova, N. V. Nauchnoe obe-spechenie kontrolya biotekhnolog-icheskih processov proizvodstva ehtilovo-go spirta/N.V. SHelekhova, L.V. Rimareva, V.A. Polyakov // Pivo i napitki. - 2016. -№ 1. - P. 16-20.
6. Shelekhova, N.V. Kompleksnaya sistema kontrolya proizvodstva ehtilovogo spirta i spirtnyh napitkov/N. V. SHelek-hova, V. A. Polyakov, L. V. Rimareva // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. -2015. - № 12. - P. 53-56.
7. Shelekhova, N.V. Specializirovannyj programmnyj kompleks «C2H5OH-anali-tik» - innovacionnyj instrument avtoma-tizacii kontrolya kachestva i bezopasnosti alkogol'noj produkcii/N.V. SHelekhova, V.A. Polyakov, L.V. Rimareva // Pishcheva-ya promyshlennost'. - 2015. - № 9. -P. 28-31.
8. Shelekhova, N.V. Specializiro-vannye programmnye kompleksy v kontrole kachestva alkogol'noj produkcii/N.V. SHelekhova [i dr.] // Pish-chevaya promyshlennost'. - 2017. - № 1. -P. 50-52.
9. Shelekhova, N.V. Upravlenie tekh-nologicheskimi processami proizvodstva alkogol'noj produkcii s primeneniem informacionnyh tekhnologij/N.V. Shelekhova, L.V. Rimareva // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. - 2017. - № 3. -P. 28-31.
Информационные технологии в аналитическом контроле качества алкогольной продукции
Ключевые слова
алкогольная продукция; аналитический контроль; газовая хроматография; информационные технологии; контроль качества
Реферат
Проведенное исследование направлено на создание новых информационных технологий промышленного назначения, обеспечивающих повышение эффективности производства алкогольной продукции и решение проблемы импортозамещения в области программного обеспечения. Предложен новый подход к обработке результатов газохроматографических измерений показателей качества и безопасности алкогольной продукции, основанный на применении информационных технологий. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, ориентированных на получение исходных данных, выявление принципов и путей создания программного комплекса для автоматизации обработки данных аналитического контроля. Сформулированы основные требования и принципы автоматизации обработки результатов измерений показателей качества и безопасности алкогольной продукции, полученной при использовании метода газовой хроматографии. Составлена концептуальная модель программного комплекса ПК «С2Н5ОН- аналитик» и определена структура, состоящая из отдельных программных модулей. Показано, что предложенная модель позволяет расширять функциональность комплекса путем создания новых модулей. Разработаны унифицированные правила структурного построения функциональных программных модулей, внешнего интерфейса и взаимодействия компонентов, математическая модель задачи, определены входные и выходные данные, проведено кодирование алгоритмов и компиляция программного комплекса. Создан специализированный программный комплекс ПК «С2Н5ОН-аналитик», предназначенный для обработки результатов измерений показателей качества и безопасности алкогольной продукции, полученных при проведении испытаний методом газовой хроматографии. Практическая ценность проведенных исследований заключается в создании проблемно-ориентированного программного комплекса, обеспечивающего решение задач, связанных с контролем технологических процессов производства спирта и спиртных напитков для обеспечения выпуска алкогольной продукции с заданными качественными характеристиками. Несомненным преимуществом разработанного программного комплекса является его специализированная направленность. Применение разработанного комплекса позволит интенсифицировать процесс обработки аналитических данных, снизить затраты рабочего времени на проведение расчетов на 90% и получать результаты с гарантированной точностью. Перспективой развития данной тематики является создание интеллектуальных систем поддержки принятия решений.
Авторы
Шелехова Наталия Викторовна, д-р техн. наук,
Поляков Виктор Антонович, д-р техн. наук, профессор, академик
РАН,
Серба Елена Михайловна, д-р биол. наук, профессор РАН, Шелехова Тамара Михайловна, канд. техн. наук, Веселовская Ольга Владимировна, Скворцова Любовь Ивановна
ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания и биотехнологии, 111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4 Б, satella@ mail.ru
Information technology in the analytical quality control of alcoholic beverage
Key words
analytical control; alcoholic products; alcoholic drinks; control quality; gas chromatography; information technologies; safety
Abstracts
The research is aimed at the creation of new information technologies for industrial purposes, providing an increase in the efficiency of alcohol production and the solution of the problem of import substitution in the field of software. Proffer a new approach to the processing of the results of gas chromatographic measurements of quality and safety of alcoholic beverages, based on the use of information technology. Performed complex of theoretical and experimental studies focused on obtaining the initial data, identifying the principles and ways of creating a software complex for the automation of data processing of analytical control. Formulated the basic requirements and principles of automation of processing of measurement results of quality and safety of alcoholic beverages obtained using the method of gas chromatography. Defined a conceptual model of the software complex PC «C2H5OH- analytic» was drawn up and a structure consisting of separate program modules. It is shown that the proposed model allows to expand the functionality of the complex by creating new modules. Compiled the unified rules of structural construction of functional program modules, external interface and interaction of components, a mathematical model of the problem are developed, input and output data are defined, algorithms are coded and software complex. Specialized software complex PC «C2H5OH-analytic» was designed to process the results of measurements of quality and safety parameters of alcohol products obtained during gas chromatography tests. Practical value of the conducted researches consists in creation of the problem-oriented software complex providing the decision of the problems connected with the control of technological processes of alcohol and alcoholic beverages production for maintenance of release of alcoholic production with the set qualitative characteristics. Undoubted advantage of the developed software is its specialized focus. The application of the developed complex will allow to intensify the process of processing analytical data, to reduce the cost of working time for making calculations by 90% and to obtain results with guaranteed accuracy. The development perspective of this subject is the creation of intelligent decision support systems.
Authors
Shelekhova Nataliya Viktorovna, Doctor of Technical Sciences, Polyakov Viktor Antonovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, academician of RAS,
Serba Elena Mihajlovna, Doctor of Biological Sciences, Professor RAS, Shelekhova Tamara Mihajlovna, Candidate of Technical Sciences, Veselovskaya Olga Vladimirovna, Skvorcova Lyubov' Ivanovna
Institute of Food Biotechnology - branch FRC for Nutrition and Biotechnology,
4 B, Samokatnaya str., Moscow, 111033, satella@ mail.ru
