CC BY
23
4. Фролов, Ю. А. Теплотехническое исследование процесса агломерации и совершенствование технологии и техники для производства агломерата [Текст] : автореф. дис. ... д. т. н / Ю. А. Фролов. - Екатеринбург, 2005. - 49 с.
5. Дмитриева, Е. Г. Совершенствование технологии и оборудования для производства агломерата в условиях работы на тонких концентратах [Текст] / Е. Г. Дмитриева, А. А. Вяткини др. // Сталь. - 2009. - № 2. - С. 4-6.
6. Вяткин, А. А. Метод прогнозирования прочностных свойств агломерата [Текст] / А. А. Вяткин, Е. Г. Дмитриева, А. В. Мылы-гин и др. // Бюлл. Черная металлургия. - 2008. - № 3. - С. 44-47.
7. Калашников, С. Н. Математическое моделирование тепло-массообменных процессов в металлургических агрегатах на основе объектно-ориентированной технологии [Текст]: дис. ... д-ра техн. / С. Н. Калашников. - Новокузнецк, 2002. - 278 с.
8. Елисеев, А. А. Исследование тепло-массообменных процессов при агломерации шихты [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: / А. А. Елисеев. - Череповец, 2006. - 165 с.
9. Боковиков, Б. А. Математическая модель обжиговой конвейерной машины как инструмент для оптимизации тепловой схемы агрегата [Текст] / Б. А. Боковиков, В. В. Брагин, В. М. Малкин и др. // Сталь. - 2010. - № 9. - С. 84-87.
10. Мных, А. С. Исследование влияния фракционного состава агломерационной шихты на распределение химических компонентов слоя материала для условий комбината «Запорожсталь» [Текст] / А. С. Мных // Теория и практика металлургии. -2014. - № 3 (6). - С. 35-38.
11. Мных, А. С. Решение задачи распределения температуры в единичном объеме агломерационного слоя методом конечных элементов с учетом внутреннего источника тепла [Текст] / А. С. Мных // Збiрник наукових праць ДДТУ (техшчш науки). -2014. - № 2(25). - С. 47-51.
12. Мных, А. С. Синтез трехмерной модели теплового режима процесса спекания агломерационной шихты [Текст] / А. С. Мных // Вюник КрНУ (збiрник наукових праць). - 2014. - №38 - С. 44-47.
13. Коротич, В. И. Основы теории и технологии подготовки сырья к доменной плавке [Текст] / В. И. Коротич - М.: Металлургия, 1978. - 208 с.
14. Минаков, Н. С. Исследование влияния газодинамического режима на показатели процесса агломерации при спекании шихты в высоком слое [Текст] / Н. С. Минаков, Г. А. Арыков, Б. И. Колокольцев и др. // Сталь. - 1994. - № 6. - С. 6-11.
15. Тарасов, П. В. Основные закономерности сопротивления и газопроницаемости зернистого слоя [Текст] / П. В. Тарасов // Сталь. - 2006. -№ 3. - С. 12-15.
Дослиджено бiологiчнi eMacmueocmi води на ocHoei використання методу газорозрядного випромтювання в електромагттному полi. Розглянутий метод забезпечуе експрес-оцтку ттегральних бiологiчних характеристик зразка ридиннофазного об'екту. Запропоновано методи та алгоритми цифрово1 обробки зареестрованих зобра-жень газорозрядного випромтювання. Виконано кла-сифжацю води рiзних титв на основi методологи кластерного аналiзу
Ключовi слова: газорозрядне випромтювання, ятсть
води, цифрова обробка зображень, кластерний аналiз □-□
Исследованы биологические свойства воды на основе использования метода газоразрядного излучения в электромагнитном поле. Рассмотренный метод обеспечивает экспресс-оценку интегральных биологических характеристик образца жидкофазного объекта. Предложены методы и алгоритмы цифровой обработки зарегистрированных изображений газоразрядного излучения. Выполнена классификация воды различных типов на основе методологии кластерного анализа
Ключевые слова: газоразрядное излучение, качество воды, цифровая обработка изображений, кластерный анализ
УДК 546.212
|DOI: 10.15587/1729-4061.2014.31546|
РОЗРОБКА МЕТОДУ ЕКСПРЕС-ОЦ1НКИ Б1ОЛОГ1ЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ВОДИ
Н. В. Глухова
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра метрологи та шформацтно-вимлрювальних технолопй ДВНЗ «Нацюнальний прничий ушверситет» пр. Карла Маркса, 19, м. Днтропетровськ, УкраТна, 49027 E-mail: GLNAVI@ukr.net
1. Вступ
Науково-дослщш центри рiзних краш проявля-ють постшний штерес щодо теоретичного та експе-
риментального вивчення аномальних властивостей води, як не можна пояснити спираючись на кла-сичш модель Новi чисельш дослщження шдтвер-джують той факт, що дшсна природа та властивост
g
води виходять за рамки просто! хiмiчноi формули Н2О.
З точки зору впливу стану води на процеси мета-болiзму живих органiзмiв, останш дослiдження дозволили встановити ткний взаемозв'язок мiж бюлопч-ними та квантовими и властивостями. Надзвичайно важливим для функщонування людського органiзму виявляеться наявнiсть у складi води структурованих груп окремих молекул, яю здатш формувати когерент-нi домени, процеси перетворення яких слвд оцiнювати з позицш квантово! механiки.
При цьому детальний аналiз квантових властиво-стей води потребуе наявносп складного лабораторного устаткування, висококвалiфiкованого персоналу для обслуговування, що призводить до неможливосп виконання оцiнки бiологiчних властивостей води у скришнговому режимi, наприклад, у системах еколо-гiчного монiторингу. У сучасних умовах потужного техногенного впливу на довкшля та, зокрема, на стан водних ресурав, розробка експрес-методiв аналiзу виявляеться актуальною.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
Один з перспективних напрямiв такого роду науко-вих дослщжень направлений на вивчення квантових властивостей води [1].
З точки зору класично! фiзики, атоми у молеку-лi води завжди мають однаковий, чiтко фiксований, штервал мiж собою. Вважаеться, що молекули при цьому рухаються безперервно за вщомою динамiкою. Така класична електростатична модель води дозволяе достатньо точно ввдтворювати водневi зв'язки та перед-бачати результати експериментальних дослiджень бага-тьох властивостей води. Але при вивченш специфiчних квантових властивостей води класичш моделi взаемодп молекул дають теоретичнi оцiнки, що мають значне ввд-хилення вiд отриманих на практищ даних [1].
У робоп [2] викладено результати моделювання з урахуванням саме квантових ефекпв та зроблений висновок про надзвичайну важливкть балансу квантових процеив для забезпечення певних властивостей води, важливих для кнування живих органiзмiв. Коливання вщсташ мiж молекулами води можуть ослаблювати силу водневих зв'язюв. У свою чергу, квантовi коливання вщстаней мiж атомами та змша значень куту зв'язку призводять до динамжи бюло-гiчних властивостей води. Авторами роботи [3] вико-наний аналiз зв'язку мiж квантовими та бюлопчними властивостями води з природних джерел.
У роботi [4] групою фiзикiв запропоновано та до-слщжено модель «конкуруючих квантових ефекпв». Конкуруючi квантовi ефекти дослiджено на основi вивчення двох рiзних форм iзотопiв водню:
а) водню з одним протоном;
б) дейтерж.
Додаткова маса дейтерт обумовлюе його зниже-ну властившть сприйняття у порiвняннi з воднем до квантово! невизначеностi у довжиш зв'язкiв. Тобто зв'язок дейтерш-кисень виявляеться бiльш коротким, нiж зв'язок водню та кисню. Експериментальш досль дження, проведенi вченими, полягали у розповсю-дженнi пучку електронiв у водi з реестрацiею розсь
ювання. Результати пiдтвердили зробленi теоретичт висновки.
Бiологiчнi властивостi води обумовлет силами взаeмодii усерединi молекули та мiжмолекулярними зв'язками. Саме TaKi фактори враховуються засобами квaнтовоi мехaнiки. Група дослщниюв у лaборaторii Rutherford Appleton Lab у Великобританп значну увагу придшяли вивченню квантових властивостей води у нанотрубках [5]. Специфжа експерименту полягала у вимiрювaннi пaрaметрiв водного середовища, обмеже-ного у просторi малих розмiрiв. Пiд час експериментальних дослщжень властивостей води, розташовашл у вуглецевих нанотрубках при юмнатнш темперaтурi, було виявлено суттеву рiзницю з класичною електро-статичною моделлю води. Встановлено, що протони у водному середовишд нано розмiрiв мають зовсiм iншi влaстивостi, нiж у бiльш великих об'емах води. Вчет прийшли до висновку, що для опису властивостей води в просторi з нано розмiрaми, необхщний якiсно iнший тдхщ. Додатково було висунуто припущення щодо кнування квaнтовоi когерентностi, яка розповсюджу-еться через електронну мережу [6]. Важливо зазначи-ти, що фiзики у Великобритaнii обрали для реaлiзaцii дослiджень саме вуглецевi нанотрубки, осюльки вони е аналогом умов кнування води у клiтинaх живих ктот, наприклад, iонних кaнaлiв у мембранах клггин.
Оскiльки вода виступае неввд'емною частиною живих оргaнiзмiв, то вона приймае участь в у«х процесах самооргашзацп та вiдновлення. Шд час взaемодii води та бюмолекул змiнюеться структура води, що призводить до динамжи ii фiзичних властивостей та змiни електромaгнiтноi активносп [7]. Пiд впливом рiзно-маштних зовнiшнiх фaкторiв, у тому чж^ бiологiчних процесiв, вода може змшювати свiй стан. У роботi [7] тдкреслюеться, що сигнали, якi випромшюються водою у певному когерентному сташ можуть бути вияв-леш та зaреестровaнi.
Дослiдження взаемозв'язку бюлопчних та квантових властивостей води е прюритетним напрямом Укрaiнського шституту екологii людини [8]. Актуальность та вaжливiсть вивчення квантових ефекпв пит-ноi води обумовлюеться впливом структурноi будови води на процеси життедiяльностi оргaнiзмiв. Вода iснуе у живому оргaнiзмi у двох станах: в^ьна мiж-клiтиннa та зв'язана внутржлиинна. Природна вода внaслiдок контакив з оточуючим середовищем, зокрема з геолопчними структурами, мiнерaлiзуеться та тддаеться впливу надслабких телуричних та вихро-вих полiв. Результатом комплексного впливу е фор-мування особливих рвдких кристaлiв, за геометрични-ми ознаками аналопчними тетраметрам. Кристали, у свою чергу, поеднуються в кластери, що представлен у виглядi когерентних домешв, розмiри яких при юм-нaтнiй темперaтурi досягають 0,1 мкм [9, 10].
У рамках дослщження рщкого стану водного середовища з точки зору квaнтовоi електродинамжи доказано, що вода являе собою сукупшсть когерентних доменiв [3]. Конкретний розмiр когерентного домену обумовлений довжиною хвилi квантового переходу з основного стану у збуджений. Енергетично основний та збуджений стани когерентних домешв вiдрiзня-ються. Значення рiзницi в енерпях напряму зв'язано з довжиною хвилi фотону м'якого рентгешвського випромшювання. Необхiдно враховувати, що кожний
когерентнии домен оточении полем, яке юнуе за иого межами. Зв'язки м1ж р1зними доменами утворюються саме завдяки кнуванню пол1в, яю, торкаючись одне одного шбито «склеюють» окрем1 домени у конгломе-рати.
Для дистильовано! води характерно, що когерентш домени утворюють конгломерати, але не формують стльно1 когерентност м1ж собою. Вщсутшсть сильно'! когерентност1 не дозволяе дистильованш вод1 сут-тево реагувати на зовшшш впливи.
На основ1 вивчення моделей кластеризацп р1дко1 води встановлено, що утворення когерентних сташв води з фрактальною структурою покращуе бюенерге-тичш властивост питно'! води. Вживання людиною когерентно! води тдвищуе зв'язашсть у фрактальний стан бюлопчних рвдин в оргашзм1 та ф1зюлопчно вщ-новлюе функцп серцево-судинно'! системи [11].
Стандартш класичш методи ф1зико-х1м1чного анал1зу стану водного середовища мають певш обме-ження щодо дослщження бюлопчних властивостей води. Недолжом розглянутих метод1в оцшки бюлопчних властивостей води е недостатня достов1ршсть, обмежена область використання, потреба у складному лабораторному устаткуванш, що вимагае обслугову-вання висококвал1ф1кованим персоналом.
3. Мета та задачi дослiджень
Проведенi дослiдження ставили за мету визначен-ня napaMeTpiB газорозрядного свтння зразюв води, якi забезпечують порiвняння та класифiкацiю типiв води з рiзними бiологiчними властивостями.
Для досягнення поставлено! мети вирiшувалися наступн задачi:
- розробка та практичне впровадження методiв цифрово! обробки зображень газорозрядного свтння (кiрлiанограм);
- видтення характерних ознак (паттернiв) у зобра-женнях газорозрядного випромiнювання рщиннофаз-них об'екпв;
- реалiзацiя алгоритмiв нечикого кластерного аналiзу для вибiрок зразюв рiзних типiв води.
4. MaTepia™ i методи реестраци та обробки зображень газорозрядного випромтювання зразюв води
4. 1. Обладнання та мaтepiaли, як використовува-лися при експериментальних дослщженнях
Для отримання експериментальних даних при ек-спрес-оцiнцi бiологiчних властивостей води викори-стовуеться метод, при якому дослщний зразок води розташовуеться в електромагттному полi [12-16]. При впливi на зразок води у виглядi краплi, розташовано! на фотоматерiалi, електромагштного поля розвиваеть-ся газорозрядне свтння, що фжсуеться у виглядi зображення, яке проявляеться навколо зразка та в зон контакту з фотоматерiалом (ефект Кiрлiан).
Оцiнка бiологiчних властивостей води базуеть-ся на методi вимiрювань, який полягае у фжсацп на фотоматерiалi структури газорозрядного свтння в електромагттному полi навколо дослщжуваного зразка води та в зош його контакту з фотоматерiалом
[8, 16]. Ефект Кiрлiан обумовлений юшзащею молекул газового середовища за рахунок електрошв та фотонiв, iмiтованих з електронно-збуджених складних молеку-лярних структур води.
Експериментальш дослщження реалiзованi з ви-користанням реестратору ефекту Кiрлiан РЕК-1. При-лад призначений для вiзуалiзацiï на фоточутливому матерiалi i рентгенiвськiй плiвцi кiрлiан-випромiню-вання. Прилад вiдповiдае вимогам ГОСТ 20790, ГОСТ 15150, ДСТУ 3798, ГОСТ 12.2.025, техшч-ним умовам та комплекту техшчно! документацп У33.1.14311577000-2005 [17].
Прилад мае наступш техшчш характеристики. Амплггуда iмпульсу експозицiйного струму в колi з дослiджуваним об'ектом забезпечуеться в iнтервалi вiд 5 до 10 мА. Критерiем працездатносп приладу е знаходження амплiтуди iмпульсу струму в дослiдному колi в цих межах. Тривалють iмпульсу експозицшно-го струму в колi складае не бтьше 10 мкс. Критерiем вiдмови е зменшення амплiтуди iмпульсу стуму в колi менше 5 мА.
Конструктивно реестратор виконаний у виглядi приладу наспльного виконання. В пiдставi корпусу розташовано плату управлiння з радюелемента-ми, пристроями комутацiï та сигналiзацiï. На кришцi реестратору встановлено робочий електрод з фольго-ваного гетинаксу. Зверху над робочим електродом розташовано направляючий кондуктор. В основу ро-боти реестратора РЕК-1 покладено ударне збудження контуру, який складаеться з шдуктивносп вторинноï обмотки узгоджувального контуру та емносп наван-таження, що пiдключено до не! Утворенi при цьому iмпульси збудження забезпечують протжання струму через буферний резистор, робочий електрод, ланцюг з об'ектом дослщжень та пасивний електрод.
Реестратор газорозрядного випромтювання мь стить плоский високовольтний електрод, на якому розташовано фотоматерiал (рентгешвська плiвка), знiмний фiксатор, з'еднаний iз плоским електродом i джерелом струму, мiрну емнiсть зi штоком для розмь щення в нiй дослвджувашл рiдини, порожню голку з електропровщного матерiалу для формування не-однорщного електричного полю. Знiмний фiксатор установлено над поверхнею фотоматерiалу на висоп, при якiй забезпечуеться зазор мiж поверхнею фото-матерiалу i голкою, яку помiщено в металеву порожню трубку центрального отвору фжсатора, при цьому зовшшнш дiаметр голки вщповщае внутрiшньому дiаметровi трубки для створення неоднорщного елек-тричного полю.
Послiдовнiсть отримання зображення газорозрядного випромтювання рщиннофазного об'екту наступ-на. На робочiй поверхш плоского електроду розмщу-ють фотоматерiал, над яким установлюють знiмний фжсатор. Дослiджувану рiдину в заданому обсязi на-бирають у мiрну емшсть, голку якоï помiщають у порожню трубку. Продавлюючи шток мiрноï емносп, дослiджувана рiдина в заданому об'емi витiкае на фо-томатерiал, утворюючи краплю, поверхня яко! контак-туе з голкою. Мiж плоским електродом i електродом для формування неоднорщного електричного полю подають напругу, у результап чого в полi краплi ви-никае газовий розряд. Шсля експозицiï фотоматерiал пiддають стандартнiй хiмiчнiй обробцi й одержують
зображення структури газорозрядного свтння навко-ло та у зош контакту рщини з фотоматерiалом.
В рамках дано! роботи було дослщжено вибiрки двох титв води: стiчноi та природной
4. 2. Методики обробки та визначення параметрiв зображень газорозрядного випромшювання води
При яюсному аналiзi експертом зазвичай врахо-вуються такi ознаки зображення газорозрядного випромшювання води: внутршне юльце з направлени-ми ввд нього радiальними стримерами, яю утворюють середне кiльце та тоню люмшесценцп, що у сукупностi надае параметр - ширина зовшшньо'! засвггки; структури свiтiння у зош контакту зразка води з рент-гешвською плiвкою (внутрiшне коло зображення) на предмет зернистих включень та затемнень [16].
На першому етат запропонований в рамках дано! роботи споаб оцшки стану рiдиннофазного об'екту включае в себе отримання зображень газорозрядного свтння для дослщжуваного зразку. На другому етат з метою обгрунтованого аналiзу параметрiв структур свiтiння виконуеться комп'ютерна обробка отрима-них зображень. Визначення юльюсних характеристик яскравостi зображення газорозрядного свтння води забезпечуе тдвищення достовiрностi оцiнки и бюло-пчно'! активностi.
Для зображень газорозрядного випромшювання дослвджуваних об'ектiв формують гiстограми яскра-востi пiкселiв, для яких встановлено вщповщност яскравостей зонам однорщних структур типових профiлiв зображень внутршнього кiльця з радiально спрямованими стримерами, яю утворюють середне кiльце та тоню люмшесценцп.
З метою зниження впливу випадкових факторiв на результати вимiрювань для кожного дослщжуваного зразка води виконуеться серiя експериментiв. Уза-гальнена оцiнка для вибiрки даних базуеться на обчис-леннi значень медiан для певних дiапазонiв яскравосп пiкселiв. Оцiнку у виглядi медiани обрано, оскiльки вона е найбшьш стiйкою щодо суттевих випадкових викидiв, коли експериментальнi результати вiдрiз-няються вщ теоретичного нормального розподiлу та для обробки рацiонально скористатися робастними методами. Сформован вектори зi значеннями медiан яскравостi за дiапазонами в подальшому використо-вуються як вхвдш данi для процедури кластеризацп.
Основна задача, яка вирiшуеться у рамках дано! роботи на базi кластерного аналiзу [18], полягае у розподшу усiеi множини вихiдних об'екив (зображень газорозрядного випромiнювання) в однорщш групи. На сьогоднi розроблено щлий спектр методiв кластерного аналiзу, але для використання у при-кладних галузях необхiдно розв'язання нетривiаль-ного наукового завдання - видшення з загального обсягу параметрiв, властивостей, характеристик до-слiдних об'екив саме таких, що забезпечать ефек-тивну класифiкацiю вхiдноi множини об'екпв на однорiднi пiдмножини. Таким чином, особлившть використання методiв кластерного аналiзу на практицi потребуе у загальнш постановцi видiлення якiсних та юльюсних ознак при описi об'екпв, що утворюють вхiдну множину.
При варiативному пiдходi вiдбуваеться розподiл вхщно'! множини за обраними ознаками. Елементар-
ним випадком е аналiз множини об'екив за одним единим параметром, але, як правило, задачу що мають прикладний штерес, являють собою багатовимiр-ний випадок. Наявшсть декiлькох ознак-параметрiв е комбiнацiйним групуванням. Таким чином, задача полягае в аналiзi вхщно'! множини, що описуеться низкою багатовимiрних точок однорiдних тдмно-жин, тобто базуеться на дослщженш властивостей багатовимiрного простору. Такий метод мае назву структурного шдходу, що у рядi випадкiв може ха-рактеризуватися геометричною iнтерпретацiею, сенс яко! полягае у використаннi поняття вщсташ мiж об'ектами та класами.
Нехай X = {х1,х2,...,хп} - множина з п рщинно-фазних об'ектiв (зразкiв води з рiзними бiологiчними властивостями), зображення газорозрядного випромь нювання яких характеризуються т ознаками. Тодi кожний дослiджуваний об'ект виступае як точка у т -вимiрному просторi ознак. В загальному випадку вхщш данi для кластерного аналiзу зображень ви-промiнювання аналiтично представляемо у виглядi матрицi розмiром т х п:
X =
тхп
1
1 2 2 2 1 хо
(1)
Матриця вигляду (1) мае назву матриця «об'ект -властивкть», елементи яко! х^виступають юльюсною оцiнкою ознаки i-го об'екту. У кожному ьму сто-впчику записан параметри дослiджуваного об'екту х!. Геометричний сенс кожного об'екта - це точка т - вимiрного простору ознак 1т(Х).
Вхщш данi можуть бути представленi також на базi опису взаемних вщстаней мiж об'ектами вхiдноi множини:
dnхn =
d12 d21 d22
dn2
(2)
де dij - вiдстань (метрика) об'ектiв х! та xj мiж собою. 1ншою формою представлення е використання протилежно! за змктом матрицi, що характеризуе близьюсть об'ектiв. Перехiд вiд матрицi ввдстаней до матрицi близькостi виявляеться елементарним, тому у спещальнш лiтературi вводиться одне загальне позна-чення функцп близькостi або вiддаленостi, а заметь вiдповiдних матриць використовуеться так звана матриця «об'ект - об'ект».
5. Результати дослщжень бюлопчних властивостей води на основi параметризацп та класифжаци зображень газорозрядного випромiнювання
З урахуванням розглянутих позначень проблема кластерного аналiзу зображень газорозрядного випромшювання полягае у розбитт однорвдних клаав вхiдноi експериментально! множини зображень
X = {х4,х2,...,хп} , представлених у вигляд1 «об'ект -властивють». Приклад реальних даних для анал1зу наведений у табл.1. Юлькшть оброблених виб1рок реаль-них даних за об'емом значно перевищуе представлений у табл. 1 обсяг матер1алу, тому виходить за рамки можливостей вщображення у публжацп.
Матриця виду (2) повшстю описуе геометричну структуру множини об'екпв X = {х4,х2,...,хп} , однак координати вщповщних точок залишаються неввдо-мими. У вар1ант1 представлення вхщних даних задач! кластеризацГ! у вигляд1 (1) - це вектори-стовпчики, що е геометричними координатами спостере р(х^) жень у т - вим1рному простор! ознак. Визначешсть з використанням конкретно! метрики для оцшки вщда-леност або близькост! об'екпв е основою для встанов-лення однорщност! груп об'екпв.
Зазвичай близьюсть об'екпв вхщно! множини встановлюеться шляхом_пор!вняння значення функц!'! р(х^) , xi,xj еХ, ^ = 1,п з певним пороговим значен-ням. Функщя в залежност! вщ вар1анту розв'язання задач! кластеризацГ! виступае м1рою вщдаленост або близькост! об'екпв. Оцшка числових значень величи-ни р^ можлива т1льки в тому випадку, коли задано ус координати точок {Х^Д = 1,п.
Таблиця 1
Значення медiан у пiддiапазонах д/ гiстограми яскравостi пiкселiв зображень газорозрядного випромiнювання зразкiв води
№ 1 2 3 4 5 6
пп стана стана природна природна сйчна природна
d1 0 1 0 0 1 0
d2 158 147 0 10 147 0
d3 16091 24073 1538 1952 24073 1739
d4 23862 20021 3699 3791 20021 2977
d5 6364 6424 2823 2644 6424 2644
d6 6659 7491 3888 3614 7491 3031
d7 4955 6480 7639 7518 6480 7210
d8 4117 3764 15927 16427 3764 18059
d9 3980 3626 15411 12912 3626 16375
d10 12158 10631 49012 56271 10631 42476
d11 21749 21092 23143 16521 21092 17398
d12 0 3 5 5 3 0
Оскшьки вхiднi данi у виглядi зображень газорозрядного випромiнювання мГстять невизначенiсть, обумовлену впливом зовнiшнiх нешформативних факторiв як стохастично!, так i детермшовано! приро-ди, то рацюнальним пiдходом е вибiр таких алгоритмiв кластеризацГ!, що базуються на вхщних даних у ви-глядi сукупностГ об'ектiв X = {x1,x2,...,xn} , структуру яко! можна охарактеризувати нечикютю. Вона скла-даеться з груп об'ектГв A',...,Ac, яю аналиично можна описати у виглядГ нечiтких множин з функщями приналежностГ
Для нечико! кластеризацГ! використаний алгоритм Беждека-Данна (Fuzzy ISODATA algorithm, FCM algorithm) [19, 20]. Кластерний аналiз полягае у розв'я-занш оптимiзацiйно! задачi:
Q(P) ^ min.
Якщо вхiднi данi представлено у виглядi матрицi «об'ект - властивють» Xmxn = [xt] , i = 1...n, t = 1...m, то функцiонал якостi розподшу на класи визначаеться залежнiстю:
Q(P) = % % ]Lg(P(Xi),^u)d(Xi, т1),
1=1 i=i 1=1
де g - певний функцюнал; p(xi) - апрiорна вага для
кожно! точки xi при виконанш умови %p(xi) = 1; щ-
i=i
функцiя приналежност елементу xi еХдеякому нечiткому кластеру A1 e{A1,...,Ac}; d(xi,т1) - функцiя, що визначае вщстань вiд елементу , xi eX, i = 1,...n до деякого елемента т1, т1 eX , 1 = 1,...,c. Обмеження виступають у якосп умов:
c
М-н ^0, %ци = 1,i = 1,...,n;1 = 1,...,c.
Функцiонал Дж. Беждека-Дж. Данна представляе собою зважений критерш якост розбиття [20]:
Q(P) = É X ^i, т1),
де y - показник нечикост класифiкацiï.
Критерш якост кластеризацГ! використовуеться з урахуванням залежностей:
g(p(x,), ци) = 1 <у<~, n
1 = £hY ■ Xi/l
Алгоритм, що оптимiзуе функцюнал Дж. Бежде-ка-Дж. Данна, називаеться методом нечГгких с-сере-днiх (fuzzy c-means) та являе собою параметричне амейство за у при фжсованш кшькост кластерiв.
У якостi метрики - функцГ! вiдстанi у функцiоналi Q(P) - використовуеться квадрат евклвдово! норми у m-вимiрному просторi ознак Im(X):
d(xi, т1) xi -т^|2.
Кластерний аналiз реалiзуеться шляхом розв'язання наступно! задачi класифжацп:
P = arg min
p
Qi(P):P = (A1,...,Ac),A1 = Ц11,...,Цщ),0 <ц„<1;
c n
il = 1,il >0,i = 1,...,n;1 = 1,...,c;
ц.1(xl),1 = 1,c;i = 1,n або ци,1 = 1,c; i = 1,n.
(3) де с - юльюсть нечiтких кластерiв у шуканому розбит-тГ р*; у - показник нечикост класифiкацiï.
Реалiзацiя алгоритму нечггко! класифiкацii вико-нуеться за наступними етапами:
1) Для значення лiчильнику iтерацiй к=0 обираемо начальне наближення у виглядi розподшу Р(0) = (Л(0),...,ЛС0)) на с нечиких класiв. Р(0) представ-ляеться с непустими функщями приналежностi у ви-глядi масивiв:
с
{Ц(0)1,...,М-(0)п }, М"(0) = (М-(0)«,.",М-(0)а ),Ц-(0)Н - 0, ^(0)Н = 1 .
Оскiльки описанi масиви складаються з n c-вимiр-них стовпчиюв, то матриця початкового розбиття P(0) налiчуe с рядкiв та n стовпчикiв.
2) Будуеться к-е розбиття P(k), яке мае вигляд:
{Ц(k)l,...,^(k)i - c
=(^(k)U,..., ^(k)ci), ^(k)ii^o, § ^(k)ii -1.
що також характеризуеться розмiрнiстю з n с-вимiрних стовпчикiв.
Далi обчислюеться набiр ^rnpiB x(k),...,T(k) на ос-TOBi виразу:
§ ^(k)ii ■ xi TCk) - ^-,l - 1,...,c.
§K>)u i-1
3) Отримаемо (k + 1)-е розбиття P(k+1), що представлено у виглядi масиву:
{^(k+1)1,...,M"(k+l)n }, M-(k+1)i - (^(k+1)1i,...,M"(k+l)ci ),
c
iV+1)h -0, E^(k+1)u-1-
l-0
розмiрнiсть якого становить n c-вимiрних стовпчикiв.
Розбиття P(k+1), синтезоване на базi набору центрiв x(k),..., x(ck) з урахуванням наступних оцшок функцiй приналежностi, що описують нечiткiсть:
M"(k+l) -
- arg min j§Ц1X - Tk)| : Ц- Ц^-Ш Ц -0, §Ц, -1 j. Таким чином, якщо I(k)(x)-{l,1 <c:||xi -T(k)||-о} , то
I(k)(x) -0, Ц+1)н-
/ (
c § xi T(k)
a-1 К xi -T(k) У
_2_ v1
Y-1
I(k)(x) ц^и- 0, 1 * I(k)(x); § iV+DH-1
iEi(k)(x)
4) Обчислюеться деяке порогове значення е >0 , що надалi використовуеться у процедурi порiвняння P(k) з згщно правилу:
|P(k) P(k+1^|-^aaxlцм»
Нарощування iтерацiй призупиняеться i алгоритм завершуеться при виконаннi умови:
||Р(к) Р(к+1)|| <£ .
Виконуеться переприсвоення значення остаточного розбиття у виглядi Р* = Р(к). Якщо умова не викона-на, починаеться наступна к:= к +1 iтерацiя, повертаю-чись до кроку 2.
Результати використання алгоритму нечикого кластерного аналiзу до вхщних даних у виглядi кшь-кiсноi оцiнки медiан гiстограм яскравостi для зобра-жень газорозрядного випромiнювання (табл. 1) мають наступний вигляд:
class1 = 1 2 5
class2 = 3 4 6.
Порiвняння отриманих результапв з вхщними даними, представленими у табл. 1, тдтверджуе вiрну класифжащю за типами води з рiзними бюлопчни-ми властивостями. Зразки стiчноi води, розрахованi кiлькiснi параметри яких розташовано у стовпчиках таблицi з порядковими номерами 1, 2 та 5, за результатами виконання алгоритму нечiткоi кластеризацп вщнесено до класу 1. Що стосуеться зразюв природ-ноi води з такими бюлопчними властивостями, якi е корисними для оргашзму людини, то за результатами кластерного аналiзу вони потрапили у клас 2 (вщ-повщно до стовпчикiв табл. 1, позначених шд номерами 3, 4 та 6).
6. Обговорення результаив практичного використання розробленого методу експрес-ощнки бюлопчних властивостей води на основi кластерного аналiзу
Природна вода мае специфiчнi особливостi, як структурнi, так i тi, що проявляються в окремих вла-стивостях, якi тддаються кiлькiсному аналiзу. Характерною особливктю природноi води, як когерентноi речовини, е значний ввдгук на зовшшнш вплив. При реестрацii картини газорозрядного випромшювання це проявляеться у збшьшенш загально'! площi корони свiтiння. В щлому для води з природних джерел, на вщ-мiну вщ зразкiв стiчноi, притаманний монотонний характер графжу гiстограми яскравостi пiкселiв, що тд-тверджуеться даними табл. 1. За даними цiеi ж таблиц для зразкiв забрудненоi спчно' води спостерiгаеться суттевий локальний екстремум у виглядi максимуму функцп розподшу яскравостi в iнтервалах 3 та 4.
1нтерпретащя та аналiз зображень газорозрядного випромшювання може проводитися людиною-експер-том, але оцшки, отриманi у такий споаб, мають яюс-ний характер та обов'язково мштять вклад суб'ектив-ного фактору.
Видшення кiлькiсних ознак (паттершв), зокрема при побудовi гiстограми яскравосп пiкселiв, забезпе-чуе об'ективну параметризащю зображень. Видшен-ня набору векторiв-медiан для дiапазонiв яскравостi
виявляеться бГльш шформативним методом аналГзу зображень, шж оцшка зразка за одним показником, наприклад фрактальною розмГршстю.
На прикладГ обробки реальних даних для двох тишв води з рГзними бюлопчними властивостями (сично! та природно!) показано ефектившсть методу нечеткого кластерного аналГзу для класифжацп зраз-юв води за параметрами зображень !х газорозрядного випромтювання.
Слщ тдкреслити, що метод дослвдження властивостей води шляхом реестрацп газорозрядного випромь нювання не можна розглядати як той, що повшстю замшить класичш методи фГзико-хГмГчного аналГзу, що забезпечують отримання юлькюних ощнок стан-дартних фГзичних параметрГв та хГмГчного складу води або водного розчину.
Перевагою запропонованого методу е можливГсть експрес-ощнки бюлопчних властивостей води, тому вш може бути використаний в системах еколопчного мониторингу.
7. Висновки
Проведено дослГдження бюлопчних властивостей води методом, що передбачае реестращю та обробку зображень газорозрядного випромтювання
зразкГв в електромагттному полГ Запропоновано для кГлькюно! оцшки специфГчних ознак зареестро-ваних на рентгешвськш фотоплГвщ картин свтння використання параметризацп зображень у виглядГ побудови гютограм яскравост шкселГв. З метою зменшення впливу випадкових факторГв на резуль-тати експерименту для кожного дослГджуваного зразка води отримано набГр зображень випромтювання, для яких оцтено медГани яскравосп шкселГв у певних дГапазонах яскравостГ
Значення медГан використано у якост вхГдних даних для процедури нечГткого кластерного аналГзу, який забезпечуе автоматичну класифжащю зразкГв води з рГзними бюлопчними властивостями.
Виявлен специфГчш параметри структурних особливостей зображень газорозрядного випромь нювання дозволяють ефективно реалГзувати алго-ритми нечГтко! кластеризацГ!.
Практична значушдсть використання запропо-нованих методГв та алгоритмГв цифрово! обробки зображень газорозрядного випромтювання шд-тверджено на базГ аналГзу експериментальних даних для зразкГв природно! та стГчно! води. Показано, що параметризащя зображень шляхом обчислення медГан яскравостей за дГапазонами виступае до-стовГрним критерГем для оцшки бюлопчних власти-востей води.
Лиература
1. Kuharski, R. A. A Quantum Mechanica1 Study of Structure in Liquid H2O and D20 [Text] / R. A. Kuharski, P. J. Rossky // The Journa1 of Chemica1 Physics. - 1985. - Vo1. 82, Issue 11. - P. 5164-5177. doi: 10.1063/1.448641
2. Habershon, S. Competing Quantum Effects in the Dynamics of a F1exib1e Water Mo1ecu1e [Text] / S. Habershon, T. E. Mark1and, D. E. Mano1opou1os // The Journa1 of Chemica1 Physics. - 2009. - Vo1. 131, Issue 2. - P. 234-241. doi: 10.1063/1.3167790
3. Краснобрыжев, В. Г. Квантовые эффекты в природной воде [Текст] / В. Г. Краснобрыжев, М. В. Курик // Квантовая Магия. - 2010. - T. 7, № 4. - С. 4132-4138.
4. Zeid1er, A. Oxygen as a Site Specific Probe of the Structure of Water and Oxide Materia1s [Text] / A. Zeid1er // Physica1 Review Letters. - 2011. - Vo1. 107, Issue 14. doi: 10.1103/physrev1ett.108.259603
5. Reiter, G. F. Anoma1ous Ground State of the E1ectrons in Nanoconfined Water [Text] / G. F. Reiter, A. Deb, Y. Sakurai, M. Itou, V. G. Krishnan, S. J. Paddison // Physica1 review 1etters. - 2013. - Vo1. 111, Issue 3. - Avai1ab1e at: http://journa1s.aps.org/pr1/ abstract/10.1103/PhysRevLett.111.036803 doi: 10.1103/physrev1ett.111.036803
6. Mayers, J. Spurious indications of energetic consequences of decoherence at short times for scattering from open quantum systems [Text] / J. Mayers, G. Reiter // AIP Advances. - 2012. - Vo1. 2, Issue 3. - P. 032137. - Avai1ab1e at: http://scitation.aip.org/ content/aip/journa1/adva/2/3/10.1063/1.4746093 doi: 10.1063/1.4746093
7. Tedeschi, A. On the coherent water's edge [E1ectronic resource] / A. Tedeschi // Conference on the Physics, Chemistry and Bio1ogy of Water. - 2014. - Avai1ab1e at: http://www.waterconf.org/participants-materia1s/abstracts/Tedeschi.docx
8. Курик, М. В. Кфл1анограф1чне ощнювання бюдоступнос™ речовини [Текст] / М. В. Курик, Л. А. Шсоцька, Н. В. Глухова, А. I. Горова, О. А. Борисовська, А. В. Павлшин // Медична ¡нформатика та ¡нженер1я. - 2013. - № 2. - С. 37-41.
9. Arani, R. Qed coherence and the thermodynamics of water [Text] / R. Arani, I. Bono, E. De1 Giudice, G. Preparata // Condensed matter physics; statistica1 physics; atomic, mo1ecu1ar and optica1 physics. - 1995. - Vo1. 9. - P. 510-532.
10. Bono, I. Emergence of the Coherent Structure of Liquid Water [Text] / I. Bono, E. D. Giudice, L. Gambera1e, M. Henry // Water. - 2012. - Vo1. 4, Issue 4. - P. 510-532. doi: 10.3390/w4030510
11. Johannson, B. Do quantum state osci11ations in natura1 drinking water benefit human hea1th? [E1ectronic resource] / B. Johan-nson // Conference on the Physics, Chemistry and Bio1ogi of Water, 2014. - Avai1ab1e at: http://www.waterconf.org/participants-materia1s/abstracts/Johansson.pdf
12. Ignatov, I. Water in the Human Body is Informationa1 Bearer about Longevity [E1ectronic resource] / I. Ignatov, О. Mosin. - Sofia, Bu1garia, 2012. - Avai1ab1e at: http://www.medica1biophysics.dir.bg/en/1ongevity.htm1
13. Marinov, M. Co1or Corona1 (Kir1ian) Spectra1 Ana1ysis. Co1or Observation with Visua1 Ana1yzer, Internationa1 [Text] / M. Marinov, I. Ignatov // Medica1 Congress EUROMEDICA, European Academy of Natura1 Sciences. - Hanover, 2008. - P. 57-59.
14. Thirumaa1, A. Kir1ian Photography ... a nove1 concept [Text] / A. Thirumaa1 // Homoeo Times. - 2005. - Vo1. 2. - P. 14-22.
15. Песоцкая, Л. А. Анализ изображений кирлиановского свечения капель воды [Текст] / Л. А. Песоцкая, Н. В. Глухова, В. Н. Лапицкий // Науковий вюник Нацюнального прничого ушверситету. - 2013. - № 1. - С. 91-96.
16. Споаб експрес-оцшки стану рщиннофазного об'екта. Пат. на кор. модель 86701 Украша: МПК G-1N 21/17 [Текст] / Глухова Н. В., Шсоцька Л. А., Горова А. I. - заявл. 25.06.2013; опубл. 10.01.2014.
17. Споаб оцшки енергошформацшного стану рщинно фазного об'екту i пристрш для його здiйснення. Пат. на кор. модель 22212 Украша [Текст] / Шсоцька Л. А., Лапицький В. М., Боцман К. I., Геращенко С. В.. - заявл. 17.04.06; опубл. 50.04.07.
18. Everitt, B. S.Cluster Analysis. 5 edition [Text] / B. S. Everitt, S. Landau, M. Leese, D. Stahl. - Wiley; 2011. - 346 p.
19. Nock, R. On Weighting Clustering [Text] / R. Nock, F. Nielsen // IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence. -2006. - Vol. 28, Issue 8. - P. 1-13.
20. Bezdek, C. J. Pattern Recognition with Fuzzy Objective Function Algorithms [Text] / C. J. Bezdek. - Plenum New York, 1981. -284 p. doi: 10.1007/978-1-4757-0450-1
У статтi приведенорезультати до^д-но-промислових випробувань технологи виплавки феросилщю методом електро-шлакового переплаву iз використанням у шихтi брикетiв iз астрацшного пилу та пилу, що уловлюеться газоочисною установкою. Застосування способу брикету-вання та подальше додавання брикетiв до шихти при виплавщ феросилщю дозво-ляе утилiзувати пиловi видходи, лжвидува-ти вторинт джерела забруднення навко-лишнього середовища та знизити викиди забруднюючих речовин в атмосферне повi-тря
Ключовi слова: пил, видходи, брикети, виплавка феросилщю, печi постшного струму, екологiчна безпека
В статье приведены результаты опытно-промышленных испытаний технологии выплавки ферросилиция методом электрошлакового переплава с использованием в шихте брикетов из аспирационной пыли и пыли, улавливаемой газоочистной установкой. Применение способа брикетирования и дальнейшее добавление брикетов к шихте при выплавке ферросилиция позволяет утилизировать пылевые отходы, ликвидировать вторичные источники загрязнения окружающей среды и снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух
Ключевые слова: пыль, отходы, брикеты, выплавка ферросилиция, печи постоянного тока, экологическая безопасность
-□ □-
УДК 504.064.4:669.15-198
|POI: 10.15587/1729-4061.2014.299681
ДОСЛ1ДНО-ПРОМИСЛОВ1 ВИПРОБУВАННЯ ТЕХНОЛОГИ ВИПЛАВКИ ФЕРОСИЛ1Ц1Ю 13 ВИКОРИСТАННЯМ В1ДХОД1В ВИРОБНИЦТВА
О. Л. Проценко
Астрант, науковий ствроб^ник* E-mail: Elana_eco88@mail.ru Т. Ф. Жуковськи й Кандидат техшчних наук, доцент, завщувач лабораторп*
E-mail: gtf@niiep.kharkov.ua С. Л. Борисен ко Директор
Стахановська виробнича дтьниця товариства i3 обмеженою вщповщальнютю фiрма «Еколопчна штатива» вул. ТерешковоТ, 29, м. Алмазна, Луганська обл., УкраТна, 94095 E-mail: ecina@inbox.ru *Лабораторiя аналiзу охорони атмосферного пов^ря, розробки нормативно!' документаци та еколого-енергетичного аудиту Науково-дослщна установа «УкраТнський науково-дослщний шститут еколопчних проблем» вул. Ленша, 6, м. Хармв, УкраТна, 61166
1. Вступ
У металургп феросплав1в за об'емом виробництва перше м1сце займае феросилщш [1, 2]. В Укра!ш феросилщш виробляють електротерм1чним способом у дугових печах змшного струму, в основному, на ПуАТ «Стахановський завод феросплав1в» (Украша) [3], а
також методом електрошлакового переплаву (ЕШП) у печах постшного струму на Стахановськш виробничш дшьнищ товариства 1з обмеженою вщповщальшстю ф1рма «Еколопчна шщ1атива» (СВД ТОВ ф1рма «ЕК1-НА», м. Алмазна, Луганська область) [4].
У райош розташування феросплавних тдприемств особливо гостро сто!ть питання забруднення атмос-
