Введение к работе
з
Актуальность работы. Важнейшей задачей производства продуктов питания в условиях жёсткой конкуренции является получение готового продукта заданного качества с гарантированной безопасностью для конечного потребителя при условии минимизации затрат. Решение данной проблемы связано с разработкой математических моделей, алгоритмов и комплексов программ с целью оптимизации технологических режимов и рецептур, обеспечения оптимального управления технологическими процессами.
При производстве мясных сырокопчёных продуктов на производительность технологических установок и на качество готовых изделий существенное влияние оказывают микробиологические процессы, протекающие на различных этапах обработки животного биосырья. Однако рассмотрение в качестве решающего фактора развития одной популяции микроорганизмов не позволяет решить задачи обеспечения биологической безопасности, так как в реальных условиях микробиоценозы исходного сырья, технологических сред и готовых продуктов включают в себя множество популяций, которые в различных вариантах взаимодействуют друг с другом. Повышение эффективности этого взаимодействия и является тем средством оптимизации процессов, которое позволяет при заданном уровне качества и безопасности для потребителя обеспечить максимальную производительность.
Традиционный путь решения подобных задач, основанный на проведении натурных экспериментов, приводит к значительным временным и материальным затратам. Существенное снижение числа необходимых экспериментов возможно в случае применения компьютерных технологий, позволяющих заменять реальные объекты математическими моделями, адекватно отражающими наиболее важные закономерности исследуемых явлений.
Таким образом, применительно к мясным сырокопчёным продуктам весьма актуальной является задача имитационного моделирования взаимодействия популяций микроорганизмов, как средство диагностики и прогнозирова-
ния развития микробиоценозов. Решение р@і{И|^|№Ш/иЮЯМИг реализовать
оперативное управление процессами производства и оптимизацию технологических параметров в режиме реального времени, а также откроет возможности к созданию систем автоматизированного проектирования штаммов микроорганизмов с целью получения продуктов с заданными свойствами. Цель и задачи исследований. Целью проведенной работы является разработка математических моделей и комплекса программ имитационного моделирования динамики взаимодействия популяций микроорганизмов в технологиях производства сырокопчёных колбас для обеспечения их стабильного качества и биологической безопасности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение структуры и состава микробиоценозов при производстве сырокопчёных колбас с целью классификации и формализации механизмов взаимодействия популяций микроорганизмов на основе графово-матричных представлений;
анализ основных факторов, определяющих развитие и взаимодействие популяций микроорганизмов в составе микробиоценозов;
изучение, анализ и разработка комплекса математических моделей динамики взаимодействия популяций микроорганизмов применительно к технологиям производства сырокопчёных колбас;
разработка алгоритмов, структур данных и комплекса программ имитационного моделирования динамики взаимодействия популяций микроорганизмов;
разработка экспертной системы имитационного моделирования динамики взаимодействия популяций микроорганизмов и оценка адекватности результатов компьютерного эксперимента с результатами производственных экспериментов.
Научная новизна. Разработана обобщённая параметрическая модель процессов биотехнологической обработки при производстве сырокопчёных колбас в соответствии со структурой жизненного цикла и функций микробиоценозов.
Разработана параметрическая модель развития микробиоценозов в технологиях переработки биосырья без учёта взаимодействия популяций микроорганизмов.
Классифицированы варианты и механизмы взаимодействия популяций микроорганизмов на графово-матричном уровне.
Разработаны обобщённые математические модели динамики взаимодействия популяций микроорганизмов.
Разработаны алгоритмы формирования имитационных моделей динамики взаимодействия популяций микроорганизмов с учётом влияния характеристик биотехнологического процесса на параметры моделей.
Сформирован банк математических моделей, позволяющий реализовать любой вариант взаимодействия популяций микроорганизмов в режиме компьютерного эксперимента с учётом оценки реальной технологической ситуации в производстве сырокопчёных колбас.
Практическая значимость работы. Сформирована организационная структура экспертной системы имитационного моделирования динамики взаимодействия популяций микроорганизмов «Biomod», включающая в себя возможность диагностирования и прогнозирования развития микробиоценозов с учётом показателей качества готового продукта.
Разработан алгоритм программного комплекса экспертной системы «Biomod», обеспечивающий возможность использования её для целей оперативного управления технологиями производства сырокопчёных колбас в режиме имитационного моделирования.
Реализован макетный вариант экспертной системы, позволяющий обеспечить интегрированную обработку информации на базе компьютерного комплекса в сочетании с современными инструментальными средствами контроля основных параметров производства сырокопчёных колбас.
Апробация работы. Разработанный комплекс программ «Biomod» успешно применяется при обработке экспериментальных данных и формировании математических моделей диагностики и прогнозирования микробиологических про-
цессов производства сырокопчёных мясных продуктов в лаборатории «Гигиены производства и микробиологии» ВНИИМПаим. В.М. Горбатова.
С использованием экспертной системы «Biomod» было произведено планирование технологического эксперимента и обработка полученных результатов на опытном производстве ВНИИМПа им. В.М. Горбатова, а также на предприятиях ОАО «Черкизовский мясоперерабатывающий завод», ООО «Лианозовский мясоперерабатывающий завод», ОАО «Армавирский мясокомбинат».
Полученные модели и методы внедрены в учебный процесс и использовались при проведении занятий по курсам «Моделирование систем», «Системы искусственного интеллекта», «Моделирование систем управления».
Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004612428 «Экспертная система выработки оптимальных технологических режимов производства сырокопчёных колбас» («Biomod»). Основные результаты работы изложены в докладах на конференциях:
Международная научно-техническая конференция «Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве» Минск, 2000 г.
49-ый Международный конгресс по науке и технологии мяса «Этнография и технология мяса» Кампинас (Бразилия), 2003 г.
XVII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» Кострома, 2004 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы. Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 118 страниц основного текста, 35 рисунков и 9 таблиц, список литературы из 134 наименований.
