1.3.2 Доработка программного обеспечения для лабораторной установки контроля изменений оптической плотности водных сред
В ходе выполнения предыдущего этапа работы была предложена установка для устранения влияния аварийного выброса на систему очистки, позволяющая снизить вероятность загрязнения контролируемой водной среды и увеличить срок службы фильтров очистки [29 - 39] , на которую был выдан патент № 105456 на полезную модель [69]. В ходе выполнения настоящего этапа были рассмотрены основные задачи совершенствования программного обеспечения для установки обнаружения аварийного выброса:
- создание программы управления заслонками с учетом времен запаздывания в элементах установки (см. рисунки 29 – 30).
- создание программы обнаружения аварийного выброса для трех типов аварийных ситуаций.
Схема установки приведена на рисунке 28.
Рисунок 28 – Структурная схема установки для устранения влияния аварийного выброса на систему очистки
1 – контролируемая среда; |
6, 7 – элементы блокировки движения контролируемой среды (управляемые задвижки) |
2 – трубопровод; |
8 – фильтр очистки; |
3 – датчик (канал I); |
9 – датчик (канал II) |
4 – блок обработки и управления; |
10 – блок утилизации, отстойник; |
5 – отвод-ответвление; |
11 - датчик |
Рисунок 29 - Временная диаграмма начала аварии
Временной
интервал
- это временной интервал для анализа
наступления аварийной ситуации по
одному из трех критериев (см. ниже).
Применение датчиков 3 и 11 позволяет
определить скорость движения фронта
«сгустка загрязнения» по магистрали.
Моменты
времени
и
- выбираются исходя из требования
недопущения возможности проникновения
«сгустка загрязнения» на фильтр очистки,
т.е. по сути «сгусток загрязнения» в
момент времени
не должен достигнуть клапана 6. Датчик
9 дает возможность автоматически принять
решение о предотвращении аварийной
ситуации – «сгусток загрязнения»
перенаправлении в блок утилизации.
Рисунок 30 - Временная диаграмма конца аварии
Работа установки по определению конца аварии аналогична предыдущему этапу. Разница только в том, что решение о прекращении возможности аварийной ситуации и проведении обратной коммутации потоков принимается по сигналу от датчика 9, когда «сгусток загрязнения» (его задний фронт) гарантировано прошел в отстойник.
На данном этапе работы решалась задача совершенствования программного обеспечения для первого типа аварии, описанного в предыдущем отчете по НИР по данной теме [40].
Проведем сравнительную оценку разработанных алгоритмов.
На рисунке 31 представлен алгоритм работы лабораторной установки для обнаружения «сгустка» неоднородности жидкости.
Рисунок 31 - Алгоритм функционирования лабораторной установки
На первом этапе устанавливается нуль, и настраиваются допустимые отклонения – это делается на панели «Настройки контроллера» с помощью параметра «Контроль сигнала» (см., например, рисунок 10). На втором этапе «Аварийная задержка (1 с)» задается время срабатывания аварии, в данном случае 1 с (100 выборок сигнала). На третьем этапе при k<100, например k=99, аварии не происходит, устройство работает без изменений (рабочий режим). При k>100 происходит авария (устройство реагирует на большие выбросы). На четвертом этапе «Сброс после аварии (0,5 с)» задается время, по истечении которого устройство автоматически переключается в рабочий режим, в данном случае 0,5 с (50 выборок сигнала), после чего происходит новый цикл (возвращаемся на первый этап).
На рисунке 32 представлен вариант разработанного алгоритма автоматического устранения влияния аварийного выброса, описанный в предыдущем отчете.
Рисунок 32 – Вариант алгоритма автоматического устранения влияния аварийного
выброса
Алгоритм состоит из трех частей: процесса инициализации, распознавания формы кривой и процесса аварии. Первый этап – это этап подготовки программы к работе. Второй этап – это распознавание формы сигнала оптической плотности. Он предполагает два пути решения: распознавание кривой по соотношению с эталонами аварии в виде форм сигналов оптической плотности, и распознавание с использованием относительного описания. Второе решение понадобится в дальнейшей работе над проектом, при рассмотрении более сложных форм кривых. Третий этап – это непосредственная работа уже над выявленным типом кривой.
Таким образом, эти два алгоритма близки по ряду выполняемых функций. Во-первых, оба они начинаются с одинаковой настройки: установления нуля и вычисление допустимого отклонения (во втором алгоритме это блок «процесс инициализации»). Во-вторых, критерий начала аварии в обоих случаях - превышение значения оптической плотности.
Однако заметим, что эти два алгоритма во многом и отличаются. Во-первых, в первом алгоритме рассматриваются только 2 критерия (время и плотность), а во втором алгоритме – 3 (время, плотность и площадь). Во-вторых, включение/выключение режима аварии происходит по-разному. В первом алгоритме включение происходит каждый раз, когда счетчик превышения становится равным 100, а выключение – каждый раз после истечения «сброса после аварии (0,5 с). А во втором алгоритме включение/выключение происходит единственный раз за всю аварию. В-третьих, во втором алгоритме предусмотрено распознавание формы кривой для более эффективной работы программы, а в первом его нет.
По предложенному алгоритму была разработана программа для лабораторной установки контроля оптической плотности водных сред.
Описание типов данных
Для программной реализации разработанного алгоритма введем понятие динамического списка:
Определение. Динамическим списком называется структура данных, каждый элемент которой посредством указателя связывается со следующим элементом.
Из определения следует, что каждый элемент списка содержит поле данных (Data) (оно может иметь сложную структуру) и поле ссылки на следующий элемент (Next). Поле ссылки последнего элемента должно содержать пустой указатель (Nil).
Схематически это выглядит так (рисунок 33):
Рисунок 33 - Схема динамического списка
В данной работе используем структуру «список списков»:
pelem=^elem; {список состояния}
elem=record
number:real;
next:pelem;
end;
pmas=^mas; {список списков состояния}
mas=record
arr:pelem;
nextmas:pmas;
end;
Описание переменных
Для разработки программы введем следующие переменные и константы:
-
положение равновесия естественных
колебаний оптической плотности;
-
амплитуда естественных колебаний
оптической плотности;
-
интервал времени, за который грязевое
пятно доходит до заслонки;
L0 – длина начального участка определенного периода времени (заведомо не может быть аварии);
L – длина рабочего участка;
-
переменная, показывающая номер измерения
отсчета сигнала;
-
текущее значение оптической плотности
в момент времени, соответствующее
измерению отсчета номер i;
-
текущее значение времени в момент
времени, соответствующее измерению
отсчета номер i;
-
минимальная величина времени,
соответствующая длительности потока
загрязняющего вещества, проходящего
через трубу (для 1, 2, 3 случаев);
-
максимальная величина времени,
соответствующая длительности потока
загрязняющего вещества, проходящего
через трубу (для 1, 2, 3 случаев);
-
длительность последнего (текущего)
скачка оптической плотности;
-
длительность одного прошедшего скачка
(для
,
где
-
число прошедших скачков);
-
минимальное значение длительности
одного скачка для 2, 3 случаев соответственно.
На рисунке 34 представлен алгоритм, составленный после проведения сравнительной характеристики двух алгоритмов.
Рисунок 34 - Общий алгоритм функционирования установки контроля оптической плотности водных сред
Выходные данные
Для удобства при работе с программой, а также для проверки ее результатов, введены следующие выходные данные:
Notcrashlength – длина безаварийного промежутка;
Crash – начало аварии;
Open – открытие заслонки для сброса грязевого пятна;
Crashlength – длина аварийного промежутка;
Notcrash – окончание аварии;
Close – закрытие заслонки.
Все указанные данные выводятся на экран после отработки программы, измеряются в условных единицах i. Далее при усовершенствовании программы несложно будет связать данную переменную с параметром времени.
Разработанная программа апробирована на тестовых задачах при проведении лабораторного эксперимента на установке. На рисунке 35 приведен пример изменения оптической плотности аварийной ситуации.
Рисунок 35 - График аварийной ситуации
Программа, отработав полностью, выводит результат, представленный на рисунке 36.
Рисунок 36 - Результат обработки данных
Дословно он обозначает: длина безаварийного промежутка 229 измерений, на 230 измерении начинается авария и на 235 измерении открывается заслонка автоматического сброса. На 286 измерении авария заканчивается и начинается вновь безаварийный промежуток, заслонка закрывается на 291 измерении. Длина аварийного промежутка 56 измерений. Таким образом, разработанная программа позволяет обнаруживать аварийный сгусток для первого типа аварии, описанного в отчете по третьему этапу темы.
Ниже приведен листинг программы.
uses crt;
const
P_0=0;
delta_P=30;
delta_T=5;
type
pelem=^elem;
elem=record
number:real;
next:pelem;
end;
pmas=^mas;
mas=record
arr:pelem;
nextmas:pmas;
end;
var
firstnotcrash,firstcrash:pmas;
notcrash,crash:pmas;
notcrash1,crash1:pelem;
f:text;
i,crashlength,notcrashlength:integer; P_i:real;
fl:boolean;
procedure stackinitnotcrash;
begin
new(firstnotcrash);
new(notcrash);
new(notcrash1);
firstnotcrash^.nextmas:=notcrash;
notcrash^.nextmas:=notcrash;
end;
procedure stackinitcrash;
begin
new(firstcrash);
new(crash);
new(crash1);
firstcrash^.nextmas:=crash;
crash^.nextmas:=crash;
end;
procedure pushnotcrash(v:pelem);
var t:pmas;
begin
new(t);
t^.arr:=v;
t^.nextmas:=firstnotcrash^.nextmas;
firstnotcrash^.nextmas:=t;
end;
procedure pushcrash(v:pelem);
var t:pmas;
begin
new(t);
t^.arr:=v;
t^.nextmas:=firstcrash^.nextmas;
firstcrash^.nextmas:=t;
end;
procedure pushnotcrash1(v:real);
var t:pelem;
begin
new(t);
t^.number:=v;
t^.next:=notcrash1^.next;
notcrash1^.next:=t;
end;
procedure pushcrash1(v:real);
var t:pelem;
begin
new(t);
t^.number:=v;
t^.next:=crash1^.next;
crash1^.next:=t;
end;
procedure start(var fl:boolean);
begin
if fl=false then begin
fl:=true;
writeln('notcrashlength=',notcrashlength);
crashlength:=1;
write('crash');
writeln(' i=',i);
end
else crashlength:=crashlength+1;
if crashlength=delta_T+1 then begin
write('open');
writeln(' i=',i);
end;
end;
procedure finish(var fl:boolean);
begin
if fl=true then begin
fl:=false;
writeln('crashlength=',crashlength);
notcrashlength:=1;
write('notcrash');
writeln(' i=',i);
end
else notcrashlength:=notcrashlength+1;
if (notcrashlength=delta_T+1) and (i<>delta_T+1) then begin
write('close');
writeln(' i=',i);
end;
end;
begin
clrscr;
fl:=false;
i:=0;
stackinitcrash;
stackinitnotcrash;
assign(f,'D:\p1.txt');
reset(f);
while not eof(f) do begin
read(f,P_i);
i:=i+1;
if P_i<(delta_P+P_0) then begin
finish(fl);
pushnotcrash1(P_i);
pushnotcrash(notcrash1);
end
else begin
start(fl);
pushcrash1(P_i);
pushcrash(crash1);
end;
end;
close(f);
readkey;
end.
1.4 Публикация материалов исследований
1.4.1 Материалы докладов международных конференций
1.4.1.1 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию
1.4.1.2 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы
1.4.1.3 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию
1.4.1.4 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы
1.4.1.5 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию
1.4.1.6 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы
1.4.1.7 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию
1.4.1.8 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы
1.4.1.9 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы
1.4.1.10 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы
1.4.1.11 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию
1.4.1.12 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию
1.4.1.13 Копии материалов двух докладов на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы
1.4.2 Копия решения ФИПС от 12.09.2012 о выдаче патента на изобретение «Источник импульсного лазерного излучения» авторов В.А. Алексеева, С.И. Юрана, А.С. Перминова, М.А. Стерховой по заявке №2011137390 от 09.09.2011
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты и выводы НИР (4 этап) заключаются в следующем.
1. Усовершенствован макет лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей. Выбраны три конструкции датчиков, позволяющие регистрировать пульсовую кривую при различных задаваемых параметрах потока излучения. Предложена схема генератора тестовых сигналов определенной формы для тестовой оценки аппаратуры и программного обеспечения.
2. Приведены эксперименты по исследованию установки контроля изменений оптической плотности биоткани с изменением потока излучения и с тремя типами датчиков фотоплетизмографа на испытуемых. Эксперименты позволили провести оценку влияния артефактов по результатам измерений. Было установлено, что мощность излучения, падающего на биоткань, влияет на количество артефактов, возникающих при проведении экспериментов. В качестве испытуемых (30 человек) привлекались студенты университета. Для обработки данных измерений использовалась усовершенствованная программа обработки фотоплетизмограмм.
3. Продолжены эксперименты на установке контроля изменений оптической плотности водных сред. Проведенные обработка и анализ кривых изменения оптической плотности показали стабильность регистрации аварийного сгустка на ряде модельных жидкостей с достоверностью обнаружения сгустка более 80 %. Результаты экспериментов позволили сформулировать технические требования к промышленной установке для регистрации сгустка масла. Для подтверждения спектральных параметров излучателя были проведены измерения спектрального состава масла на спектрофотометре КФК-3М.
4. Усовершенствована программа обработки фотоплетизмограмм, в которую введены опции сбора статистического материала по обнаружению и исключению аномальных пульсовых кривых на основании критериев превышения по времени и амплитуде получаемых кривых. С использованием усовершенствованной программы проведены эксперименты на лабораторной установке контроля изменений оптической плотности биоткани.
5. Создана программа управления заслонками для установки контроля сточных вод предприятия для первого типа аварийной ситуации. Приведена апробация программы на достоверность обнаружения аварийного «сгустка» и формирования сигнала управления заслонками.
6. Завершенные исследования по четвертому этапу НИР позволили усовершенствовать лабораторные установки для исследования изменений оптической плотности неоднородных сред (водная среда и биоткань). По литературным источникам за рубежом не известны созданные установки контроля неоднородных сред с автоматическим обнаружением аварийных сгустков в водных средах и артефактов при регистрации фотоплетизмограмм.