2018 год, №2

Содержание выпуска
Диэлектрическая проницаемость лесного фонда в зависимости от параметров среды при радиочастотном мониторинге
Побединский Владимир Викторович, Газизов Асгат Мазхатович, Санников Сергей Петрович, Побединский Андрей Анатольевич
Стр. 148 — 163
Введение. Рассмотрена проблема мониторинга лесного фонда. Актуальность исследований обусловлена необходимостью совершенствования системы лесоуправления и лесопользования на базе современных информационных технологий. Самым эффективным решением является использование радиочастотного мониторинга лесного фонда с помощью сети радиочастотных (RFID) устройств. Такая система позволяет оперативно отслеживать перемещения лесосырьевых потоков с точностью до одного бревна, выявлять лесные пожары в самом начале задымления и выполнять многие другие функции. Одним из необходимых параметров функционирования и проектирования системы является комплексная диэлектрическая проницаемость, получить которую традиционными статистическими методами не представляется возможным. Таким образом, цель исследования - получение функциональной зависимости диэлектрической проницаемости от параметров лесной среды на основе нечеткого вывода. Материалы и методы. Методологическую основу теоретических исследований составили положения математического и нечеткого моделирования, а в части выполнения экспериментальных исследований по апробации системы радиочастотного мониторинга и проверки адекватности предложенной нечеткой модели использовались методы лесной таксации, процессов лесозаготовок, теории информации и передачи сигналов, математической статистики, теории эксперимента. Синтез нечеткой модели был выполнен средствами Fuzzy Logic Toolbox приложения MATLAB. Результаты исследования. Была получена зависимость диэлектрической проницаемости от параметров лесной среды на основе нечеткого вывода. Формально суммарная комплексная диэлектрическая проницаемость е участка лесной среды (полога) и значения входных величин определяются следующим образом: е = f (V , а), где V - объемная доля г'-го компонента лесной среды (в реальных условиях, по данным эксперимента, - от 0 до 0,5); а - константа, учитывающая вид лесного массива (от 0 до 0,5 - открытый участок; от 0,5 до 1,5 - сосновый бор стандартной высоты 25 м; от 1,5 до 2,5 - смешанный лес; от 3,5 до 4,5 - березовая роща; от 4,5 до 5,0 - ельник). Главное отличие предложенного подхода заключается в дискретном представлении лесной среды как суммы элементов леса. Только такой подход обеспечивает точное измерение диэлектрической проницаемости лесной среды. © Побединский В. В., Газизов А. М., Санников С. П., Побединский А. А., 2018 148 Vol. 28, no. 2. 2018_MORDOVIA UNIVERSITY BULLETIN Обсуждение и заключения. В статье впервые предложен теоретический подход к оценке параметров лесной среды, представленной дискретно, а диэлектрическая проницаемость определена на основе нечеткого моделирования. Практическая применимость результатов заключается в возможности создания структуры информационного обеспечения автоматизированной системы лесоуправления и лесопользования на базе мониторинга лесного фонда. Предложенная функция диэлектрической проницаемости участка леса учитывает основные параметры лесной среды и является достаточно корректной Она необходима для проектирования систем радиочастотного мониторинга лесного фонда и позволяет реализовать принципиально новый подход к решению задач мониторинга лесного фонда.
Поперечные колебательные движения в вязкой жидкости, контактирующей с пористой средой
Егерева Эльвира Николаевна, Егерев Артем Юрьевич, Зубов Александр Олегович
Стр. 164 — 174
Введение. Рассматривается решение двух задач о поперечных колебаниях в вязкой несжимаемой однородной жидкости, контактирующей с пористой средой (матрицей), насыщенной этой же жидкостью. Поверхностью раздела пористой среды и контактирующей с ней жидкости во всех рассмотренных случаях является плоскость. Материалы и методы. Для описания движения жидкости в пористой среде использовалось нестационарное уравнение Бринкмана. В граничных условиях учитывалось возможное скольжение жидкости в пористой среде вдоль твердой непроницаемой поверхности, ограничивающей пористую среду. Результаты исследования. Получены точные аналитические решения двух задач о внутренних поперечных волнах в вязкой жидкости, находящейся на слое пористой среды. Решение первой задачи показывает, что в вязкой жидкости могут существовать затухающие поперечные волны, скорость которых перпендикулярна направлению волны. В пористой среде амплитуда скорости монотонно уменьшается по мере удаления вглубь пористой среды. В тех случаях, когда поперечные волны существуют, их длина в пористой среде и свободной жидкости равна 2n5-Jr и 2я- 1 - как в жидкости, так и в пористой среде. Обсуждение и заключения. Таким образом, при малых частотах колебаний затухающие поперечные волны могут существовать только в свободной жидкости, а при больших - и в жидкости, и в пористой среде. Для дальнейшего исследования можно рассмотреть колебательные движения пористого шара с твердым непроницаемым ядром в вязкой жидкости.
Структурирование организационно-технологической системы управления логистикой
Аль-Салаймех Сафван, Мигдади Амджад
Стр. 175 — 180
Введение. Задача синтеза рациональной структуры управления логистикой, организационными и техническими системами принадлежит к классу недостаточно формализованных. Решение такой задачи зависит от специфического структурирования положений, предметной области и применяемых формализованных, эвристических или интеллектуальных процедур. Материалы и методы. Задачей структурирования является разработка математической модели, выбора методов и алгоритмов рационального анализа и синтеза структуры логистической и организационной технологической системы на основе принципов декомпозиции и агрегации, идентификации, оптимизации и координации рационального решения для достижения общего эффекта систем, избыточного количества эффектов, поступления от каждого компонента к логистическим системам отдельно. Результаты исследования. В данной статье представлено структурирование организационно-технологической системы управления логистикой. Задачи построения интегрированной структуры функциональной технологической системы управления организациями относятся к классу нелинейного стохастического программирования. Обсуждение и заключения. Решение описанной задачи позволяет достичь общего эффекта систем, избыточного количества эффектов, поступлений от каждого компонента к системам логистики отдельно.
Междисциплинарное моделирование роботов с использованием систем автоматизированного проектирования
Чугунов Михаил Владимирович, Полунина Ирина Николаевна
Стр. 181 — 190
Введение. В статье представлен междисциплинарный подход, интегрирующий методы и средства натурного и виртуального (3D) моделирования как в исследовательском процессе технического вуза, так и в практике промышленного проектирования. CAD/CAE-модели и технологии напрямую связаны с натурными моделями робо-тотехнических систем различного типа: мобильными роботами, манипуляторами и т. д. Таким образом, задача проектирования решается в двух взаимосвязанных средах: натурной и виртуальной. Материалы и методы. Интегрированная платформа, основанная на междисциплинарном подходе, включает в себя три части: 1) SolidWorks; 2) Arduino, Fischertechnik и RoboRobo конструкторы; 3) MS VisualStudio C++, COM технологии, SolidWorks и POSIEX socket API (Application Program Interface). API и COM используются как инструменты интеграции натурных и виртуальных моделей. Соответствующие Add-In или Stand-Alone приложения импортируют необходимые свойства виртуальной модели, которые используются для определения кинематических и динамических параметров управления роботом. Сенсоры робота, вебкамера, Wi-Fi, Bluetooth и радиосвязь позволяют создать двунаправленные связи между виртуальной и натурной моделью. Результаты исследования. На основе междисциплинарного подхода разработаны натурные и виртуальные (3D) модели, а также программное обеспечение, интегрированное в единую платформу проектирования объектов робототехники. Подход реализован как метод проектов в учебном и исследовательском процессе технического вуза, а также в практике промышленного проектирования. Обсуждение и заключения. Современное промышленное проектирование является междисциплинарной областью с высокой степень интеграции дисциплин. В исследовании показано, что разработанная интегрированная платформа эффективна как при использовании в сфере промышленного проектирования, так и в образовательном и исследовательском процессе технического вуза.
Исследование информативности признаков при распознавании состояний рельсовых линий
Тарасов Евгений Михайлович, Герус Владимир Леонидович, Тарасова Анна Евгеньевна
Стр. 191 — 206
Введение. Многомерность пространства состояний рельсовых линий, близость границ классов из-за воздействия внешних возмущений существенно усложняют задачу распознавания и классификации данных состояний, вследствие чего ее возможно решить только с использованием множества информативных признаков. Вместе с тем расширение априорного алфавита признаков приводит к существенному увеличению экономических потерь для создания сложной системы распознавания, появлению ошибок измерения множества признаков, увеличению времени обработки информации, что отрицательно отражается на распознавании в реальном времени. В работе рассмотрена задача уменьшения размерности пространства признаков распознающей системы состояний рельсовых линий и формирования рабочего множества признаков с определением наиболее информативных сочетаний. Материалы и методы. Оценка информативности признаков осуществлялась методом корреляционных коэффициентов, а также с помощью обученного классификатора с решающей функцией, аргументами которой являлись входные и выходные электрические параметры четырехполюсника рельсовой линии. В качестве решающей функции был использован полином Колмогорова-Габора второй степени сложности, обученный решением несовместной системы уравнений. Математические и технические расчеты проводились в программе Mathcad. Результаты исследования. Наиболее информативными первичными признаками для надежной классификации состояний рельсовых линий являются входные и выходные параметры четырехполюсника рельсовой линии. При использовании данных признаков все классы надежно распознаются, а функции качества распознавания превышают 1,2. Обсуждение и заключения. Результаты, полученные в ходе исследования, подтверждают возможности подходов при формировании рабочего множества признаков и могут быть использованы при разработке обучаемых классификаторов состояний. Сочетание двух методов позволяет синтезировать сложные, многоуровневые системы распознавания, что является основным вкладом данной работы в развитие принципов распознавания образов.
Адсорбционно-окислительная технология переработки сточных вод предприятий агропромышленного комплекса
Измайлов Андрей Юрьевич, Лобачевский Яков Петрович, Федотов Анатолий Валентинович, Григорьев Виктор Степанович, Ценч Юлия Сергеевна
Стр. 207 — 221
Введение. В процессе производства и переработки на предприятиях агропромышленного комплекса сельскохозяйственной продукции образуется большое количество отходов, в частности сточных вод. Практически все компоненты этих стоков, имеющие органическую природу, можно эффективно перерабатывать в условиях сверхкритического водного окисления с получением тепловой и электрической энергии. Для этого требуется предварительное концентрирование органических примесей, осуществить которое можно адсорбционным методом. Целью работы является исследование адсорбционной очистки сточных вод с применением наноструктурного бемита и отходов предприятий агропромышленного комплекса с последующей переработкой полученного осадка в условиях сверхкритического водного окисления. Такая технология очистки является новшеством и в отличие от традиционных методов обеспечивает более эффективную переработку сточных вод. Материалы и методы. Для проведения эксперимента в качестве адсорбентов использовали наноструктурный бемит и отходы предприятий агропромышленного комплекса (лузга гречихи и риса) и коксового производства. Поровую структуру адсорбентов исследовали методом низкотемпературной адсорбции азота. Содержание органических веществ оценивали по показателю химического потребления кислорода. Размер кристаллитов и фазовый состав бемита определяли методом рентгеноскопии. Адсорбцию органических примесей исследовали на пробах кислой молочной сыворотки и образцах стоков фермы крупного рогатого скота и свинофермы, а также спиртовой барды. Результаты исследования. Экспериментальные исследования показали, что лузга гречихи, риса и отходы коксового производства являются наноструктурными материалами. Наиболее эффективной для измельчения данных материалов является ножевая мельница. Получены изотермы адсорбции органических примесей сточных вод на гречневой лузге и отходах коксового производства. Установлено, что качество очистки стоков возрастает с увеличением площади удельной поверхности и содержания частиц порошка бемита и времени его перемешивания. Обсуждение и заключения. Исследованные наноструктурные порошки обладают сорбционной емкостью по отношению к растворенным органическим веществам и могут быть эффективно использованы для очистки сточных вод сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий и концентрирования загрязняющих веществ. Последующее окисление насыщенного органикой адсорбента в условиях сверхкритического водного окисления обеспечивает полную регенерацию бемита и переработку органических веществ с получением очищенной воды и избыточной энергии, что перспективно для решения проблемы энергоэффективной очистки стоков предприятий агропромышленного комплекса.
Исследование предприятий технического сервиса для обеспечения показателей надежности машин (на примере агропромышленного комплекса Республики Мордовия)
Комаров Владимир Александрович
Стр. 222 — 238
Введение. Большинство существующих планировочных решений, служащих технологической основой для разработки типовых проектов предприятий, обладают рядом недостатков. С одной стороны, они недостаточно учитывают влияние различных факторов на установление строительных норм расстояний; с другой, игнорируют взаимосвязь с управлением техническим состоянием объектов в процессе обслуживания и ремонта. Цель настоящей работы - разработать систему моделей для обеспечения показателей безотказности и долговечности машин в процессе эксплуатации и обслуживания на современных предприятиях технического сервиса с учетом минимизации затрат на строительство и повышения показателей надежности техники. Материалы и методы. Мониторинг фактического состояния ситуационных планов ремонтно-обслуживающих баз предприятий и их соответствия современным требованиям осуществлялся с помощью публичной кадастровой карты Республики Мордовия 2018 г. Зависимости среднего ресурса и наработки на отказ от коэффициентов перепланировки различных видов контрольно-диагностических и ремонтных работ вычислялись на примере трансмиссии автомобилей сельскохозяйственного назначения ГАЗ-САЗ-3507, ГАЗ-САЗ-2506 и ГАЗ-САЗ-2504. В процессе исследования были разработаны многофакторная математическая модель и программное обеспечение, реализованное на ПЭВМ. Результаты исследования. Для минимизации затрат на строительство предприятий была разработана классификация строительных норм расстояний. 1. В интервале 700-3 000 м: а) между единицами оборудования; б) между технологическим оборудованием и различными типами строительных элементов. 2. В интервале 1 200-1 600 м при одностороннем движении внутрицеховых транспортных средств и 2 200-7 000 м - при двустороннем: а) нормы ширины проездов; б) нормы расстояний между двумя рядами оборудования. Анализ зависимостей показал, что уменьшение объема контрольно-диагностических работ (при измененении коэффициента перепланировки контрольно-диагностических работ К с 0 до 1,8) приводит к уменьшению наработки на устранение последствий отказа в 2,1 раза, а среднего доремонтного ресурса - на 26 %. Уменьшение объема предупредительных ремонтных работ (при измененении коэффициента перепланировки ремонтных работ К с 0 до 4,2) приводит к уменьшению наработки на устранение последствий отказа в 1,6 раза, а среднего доремонтного ресурса - на 9 %. Установлены оптимальные величины = 0,55; К^ = 1,05. Определены два основных направления создания современных проектов предприятий технического сервиса: 1) увеличение масштабов и количества производственных зон и участков по проведению наружной мойки машин, технического обслуживания и диагностирования сложной техники; 2) создание и размещение зон хранения сельскохозяйственной техники и материально-технического обеспечения в одном производственном корпусе, осуществляющем различные виды технического сервиса. Исследования процесса перепланировки контрольно-диагностических и ремонтных воздействий, проведенные с помощью математической модели, позволили подтвердить эффективность их совместного применения на современных предприятиях технического сервиса, особенно перед напряженными периодами использования автомобилей в составе машинно-тракторн^гх комплексов. Результаты исследований рекомендуются для ознакомления специалистам в области технического сервиса машин.
Технологическая настройка сельскохозяйственных машин на основе нечеткой логики
Димитров Валерий Петрович, Борисова Людмила Викторовна, Тугенгольд Андрей Кириллович, Нурутдинова Инна Николаевна
Стр. 239 — 254
Введение. Поиск оптимальных значений регулируемых параметров зерноуборочного комбайна в полевых условиях является нетривиальной задачей. Повысить уровень качества уборочных работ можно одновременным совершенствованием конструкции машины и внедрением интеллектуальных автоматизированных систем на основе нечеткого управления. В работе рассматривается задача информационной поддержки при принятии решений о предварительной технологической настройке сложных уборочных машин, функционирующих в постоянно меняющихся полевых условиях. Объект исследования - зерноуборочный комбайн. Материалы и методы. При проведении технологической настройки комбайна в процессе уборки анализировалась поступающая количественная, качественная и оценочная информация. Для нахождения оптимальных начальных значений регулируемых параметров применялись логико-лингвистический подход и математический аппарат нечеткой логики. Основой механизма логического вывода решений послужила композиция нечетких отношений семантических пространств внешних факторов и регулируемых параметров машины. Предлагаемая схема принятия решений, основанная на нечетких экспертных знаниях, включает этапы фаззификации, композиции и дефаззификации. Для вычислений использовалась среда MATLAB, в частности, пакет прикладных программ Fuzzy Logic Toolbox. Результаты исследования. Рассмотрены вопросы создания базы экспертных знаний, количественной оценки согласованности экспертной информации, предназначенной для дальнейшего дедуктивного вывода решений в различных задачах предварительной настройки. Предложенная схема принятия решений проиллюстрирована на примере выбора значений одного из наиболее важных регулируемых параметров - частоты вращения крылача вентилятора очистки. Построены модели факторов внешней среды и регулируемых параметров комбайна в виде семантических пространств и соответствующих им функций принадлежности. Обобщенная модель предметной области имеет вид: R = X - Y, где R - нечеткое отношение «факторы внешней среды - параметры регулировки» R [X, T(X ,), U, G, M}x [Yj, T(Yj), U, G, M}; V( x, y) e X x Y; Х и Y] - наименования лингвистических переменных; Т - множество значений лингвистической переменной, или термов, представляющих собой наименования нечетких переменных, определенных на множестве U; G - синтаксическая процедура, описывающая процесс образования из множества Т новых значений лингвистической переменной; М - семантическая процедура, позволяющая отобразить каждое новое значение, образуемое процедурой G, в нечеткую переменную. Создана база продукционных правил для нечеткого логического вывода и приведен ее фрагмент для одной из сельскохозяйственных культур. Обсуждение и заключения. Применение логико-лингвистического подхода к решению задачи предварительной настройки машин дает возможность учета всех видов поступающей о внешней среде информации: количественной, качественной, эвристической. Это обеспечивает максимальную адекватность описания реальных условий уборки и, соответственно, оптимальность принятых на основе экспертной информации решений о параметрах настройки.
Обкаточно-тормозной стенд двигателя внутреннего сгорания на базе асинхронного электропривода с рекуперативным преобразователем частоты
Байков Дмитрий Владимирович, Иншаков Александр Павлович, Федотов Юрий Борисович
Стр. 255 — 265
Введение. Статья посвящена повышению качества производства и ремонта двигателей внутреннего сгорания средств малой механизации. Материалы и методы. В работе использованы известные положения теоретической механики, общие положения теории цепей, теории двигателей внутреннего сгорания, а также методы современной теории управления и теории электрического привода. Достоверность результатов подтверждена экспериментальной реализацией обкаточно-тормозного стенда. Результаты исследования. Предложена и практически реализована новая конструкция стенда для обкатки и испытаний двигателей средств малой механизации. Отличительной особенностью данной конструкции является простота, надежность, высокая энергоэффективность и низкая стоимость. В структуру испытательного стенда двигателей средств малой механизации входит асинхронный короткозамкну-тый двигатель с встроенной системой независимого охлаждения, подключенной посредством автоматического выключателя к электрической сети, питающей через автоматический выключатель рекуперативный преобразователь частоты. Данный преобразователь, в свою очередь, состоит из транзисторного выпрямителя, на входе которого установлены входные дроссели, а на выходе через звено постоянного тока подключен транзисторный инвертор напряжения. Через автоматический выключатель инвертор питает асинхронный короткозамкнутый двигатель, соединенный через муфту с испытываемым двигателем внутреннего сгорания, на котором установлены датчики, необходимые для контроля и измерения параметров при испытаниях различного рода. Обсуждение и заключения. Предложенная конструкция обкаточно-тормозного стенда способна обеспечить различные режимы работы: холодную и горячую обкатка, с нагрузкой и без нее. Стенд характеризуется малыми массогабаритными параметрами, низкой стоимостью и высокой энергоэффективностью, поскольку в тормозном режиме рекуперирует энергию обратно в сеть. Стенд способен обеспечить большинство из существующих способов обкатки двигателей внутреннего сгорания, включая наиболее сложные: обкатка на низких и высоких оборотах, обкатка с реверсом двигателя. Дальнейшая работа по усовершенствованию испытательного стенда видится в полной автоматизации процесса обкатки и испытаний двигателей средств малой механизации.
Совершенствование технологии переработки сои с использованием ультразвука
Рудик Феликс Яковлевич, Загородских Борис Павлович, Моргунова Наталья Львовна, Кодацкий Юрий Анатольевич
Стр. 266 — 286
Введение. Белок сои близок по свойствам белку животного происхождения. Основным недостатком сои является содержание в ней значительного количества специфических белков-ингибиторов, образующих с протеолитическими ферментами животного происхождения (в частности, трипсином и химотрипсином) устойчивые комплексы, в составе которых фермент теряет активность. Ингибиторы резко снижают эффективность усвоения белка, вызывая угнетение роста и панкреатическую гипертрофию. По этой причине усвояемость белка сои крайне низкая, и на практике возникает необходимость снижения активности пищеварительных ингибиторов и нейтрализации уреазы различными методами, основанными на гидротермической обработке. Однако используемые в настоящее время технологии обладают низкими показателями эффективности переработки сои как с позиции качества получаемого продукта, так и с позиции его себестоимости. Целью работы было снижение активности веществ антипитательной направленности в сое с одновременным обеспечением высокого качества белка за счет интенсификации процесса экстрагирования водорастворимых ингибиторов протеаз ультразвуком. Материалы и методы. Тормозящее действие ингибиторов, оказываемое на ферменты пищеварительного тракта, определялось согласно казеинолитическому методу М. Л. Какейда (в модификации И. И. Бенкен), основанному на сравнении протеолитической активности растворов фермента в присутствии ингибитора и без него. Вязкость водно-соевой суспензии определялась на ротационном вискографе «Brabender». Результаты исследования. В результате теоретических исследований были сформулированы факторы, влияющие на эффективность обработки сои в интенсивном ультразвуковом поле: степень измельчения; концентрация и количество окислительного раствора; вязкость водно-соевой суспензии; динамика экстрагирования и конструктивные особенности установки для ультразвуковой обработки зерна сои. Экспериментальные исследования позволили определить конструктивные параметры установки для ультразвуковой обработки зерна сои и рациональные технологические режимы, обеспечивающие эффективную нейтрализацию веществ антипитательной направленности: частота вращения мешалки - 10-20 мин; частота ультразвукового излучения - 18-20 кГц; производительность установки - 120 кг/ч; степень нейтрализации фермента уреазы при окислении - 92 %; степень извлечения водорастворимого ингибитора - 86 %. Обсуждение и заключения. Была разработана и проведена производственная проверка технологии и установки, позволяющих вести обработку сои в интенсивном поле ультразвуковых волн. Предложенная технология обеспечивает нейтрализацию вредных соединений на 80-90 % при среднем росте эффективности белка на 33 %. Срок окупаемости капиталовложений на внедрение технологии и оборудования составляет 1,17 года.