Министерство образования и науки Российской Федерации (государственный университет) МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (государственный университет) ФАКУЛЬТЕТ АЭРОФИЗИКИ И КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КАФЕДРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ РАСПОЗНАВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ГАЗОВ Выпускная квалификационная работа студента 733 группы Алексеева Сергея Александровича Научный руководитель Рыжаков М.В., ст. преп. кафедры прикладной механики МФТИ Введение Актуальность работы • Необходимость в новых средствах оперативного контроля состава атмосферы • Существующие средства контроля используют возможности сенсоров не достаточно оптимально Трудность задачи • Невозможность применения общих методов теории распознавания к задаче распознавания газов • Ограниченность вычислительных мощностей • Ограниченность габаритов систем детектирования газов 2 Постановка задачи Цель • Разработать алгоритм распознавания газов, позволяющий при использовании значений откликов трёх газовых сенсоров, детектировать наличие в ней четырёх целевых газов и определять их концентрацию Поставленные задачи • Изучить основные свойства используемых сенсоров • Выбрать представления входных и выходных данных алгоритма распознавания • Разработать алгоритм детектирования и распознавания газов 3 Экспериментальные данные Типичная временная зависимость отклика сенсора Аммиак 10-1 мг/л Аммиак 10-2 мг/л Введён аммиак 10-3 мг/л Чистый воздух 4 Экспериментальные данные Анализ погрешностей исходных данных Шумы проводимости 5% Период снятия значения отклика Шумы проводимости без дрейфа 0.6% Полная погрешность 8% 5 Основные свойства газовых сенсоров Используемые сенсоры • Металл-оксидные полупроводниковые сенсоры на основе SnO2 ‒ Фирмы Figaro: TGS 2602, TGS 2610, TGS 2611, TGS 2620 ‒ Фирмы Microsense: MSGS 3000i Полученные соотношения для откликов сенсоров • Относительная проводимость сенсора G 1 Bn e An G0 где G0 – проводимость сенсора в чистом воздухе, n – концентрация газа, A, B, α – постоянные, зависящие от типа газа • При малых концентрациях: G 1 n G0 6 Экспериментальные данные Погрешности изготовления сенсоров Исходные данные эксперимента Нормированные данные 7 Алгоритм детектирования и распознавания газов Представление входных данных алгоритма • Отклик сенсора n: Gn xn 1 G0 n • Отклик измерительной системы представляет собой Nмерный вектор откликов сенсоров x x1 , x2 , , xN • Отсутствию целевого газа в атмосфере соответствует точка (0; 0;…;0) 8 Алгоритм детектирования и распознавания газов Вид отклика системы на различные газы 9 Алгоритм детектирования и распознавания газов Представление выходных данных алгоритма • Первичные выходные данные ‒ Вектор вероятности присутствия газов w ‒ Вектор вероятных концентраций n • Вторичные выходные данные ‒ Индикаторный вектор присутствия газов g ‒ Индикаторное число опасной ситуации s 10 Алгоритм детектирования и распознавания газов Синтезированный алгоритм распознавания 11 Модернизированный метод расстояний Принцип работы • Представление эталонных экспериментальных данных для каждого газа в виде вектор-полинома • Вероятность нахождения газа m в атмосфере wm Фазовый портрет газа m Показание прибора dm 1 dm 1 M 1 D 12 Модернизированный метод расстояний Принцип работы • Наиболее вероятным газом считается тот, чей фазовый портрет ближе к показанию прибора • Концентрация газа определяется исходя из аналитического выражения для отклика сенсора • Наиболее вероятная концентрация определяется для каждого газа, формируя тем самым вектор n Фазовые портреты газов Показание прибора Аммиак C = 3·10-3 мг/л Бензол C = 2.5·10-2 мг/л 13 Метод искусственных нейронных сетей Вид разработанной нейронной сети Вероятности нахождения газа в атмосфере Наиболее вероятные газы в атмосфере Возможные концентрации газа Индикатор сигнализации 14 Результаты • Была успешно решена поставленная задача • Разработанный алгоритм является конструктивным, что позволяет реализовать его практически на любом языке программирования, например, на Assembler, C/C++, C#, Pascal/Delphi, Java • Благодаря невысоким требованиям к вычислительным мощностям и требуемой памяти, разработанный алгоритм может быть использован для решения поставленной задачи даже автономным устройством, без использования компьютера • Проведённое теоретическое исследование отклика проводимости сенсора позволяет снять необходимость «переобучения» алгоритма для разных сенсоров одного типа и повышает достоверность распознавания 15 Выводы • В результате проведённой работы был разработан синтезированный алгоритм, позволяющий детектировать и определять концентрации 4 газов при использовании значений откликов 3 сенсоров • Синтезированный алгоритм позволяет получать ответ на вопросы: ‒ Какие газы сейчас возможно присутствуют в атмосфере? ‒ Является ли текущий состав атмосферы опасным для нахождения в ней? • Синтезированный алгоритм может быть использован частично, позволяя получать ответит на вопросы: ‒ Какова вероятность нахождения какого-либо целевого газа в атмосфере? ‒ В случае если газ находится в атмосфере, какова его концентрация? • Алгоритм позволяет использовать одно и то же устройство для идентификации различных наборов целевых газов 16 Спасибо за внимание! 17
