Развитие любого производства, в том числе и производства плиточных строительных материалов (ПСМ), неразрывно связано с проблемой контроля различных свойств или характеристик качества (ХК) выпускаемой продукции. Совокупность ХК, определяющих пригодность материала для использования по назначению, является, в конечном итоге, его качеством.
В проблеме обеспечения высокого и стабильного качества ПСМ важную роль занимает неразрушающий контроль (НК). В обширном труде по неразру-шающему контролю /1/ рассмотрены существующие на сегодня разнообразные методы и технические средства, позволяющие решать вопросы контроля различных материалов и изделий. Отдельные из этих методов и средств НК находят широкое применение на предприятиях стройиндустрии для определения физико-механических свойств ПСМ.
Основные из направлений использования НК на предприятиях стройиндустрии связаны с производством бетонных и железобетонных изделий, производством стекла и керамических изделий, изделий из диэлектрических материалов, древесины, минеральных вяжущих материалов, органических вяжущих материалов, кровельных материалов и т. п. Приборная база НК указанных материалов основана на использовании физических эффектов взаимодействия полей различной природы с контролируемым объектом. Наибольшее применение при этом получили акустические, радиационные, магнитные, оптические, электромагнитные, и другие методы НК.
Радиоволновые методы используются для указанных целей в меньшей степени. Среди них наиболее разработаны методы определения геометрических размеров, диэлектрической проницаемости и тангенса потерь, влажности отдельных материалов. Измерения указанных параметров ведутся радиоволновыми средствами в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) электромагнитного излучения.
Электромагнитное СВЧ излучение — это движущееся электромагнитное поле или электромагнитная волна (ЭМВ) с длиной в диапазоне от Я = 1 мм до Я = 100 см. Создание СВЧ полей и освоение радиоволн этого диапазона, начатое в 30-х годах XX столетия, связано с разработкой радиолокационной техники для военных нужд. Начало системных научных исследований в области радиоволнового НК и создания на их базе соответствующих технических средств в России и за рубежом относится к началу 50-х годов. За сравнительно короткий промежуток времени развитие радиоволнового СВЧ контроля прошло путь от создания простейших приборов амплитудно-фазового контроля до построения комплексных систем, использующих современные компьютерные средства и технологии.
Большой вклад в развитие методов НК, создание техники СВЧ внесли отечественные научные школы в гг. Москве, Санкт-Петербурге, Томске, Нижнем Новгороде и др. Огромное значение имели разработки научных коллективов под руководством академиков А. И. Берга и Н. Д. Девяткова в области создания средств получения и генерации СВЧ полей, приема и обработки СВЧ сигналов элементной базы СВЧ. Трудами ученых Ленинградского электротехнического института им. В. И. Ленина (Ульянова) под руководством проф. К. И. Крылова и проф. В. Н. Рудакова впервые начаты исследования в области радиоинтраско-пии. Трудами этой же школы предложены и исследованы радиополяризационные методы контроля диэлектрических материалов. Дальнейшие общетеоретические задачи и практические приложения радиоволновой поляриметрии успешно решались многими московскими и ленинградскими учеными, руководимыми профессорами А. И. Козловым и В. А. Потехиным. Учеными НИИ Интра-скопии В. А. Павельевым, В. И. Матвеевым, Э. И. Вайнбергом, В. А. Вайнбергом, В. М. Кузнецовым, В. П. Козловым, В. П. Рутковским, Ю. М. Тучниным, Ю. Н. Крючковым и др. разработаны методы и созданы технические средства многоэлементной радиоинтроскопии и структуроскопии.
Большой вклад в развитие теории и техники для СВЧ НК внесли ученые из различных научных школ России, в числе которых профессоры П. К. Ощепков, B.C. Семенов, Ф. И. Коломийцев, В. А. Конев, А. И. Лебедев, А. А. Брандт, А. И. Потапов, Л. Г. Дубицкий, Д. А. Усанов, М. А. Берлинер, О. О. Дробахин, М. Г. Александрова, В. А. Викторов, А. С. Совлуков, Б. В. Лункин, В. П. Ковалев и многие другие.
Успешному развитию радиоволновых методов НК и внедрению на их базе приборов СВЧ контроля способствовали работы, выполненные зарубежными учеными. Так, в США впервые в мире стали использовать методы неразрушающего контроля для сортировки деталей. После 2-й Мировой войны на ежегодных симпозиумах проблемы надежности и качества продукции производств становятся определяющими. Вместе с ними определяющей становится проблема создания надежных средств НК.
В ФРГ с 50-х годов прошлого столетия начались работы по использованию волн СВЧ диапазона (микроволн) для контроля и дефектоскопии в керамическом производстве, в производстве огнеупорных изделий, для определения плотности бетонных изделий. Ученые Болгарии ведут исследования по комплексному решению проблем НК на базе интеллектуальных компьютерных технологий. Продолжают работы известные научные школы в странах ближнего зарубежья, бывших союзных республиках Белоруссии, Украине и Латвии.
История развития научных исследований в области неразрушающего контроля показывает, что в «ранние годы» методам СВЧ контроля отводилась второстепенная роль. Так в /2/, в разделе «Будущее радиотехнических СВЧ-методов» сказано: «.радиотехнические методы нельзя поставить по значению в области неразрушающего контроля в один ряд с ультразвуком, радиографией или вихревыми токами, тем не менее, они необходимы для решения ряда задач, которые трудно решить другими методами, и значение их все возрастает». Очевидно, что в то время, когда эта монография создавалась и была издана, с подобным утверждением нельзя не согласиться. Это утверждение тем более очевидно, если его рассматривать в приложении к предприятиям стройиндустрии.
Вместе с тем, развитие физической науки, статрадиотехники, техники СВЧ, метрологии, средств автоматизации технологических процессов, компьютерных технологий дали огромный толчок развитию радиоволновых методов НК. Поэтому в настоящее время характерной чертой такой прикладной области как неразрушающий радиоволновой контроль, является использование достижений из различных смежных областей науки и техники.
У ПСМ нет универсальной характеристики, по которой определялось бы его качество, а, следовательно, не существует и универсального метода контроля. Так же, как высокий уровень техники и технологии немыслим без широкого внедрения автоматизированных систем управления, робототехники, компьютерных технологий, так и высокий уровень НК невозможен без комплексного решения проблем контроля. Комплексное решение предполагает использование разнообразных методов и средств НК на различных переделах производства ПСМ.
В последние 10−15 лет проблему комплексного подхода к использованию средств НК пытаются решать с помощью многопараметрового (многомерного) контроля в рамках одного метода. Определенные успехи и достижения в этом имеются, например, при использовании многопараметрового вихретокового метода. Отдельные попытки использования двухпараметрового контроля делаются в области радиоволнового метода. Вместе с тем, большой объем информации о ПСМ содержится не только в отдельных параметрах рассеянного от них СВЧ поля или ЭМВ, но и в разнообразных его характеристиках и их параметрах. В этой связи весьма актуальным, представляющим большой научный и практический интерес, является рассмотрение возможностей радиоволнового метода НК по комплексу характеристик СВЧ поля при его взаимодействии с ПСМ. Рассматриваемое СВЧ поле физически представляет волновой процесс, характерной чертой которого является зависимость как от пространства, так и от времени. Поэтому характеристики и соответствующие им параметры СВЧ поля являются пространственно-временными.
Теоретическое обоснование и комплексное решение научной проблемы НК ПСМ радиоволновым методом с использованием комплекса пространственно-временных характеристик СВЧ поля имеет важное научное и прикладное значение.
С исследованием этой проблемы и развитием данного направления связаны цель, решаемые задачи и содержание предлагаемой диссертации.
Целью диссертации является разработка метода и технических средств НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля для повышения достоверности, надежности, оперативности контроля, улучшения экологических условий при производстве контролируемых изделий. В соответствии с целью работы определены следующие ее задачи:
1. На основании проведенного обзора методов и средств Ж, анализа пространственно-временных характеристик и параметров СВЧ поля предложить физические модели взаимодействия поля с объектом контроля (ОК).
2. Разработать математическую модель и выполнить теоретические исследования возможности реализации радиоволнового метода НК по поляризационным характеристикам рассеянного СВЧ поля за счет обработки сигнала в поляризационно-ортогональных каналах при наличии помех.
3. Исследовать физический процесс взаимодействия произвольно поляризованного СВЧ поля (ЭМВ) в линии передачи или длинной линии, нагруженной на ОК в виде ПСМ. Разработать математическую модель процесса, теоретически обосновать радиоволновый метод НК по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, реализующий указанную модель.
4. Создать и практически реализовать комплекс технических средств измерения, обработки и автоматической регистрации пространственно-временных характеристик СВЧ поля с целью их дальнейшего использования для НК ПСМ.
5. Разработать программные и аппаратные средства автоматизированной обработки и хранения измеренных характеристик на ЭВМ.
6. Используя возможности информационных технологий, построить экспертную систему (ЭС), позволяющую на основе предварительного обучения и в соответствии с определенными и установленными решающими правилами обеспечивать качественный НК ПСМ.
7. Провести экспериментальные исследования на натурных образцах ПСМ для решения различных задач НК.
Исследования и разработки, обобщенные в диссертации, выполнены автором в 1980 — 2005 г. г. на кафедре Математического моделирования и вычислительной техники Воронежского государственного архитектурно-строительного университета по темам плановых НИР ГКНТ, хозяйственным договором с предприятиями стройиндустрии г. Воронежа и программам Минобразования РФ.
Научная новизна работы. Развиты основы научно-практического направления в области радиоволновых методов НК строительных материалов по комплексу пространственно-временных характеристик СВЧ поля.
Теоретически обоснована, методами статрадиофизики описана стохастическая модель процесса НК по поляризационным характеристикам частично поляризованного сигнала, являющегося результатом рассеяния СВЧ поля от ОК в пространстве. Полученный при этом комплекс поляризационных характеристик в виде матрицы когерентности, параметров Стокса, а также коэффициенты Френеля могут быть использованы для определения электрофизических характеристик ПСМ.
Разработаны теоретические основы радиоволнового метода НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, в основу которого положена физическая модель процесса взаимодействия этого поля с ОК в линии передачи.
Построена математическая модель, описывающая процесс интерференции произвольно поляризованных падающей и отраженной от ОК радиоволн в линии передачи. На основе математической модели установлены и определены зависимости между пространственно-временными характеристиками СВЧ поля, отражающими, поляризационными и электрофизическими характеристиками ОК, которые, в общем случае, имеют векторный характер.
Результаты теоретических исследований нашли отражение в создании технических средств измерения пространственно-временных характеристик СВЧ поля в виде измерительных комплексов и программно-аппаратных средств для автоматизированной обработки результатов измерения и формирования необходимой базы данных (БД).
Создан алгоритм работы системы информационного обеспечения НК, основанный на использовании комплекса, определенным образом сформированных информативных параметров (ИП), инвариантных относительно положения (ориентации) ОК в пространстве и позволяющих получить о нем дополнительную информацию для повышения надежного контроля и реализации конвейерного принципа работы контролирующей техники.
Разработаны структура ЭС, математическая модель обучения и принятия решения для автоматизации НК. Определены и впервые введены в ЭС правила принятия решений (решающие правила), позволяющие минимизировать ошибки при осуществлении контроля. Предложена процедура оптимизации набора инвариантных ИП, который обеспечивает наивысшую эффективность ЭС в смысле правильного принятия решения в задачах контроля ПСМ.
Комплекс разработанных математических, алгоритмических, программных и аппаратных средств позволили впервые использовать ЭС в качестве интеллектуальной системы для НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы определяется возможностями решения на основе полученных научных результатов прикладных задач НК ПСМ в лабораториях испытания материалов и на технологическом конвейере за счет модернизации и технического перевооружения производства на базе средств автоматизации и современных интеллектуальных компьютерных систем.
Как показывают экспериментальные исследования по выявлению бракованной керамической плитки и определению типа брака, методологические аспекты, положенные в основу построения соответствующей ЭС, могут быть распространены на другие материалы для определения их ХК путем выбора эффективных наборов ИП и соответствующих решающих правил.
Разработанный радиоволновой метод НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля позволяет на практике отказаться от традиционных способов измерения амплитудно-фазовых характеристик и перейти к измерениям комплексного коэффициента отражения (КО) в поляриза-ционно-ортогональных каналах. Использование КО в качестве инвариантного ИП повышает эффективность и надежность ЭС.
Применение приемо-передающей широкополосной аппаратуры позволяет создавать технические средства НК ПСМ, работающие в широком спектре частот, что является важным для расширения функциональных возможностей рекомендуемого метода.
Методы и методики исследования. Исследования, представленные в диссертации, базируются на основополагающих принципах статрадиофизики, электродинамики, поляризационной селекции сигналов, теории цепей, теории распознавания, экспертных систем с использованием аппарата теории вероятности, векторной алгебры, вычислительной математики и современных компьютерных технологий.
Реализация научно-технических результатов. Результаты работы были использованы при проведении научно-исследовательских работ, при постановке новых учебных курсов и выполнении учебно-исследовательских работ в Воронежском государственном университете на факультете компьютерных наук и в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете на факультете автоматизации и информационных систем.
Результаты работы внедрены и внедряются на ЗАО ПКФ «Воронежский керамический завод», ОАО «Семилукский завод огнеупорного кирпича».
Получены также положительные рекомендации по внедрению отдельных результатов работы в ряде научных и производственных организаций г. Воронежа.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на VII Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (г. Череповец, 1977 г.), VI, VII, VIII Международных научно-технических конференциях «Информационная среда вуза» (г. Иваново, 1999;2001 гг.), Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-98» (г. Воронеж, 1998 г.), II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» (г. Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Теория активных систем» (г. Москва, ИПУ им. Трапезникова, АН России, 2000 г.), Международной научно-технической конференции «Приборостроение — 2004» (гг. Винница, Ялта, 2004 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Применение радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники в строительном производстве» (г. Москва, 1983 г.), Всесоюзном семинаре «Развитие АСУ и автоматизация производственных процессов» (г. Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре «Применение радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники в строительстве» (г. Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.). Отдельные результаты работы докладывались на V и VI-x чтениях в Российской академии архитектуры и строительных наук «Современные проблемы строительного материаловедения» в г. Воронеже, 1999 г. и в г. Иваново в 2000 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 работ, в числе которых 1 монография, 9 статей в центральной печати, 1 авторское свидетельство, программные продукты, зарегистрированные в Государственном фонде алгоритмов и программ и двух электронных журналах.
Структура и объем диссертации
Материалы диссертации содержатся в 2-х томах. Том первый состоит из введения, семи глав, основных результатов работы и выводов и списка литературы общим объёмом 311 страниц, включая 55 рисунков и 9 таблиц.
— результаты работы являются основой для дальнейших научно-практических разработок многопараметровых и радиоволновых методов и средств неразрушающего контроля различных строительных материалов на основе систем с элементами искусственного интеллекта;
— общей теоретической и технической базой для создания новых и модернизации предлагаемых методов и средств могут являться разработанные математические модели взаимодействия СВЧ поля с объектом контроля и инструмент измерения пространственно-временных характеристик СВЧ поля в виде предложенных измерительных комплексов;
— отличительные особенности при дальнейшей разработке методов неразрушающего контроля связаны с созданием средств информационного обеспечения в виде экспертных систем. Этот факт свидетельствует о том, что диссертационная работа является основой для создания автоматизированных рабочих мест неразрушающего контроля строительных материалов с различными характеристиками качества.
К числу первостепенных задач по развитию радиоволновых методов контроля плиточных строительных материалов и вообще любых строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля можно отнести следующее:
1. Исследование моделей взаимодействия сложно поляризованных СВЧ полей с объектом контроля и создание алгоритмов, реализующих взаимосвязь между пространственно-временными характеристиками поля, характеристиками качества объекта и параметрами приемо-передающего канала. Создание широкополосного радиоволнового измерительного инструмента, обеспечивающего излучение, прием и обработку сложно поляризованных электромагнитных волн (сигналов).
Разработку экспертной системы неразрушающего контроля строительных материалов на основе комплекса пространственно-временных характеристик сложно поляризованных электромагнитных волн. Разработку радиоволновых методов и средств контроля строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля при его прохождении через объект контроля, т. е. при работе в режиме «на просвет».
Исследование возможности комплексного использования радиоволновых методов контроля строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля в режимах «на отражение» и «на просвет» одновременно.
Развитие рассмотренного в диссертации направления исследований не ограничивается изложенными проблемами, которые со временем будут, естественно, дополняться и расширятся. Вместе с тем, решение указанных проблем позволит вести неразрушающий контроль строительных материалов радиоволновыми средствами на качественно новом уровне с использованием более совершенных экспертных и других интеллектуальных систем.
