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1. WO2004062372 - PROCEDE DE CUISSON FAISANT APPEL A UNE ANALYSE CLUSTER, ET DISPOSITIFS DE CUISSON POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE

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[ DE ]

"Garen unter Ausnutzung einer Cluster- Analyse und Gargeräte hierfür"

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Nerfahren zum Garen von Gargut in einem Garraum eines Gargerätes mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die Zugriff hat auf primäre, zeitlich geordnete Meßdaten zumindest einer Gargut- und/oder Gargerätegröße sowie sekundäre, zeitlich nicht geordnete Meßdaten, in deren Abhängigkeit der Garprozeß geführt wird, sowie ein Gargerät, mit dem solch ein Verfahren realisierbar ist.

Beispielsweise aus der DE 197 18 399 AI ist ein Nerfahren zum Garen von Gargut in einem Gargerät mit einem Garraum sowie einer Meßeinrichtung zum Aufnehmen von zumindest einer Gargut- und/oder Gargeräte-Zustandsgröße, in deren Abhängigkeit der Garprozeß geführt wird, bekannt. Bei diesem bekannten Nerfahren wird der Zeitpunkt des Endes des Garvorgangs auf der Grundlage von Werten zumindest einer Gargutzustandsgröße, die während des Garprozesses zu verschiedenen Zeiten, also nicht in Testschritten, ermittelt wird, sowie eines vorgegebenen Endwertes der Gargutzustandsgröße am Ende des Garvorgangs bestimmt, wobei die Zeitdauer bis zum Erreichen eines durch besagten Endwert des Gargutzustandes festgelegten Endzustands extrapoliert wird, und die Extrapolation auf dem bisherigen Garverlauf basiert.

Aus der DE 196 09 116 AI ist es bekannt, in einem Testschritt die Kerntemperatur mehrmals nacheinander zu einem definierten Zeitpunkt abzutasten und unter gleichzeitiger Berücksichtigung der zu der abgetasteten Kerntemperaturänderung gehörigen Garraumtemperatur auf den Abtastwerten den Endzeitpunkt zu ermitteln, zu welchem eine Soll-Kerntemperatur erreicht sein sollte. Diese Ermittlung geschieht durch Lösung von Differentialgleichungen.

In der US 5,352,866 ist die Bestimmung einer Garzeit mehr oder weniger nach den Prinzipien eines Proportional-, Differential- und Integral-Reglers, basierend auf gespeicherten Zeit- Temperatur-Nerläufen, beschrieben.

Aus der US 4,970,359 und US 4,682,013 ist es bekannt, den Garverlauf in unterschiedliche Abschnitte aufzuteilen, wobei bis zu einem speziellen Punkt gemessen wird und danach eine Regelung stattfindet, basierend auf speziellen Formeln und gespeicherten Meßdaten.

In der GB 2 203 320 AI ist allgemein ein Vergleichen mit einer gespeicherten Modellkurve angesprochen.

Aus der EP 0 701 387 A2 ist es bekannt, einen Merkmalsvektor zur Bestimmung einer Garkurve heranzuziehen, der eine maximale Neränderungsrate der Feuchtigkeit, den Wert der Feuchtigkeit bei seiner maximalen Neränderungsrate, die Zeit zum Erreichen eines bestimmten Feuchtigkeitswertes und/oder die mittlere Feuchtigkeit zwischen zwei bestimmten Punkten berücksichtigt.

Die EP 0 550 312 A2 beschreibt die Steuerung eines Garverlaufes über kurzzeitig gespeicherte Daten.

In vielen Bereichen des täglichen Lebens und der wissenschaftlichen Forschung sieht man sich genötigt, eine in der Regel große Menge von Objekten anhand von Test- und Versuchs-ergebnissen, also Eigenschaften, in eine im allgemeinen kleinen Anzahl von Gruppen, Klassen, Cluster, Haufen oder dergleichen aufzuteilen, bzw. einzelne Elemente der Objektmenge zu Gruppen zusammenzufassen, und zwar so, daß die einzelnen Gruppen in sich möglichst homogen, die Unterschiede zwischen den Gruppen jedoch möglichst groß sind. Dadurch sollen vorhandene Strukturen der Objektmenge erkennbar und interpretierbar werden. So ist beispielsweise die Cluster-Analyse bereits in empirischen Wissenschaften, wie der Psychologie, Medizin, Biologie, Geologie, Kriminalistik und Betriebswirtschaft eingesetzt worden, siehe beispielsweise "Kurzfristige simultane Planung des Verkaufs-, Produktions- und Beschaf- fungsprogramms in modulabhängigen Saisonunternehmen als adaptiver Prozeß", von Dr. Günter Blaschke, erschienen bei Peter Lang, in Reihe V Volks- und Betriebswirtschaft, Volumen 218, 1979. Die Aufgabe der Cluster- Analyse basiert darauf, daß eine Menge von Objekten, also Merkmalsträgern, gegeben ist, von denen jedes einen bestimmten Meßwert, also Merkmalsausprägung, bei einer Anzahl von Eigenschaften aufweist, und Gruppierungen der Objekte gesucht werden, in denen eine mehr oder minder große Ähnlichkeit in allen Eigenschaften herrscht.

Trotz der zahlreichen bekannten Ga rozeßführungsverfahren besteht noch stets die Nachfrage nach einem optimierten Führungsverfahren.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein optimiertes Verfahren zum individuellen Führen eines Garprozesses zu liefern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch folgende Schritte:

Erfassen eines Garprozeß-Ist- Ablaufs der Meßdaten Z; des Garguts i bis zu einem bestimmten Zeitpunkt tM vor dem Garendzeitpunkt TE,

Zuordnen des erfaßten Garprozeß-Ist- Ablaufs Z; zu einem über eine Cluster- Analyse bestimmten repräsentativen Garprofil Xn, und

Führen des Garprozesses in Abhängigkeit von dem bestimmten repräsentativen Garprofil Xn, wobei

i und n e |N.

Dabei wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei der Cluster-Analyse zumindest eine Regression, ein Ähnlichkeitsvergleich, ein Koeffizientenvergleich, eine Bereichsbildung, eine Interpolation und/oder eine Extrapolation durchgeführt wird.

Erfmdungsgemäß kann dabei vorgesehen sein, daß die Cluster-Analyse ein Standardisieren oder Vergleichbar-Machen von Garprozeß-Ist- Abläufen umfaßt, insbesondere durch Bestimmen eines akkumulierten Prozentsatzes Y; vom 100%-Endwert der Meßdaten Zj zum Garendzeitpunkt tε als Funktion der Zeit tj mit j e |N, wobei der 100%-Endwert als Sollgröße Zi(tE) zum Garendzeitpunkt te vorzugsweise vorgegeben wird.

Dabei wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Sollgröße Zi (tß) eingestellt oder von einem gespeicherten repräsentativen Garprofil Xn übernommen wird.

Erfindungsgemäß kann wiederum vorgesehen sein, daß die Cluster-Analyse ein Klassifizieren von vergleichbar gemachten Gaφrozeß-Ist- Abläufen umfaßt, insbesondere durch

Bestimmen von Abstandsquadratsummen A a zum Garendzeitpunkt ts mit

/ e |N, wobei

M ) = ∑θrt(tj) - Y, tj))2.

Bestimmen einer Anzahl N von Klassen Kn mit n={l,2 N} und

Definieren jeder Klasse Kn über einen einzigen oder j eweils einen Maximalwert der Abstandsquadratsumme Aa (tj).

Gemäß der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, daß die Cluster-Analyse ein Zuordnen eines repräsentativen Gaφrofils Xn (tj) zu jeder Klasse Kn umfaßt, wobei ein repräsentatives Gaφrofil Xn (tj) vorzugsweise durch Berechnung des Mittelwertes und oder Schweφunkts der akkumulierten Prozentsätze Yi(tj) pro Klasse Kn bestimmt oder aus einer Speichereinrichtung abgerufen wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das Zuordnen eines Gaφrozeß-Ist- Ablaufs Zj zu einem repräsentativen Gaφrofil Xn(tj) einer Klasse Kn folgendes umfaßt:

Bestimmen eines Abweichungswertes S;n (tivi) für jede Klasse Kn innerhalb ei-


Ermitteln des Abweichungswertes Sjn (t ) mit dem betragsmäßig kleinstem
Wert für den Prozentsatz Yi t ) zum Zeitpunkt tM-

Femer kann erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Führen des Gaφrozesses ein Prognostizieren von Meßdaten Zt(tE) am Garendzeitpunkt ts über das bestimmte repräsentative Gaφrofil Xn(tj) umfaßt.

Dabei wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Prognostizieren folgende Schritte umfaßt:

Zuordnen des akkumulierten Prozentsatzes Yi(tj) zu einer Klasse Kn und somit einem repräsentativen Gaφrofil Xn(tj),

Ermitteln eines Multiplikators P;n zum Zeitpunkt tM, wobei

p = Zt(tM) wob > und
n x„(tM)

Extrapolieren durch Multiplizieren des Endwertes Xn (tß) des repräsentativen
Gaφrofils mit dem Multiplikator, wobei

Xn (tB)PlB = ZI(tB) .

Weiterhin wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß der Gewichtsverlust des Gargutes, die Kerntemperatur des Gargutes, der Durchmesser des Gargutes, die Dichte des Gargutes, die Gargutart, der Reifegrad des Gargutes, der pH-Wert des Gargutes, die Konsistenz des Gargutes, der Lagerungszustand des Gargutes, der Geruch des Gargutes, der Geschmack des Gargutes, die Qualität des Gargutes, die Bräunung des Gargutes, die Krustenbildung des Gargutes, der Vitaminabbau des Gargutes, die Entstehung kanzerogener Substanzen im Gargut, die Hygiene des Gargutes, die Wasseraktivität des Gargutes, der Feuchtegehalt des Gargutes, der Eiweißgehalt des Gargutes und die Wärmeleitfähigkeit des Gargutes jeweils eine Gargutzustandsgröße darstellt, die von den primären Meßdaten umfaßt wird.

Auch kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Temperatur im Garraum, die Feuchte im Garraum und die Luftbewegungsrate im Garraum jeweils eine Gargeräte-Zustandsgröße darstellt, die von den primären Meßdaten umfaßt wird.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß als sekundäre Meßdaten zumindest eine Geräteeingabe durch einen Nutzer, umfassend die Auswahl eines Gaφrogramms und/oder einer Gargut-Zustandsgröße am Garendzeitpunkt und oder Gargeräte-Zustandsgröße am Garendzeitpunkt, und/oder zumindest ein äußerer Umstand, wie das Datum, die Uhrzeit, die Jahreszeit, die Witterang und/oder die geographische Lage, erfaßt wird bzw. werden.

Mit der Erfindung wird auch vorgeschlagen, daß jeder gemessene Gaφrozeß-Ist- Ablauf Zj, jeder bestimmte akkumulierte Prozentsatz Yj und/oder jedes bestimmte repräsentative Gaφrofil X„ in einer Speichereinrichtung gespeichert wird, automatisch oder wahlweise.

Auch wird mit der Erfindung ein Gargerät mit einem Garraum, einer Meßeinrichtung zum Erfassen von Meßdaten, einer Speichereinrichtung zum Speichern von Meßdaten und daraus bestimmten Größen und einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Führen eines Gaφrozesses gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen.

Dabei kann vorgesehen sein, daß die Meßeinrichtung und die Steuer- und/oder Regeleinrichtung in einem ausgebildet sind, vorzugsweise ebenfalls umfassend die Speichereinrichtung, insbesondere integriert in einem Gaφrozeßfühler.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß mit Hilfe der Cluster-Analyse, die im wesentlichen aus der empirischen Sozialforschung bekannt ist, sich Garverfahren trotz ihrer hochkomplexen Sachzusammenhänge verdichten, typisieren, profilieren und mathematisch eindeutig kennzeichnen sowie beschreiben lassen. Dabei reduziert sich das Problem auf einige wenige zu definierende Schlüsselgrößen anstelle der Isolierung und Berücksichtigung einer unendlichen Anzahl von Einzeleinflußgrößen. Insbesondere können neue Gaφrozeß-Ist-Abläufe bereits frühzeitig anhand ihrer typischen Ausprägung erkannt und au- tomatisch einem repräsentativen Gaφrofil zugeordnet werden. So wird ein weiterer Schritt in Richtung eines vollautomatisierten Garens gegangen.

Die Gesamtheit der zu einem Garverlauf gehörenden Datenmengen, die ein Datenpaket darstellt, enthält nicht nur primäre, zeitlich geordnete Meßdaten, wie den Gewichtsverlust eines Gargutes, die Kerntemperatur eines Gargutes, die Feuchtigkeit im Garraum, die Garraumtemperatur oder dergleichen, sondern auch sekundäre Daten, beispielsweise die Witterung, das Datum, die geographische Lage oder dergleichen, die eine zusätzliche Hilfe bei der automatischen Erkennung eines Nutzerziels bieten. Ein Cluster kann nun gebildet werden, wenn eine hinreichende Menge von Datenpaketen, die Gemeinsamkeitskriterien für ein Cluster erfüllen, vorhanden sind. Zur Clusterung können mehrere mathematische Methoden, wie eine Regression, ein Ähnlichkeitsvergleich, eine Inteφolation, eine Extrapolation oder dergleichen, herangezogen werden. Erfüllt ein Vergleich die typischen Gemeinsamkeitskriterien, gilt ein Garverlauf als erkannt. Außerdem kann bei einem positiven Vergleichsresultat ein Datenpaket nach Konvertierung in ein für das Cluster typisches Format dem Cluster angefügt werden, so daß ein Selbstlernungsprozeß stattfindet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert wird. Dabei zeigt:

Figur la und Figur lb eine typische Merkmalsausprägung bzw. einen typischen Verlauf von
primären Meßdaten als Funktion der Garzeit;

Figur 2 den akkumulierten Prozentsatz eines Gaφrozeß-Ist- Ablaufs bezogen
auf einen vorgegebenen 100%-Endwert, als Funktion der Garzeit zum
Garendzeitpunkt;

Figur 3 zwei Kurven gemäß Figur 2 zur Erläuterung der erfindungsgemäßen
Klassifizierung; und Figur 4 einen Gaφrozeß-Ist- Ablauf im Vergleich zu einem repräsentativen
Gaφrofil zur Illustration der erfindungsgemäßen Führung eines Garprozesses.

In Figur la sind Gaφrozeß-Ist-Abläufe für unterschiedliche Gargüter i, die einer Klasse Ka zugeordnet sind und beispielsweise nur primäre Meßdaten Z;, wie in Form eines Gewichtsverlustes eines Gargutes, wiedergegeben, dargestellt. Figur lb zeigt Gaφrozeß-Ist-Abläufe primärer Meßdaten Zj für eine Vielzahl von Gargütem i einer zweiten Klasse Zb, analog zu Figur la. Die Figuren la und lb veranschaulichen am Verlauf der primären Meßdaten Zj, im Vergleich, wie unterschiedlich Gaφrozeßmerkmale über die Garzeit tj für zwei unterschiedliche Gargut-Klassen Ka und Kb ausgeprägt sein können. Gleichzeitig veranschaulichen die Figuren la und lb jedoch auch, daß unterschiedliche Gargüter i innerhalb einer Klasse Ka beziehungsweise K nicht völlig unterschiedliche Gaφrozeß-Ist-Abläufe bezüglich einer Gar-gut-Zustandsgröße Z; , wie in Form des Gewichtsverlusts des Garguts i, haben müssen. Vielmehr lassen sich tatsächlich Gargüter i bestimmten Gargutklassen Kn zuordnen, für die ein bestimmtes Gaφrofil Xn bezüglich eines oder mehrerer Meßkriterien, insbesondere der Gar-gut-Zustandsgröße Zj, typisch ist. Im Folgenden wird davon ausgegangen, daß es sich bei der Gargut-Zustandsgröße Z; um den Gewichtsverlust Zi des Garguts i handelt.

Die Gaφrozeß-Ist-Abläufe des Gewichtsverlusts Zj verschiedener Gargüter i müssen im Rahmen der Cluster-Analyse erfindungsgemäß untereinander vergleichbar gemacht werden. Aus diesem Grande müssen die Gaφrozeß-Ist-Abläufe in einer Form dargestellt werden, der man die Besonderheiten derselben entnehmen kann. Hierzu eignet sich erfindungsgemäß die Bestimmung des jeweils akkumulierten Prozentsatzes Yj von einem beispielsweise als Sollwert vorgegebenen 100%-Endwert des Gewichtsverlusts Z;(tE) zum Garendzeitpunkt TE- Der Sollwert kann beispielsweise aus einer Tabelle per Hand für das jeweilige Gargut i in ein nicht dargestelltes Gargerät eingegeben werden. In Figur 2 ist solch ein akkumulierter Prozentsatz Y;(tj) für das Gargut i als Funktion der Zeit tj dargestellt.

Um eine Cluster-Analyse bei der Führung eines Gaφrozesses anwenden zu können, ist ein vernünftiges Ähnlichkeitsmaß zu definieren. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die - In ¬

komplette Garzeit bis zum Garendzeitpunkt tε in eine geeignete Anzahl j von Intervallen, beispielsweise 10 Intervalle, zerlegt, und für jedes Zeitintervall tj eine Abstandsquadratsumme An zweier akkumulierter Prozentsatz-Kurven Y;(tj) und Yι(tj) berechnet, und zwar wie folgt:


Figur 3 veranschaulicht die Ermittlung der Abstandsquadratsumme Aü(tE) aus den Differenzen der beiden akkumulierten Prozentsatzkurven Yi(tj) und Yι(tj) für jedes Zeitintervall tj, nach Quadrierang und Aufsummierung.

In Abhängigkeit von einer sinnvollen Anzahl N von Klassen Kn für die Gargüter i, beispielsweise 10 Klassen, muß dann ein zulässiger Maximalwert für die Abstandsquadratsumme A;ι(tE) zur Aufteilung der Gaφrozeß-Ist-Abläufe Z; in verschiedene Klassen Kn ermittelt werden, so daß in einer Klasse Kn alle Gargüter i, 1 zusammengefaßt werden, deren Abstandsqua-dratsummen Aii(tε) unterhalb des Maximalwerts liegen. Innerhalb einer Klasse Kn liegt dann ein großes Ähnlichkeitsmaß des Verlaufs des Gewichtsverlusts Z; vor, während jedoch zwischen den Klassen Kn ein kleines Ähnlichkeitsmaß vorliegt. Für jede Klasse Kn wird auch ein Repräsentant, also ein repräsentatives Gaφrofil Xn (tj), aus dem Schweφunkt der Prozentsätze Yi(tj) für jedes Zeitintervall tj ermittelt.

Nach Bestimmung der Klassen Kn und Ermittlung der repräsentativen Gaφrofile Xn(tj) gemäß der Cluster-Analyse, einschließlich Speicherung, kann für jedes Gargut i vom Gargerät eigenständig ein Vergleich zwischen einem erfaßten Gaφrozeß-Ist- Ablauf und den gespeicherten repräsentativen Gaφrofilen Xn(tj) durchgeführt werden, um dann den Gaφrozeß zu führen. Zu diesem Zweck wird für jede Klasse Kn innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls tM mit tM tε ein Abweichungswert S; (tu) wie folgt ermittelt:

Aus all den Abweichungswerten S; ^M) wird dann erfindungsgemäß pro Gaφrozeß-Ist- Ablauf, dargestellt als akkumulierter Prozentsatz Yi(tj) zum Endwert IE, das repräsentative Gaφrofil Xn(tj) herausgesucht, bei dem der Abweichungswert S;n(tM) den kleinsten Betrag aufweist. Als Ergebnis dieser Zuordnung läßt sich nun der Endwert der erfaßten Zustandsgröße Zi(tE), also des Gewichtsverlusts, über das zugeordnete repräsentative Gaφrofil Xn(tj) prognostizieren. Dabei kann erfindungsgemäß angenommen werden, daß die bis zum Zeitpunkt tM erfaßte, also unvollständige, Gaφrozeß-Ist-Rurve YJOM) und das zum Zeitpunkt tM ermittelte repräsentative Gaφrofil XΠOM) bis zum Garendzeitpunkt tE einen gleichartigen Verlauf aufweisen, und zwar sich ausschließlich um eine multiplikative Konstante Pi„ unterscheiden. Diese Konstante Pjn wird zum Zeitpunkt tM wie folgt berechnet:


Schließlich muß zum erfindungsgemäßen Führen des Gaφrozesses lediglich die ermittelte Konstante Pjn mit dem Wert des repräsentativen Gaφrofils Xn zum Garendzeitpunkt tß multipliziert werden, und zwar wie folgt:


Die eben beschriebene Prognostizierung einer Zustandsgröße Z;, wie dem Gewichtsverlust des Garguts i, zum Garendzeitpunkt tε nach Erfassen eines Gaφrozeß-Ist- Ablaufes bis zum Zeitpunkt tM und Zuordnung desselben zu einem repräsentativen Gaφrofil ist in Figur 4 verdeutlicht, wobei das ausgewählte repräsentative Gaφrofil Xn von der Darstellung als akku-mulativer Prozentsatz zu einem repräsentativen Verlauf eines Gewichtsverlusts X'n umgerechnet worden ist.

Zusammenfassend ist somit festzuhalten, daß mittels einer Cluster-Analyse eine automatische Produkterkennung und Gaφrozeßführang durch Zuordnung eines Gaφrozeß-Ist-Ablaufes, der bis zu einem Zeitpunkt tM gemessen wird, zu einem zuvor bestimmten repräsentativen Gaφrofil möglich ist.

Die in der voranstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Realisierung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen wesentlich sein.