بخشی از مقاله
چکیده: کیوی از مهمترین محصولات صادراتی کشور بوده که ارزش اقتصادی بالایی را دارا میباشد. درجهبندی محصولات کشاورزی در امر صادرات بسیار مهم است. همین عوامل سبب استفاده از سامانه فراصوت در درجهبندی هوشمند میوه کیوی رقم هایوارد شد. در تحقیق حاضر از شبکههای عصبی مصنوعی به عنوان یک سیستم هوشمند در استنتاج دادهها استفاده شده است. همبستگی بین شاخصهای امواج فراصوت در حوزهی زمان که از روش آماری PCA به مولفههای اصلی تجزیه شده بودند و درجهی رسیدگی کیوی رقم هایوارد با بهرهگیری از شبکهیMLP محاسبه شد. درجهبندی هوشمند کیوی رقم هایوارد با بهرهگیری از سامانه فراصوت به کمک شبکه عصبی با معماری 23-7-3 با دقت 100 درصد انجام شد؛ که نشان از دقت بالای این روش در جداسازی سه سطح رسیدگی - نارس، رسیده و بیش رسیده - ، تحت عبور امواج غیرمخرب فراصوت می باشد.
مقدمه
کیوی تحت نام علمی اکتناید دِلِشِس1در دو دهه ی گذشته شهرت قابل توجهی در نقاط مختلف جهان کسب نموده است. در حقیقت هیچ میوهی دیگری نتوانسته است چنین رویکرد گستردهای را در مدت زمان کوتاه در تاریخ تولید میوه تجاری حاصل نماید - دیویس . - 1370 کیوی محصولی صادارتی در ایران است. منفعت و ارزآوری مناسب این محصول سبب شده تا میزان تولید آن در کشور رشد چشمگیری داشته باشد. به طوری که میزان تولید آن از 25 هزارتن در سال 2006 به 34 هزارتن در سال 2010 رسیده است.
همچنین از سال 2006 تا 2010، سطوح برداشت این محصول با رشد بیش از 26 درصد، از 2456 هکتار به 3100 هکتار رسیده است. حضور کیوی در بازار جهانی با وجود رقبای قدرتمندی نظیر ایتالیا، نیازمند دارا بودن مزیت نسبی در تولید و به ویژه در صادرات این محصول است. ایتالیا، نیوزلند، شیلی و یونان صادرکنندگان اصلی این میوه در سالهای اخیر بوده-اند. ایران رتبهی هفتم را در فاصله سالهای 2006 تا 2010 در میان صادر کنندگان کیوی کسب کرده است.
این در حالی است که از نظر سطح زیر کشت، بعد از ایتالیا، نیوزیلند و شیلی رتبه چهارم جهان را دارد - فائو2، . - 2010 با توجه به این موضوع، تدوین استانداردهایی جهت بهبود کیفیت محصولات صادراتی، امری ضروری به نظر میرسد. اولین گام در تدوین استانداردهای کیفی محصولات کشاورزی و باغی و نیز بهبود خطوط مختلف فراوری آنها، دانستن خواص متنوع محصولات میباشد - مسعودی، . - 1383 به طور معمول از روشهای مکانیکی برای اندازهگیری خواص محصولات کشاورزی استفاده میشود که اغلب آنها مخرب و زمانبر هستند - ذکی دیزجی . - 1387 علاوه بر این در روشهای مکانیکی، باید استانداردهای کیفی محصول نیز قبلا مشخص شده باشد، که بر اساس یافتن ارتباط بین این استاندارها و اطلاعات بدست آمده از روش مکانیکی، بتوان محصول را درجهبندی نمود. پژوهشهای زیادی درباره کاربرد انواع تکنولوژیها در کیفیت سنجی غیرمخرب میوهها و سبزیها انجام شده است که از جمله آنها روش بینایی، اسپکتروسکوپی و صوتی می باشد.
در اغلب این روشها نیاز به آمادهسازی نمونه میباشد، که بسیار پر هزینه و وقتگیر میباشد - مِزرچ، . - 2000 اتخاذ یک روش ارزان قیمت، ساده، با عملکرد و انعطاف بالا، هدف تمامی پژوهشگران بوده است. سادگی نسبی، ارزانی و دقت روش فراصوت باعث گردیده آزمون فراصوت به عنوان یک روش قابل اعتماد در اکثر علوم مهندسی مورد استفاده قرار گیرد. در تحقیقی روش غیرمخرب طیف بینی - 3NIR - 800-100nm، را در ارزیابی خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی میوهی برداشت شدهی کیوی بکار گرفته شد.
نتایج نشان داد با استفاده از این روش میزان مادهی جامد محلول که معیاری از رسیدگی محصول میباشد، با دقت خوبی - R2= 0.9 - قابل پیشبینی میباشد، اما پیشبینی سفتی کیوی با این روش دقت خوبی نداشت - - R2= 0.66 - مک گلون و همکاران، . - 1998 در پژوهشی دیگر کیفیت درونی میوه کیوی به صورت غیرمخرب با استفاده از طیف سنجی مرئی و مادون قرمز مورد ارزیابی قرار گرفت.
بررسی طیف سنجی این تحقیق در ناحیه بین 400 تا 1000 نانومتر انجام شد. عملکرد این مدلها با تعیین ضریب همبستگی بین پارامترهای اندازهگیری شده به صورت مخرب و پیش-بینی شده به کمک مدل، مورد ارزیابی قرار گرفت. میزان مواد جامد محلول و PH کیوی به ترتیب با ضریب همبستگی 0/93 و0/952 پیشبینی شدند - مقیمی و همکاران، . - 2010 در سالهای اخیر نیز محققان به ارزیابی کیفیت کیوی رقم هایوارد با استفاده از wave guide spectroscopy پرداختند.
ارتباط بسیار خوبی بین امواج الکتریکی که از سراسر بافت کیوی عبور دادهمیشد با محتوای مادهی جامد محلول و همچنین سفتی محصول بدست آمد. محدودهی فرکانس استفاده شده در این آزمایش 2-20GHz با گام 1 GHz گزارش شد. ضریب همبستگی در این آزمایشات که از رگرسیون کمترین توانهای دوم جزئئ - partial least squares - جهت تحلیل دادهها استفاده شده بود، برای محتوای مادهی خشک 0/804 و برای سفتی 0/806 گزارش شد - راگنی و همکاران، . - 2012 اما تاکنون تحقیقی مبنی بر اندازهگیری خواص کیفی کیوی به روش فراصوت و یا درجهبندی به این روش، گزارش نشده است.
اکثر سیستمهای درجهبند و جداساز، در عمل به انعطاف بالایی احتیاج دارند. دامنهی گسترده خواص هر نمونه و تفاوتهای جزئی هر یک از این خواص، از نمونهای به نمونهی دیگر دقت بالایی را میطلبد. در بررسی آماری دادهها، گاها یافتن ارتباط بین متغیرهای مسأله بسیار پیچیده میباشد. یک راه حل منطقی در این گونه مواقع، پردازش روی دادههای تجربی و کشف قانون نهفته در ورای آنها به صورت هوشمند با استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی4 میباشد. لذا در تحقیق حاضر از شبکههای عصبی مصنوعی به عنوان یک سیستم هوشمند در استنتاج دادههای حاصل از امواج فراصوت جهت درجهبندی میوهی کیوی استفاده گردید.
مواد و روشها:
با توجه به اینکه اساس این تحقیق تعیین دقت امواج فراصوت در درجهبندی میوه کیوی میباشد، ابتدا آزمون فراصوت روی نمونهها انجام شد. نمونه-های آزمایش شامل کیوی رقم هایوارد از باغات بابل برای تست تهیه گردید. کیویها به سه گروه پنجاه عددی تقسیم بندی شدند. آزمایشات روی گروه اول در هفته نخست برداشت از درخت انجام شد، ارزیابی گروههای بعدی به ترتیب در هفته چهارم و هفته هفتم پس از برداشت، انجام شد.
در این مدت نمونهها در دمای 27 درجه اتاق نگهداری میشدند. با اندازهگیری میزان سفتی و مادهی جامد محلول - که از شاخصهای رسیدگی محصول به شمار میآیند - ، نمونههای تازه برداشت شده در گروه نمونههای نارس قرار گرفتند و گروههای بعدی به ترتیب رسیده و بیشرس نامگذاری شدند. بر اساس آزمایشهای مقدماتی و اطلاعات بهدستآمده در زمینه واریتههای کشت شده، واریته هایوارد به عنوان واریته مناسب، جهت آزمایشات انتخاب شد. سیستم مورد استفاده برای انجام تحقیق در شکل - 1 - نشان داده شده است.
سختافزار سامانهی فراصوتی یک سیستم پیشرفته ریز پردازندهای با کارایی کاملا تخصصی در تولید امواج متمرکز فراصوت و آشکارسازی و مشاهده و ثبت سیگنال برای آنالیز کامپیوتری میباشد که شامل: واحد تپساز و تپگیر، تراگذرها، نوسان نمای رقمی و رایانه است. فرکانس این دستگاه حدود 100 KHz است که دقت مناسبی برای اندازهگیری و نفوذ در میوهها را دارد. در تحقیق حاضر از فرکانس 75 KHz استفاده شد. در فرکانسهای بالاتر اگرچه پرتوی فراصوت به صورت خطیتر انتشار مییابد ولی مقدار تضعیف آن خیلی بیشتر است و آشکارسازی آن مشکلتر میباشد - ذکی و همکاران، . - 1387
نتایج و بحث:
پس از ثبت و ضبط اصوات حاصل از عبور امواج فراصوت از درون بافت میوه کیوی، تصمیم بر آن شد تا با استفاده از ویژگیهای حوزهی زمان اقدام به درجه بندی محصول گردد. هرچند بررسیهای ظاهری نشان میداد که دامنهی سیگنالهای صوتی نمونههای رسیده نسبت به نمونههای نارس و دامنهی سیگنالهای صوتی نمونههای بیش رس نسبت به نمونههای رسیده اندکی بزرگتر هستند - شکل2 و - 3، ولی تلاشهای اولیه در استفادهی محض از این ویژگیها چندان موفقیت آمیز نبود.
در حوزه زمان دامنهی سیگنال بر حسب ولت، نمونه برداری شد. از 8192 سیگنال صوتی ضبط شده، تنها 180 سیگنال نشان دهندهی مجموع سیگنالهای موثر ورودی و خروجی میباشد، - اما این مقدار داده نیز برای یک سیستم بلادرنگ، بردار بسیار بزرگی است و محاسبات آن زمان زیادی را میطلبد - . به همین دلیل، ابتدا تعداد ویژگیهای حوزه زمان توسط روش تجزیه به مولفههای اصلی، کاهش داده شد و سپس با استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی قابلیت این ویژگیها مورد بررسی قرار گرفت.
