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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren, um Kochvorgänge mittels
einer Lernprozedur, welche Rezepte in stochastische Modelle kodiert,
zu automatisieren.
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Es
ist bekannt, dass die chemischen Reaktionen beim Kochen stark nichtlineare
chaotische Prozesse sind. Das bedeutet, dass die stabile Durchführung und
die Steuerung von Kochvorgängen
sehr schwierige Aufgaben darstellen, so dass die genannten Vorgänge über einen
langen Zeitraum hinweg nicht automatisiert worden sind. Eine anpassungsfähige Steuerung
durch den Menschen ist eine unvermeidbare Lösung gewesen. Als Folge davon
hängen die
Kochergebnisse weitgehend von den Fertigkeiten des Koches ab. Diese
Lösung
ist keinesfalls akzeptabel, ganz besonders nicht bei einem System
der Versorgung mit Speisen und Getränken.
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Potenzielle
Verfahren der Steuerung des Kochens enthalten Techniken wie beispielsweise
eine zustandsorientierte und anpassungsfähige Steuerung.
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Zustandsorientierte
Steuerungsverfahren beruhen darauf, dass man ein Modell des Prozesses, welcher
gesteuert werden soll, zur Verfügung
hat. Diese Verfahren können
nur in dem Fall wiederholt in Anwendung gebracht werden, wo die
Speise, die zubereitet werden soll, genau die gleichen Qualitäts- und
Mengenparameter wie das Modell aufweist.
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Ein
anpassungsfähiges
Kochsystem lässt zu,
dass die aktuelle Kochsituation darauf eingestellt werden kann.
Es nimmt Informationen über
den aktuellen Kochzustand auf und verwendet diese. Ein derartiges
System weist jedoch keine Speichermöglichkeit in dem Sinne auf,
dass es nicht in der Lage ist, die Informationen für eine spätere Anwendung
zu speichern. Sämtliche
neuen Informationen ersetzen die alten. Es stehen lediglich die
aktuellen Informationen zur Verfügung.
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Nunmehr
lassen sich zuverlässige,
mit geschlossener Schleife arbeitende Systeme dadurch realisieren,
dass man computergesteuerte Mittel einsetzt, die auf Vorrichtungen
wirken, welche die Heizleistungsstufen regulieren, um eine Kochprozedur durchzuführen, damit
das beste Ergebnis im Zusammenhang mit der speziellen Speise, die
zubereitet werden soll, erzielt wird.
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Das
US-Patent 4.914.277 offenbart einen automatischen elektrischen Ofen
mit einem Speicher, welcher die Möglichkeit bietet, die Kochparameter
zu modifizieren, um die Rezepte auszuführen, welche sich aus erprobten
Kochvorgängen
ergeben haben und die in den Speicher eingegeben worden sind. Die
Kochparameter können
zu jedem Zeitpunkt unter Berücksichtigung
der Fertigkeiten des Benutzers modifiziert oder angepasst werden
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Dieses
Verfahren und diese Vorrichtung erlauben folglich dem Benutzer,
sein Know-how zu "bewahren" und wieder genau
so zu verfahren, wenn er das gleiche Mahl zubereiten muss. Dies
bedeutet, dass nur solche veränderlichen
Größen gespeichert werden,
die vom Benutzer eingestellt werden oder die während des Kochvorganges gemessen
werden, aber es wird kein mathematisches Modell verwendet, auf welches
bei der Dynamik der Kochverläufe
Bezug genommen wird.
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Das
Patent
EP 1 091 208 offenbart
ein Verfahren zur thermischen Analyse eines Materials wie bei der
herkömmlichen
Kalorimetrie, um Informationen über
die Struktur und die Zusammensetzung des Materials zu erhalten,
insbesondere auf der Grundlage der Wärmekapazität, der Reaktionswärme von Phasenübergängen, der
Umschlagtemperaturen usw. Gemäß diesem
Patent wird die Heizleistung oder die Heiztemperatur der Heizquelle
stochastisch modifiziert, um eine Materialprobe thermisch anzuregen.
Die stochastische Anregung ermöglicht
es, die Relaxationsfunktion, welche das Zeitverhalten des Materials
auf eine impulsförmige
Störung
beschreibt, auf direktem Wege messtechnisch zu ermitteln. Es sagt
aus, dass ein erstes Steuersignal benutzt wird, welches in ein Programmiergerät eingegeben
wird, um die Heizquelle anzusteuern, und ein zweites Steuersignal,
welches stochastisch durch einen Mikroprozessor erzeugt wird.
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Folglich
ist das stochastische Element eine Temperaturstörung, welche durch ein zusätzliches Signal
erzeugt wird.
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Deshalb
besteht das Hauptziel der vorliegenden Erfindung darin, ein neues
Verfahren zur Automatisierung von Kochvorgängen vorzustellen, welches
darauf beruht, dass die Erfahrung des Koches erlernt und in stochastische
Modelle kodiert wird.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, dass das neue Kochverfahren
unter Verwendung von gut erprobten und kostengünstigen Vorrichtungen vervollkommnet
wird, ohne dass die Notwendigkeit besteht, verschiedene Apparaturen
einzubeziehen.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen wirkungsvollen
und flexiblen Entscheidungsprozess hinsichtlich des Kochens zu implementieren, welcher
stochastische Simulationstechniken verwendet, d. h. auf Realisationen
von zufälligen
Veränderlichen
beruht, welche einen Prozess darstellen, der sich nach den Gesetzen
der Wahrscheinlichkeitstheorie entwickelt. Aus dem US-Patent 5.145.385
ist ein Verfahren zur Simulation eines mechanistischen kinetischen
Vorganges – wie
beispielsweise eines chemischen Prozesses, welcher eine oder mehrere
chemischen Reaktionen enthält – welcher
einer programmierten Temperaturänderung
unterliegt, über eine
vorher festgelegte Zeitspanne hinweg bekannt. Das genannte Patent
offenbart jedoch ein Verfahren, welches einen ersten Schritt vorstellt,
bei welchem ein Verfahren zur Zeitwertauswahl ein stochastisches Verfahren
ist, während
aufeinanderfolgende deterministische Zeitschritte durchgeführt werden.
In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck "deterministisch" – von
außen
aufgeprägt.
Alternativ können
die deterministischen Zeitschritte solche Zeitschritte sein, die
eine feste Länge
haben.
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Dann
besteht ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung darin, die
einfachste und direkteste Veränderliche
des Kochvorganges zu verwenden, d. h. die Speisentemperatur, um
den gesamten Lern- und Steuerungsprozess zu automatisieren.
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Diese
und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch das Verfahren
und die Mittel erreicht, welche in den angefügten Ansprüchen festgelegt sind.
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Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung können aus der nachfolgenden
Beschreibung besser eingeschätzt
werden, welche lediglich an Hand eines den allgemeinen Erfindungsgedanken
nicht einschränkenden
Beispiels und unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen vorgenommen
wird. Bei den Zeichnungen handelt es sich um:
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1 ist
eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Kochsystems;
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2 zeigt
die Beziehung zwischen der Umschaltwahrscheinlichkeit von einer
Leistungsstufe zu einer anderen und der Speisentemperatur;
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3 zeigt
ein Ablaufschema, welches den erfindungsgemäßen Lernprozess darstellt;
und
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4 zeigt
ein Ablaufschema, welches den erfindungsgemäßen Prozess der autonomen Steuerung.
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Ein
Kochvorgang weist eine ihm eigene dynamische Komplexität auf, welche
auf eine Synergie einer ganzen Reihe von physikalischen Veränderlichen
zurückzuführen ist
wie z. B. der Qualität
und der Menge der Speise, den Merkmalen der Heizvorrichtung und
denen der Steuergeräte.
Eine wirkungsvolle Reduzierung der Komplexität ist nicht zulässig. Per definitionem
ist ein komplexes System informationsbezogen nicht komprimierbar;
folglich verlangt seine Steuerung eine angemessene Verfahrensweise.
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Die
hinter der vorliegenden Erfindung steckende Idee besteht darin,
den Versuch zu unternehmen, den verborgenen menschlichen Entscheidungsprozess
durch eine stochastische Simulation zu modellieren.
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Die
Reglerzustände
werden über
einen diskreten Satz, bestehend aus den Leistungsstufen des Kochens,
festgelegt. Eine Entscheidung des Menschen über eine Umschaltung der Leistung
steht mit der beobachtbaren Höhe
der Speisentemperatur im Zusammenhang. Es ist möglich, Umschaltwahrscheinlichkeiten mittels
Kochexperimenten abzuschätzen,
mit denen ein gleichbleibendes Kochziel erreicht wird.
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Ein
menschlicher Bediener kann das System trainieren wie z. B. durch
einfache Sprachbefehle. 1 zeigt eine schematische Darstellung
einer Kochvorrichtung zur Realisierung der vorliegenden Erfindung.
Das Kochsystem ist in einem Steuerungssystem mit geschlossener Schleife
organisiert, welches ein Mikrocomputer-Board 1 umfasst,
das durch Eingabemittel 2 aktiviert wird, welche von jeder
bekannten Art sein können
wie z. B. eine Sprechvorrichtung. Das Mikrocomputer-Board 1 ist
auch mit Sensormitteln 3 zur Erfassung der Kochbedingungen
und mit Betätigungsmitteln 4 zur
Steuerung einer Heizquelle 5 verbunden. Die Sensormittel 3 können eine in
die Speise eingeführte
Temperatursonde oder ein Infrarot-Temperatursensor oder eine sonstige
bekannte Vorrichtung sein.
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Alle
Bauteile des Systems sind vom herkömmlichen Typ und gut bekannt,
so dass sie hier nicht ausführlich
besprochen werden müssen.
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Das
neue automatische Kochverfahren gemäß dieser Erfindung beruht auf
dem Prinzip, dass das System durch Speisung mit experimentellen
Daten für
jede spezielle Speisenzubereitung trainiert wird. Eine periodische Überwachung
der Speisentemperatur während
des Kochvorganges ermöglicht, dass
die relevanten Daten erfasst werden, welche dazu verwendet werden,
um die Lernentwicklung des Systems zu verwirklichen.
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Im
Speziellen werden die Umschaltungen der Heizleistung erfasst und
die Wahrscheinlichkeiten für
das Umschalten von einer Leistungsstufe zu einer anderen durch ein Parameterbewertungsverfahren
abgeschätzt. 2 zeigt
die Kurve der Umschaltwahrscheinlichkeit über der Speisentemperatur gemäß der folgenden
Formel: φ(T)
= 1 – exp(–α·T),worin
T = Speisentemperatur und α =
Parameter, welcher mit dem Umschalten von einer Heizleistungsstufe
zu einer anderen im Zusammenhang steht.
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Der
Wert des Parameters α wird
bei einer Temperatur, bei welcher eine Leistungsumschaltung durch
den Koch vorgenommen wird, durch die Lösung der folgenden Gleichung
abgeschätzt: Schwellwert = φ (TT), d.h.: Schwellwert = 1 – exp(–α·TT),worin
TT = Umschalttemperatur.
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Der
Schwellwert sollte zwischen 0 und 1 gewählt werden. Wie die Erfahrung
zeigt, ist 0,66 ein angemessener Wert für den Parameter α.
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Der
Lernprozess wird durch das Ablaufschema der 3 dargestellt.
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Der
Prozess beginnt (Schritt 11) durch die Inbetriebnahme der
Kochvorrichtung und setzt sich (Schritt 12) mit einer ersten
Aufnahme von Daten zum Zeitpunkt 1 fort. Die genannte erste
Datenaufnahme stellt die erste Umschaltung der Heizung dar, d. h.
die erste Handlung, welche vom Benutzer an den Steuerungsmitteln
der Kochvorrichtung 5 vorgenommen wird.
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Dann
beginnt ein mit der Speise verbundener Temperatursensor die Temperatur
der Speise periodisch zu überwachen
(Schritt 13) und jede Umschaltung der Heizleistungsstufen
aufzuzeichnen (Schritt 14).
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Alle
Daten werden an den Mikrocomputer 1 (1) übermittelt,
und jede Datenaufnahme wird mit der vorhergehenden Datenaufnahme
verglichen (Schritt 15). Falls sich die aktuelle Datenaufnahme von
der vorhergehenden unterscheidet, wird der Vorgang der Datenaufnahme
so lange fortgesetzt, wie die Heizleistungsstufe beibehalten wird
(Schritt 16), und endet, wenn das Heizen gestoppt wird,
d. h. bei der Leistungsstufe AUS.
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Der
automatische Kochvorgang wird durch das Ablaufschema der 4 dargestellt.
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Der
Prozess beginnt (Schritt 21) durch die Auswahl eines Rezeptes
und die Inbetriebnahme der Heizvorrichtung. Danach beginnt der erste
Schritt des Kochens (Schritt 22) durch die Wahl einer ersten Heizleistungsstufe.
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Ein
in die Speise eingeführter
Temperatursensor überwacht
periodisch die Speisentemperatur (Schritt 23) und schickt
die relevanten Daten zu einer Mikroprozessoreinheit, welche eine
Umschaltwahrscheinlichkeit (Schritt 24) entsprechend der
bereits dargestellten Formel festsetzt: φ (T) = 1 – exp(α·T).
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2 zeigt
die Kurve der Umschaltwahrscheinlichkeit über der erfassten Speisentemperatur.
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Die
Mikroprozessoreinheit führt
eine Simulation zur Aktivierung der Umschaltung mittels einer gewöhnlichen
Monte-Carlo-Simulation
durch. Dabei wird eine Population von stochastischen Kochsystemen
vorausgesetzt und versucht, durch einen Zufallsgenerator für pseudozufällige Zahlen
die Umschaltungen zu verwirklichen (Schritt 25).
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Es
wurde experimentell herausgefunden, dass eine stochastische Kochsystempopulation
von 10000 Elementen ein Parameter ist, welcher ausreichend ist,
das System zu verwirklichen.
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Die
Entscheidung wird bei Schritt 26 getroffen. In dem Fall,
wo die nächste
Heizleistungsstufe AUS (Schritt 27) ist, läuft der
Vorgang bis zum Ende ab (Schritt 29). In dem Fall, wo die
nächste
Heizleistungsstufe nicht AUS ist, läuft der Vorgang durch die Aktivierung
eines weiteren Kochschrittes 22 (Schritt 28) weiter.
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Schließlich ermöglicht das
neue Verfahren voll und ganz, Kochvorgänge dadurch zu automatisieren,
dass die Erfahrung des Koches gespeichert wird und ein stochastischer
Prozess angewendet wird, um die genannten Prozesse automatisch zu wiederholen,
die auf der Grundlage von unterschiedlichen Parametern (insbesondere
der Menge) der Speise, die zubereitet werden soll, angepasst worden
sind.