荊濤，王波，田景芝，單秋杰，田志茗，鄭永杰

（齊齊哈爾大學(xué)1.化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，2.現(xiàn)代教育技術(shù)中心，黑龍江齊齊哈爾161006）

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基于仿生群優(yōu)化的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理模式研究

荊濤1，王波2，田景芝1，單秋杰1，田志茗1，鄭永杰1

（齊齊哈爾大學(xué)1.化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，2.現(xiàn)代教育技術(shù)中心，黑龍江齊齊哈爾161006）

摘要：化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理是教育管理信息化領(lǐng)域亟待解決的問題，采用仿生群優(yōu)化（Bionic colony optimization，BCO）方法，設(shè)計(jì)了基于BCO的資源優(yōu)化配置模式、安全智能預(yù)警模式、智能優(yōu)化排課模式、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控模式、智能考勤管理模式和智能環(huán)境監(jiān)測模式，完成化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理模式設(shè)計(jì)，有效地提高了管理效率.

關(guān)鍵詞：計(jì)算智能；仿生群優(yōu)化；化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室；信息化管理

目前高?；瘜W(xué)類實(shí)驗(yàn)室管理［1-3］呈現(xiàn)多元化和智能化［4-5］，傳統(tǒng)的管理模式已經(jīng)不再適用，這對管理者提出了巨大的挑戰(zhàn).為了適應(yīng)新形勢下高校化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室管理需求，應(yīng)從6個(gè)方面改變管理模式［6-8］：（1）實(shí)驗(yàn)室資源迅猛增長的情況下，如何探索資源優(yōu)化配置方案；（2）由于化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室中危險(xiǎn)化學(xué)藥品和實(shí)驗(yàn)的存在，如何給出智能安全預(yù)警方法；（3）實(shí)驗(yàn)室條件和生源的不斷擴(kuò)大，如何開發(fā)出智能的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課排課系統(tǒng)；（4）學(xué)生管理需要更加人性化，如何提出智能考勤和管理方法；（5）隨著智能控制的不斷普及，如何設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)；（6）環(huán)境質(zhì)量與監(jiān)測控制日益重要，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).本文基于上述6個(gè)方面，對化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理模式進(jìn)行探索.

1　仿生群優(yōu)化方法簡介

仿生群優(yōu)化（Bionic colony optimization，BCO），是一種新型計(jì)算智能方法，該方法模仿動(dòng)物界群體活動(dòng)（包括覓食、偵查和尾隨等群體行為），可應(yīng)用于各種組合優(yōu)化問題中，可快速跳出局部極值，收斂全局最優(yōu)值，BCO方法分為7個(gè)步驟：

步驟1隨機(jī)生成N個(gè)種群個(gè)體，N個(gè)種群個(gè)體為尋優(yōu)基本變量.

步驟2初始化種群個(gè)體的行進(jìn)區(qū)域和運(yùn)動(dòng)軌跡，區(qū)域和軌跡使用極坐標(biāo)表示.

步驟3根據(jù)“優(yōu)勝劣汰”準(zhǔn)則淘汰M個(gè)種群個(gè)體，種群規(guī)模更新為N-M個(gè).

步驟4計(jì)算“優(yōu)選規(guī)則”，結(jié)果為真，執(zhí)行“尋覓行為”，轉(zhuǎn)到步驟6；否則轉(zhuǎn)到步驟5.

步驟5執(zhí)行“偵查行為”；計(jì)算“優(yōu)選規(guī)則”，結(jié)果為真，執(zhí)行“尾隨行為”；結(jié)果為假，不執(zhí)行“尾隨行為”.

步驟6計(jì)算適應(yīng)度值，判斷“優(yōu)化終止”，滿足轉(zhuǎn)到步驟7，否則轉(zhuǎn)到步驟3.

步驟7優(yōu)化計(jì)算結(jié)束.

本文將BCO方法應(yīng)用于化學(xué)類實(shí)驗(yàn)信息化管理中各類優(yōu)化問題.

2　基于BCO的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理總體設(shè)計(jì)

本文以齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室為實(shí)證研究對象，對化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室中的管理優(yōu)化問題進(jìn)行了深入調(diào)研，集中表現(xiàn)為資源優(yōu)化配置、安全智能預(yù)警、智能優(yōu)化排課、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控、智能考勤管理和智能實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測等6個(gè)核心問題.提出的基于BCO的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理總體設(shè)計(jì)模式見圖1，圖1中包含雙圓和雙三角模式結(jié)構(gòu).其中雙圓結(jié)構(gòu)的內(nèi)層是以化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室為中心的閉環(huán)模式，外層為計(jì)算智能核心技術(shù)；雙三角結(jié)構(gòu)的內(nèi)三角為化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室涉及的各類資源，外三角為抽象的六大智能優(yōu)化問題.基于BCO的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理將圍繞著圖1展開.

圖1基于BCO的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理總體設(shè)計(jì)模式

3　基于BCO的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理智能優(yōu)化

3.1資源優(yōu)化配置

化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室資源規(guī)模不斷膨脹，通過BCO方法對這些資源進(jìn)行優(yōu)化配置，可大大提高資源的利用效率.基于BCO的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室資源優(yōu)化配置方案如下：（1）將化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室各資源作為BCO的尋優(yōu)變量；（2）選擇歸一化加權(quán)打分函數(shù)作為BCO適應(yīng)度函數(shù)；（3）執(zhí)行BCO各尋優(yōu)行為活動(dòng)；（4）遵循“最優(yōu)化4P準(zhǔn)則”.“最優(yōu)化4P準(zhǔn)則”定義如下：

P1準(zhǔn)則資源配置隸屬關(guān)系唯一性；

P2準(zhǔn)則資源配置等待適應(yīng)度在滿意區(qū)間內(nèi)；P3準(zhǔn)則資源配置全局具有均衡性；

P4準(zhǔn)則資源配置效率在區(qū)域可信區(qū)間內(nèi).

“最優(yōu)化4P準(zhǔn)則”是衡量資源優(yōu)化配置性能的關(guān)鍵指標(biāo)，BCO執(zhí)行終止也主要考慮這個(gè)準(zhǔn)則.

3.2安全智能預(yù)警

化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室由于存放大量的危險(xiǎn)藥品，以及具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，因此對化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室安全管理尤為重要.對危險(xiǎn)隱患需要做到防患于未然，就必須對危險(xiǎn)隱患及時(shí)預(yù)警早做處理，可避免危險(xiǎn)事件的發(fā)生.本文提出基于BCO的安全智能預(yù)警模式見圖2.采用BCO優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BCO-BP），將先驗(yàn)知識集作為BCO-BP的訓(xùn)練樣本，將后驗(yàn)知識集作為BCO-BP的測試樣本，BCO尋優(yōu)變量為BP優(yōu)化參數(shù).其中，先驗(yàn)知識集需要專家組的反復(fù)修正.先驗(yàn)知識集的質(zhì)量直接影響著BCO-BP這個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的學(xué)習(xí)能力，對先驗(yàn)知識集的構(gòu)建在閉環(huán)控制系統(tǒng)中完成，這保證了訓(xùn)練樣本的封閉性.

圖2基于BCO的安全智能預(yù)警模式

3.3智能優(yōu)化排課

化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐課排課的智能優(yōu)化問題，是一個(gè)非常繁瑣和復(fù)雜的組合優(yōu)化問題.基于BCO的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室排課模式，可實(shí)現(xiàn)排課資源智能優(yōu)化組合，提高了排課效率和準(zhǔn)確性.化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐課排課資源為一個(gè)四元變量，它們是教師元、學(xué)生元、課程元和實(shí)驗(yàn)室元，其中實(shí)驗(yàn)室元的數(shù)量要比理論課程授課教室少很多，所以實(shí)驗(yàn)室元為排課的瓶頸.此外，在排課過程中要遵循“唯一機(jī)制”.“唯一機(jī)制”定義如下：

機(jī)制1“教師元”唯一：教師在規(guī)定時(shí)間只能在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室授課.

機(jī)制2“學(xué)生元”唯一：學(xué)生在上課時(shí)間只能聽一個(gè)教師授課（有助課教師除外），只能在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室上課.

機(jī)制3“課程元”唯一：課程在規(guī)定時(shí)間只能分配在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室授課（實(shí)驗(yàn)室容納不下選課學(xué)生除外）.

機(jī)制4“實(shí)驗(yàn)室元”唯一：實(shí)驗(yàn)室在規(guī)定時(shí)間只能為一個(gè)課程和一個(gè)教師（有助課教師除外）提供授課環(huán)境.

“唯一性機(jī)制”模式見圖3.圖中包含了教師元、學(xué)生元、課程元和實(shí)驗(yàn)室元，不同元之間有重疊表示具有“唯一性”關(guān)系，并在圖中標(biāo)注了“1”.該模式圖有2個(gè)特殊的約定，即有助課教師情況除外，實(shí)驗(yàn)室容納不下選課學(xué)生除外.

圖3“唯一性機(jī)制”模式

3.4遠(yuǎn)程智能監(jiān)控

為了方便管理者對化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室的高效管理，提出了基于BCO的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控模式（見圖4）.該模式運(yùn)行于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用射頻識別技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控.用戶可以通過手機(jī)APP，隨時(shí)隨地訪問遠(yuǎn)程智能監(jiān)控服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)不受時(shí)間和空間限制的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控.這樣既方便了管理者，又可將監(jiān)控工作從工作中延伸到工作外，方便快捷地拓展了管理者的工作模式和工作多樣性，極大地提高了化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室管理工作的效率.其中BCO用于智能監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化平衡負(fù)載，以保證網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸和實(shí)時(shí)播放的流暢性.

圖4基于BCO的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控模式

3.5智能考勤管理

針對化學(xué)類課內(nèi)實(shí)驗(yàn)任務(wù)繁瑣、時(shí)間短等特殊情況，為了節(jié)省課內(nèi)時(shí)間，課內(nèi)考勤這些和課程無關(guān)的課程管理環(huán)節(jié)盡量縮減，但這些環(huán)節(jié)又不可缺少.針對上述問題，提出了基于BCO的智能考勤管理模式（見圖5）.該模式可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生課內(nèi)智能考勤，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺前用自己的手機(jī)掃描二維碼來實(shí)現(xiàn)智能考勤，二維碼的掃描分為課程開始和課程結(jié)束，課程開始掃描二維碼為激活考勤環(huán)節(jié)，課程結(jié)束掃描二維碼為確認(rèn)考勤環(huán)節(jié)，該模式可實(shí)現(xiàn)快速和精確的考勤管理.

3.6智能環(huán)境監(jiān)測

由于化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室需要進(jìn)行大量化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測至關(guān)重要，不良的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室環(huán)境會(huì)污染實(shí)驗(yàn)教學(xué)樓環(huán)境，造成實(shí)驗(yàn)人員的身體傷害.本文提出基于BCO的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室智能環(huán)境監(jiān)測模式（見圖6），該模式采用多種環(huán)境監(jiān)測傳感器（光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器及各種化學(xué)傳感器等），這些傳感器通過單片機(jī)控制，以傳感器采集的大量數(shù)據(jù)為BCO的輸入.采用BCO對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化篩選，從而獲得對智能環(huán)境監(jiān)測預(yù)防控制的決策數(shù)據(jù)，為化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境治理與防治打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

圖5基于BCO的智能考勤管理模式

圖6基于BCO的智能環(huán)境監(jiān)測模式

本文采用BCO方法對化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理進(jìn)行研究.提出了基于BCO的六大模式，即資源優(yōu)化配置、安全智能預(yù)警、智能優(yōu)化排課、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控、智能考勤管理和智能環(huán)境監(jiān)測.BCO適合于解決復(fù)雜的組合優(yōu)化問題，將BCO方法應(yīng)用于化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室信息化管理中，具有重要的實(shí)踐和應(yīng)用價(jià)值.

4　　結(jié)論

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Research on chemistry class laboratories information management mode based on bionic colony optimization

JING Tao1，WANG Bo2，TIAN Jing-zhi1，SHAN Qiu-jie1，TIAN Zhi-ming1，ZHENG Yong-jie1
（1. School of Chemistry and Chemistry Engineering，2. Center of Modern Educational Technology，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Abstract：Chemistry class laboratories information management is urgent issue of education management informatization.Bionic colony optimization（BCO）algorithm is adopted，and then resources optimization configuration pattern，security intelligence early warning pattern，intelligent course arrangement pattern，remote intelligent monitoring pattern，intelligent attendance management pattern，and intelligent environment monitoring pattern based on BCO were designed.The design of chemistry class laboratories information management mode is completed.The management efficiency is improved effectively.

Key words：computational intelligence；bionic colony optimization（BCO）；chemistry class laboratories；information management

中圖分類號：TP399

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2016.05.009

文章編號：1007-9731（2016）05-0027-05

收稿日期：2016-03-20

基金項(xiàng)目：黑龍江省高等學(xué)校教改工程項(xiàng)目（JG2014011092）

作者簡介：荊濤（1971-），男，黑龍江加格達(dá)奇人，教授，博士，從事化工材料制備及計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)化工中的應(yīng)用.E-mail：jingtao_qqhr@126.com