林晏清 胡澍芃 劉 晶 范 爽 徐琢頻 王 琦 趙莉萍, 吳躍進(jìn)*

1(中國科學(xué)院技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所 安徽 合肥 230031) 2(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 安徽 合肥 230026) 3(曼徹斯特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 曼徹斯特)

一種基于Java平臺(tái)的近紅外光譜實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

林晏清1,2胡澍芃3劉 晶1范 爽1,2徐琢頻1王 琦1趙莉萍1,3吳躍進(jìn)1*

1(中國科學(xué)院技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所 安徽 合肥 230031)2(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 安徽 合肥 230026)3(曼徹斯特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 曼徹斯特)

針對某肥料生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)方式耗時(shí)、低效等問題，構(gòu)建基于Java平臺(tái)的近紅外光譜實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求與近紅外光譜技術(shù)的原理，對系統(tǒng)整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)等過程，開發(fā)出近紅外光譜實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，進(jìn)行產(chǎn)品成分預(yù)測?？蓪?shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)采集、計(jì)算分析和結(jié)果實(shí)時(shí)輸出功能，用戶界面簡潔直觀。通過硅膠的吸水性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了預(yù)測分析結(jié)果的準(zhǔn)確可靠(產(chǎn)品成分預(yù)測值對真實(shí)值的決定系數(shù)為95.13)，滿足生產(chǎn)要求，具備較大應(yīng)用前景和商業(yè)潛力。

產(chǎn)品成分 實(shí)時(shí)分析 Java平臺(tái) 近紅外光譜 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

肥料的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對產(chǎn)品品質(zhì)的要求日益提高。傳統(tǒng)肥料生產(chǎn)中的質(zhì)量評價(jià)方法主要使用土柱淋溶法、常溫靜水溶出率法等[1]分析方法，這些評價(jià)方法效率低下，分析速度緩慢，并且需要借助實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，無法實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線上產(chǎn)品成分的快速實(shí)時(shí)分析。

相對于傳統(tǒng)質(zhì)量評價(jià)方法，采用光譜技術(shù)對工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品成分的分析[2-4]更加簡單、快速、精確。其中近紅外光譜NURS(Near-infrared reflectance spectroscopy)技術(shù)作為一種過程分析技術(shù)，通過分析物質(zhì)的近紅外光譜，可在短時(shí)間內(nèi)完成對物質(zhì)化學(xué)成分的多組分同步定量分析，不需要樣品制備過程，具有分析速度快、精確度高、不破壞樣品、不產(chǎn)生任何化學(xué)污染等優(yōu)點(diǎn)。NIRS技術(shù)通過提供實(shí)時(shí)測量信息，可以實(shí)現(xiàn)對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的最優(yōu)化控制，在顯著提高生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本和資源消耗，對工業(yè)信息化與自動(dòng)化的深度融合起著關(guān)鍵性的作用[5-6]。如何將近紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，為提高工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)而服務(wù)，是很多科研工作者努力的方向。

為實(shí)現(xiàn)對某尿素肥料生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品成分的實(shí)時(shí)分析，本文在對生產(chǎn)過程需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合NIRS分析原理，在Java平臺(tái)上基于外部接口技術(shù)和模塊化技術(shù)設(shè)計(jì)了一種NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對生產(chǎn)線上的尿素產(chǎn)品成分進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并以數(shù)據(jù)化和圖形化的形式輸出分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測。

1 業(yè)務(wù)介紹與總體結(jié)構(gòu)

1.1 業(yè)務(wù)介紹

現(xiàn)有NIRS分析軟件大多基于離線數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析研究，如Unscrambler[7]、RIPP化學(xué)計(jì)量學(xué)光譜分析軟件[8]等。少有對在線光譜獲取和離線光譜分析的結(jié)合，進(jìn)而難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析，在一定程度上制約了工業(yè)生產(chǎn)的信息化發(fā)展。對一些集合了在線數(shù)據(jù)獲取和離線數(shù)據(jù)處理功能的軟件，如OPUS[9-10]，其界面過于專業(yè)、操作復(fù)雜、使用流程繁瑣，往往只適合在實(shí)驗(yàn)室使用，無法讓沒有技術(shù)背景的用戶很快掌握。為更加符合實(shí)際應(yīng)用需求，本文在現(xiàn)有NIRS技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加硬件控制部分，實(shí)現(xiàn)了光譜獲取、計(jì)算分析、結(jié)果輸出的整個(gè)流程。將這一過程封裝起來，用戶只需在軟件界面上進(jìn)行簡單的初始參數(shù)設(shè)置，即可得到數(shù)據(jù)化和圖像化的分析結(jié)果。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)分析過程如圖1所示。

圖1 分析過程時(shí)序圖

設(shè)置參數(shù)：用戶根據(jù)實(shí)際需要，在軟件用戶界面設(shè)置光譜儀的測量參數(shù)，如積分時(shí)間、積分次數(shù)、平滑度等。

控制運(yùn)行：NIRS實(shí)時(shí)分析軟件根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)，控制硬件運(yùn)行。

提供光信號：光譜采集系統(tǒng)提供不同狀態(tài)的光信號，以獲取不同狀態(tài)下的光譜。

獲得光譜：光譜采集系統(tǒng)獲得產(chǎn)品光譜信息。

返回光譜數(shù)據(jù)：光譜采集系統(tǒng)將光譜信息解析成數(shù)據(jù)形式并返回給分析軟件。

輸出結(jié)果：NIRS實(shí)時(shí)分析軟件根據(jù)光譜數(shù)據(jù)計(jì)算分析產(chǎn)品成分信息，并將結(jié)果返回用戶。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)整體包括NIRS實(shí)時(shí)分析軟件和光譜采集系統(tǒng)，其中光譜采集系統(tǒng)包括光譜儀、步進(jìn)電機(jī)和光纖等部件。如圖2所示。

圖2 NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

NIRS實(shí)時(shí)分析軟件使用RXTXcomm.jar進(jìn)行串口通信，控制步進(jìn)電機(jī)的位置；光譜儀與計(jì)算機(jī)通過USB接口連接，軟件使用OmniDriver開發(fā)包實(shí)現(xiàn)與光譜儀的通信。用戶在使用系統(tǒng)時(shí)，首先通過NIRS實(shí)時(shí)分析軟件對光譜采集系統(tǒng)下達(dá)控制指令，光譜采集系統(tǒng)收到指令，通過步進(jìn)電機(jī)控制光纖探頭移動(dòng)到不同位置，通過光譜儀讀取光譜信號，將光譜數(shù)據(jù)返回軟件。

軟件得到光譜數(shù)據(jù)后，從模型數(shù)據(jù)庫選擇當(dāng)前適用的定量分析模型，通過與模型相對應(yīng)的預(yù)處理計(jì)算和定量分析計(jì)算，得到產(chǎn)品成分信息。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)用戶需求，NIRS實(shí)時(shí)分析軟件主要包括界面設(shè)計(jì)、硬件控制接口、計(jì)算分析、結(jié)果顯示等主要功能，可以實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1) 實(shí)現(xiàn)中英文界面的相互切換。

(2) 根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)控制硬件運(yùn)行，進(jìn)而進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)獲取和分析工作。

(3) 完成在線計(jì)算分析，得到產(chǎn)品成分預(yù)測含量。

(4) 在用戶界面上顯示光譜曲線，并且每獲得一個(gè)結(jié)果，都在相應(yīng)的成分含量坐標(biāo)系中描一個(gè)點(diǎn)。成分含量坐標(biāo)系容量可調(diào)，達(dá)到容量上線后，樣本點(diǎn)實(shí)時(shí)更新。

(5) 分類存儲(chǔ)各階段獲得的數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

NIRS實(shí)時(shí)分析軟件體系總體架構(gòu)包括界面層、功能層、接口層和支撐層，如圖3所示。

圖3 NIRS實(shí)時(shí)分析軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1) 界面層：界面層為用戶界面，負(fù)責(zé)人機(jī)交互，具有參數(shù)設(shè)置、光譜顯示、結(jié)果顯示等功能。用戶界面示意圖如圖4所示。

圖4 NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)用戶界面

(2) 功能層：功能層為整個(gè)系統(tǒng)的主體，包括硬件控制、計(jì)算分析和結(jié)果顯示模塊。根據(jù)界面層獲得的參數(shù)，完成一系列功能操作。

(3) 接口層：接口層是實(shí)現(xiàn)功能層的通道。NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)選用海洋光學(xué)公司生產(chǎn)的USB型光譜儀。軟件通過海洋光學(xué)公司提供的在Java環(huán)境下開發(fā)的OmniDriver開發(fā)包，使用OmniDriver提供的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)光譜儀信息獲取、光譜儀參數(shù)設(shè)置并獲取光譜和波長等功能。軟件使用RXTXcomm.jar進(jìn)行串口通信，連接和控制步進(jìn)電機(jī)，移動(dòng)光纖探頭，以獲取不同位置的光譜。系統(tǒng)通過MySQL進(jìn)行主要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。

(4) 支撐層：支撐層為軟件的數(shù)據(jù)分析提供支撐，其中包括樣品信息數(shù)據(jù)庫、光譜數(shù)據(jù)庫、多種方式計(jì)算分析后的結(jié)果數(shù)據(jù)庫、定量分析模型和產(chǎn)品知識(shí)庫。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫功能使用MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。作為開源關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，MySQL具有功能強(qiáng)大、使用管理方便、響應(yīng)速度快、跨平臺(tái)、支持多種存儲(chǔ)引擎、安全可靠性相對較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[11]。

光譜數(shù)據(jù)庫和計(jì)算分析結(jié)果數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包括樣品信息數(shù)據(jù)表、光譜數(shù)據(jù)表、計(jì)算分析結(jié)果數(shù)據(jù)表。其中樣品信息數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)的是所有樣品的編號、掃描日期、種類等，是數(shù)據(jù)管理和查詢的主要參考；光譜數(shù)據(jù)表用來存儲(chǔ)樣品的參考光譜、背景光譜和樣品光譜；計(jì)算分析結(jié)果數(shù)據(jù)表對計(jì)算分析過程中每一步得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。其中光譜數(shù)據(jù)表和計(jì)算分析結(jié)果數(shù)據(jù)表采用特殊的列向存儲(chǔ)，避免無關(guān)列的讀取，從而減少I/O和內(nèi)存帶寬的占用，提高查詢效率[12]。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)以近紅外光譜技術(shù)為理論指導(dǎo)，使用外部接口技術(shù)、模塊化技術(shù)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。

3.1 近紅外光譜技術(shù)

在NIRS實(shí)時(shí)分析軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，以NIRS技術(shù)為依托，依次通過光譜獲取、預(yù)處理和定量分析等進(jìn)行計(jì)算分析。

(1) 光譜獲取

吸光度光譜是近紅外光譜技術(shù)分析的基礎(chǔ)。根據(jù)光纖探頭在不同位置獲取的背景光譜、參考光譜和樣品光譜，由反射率和吸光度的計(jì)算公式[13]，計(jì)算基線校正后的吸光度光譜。

反射率和吸光度的計(jì)算公式定義為：

(1)

Al=-log10R

(2)

其中：R為反射率，Is為樣品光譜，Ib為背景光譜，Ir為參考光譜；Al為吸光度。

(2) 預(yù)處理

由于物質(zhì)物理性質(zhì)的影響，適當(dāng)?shù)墓庾V預(yù)處理十分必要[14]。常用的預(yù)處理算法有平滑、導(dǎo)數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換SNV(Standard Normal Variate)、多元散射校正MSC(Multiplicative Scatter Correction)等。本軟件使用SNV和Savitzky-Golay卷積求導(dǎo)算法對光譜進(jìn)行預(yù)處理[15]。

算法1SNV算法。

SNV算法主要用來消除固體顆粒物大小、表面散射以及光程變化對近紅外漫反射光譜的影響。對需進(jìn)行SNV變換的光譜按照下式進(jìn)行計(jì)算[15]：

(3)

算法2Savitzky-Golay卷積求導(dǎo)算法。

Savitzky-Golay卷積求導(dǎo)算法可以有效消除光譜背景干擾，分辨重疊峰，提高光譜的分辨率和靈敏度。先對光譜進(jìn)行Savitzky-Golay卷積平滑處理，再求取導(dǎo)數(shù)光譜。Savitzky-Golay卷積平滑又稱為多項(xiàng)式平滑，波長k處經(jīng)平滑后的平均值為[15]：

(4)

(3) 定量分析

定量分析的本質(zhì)是建立光譜與化學(xué)成分濃度的數(shù)學(xué)映射關(guān)系。本軟件使用偏最小二乘回歸PLS(Partial Least Squares Regression)算法[16]實(shí)現(xiàn)定量分析。

算法3PLS算法。

PLS算法同時(shí)考慮光譜矩陣X和濃度矩陣Y，首先對二者進(jìn)行線性分解[17]。

X=TP+E

(5)

Y=UQ+F

(6)

其中：T和P是X的得分矩陣和載荷矩陣；U和Q分別為Y的得分矩陣和載荷矩陣，E和F分別為X和Y的殘差矩陣。

然后，對T和U進(jìn)行線性回歸:

U=TB

(7)

B=(TTT)-1TTY

(8)

預(yù)測時(shí)，求得未知樣品的光譜矩陣X未知的得分矩陣T未知，未知濃度根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

Y未知=T未知BQ

(9)

3.2 外部接口

(1) 光譜儀接口

OmniDriver開發(fā)包是海洋光學(xué)公司提供的在Java環(huán)境下開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序，通過使用OmniDriver提供的API函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對海洋光學(xué)公司生產(chǎn)的USB型光譜儀的連接和控制，實(shí)現(xiàn)光譜儀信息獲取、光譜儀參數(shù)設(shè)置并獲取光譜和波長等功能。

光譜儀信息獲取代碼為：

this.spectrometer_name=wrapper.getName(this.spectrometer_index);

//獲取指定光譜儀的名稱

this.spectrometer_id=wrapper.getSerialNumber(this.spectrometer_index);

//獲取指定光譜儀的序列號

this.spectrometer_version=wrapper.getFirmwareVersion(this.spectrometer_index);

//獲取指定光譜儀的固件版本

光譜儀參數(shù)設(shè)置代碼為：

this.wrapper.setIntegrationTime(spectrometer_index, usec);

//設(shè)置指定光譜儀的積分時(shí)間,微秒

this.wrapper.setBoxcarWidth(spectrometer_index, smoothingDegrees);

//對指定光譜儀獲得的光譜進(jìn)行平滑

this.wrapper.setScansToAverage(spectrometer_index, numberOfScansToAverage);//對指定光譜儀進(jìn)行numberOfScansToAverage次連續(xù)掃描后求均值

光譜和波長獲取代碼為：

this.lightIntensities=wrapper.getSpectrum(this.spectrometer_index);

//獲取指定光譜儀的光譜

this.waveLengths=wrapper.getWavelengths(this.spectrometer_index);

//獲取指定光譜儀的波長

(2) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口

軟件使用RXTXcomm.jar進(jìn)行串口通信，連接和控制步進(jìn)電機(jī)。主要作用是移動(dòng)光纖探頭，以獲取不同狀態(tài)下的光譜，為吸光度的計(jì)算做準(zhǔn)備。

(3) 數(shù)據(jù)庫接口

系統(tǒng)使用JDBC(Java Database Connection)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問。使用Connection接口、PreapredStatement接口、ResultSet接口、CallableStatement接口、DriverManager類等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接和存取操作。

(4) 可視化技術(shù)

為方便觀測，本軟件在用戶界面上添加了光譜譜線顯示區(qū)域和預(yù)測分析結(jié)果的圖像化顯示，實(shí)現(xiàn)對顯示區(qū)域大小和顯示內(nèi)容的設(shè)計(jì)。其中使用了TeeChart控件來實(shí)現(xiàn)軟件界面上圖表的顯示。

以光譜顯示的部分代碼為例，設(shè)置光譜圖顯示區(qū)域的參數(shù)以及譜圖繪制:

tchart.setGraphics3D(null);

tchart.setBounds(new Rectangle(0,108,1280,917));

//設(shè)置光譜顯示區(qū)域邊界

Series realS=new Line();

tchart.removeAllSeries();

tchart.addSeries(realS);

//譜圖繪制

tchart.getAspect().setView3D(false);

tchart.getChart().getTitle().setText(″光譜圖″);

tchart.getChart().getTitle().getFont().setSize(20);

tchart.getChart().getTitle().getFont().setColor(Color.blue);

//設(shè)置顯示區(qū)域標(biāo)題

(5) Excel開發(fā)接口

為方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，軟件各階段的數(shù)據(jù)也可以使用Excel文件按照當(dāng)前日期進(jìn)行導(dǎo)出。Excel文件的處理通過POI包實(shí)現(xiàn)。

Excel文件存儲(chǔ)：

SimpleDateFormat today = new SimpleDateFormat (″yyyy-MM-dd″);

//獲取當(dāng)前日期

String todayDate = today.format(new Date());

String excelFileName = todayDate + ″.xlsx″;

dataStoredExcel(this.absorbance, excelFileName, ″./Absorbance(excel)/″, false);

3.3 模塊化技術(shù)

NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)在功能上分為硬件控制模塊、計(jì)算分析模塊和結(jié)果顯示模塊。

(1) 硬件控制模塊

由于光譜儀存在長時(shí)間連續(xù)工作后光譜基線發(fā)生漂移的情況，會(huì)使光譜在線分析結(jié)果產(chǎn)生較大偏差[13]。本系統(tǒng)通過硬件方式對光譜儀進(jìn)行基線漂移校正，使用RXTXcomm.jar進(jìn)行串口通信，連接和控制步進(jìn)電機(jī)，移動(dòng)光纖探頭，使其相對于靜止的光源，運(yùn)動(dòng)到不同位置。通過調(diào)用OmniDriver開發(fā)包，連接光譜儀，如圖6所示。

圖6 硬件控制部分

(2) 計(jì)算分析模塊

計(jì)算分析模塊為本系統(tǒng)的核心功能模塊，它包括吸光度計(jì)算、預(yù)處理計(jì)算和PLS計(jì)算。計(jì)算分析模塊分為三步：第一步，根據(jù)在不同位置上收集到的背景光譜、參考光譜和傳送帶當(dāng)前位置上待測樣品的樣品光譜，計(jì)算吸光度光譜。第二步，根據(jù)所選預(yù)處理算法對得到的吸光度光譜進(jìn)行處理。第三步，根據(jù)所選定量分析模型的參數(shù)，進(jìn)行偏最小二乘回歸，預(yù)測產(chǎn)品的成分信息。該模塊的數(shù)據(jù)流程如圖7所示。

圖7 計(jì)算分析數(shù)據(jù)流程

(3) 結(jié)果顯示模塊

結(jié)果顯示模塊包括三個(gè)部分：吸光度光譜顯示、定量分析結(jié)果的數(shù)據(jù)化顯示和圖形化顯示。吸光度光譜顯示部分和定量分析結(jié)果的圖形化顯示均利用TeeChart包對計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行繪圖并顯示。定量分析結(jié)果的數(shù)據(jù)化顯示利用Java語言自帶的Swing包對界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對成分信息分類顯示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用吸水性硅膠制備含水量按梯度變化的不同樣品。按硅膠吸水時(shí)間長短分為0～30 min，每分鐘一個(gè)梯度，共31個(gè)樣品。將吸水后的硅膠樣品放在傳送帶上，掃描其近紅外光譜并分析水分含量。同時(shí)在每組硅膠吸水前和光譜測量后分別使用賽多利斯BSA124s電子天平稱量硅膠質(zhì)量，通過計(jì)算質(zhì)量差獲得水分含量。

將NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)分析得到的水分預(yù)測含量和稱量、計(jì)算后得到的真實(shí)含量在MATLAB中繪制出來。31個(gè)硅膠樣品的水分含量如圖8所示。

圖8 31個(gè)硅膠樣品水分含量的真實(shí)值與預(yù)測值

圖8中硅膠樣品水分真實(shí)含量和預(yù)測含量變化趨勢基本一致。將二者在MATLAB中使用Curve Fitting Tool進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖9所示。

圖9 硅膠吸水性實(shí)驗(yàn)中分析值和測量值的相關(guān)圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)預(yù)測分析的結(jié)果對水分的決定系數(shù)為95.13，均方根誤差(RMSE)為0.006 829。結(jié)果表明，NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)對樣品成分含量的預(yù)測分析較為準(zhǔn)確。

5 結(jié) 語

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對產(chǎn)品的品質(zhì)的要求非常嚴(yán)格，需要在現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品品質(zhì)的在線質(zhì)量評價(jià)。本文介紹的NIRS實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)可以對工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行光譜獲取、預(yù)處理、定量分析等操作，其運(yùn)算能力強(qiáng)、運(yùn)算精確度高，適用于實(shí)時(shí)的在線成分分析。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在河南心連心化肥有限公司進(jìn)行了在線功能測試且運(yùn)行狀況良好。系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展趨勢是增加軟件預(yù)處理和定量分析算法，并實(shí)現(xiàn)在線建模，使之運(yùn)用到更多行業(yè)領(lǐng)域。

[1] 楊紅竹,鄭國亮,劉海林,等.緩/控釋肥料類型及質(zhì)量評價(jià)方法[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,36(5):21-27.

[2] 于欣,楊超博,彭江波,等.基于紫外可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的甲烷/空氣平面預(yù)混火焰溫度測量研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2016,36(4):1027-1032.

[3] 胡耀華,平學(xué)文,徐明珠,等.高光譜技術(shù)診斷馬鈴薯葉片晚疫病的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2016,36(2):515-519.

[4] 高亞文,歐昌榮,湯海青,等.光譜技術(shù)在水產(chǎn)品鮮度評價(jià)中的應(yīng)用[J].核農(nóng)學(xué)報(bào),2016,30(11):2210-2217.

[5] 張卉,宋妍,冷靜,等.近紅外光譜分析技術(shù)[J].光譜實(shí)驗(yàn)室,2007,24(3):388-395.

[6] 劉言,蔡文生,邵學(xué)廣.近紅外光譜分析方法研究:從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)到大數(shù)據(jù)[J].科學(xué)通報(bào),2015(8):704-713.

[7] Mladenov M,Draganova T,Tsenkova R.Grain sample quality assessment using Intechn and Unscrambler platforms[J].Agricultural Science and Technology,2011,3(2):179-185.

[8] 褚小立,王艷斌,許育鵬,等.RIPP化學(xué)計(jì)量學(xué)光譜分析軟件3.0的開發(fā)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2009(4):6-10.

[9] 白雁,宋瑞麗,陳志紅,等.NIR結(jié)合OPUS軟件建立山藥中尿囊素定量模型[J].中國醫(yī)院藥學(xué)雜志,2008,28(22):1945-1948.

[10] Zornoza R,Guerrero C,Mataixsolera J,et al.Near infrared spectroscopy for determination of various physical,chemical and biochemical properties in Mediterranean soils[J].Soil Biology and Biochemistry,2008,40(7):1923-1930.

[11] 劉學(xué)芬,孫榮辛,夏魯寧,等.面向MySQL的安全隱患檢測方法研究[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全,2016(9):1-5.

[12] 吳齊躍.基于列存儲(chǔ)的大規(guī)模并行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)[J].中國管理信息化,2016,19(11):177-180.

[13] 湯曉君,王進(jìn),張蕾,等.氣體光譜分析應(yīng)用中傅里葉變換紅外光譜基線漂移分段比校正方法[J].光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(2):334-339.

[14] 尼珍,胡昌勤,馮芳.近紅外光譜分析中光譜預(yù)處理方法的作用及其發(fā)展[J].藥物分析雜志,2008,28(5):824-829.

[15] 褚小立.化學(xué)計(jì)量學(xué)方法與分子光譜分析技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:42-47.

[16] 陸洪濤.偏最小二乘回歸數(shù)學(xué)模型及其算法研究[D].北京:華北電力大學(xué),2014.

[17] 韓明.基于近紅外光譜技術(shù)食品檢測軟件開發(fā)及其應(yīng)用研究[D].成都:電子科技大學(xué),2013.

DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFANIRSREAL-TIMEANALYSISSYSTEMBASEDONJAVAPLATFORM

Lin Yanqing1,2Hu Shupeng3Liu Jing1Fan Shuang1,2Xu Zhuopin1Wang Qi1Zhao Liping1,3Wu Yuejin1*

1(InstituteofTechnicalBiologyandAgricultureEngineering,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,Anhui,China)2(UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui,China)3(SchoolofComputerScience,UniversityofManchester,Manchester,Britain)

In order to solve the problem of time consuming and low efficiency of product quality evaluation method in a fertilizer production enterprise, a real-time analysis system of NIRS (near-infrared reflectance spectroscopy) based on Java platform is proposed. The functions of the system were designed based on production demand and the theory of NIRS. And we designed the overall architecture of the system, and through requirements analysis, system design, implementation of key technologies, etc. We developed a real-time analysis system of NIRS, and then carried out product composition prediction. Designed to implement concentration prediction, this system was able to achieve spectrum acquisition, analysis and results output real-timely. The user interface is low-complexity and intuitive. The experimental results of water absorption of silica gel show that the analysis result is accurate and reliable (the coefficient of determination of the predicted value of the product composition to the real value is 95.13), which can meet the requirement of production and has great application prospect and commercial potential.

Product concentration Real-time analysis Java platform Near-infrared reflectance spectroscopy System design

2017-01-06。國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(31500300)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專項(xiàng)(A類)(XDA0804107)；合肥研究院院長基金青年“火花”項(xiàng)目(YZJJ201520)；院企重大攻關(guān)項(xiàng)目(Y19HX14702)。林晏清，碩士生，主研領(lǐng)域：軟件系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。胡澍芃，博士生。劉晶，助理研究員。范爽，博士生。徐琢頻，博士生。王琦，副研究員。趙莉萍，教授。吳躍進(jìn)，研究員。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.12.002