李鑫星 董保平 楊銘松 張國祥 張小栓 成建紅

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品質(zhì)量與安全北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083； 2.山東省煙臺市森林資源監(jiān)測管理站， 煙臺 264000； 3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院， 煙臺 264670)

0 引言

三文魚作為優(yōu)質(zhì)刺身原料之一，因其鮮美的肉質(zhì)和極佳的口感深受消費(fèi)者青睞。其冷藏保鮮方法(0～4℃)是將三文魚的溫度降低到冰點(diǎn)卻又不使其凍結(jié)產(chǎn)生冰晶，能夠較好地保持其品質(zhì)[1]。受運(yùn)輸條件、銷售或采購后貯藏環(huán)境的限制，水產(chǎn)品冷藏溫度常不能控制在0～4℃之間，導(dǎo)致其新鮮度下降很快，極易發(fā)生變質(zhì)腐敗[2-3]。近年來，學(xué)者們對三文魚品質(zhì)的研究僅停留在生物、理化指標(biāo)分析和保鮮方法對比方面[4-6]，并未提出合理有效的三文魚品質(zhì)智能檢測方法。電子鼻是一種現(xiàn)代仿生技術(shù)，可以通過對氣味進(jìn)行分析達(dá)到種類區(qū)分、新鮮度判定和品質(zhì)預(yù)測等目的，在農(nóng)產(chǎn)品、食品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7-11]。傳統(tǒng)的電子鼻模式識別方法對簡單、線性的問題具有較好的解決效果，但當(dāng)研究對象類別增多、復(fù)雜性增大，尤其是對不同冷藏溫度的三文魚新鮮度識別這種既涉及溫度識別又涉及新鮮度判定的問題，傳統(tǒng)的模式識別方法不能滿足要求[12]。

模式識別方法的建立是電子鼻研究的重要內(nèi)容，相較于傳統(tǒng)的線性模式識別方法，如Fisher 判別分析法(Fisher discriminant analysis，F(xiàn)DA)[13]、主成分分析法(Principal component analysis，PCA)[14]，核方法可以通過核函數(shù)解決低維線性不可分問題，保障更快速的學(xué)習(xí)和更高效率的研究，為模式識別提供重要的解算思路[15-16]。引入了核方法的機(jī)器學(xué)習(xí)稱作核機(jī)器學(xué)習(xí)。模式識別中，核機(jī)器學(xué)習(xí)模型由兩部分組成，一部分是核函數(shù)，另一部分是通用的線性學(xué)習(xí)機(jī)[17]。在眾多學(xué)習(xí)機(jī)中，支持向量機(jī)(Support vector machine，SVM)是目前應(yīng)用最廣泛的一種，非常適合高維度和小樣本數(shù)據(jù)量訓(xùn)練。近年來支持向量機(jī)的研究與應(yīng)用快速發(fā)展，以支持向量機(jī)為學(xué)習(xí)機(jī)的核方法已成為流行且強(qiáng)大的模式識別工具[18-19]。

本文自主設(shè)計(jì)用于三文魚氣味指紋采集與辨識的電子鼻系統(tǒng)，選擇支持向量機(jī)作為電子鼻模式識別的工具。考慮到三文魚冷藏保鮮的溫度要求與實(shí)際情況，設(shè)計(jì)0、4、6℃冷藏下的三文魚氣味檢測實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對不同溫度冷藏的三文魚新鮮度隨冷藏時間的變化進(jìn)行評價。以實(shí)驗(yàn)所得傳感器陣列響應(yīng)特征量和冷藏溫度作為模式識別的輸入量，對三文魚冷藏時間進(jìn)行預(yù)測，為判別三文魚新鮮度提供依據(jù)。并討論核機(jī)器模型建立時需要調(diào)整的幾個核函數(shù)及其參數(shù)，以便構(gòu)建適用于該電子鼻系統(tǒng)預(yù)測三文魚新鮮度的最佳核機(jī)器模型。

1 檢測系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)

1.1 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)主要由密閉檢測氣室、半導(dǎo)體氣體傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集模塊、模式識別模塊和顯示界面等組成。多個半導(dǎo)體氣敏傳感器固定于密閉氣室內(nèi)，對氣室內(nèi)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并通過信號調(diào)理電路向單片機(jī)傳輸電壓信號。STC12C5A60S2單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，將模擬信號轉(zhuǎn)換為能夠表征氣體濃度的數(shù)字信號，經(jīng)串口上傳到上位機(jī)，數(shù)字信號在上位機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行模式識別，識別結(jié)果在顯示界面輸出。其中，模式識別方法采用核機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

1.1.1傳感器陣列

金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器靈敏度高，但是存在交叉敏感、選擇性差等缺點(diǎn)，即單一傳感器可能對待測環(huán)境中多種氣體敏感。研究表明[6]，三文魚在冷藏過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性成分，除了所占比例比較大的醛類、醇類、烴類外，還有脂類、酸類、胺類、酮類和其他氣體等，且這些氣體的揮發(fā)量變化在三文魚由新鮮到腐敗的冷藏過程中會呈現(xiàn)一定的規(guī)律。根據(jù)半導(dǎo)體傳感器特點(diǎn)及三文魚冷藏過程中揮發(fā)性氣體變化，選擇6種不同敏感特性的傳感器組成傳感器陣列，分別為煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的MQ136、MQ137、MQ138和費(fèi)加羅電子有限公司生產(chǎn)的TGS2612、TGS822、TGS2600。傳感器型號與敏感特性如表1所示。

表1 傳感器型號與敏感特性Tab.1 Sensor model and sensitive characteristics

1.1.2檢測氣室設(shè)計(jì)

為了將環(huán)境因素、測量殘留氣體影響降到最低，需對檢測氣室及氣路進(jìn)行設(shè)計(jì)。密閉氣室設(shè)計(jì)要求：檢測氣室應(yīng)具有嚴(yán)格的氣密性，且便于氣體清洗；氣室體積過大或過小會影響三文魚樣本揮發(fā)性氣體在氣室內(nèi)達(dá)到平衡、與傳感器充分接觸的時間，檢測氣室體積應(yīng)適中；傳感器正常工作時，敏感元件部位溫度高達(dá)200～300℃，傳感器敏感元件外加有濾網(wǎng)防護(hù)罩，用手觸摸濾網(wǎng)防護(hù)罩外側(cè)有微燙感，溫度為幾十?dāng)z氏度，檢測氣室材料應(yīng)選擇耐熱、無揮發(fā)性氣味且不會與三文魚揮發(fā)性氣體產(chǎn)生反應(yīng)的材料。

檢測氣室由高9 cm、直徑15 cm的圓柱狀可微波加熱的聚丙烯保鮮盒改裝，由鋁箔膠密封而成，聚丙烯材料無毒、無味，具有較高的耐熱性，連續(xù)使用溫度可達(dá)110～120℃，與絕大多數(shù)化學(xué)藥品不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。檢測氣室開有進(jìn)氣口和出氣口，可對檢測氣室進(jìn)行洗氣，進(jìn)氣口連接活性炭空氣凈化器對吸入空氣進(jìn)行過濾，出氣口連接真空泵將氣室內(nèi)廢氣抽出并排到室外。傳感器陣列敏感氣體除氨氣外密度均大于空氣，將 6個傳感器呈圓形集中排列于氣室底部，待測三文魚樣本則置于檢測氣室頂部中央的三文魚樣本槽內(nèi)。樣本槽選用不銹鋼大孔濾網(wǎng)，可由保鮮膜密封且更換方便。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子鼻檢測氣室Fig.1 Detection chamber of electronic nose1.樣本槽 2.出氣口 3.單片機(jī) 4.傳感器陣列 5.進(jìn)氣口

圖2 電子鼻軟件運(yùn)行流程圖Fig.2 Electronic nose software running process

1.1.3軟件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含串口數(shù)據(jù)采集模塊和模式識別模塊兩個核心模塊，在MyEclipse 9.0 M1平臺基于Java語言開發(fā)。串口數(shù)據(jù)采集模塊采用開源的RXTX串口通信API對接下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集串口數(shù)據(jù)的功能，并將采集到的數(shù)據(jù)按照一定的特征量提取規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲取樣本的特征值。模式識別模塊采用開源的LibSVM for JAVA API庫開發(fā)并構(gòu)建出適用于三文魚新鮮度檢測的核機(jī)器學(xué)習(xí)模型，最終實(shí)現(xiàn)利用串口數(shù)據(jù)采集模塊提取的特征值對三文魚新鮮度進(jìn)行智能識別。

1.1.4顯示界面

人機(jī)交互通過顯示界面來完成，系統(tǒng)運(yùn)行前需要人工輸入三文魚冷藏溫度，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后在顯示界面輸出結(jié)果，顯示界面如圖3所示。

圖3 電子鼻系統(tǒng)顯示界面Fig.3 Electronic nose system display interface

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用三文魚購自煙臺市東方海洋鮭魚養(yǎng)殖基地。將鮮活的三文魚處死、去刺去皮后放入加冰袋的泡沫箱內(nèi)密封，在24 h內(nèi)運(yùn)回中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品質(zhì)量與安全北京實(shí)驗(yàn)室，到達(dá)實(shí)驗(yàn)室時，冰袋微化。將三文魚切成30 mm×30 mm的片狀樣本，每個樣本約30 g分別放入保鮮袋內(nèi)，并隨機(jī)分成A、B、C 3組，分別放入0、4、6℃的恒溫箱中冷藏。制樣當(dāng)天起，每過24 h分別從A、B、C 3組剩余樣本中隨機(jī)取用3個樣本進(jìn)行檢測。

文獻(xiàn)[20]對不同低溫下冷藏的三文魚品質(zhì)進(jìn)行研究，得出-2、0、4℃下冷藏的三文魚貨架期分別為13、10、8 d；文獻(xiàn)[21]對0℃冷藏的三文魚新鮮度進(jìn)行綜合評價，得出0℃冷藏的三文魚片貨架期終點(diǎn)為15 d左右；文獻(xiàn)[22]對0、4、8℃下冷藏的三文魚分別進(jìn)行了12、8、5 d的品質(zhì)變化研究；結(jié)合本研究每天的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)對A、B、C 3組樣本分別連續(xù)檢測了14、9、8 d。

1.2.2實(shí)驗(yàn)方法

三文魚電子鼻檢測實(shí)驗(yàn)在溫度26℃、相對濕度30%、空氣質(zhì)量良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，電子鼻廢氣出氣口通往室外。每天實(shí)驗(yàn)前，對傳感器進(jìn)行20 min預(yù)熱使傳感器進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。檢測樣本前首先往檢測氣室內(nèi)通入潔凈的空氣進(jìn)行洗氣，待5 min后傳感器基線趨于穩(wěn)定，即可進(jìn)行樣本氣味檢測：將待測三文魚樣本放入檢測氣室頂部開孔內(nèi)的樣本槽內(nèi)，迅速用保鮮膜密封，開始?xì)馕缎畔⒉杉?，采集頻率設(shè)置為1 Hz。連續(xù)采集6 min后結(jié)束采樣。檢測結(jié)束后，取出三文魚樣本和樣本槽；對氣室進(jìn)行洗氣使傳感器恢復(fù)到初始的基線穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)入下一個樣本的氣味采樣。

通過實(shí)驗(yàn)，獲取三文魚在3個溫度冷藏過程中氣味指紋變化情況，共得到91組數(shù)據(jù)(4℃和6℃最后一天檢測分別只得到兩組數(shù)據(jù))。采取簡單隨機(jī)抽樣的方法，從每3組平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中抽取1組，共抽取31組數(shù)據(jù)作為測試集，剩余60組作為訓(xùn)練集對核機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練。

2 核機(jī)器學(xué)習(xí)模型的建立

2.1 特征量提取

圖4 傳感器陣列對三文魚揮發(fā)性氣味電壓響應(yīng)曲線Fig.4 Response curves of sensor array to voltage of volatile odor of salmon

根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)，建立傳感器陣列對三文魚揮發(fā)性氣味隨時間變化的電壓響應(yīng)曲線圖，如圖4所示。各曲線與坐標(biāo)軸縱軸的交點(diǎn)為相應(yīng)傳感器的基線值U0(即傳感器在純凈空氣中的穩(wěn)定電壓)，每個傳感器對應(yīng)不同的基線值，隨著時間的積累，揮發(fā)性氣體不斷擴(kuò)散至完全充滿檢測氣室，傳感器陣列電壓響應(yīng)值也不斷增大最終趨于穩(wěn)定，放入三文魚樣本300 s時，全部傳感器響應(yīng)值已基本趨于穩(wěn)定。為了盡量減小傳感器信號波動造成誤差以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的干擾，傳感器特征量選為[23]

(1)

式中U——傳感器特征量

Un——傳感器在第n秒的電壓

則可得到對應(yīng)于傳感器陣列的6個特征量。

三文魚新鮮度隨冷藏時間延長而變得越來越低，在不同溫度下冷藏的三文魚新鮮度及氣味種類、濃度變化速度也存在明顯差異。要通過辨識冷藏時間來對三文魚新鮮度進(jìn)行判斷，冷藏溫度是一個重要的依據(jù)。本文以冷藏溫度作為1個特征量與傳感器陣列響應(yīng)特征量共同組成包含7個特征量的特征矩陣，對三文魚樣本冷藏時間進(jìn)行模式識別，最終為三文魚新鮮度判斷提供依據(jù)。

2.2 核函數(shù)與核參數(shù)選取

核函數(shù)及其核參數(shù)的選取一直是核機(jī)器學(xué)習(xí)研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，也是構(gòu)建出良好核機(jī)器模型的關(guān)鍵[24]。針對不同問題的復(fù)雜性，需在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中不斷比較和調(diào)整，找到適用于解決特定問題的最佳核函數(shù)及核參數(shù)，以構(gòu)建適用于特定問題的具有良好性能的核機(jī)器學(xué)習(xí)模型。目前，在核機(jī)器學(xué)習(xí)研究中可供選擇的核函數(shù)有很多種，不同核函數(shù)還有其對應(yīng)的不確定參數(shù)，基于LibSVM庫選擇了以下幾種常用核函數(shù)：

(1)線性核函數(shù)

K(x,y)=xTy

(2)

式中x、y——同一特征空間的兩個向量

線性核函數(shù)主要用于線性可分的問題，對于線性核函數(shù)而言，其參數(shù)少、速度快，無特定參數(shù)需要設(shè)置。

(2)徑向基核函數(shù)(或稱高斯核函數(shù)、RBF核函數(shù))在SVM研究中較常用的形式為

K(x,y)=exp(-γ‖x-y‖2) (γ>0)

(3)

(3)Sigmoid核函數(shù)

K(x,y)=tanh(γxTy+c) (γ>0；c≥0)

(4)

(4)多項(xiàng)式核函數(shù)

K(x,y)=(γxTy+c)q(q∈N；c≥0)

(5)

其中核參數(shù)的選擇采用試湊法[25]，具體操作為：首先為核機(jī)器學(xué)習(xí)模型中核函數(shù)需要確定的核參數(shù)設(shè)初始值并進(jìn)行模型訓(xùn)練與測試，然后根據(jù)精度要求及測試結(jié)果對核參數(shù)值進(jìn)行重復(fù)調(diào)整、訓(xùn)練與測試，直到得到理想的精度為止。本研究以核參數(shù)的默認(rèn)值作為初始值，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整與測試后，從較好的結(jié)果中選擇最優(yōu)的值作為核參數(shù)值。

2.3 模型建立與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對三文魚新鮮度辨識問題，采用有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法分別對不同核函數(shù)、不同參數(shù)情況下的模型進(jìn)行訓(xùn)練，并對不同情況下的SVM模型進(jìn)行仿真測試以判斷其辨識效果。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2～4所示。其中，懲罰因子C=0，平均偏差為所有測試數(shù)據(jù)中仿真結(jié)果與期望輸出結(jié)果偏差的平均值，最大偏差為所有測試數(shù)據(jù)中仿真結(jié)果與期望輸出結(jié)果偏差的最大值，無偏差預(yù)測正確率為仿真結(jié)果與期望輸出結(jié)果完全一致的組數(shù)占測試數(shù)據(jù)總組數(shù)的百分比，允許偏差1 d預(yù)測正確率為仿真結(jié)果與期望輸出結(jié)果最多偏差1 d的組數(shù)占測試數(shù)據(jù)總組數(shù)的百分比。

表2 高斯核函數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 RBF function experiment results

表3 Sigmoid核函數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Sigmoid function experiment results

從表2～4可以看出，對于三文魚新鮮度辨識問題來說，采用高斯核函數(shù)的核機(jī)器和采用Sigmoid核函數(shù)的核機(jī)器仿真效果相對較差，即使改變其核參數(shù)值，仿真效果也沒有明顯提高；采用多項(xiàng)式核函數(shù)的SVM核機(jī)器學(xué)習(xí)模型具有更好的仿真效果，當(dāng)核函數(shù)選用多項(xiàng)式核函數(shù)K(x,y)=(γxTy+c)q(q∈N；c≥0)，核參數(shù)q取3，γ取15，c取0時，平均偏差和最大偏差最小，無偏差預(yù)測正確率和偏差1 d預(yù)測正確率最高。即最終確定的最佳SVM核機(jī)器模型的核函數(shù)為多項(xiàng)式核函數(shù)，核參數(shù)q取3，γ取15，c取0。

表4 多項(xiàng)式核函數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Polynomial function experiment results

3 結(jié)果與分析

3.1 三文魚新鮮度評價

圖5 三文魚樣本氣味檢測傳感器響應(yīng)特征曲線Fig.5 Sensor response characteristic curves by detection of salmon samples odor

三文魚由新鮮到腐敗的變化過程中，散發(fā)出揮發(fā)性氣味，且隨著貯藏時間的延長氣味濃度和種類都會發(fā)生很大變化，因此氣味是判定三文魚新鮮度的重要依據(jù)。圖5a為0℃冷藏組三文魚樣本檢測所得傳感器響應(yīng)特征曲線。冷藏第4天，傳感器S2和S3響應(yīng)特征值出現(xiàn)了明顯的上升，傳感器S1、S5和S6出現(xiàn)小幅度的上升，在冷藏第9天時，此5個傳感器響應(yīng)特征值均突然下降，之后繼續(xù)回歸原來的上升趨勢，在第12天時，5個傳感器響應(yīng)特征值出現(xiàn)了更大幅度的上升。傳感器S4在整個冷藏過程中變化并不明顯，從冷藏第12天開始出現(xiàn)較小幅度的上升趨勢。 圖5b為4℃冷藏組三文魚樣本檢測所得傳感器響應(yīng)特征曲線。傳感器S1、S2和S3響應(yīng)特征值在冷藏前3 d均呈現(xiàn)不同幅度的上升趨勢，在第4天時有較小幅度的下降，之后回歸上升趨勢，在第7天上升趨勢有所變緩，第8天呈現(xiàn)更大幅度的上升。傳感器S5和S6在前4 d響應(yīng)特征值變化并不明顯，第5天出現(xiàn)明顯的上升趨勢，在冷藏第8天呈現(xiàn)更大幅度的上升。傳感器S4響應(yīng)特征值在整個冷藏過程中變化并不明顯，從冷藏第5天開始出現(xiàn)較小幅度的上升趨勢。圖5c為6℃冷藏組三文魚樣本檢測所得傳感器響應(yīng)特征曲線。傳感器S1、S5和S6響應(yīng)特征值變化趨勢基本相同，在第4天時出現(xiàn)大幅度的持續(xù)上升趨勢，在冷藏第7天時，傳感器響應(yīng)特征值均突然下降，之后回歸原來的上升趨勢。傳感器S1和S2響應(yīng)特征值在第2天有較小幅度的減小，第3天時回升，之后保持同傳感器S1、S5和S6相同的變化趨勢。傳感器S4響應(yīng)特征值變化幅度相對不大，但也基本保持與傳感器S1、S5和S6相同的變化趨勢。

圖6 傳感器響應(yīng)特征值PCA分析結(jié)果Fig.6 PCA analysis results of sensor response characteristic

綜合以上分析，判斷第4、9、12天是0℃冷藏的三文魚揮發(fā)性氣味變化的拐點(diǎn)；第4、5、8天是4℃冷藏三文魚揮發(fā)性氣味變化的拐點(diǎn)；第2、3、7天為6℃冷藏三文魚揮發(fā)性氣味發(fā)生變化的拐點(diǎn)。3組不同冷藏溫度的傳感器響應(yīng)特征值變化幅度及變化時間拐點(diǎn)存在差異，但整體上升趨勢基本一致，說明冰鮮三文魚新鮮度隨冷藏時間的增加變得越來越差，變化受冷藏溫度影響且有一定的規(guī)律性。基于傳感器特征曲線對三文魚新鮮度的分析與結(jié)論與文獻(xiàn)[6,20-22]對三文魚品質(zhì)的研究基本一致，說明所選傳感器陣列響應(yīng)特征曲線能夠在一定程度上體現(xiàn)三文魚新鮮度變化規(guī)律。從同一圖中可以看出，同一冷藏時間，不同傳感器體現(xiàn)不同的響應(yīng)特征值，同一傳感器對不同的冷藏時間響應(yīng)特征值存在差異；對比圖5a～5c，不同冷藏溫度、相同傳感器對相同冷藏時間三文魚樣本響應(yīng)值也是存在差異的，表明不同冷藏時間的三文魚樣本可以利用傳感器響應(yīng)信號及冷藏溫度得到區(qū)分。

3.2 PCA分析

為了將建立的核機(jī)器識別模型與傳統(tǒng)的線性識別方法進(jìn)行辨識效果對比，對采集的0、4、6℃的三文魚氣味傳感器響應(yīng)特征值數(shù)據(jù)分別進(jìn)行PCA分析，如圖6a～6c所示，圖例中TnDm表示n冷藏溫度下第m天；對0、4、6℃的數(shù)據(jù)總集進(jìn)行PCA分析，如圖6d所示。4組PCA分析均強(qiáng)制提取第1、2個主成分，任意組第1、2個主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)97%以上，能夠代表原始數(shù)據(jù)的大部分信息。

圖6a中，不同冷藏時間的三文魚樣本傳感器響應(yīng)特征數(shù)據(jù)點(diǎn)之間交叉重疊嚴(yán)重。結(jié)合圖5a，0℃冷藏的三文魚氣味變化比較緩慢，雖然相近冷藏時間的三文魚樣本傳感器響應(yīng)特征值存在較小差異，但采用PCA分析對此種較小差異辨識能力較差。圖6b中，相鄰冷藏時間的樣本傳感器響應(yīng)特征數(shù)據(jù)點(diǎn)之間交叉現(xiàn)象比較頻繁，仍然存在第1天和第4天數(shù)據(jù)點(diǎn)交叉的現(xiàn)象，PCA分析對4℃下不同冷藏時間的三文魚傳感器響應(yīng)特征數(shù)據(jù)有一些辨識能力，但辨識效果不理想。圖6c中，存在個別相鄰冷藏時間的樣本傳感器響應(yīng)特征數(shù)據(jù)點(diǎn)交叉現(xiàn)象，但在降低識別精度要求，允許偏差1 d時，基本上能夠?qū)?℃不同冷藏時間的傳感器響應(yīng)特征值進(jìn)行辨識。圖6d中引入溫度變量，對3個冷藏溫度的傳感器響應(yīng)特征值數(shù)據(jù)總集進(jìn)行PCA分析，不同冷藏溫度的樣本點(diǎn)區(qū)域之間距離較大，0℃和4℃溫度區(qū)域內(nèi)不同冷藏時間的樣本點(diǎn)之間交叉重疊嚴(yán)重，6℃溫度區(qū)域內(nèi)也存在一些樣本點(diǎn)交叉現(xiàn)象。這說明當(dāng)引入了溫度變量后，PCA分析過分地對溫度進(jìn)行區(qū)分，而對傳感器響應(yīng)特征值的辨識能力減弱。

3.3 核機(jī)器學(xué)習(xí)模型的辨識結(jié)果分析

對通過核機(jī)器學(xué)習(xí)模型試驗(yàn)所建立的最佳核機(jī)器學(xué)習(xí)模型辨識效果進(jìn)行分析，如表5所示。3個溫度中訓(xùn)練集和測試集無偏差預(yù)測正確率都存在很大差異，但允許偏差1 d預(yù)測正確率均保持一致。核機(jī)器學(xué)習(xí)模型對0℃冷藏的訓(xùn)練集和測試集三文魚樣本冷藏時間無偏差預(yù)測正確率相對于4℃和6℃偏低，這與0℃冷藏的三文魚新鮮度下降緩慢有關(guān)；當(dāng)允許偏差1 d時，訓(xùn)練集和測試集預(yù)測正確率均為92.86%，因溫度0℃下相鄰2 d三文魚品質(zhì)差異較小，所以預(yù)測誤差1 d在可接受范圍內(nèi)。對4℃和6℃測試集的無偏差預(yù)測正確率分別為88.89%和75%；允許偏差1 d預(yù)測正確率均達(dá)到100%，說明此模型對4℃和6℃的三文魚樣本具有一定的無偏差預(yù)測能力，能夠識別2 d內(nèi)的三文魚氣味。

綜上分析，對于PCA分析而言，當(dāng)單獨(dú)只對同一個溫度集的三文魚傳感器陣列響應(yīng)特征值進(jìn)行PCA識別時，PCA分析方法無法辨識0℃冷藏的三文魚冷藏時間，對4℃和6℃冷藏溫度下的三文魚冷藏時間有一些辨識能力；但當(dāng)同時對3個溫度總集進(jìn)行PCA分析時，此方法對0 、4 、6℃冷藏溫度下的三文魚樣本冷藏時間均無法識別。而核機(jī)器學(xué)習(xí)模型可同時對3個溫度總集進(jìn)行分析，能夠?qū)Σ煌瑴囟壤洳氐娜聂~樣本通過傳感器響應(yīng)特征值進(jìn)行冷藏時間的識別，對三文魚新鮮度具有一定的辨識能力。這說明相比于傳統(tǒng)的線性模式識別方法PCA，采用核機(jī)器學(xué)習(xí)模型對三文魚樣本氣味傳感器響應(yīng)特征值進(jìn)行辨識具有明顯優(yōu)勢，且當(dāng)引入溫度變量時具有較好的泛化能力。

表5 核機(jī)器學(xué)習(xí)模型辨識效果分析結(jié)果Tab.5 Identification result analysis of kernel-based machine learning

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種用于三文魚氣味指紋采集與新鮮度辨識的電子鼻系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由密閉檢測氣室、半導(dǎo)體氣體傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集模塊、模式識別模塊和顯示界面等組成。針對研究對象，以傳感器陣列為基礎(chǔ)、STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，進(jìn)行下位機(jī)電路元件集成；在MyEclipse 9.0 M1平臺基于Java語言開發(fā)上位機(jī)軟件系統(tǒng)，串口數(shù)據(jù)采集模塊采用開源的RXTX串口通信API對接下位機(jī)，采用開源的LibSVM for JAVA API庫開發(fā)并構(gòu)建出適用于三文魚新鮮度檢測的核機(jī)器學(xué)習(xí)模型。此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從傳感器陣列采集三文魚樣本氣味到上位機(jī)識別三文魚新鮮度的智能檢測與辨識。

(2)對電子鼻模式識別部分進(jìn)行重點(diǎn)研究，選擇核機(jī)器學(xué)習(xí)方法作為模式識別方法，核機(jī)器學(xué)習(xí)模型以SVM作為學(xué)習(xí)機(jī)?；谒O(shè)計(jì)電子鼻系統(tǒng)氣味數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采集0、4、6℃溫度下冷藏三文魚樣本的氣味數(shù)據(jù)，對不同核函數(shù)及核參數(shù)的核機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，通過試湊法對核函數(shù)及核參數(shù)進(jìn)行反復(fù)測試與調(diào)整，最終確定了適用于此電子鼻系統(tǒng)識別三文魚新鮮度的最佳核機(jī)器學(xué)習(xí)模型：核函數(shù)選用多項(xiàng)式核函數(shù)，核參數(shù)q取3，γ取15，c取0。

(3)對所得模型的識別結(jié)果進(jìn)行分析，此模型對0℃的測試集三文魚樣本冷藏時間允許偏差1 d預(yù)測正確率為92.86%，4℃無偏差預(yù)測正確率為88.89%、允許偏差1 d預(yù)測正確率100%，6℃無偏差預(yù)測正確率為75.00%、允許偏差1 d預(yù)測正確率100%。說明此模型對不同冷藏溫度下的三文魚新鮮度具有一定的辨識能力，可以為區(qū)分三文魚新鮮度提供參考。

(4)將此模型識別結(jié)果與PCA分析結(jié)果進(jìn)行對比，PCA分析對單個溫度集4℃和6℃冷藏的三文魚新鮮度有一定的辨識能力，但對3個溫度總集進(jìn)行分析時效果較差，說明本研究所得模型對不同冷藏溫度下的三文魚新鮮度辨識具有明顯優(yōu)勢。