郭晨晨,陳晗

（浙江大學醫(yī)學院附屬兒童醫(yī)院國家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學研究中心，浙江杭州 310003）

1 引言

測繪儀器廣泛運用于生產、科研及人類生活的方方面面，在國民經濟建設中具有關鍵地位[1]。國家建設與社會發(fā)展離不開地理信息測繪，對地理信息擁有正確認知，可以為經濟發(fā)展與國防建設打下扎實根基。測繪是一種兼顧先行性和基礎性的工作，在測繪過程中，假如測繪結果中的某個數(shù)字或信息出現(xiàn)錯誤，會引發(fā)不可想象的嚴重后果，同時測繪計量檢定是一個對技術性要求很高的工作，包含測量學、光學、電子學等多種學科。

測繪結果是經過測繪儀器完成的，保證測繪儀器精度是確保安全生產的必要條件。相關人員對此進行大量研究，國外學者研究起步較早，對測繪儀器計量檢定自動校準重視程度較高。保證測繪儀器計量檢定校準管理系統(tǒng)開發(fā)的順利進行，在一定程度上不僅可以減輕測量儀器的工作負擔，而且可以提高測量儀器的檢測效率和精度。隨著地質勘查事業(yè)的快速發(fā)展，我國對地質勘探也逐漸重視起來，勘查精度和范圍有了很大提高。袁鑫等人提出激光投射式位移計在線校準方法，在共源隨機激勵條件下，以經溯源的位移傳感器作為依據，同步采集RS和待校準激光位移計的現(xiàn)場測量數(shù)據；然后采用基于特征點的分段匹配算法對兩個傳感器的數(shù)據序列進行匹配，解決激勵源變化引起的誤差以及傳感器響應特性的差異造成的誤差，得到兩個傳感器對相同輸入量的對應測量結果；最后對匹配的數(shù)據序列進行統(tǒng)計分析，輸出校準結果。根據現(xiàn)場環(huán)境，設計構建了在線校準模擬系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中引入激光干涉作為參考數(shù)據源，以驗證上述方法的有效性[2]。韓超等人提出直流電流傳感器高精度校準系統(tǒng)設計，DCCT 在0～400A 范圍內可以實現(xiàn)高精度標定，整個標定范圍內系統(tǒng)測量的相對不確定度優(yōu)于1.1ppm。DCCT的正確性和線性度都得到實驗測試，驗證了整個標定系統(tǒng)的精度，為進一步提高磁鐵電源的電流精度提供了保證[3]?，F(xiàn)階段，對測繪儀器的校準多半是以手動或半自動校準技術為主。手動校準時，測試人員按照校準規(guī)范手動操作儀器，人工記載數(shù)據并計算偏差，手動制作校準報告；半自動校準技術可自動處理數(shù)據和計算誤差，但依舊需要手動操作儀器，耗費時間長，且容易因人為錯誤降低校準正確性?；诖耍疚难邪l(fā)一種測繪儀器計量檢定自動校準系統(tǒng)，利用反向傳播(Back Propagation，BP)神經網絡優(yōu)化校準結果精度，運用標準接口技術完成數(shù)據高效對接，通過接件、任務分配、錄入等板塊完成系統(tǒng)構建全過程。

2 基于BP神經網絡的測繪儀器計量校準方法

影響測繪儀器計量精度有許多因素，主要分為如下三點：機械結構、電氣設計和工作環(huán)境[4]。測繪儀器機械結構定型設計十分重要，若機械結構剛性不夠，遭受外界細微影響就會影響儀器運轉穩(wěn)定性。此外諸多測繪設備均使用可變可調結構，這樣也會降低計量精度。電路的全局設計應該全方位考慮精度問題，在電路設計過程中，電路元件的挑選會受到外界元素影響，譬如溫度變化影響等。在測繪儀器運行過程中，工作環(huán)境也會給計量檢定帶來無法避免的干擾，工作溫度與濕度等都是干擾源。

總結上述內容，為進一步提升測繪儀器計量準確性，設計一種基于神經網絡的測繪儀器計量校準方法，并將其代入所建系統(tǒng)內，完善系統(tǒng)全局性能[5]。下面為具體計算過程。

設定測繪儀器功率輸入輸出特性是：

式中，t為一個向量，代表影響儀器測量的因素。雖然期望儀器功率輸入和輸出是線性關系，但式(1)里的f 為非線性函數(shù)，為對其進行補償，將測繪儀器的測量輸出當作下列函數(shù)的輸入：

通過式(3)得到：

因此，只要明確測繪儀器數(shù)學模型f(x，t)，獲得f-1(y，t)就能去除儀器非線性，將非線性校準原理表示為圖1。

圖1 非線性校準原理

事實上，測繪儀器計量在無法獲得f-1(y，t)情況下，可以使用BP 神經網絡自動得到輸入輸出數(shù)據隱含規(guī)律，讓校準結果更為可信。

神經網絡的基礎構成單元是神經元，其結構如圖2所示。圖中x1，x2，…，xn是神經元的輸入信號，各個信號乘以表示它和此神經元連接親密水準的權系數(shù)ω1，然后相加，并與臨界值θ對比，獲得此神經元的凈輸入IN：

圖2 神經元結構示意圖

再通過一個非線性激發(fā)函數(shù)F作用后，就變成此神經元的輸出值OUT。通常激發(fā)函數(shù)包含階躍函數(shù)、雙曲正切函數(shù)和S形函數(shù)，本文使用S形函數(shù)[6]，將輸出值計算公式記作：

把如上描述的神經元分層排序，就構成一個BP 神經網絡。BP 神經網絡是一種使用廣泛的多層前饋網絡，其學習算法構建在誤差梯度下降前提下的權值優(yōu)化過程，由正向傳播與反向傳播構成[7]。正向傳播時，輸入信號從輸出層利用作用函數(shù)向隱含層與輸出層進行傳播。各層神經元形態(tài)僅影響下一層狀態(tài)。假如在輸出層無法獲得期望輸出，轉入反向傳播，把誤差順原路折回，修改每個神經元的連接權值，再進行正向傳播，直至輸出誤差符合精度需求為止。

BP神經網絡結構如圖3所示，該結構包含輸入層、隱含層與輸出層[8-9]，圖3中的隱含層僅有一層。通過神經網絡基礎原理，將每一層的輸出值依次描述成：

圖3 BP神經網絡結構

式中，Xi表示輸入層第i個節(jié)點的輸入值，Yj是中間層第j個節(jié)點的輸出值，Zk為輸入層第k個節(jié)點的輸出值，ωij是輸入層第i個節(jié)點至中間層第j個節(jié)點的權系數(shù)，ωjk是中間層第j個節(jié)點至輸出層第k個節(jié)點的權系數(shù)，θj表示中間層第j個節(jié)點的內部臨界值，θk是輸出層第k個節(jié)點的內部臨界值。

倘若輸出層第k個節(jié)點輸出期望值是dk，那么網絡誤差為：

使用若干訓練樣本來訓練網絡，每訓練一次，權系數(shù)都會產生不同程度變化，中間層至輸出層權系數(shù)修正公式為：

其中，η 代表學習率，它決定了每次循環(huán)訓練獲得的權值變化量，過高的學習率不利于網絡穩(wěn)定性，過小的學習率會增多訓練時間。設計一種自適應學習率，查看權值修正值來明確學習率高低。自適應學習率調節(jié)公式為：

自適應學習率調節(jié)可以讓網絡權系數(shù)合理改變，BP 網絡學習算法需要進行多次運算，才能滿足最終校準精度需求，計算過程如圖4所示。

圖4 BP網絡學習算法計算過程

3 測繪儀器計量檢定自動校準系統(tǒng)設計方案

3.1 標準接口技術分析

在所建系統(tǒng)內使用標準接口技術，讓自動校準系統(tǒng)運行中產生的校準原始記錄和現(xiàn)有計量業(yè)務數(shù)據高效對接，自動生成證書報告，減少校準差錯。測繪儀器計量檢定自動校準系統(tǒng)標準接口共分為兩部分：原始記錄板塊與數(shù)據處理中間件系統(tǒng)。本文探究并完成現(xiàn)有計量業(yè)務管理系統(tǒng)和自動化校準系統(tǒng)內被檢儀器基礎數(shù)據與原始記錄數(shù)據間的數(shù)據互傳，具體流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據交互流程

3.1.1 原始記錄板塊設計思路

原始記錄板塊使用Excel 格式運用于計量業(yè)務管理系統(tǒng)，內容包含記錄板塊管理、出證界面數(shù)據集自動化計量軟件參數(shù)。記錄板塊管理是設計中最為關鍵的部分，可以設定原始記錄數(shù)據參數(shù)，提供傳輸數(shù)據依據。出證界面數(shù)據是提供被檢測儀器信息的憑據，而軟件參數(shù)是回傳原始記錄數(shù)據參數(shù)的依據，按照原始記錄板塊設計提供的參數(shù)，組裝數(shù)據回傳。

3.1.2 數(shù)據處理中間件

數(shù)據處理中間件是一種完成不同系統(tǒng)數(shù)據互傳，處理跨平臺調用、跨語言調用和遠程調用的部件。中間件可以完成如下操作任務：

(1)測試軟件列表管理。該板塊能夠管理與維護現(xiàn)存自動化計量校準軟件信息，儲存測試軟件ID、軟件名稱等。

(2)后臺交互。管理與維護數(shù)據通道控制，起到用戶連接、數(shù)據傳送與接收、數(shù)據轉換等作用。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)要求

測繪儀器計量檢定自動校準系統(tǒng)的研發(fā)要和真實系統(tǒng)應用需要密切融合，展現(xiàn)出系統(tǒng)積極作用。在開發(fā)時需要注意的是，系統(tǒng)研發(fā)和應用需要應當符合測繪儀器接件和任務分配等功能需求，為系統(tǒng)合理運用提供可靠基礎。在技術研發(fā)層面，校準系統(tǒng)采用基于瀏覽器/服務器(Browser/Server，BS)架構和服務器/客戶機(Client-Server，CS)架構相結合的系統(tǒng)設計，利用Visual C#語言、ASP.NET 技術和標準接口技術進行開發(fā)，運用模型、視圖和控制器三層架構模式，這樣的開發(fā)環(huán)境對后期系統(tǒng)維護提供很多便利。運行平臺是Windows2003+IIS6.0+.NET3.5及以上系統(tǒng)。

系統(tǒng)開發(fā)需要考慮如下方面：短信功能與系統(tǒng)安全性及可靠性。測繪儀器計量檢定自動校準系統(tǒng)功能豐富，以短信功能為例，測繪儀器在計量檢定時，從接件、檢測完畢、證書有效期限到期等時段，應當迅速利用系統(tǒng)服務器通過無線網絡以短信形式發(fā)送給用戶，給用戶提供細致周全的服務。短信功能的實現(xiàn)過程，關鍵利用系統(tǒng)自動產生短信內容與發(fā)送目標手機號碼，使用Socket連接手機客戶端，系統(tǒng)再自動傳輸數(shù)據于手機端，同時返回給系統(tǒng)結果信息。短信功能部署情況如圖6所示。

圖6 短信功能部署示意圖

測繪儀器計量檢定校準系統(tǒng)的開發(fā)要著重注意系統(tǒng)可靠性與安全性，這樣才能充分發(fā)揮系統(tǒng)使用價值。從硬件運行環(huán)境來看，要確保系統(tǒng)全天運轉，完成高性能運行。系統(tǒng)數(shù)據安全性表示賬戶管理和操作日志等數(shù)據是真實可信的。使用兩種方式保證系統(tǒng)可靠性和安全性：一是讓外網和內網互相獨立，使用局域網數(shù)據庫產生Web數(shù)據，給用戶提供只用于查詢功能的數(shù)據庫；二是針對可以進入內網管理的工作人員進行嚴格分級權限控制，按照崗位劃分使用權限，按照權限操作范圍進行系統(tǒng)運轉。

3.3 自動校準系統(tǒng)架構實現(xiàn)

通常情況下，測繪儀器計量檢定校準過程如圖7所示。本文系統(tǒng)在考慮校準工作的規(guī)范性與復雜性基礎上，根據系統(tǒng)開發(fā)條件，建立數(shù)據庫服務器與Web應用服務器，完成儀器計量的準確校準。Web 應用服務器內包含接件、任務分配、錄入、查詢儀器、統(tǒng)計分析、取件幾個板塊。系統(tǒng)全局結構如圖8所示。

圖7 校準過程示意圖

圖8 系統(tǒng)架構圖

接件板塊可實現(xiàn)檢測儀器接收任務，將工作內容細化為以下部分：錄入送檢單位名稱、具體地址、送檢人姓名和電話、挑選儀器類別、儀器型號、生產廠家、記錄儀器號碼、檢定費用、附件等數(shù)據。系統(tǒng)根據送檢儀器的前后次序自主產生接件單編碼、儀器送檢序號，預測取件時間并打印取件單，利用短信模式把收件信息轉發(fā)給送檢人。接件單送檢人簽字確定后，測繪儀器接件工作結束。生成接件單之后，假如接件單內容填寫錯誤，有權限的操作人員對其進行修改。

任務分配板塊對接收的送檢測繪儀器實施任務分配，管理人員按照儀器與檢定員的具體狀況完成任務分發(fā)。

數(shù)據錄入板塊按照儀器檢測項目記錄檢測數(shù)據。數(shù)據錄入完畢后，系統(tǒng)自動產生檢定證書號碼、檢定時間和檢定證書，并打印出檢定證書。若相同接件單內最后一臺儀器的檢測數(shù)據輸入結束，系統(tǒng)自動給送檢用戶轉發(fā)儀器檢定完成的提醒消息。

查詢板塊可確保自動校準系統(tǒng)的平穩(wěn)運轉，安置兩個查詢板塊：一是局域網內的運行板塊，僅為站內人員運用，擔任用戶查詢電話服務；二是在互聯(lián)網內運轉的板塊，為用戶提供查詢服務。

統(tǒng)計模塊是通過管理員對固定時段中的儀器檢修狀況實施統(tǒng)計匯合，能對所有人員或某個人員的工作量采取實時統(tǒng)計。

取件板塊按照接件單編碼抽調取件儀器列表，對接件單內的儀器隨機提取或批量提取，確定取件后，系統(tǒng)自主產生接件預估的收費金額，如果儀器有故障或收費標準有變動，調整真實收費金額，打印繳費清單。

4 實驗結果與分析

為驗證所建系統(tǒng)優(yōu)良性能，對系統(tǒng)自動校準殘差進行仿真實驗。殘差就是系統(tǒng)校準過程中的誤差值與真實值的差，用于表示校準結果正確性，在MATLAB仿真平臺上進行數(shù)據采集、數(shù)據去噪和數(shù)據校準識別測試。實驗環(huán)境為：Windows7×64位操作系統(tǒng)，硬盤內存容量為1T，Intel Core-i5處理器，由此設計一個完整的測繪儀器計量檢定自動校準體系。通過仿真平臺獲取的150 個測試樣本作為校準數(shù)據樣本。仿真實驗平臺如圖9所示。

圖9 測繪儀器計量仿真實驗平臺

設定測繪儀器需要計量檢定的校準點共有8個，系統(tǒng)對8 個點的校準殘差如圖10 所示，其中σ代表系統(tǒng)誤差計算的標準差。

從圖10可知，96%以上點的殘差均落在±2σ的置信區(qū)間內，證明本文系統(tǒng)具備良好的實用性。為了讓實驗結果更具可靠性，以線性誤差為標準，對自動校準系統(tǒng)與手動校準兩種方法測距進行實驗論證，驗證結果如表1和表2所示。

表1 自動校準結果

表2 手動校準結果

圖10 系統(tǒng)校準殘差示意圖

從表1和表2中內容可以看出，兩種校準方法均可以很好地完成校準任務，數(shù)據偏差都很小，但自動校準比手動校準可以實現(xiàn)更優(yōu)的校準精度，且校準速率也具備顯著提升，由此證明了所建系統(tǒng)優(yōu)越性。

為了進一步驗證測繪儀器計量檢定自動校準系統(tǒng)效果及可行性，利用人機交互的形式采集測繪儀器計量檢定數(shù)據，并對其中的噪聲信號進行抑制與清除，為自動校準數(shù)據屬性識別復雜度提供了有利依據。該系統(tǒng)采用了標準接口技術，使校驗系統(tǒng)運行中產生的校驗原始記錄與現(xiàn)有計量業(yè)務數(shù)據有效對接，自動生成驗證報告，減少校驗誤差。其中校準精度是指用精度表示觀測值與真值的接近程度，它與誤差大小相對應，即誤差大，精度低；誤差小，精度高。具體結果如圖11所示。

圖11 測繪儀器計量檢定自動校準精度結果

由圖11 可知，所設計測繪儀器計量檢定自動校準系統(tǒng)呈現(xiàn)出了較強的優(yōu)勢，平均校準精度較高，采用滑動窗口進行界面數(shù)據屬性校準，通過一個動態(tài)性可調整的窗口對所有工況樣本進行控制，不僅能夠反映出工況產生的變化，還能夠控制樣本集合的大小，有效提高了測繪儀器計量檢定自動校準精度。

5 結束語

針對目前測繪儀器計量校準程序繁瑣，精度不高等問題，設計一個測繪儀器計量檢定自動校準系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡便，細化了校準服務內容，有效提升校準工作效率，平均校準精度較高，并減少報告數(shù)據錯誤率，為各類建設項目的效益及質量提供充分保障。