（电路与系统专业论文）烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统.pdf

摘要 烟用香精香料组分分析作为卷烟企业制造链的核心技术之一， 有较强的自主性和技术保密性。实际中，广泛采用化学指纹图谱对香 精香料组分进行分析，但是利用现代仪器方法以及相互之间的联用 ( 如g c m s ) 得出的谱图信息经常会出现背景干扰、色谱分离不完 全( 重叠峰) 、基线漂移等现象，给香精香料组分的定性分析工作带 来困难。 传统的烟用香精香料多元分辨解决方案针对单一香精香料分析， 缺乏统一的平台支持，导致管理、重用和整合香精香料资源面临一系 列困难。本文在分析烟厂应用需求上，以化学信息学、现代分析科学、 x m l 语义技术、面向服务构件开发思想为导向，结合化学计量学多 元分辨理论对烟用香精香料指纹图谱进行研究，提出了烟用香精香料 多元分辨系统的模型和架构，模型架构能较好的满足烟用香精香料指 纹图谱多元分辨应用；并基于模型架构开发出烟用香精香料指纹图谱 多元分辨系统软件，实现了烟用香精香料指纹图谱海量数据载入、数 据剪切、数据平滑、背景扣除等预处理，及多元分辨解析算法( 如直 观推导式演进特征投影法、子窗口因子分析法等) 、指纹图谱信息检 索、结果报表打印等过程，最终完成对烟用香精香料组分的定性分析。 文中详细描述了x m l 语义、可视化、构件技术在多元分辨系统 设计和实现中的应用，使系统具有以下特点：第一、基于x m l 语义 技术组织构建指纹图谱语义资源库，阐述了指纹图谱数据和多元分辨 算法数据及其属性的语义关系，满足了海量指纹图谱数据和多元分辨 算法数据不管在单机还是分布式环境的存储、读取、检索、跟踪和维 护；第二、基于构件服务的技术，根据用户特定多元分辨需求，自适 应将多元分辨算法、指纹图谱数据预处理算法等松散原子构件组装成 适当多元分辨应用服务；第三、基于2 d 3 d 可视化技术以及显示缓 冲技术实现海量数据可视化展示。 系统通过与云南红河卷烟厂的实际应用展现了本系统具有较好 的协作性、可重用性及可扩展性。 关键词：烟用香精香料，指纹图谱，化学计量学，多元分辨，重叠峰， 直观推导式演进特征投影法 i i a b s t r a c t c i g a r e t t ef l a v o rs p i c e sc o m p o n e n ta 1 1 a l y s i sc h a i na sm ec i g a r e 舵 c o m p a n i e st o c r e a t eo n eo ft h ec o r e t e c h n o l o g y s t r o n g t e c l l n i c a l a u t o n o m ya 1 1 dc o n f i d e n t i a l i 够p r a c t i c e ，w i d e l yu s e di nm ec h e l n i c a l f i n g e 印r i n to fm ec o m p o n e n ta n a l y s i so fn a v o r sa i l d 仔a g 啪c e s ，b u tm e u s eo fm o d e mm e t h o d sa n de q u i p m e n ti nc o n j u n c t i o nw i me a c ho t h e r ( s u c h a s g c - m s )s p e c 仃a o b t a i n e d b a c k g r o u n d i n f o m l a t i o no r e n i n t e r f e r e n c e ， n o n c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o nc o m p l e t e( o v e r l a p p i n g p e a k s ) ，b a s e l i n e “r 觚do t h e rp h e n o m e n a ，t om en a v o r sa n d 仔a g r a n c e s o ft h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so fc o m p o n e n t sd i m c u l t t r a d i t i o n a lc i g a r e t t en a v o r sa n d 仔a g r a n c e su s e dt o d i s t i n g u i s h m u l t i p l es o l u t i o n sf o ras i n 9 1 ea n a l y s i so f n a v o r sa 1 1 d 仔a g r a n c e s ，m e1 a c k o fau n i f i e dp l a t f o m s u p p o r t ，1 e a d i n gt om a n a g e m e n t ， r e u s ea n d i n t e 铲a t i o no fr e s o u r c e si i la 啪g eo ff l a v o r sa 1 1 d 仃a g r a n c e sd i m c u l t i e s b a s e do nt h e a n a l y s i s o fa p p l i c a t i o n r e q u i r e n l e n t s o nt h ef a c t o c h e i l l i c a l i n f o m l a t i c s ，m o d e ma n a l y t i c a ls c i e n c e ， x m ls e m a n t i c t e c h n o l o 鼢 s e r v i c e o r i e n t e d c o m p o n e n t o r i e n t e dd e v e l o p m e n t o f t h i l l l | ：i n g ，c o m b i n e dw i t hc h e m o m e t r i c st od i s t i n g u i s ht h em e o 巧o f m u l t i p l ec i g a r e t t e n a v o rs p i c e sf i n g e r p i 恤t r e s e a r c h ，p u tf o 刑a r d a c i g a r e t t en a v o rs p i c em o d e lo fm u l t i - r e s o l u t i o ns y s t e ma n ds 仇l c t l l r eo f t h em o d e l 觚w o r kt ob e t t e rm e e tm es m o k en a v o r sa i l d 行a g r a n c e s u s e dt od i s t i n g u i s ht h ea p p l i c a t i o no fn l u l t i f i n g e 叩订n t ；a n dm i ) d e l - b a s e d 仔a m e w o r kf o rm ed e v e l o p m e n to fc i g a r e t t ef l a v o r sa n d 仔a g r a n c e su s e d t o d i s t i n g u i s hm u l t i p l e丘n g e 印r i n ts y s t e ms o f h a r e ， t oa c h i e v em e c i g a r e t t es p i c e ss p i c e sm a s sf i n g e 印r i n td a t al o a d i n g ，d a t ac u t ，d a t a s m o o t h i n g ，b a c k 伊o u i l dd e d u c t i o n ， s u c ha s p r e - p r o c e s s i n g ， a n d m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i sa l g o r i m m ( s u c ha sh e u r i s t i c e v o l v i n g1 a t e n t t t t p r o je c t i o n s ，s u b 一而n d o wf a c t o ra 1 1 a l y s i s ，e t c ) ，f i n g e 印r i n t i n f 0 1 1 1 1 a t i o n r e t r i e v a l ，t h eo u t c o m eo fm ep r o c e s so fp r i n t i n gs t a t e m e n t s ，m ef i n a l c o m p l e t i o no ft h ec i g a r e t t ef l a v o rc o m p o n e n to fq u a l i t a t i v ea n a l y s i so f s p i c e s i i lt h i s p a p e r ， ad e t a i l e d d e s 嘶p t i o n o fm es e 眦m t i c删l ， v i s u a l i z a t i o n ，m u l t i c o m p o n e n t t e c h i l 0 1 0 9 y i nt h e d e s i g n a 1 1 d i m p l e m e n t a t i o no fs y s t e m st od i s t i n g u i s hm e 印p l i c a t i o n ，m es y s t e mh a s m ef 0 1 1 0 w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：f i r s t ，x m l - b a s e ds e m a n t i ct e c h n 0 1 0 9 y o r g a n i z a t i o n st ob u i l ds e m a n t i cr e s o u r c e sf i n g e 印n n to nt h ef i n g e 印r i n t d a t aa n dm u l t i r e s o l u t i o na l g o r i m md a t a趾dt h es e m a n t i cr e l a t i o n p r o p e r t i e s ，s a t i s 研n g t h em a s sf i n g e 印r i n td a t aa n dm u l t i r e s 0 1 u t i o n a l g 嘶t h m f o rd a t a ，w h e m e ri ns t a n d a l o n es t o r a g eo rd i s t r i b u t e d e n v i r o n m e n t ，r e a d i n g ，r e t r i e v a l ，t r a c k i n g ， a n dm a i n t e n a n c e ； s e c o n d ， c o m p o n e n t b a s e ds e r v i c e st e c l m 0 1 0 9 y ；a c c o r d i n gt ou s e r - s p e c i f i cn e e d s o f n m l t i r e s o l u t i o n ，a d a p t i v e t om u l t i r e s o l u t i o n a l g 嘶t h 瞄， d a t a p r e _ p r o c e s s i n ga l g o n t h mf o rf i n g e 印一n ta n d o t h e rl o o s ec o m p o n e n t s a s s e n l b l e di n t oa n印p r o p r i a t ea t o 埘c - r e s o l u t i o nm u l t i - 印p l i c a t i o n s e i c e s ；t h i r d ，t e c l l l l 0 1 0 9 y _ b a s e d2 d 3 dv i s u a l i z a t i o na n dd i s p l a yb u 仃e r t e c h n 0 1 0 9 ym a s s i v ed a t av i s u a l i z a t i o nd i s p l a y s y s t e mt h r o u g h m e c i g a r e t t ef a c t o 巧 i n m n a l l h o n 曲e d e m o n s 仃a t e dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e mh a sab e t t e r c o l l a b o r a t i v e ，r e u s a b l e ，a n ds c a l a b i l i 劬 k e yw o r d s ：c i g a r e t t ef l a v o rs p i c e s ，f i n g e 叩r i n t ，c h e h l i c a lm e t r o l o 鼢 n l u l t i r e s o l u t i o n ，o v e 订a p p i n gp e a k s ，h e 嘶s t i ce v o l v i n g1 a t e n tp r o j e c t i o n 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1s 孔扣口7 年 6 月 7l 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一4 年解密后适用本授权书。 2 、不保密日 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：、坞融日期：一哆年6月f ，厶日 导师签名：去p 泵v 日期砂仉伊6 月f 撕 t 烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统 1 绪论 1 1 论文研究背景 烟用香精香料组分分析作为卷烟企业制造链的核心技术之一，有 较强的自主性和技术保密性。从5 0 年代中期开始，国际上各大烟草公 司和有关科研部门、基金会和学术团体都集中精力把提高烟气香味作 为重点研究对象。其中，对香精香料香味组分的全组分分析一直是个 行业难点，不仅因为它们含有的组分数量众多，而且各组分所属的化 学种类各异【l 】。因此，对烟用香精香料香味成分的全组分分析成了分 析化学领域最具有挑战性的课题之一。 目前，在分析烟用香精香料组分过程中，广泛采用的是化学指纹 图谱分析技术。香精香料经过适当处理，利用化学仪器采用一定的分 析手段分析其中的香味成分，从中获得能表征样品化学组成的组分群 体的指纹图谱，对照指纹图谱库【2 】最终确定香精香料组分。但是在分 一析香精香料指纹图谱过程中经常会出现获取的指纹图谱谱峰漂移、重 叠等问题，为了获得纯正的指纹图谱，研究人员利用了化学计量学多 元分辨算法来成功解决这一问题，同时为了解决海量数据计算不便等 不利因素，研究人员将计算机技术与化学技术有效地结合起来，运用 到烟用香精香料指纹图谱的采集、处理、分析当中。 现行的烟用香精香料指纹图谱多元分辨解决方案主要基于m a t l a b 平 台来实现多元分辨算法，这种方法适宜于编写单个算法，但不便于完 整描述和区分不同多元分辨算法的实现模型，也没有形成统一多元分 辨算法集成平台系统 3 1 。除此之外，目前多数烟用香精香料多元分辨 算法解决方案都是针对特定的香精香料的色谱指纹图谱来设计【4 】 5 1 ， 硕士学位论文 难以实现对资源的管理和重用。对于传统的解决方案，可以从下列几 个方面考查其不足： 1 资源的重复部署。烟用香精香料多元分辨分析除需要在仪器 上采集指纹图谱数据外，还需要运用不同的多元分辨算法对数据做分 析，但大部分多元分辨应用的设计和实现在预处理方面都是相似和重 复的； 2 指纹图谱数据资源查找问题和共享。指纹图谱数据资源作为 独立体或者存放于文件中，如c d f 、t x t 文件格式等，系统很难主动 发现资源的存在，导致数据资源由于未被发现而不能被重用和共享； 3 宿主平台紧耦合问题。紧耦合使系统必须依附于特定的平台， 如m a t l a b 平台、单个矩阵库平台，导致不同的多元分辨算法应用子 系统难以集成或扩展应用； 4 多点登录问题。多元分辨应用中可能包括多个不同的应用系 统，每个都有各自的系统入口，造成用户使用不方便和管理上的混乱； 5 缺乏个性化的服务和协同服务。对于数据分析人员提供各自 独立的运用，运用流程和任务没有保存和共享，不能跟踪和协同数据 分析； 6 缺乏安全性。从数据仪器上采集后的数据和建模数据保存为 磁盘文件格式容易暴露给其它用户，使之易于被泄露、修改、利用、 限制和破坏。 1 2 课题的应用价值 香精香料技术作为卷烟制造链中的关键环节，对卷烟品质特征的 形成与提升起到了重要的作用，为了有效地对香精香料进行整体性的 品质分析与研究，在采用联用分析技术等手段获取烟用香精香料数据 基础上，利用化学计量学算法对香精香料复杂多组分体系进行多元分 2 烟用香精香料指纹图谱多兀分辨系统 辨分析，然后利用化学指纹图谱技术提取和统计化学结构特征，辅以 数据2 d 3 d 可视化，建立基于语义的x m l 指纹图谱特征库，最大限 度地获取香精香料复杂体系的有效整体化学品质信息以及相关的定 性品质信息，系统性表征香精香料品质，弥补传统香精香料检验的局 限与不足。 本课题以烟用香精香料组分定性分析为基础，通过本课题的研 究，探讨面向对象技术的烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统建模， 为提高系统的复用性和生成效率提供一定的参考，以减少烟用香精香 料指纹图谱多元分辨系统的开发工作，并使系统易于更新、修改、维 护及移植，降低新产品和新应用的开发成本。 1 3 论文的主要研究内容 本文主要将化学计量学方法、面向对象的软件思想、语义技术、 x m l 技术、数据库技术与烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统的设 计结合起来：以v i l 语义技术建立满足海量的指纹图谱数据库，用 面向对象软件设计模式的方法指导设计和实现系统。 本文的工作分以下几个部分： 第一部分简要介绍了论文的研究背景、课题应用价值及论文的主 要研究工作。 第二部分作为论文背景，介绍了指纹图谱、化学计量学、多元分 辨技术概念和发展。 第三部分基于化学计量学方法、指纹图谱技术、面向对象技术思 想，结合卷烟制造链中香精香料有关的业务流程，分析了系统的功能 模块，设计了系统用例，建立了烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统 模型和系统整体架构。 第四部分多元分辨系统设计与实现中，介绍了一些多元分辨算 硕士学位论文 法，分析了系统设计时所遇问题，详细描述了l 语义、可视化、 构件技术在多元分辨系统设计和实现中的应用，及多元分辨系统实现 等。 第五部分介绍烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统的相关应用 实例。 最后基于本课题的研究进展做出结论，提出下一步的研究及其改 进方向。 4 烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统 2 基本概念 2 1 指纹图谱的基本概念 指纹图谱是随着现代分析技术发展而诞生的一种从整体上研究 复杂物质体系的技术，已经在环境保护、食品评价、中药质量控制等 许多领域中得到应用。近几年，指纹图谱又应用于烟用香精香料组分 分析，各大烟厂及相关领域都开展了此项研究，并取得一定的成果。 采用指纹图谱分析复杂物质体系的组分所依据的是同种样品其 化学成分的相似性和差异性。指纹图谱分析不强调个体的绝对唯一 性，而是强调整体的相似性，即共有特征性，是以各种光谱、波谱、 色谱等技术为依托的又一种组分分析模式。与传统组分分析模式的区 别在于：指纹图谱分析是综合地看问题，也就是强调化学图谱的完整 面貌即整体性，反映质量信息是综合的。整体性和模糊性是指纹图谱 的基本属性，指纹图谱的相似性是通过其基本的属性来体现的，其分 析强调准确的辨认，而不是精密的计算，比较图谱强调的是相似性， 而不是相同。在不能将复杂样品成分都搞清楚的情况下，指纹图谱能 反映复杂成分重要内在组分的均一性和稳定性 6 】。指纹图谱是一种综 合的、宏观的、可量化的鉴别手段，应满足专属性、重现性和实用性 的技术要求。利用现代色谱、光谱、波谱和质谱分析等得到的物质群 指纹图谱，能在尚不清楚全体化学成分的情况下，实现对物质群整体 的控制。几个物质群在相同仪器、相同试验条件、相同操作方法下所 得的指纹图谱相同性，即可反映这些物质群的同属性。虽然对其图谱 中每个特定峰的成分并不了解，但这并不影响对物质群一致性的判 断。与此同时，随着化学计量学的迅速发展，面对各种多组分体系， 5 硕士学位论文 在充分利用化学测量仪器所产生的化学信号特点的基础上，化学计量 学运用统计学和应用数学及计算机，最大限度地从中抽取不同特征样 品中的定性、定量化学信息，从而实现了对复杂物质体系的组分分析。 2 2 化学计量学方法基本概念 分析化学作为一门获取物质的定性、定量信息的科学，长期以来 在科学和生产实践中发挥着重要的作用同。近年来，它正经历着巨大 的变革，人们正逐渐认识到分析化学是通过化学量测获得化学信息的 科学。随着科学的发展，数学、物理、计算机和新仪器走进分析化学， 这就使得在相对短的时间内提供大量的原始分析数据有了可能。如何 处理这些大量的原始数据，提取有关的信息，向长期以获取原始量测 数据的分析化学家提出了挑战。化学计量学就是为了适应这种需要和 迎接挑战的需要而发展起来的一门新兴的化学分支学科【8 】。 化学计量学是数学和统计学、化学及计算机科学四者相互交缘而 形成的一门边缘学科，是化学中很具魅力并具有十分广泛应用前景的 新兴分支学科。按照国际化学计量学学会( i n t e m a t i o n a lc h e n l o m e t r i c s s o c i e t y ，简称i c s ) 的定义：化学计量学是化学的一门分支学科【9 】o 它应用数学和统计学方法，设计或选择最优量测程序和实验方法，并 通过解析化学量测数据而获取最大限度的信息。理解这个定义应考虑 以下几点： 1 要选择最优量测程序并获取最大限度信息，必须也只有借助 计算机技术； 2 化学计量学研究和探讨各种化学量测过程的共性问题，如化 学试验设计与优化、化学数据解析及有用信息的提取等，因而它是有 关化学量测的基础理论和方法学； 3 化学计量学是化学、数学和统计学以及计算机科学四者的“接 6 烟用香精香料指纹图谱多兀分辨系统 口”，但同时应该注意到化学计量学是一个学科总体，有其自身的学 科体系。另一方面，化学计量学可以更具体地表达为研究应用数学和 统计学方法，借助计算机技术，进行化学量测的试验设计、数据处理、 分类、解析和预测的一门学科。 化学计量学的研究范围极为广泛，内容非常丰富。化学试验设计 与优化、定量校正理论、分析信号处理、化学模式识别、模型与参数 估计、数据解析、过程模拟、人工智能、情报检索、实验室自动化等 等都是化学计量学的研究范围。化学计量学作为化学量测的基础理论 与方法学，其应用非常广泛。可以说，凡是施行化学量测的所有领域 如工业过程采样、过程分析化学、过程控制、食品工业、海洋化学、 地球化学、环境化学、造纸工业、石油勘探、临床诊断、制药工业、 染料工业、有机合成化学、生物工程、材料工程等等都可以应用化学 计量学。 在本论文中烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统采用化学计量 学算法，对烟用香精香料复杂多组分体系进行多元分辨解析，从而实 现对烟用香精香料组分的定性分析。 2 3 多元分辨技术的基本概念 在化学计量学各领域中，多元分辨一直是化学计量学中最活跃和 最具有特色的一个分支。本论文主要对多元分辨的一些方法进行了算 法上和应用方面的研究，并用这些算法来解决系统开发时的一些实际 问题，下面就对多元分辨的研究进展作简单阐述。 2 3 1 多元分辨进展和研究 多元分辨( m u l t i v 撕a t er e s o l u t i o n ，m r ) 是这样一组技术，它能 够从未知混合物的各种演进过程的数据中提取出纯物质的各种响应 曲线( 如光谱、p h 曲线、时间曲线、洗脱曲线等) ，而不需要预先知道 7 硕士学位论文 未知物的种类及组成信息。【1 0 1 3 】 梁逸曾教授根据分析化学中复杂多组份体系的不同特性，将其划 分为白、灰、黑三类不同的分析体系 1 4 】：( 1 ) 对某些混合体系，其定 性组份均己知，分析目的在于对各种物种( 或物种的不同形态) 或部分 物种进行定量分析，因该体系的定性组成己完全清楚，我们将其称为 “白色分析体系”；( 2 ) 已知待测物存在于待分析的样本中，但是否 存在别的未知干扰却不清楚，分析目的是在未知干扰的存在下，直接 对感兴趣的待测物进行定量分析。此类分析体系因其定性组成仅部分 已知，将其称为“灰色分析体系 ；( 3 ) 对于分析试样毫无验前信息， 即有关其物种数，哪几种化学物种及其浓度范围皆不清楚，称之为“黑 色分析体系”。灰色体系是我们碰到最多的一类体系，只要我们可获 得矩阵类型的数据，则有可能获得有物理意义的唯一解；黑色体系是 分析化学中最难的一类体系。化学计量学多元分辨方法则用来解决这 两类体系的定性和定量分析问题。目前主要有基于矩阵分辨和基于张 量分辨两种类型的分辨方法。 当前化学计量学研究主要分为两方面：一方面是化学计量学基础 理论与方法的研究，即把其它领域特别是数学中的许多有用工具，如 小波分析、人工神经网络及数论方法等引入化学计量学并结合化学体 系的独有特征，建立适合于化学问题的化学计量学算法。另一方面， 将化学计量学方法应用到化学及其相关领域中，如药物化学、环境科 学、食品科学、生物科学等，解决传统方法无法处理的问题，体现化 学计量学的优势。这两方面相辅相成，互相促进。实际问题的解决， 促进了化学计量学在各化学相关领域的应用；而随着研究问题的复杂 化，反过来又对化学计量学提出了更高的要求，并且促使了新的化学 计量学方法的出现。 烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统 2 3 2 多元分辨技术与烟用香精香料组分分析 烟用香精香料本身所含化学成分复杂，是一个很复杂的“黑色 或“灰色多组分分析体系，这就向分析化学提出了一个难题，即需 找到可快速对未知复杂多组分进行同时定性分析的方法。联用色谱仪 器将分离与分析技术集于一体，是目前分析功能最强的一类新兴高维 仪器，可作为进行烟用香精香料分析的首选分析仪器。然而，对于上 述联用分析仪器，往往一个样本就能产生大量的数据，这些数据的解 析和化学信息的有效提取就成为分析化学面临的一个难点。化学计量 学多元分辨的复杂多组分解析方法的出现，为分析化学家提供了很多 新机遇，如复杂色谱峰体系纯度检验、重叠色谱峰中组分数的确定及 纯色谱与纯光谱的获得成为可能，这将为黑色分析体系的定性定量解 析提供全新思路。 近年来在模式分辨算法【1 5 】的基础上，发展了大量化学计量学多元 分辨技术，按其求解思路，大致可以分为两类：第一类，首先确定一 组较好的初始解，通常称之为纯变量【1 6 】，然后再基于迭代或变换优化， 得到纯光谱和色谱。代表性的例子有g a m p e r l i n e 和v a n t e g i n s t e 的迭代 目标转换因子分析法( i t e r a t i v et a r g e tt r a n s f o m a t i o nf a c t o r a n a l y s i s ，i t t f a ) 【1 刀【1 8 】、w i n d i g 等的s i m p l i s l i l a ( s i m p l e t o u s eh l t e r a c t i v e s e l f - m o d e l i n gm i x t u r ea n a l y s i s ) 【1 6 】、m a s s 越等的o p a ( o r t h o g o n a l p r q j e c t i o na p p r o a c h ) 【1 9 1 、m a n e 等的g e n t l e 法【2 0 】【2 1 】等。第二类算法是 我们通常所称的渐进的方法，它有效地利用了色谱的强分离性能，在 分辨中引入了组分先入先出的假设。其代表方法有m a e d e r 的渐进因子 分析法( e v o l 啊n gf a c t o ra n a l y s i s ，e f a ) 法【2 2 】【2 3 】，m a l i n o w s k i 的窗口 因子分析法( w i n d o wf a c t o ra n a l y s i s ，w f a ) 2 4 】，梁逸曾和k v a l h e i m 的直观推导式演进特征投影法( h e 嘶s t i ce v 0 1 讥n gl a t e n t 9 硕十学位论文 p r o j e c t i o n ，h e l p ) 【2 5 】【2 6 1 和m a n n e 的子窗口因子分析法( s u b w i n d o w f a c t o ra n a l y s i s ，s f a ) 【2 7 】【2 8 】等。这些方法的提出，使多元分辨法不仅 能用于解析联用色谱数据、二维光谱数据和反应动力学数据等演进型 数据，而且广泛应用在烟用香精香料组分分析研究方面【2 9 。3 3 1 。 对烟用香精香料的化学成份测定，目前一般是利用g c 或g c m s 检测，基于气相色谱保留指数或质谱等对部分组份进行定性。这样有 两个问题：其一，色谱中，经常出现背景干扰和色谱分离不完全( 重 叠峰) ，这样我们得到的质谱就难以同质谱数据库中的标准谱相匹配。 g i d d i n g s 通过色谱动力学模拟计算指出：“现在很多高分辨色谱一次 可以得到5 0 1 0 0 或更多的色谱峰，而实际上那些色谱峰往往重叠了 两个或两个以上化学成分，我们观察到的色谱峰的数目不同于实际的 化学成分的数目。这样就使我们有丢失了分析化学信息的危险，如果 我们再不能正确估计这种危险，会给我们的工作带来更大的损失。 【3 4 】其二，色谱中，经常出现的色谱漂移可能使同一化学成分在同样色 谱条件下的保留时间发生变化，给定性分析带来困难。为了克服这些 问题，就要充分利用联用色谱仪器产生的二维数据的信息。从数学的 观点，该二维数据具有非负的光谱，色谱非负并且是单峰( 只有一个 极大值) ，色谱峰一般是符合先进先出。利用该二维联用色谱数据， 化学计量学家己发展的许多二维数据解析方法，如渐近因子分析法、 直观推导式演进特征投影算法、子窗口因子分析法等。该二维数据信 息不仅成功的应用于解决一维数据难于解决的色谱峰纯度鉴定，重叠 峰分辨等问题，且已经用来解决“黑色 分析体系的难题。 1 0 烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统 3 系统架构与建模 3 1 面向对象技术思想 面向对象( o b l e c t o n e n t e d ，o o ) 方法【3 5 】是一种非常实用的软件 开发方法，它一出现就受到软件技术人员的青睐，现在已经成为计算 机科学研究的一个重要领域，并逐渐成为软件开发的一种主要方法。 面向对象方法以客观世界中的对象为中心，其分析和设计思想符合人 们的思维方式，分析和设计的结果与客观世界的实际比较接近，容易 被人们所接受。在面向对象方法中，分析和设计的界线并不明显，它 们采用相同的符号表示，能方便地从分析阶段平滑地过渡到设计阶 段。此外，在现实生活中，用户的需求经常会发生变化，但客观世界 的对象以及对象间的关系相对比较稳定，因此用面向对象方法分析和 设计的结果也相对比较稳定。本文采用面向对象方法设计多元分辨算 法单元构件、可视化构件等。 统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 是面向对象软 件的标准化建模语言。由于其简单、统一，又能够表达软件设计中的 动态和静态信息，目前已经成为可视化建模语言事实上的工业标准。 u m l 是一种定义良好、易于表达、功能强大的建模语言，采用了可 视化建模技术，将模型中的信息用标准图形元素直观的表示，方便了 用户、开发人员、分析人员、测试人员、管理人员和其他设计到项目 的人员间的交流与通信，便于在几个层次上显示系统如何工作，向所 有感兴趣的方面显示模型，并可以跟踪从业务需求到模型、到代码的 过程及其相反的过程。它融入了软件工程领域的新思想、新方法和新 技术。从企业信息系统到基于w 曲的分布式应用，甚至严格的实时 硕士学位论文 嵌入式系统都适合用u m l 来建模。它是一种富有表达力的语言，可 以描述开发所需要的各种视图，然后以此为基础装配系统。它的作用 域不限于支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件 开发全过程。此外u m l 还支持柔性软件开发，随着现在软件系统的 规模越来越大，复杂程度不断提高，新的产品开发周期已不再是从需 求定义、软件设计、实现和交付的一次性过程，迭代式增量开发方式 已得到了广泛采用。 按照前面的原理，在设计烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统时 采用面向对象的软件设计思想并采用u m l 来对系统进行建模，具体 软件为r a t i o n a lr o s e2 0 0 3 ，它支持对软件开发从模型到代码的正向生 成以及从代码到模型的反向生成。 3 2 系统建模 3 2 1 系统开发目的 以化学信息学、现代分析科学、面向对象软件开发思想为导向， 利用化学计量学多元分辨理论对烟用香精香料指纹图谱的进行研究， 开发软件支持烟用香精香料指纹图谱数据导入、数据预处理、多元分 辨解析、指纹图谱信息检索等过程，最终完成对烟用香精香料组分的 定性分析。相关技术涉及现代分析化学、应用数学、统计学、计算机 科学等学科，在数据处理过程中还需要对数据进行可视化处理 ( 2 d 3 d 图形显示) ，数据处理过程需要进行大量的计算如大型矩阵 的分解、求逆等，以及必要的分析过程控制，这些方面都是人工无法 完成的。通过开发此软件，利用计算机完成不仅高效，准确，可靠性 高，而且把复杂的处理过程封装在系统的内部，把人工无法完成的处 理过程转变为通过鼠标操作就能完成。另一方面，利用人工智能技术 还能充分利用专家的非数值性知识，对分析过程和结果进行指导。 1 2 烟用香精香料指纹图谱多兀分辨系统 开发此软件的主要目的为：以指纹图谱技术、复杂化学体系的多 元分辨方法，结合计算机人工智能技术，开发相关软件实现化学计量 学多元分辨算法，以此解决烟用香精香料指纹图谱采集过程中出现的 重叠峰等问题。最终系统性表征烟用香精香料品质，最大限度地快速 获取定性定量等品质信息，弥补传统烟用香精香料质量检验的局限与 不足，为香精香料多元分辨方法的形成与建立铺垫方法学基础。 系统特点： 1 完善的预处理功能和鼠标可视化操作； 2 在重叠峰分辨过程中提供丰富的辅助识别信息，如根据质谱 的相似程度判别重叠峰的性质，提供i n d 图、秩图、f i s h e r 图、投 影图等； 3 利用x 1 l 系列化技术保存所有方法的操作参数，提供用户 任意次数的u n d o r c d o 功能，同时用户可以在处理流程的任何环节终 止操作，系统自动保留相关信息，使用户下次登录后能继续后面工作 而无需重复上次已经完成的操作； 4 提供质谱检索和结果报表输出。 3 2 2 系统概要需求 1 系统业务逻辑 通过对卷烟厂的实地考查，听取了客户基本需求，归纳要建立好 烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统，主要考虑以下的几个业务逻 辑： 数据图谱导入：从仪器得到烟用香精香料指纹图谱数据以文件的 保存形式或载入至香精香料指纹图谱数据库后，香精香料的分辨人员 从文件或数据库中导出实验数据至系统。 谱图预处理：分辨人员将指纹图谱数据调入至系统，利用科学数 硕十学位论文 据可视化( 2 d 3 d ) 技术对烟用香精香料指纹图谱进行预处理操作， 包括数据可视化、数据剪切、数据平滑、数据背景扣除等处理。 多元分辨解析：分辨人员将原始的标准烟用香精香料样本数据和 供货商提供的新的烟用香精香料样本数据两个数据都进行多元分辨， 得出相关的色谱和质谱信息。 质谱数据检索对照：根据多元分辨方法得出质谱信息，利用质谱 数据库进行检索对照后，最终确定烟用香精香料指纹图谱中有多少个 单独的化合物，然后将解析结果以图形导出，生成结果报表并入库。 2 需求描述 根据以上的分析，我们对烟用香精香料指纹图谱多元分辨的业务 流程有了较清晰的认识，对在实施中遇到的问题也有了全面的了解。 对于设计开发整个系统，意义在于克服实施过程中所遇到的不足，提 高工作效率，并可以对香精香料数据和模型数据进行高效的管理以及 方便的查询。 系统需求概述 ( 1 ) 数据维护 系统对数据维护的要求包括：a ) 强大灵活的数据分析能力，对 数据按照可设定的逻辑进行处理并进行直观显示，如采用科学数据可 视化技术对指纹图谱数据进行即见即所得的预处理操作；b ) 根据权 限机制向用户提供完善的本地或远程查询、统计、检索功能；c ) 按 指定的格式生成常规报表、检索报表、统计分析报表等输出；d ) 具 有方便的可扩展性和可维护性。 。 ( 2 ) 与相关系统的接口 系统要求提供接口管理，以便于本系统与企业的其他信息系统的 接口。通过该接口，本系统具有与m sw o r d 、e x c e l 等系统的接口， 1 4 烟用香精香料指纹图谱多兀分辨系统 能把结果输出成相应的格式文件或直接输出到系统中。因为大量的实 验数据需要利用s p s s 等统计分析软件，系统自动把数据生成e x c e l ， d b a s e 、文本等格式文件，方便s p s s 进行处理，并能把结果存入本 系统的数据库。并可以为企业外部信息系统( 如e i 冲、c i m s 系统) 提供信息交流接口。 ( 3 ) 查询统计( 业务报表) 系统要求各功能模块具备基本的查询功能，并且还要求可以对所 有信息进行综合查询与统计，便于集中生成报表。 ( 4 ) 指纹图谱数据库的构建 系统需要构建一个指纹图谱数据库，要求采用p 2 p 技术和远程监 控技术对分析仪器上运行的软件系统进行控制。主要包括：a ) 通过 p 2 p 技术，对现场数据采集模块进行必要的模式和参数设置；b ) 从 现场数据采集子模块获取所需的测试数据并保证数据获取的完整性 与健壮性；c ) 支持对数据进行灵活的处理，如格式转换等，以便对 数据进行实时显示、编辑、监测、报警及故障处理；d ) 将有效数据 写入后台数据库系统进行存储。 3 运用u m l 用例建模的方法表述需求 ( 1 ) 确定参与者 所谓的参与者是指所有存在于系统外部并与系统进行交互的人 或其他系统。通俗地讲，参与者就是所要定义系统的使用者。寻找参 与者可以从以下问题入手： 系统开发完成之后，有哪些人会使用这个系统? 数据采集人员、 多元分辨人员、系统管理员。 系统需要从哪些人或其他系统中获得数据? 仪器配套软件，t q a n a l y s tv 6 o 系统、p i r o u e t t ev 3 1 1 系统。 硕士学位论文 系统会为哪些人或其他系统提供数据? 质检人员、t qa n a l y s t v 6 0 系统、p i r o u e t t ev 3 1 1 系统、s p s s 系统。 ( 2 ) 确定用例 对数据采集人员、多元分辨人员来说分别对应着香精香料指纹图 谱导入用例、数据预处理用例、多元分辨分析用例、质谱数据检索 用例等，对管理员来说对应着用户设置和权限维护用例。系统高 层用例如图3 1 所示： 数据采集 据采集人 图3 1 系统高层用例 1 6 多元分辨 质谱检索 烟用香精香料指纹图谱多元分辨系统 壤荐飘 图3 2 建模用例 对于建模用例来说，它又由数据载入、数据预处理、多元分辨算 法的模型、当前模型评价、报表等基本环节组成，具体描述如图3 2 所示。 用例描述如下： 用例名称：建模用例 优先级：高级 系统范围：整个软、硬件系统 用户目标：建立用于模式识别的模型 1 7 硕士学位论文 前置条件：用户启动建模系统 执行过程： a ) 数据谱图载入 描述：用户查找香精香料指纹图谱数据文件、检索指纹图谱数据 库，载入需要的图谱数据；系统确认图谱数据存在且未被载入，即可 载入数据并以图形方式显示数据。 b ) 谱图预处理 描述：利用科学数据可视化( 2 d 3 d ) 技术进行指纹图谱进行预 处理操作。根据用户提交的操作进行数据剪切、数据平滑、背景扣除 等预处理操作并记录预处理的参数。 c ) 多元分辨分析 描述：用户提交选择多元分辨的相关算法( 如直观推导式演进特 征投影法、子窗口因子分析法等) ；系统对指纹谱图数据( 色谱、质 谱) 进行分析。 d ) 质谱数据检索 描述：用户根据多元分辨分析后得出的质谱图，与质谱数据库的 数据进行检索对照，确定香精香料组分。 e )