（检测技术与自动化装置专业论文）微生物发酵过程远程监控与分析系统研发.pdf

天津科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写的成果内容。对本文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后果由本人承担。 作者签名：狄镭屯 同期：硼年，月争同 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津科 技大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：欺镏屯 日期：娜年f 月午r 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 权天津科技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。 保密口( 请在方框内打“”) ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回( 请在方框内打“、”) 。 作者签名：涨可缸 同期：如卯年月争t 9 导师签名：马永翠同期：弘呕年月尹同 j 7 摘要 本论文研究内容为天津市科委项目“微生物发酵过程远程监控系统”的一部分。 本论文论述了微生物发酵系统的设计方案及实现过程。传统的发酵过程需要实验 人员在发酵现场进行监控，发酵周期一般为- n 三天。利用本系统可以实现在实验室 监控发酵现场的状况，从而节省了相应的人力和财力。另一方面，随着计算机技术、 多媒体技术、网络通讯技术以及数字图像压缩技术的迅速发展，远程监控技术日趋成 熟，并且实现了由原来的模拟监控系统发展成为应用广泛的数字监控系统。其中，视 频监控是远程监控中的最核心的部分。本系统采用v c + + 6 0 和m a t l a b 进行程序设 计，基于套接字编程、v f w 视频采集等技术，实现了远程视频监控的功能，利用u d p 协议进行视频数据传输，具有很好的时效性；同时基于t c p 协议实现了文字消息传输 的功能，保证了能够在发酵现场和实验室两地进行实时的沟通；系统还针对发酵现场 出现的异常参数采集( 包括温度、p h 和溶氧值) ，在远程端进行了命令控制传输，对 异常参数进行及时地修改，使发酵过程顺利进行。 该系统可以对发酵结果进行分析和整理，利用支持向量机的数学模型以及模式识 别的基本原理，对发酵后的菌体量进行相应的预测，从而实现了对发酵过程进行更好 的优化控制。传统的方法是利用b p 神经网络对产物浓度进行预测，本文对这两种方 法进行了结果对比，证明了在小样本情况下利用支持向量机方法具有更好的预测性。 关键词：发酵过程；远程监控；v f w ：支持向量机；预测 a b s t r a c t t h et h e s i sw a sap a r to ft h ep r o je c t ，r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o rm i c r o o r g a n i s m f e r m e n t a t i o np r o c e s s ，w h i c hw a ss p o n s o r e db ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o no f t i a n j i nc i t y t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ec o n c e p t u a ld e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eo ft h e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rm i c r o o r g a n i s mf e r m e n t a t i o np r o c e s s t r a d i t i o n a lf e r m e n t a t i o n p r o c e s sn e e d e de x p e r i m e n t e rt om o n i t o rt h ef e r m e n t a t i o ns c e n e ，t h ep e r i o d sw a sa b o u t2t o 3d a y s m a k i n gu s eo ft h es y s t e m ，i tc o u l dr e a l i z et h ef u n c t i o no fm o n i t o r i n gt h es i t u a t i o ni n t h el a b o r a t o r y i tc o u l ds a v et h em a n p o w e ra n df i n a n c i a la b i l i t y o nt h eo t h e rh a n d ，w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n dd i g i t a li m a g ec o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y , r e m o t em o n i t o r i n g t e c h n o l o g yb e c a m em a t u r i n g i ta l s or e a l i z e dt h et r a n s i t i o nf o r ma n a l o gs i g n a l ss y s t e mt o d i g i t a ls i g n a l ss y s t e m v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mw a st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h e m o n i t o r i n gs y s t e m t h es y s t e mu s e dv c + + 6 0a n dm a t l a b t or e a l i z et h ef u n c t i o no f r e m o t em o n i t o r i n gb a s e do ns o c k e tp r o g r a m m i n ga n dv f wv i d e od a t ac o l l e c t i o n t h eu d p w a su s e dt or e a l i z ev i d e od a t at r a n s m i s s i o n i no r d e rt oe n s u r er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n ， t h es y s t e mu s e dt c pt or e a l i z ew o r dm e s s a g et r a n s m i s s i o n i no r d e rt op r e v e n ta b n o r m a l p a r a m e t e rc o l l e c t i n gd u r i n g f e r m e n t a t i o n p r o c e s s ，t h es y s t e m r e a l i z e dc o m m a n d t r a n s m i s s i o ni nt h es e r v e r - s i d e i tc a ne n s u r et h es m o o t hf e r m e n t a t i o np r o c e s s t h es y s t e mc o u l da n a l y z et h ed a t ao ft h ef e r m e n t a t i o nr e s u l t m a k i n gu s eo ft h es v m s m a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h et h e o r yo fp a t t e r nr e c o g n i t i o n , t h es y s t e mc o u l dp r e d i c tt h e t h a l l iq u a n t i t y i tc o u l dg e tab e t t e rc o n t r o lf o rt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s s t r a d i t i o n a lm e t h o d w a su s i n gb pn e u r a ln e t w o r kt op r e d i c tt h ed a t a , t h et h e s i sc o m p a r e db o t ho ft h et w o m e t h o d sa n dp r o v e dt h ea d v a n t a g eo fs v mw h e nd e a l i n gw i t hs m a l ls a m p l ed a t a k e yw o r d s ：f e r m e n t a t i o np r o c e s s ，r e m o t em n i t o r i n g ，v f w ，s v m ，p r e d i c t 目录 1 前言i 1 1 绪论。1 1 2 微生物发酵过程控制概述一l 1 3 远程监控系统概述3 1 4 本论文的主要工作及意义5 1 4 1 论文的主要工作5 1 4 2 论文的研究意义6 2 微生物发酵过程远程监控系统总体设计7 2 1 软件需求分析：7 2 1 1 系统建设的业务目标7 2 1 2 软件总体功能7 2 1 3 性能和功能要求+ 9 2 2 硬件设备及系统工作原理9 2 2 1 硬件结构图9 2 2 2 系统工作原理一1 0 2 2 3 系统硬件介绍一l o 2 3 监控系统软件总体设计1 l 2 3 1 软件总体设计1 1 2 3 2 系统运行环境1 2 2 3 3 软件界面一1 4 3 微生物发酵过程远程监控系统详细模块设计1 8 3 1 视频图像采集与传输模块1 8 3 1 1 基于v f w 的视频图像采集技术1 8 3 1 2 基于w i n s o c k 的网络编程2 0 3 1 3 视频图像传输的具体实现2 2 3 2 命令传输模块2 5 3 3 文字消息传输模块2 7 3 4 数据库功能说明2 9 3 4 1 数据库设计功能概述2 9 3 4 2 数据库结构设计2 9 3 4 3 数据库功能实现2 9 3 5 曲线绘制3 1 3 5 1 曲线绘制类的构造3 l 3 5 2 实时曲线绘制3 3 3 5 3 历【史曲线绘制- ，3 3 3 5 4 模型测试曲线绘制3 4 4 基于支持向量机的微生物发酵过程建模与软测量3 6 4 1 支持向量机基本原理概述3 6 4 1 1 支持向量机回归3 6 4 1 2 支持向量机建模与软测量4 1 4 2v c + + 6 0 下调用m a t l a b 4 3 4 3 支持向量机建模与软测量方法实现4 5 4 3 1 微生物发酵实验过程4 5 4 3 2 实验数据的获取4 6 4 3 3 数据的预处理4 7 4 3 4 模型的训练与测试4 8 4 4 软测量结果的实验对比i 5 0 5 软件安装与卸载5 2 5 1 软件的安装5 2 5 2 软件的卸载5 7 6 总结与展望5 8 7 参考文献6 0 8 论文发表情况。 9 专利及获奖。 l o 致谢 。6 6 6 7 天津科投人学顺i j 学位论义 l前言 1 1 绪论 具有悠久历史的发酵工业已经成为生物工程( b i o t e c h n o l o g y ) 和生化工程 ( b i o c h e m i c a le n g i n e e d n g ) l 拘基础【ij 。在近几十年中，发酵工业越来越发展并趋向旺盛 时期。尤其是新的生化工程领域，例如二次代谢产物的生产( 抗生素生产) 通过微生物 质和细胞的培养来获得有机物质的转换( 如类固醇) 【2 】，工业污水、动物废水的生物处 理以及酶制剂、食品蛋白、饲料添加剂等的生产【引，发展特别迅速。因此，随着生物 工程的发展，生化工业，如发酵工业越来越引起科技界、工业界和政府部门的重视。 因为生物工程的许多成果，需经过发酵工业而转化为工业产品，成为商品，所以发酵 罐及其系统在生化工业中显得越来越重要，发酵罐的体积从几立方米发展到几十立方 米，甚至上千立方米。对于这样大型的发酵罐系统，若操作控制不当，将会造成极大 的经济损失，因此，对于发酵生产过程的参数测量、操作监视、自动控制、优化操作 与控制，成为生化反应过程优化管理与自动化的关键问题1 4 【6 】。另一方面计算机技术 的飞速发展，为测量、分析、控制生化工程提供了先进的自动化工具。 微生物发酵是微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经特定的代谢途径转 变成所需产物的过程。发酵方式一般分为分批、补料一分批、半连续与连续发酵。不 同培养技术各有其用途与优缺点【7 1 。微生物具有合成某种产物的潜力，但要想在生物 反应器中顺利表达，即最大限度地合成所需产物却非易事。发酵是一种复杂的生化过 程，其发酵好坏涉及诸多因素，除了菌种的生产性能，还与培养基的配比、原料的质 量、灭菌条件、种子质量、发酵条件和过程控制等有密切关系。 对发酵生产过程的参数测量、操作监视、自动控制、建模与优化的目的是缩短新 产品的开发周期和提高发酵过程的得率。自7 0 年代以来，国外对发酵过程优化控制 做了大量的研究工作。在国内，发酵工业技术水平相对比较落后，以手工操作生产方 式为主，生产效益较低，对发酵过程的机理、模型化和优化控制研究相对较晚。因此， 利用现代控制理论、生物化工理论、计算机技术、现代测量技术来解决发酵过程中测 量、控制优化及辅助操作等问题，对于提升我国发酵工业水平，提高经济效益，有着 重要的意义。 1 2 微生物发酵过程控制概述 微生物发酵是一个复杂的生化反应过程，为了提高最终产物的得率，必须保证在 整个操作进程中有一个适宜的微生物生长代谢环境，在此基础上对发酵过程控制进行 优化，以进一步提高发酵产品得率，因此对发酵环境的监控是发酵工业中极为重要的 环节【8 j - 【引。围绕着发酵罐，通常进行下述的发酵状态的控制。 温度控制 微生物的生长和产物合成均需在其各自适合的温度下进行，温度是保证酶活性的 重要条件，故在发酵过程中必须保证最适宜的温度环境。 对于特定的微生物，都有一个最适宜的生长温度。如果从生物酶动力学方面考虑， 酶的最佳活力对应着某一个最好温度。因此，微生物发酵过程的发酵温度的控制，是 一个很重要的微生物生长环境参数，必须严格地加以控制。 影响发酵温度的主要因素有微生物友酵热、电机搅拌热，冷却水本身的温度变化 以及周围环境温度的变化等。对于小型的发酵罐温度控制系统是以发酵温度为被控制 参数，冷却水流量为控制参数的简单p i d 单回路控制方案。对于大型的发酵罐系统， 则采用发酵温度为主回路，以冷却水系统为副回路的串级控制方案。 p h 值控制 p h 值是微生物生长的另一个重要环境参数。在发酵过程中，必须严格加以控制， 否则会严重影响微生物代谢的进行和代谢产物的合成。p h 是微生物生长和产物合成 的非常重要的状态参数，是代谢活动的综合指标。因此必须掌握发酵过程中p h 变化 的规律，及时监控，使它处于生产的最佳状态。 p h 的监控控制p h 在合适范围应首先从基础培养基配方考虑，然后通过加酸碱或 中间补料来控制。如在基础培养基中加适量的c a c 0 2 。在青霉素发酵中按产生菌的生 理代谢需要，调节加糖速率来控制p h ，这比用恒速加糖或酸碱控制可提高青霉素的 产量2 5 。有些抗生素品种，如链霉素，采用氨水，控制p h ，既调节了p h 在适合 于抗生素合成的范围内，填充了产物合成所需的氮源。在培养液缓冲能力不强的情况 下，p h 可反映菌的生理状况。如p h 上升超过最适值，意味着菌处在饥饿状态。可加 糖调节。加糖过量又会使p h 下降。用氨水中和有机酸需谨慎，过量的n h 使微生物 中毒，导致呼吸强度急速下降，故在通氨过程中监测溶氧浓度的变化可防止菌的中毒。 常用n a o h 或c a ( o h ) 2 调节p h ，但也需注意培养基的离子强度和产物的可溶性。因 此，在工业发酵中维持生长和产物的所需最适p h 是生产成败的关键之一。 氧的供需控制 在耗氧型发酵过程中，氧是作为微生物生长必须的原料，若供氧不足，将会抑制 微生物的生长和代谢的进行，为此，在发酵过程中，要保持一定的溶氧浓度( d o ) 。 影响溶解氧浓度的主要因素有供给的空气量、搅拌桨转速和发酵罐的压力。如果在发 酵罐压力可自动控制的情况下，则认为发酵压力恒定不变。目前，国内发酵罐溶解氧 浓度的控制主要通过采用调节搅拌桨转速或者调节供给的空气量来实现，并且多为人 工操作，控制精度不高。 总体来说，溶氧最易对整个发酵过程构成控制因素。这是由于氧在水中的溶解度 很低所致。在2 8 c 时氧在发酵液中的1 0 0 的空气饱和浓度只有7 m g l 左右。比糖的 溶解度小7 0 0 0 倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到1 0 0 空气饱和度，若此 时中止供氧，发酵液中d o 可在几分钟之内便耗竭，使d o 成为限制因素。在工业发 天津科技人学帧i 学位论文 酵中产率是否受氧的限制，单凭通气量的大小是难于确定的。因d o 的高低不仅取决 于供氧，通气搅拌等，还取决于需氧状况。故了解溶氧是否足够的最简便又有效的办 法是就地监测发酵液中的溶氧浓度。从d o 变化的情况可以了解氧的供需规律及其对 生长和产物合成的影响。值得注意的是，在培养过程中并不是维持d o 越高越好。即 使是专性好气菌。过高的d o 对生长可能不利。 以上所述的三个参量是制约微生物发酵过程成功与否的关键性因素。因此，为了 很好地实现发酵过程的控制，通常需要对这几个参量进行很好地测量。除了这些因素 之外，影响发酵过程的因素还有很多，为了对发酵过程进行很好的控制，可以从以下 四个方面进行展丌： ( 1 ) 发酵过程参数测量系统 由于生化反应过程的复杂性，要求纯种培养，过程需要消毒等特殊性，给发酵过 程测量带来了困难。其中物理参数的测量，如发酵温度、压力、流量及发酵液面等测 量比较容易实现，。但是对于化学参数和生物参数的测量，就比较困难了，例如p h 值、 溶解氧( d o l 湔测量，呼吸参数的测量等。对于这些发酵过程参数的测量，现已经形成 了一套完整的技术和方法。 ( 2 ) 发酵过程计算机直接数字控制和监督管理系统 用计算机对传统发酵过程进行直接数字控制和发酵过程信息管理，包括硬件系统 和软件系统，己可供工业化应用。发酵过程是一非线性的时变系统，影响因素复杂， 参数相关严重。因此，利用计算机对其进行实时控制，并采集众多的物理参数、化学 参数以及呼吸代谢参数，然后进行综合分析，提供发酵过程优化工艺，指导发酵操作，： 对提高发酵过程经济效益十分重要。 ( 3 ) 发酵过程重要参数的预测估计 由于发酵过程重要参数，如生物质浓度、产物浓度以及底物浓度无法在线测量， 严重影响了发酵过程的优化操作和控制。利用生化反应机理模型、扩展卡尔曼滤波方 法、非线性观察器分布设计方法、基于物料平衡的数学回归、模糊辨识、神经元网络 等方法来预测这些重要参数，从而为优化控制和操作创造了条件。 ( 4 ) 发酵过程计算机优化控制和软件技术 发酵过程的优化控制问题，就是如何提高发酵产品的产率问题，由于涉及微生物 的生长代谢这一生命活动过程，使得发酵过程优化控制十分复杂和困难。但是可以利 用发酵过程各种信息，开发模糊控制方法、递阶专家控制系统以及基于物料平衡与呼 吸代谢来控制营养物的流加技术，从而提高工业生产发酵产量，降低消耗。 1 3 远程监控系统概述 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展丌了积极的研究i io 】- 【1 4 】。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r n e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主 办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系 统丌放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展 l 前高 作了展望由斯坦福大学和麻省理工学院合作丌发基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊 断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、 b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。之后的时间里，远程监 控技术更是有了十足的发展。 远程监控系统中的核心部分通常是视频监控部分，大体经历了三代的发展历程： ( 1 ) 第一代模拟视频监控系统【1 5 】- f 1 7 】 ，第一代模拟视频监控系统由模拟监控系统由摄像机、模拟视频矩阵、监视器和磁 带录像机等组成。以一台摄像机对一台监视器办圭，用午范围很小的视频监视。视频 切换矩阵的出现使一对一的监控变为多点监控。在监控系统中增加了数据采集与报警 控制功能。对于多路视频信号输入和输出，采用模拟视频矩阵主机，用键盘切换和控 制，用录像机磁带录像【墙】。第一代系统存在很多明显的缺点，例如维护工作繁琐、无 法进行远程访问、无法与其他安防系统( 如门蘩：甥界防护等) 有效集成、录像质量 将会随着时间的推移下降等。 一一 一? ：t ：。： ， ( 2 ) 第二代基于p c 机的数字视频监控系统。 基于p c 机数字视频监控系统由p c 机插视频卡和数字控制的视频矩阵构成，多个摄 像机及各种检测、报警探头与数据设备在监控现场通过各自的传输线路汇接到监控机 上【1 9 1 。这种监控系统，数字视频信号可不受距离限制地在计算机局域网或广域网上传 输，信号不受干扰，图像品质和稳定性相对于模拟监控系统有大幅度提高。 ( 3 ) 第三代网络化视频监视系统 目前j 下在蓬勃发展的第三代网络化视频监视系统，又称为i p 监视系统。它最早 出现于2 0 0 1 年。网络化视频监视系统从一开始就是针对在网络环境下使用而设计的， 因此它克服了d v 洲r 无法通过网络获取视频信息的缺点，用户可以通过网络中的 任何一台电脑来观看、录制和管理实时的视频信息。第三代视频监控系统是完全数字 化的系统，它基于标准的t c p i p 协议，能够通过局域网无线网互联网传输，布控区 域大大超过了前两代系统【2 0 】。【2 2 】；它采用丌放式架构，可与门禁、报警、巡更、语音、 m i s 等系统无缝集成；它基于嵌入式技术，性能稳定，无需专人管理；它灵活性大大 提高，监控场景可以实现任意组合，任意调用。 近年来，全程数字化、网络化的视频监控系统优势愈发明显，其高度的开放性、 集成性和灵活性，为整个安防产业的发展提供了更加广阔的发展空间，而智能视频监 控则是网络化视频监控领域的“领头羊”。它可以应用在高级视频移动侦测( a d v a n c e d v m d ) 、物体追踪( m o t i o nt r a c k i n g ) 、人物面部识别( f a c i a ld e t e c t i o n ) 、非法滞留1 2 3 j ( o b j e c tp e r s i s t e n c e ) 等领域。方便可靠，具有报警精度高、响应速度快等优势。 智能化、数字化、网络化是视频监控发展的必然趋势，智能视频监控的出现正是 这一趋势的直接体现【2 4 】。智能视频监控设备比普通的网络视频监控设备具备更加强大 的图像处理能力和智能因素，因此可以为用户提供更多高级的视频分析功能，它可以 极大的提高视频监控系统的能力，并使视频资源能够发挥更大的作用。 天津科技人学硕l j 学位论文 从硬件角度来讲，目前远程监控技术的主流是应用i n t e r a c t 技术，在t c p i p 协议和 ， w w w 规范的支持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获 取自己权限下的所有信息并及时做出响应将来，嵌入式系统的发展会越来越迅速，越 来越成熟，这项新技术将用于远程监控系统上，是监控系统发展方向之一。嵌入式监 ，一 控系统可以使信息实现本地化处理，改善服务器性能，可以使每一个设备具备上网与 t = t 。服务功能，即每一个设备都可以独立进行服务，从而大大提高监控的质量和范围。 一一。 一 髓着数字化、网络化的发展，社会对监控领域的需求范围不断扩大，对监控系统。?0 j 一_ ： 一 本身的交互性、高效性、灵活性、安全性及稳定性也必然会提出更高的要求【2 5 】。多媒一。 一，一体信息的处理，一比如图像压缩、运动检测、基于内容的检索以及音视频实时传输等方：二二 面都有待于更进一步的完善。随着新技术的应用，下一代互联网( n g n ) 技术将重点 考虑视频应用。n g n 将会对网络监控产生巨大的影响：一是网络带宽的变化；二是 一：二? 二网络协议的变化：比如i p v 6 、的发展，基于网络的远程数字视频监控系统将具有很大一 ： 一的开发潜力，。它实现了质量管理，可以按要求对不同内容进行带宽的分配，这一点会。二 一- + 对各类视频应用产生质的改变。 +。 。：一j 一。日 一：。一一 1 4 本论文的主要工作及意义一i 二j 一一 ?一 1 4 1 论文的主要工作 本论文通过对发酵过程和远程监控理论的分析和研究，设计了微生物发酵过程远 程监控系统。主要工作有以下几点： ( 1 ) 视频采集技术的实现 对视频采集原理进行详细分析，利用v c + + 6 0 实现视频采集技术，并针对图像延 迟、图像清晰度等方面进行相应的改善。 ( 2 ) 实现视频监控 ：着重分析视频图像的传输过程及传输机理，包括视频采集、视频图像的编码解码 等过程；利用w i n s o c k 编程技术实现视频传输，从而实现在实验室监控发酵现场的过 程，达到远程监控的目的。 ( 3 ) 实现命令传输功能 当发酵试验现场出现参数采集( 如p h 值、温度值、溶氧值等) 异常的时候，通 过视频监控能够发现，并且在远程端利用命令传输功能，可以实现对现场端的错误参 数采集进行实时的控制和修改，以达到实时监测控制系统的目的，同时保证系统正常 运行。 ( 4 ) 实现文字传输的功能 在某些特殊场合下，远程端的实验人员需要与现场端的操作人员进行沟通。利用 文字传输功能，可能实现远程、现场两端实时交流的目的，以便对现场状况进行实时 的监控和调整。 ( 5 ) 数据库操作和管理 采集进来的参量存入相应的数据库巾，利用数据的时候可以随时从数据库中取 l 前击 出，并进行相应的处理，方便可靠。 ( 6 ) 对菌体产量进行预测 基于支持向量机的数学模型和模式识别的基本原理，对发酵过程中的菌体产量进 行相应的预测，从而更好的实现了对发酵过程进行优化控制一。 。 ( 7 ) 研究利用多线程技术+ 研究利用多线程技术来提高效率，合理安排线程，分析安排各个线程的结束时间 的先后顺序，使系统兼备稳定性和实时性。 1 4 2 论文的研究意义 j 二 本课题为天津市科委项目“微生物发酵过程远程监控系统研发”的一部分，以实 现性能良好的微生物发酵过程远程监控系统为目的。对于发酵过程而言，具有周期长， 过程复杂等特点，需要固定人员长时间在现场监控发酵罐，：并且由于多种客观原因，一 一 如视觉误差、操作延迟等，会影响试验结果，从而影响菌种的发酵。而远程智能监控一 通过计算机控制来实现，恰巧符合当今科研趋势，可以在远程端方便的观察现场图像， 并对发酵结果进行预测。轻松实现“在试验室看现场的过程”，从而节省人力物力， 并且提高观测准确性。现有的大部分监控系统，特别是视频监控系统在系统稳定性、 时间延迟、图像清晰度等方面均存在一定的局限性。课题要解决的问题主要从以上几 个问题入手，提高系统性能。特别是课题中在视频监控部分加入了对菌体产量进行预 测的功能，采用基于支持向量机的模式识别方法，能够对产量进行较为准确的估计。 为优化发酵过程提供了指导作用，并对试验结果的分析过程提供了相应的数据结论。 天津科技人学硕i ：学位论文 2 微生物发酵过程远程监控系统总体设计 2 1 软件需求分析 2 1 1 系统建设的业务目标 发酵工程是利用生物( 微生物、酶、动植物细胞) 的特定性状，通过现代工程技 术手段产生有用物质或直接应用于工业化生产，将生物资源开发、医药制品、能源、 化学制品、环境保护等全球性课题联系起来的一种技术体系，是将传统发酵技术与基 因工程、细胞工程、计算机模拟与控制等新技术结合并发展起来的现代化技术。发酵 工业的各类产品己广泛应用于轻工、医药、食品、畜牧、能源、环境等领域中。七十 年代以来，基因工程、细胞工程、酶工程、生化工程等新技术的发展给发酵工程学科 注入了新的活力，为解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大 问题开辟了新的途径。发酵工程必将为我国国民经济的发展做出更大的贡献。 发酵工程学科是天津科技大学( 前身天津轻工业学院) 1 9 5 8 年建校时就成立的主 要学科之一。1 9 8 4 年被国家批准为硕士授权点，1 9 9 3 年被批准为博士授权点。在天 津科大具有举足轻重的地位，是天津市“重中之重 重点学科实验室。 远程图像的传输和管理是计算机p 视频技术、视频和音频数据的压缩及解压处 理技术、互联网应用技术相结合的系统，采用先进的编解码技术和先进的网络传输技 术，与信息管理系统融合在一起，达到对远程视频图像和告警信息集中化管理和监控 的目的，提高管理水平和效率。 通过前蘧对发酵过程的介绍可以看出，发酵过程是一个十分复杂的过程。在进行 菌体发酵过程的时候，需要固定人员长时间在现场监控发酵罐，这是一个既耗时又费 力的工作。并且由于多种客观原因，可能会影响到发酵的试验结果，从而影响菌种的 发酵。本课题致力于利用远程监控系统的优势，应用于发酵过程之中，从而节省人力， 提高效率，可以在远程端方便的观察现场图像，并且对菌体量进行预测，并进行相应 的处理。 2 1 2 软件总体功能 经过对课题国内外研究历史和现状的调研，以及对课题技术路线可行性的分析， 本软件主要实现了如下几点功能： 可以实时监控发酵 保证在无人值守时高稳定状态下自动监控运行 对于手工操作响应及时、具有完善的数据库维护、方便的历史纪录等功能 简单明了、人性化的操作界面 现场参数实时曲线显示 在发酵过程中，实验者利用此软件可以监控到温度、p h 值等参数的曲线值，获取 所需数据，当进入发酵监控软件现场端界面后，点击菜单项“实时监控”专“参量显 2 微生物发酵过程远程舱挖系统总体设计 示，则会出现如图2 - 1 所示的画面： 张矗- o 手动投舒自动 舅蛳富对雠远埋艇啦) 蛐蛙嚏蛐- ) 历史纪曩证j 蕾嘎摩皤p 掣糟助叫 鸯右。、唯- 一 p - 0 琢 图2 - 1 现场端界面情况 f i g 2 - 1i n t e r f a c eo f t h ec l i e n t - s i d e 画面左边是以数字的形式显示各个参数的变化情况，以及开关控制状态的显示。 界面右边是各个参数曲线状态图分布情况，利于数据获取。实验者可以很清晰直观地 对各个参数值进行观察、比较。 文字消息功能 此软件还有即时消息功能，现场端和远程端用户可进行及时的交流，更好地对实 验进行监控、优化。 良好的扩展性和兼容性。 视频监控 上面所说的曲线状态图是获取实验信息的途径之一。此软件还可以通过视频功 能，及时了解发酵现场的实验过程。这个功能不仅适用于现场端用户，更有利于远程 端的技术人员对现场的实验进行监控，而不必奔波于两地之问。 发酵过程建模 软件使用支持向量机的方法进行数学建模，从而得到菌体浓度的预测值，并显示 出其误差曲线。 数据库维护 通过“数据导入 和“数据导出”操作，可以方便实现对数据库数据的写入写出， 便于数据管理和操作。 天津科技人学颐i ：学位论义 2 1 3 性能和功能要求 以s v m 等方法为理论指导，利用网络控制技术和图像处理技术开发集微生物发酵 过程建模、状态监测、优化控制和智能数据处理于一体的先进控制与分析软件，主要 包括： ( 1 ) 研究基于s v m 的发酵过程建模方法，开发发酵过程建模分析模块，研究提高 产物得率和品质的方法。 ( 2 ) 利用网络控制技术，通过t c p i p 等协议实现客户端连接远程监控发酵过程。 ( 3 ) 开发具有视频监测、调度优化等功能模块的先进控制软件。 2 2 硬件设备及系统工作原理 2 2 1 硬件结构图 该系统的硬件结构图如图2 - 2 所示： 图2 - 2 系统硬件结构图 f i g 2 - 2h a r d w a r es t r u c t u r ed i a g r a mo ft h es y s t e m 系统试验现场端分为上位机和下位机两部分。具体的连接情况如图2 - 3 所示： 2 微生物发酵过程远程航控系统总体i 5 2 汁 图2 3 系统连接图 f i g 2 3c o n n e c t i o nd i a g r a mo ft h es y e s t e m 2 2 2 系统工作原理 系统分为远程端和现场端两部分。现场端又称本地端，主要是指发酵实验室现场。 而远程端是指监控发酵现场的实验室。两者通过局域网网络环境相互连接，可以实现 视频监控等多种功能。发酵实验室现场分为上位机和下位机两部分。下位机主要的工 作任务由p l c 完成，上位机的工作任务由p c 机完成。上位机( p c 机) 主要负责数据存 储与处理部分，下位机( ( p l c ) 实现现场数据采集与回路控制部分。下位机直接同现场 的测量装置直接相连，按照温度、p h 值、溶氧、泡沫高度的顺序分回路进行数据的采 集、处理、现场设备的控制，如此循环往复；上位机与下位机之间使用专用的p p i 电 缆连接，通过串行c o m 口进行实时通讯，从而实现了发酵罐的数据采集和监控。 2 2 3 系统硬件介绍 微生物发酵监控系统主要需要的硬件设备有：传感器设备( 温度、溶氧、p h 传感 器) 、p l c 等。 p h 计 本课题中p h 值的检测部分采用上海申东生化传感器厂生产的g k f 型耐高温p h 传 感系统，该系统中的s d 一2 1 7 型工业p h 计采用国际通用标准机箱，内部组件为框架式 结构，整机体积小，机内连线少，便于调试。具有p h 值上、下限报警，悬浮信号输 入功能，便于同各种控制系统和计算机系统连接使用。表面采用高亮度l e d 数码管显 示。 溶氧传感器 天津科技人学硕i ：学位论文 本课题中用于发酵罐d o 检测的仪器是由瑞士m e t t l e rt o l e d o 公司生产的溶氧 4 0 5 0 系列仪表，该仪表是一种多功能仪表，它集测量、信号转换、显示于一体，能够 很好地完成本课题中的发酵罐溶氧测量。每次测量时的单位可以是百分比饱和浓度或 者p p m 中的任何一个，操作模式可以从菜单进行切换。用户可以用这个单元来测量具 有比例或界限控制的溶解氧。此测量仪有许多使用友好、安全的特点。 西门子p l c ( s 7 - 2 0 0 系列) 本控制系统中使用的下位机，即p l c 是德国西门子公司生产的s 7 1 0 0 系列。 7 - 2 0 0 系列是一类可编程逻辑控制器( m i c r op l c ) 。这一系列产品可以满足多种多样的 自动化控制需要。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令， 使得s 7 2 0 0 可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的c p u 类型和电压 等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。基于此，本课题选用 了其中的一种类型作为控制器来进行发酵罐的环境控制。 2 3 监控系统软件总体设计 2 3 1 软件总体设计 该远程监控系统由两部分构成：即现场端和远程端。现场端主要负责发酵过程的 参数采集和控制、实验数据的远程传输、远程控制指令的接收和执行、视频图像的采 集和传输、同远程端的文字消息传递。远程端主要实现实验数据的接收、远程控制指 令的发送、视频图像的接收、同现场端的文字消息传递。现场端可独立使用，也可与 远程端配合使用，远程端必须与现场端配合使用。 该系统在i n t e r n e t 上主要可实现三类数据的传输：即监控现场的实时视频图像、 文字消息传输以及监控命令的传输。第一类数据的传输因为对实时性要求较高，所以 采用u d p 协议，可变速率自适应传输图像。即网络空闲时，采用高速传输，提高每秒 传输的帧数；而网络繁忙时，采用低速率传输。同时辅助以变象素大小的图像采集方 式，图像从大尺寸j p e g 到小尺寸j p e g ，随网络环境而定。后两类必须确保传输的准 确性，因此利用t c p 协议来传送。关于u d p 协议与t c p 协议的区别将在后面有所介绍。 当传输实时采集图像时，现场视频采集端利用v f w 原理进行远程图像采集，并在 现场计算机中进行处理，首先是将采集的图像进行压缩，然后在网络上传送，并且利 用u d p 协议的非阻塞模式，能根据网络的情况自动适应，及时将数据传送给服务端。 另外，现场端能手动拍照，保存为2 4 位的b m p 文件，同时也能将视频采集数据写成 没有压缩的a v i 格式文件，能对采集卡的属性进行适当的设置，以达到满意的效果。 系统亦可实现视频录像、回放等功能，便于观察和监控现场。 对于视频数据，远程端来接受从现场传送过来的数据，并进行处理。首先进行解 压缩，再将解压后的数据进行图象处理，判断现在是否有异常发生，如果产生异常， 则响应报警程序，通知相关人员。另外，远程端能将命令可靠的发送到现场端，以便 现场端能根据服务端的要求进行适当的处理。 总体来说，软件主要包括即视频传输、命令传输、文字传输和菌体量预测四个模 2 微生物发酵过程远程噩在控系统总体设计 块。主要传输视频数据、命令数据和文字消息信息三类数据信息。另外软件还包括数 据库功能的实现以及界面、图形曲线的绘制。下面的章节将会按照这样的几个模块分 别加以说明。软件的具体框图如图2 4 所示。 现场端 视频i 视频1 视频数 j 采集i 1