（电路与系统专业论文）烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 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，能有效地对香精香料进行整体性的品 质分析与控制。以指纹图谱技术、复杂化学体系的多元校正与分辨方 法，同时结合计算机人工智能技术，系统性表征香精香料品质，最大 限度地快速获取定性定量等品质信息，弥补了传统香精香料质量检验 的局限与不足。为香精香料现代质检质控方法的形成和建立垫铺了方 法学基础。 本文首先将化学计量学方法、面向对象的软件思想与烟用香精香 料质量指纹图谱控制系统的设计结合起来，对系统的设计进行研究， 提出了烟用香精香料质量指纹图谱控制系统模型和架构。 然后，以x m l 语义技术建立满足海量的指纹图谱数据和模型数据 存储的指纹图谱数据库，使指纹图谱、模型等数据可以方便存储、读 取、检索、跟踪和维护并且支持模型的持久化； 最后依据设计好的系统模型、架构，利用软件设计模式的方法开 发和实现整个系统，使系统具有很好的可重用性和可扩展性，如：采 用c o m m a n d 模式和缓存技术实现系统的u n d o r e d o 功能，使系统能任意 次的撤消和重做；采用单件模式实现数据库连接池的应用；应用外观 模式实现统一模式识别的模型接口：打开、存盘、导入、导出、序列 化。 论文以云南红河卷烟厂烟用香精香料质量指纹图谱控制系统的 设计和开发为实践背景，系统经过测试和近几个月的运行说明系统具 有良好的用户满意度。烟用香精香料质量指纹图谱控制系统为云南红 河卷烟厂实现了香精香料整体性品质分析与控制的信息半自动化处 理，丰富了中式卷烟的香精香料质量控制技术。 关键词香精香料：化学计量学：指纹图谱：语义：质量评价：设 计模式：x m l 数据库 a b s t r a c t f l a v o ra n dp e r f u m et e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n c i g a r e t t em a n u f a c t o r yc h a i na n di na s s e s s m e n to fc i g a r e t t e q u a l i t y ，w h i c hc a nc o n t r o la n da n a l y z et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c e f o rf l a v o ra n dp e r f u m e f i n g e r p r i n ts p e c t r a lt e c h n o l o g ya n d c o m p l e xm u l t i v a r i a t ec a li b r a t i o nm e t h o di nc h e m i s t r ya n d c o m p u t e ra r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea r ec o m b i n e dt or e p r e s e n t f l a v o rq u a l i t ya n do b t a i nc e r t a i ni n f o r m a t i o ni n s t a n t l y ，w h i c h c a nm a k eu pt h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lm e t h o d s t h e s ec a n f o r mag o o dm e t h o d o l o g yb a s ef o rc i g a r e t t ef l a v o ra n dp e r f u m e q u a l i t yc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r ， c h e m i s t r yc o m p u t a t i o n ，o b j e c to r i e n t e d d e s i g na n df i n g e r p r i n ts p e c t r a ls y s t e ma r ei n t r o d u c e d a n dt h e s y s t e mm o d e la n di n f r a s t r u c t u r ef o rf i n g e r p r i n ts p e c t r u m s y s t e mi nq u a l i t yc o n t r o lo fc i g a r e t t ef l a v o ra n dp e r f u m ea r e 。 p r e s e n t e d b a s e do nx m ls e m a n t i ct e c h n o l o g y ，t h ef i n g e r p r i n t s p e c t r a ld a t a b a s ei sb u i l tt om a k ei tc o n v e n i e n tt os t o r e ， r e a d ，r e t r i e v e ，t r a c ka n dm a i n t a i ni n f o r m a t i o n f i n a l l y ，u s i n gs o f t w a r ed e s i g nm o d e l s ，t om a k et h es y s t e m w i t hb e t t e rr e u s ea b i l i t ya n de x t e n d i b i l i t y ，w ea p p l i e d d i f f e r e n td e s i g n s ，s u c ha sc o m m a n dm o d e l ，u n d o r e d of u n c t i o n i nc a c h et e c h n o l o g y ，s i n g l em o d e lf o ra p p l i c a t i o no fd a t a b a s e c o n n e c t i n gp o o la n do u t l o o km o d e lf o ru n i f i e dp a t t e r n r e c o g n i t i o ni n t e r f a c et oo p e n ， s a v e ， i m p o r t ，e x p o r ta n d 1 1 1 s e r i a l i z e t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r a c t i c a lb a c k g r o u n do f f i n g e r p r i n ts p e c t r u ms y s t e mi nq u a l i t yc o n t r o lo fc i g a r e t t e f l a v o ra n dp e r f u m ei ny u n n a nh o n g h ec ig a r e t t ei n d u s t r y t h e f i n g e r p r i n ts p e c t r a ls y s t e mh a sb e e nt e s t e df o rs e v e r a lm o n t h s t h er e s u l t sp r o v et h a tt h es y s t e mh a sg o o du s e rs a t i s f a c t i o n t h es y s t e mr e a l i z e dt h es e m i a u t o m a t i o np r o c e s s i n go ft h e c i g a r e t t ef l a v o rq u a li t yc o n t r o la n da n a l y s i sa n de n r i c h e dt h e q u a li t yc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rc h i n e s ef l a v o ra n dp e r f u m e t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：f l a v o r a n ta d d i t i v e ：c h e m o m e t r i c s ；f i n g e r p r i n t s ； s e m a n t i c ：q u a l i t ye v a l u a t i o n ：d e s i g np a t t e r n ：x m l d a t a b a s e 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 文不含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：龟牵l 耖芦三印年占月f 孑日 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， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 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，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 作者签名： 导师签名： 。v 7 7 酣月月 框多6 舫壮产 湘杪、卿 删群 以期期 在日日 请 一试允 影、每 枷格 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 第1 章绪论 1 1介绍烟用指纹图谱的研究背景 本论文所涉及的烟用香精香料质量指纹图谱控制系统是2 0 0 6 年 国家烟草专卖总局科技评审并立项的项目 2 0 0 6 j 3 7 1 。该项目的立 项充分肯定了本项目的理论和实际价值。 香料是具有特殊香气的天然或合成有机化合物，香精则是由人工 调配出来的含有两种以上乃至几十种香料( 有时也含有适宜的溶剂或 载体) 的混合物。香气是香料的“灵魂”。目前国内主要烟厂香精香 料的质量主要依靠测试几个物理指标( 如比重、热稳定性、粘度等) 来衡量n 1 ，这种方法存在明显的不足，香精香料厂家能通过添加大量 的“包裹剂”或“干扰剂”来满足这些指标，而关键组分的含量反而 比较低，主要是没能有效的利用香精香料的内在信息。化学指纹图 谱分析技术是科学可行的现代质量控制方法，已引起分析化学界的 广泛关注，因此许多厂家开始利用现代仪器方法( 例如：气相色谱法、 质谱法、光谱学) 以及相互之间的联用( 如g c _ m s ) 来建立指纹图谱 库啦3 ，在此基础上，通过相似度计算、模式识别等方法来评价相互之 间的相似程度，以达到质量控制的目的。因为香精香料技术作为卷烟 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。所以， 在国外同行业，该方面的研究少见报道。而在国内，该方面的研究处 于零星、简单的起步状态。反而，其它行业，如食品 3 】、医药行业【4 】， 不论是国内、国外，应用该方面的技术对中草药进行质量分析与控制 已经取得了显著性的成效【5 】。 香精香料大都是一个复杂的多组分化学体系，制造香料的原材 硕士学位论文 料、含香料的产品，一般形成香气成分的种类繁多，含量不多，而且 化学、物理性质都不尽相同。另一方面香精香料添加“包裹剂”或“干 扰剂”，防止产品的关键成分被识别。因此只依靠一些常规的特征指 标确定其品质存在一定的局限性，因为香精香料整体质量和品质是来 自多种活性成分之间的协同作用。 目前所见的指纹图谱大多是单张的色谱指纹图谱众所周知，当 物质体系比较复杂时，单张化学指纹图谱往往难以完整地反映出香精 香料的化学组成特征，需要建立多元化学指纹图谱，即将多张反映 香精香料若干部分化学组成特征的指纹图谱组合在一起，共同表征 其完整的化学组成特征，形成多元指纹图谱现行的指纹图谱相似 度计算方法，适宜于待测指纹图谱与标准指纹图谱问相似性的一对一 定量评价，无法完整描述和区分指纹图谱相似性的多对多比较旧， 因此难以用于定量评价这类多元指纹图谱的相似性，纹图谱中所包含 的错综复杂的成分分布规律和相互关系，因此，对于这些问题的深入 研究，对模式识别等特征判别和分类技术的应用和开展均提出了迫切 的要求。 因此有必要开发出新的烟用香精香料质量控制技术，随着现代分 析仪器联用技术的迅速发展，为香精香料这一复杂化学体系的定性定 量分析提供了许多优异的硬件条件，加之计算机技术与化学计量学方 法的有效融合，对多维量测数据的解析提供了许多新的数学方法，使 联用仪器所产生的大容量数据的定性定量快速分析成为了必然。这对 复杂多组分化学体系进行质量指纹分析，最大限度地掌握其品质信息 提供了全新的解决思路。因此，采用质量指纹图谱技术、化学计量学 算法、可视化、模式识别等技术，在建立香精香料质量指纹库的基础 上，开发基于统计信息的模式识别相似性算法，建立基于化学指纹图 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 谱的质量指纹分析、质量控制和评价方法，利用香精香料配方自身内 在的化学信息来实现质量控制，可有效解决采用传统分析方法研究香 精香料品质的不足，避免了传统方法容易造假的弊端，还能辅助香精 香料配方设计。 总之，目前烟用香精香料质量控制面临的问题，主要涉及评价指 标体系的建立，如何从海量实验数据中提取统计特征、化学特征和结 构特征等几大类，并在此基础上进行模式设别等技术。一般来说，两 类特征各有优势。例如，使用统计特征的分类器易于训练，而且对于 使用统计特征的分类器，在给定的训练集上能得到相对较高的识别 率，因此两者结合能得到可靠性较高的识别结果。另一方面，还面临 复杂数据处理算法，特别是多元分辨、特征提取、模式识别等以及矩 阵和2 d 3 d 可视化基础算法等的实现问题。 评价指标体系问题，通过建立烟用香精香料指纹图谱( 色谱、光 谱和质谱等指纹图谱) 谱数据库，在此基础上，针对海量仪器数据的 模式识别，特征提取对于海量实验数据处理非常必要，例如相似性评 价，特征提取、数据挖掘、模式识别与预测、差异性分析、聚类分析 以及2 d 3 d 可视化、多元分辨等方面，还缺乏实用的解决方案 q t s 。 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 品质分析与控制，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 辨，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 指纹图谱特征库和用于预测未 硕士学位论文 知样本的模型库，( 序贯) 特征加权聚类算法网等技术最大限度地获 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定量 等品质信息，系统性表征香精香料品质，弥补传统香精香料质量检验 的局限与不足。建立以烟用香精香料标准指纹图谱库为基础的品质分 析与控制系统构架，开发基于多变量技术的香精香料质量指纹分析与 控制系统，实现香精香料整体性品质分析与控制的信息半自动化处 理，丰富中式卷烟的香精香料质量控制技术。 通过本课题的研究，探讨面向对象技术的烟用香精香料质量指纹 图谱控制系统建模，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质量指纹图谱控制系统开发工作，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、 ) a 帆技术、数据库技术与烟用香精香料质量指纹图谱控制系统的设 计结合起来：对u m l 在香精香料质量指纹图谱控制系统中应用进行 研究；以沮，语义技术建立满足海量的指纹图谱数据和模型数据存 储的指纹图谱数据库；用软件设计模式的方法指导设计和实现系统； 对系统在其它领域中的应用推广进行了探索。 本文的工作分以下几个部分： 第一部分简要介绍了课题的研究背景、应用价值及论文的主要研 究工作。 第二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质量指纹图谱控制系统 4 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 模型和系统整体架构。 第三部分介绍了x m l 语义技术在指纹图谱数据库中的应用，包 括如何定义、存储、检索、抽取、维护海量的指纹图谱数据和用于预 测的模型数据，以及运用语义技术的优势。 第四部分分析设计模式在系统中的应用，提出了系统关键技术的 解决方案，包括：数据库连接池的应用、指纹图谱模型的表现视图与 系统业务逻辑的分离、海量的化学信息处理过程的u n d o r e d o 等问题 的解决方案等。 第五部分介绍烟用香精香料质量指纹图谱控制系统的相关应用 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。 硕士学位论文 第2 章面向对象技术与系统建模 2 1 化学计量学方法基本概念 化学计量学1 0 。1 习诞生于7 0 年代初期。1 9 7 1 年，瑞典化学家s w o l d 在为一项基金项目定名时，从“化学数据分析”( c h e m i c a ld a t a a n a l y s i s ) 、“化学中的计算机”( c o m p u t e ri nc h e m i s t r y ) 和“化学计量 学”( c h e m o m e t r i c s ) - - 者中选定后者而正式宣布了化学计量学这门新 兴学科的诞生。化学计量学理论和方法已渗透到化学中的各个领域， 已经成为化学量测的基础理论和方法学。 化学计量学是数学和统计学、化学及计算机科学三者相互交缘而 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 r n a t i o n a lc h e m 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。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三者的“接 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 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 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质量指纹图谱系统基于化学计量学算 法对烟用香精香料复杂多组分体系进行多元校正、多元分辨、模式识 别、差异性分析的过程，从而达到对烟用香精香料质量进行控制。 2 2 指纹图谱的基本概念 所谓“指纹分析”是借用了法医学的指纹鉴定的概念f 1 4 】【l 习，人的 指纹有拱形、环形和螺纹形3 种基本模式，这是人类的共性，但每一 个人的指纹在细微处却绝对不同，这是指纹的唯一性。同理，对于同 种香精香料，由于具有先天遗传性，其所含化学成份也具有遗传性， 个体之间就必然有群体共有的特征，这样在他们的色谱图、光谱图或 d n a 序列等分析图谱( 称之为指纹图谱) 上就会表现出相同的特征。 但是由于植物的化学组成因生长环境、生长年限的不同而可能产 生个体间较为明显的差异，在其指纹图谱中又会反映出其与群体的不 相似性。 硕士学位论文 指纹图谱能反映出产品的“共性”及“个性”。共性是指能体现 出不同产地、不同采收期的同种香精香料或不同批号的同一种成品共 同具有的某些特征( 如色谱图中的共有峰) 。“个性”是指能反映出该 香精香料或成品有别于其它任何物质，以及能反映出同种香精香料由 产地或采收期不同造成的差异，对于成品，则能反映出同一产品不同 批次间的差异。 烟用指纹图谱分析就是通过分析同种香精香料，或者同一产品不 同批号问的指纹图谱的差异，在不可能将复杂成分都搞清楚的情况 下，反映出内在质量的均一性和稳定性【1 6 1 。差异越小，说明香精香料 或产品的稳定性越好。因此指纹分析的最终目的就是判定原料或产品 的质量是否稳定，确定其真伪及优劣。 化学指纹图谱分析不等同于一般的仪器分析，它通常由指纹图谱 获取及指纹图谱鉴别计算两部分所组成，前者是指采用色谱、光谱以 及色质联用等仪器分析方法，获取能够表征样品化学组成特征的组分 群体分析图谱或图像；后者是应用计算分析技术对所获得的图谱数据 进行处理，通过筛选和简化，获得专属、宏观、整体的化学特征综合 信息，并对样品化学组成的总体波动情况进行估测f l 刁。用中药指纹 图谱监控中药质量，并不要求指纹图谱中每一个组分都清楚，也不要 求对每一组分都精确测定，但要求图谱具有指纹特征，即要求专属、 稳定、实用。与中药组成相类似，复杂烟用香精香料的大多数化学成 分也往往很难对其都进行定性分析，而且从质量控制的角度来说，保 持产品的稳定性和延续性是质量控制核心目的。 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 2 3 系统建模 2 3 1软件开发目的 以化学信息学、现代分析科学的思想为导向，采用指纹图谱技术 对烟用香精香料的化学基础进行研究，并对其进行整体性品质控制， 相关技术涉及现代分析化学、应用数学、统计学、计算机科学、模式 识别、数据挖掘技术、人工智能、信号处理等学科，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。通过编写相关的软件，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。 主要目的： 以指纹图谱技术、复杂化学体系的多元校正与分辨方法，同时结 合计算机人工智能技术，系统性表征香精香料品质，最大限度地快速 获取定性定量等品质信息，弥补传统香精香料质量检验的局限与不 足。为香精香料现代质检质控方法的形成与建立铺垫方法学基础。 1 建立基于x m l 的数据平台，为进一步实现数据挖掘( d m ) 和数据库知识发现( k d d ) 奠定基础。 2 开发完成基于化学计量学、多元分辨、统计模式识别等技术为 一体的烟用香精香料质量指纹控制系统，实现通过分析香精香 料自身化学信息整体特征对其进行质量控制。 9 硕士学位论文 2 3 2 系统需求概述 1 系统的业务逻辑 通过对云南红河卷烟厂的实地考查，听取了客户基本需求，归纳 要建立好烟用香精香料质量指纹图谱控制系统，主要考虑以下的几个 业务逻辑： 数据图谱载入：香精香料的质检取样人员将香精香料样品送入仪 器，从仪器得到香精香料指纹图谱数据并载入至香精香料数据库。 谱图预处理：质检人员很方便的将指纹图谱数据调入至系统，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，包 括数据剔除、数据剪切、数据压缩、数据平滑、数据背景校正、数据 保留时间、漂移校正等处理。 建立模式分类的模型：建模人员将预处理后的指纹图谱数据分类， 采用化学计量学的模式识别的算法对多于两类的指纹图谱数据建模。 预测：质量监控人员利用建立好的模型对新来的香精香料样本数 据进行预测，从而能有效地监测和分析数据。 差异性分析：质检人员将原始的标准香精香料样本数据和供货商 提供的新的香精香料样本数据详细的差异性比较，首先将两个数据进 行多元分辩，得出相关的色谱和质谱信息，对质谱数据进行检索后查 看香精香料指纹图谱中多少个单独的化合物；然后通过相似性比较发 现两个数据间哪些化合物存在差异。 2 香精香料质量控制实施现状问题综述 指纹图谱数据方面的问题 由于香精香料指纹图谱数据来源多并且数据量非常大，一条指纹 图谱数据一般从几十m 到几百m 不等，导致为管理、存储、读取数 据带来了非常大的工作量。目前红河卷烟厂香精香料质量控制工作的 l o 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 开展虽然采用电子表格和w o r d 办公软件进行各环节数据的采集、 汇总以及质量报表。但依然存在以下不足：1 ) 数据没有详细的属性 描述信息，不能方便对其进行检索；2 ) e x c e l 表格数据难以被重复 利用和共享，尤其是在网络环境下；3 ) 指纹图谱数据间不能进行自 动跟踪和汇总，如：不能体现出成品香精香料数据和原料香精数据之 间的关系；4 ) 指纹图谱数据容易被篡改删除，不能保证其原始有效 性。 建模方面的问题 模型建模环节是香精香料质量控制工作中最为重要的环节，在建 模的过程中认为存在问题主要是模式识别建模的工作量大，并且在建 模前对指纹图谱数据缺乏数据归一化和谱峰校正等预处理操作。另外 在模型的存储时只存储了一个数据文件，没有记录相关预处理的参数 信息和主要描述信息，导致在应用模型做预测时不能对预测的样本进 行自动的数据预处理，以及无法对模型数据进行统一管理。 3 需求的描述 。 根据以上的分析，我们对烟用香精香料质量指纹图谱控制的业务 流程有了一个比较清晰的认识，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，提高质量控制的工作效率，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。 系统的需求概述 1 ) 质量( 品质) 管理( q a q c ) 系统要求能够对样品的分析结果进行监测，应用数据可视化技术 生成质量控制图、质量趋势统计、质量评价、质量预测。系统还提供 丰富的统计方法如标准偏差、回收率、均值、极差、样本方差、历史 硕士学位论文 趋势等等科学方法，来帮助质量控制部门对数据进行正确有效的分析 与监测。 2 ) 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 视化技术进行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的查询、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； 3 ) 接口管理 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， 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 r p 、c i m s 系统) 提供信息交流接口。 4 ) 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。 5 ) 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 控技术对分析仪器其上运行的软件系统进行控制。主要包括ta ) 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 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 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。 4 运用u m l 用例建模的方法表述需求 1 ) 确定参与者f 1 研 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? 取样人员、质检 人员、建模人员、预测人员、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 0 系统、p i r o u e t t ev 3 11 系统。 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 l 系统、s p s s 系统。 2 ) 确定用例 对取样人员、质检人员、建模人员、预测人员来说分别对应着香 精香料入库用例、数据预处理用例、建模用例、预测用例、差异性分 析用例、多元分辨用例等，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2 1 所示： 硕士学位论文 权瑕臂理 “喇u 哆州a 。掣一 “喇”哆7 州嘣k ”删n 嚏j d p ， o o o 远程盛睦 获取仪器数据羲据信息维护 o 仅嚣 i oo t 攘 一 图2 - 1 系统高层用例 对于建模用例来说，它又由载入数据、数据预处理、建立不同算 法的模型、当前模型评价、统计、报表等基本环节组成，具体描述如 图2 - 2 所示。 1 4 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 模型保存 模型报表 用例描述如下： 用例名称：建模用例 图2 七建模用例 1 5 s v 睫模 硕士学位论文 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 前置条件：用户启动建模系统 执行过程： 幻数据谱图载入 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。 坊谱图预处理 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剔除、数据剪切、数据压缩、 数据平滑、数据背景校正、数据保留时间、漂移校正等预处理操作并 记录预处理的参数。对于谱图的漂移校正包括如下扩展用例： 谱峰识别：自动识别各个指纹谱图的谱峰。 自动谱峰匹配：自动匹配已识别的谱峰，找到各个指纹谱图中相 同组分的谱峰。 手动谱峰匹配：手动匹配谱峰。对自动匹配的谱峰中不合理的峰 人为地调整。 共有模式( 单峰) ：计算谱峰意义下的共有峰所占的比例。 c ) 谱图模式分析 描述：用户提交选择模式识别方法的相关算法( 诸如s i m c a 、 p c a - m d 、p l s - d a 、s v m 等) ；系统对指纹谱图数据( 光谱、色谱、 质谱) 进行模式识别与分析并建立模式识别模型，其扩展用例如下： 系统提供投影图：对多于两类指纹谱图的体系进行分类，给出分 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 类图形。 系统对指纹谱图检查：对多于两类指纹谱图的体系，查看不同位 置的指纹谱图。 系统保存建立好的类模型：对多于两类指纹谱图的体系，为分出 的类别分别给出分类模式，并根据香精香料品质特征、进厂质量( 等 级) 状况进行归属与分类，并融合数据挖掘技术( k d d 技术) 、统计 方法、数据可视化技术指导香精香料的替代性、互换性研究。 d ) 数据集的评价 根据对指纹图谱所建好的模型进行各种操作从而总结出异常的 数据结果显示给用户，对数据反应的问题进行分析并反馈给用户。 e ) 结果数据导出 根据用户的需要将建立好的模型信息保存为x m l 自描述模型文 件或者保存至数据库。 5 采用u m l 用例来描述需求的优势 通过用例模型来描述云南红河卷烟厂提出对系统的需求，具有以 下的优势： 1 ) 用例容易被红河卷烟厂的业务用户理解，因此它是开发人员和 最终用户的很好的沟通桥梁，通过它可以即时调整需求描述中 错误的需求； 2 ) 用例模型在整个开发过程中扮演非常重要的角色，它可以驱动 软件的分析和设计逐步细化； 3 ) 通过对用例分析容易划分用例的优先级，对于较高级别的用 例，在设计和实现的过程中优先考虑。 硕士学位论文 2 3 3 系统的业务模型及流程 从需求可以看出整个系统包含科学数据可视化、数据转换、矩阵 类库块、算法类库( 包含化学计量学、统计模式识别、多元统计分析 等算法) 、界面库、数据库、x m l 处理、p 2 p 等功能。 系统业务模型图如图2 3 所示 图2 - 3 系统业务模型图 根据业务的流程，系统的一般流程图，如图2 4 所示： 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 l 开始 j i 用户登录 i l 数据载入 7 1 _ l ， 数据生成谱熙 1 l l 1 l z 一 - 工一 二_kl 工一 第 ” 蕊t 蓑筹 f+ 预溅多元数据数撵 性 建援 分析 q 谈黠分解评铃导如 赣 1 0 一 - 。 烹蕊 l - - - 一 2 3 4 系统的架构 = 扫“： 图2 4 系统流程图 1 系统功能模块 根据需求以及业务流程分析烟用香精香料质量指纹图谱控制系 统的功能模块，功能模块图如图2 5 所示： 硕士学位论文 图2 5 系统功能模块| ! i 从系统功能模块看系统的支撑平台主要是算法开发和提供人机 交互功能所涉及的支持模块，包含以下几个主要模块 1 1 矩阵计算类库 因为化学计量学方法、多元统计分析、模式识别等数据分析处理 算法主要涉及矩阵运算，例如奇异值分解、求逆等，就连基本的回归 分析都通过矩阵运算完成，而现代分析仪器所产生的数据又非常庞 大，分析处理过程中还必须借助图形可视化才能完成，而图形处理同 样离不开矩阵运算，因此矩阵运算是整个系统的核心支持部分，必须 开发出高性能、运行稳定可靠、使用方便的矩阵类库。 2 ) 数据可视化 在质量指纹图谱评价过程中，需要借助数据图形可视化显示才能 进行，在报表系统等子系统中也需要图形显示，因此系统必须具有丰 富图形处理和操作功能，可以对数据进行可视化处理( 能支持多种图 形方式进行显示，必要时提供3 d 显示和操作功能) ，并能对图形进 行编辑加工，另一方面，为了方便用户使用，所有的功能都要支持鼠 标操作，例如能通过鼠标操作自动实现图形的局部放大、投影视图的 2 0 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 显示等功能。 3 ) p 2 p 网络 提供l a n 远程数据共享、文件传输、远程控制、多媒体信息交 流等功能的网络平台。 们文件输入输出 提供仪器数据的读取、格式转换、和o f f i c e 的接口、图形输出等 功能。 2 系统体系架构 由于功能分解和面向对象是格格不入的两种思维方式，如果仅仅 通过分析系统的功能模块来设计系统，那么设计出的系统将不能描述 好组件和组件的关系，导致组件和组件之间耦合性强，操作同一个数 据的方法也有可能被拆分到不同的模块中，从而使数据和操作重复的 出现在不同的组件中。对烟用香精香料质量指纹图谱控制系统来说， 架构分析在软件开发过程中能够发挥极其重要的作用1 9 1 。 首先，系统本身较为复杂，只有通过架构分析工作定义良好的结 构和规则，来有效的控制系统的复杂性，使系统易于理解、文现和管 理。 其次，系统架构可以分离软件中的不同组件，又可以精确的定义 组件之间的接口，这可以使系统中的大部分组件具备可复用性。 最后，架构分析的结果也是多个项目组协作开发的基础。在系统 架构中有效的分离的组件可以被分配给不同的项目组开发，只要保证 组件不变，组件内部的变化不会对整个系统的集成产生影响。 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统的体系架构图如图2 6 所 示： 硕士学位论文 香精香料质量控制应用层 匝囹匝亟圃圆圈匿亚亟团 匝受耍匦团区亟妇叵匦圃 可视化、化学算法框架层，9 用户信息库 ( n l 语义指纹图谱j 9 9 本体知识库基于语义的 上指纹图举资源 构建语义关系代理i 图2 - 6 系统体系架构图 系统体系架构包括：系统公共访问层；香精香料质量控制应用层； 可视化、化学算法框架层；x m l 语义指纹图谱库；系统支撑层。 系统公共访问层根据不同的访问策略、不同的用户权限定制不同 的用户界面和提供个性化的用户界面。香精香料质量控制应用层由一 系列的质量控制应用服务组成，它们分布在各个服务器和终端用户 上，是终端用户与系统交互的接口。该层主要包括：指纹图谱管理、 信息监视跟踪代理、模式识别建模服务、预测服务、差异性分析服务、 多元分辨服务、图文报表服务、指纹图谱数据导入导出服务、质谱检 索服务，用户个性化服务等。所有的应用由用户按其特定的权限进行 定制和组合。可视化、化学算法框架层将可视化操作和化学算法封装 了成的类库，为应用层提供原子接口和服务。如：海量数据的可视化、 可视化视图缩放、视图恢复、坐标轴平移、p c a 算法、s v m 算法、s i m c a 算法等。x m l 语义指纹图谱库为指纹图谱相关数据、模型数据信息提 供了存储、检索、跟踪的保障，并使其具有语义的自描述的属性，可 用于系统的扩展，如，x m l 语义指纹图谱库可以在不做任何修改的情 况下保存新的不同参数的模式识别模型信息。由于化学计量学需要建 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 立在矩阵变换操作的基础之上，指纹图谱的数据来源于在不同地域、 异构的仪器，需要p 2 p 网络的支持。系统支撑层提供了系统实施过程 中的最基本条件。 通过分析系统的体系架构，根据软件工程思想，把体系架构中可 视化、化学算法框架层，x m l 语义指纹图谱库层，系统支撑层的接口 和服务封装成多个组件。根据业务需求的不同将组件进行组合生成生 成不同业务逻辑的子系统，如图2 7 所示： 1 ) 指纹图谱模式识别子系统( p c 们l s s n 讧c 刖s 、啊涯建模) ； 2 ) ( p c a p l s s i m c a s v m ) 的统计模式识别和分类预测子系 统； 3 ) 质谱检索以及和相关系统模块的集成( 谱峰校正、多元分 辨、差异性分析、报表系统等) ： 4 1p 2 p 子系统； 5 ) 采用x m l 技术的数据库平台集成与维护功能模块子系统； 6 ) 建模、预测等统计模式识别过程报表管理子系统； 图2 - 7 系统主要子系统示意图 硕士学位论文 2 4 小结 本章概述了化学计量学和指纹图谱的基本概念，通过分析系统的 需求结合u m l 建模工具对烟用香精香料质量指纹图谱控制业务进 行研究，针对用户的需求创建系统的u 1 旺用例图，以及设计出系 统的系统业务模型和架构。通过分析系统的体系架构，根据软件工程 思想，把烟用香精香料质量指纹图谱控制系统划分为多个组件，组合 若干个组件生成不同业务逻辑的子系统，实现软件重用。 烟用香精香料质量指纹图谱控制系统设计与实现 第3 章基于x m l 语义指纹图谱数据库在烟用香精香料中 质量控制系统中的应用 上一章主要分析了系统的需求、模型和架构，本章主要讨论指纹 图谱数据库的设计以及x m l 技术、语义技术在其中的运用。烟用香 精香料指纹图谱数据库是质量控制系统的基础之一，它为建模和预测 提供实验数据及其属性的来源；保存在多元分辩、建模、预测操作时 的预处理参数、中间结果和最终处理结果；记录了用户使用建模系统 所创建的模型及模型详细属性；存储供质谱检索的标准质谱数据。这 就意味着各种同构、异构应用系统之间存在着大量的数据交换，而且 可以从上一章的图2 7 看出，几乎系统中所有大型应用都是和数据库 相关联。数据库信息交互实质上是将数据库结构和数据信息在不同的 子系统中完整性的再现。 但是由于在烟用香精香料的指纹图谱数据附加属性多，并且不同 种类型、不同批次的数据有不同的数据属性、建模和预测的过程中使 用不同化学计量学算法产生出的模型也有各自不同的属性。如果不对 这些数据资源语义层次上的互联，那么随着数据库数据的增加很难对 数据进行检索和维护。利用基于x m l 描述的数据库内容具有清晰的 结构，并用语义丰富t a g s 清楚的说明每一部分、每一个数据的内容和 意义，为进一步实现数据挖掘( d m ) 和数据库知识发现( k d d ) 奠 定基础。 例如利用x m l 数据库保存数据的同时，还通过模板技术实现数 据外围信息如测试分析条件，样本来源，仪器等信息的有效管理，并 能在建模、预测、差异性分析等模块中自动语义关联，提供详细的样 硕士学位论文 本信息，辅助使用人员准确的处理数据。 3 1 指纹图谱相关数据的x h l 描述 3 1 1x 札的基本概念 可扩展标记语言x m l ( e x t c n s i b l cm a r k u pl a n g u a g e ) 是由w o r l d w i d e w e b 联盟( w 3 c ) 定义的一种基于s g m l ( 标准通用标记语言) 简单