烟叶通用近红外定量模型稳健性研究

【摘要】近红外光谱技术由于其快速、准确、检测成本低等优点，已成为烟草行业的研究热点。但烟叶属天然复杂产物，其漫反射光谱不但包含了样品的物理和化学信息，还承载了仪器类型、环境参数等多方面复杂的背景信息，光谱的多元性使其近红外定量模型受外界条件影响大、适应性差、网络化中心建模无法成功推广。针对这一问题，本文从近红外光谱分析的基本理论入手，对如何建立预测精度高、稳健性好的烟叶近红外通用定量模型的影响因素进行了分析研究，重点围绕着光谱采集稳定性、稳健数学模型的建立、模型转移和网络化中心建模等几个关键技术点进行了系统的研究并提出改进措施。主要研究内容如下：（1）针对烟叶样品采集过程中光谱不稳定性问题，从理论上对采集过程的误差特征进行了分析，同时对各种来自于样品、操作、设备等方面的误差进行了分析和探讨。实验表明这些因素都会对光谱采集的不稳定性带来影响，引起分析误差的产生。实际应用中可采用如下措施对烟叶光谱采集的稳定性进行控制：样品方面：样品粒度应控制在40目以上，且粒度越小，光谱采集的波动性越小；样品温度在5-25℃范围内相对对光谱的波动性影响较小；水分对烟叶近红外光谱影响较大，实际应用应尽量将水分控制在4-8%范围以内，并且保证待测样品水分含量尽量与校正集样品水分含量范围一致。操作方面：可采用压样措施减小光谱采集过程中的误差；样品不均匀性的影响可采用样品杯旋转功能来降低，同时还应注意样品制备时要将样品充分混合均匀；实验发现平均装样误差大约占总体误差的30%，为减少装样误差的影响，在进行样品光谱采集时应对相关人员进行一定的操作培训，建议控制操作人员的装样误差小于1/3SEP。仪器方面：研究发现，分辨率的提高并不能完全改善模型的性能，对于烟草样品实际应用中8cm-1分辨率最能满足实际需求；波长漂移对烟叶样品预测结果影响较大，实际应用中要经常使用标准物质对波长的准确性进行校正；开机时间的长短对光谱采集的稳定性也有影响，开机时间太短，仪器不稳定，会导致采集的光谱及预测结果的不稳定，实际应用时，建议仪器开机至少1h后才能进行光谱的采集。（2）针对如何建立一个稳健、可靠、准确的数学模型，从理论和实际应用方面对模型建立过程中如何充分提取光谱中有效信息，降低背景信息的干扰等一系列问题进行了研究，并从校正集样本的选取、波长选择、模型补偿等方面对模型稳健性的影响进行了探讨。校正样本集选取方面：对比了人工选取、主成分空间、GH-NH、K-S等几种校正集样本的选择方法，研究发现GH-NH距离法无论是从样品浓度覆盖范围还是建模效果方面，其样本选择都是最优的，实际应用中可以将GH-NH法与人工挑选相结合，将是挑选代表性样本的最佳方法。波长选择方面：提出一种新的基于随机森林重要性评分（RFFIM）和主成分分析（PCA）的波长选择方法RFFIM-PCA，该方法可以有效剔除光谱中噪声和冗余信息的干扰，选出和待测组分密切相关且对外界变化不敏感的波长区域，模型具有高的稳健性和准确性。模型补偿方面：研究了高水分含量烟叶样品的模型补偿和修正，发现加入3个不同水分含量的样本即可实现较好的补偿效果。（3）针对提高模型的通用性和适应性问题，对一些模型转移算法进行了研究，提出了烟叶样品模型转移必要性判断标准及转移评价标准。对两台不同仪器之间模型转移问题，提出一种结合RFFIM波长选择和Shenk’s算法的模型转移算法RFFIM-Shenk’s，并和S/B、DS、PDS、Shenk’s等算法进行了对比，取得了较好的转移效果。对烟片、烟末不同样品状态的之间的模型转移效果不是太理想，提出一种混合建模策略，研究发现在已有的烟末模型样品集基础上加入10%左右的新样品，即可达到较满意的效果。（4）针对目前烟草行业近红外应用主要以单台仪器为主，网络化中心建模无法成功推广的现状，提出了烟叶品质快速分析网络平台的构建方式，并对其基本网络体系的架构、烟叶品质数据库、光谱库的构建、云计算服务平台搭建等进行了设计与分析。
【作者】秦玉华；
【导师】丁香乾；
【作者基本信息】中国海洋大学，计算机应用技术，2014，博士
【关键词】近红外光谱；烟叶；光谱采集稳定性；稳健数学模型；模型转移；网络中心建模；

【参考文献】
[1]刘光菊.城市建筑节能效果遥感快速监测与评估技术研究[D].南昌大学,结构工程,2012,硕士.
[2]刘晶晶.电力系统广域阻尼控制器设计研究[D].南京师范大学,电工理论与新技术,2012,硕士.
[3]秦昌才.基于储存安排的动态碳交易机制设计[D].对外经济贸易大学,数量经济学,2014,博士.
[4]陈俊杰.网络购物环境下的问句答案匹配方法研究[D].哈尔滨工业大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[5]陈丽丽.网络广告不正当竞争行为及其法律规制[D].黑龙江大学,法律,2013,硕士.
[6]张鲁建.视频关键帧提取相关技术的研究[D].新疆大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[7]施文军.一维耦合映象格子中参数噪声影响的研究[D].广西大学,理论物理,2004,硕士.
[8]毛婧霞.血清Th17细胞相关细胞因子在先兆流产和稽留流产患者的表达和临床意义[D].广西医科大学,妇产科学,2013,硕士.
[9]王慧.多校区大学学生教育管理研究[D].河海大学,高等教育学,2004,硕士.
[10]刘元元.基于数据挖掘的客户关系管理[D].南京理工大学,2004.
[11]田作辉.非事实类问题的答案选取[D].哈尔滨工业大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[12]魏昆.山水画皴法的程式研究[D].中国艺术研究院,美术学,2013,硕士.
[13]刘佩佩.农村家庭式幼儿园办园条件质量研究[D].西南大学,学前教育学,2013,硕士.
[14]孙冰心.职业安全权的法律保护[D].吉林大学,经济法学,2004,硕士.
[15]金维刚,刘会金.IEC标准框架下谐波和间谐波检测的最优化方法[J].电力系统自动化,2012,02:70-76.
[16]刘汨波.伊马替尼对K562细胞粘蛋白型O-糖基化的影响[D].苏州大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[17]何志辉.天虹商场华南区新开分店盈利模式研究[D].兰州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[18]杨健潇.契约论方法分析[D].吉林大学,政治学理论,2004,硕士.
[19]于冰娥.辛开苦降法治疗寒热错杂型反流性食管炎的临床症状疗效观察[D].北京中医药大学,中西医结合临床,2014,硕士.
[20]赵培立.基于数字处理技术的高速高精度ADC动态测试系统设计与实现[D].西安电子科技大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[21]陈昕.江苏区域经济差异及协调发展研究[D].河海大学,技术经济及管理,2004,硕士.
[22]贺晓鹏,臧奕,李佳,陈国荣.石墨烯功能糖染料在凝集素生物识别中的“石墨烯效应”[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第22分会：化学生物学[C].中国化学会:,2014:1.
[23]林晓岚.基于旧志的福建四堡雕版印刷医学文献研究[D].福建中医药大学,中医医史文献,2013,硕士.
[24]马振华.试论构建完整的中国企业清算制度体系[D].苏州大学,法律,2003,硕士.
[25]霍俊青.居住区“人车和谐”的道路系统研究[D].天津大学,建筑设计与理论,2004,硕士.
[26]刘黎红.流感减毒活疫苗生产用毒株的基因遗传稳定性研究[D].吉林大学,制药工程,2014,硕士.
[27]盛雪.汉西“什么”与“qué”的对比分析及在翻译中的应用[D].上海外国语大学,西班牙语语言文学,2013,硕士.
[28]黄兆玮.直管内流体—颗粒螺旋流动的三维数值分析[D].西安理工大学,水力学及河流动力学,2004,硕士.
[29]张敏霞.信息化制造中刀具管理系统的研究[D].河北工业大学,机械制造及其自动化,2004,硕士.
[30]孟凡娜.AlGaN沟道异质结材料与器件研究[D].西安电子科技大学,微电子学与固体电子学,2013,硕士.
[31]颜文艳.C公司备品备件库存管理研究[D].华南理工大学,物流工程,2012,硕士.
[32]徐赛.出口退税管理存在的问题及对策研究[D].湘潭大学,公共管理,2011,硕士.
[33]莫凡.论陆贾的道德哲学思想[D].黑龙江大学,中国哲学,2013,硕士.
[34]王晓培.对中国行为艺术的省思[D].沈阳师范大学,美术学,2013,硕士.
[35]王公章.大学生权利实现问题研究[D].西南大学,高等教育学,2013,硕士.
[36]赵晶晶,刘良云.物候变化对北美温带落叶阔叶林生态系统生产力的影响[J].植物生态学报,2012,05:363-371.
[37]李珺.基于物联网的危险品运输智能监控系统的研究与设计[D].长安大学,交通运输工程（专业学位）,2014,硕士.
[38]赵凯.我国经济增长技术效率影响因素的区域差异研究[D].重庆大学,区域经济学,2014,硕士.
[39]郭岩.内燃机缸压数据采集与燃烧分析系统的研发[D].华中科技大学,动力工程,2013,硕士.
[40]石庆山.传统文化的知识产权保护[D].吉林大学,法律,2013,硕士.
[41]徐从健.曲美他嗪对兔肺动脉高压的血管内皮功能及右心室功能的影响[D].河北医科大学,内科学（专业学位）,2013,硕士.
[42]刘渝宾.基于岗位自适应匹配的电子商务人才平台设计[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[43]王旭.Pax5基因生物学功能的基础研究[D].大连大学,生物化学与分子生物学,2012,硕士.
[44]杨希文.基于布卢姆情感目标分类学理论的幼儿责任感培养的研究[D].首都师范大学,学前教育,2014,硕士.
[45]孟琼.中国产志贺毒素大肠杆菌(STEC)O157:H7的单核苷酸多态性（SNP）分型研究[D].中国疾病预防控制中心,病原生物学,2014,博士.
[46]唐笛轩.63839部队科技干部信息管理系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[47]严瑾.中级水平韩国学生阅读策略调查研究[D].华中师范大学,汉语国际教育,2013,硕士.
[48]郭宗阁.碳纳米管增强钢基复合材料力学性能有限元分析[D].沈阳工业大学,固体力学,2012,硕士.
[49]李超.碳纤维布增强C-Cu复合材料的制备及性能研究[D].西南交通大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[50]卫志农,王丹,孙国强,鞠平.基于相坐标系的配电网三相不对称解耦状态估计算法[J].电力系统自动化,2005,16:16-21.