肉糜制品质构预测系统的模型库设计

2014-04-14啜笑然赵改名李苗云高晓平柳艳霞张秋会孙灵霞黄现青

河南农业大学学报 2014年2期

啜笑然，赵改名，李苗云，高晓平，柳艳霞，张秋会，孙灵霞，黄现青

(河南省肉制品加工与质量安全控制重点实验室，河南农业大学食品科学技术学院，河南郑州450002)

伴随着当前肉糜类制品生产实践的发展和科学研究的深入，已经有大量的肉糜类制品质构模型被提出，而且模型的数量和规模都在逐步的增加和扩大［1］.更好地管理日益庞大的模型群体，并且建立不同模型之间的动态关联，从而更好地发挥现有模型的作用显得日益重要.与以较为松散的独立形式或较低的组合程度存放和使用的模型集合不同，模型库将大量的模型以特定的组织和结构更加合理的存储起来［2］，不仅便于模型库管理系统对模型库中模型的添加、删除、修改等管理操作的实现，也使得用户交互系统对模型的调用和重组更加容易，从而实现模型库对预测系统的功能支持.肉糜制品质构模型是反映肉糜制品生产过程中各种内外因素对肉糜制品质构特性影响的一种专用模型，大多数为数学模型，但是它们除了具有数学模型的一般特征之外，还具有动态性、多元性、复杂性和综合性的特点［3］，因此在构建肉糜制品质构模型库的过程中，应当考虑到肉糜制品质构模型的特点，合理地设计模型库的结构、层次和组织方式，以便于相关功能的顺利实现.

1 材料与方法

系统数据库使用SQL server 2008创建并维护.系统编程和模型代码设计均使用Microsoft visual studio 2010工作平台及Visual basic语言编程实现.

2 结果与分析

2.1 模型库的结构设计

根据肉糜质构模型的特点，为便于对模型的管理，模型库设计为库函数形式，分为模型文件库、模型属性库、模型参数库和模型索引库4个子库［4～6］.每个子库具有各自的功能，存放模型的不同信息.其中，模型文件库用来存储模型文件，包含模型的执行代码和源代码;模型属性库用来存储模型字典，也可称为模型字典库;模型参数库用来存储模型的各种参数和约束信息;索引库用来存储模型的索引关键字信息等［7］.

模型编码分为模型分类标识码和模型编号2部分.通过模型标识码，为模型设计统一的编码规则，用来标识模型所属的不同类别，从而实现对模型的动态分类，便于系统编程过程中对模型的查询和调用等操作.模型标识码部分的每2位数代表模型的1个标识项，每1个标识项代表1个模型的分类信息，不适用此种标识方式的标识信息统一为“00”.具体分类和编码规则如表1所示，随模型库内模型的不断增加，各分类项的编码规则也将逐步增加.

表1 模型编码和分类规则Table 1 Codex of models number and classification

2.2 模型字典的设计

模型字典是模型库的重要组成部分，根据肉糜制品质构模型的特点，对模型字典进行了必要的设计.模型字典存储在模型库的属性库中，用来存放模型的描述信息［16］，辅助用户比较快速地实现模型的查询、添加、调用、修改和删除等功能.

一级模型字典主要包括:

模型的编码:用来标识模型的数字编号，含有一定的编码规则，方便模型的管理.

模型的名称:为每1个模型提供1个名称，以便于模型的查看、区分、运行、提取和组合.

模型的类型:用来区分不同的模型类别，提高模型库管理效率.

模型的路径:模型的具体存放地址，通过查询可获知模型的存储位置，准确地指向目标模型.

参数个数:标明模型中参数的个数，包含输入参数和输出参数.

参数路径:指出模型中参数所对应参数库的存储位置，实现对于模型运行所需的输入参数、输出参数和约束条件的准确提取.

模型信息:标明模型的作者和来源等相关信息.

模型功能描述:对模型的功能、内容等进行描述，方便用户对了解和选取模型.

1级模型字典的字段设计如表2所示

表2 1级模型字典Table 2 First-order model dictionary

通过2级模型字典，指出模型中参数的相关信息及在参数库中的位置，以便于模型参数及约束条件等信息的准确提取.表3和表4给出了2级模型字典及输入参数和输出参数模型字典的字段设计.

表3 2级模型字典——输入参数表Table 3 Second-order model dictionary:input parameter

表4 2级模型字典——输出参数表Table 4 Second-order model dictionary:output parameter

2.3 模型参数库设计

参数库用来存放模型的参数信息［17］，与2级模型字典相关联，系统借助于对2级模型字典中的相关信息进行查询，从参数库中获取所需的参数，实现模型的正常功能.

参数库包含模型的系统参数、输入参数、输出参数［18］.对应2级模型字典的主要表项有参数编号、模型名称、参数名称、参数值、所属模型、备注信息等.

2.4 模型设计实例

按照面向对象的设计思想，对肉糜制品质构预测系统模型库中的各类模型进行设计，包含模型的算法、模型输入和输出数据的定义等内容［19］，从而实现对算法和数据的统一封装，存放于模型文件库中.

以文献［5］中所述的关于斩拌速度和斩拌时间对肉糜制品乳化特性影响的线性回归模型为例，下面给出该模型的详细设计过程.

2.4.1 模型信息

Model_id=＊＊＊＊＊＊＊＊＊ ‘模型编码

Model_name=“斩拌速度和时间对肉糜制品乳化特性影响的响应曲面回归方程”‘模型名称

Model_type=＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ ‘模型类型

Model_desc=根据肉糜制品斩拌过程中的斩拌速度和斩拌时间预测肉糜制品 ‘模型功能描述(对模型具体内容和相关限制条件的描述)

Save_adr=“。..。..。..” ‘存放文件地址Input_dt=2 ‘输入参数个数

Output_dt=10 ‘输出参数个数

File_name=”zb0”‘文件名称

File_type=”*.vbs” ‘文件类型(扩展名如:* .dll，* .js等)

Model_info=”崔艳飞《斩拌对肉糜制品乳化特性的影响》”‘模型信息(作者、来源等)

Notes=“模型来自:崔艳飞《斩拌对肉糜制品乳化特性的影响》，河南省高校肉品加工与质量安全控制工程技术研究中心”‘备注信息

2.4.2 模型代码

为便于质构信息和相关数据的存储，在系统中定义好若干个质构特性的自定义类型.

如定义具有硬度、弹性、回复性等10个属性的自定义TextureQuality10:

Type TextureQuality10

yd as double*20

tx as double*20

hfx as double*20

……

调用模型代码的子函数

Private Sub ChoppingForTextureQuality()

Dim zbv as double

Dim zbt as double ‘定义模型所需的运算变量

Dim TQ1 as TextureQuality10 ‘定义用于存储质构特性结果的输出变量为1个已声明的10属性质构特性自定义类型

Zbv=Para1.Inpara_val

Zbt=para2.Inpara_val‘读取输入参数的参数值，赋值给模型中的运算变量

‘Para1和Para2是提取的2个已经声明为InputDictionary自定义类型的参数

TQ1.Yd=7551.95-1.70*zbv-265.41*zbt+0.000 13*zbv+20.06*zbv*zbt

TQ1.tx=1.01-0.000 014*zbv

TQ1.hfx=0.0000843*zbv-1.27+0.31*zbt+0.000 000 005 91*(zbv*zbv)-0.011*(zbt*zbt)-0.000 014*(zbv*zbt)

TQ1.zdph=4.64+0.000 267*zbv+0.19*zbt-0.000 000 022*(zbv*zbv)-0.006 92(zbt*zbt)-0.000 006 03*(zbv*zbt)

TQ1.zdt=15.65+3.27*zbv+3.77*zbt

TQ1.stn=0.18-0.013*zbv-0.009 74*zbt-0.017(zbt*zbt)-0.010*(zbv*zbt)

TQ1.sstn=0.50-0.001 9*zbv+0.001 55*zbt-0.018*(zbt*zbt)-0.004 66(zbv*zbt)

TQ1.pyr=0.89-0.004 11*zbv+0.003 68*zbt+0.004 12*(zbv*zbv)

TQ1.whr=0.98-0.016*zbv-0.001 773*zbt-0.009 449*(zbv*zbv)-0.004 544*(zbt*zbt)

TQ1.fhr=0.98+0.006 05*zbv-0.001 21*zbt-0.013*(zbt*zbt)-0.008 35*(zbv*zbt)

经过运算，计算出斩拌速度zbv和斩拌时间zbt已知情况下肉糜制品的主要质构参数，并将结果赋值给输出变量，返回给请求来源.

2.5 模型库管理系统设计实例

模型库管理系统是能够实现模型库中模型的添加、删除、修改等管理功能的人机交互系统［20］.本研究设计了1个对应的肉糜制品质构模型库管理系统，如图1所示为该系统的主要界面设计示例.

模型库的添加、删除和修改分别通过各自的vb类实现，当需要进行相应操作时，由系统调用实现该功能的函数，从而实现对模型库的控制功能.

下面以实现模型添加功能的vb类为例，说明对该功能实际编程的主要思路.首先，针对不同情况的模型添加，设计了模型添加流程(图2).根据此流程可使用Visual basic语言进行编程，实现对应模块的功能.

图1 模型库管理系统主界面Fig.1 Main interface of module control system

图2 模型添加流程图Fig.2 Flow chart of module adding

与此相同地，可对模型库管理系统的其他功能进行相应的界面设计和程序编写，实现模型库管理系统对模型库的各项管理功能.模型库的有效管理是整个模型库运转正常及实现基于模型库支持的预测系统正常功能的重要保障［21］，模型库管理系统的正常运行，对于保证模型资源的科学和有效利用有着十分重要的作用.

3 结论

本研究对肉糜制品质构模型库的设计过程进行了简要的描述，借助于实例说明了模型库内具体模型的设计情况以及模型库管理系统中主要功能的实现方法.伴随着肉糜制品质构模型研究的深入，模型库中所搜集的模型数量将会逐步增大，模型库在整体结构不改变的同时，对于内部的细节内容势必要随之进行调整和优化，如编码规则和分类方式的修改、模型管理功能模块的优化和对应软件版本的更新等.在肉糜制品质构模型库的支持下开发的肉糜制品质构预测系统是服务于肉糜制品生产和研究的决策支持系统的核心部分，如何有效地利用模型库中的模型资源，实现针对用户需求的智能分析和模型调用是进一步研究的重点.此外，为了能够更为集中地实现现有模型的管理和调用，可在模型库支持下，建立基于web的肉糜制品质构模型共享服务平台［22～25］，使存放于各研究单位的模型集中起来，更加便于模型资源的合理利用和模型功能的充分发挥.

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