基于模糊聚类的电子产品有害物分析评价系统

霍　杨，邓辉平，江　冰

（1.常州出入境检验检疫局，常州213022；2.河海大学物联网工程学院，常州213022）

基于模糊聚类的电子产品有害物分析评价系统

霍杨1，邓辉平2，江冰2

（1.常州出入境检验检疫局，常州213022；2.河海大学物联网工程学院，常州213022）

近年来，世界电子产业迅速发展，为了加强对电子产品有毒有害物质含量的严格控制，利用Visual Studio 2010设计开发电子产品有毒有害物质分析测评系统。该系统具有RoHS2.0指令的解析、电子产品有毒有害物质的检测方法、模糊聚类分析评估以及知识训练四个功能。重点是利用模糊聚类算法对电子产品有毒有害物质进行定量分析，并给出相应电子产品的污染等级。仿真结果显示，该系统实现了人机交互的友好配合，能够对输入的电子产品物质含量表进行动态的模糊聚类分析并给出相应评价，便于检验机构人员直观的观察结果，从而进行有效监控，提高国内电子产品的安全。

Visual Studio 2010；电子产品；有毒有害物质；模糊聚类分析法；分析评价；污染等级

1　引　言

随着信息产业的飞速发展和电子设备的广泛应用，产品的“绿色度”研究［1－3］成为关注的焦点，如何正确合理地处理和利用电子废弃物成为电子制造商面临的一个重大问题。欧盟发布RoHS指令要求在市场上出现的八大类电子电器设备中，要限制铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯（PBB）和多溴联苯醚（PBDE）6种有毒有害物质的含量。由于电子产业的不断发展，欧盟再次提出新版RoHS指令，这对于电子企业来说，无疑又是一次挑战。新版RoHS指令对旧版指令中的一些模糊内容，如管控范围和相关定义、符合性评估方法、各相关方责任、豁免申请等加以进一步明确，明确了制造商、授权代表、进口商、经销商的责任，这对国内出口企业应对RoHS指令的既定模式提出新挑战。

文献［4－9］指出模糊聚类模型广泛应用在河流污染程度、空气质量评价等方面，依据此中心思想，运用计算机技术开发出新版RoHS指令解析与电子产品有害物质测评综合系统。包括RoHS2.0指令解析子系统、电子产品有害物质检测方法子系统、电子产品有害物质评价子系统以及知识培训四个子系统，并高度集成形成平台软件，体现人机交互、音视频并存，界面友好，操作简单的特征。

2　模糊聚类分析算法

模糊聚类分析算法其核心在于模糊相似矩阵的建立，它将原始数据进行一定的标准化，使得每一个数据都在0与1之间，在此基础上，建立相应的模糊相似矩阵以及等价矩阵，根据置信水平λ对相似矩阵进行聚类。

2.1模糊聚类分析算法数学模型

模糊聚类分析算法流程图如图1所示。

（1）数据标准化

设集合X=｛x1，x2，...，xn｝为被分类对象，每个对象又有m个指标表示其属性：

原始数据矩阵表示为：

利用平移极差变换公式对数据进行标准化：

（2）建立模糊相似矩阵

利用海明距离法求出模糊相似矩阵

从（2）中求出的n阶模糊相似矩阵R出发，用平方自合成法求其传递闭包t（R），它就是新的模糊相似矩阵R；选取置信水平值λ∈［0，1］，求出t（R）的λ截矩阵t（R）λ，它是X上的一个Boole矩阵，然后按t（R）λ进行分类，所得到的一个分类就是在λ水平上的等价分类。其中，设

对于xi，xj∈X，若r′ij（λ）=1，则在λ水平上将对象xi，xj归于一类。

图1　模糊聚类分析算法流程图

2.2电子产品有毒有害物质模糊聚类分析

依据上述算法选择30个电子产品的物质含量作为样本数据，每个样本有六个特性指标：铅含量、汞含量、镉含量、六价铬含量、PBB含量、PBDE含量，根据公式（1）－（5），进行模糊聚类分析，得到如图2所示的聚类图［10］。

图2　模糊聚类图

图中横坐标是30个检测对象的样本序号，纵坐标是聚类置信水平λ，当λ=0时，所有样本之间没有直接的联系，都是各自独立的样本；

当λ=0.3时，只有样本6和样本8可以聚为一类，也就是说这两个样本对象的有毒物质含量可以看作是相似，因此可以归为一类；

当λ=0.9时，除了样本19和样本28为各自独自的一类外，其余样本归为一类；

当λ=1时，所有样本归为一类；

随着λ的增大，样本之间的相似度越来越高，直到最后λ=1时，所有样本一致相似，视为一个整体。

2.3综合评价

根据置信水平λ的不同取值范围，可以将电子产品有毒有害物质污染程度分为三个等级如下：

一等污染级别：0≤λ≤0.7

二等污染级别：0.7≤λ≤0.9

三等污染级别：0.9≤λ≤1

由此可见，λ的不同取值区间决定了样本的污染等级。

在实际中，该算法可以确定某个具体产品所属的污染等级。一方面，生产商可以利用此结果重新规划产品的物质含量，提高产品的市场竞争力；另一方面，检验检疫人员可以根据此结果判断出口产品污染等级，再确定产品的出口问题，从而更好地规避技术性贸易壁垒。

3　电子产品有毒有害物质分析测评系统软件开发

3.1系统功能结构

系统的功能构架如图3所示，主要包括四个方面，本文着重于设计前三个层面。其中，RoHS2.0指令解析子系统全面分析新版指令，分析其与旧版各种差别，从而寻找企业的应对策略；电子产品有毒有害物质检测方法子系统面向绿色电子产品的分析测试应用，探讨电子产品中六种有害物质的基本测试方法，用于检测认证电子产品中有毒有害物质的含量，主要是铅、汞、镉、六价铬、PBB、PBDE这六种物质的检测方法；采用模糊聚类分析法对电子产品有毒有害物质含量表进行定性、定量的分析评价，利用一定的文字和图形显示评价结果，便于用户进行简洁而直观的判断。

3.2系统组成模块

此核心子系统由三个模块组成：有害物参数入口模块、数据处理模块、数据输出模块。

（1）有害物参数入口模块

利用SQL Server 2008软件语言实现数据表的录入。SQL Sever是一个全面的数据库平台，使用集成的商业智能工具提供了企业级的数据管理。数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能，可用来构建和管理用于业务的高效率和高性能的数据应用程序；本文主要利用的参数是电子产品有毒有害物质含量表。

图3　系统功能构架

（2）模糊聚类法分析模块

根据模糊聚类算法，对其基本过程数据标准化，算对象之间的相似度用来构建模糊相似矩阵，根据置信水平λ聚类，利用编程语言VC＃编写出相应的程序代码，实现应用程序后台对前台导入的数据表进行模糊聚类处理。

（3）污染等级评价模块

在Visual Studio 2010 C＃windows窗体界面上，根据用户输入的置信水平λ对后台导入的数据表进行模糊聚类分析，利用datagridview控件显示分析结果，方便用户进行直观简洁的观察。

3.3系统程序设计

（1）系统总体设计流程

系统包含四个功能：RoHS2.0指令解析、电子产品有毒有害物质检测方法、电子产品有毒有害物质分析评价以及知识培训系统，根据用户需要进行子系统的选择。其中，主要运用控件button的click（）方法响应事件以及form类包含的close（）、show（）方法实现窗体之间的传递。本文着重说明子系统3电子产品有毒有害物质分析评价系统。系统总体设计流程图如图4所示。

（2）在RoHS2.0指令解析子系统中，利用视频解说RoHS2.0指令的基本含义，其中引用了类Media中控件axWindowsMediaPlayer的事件方法axWindowsMediaPlayer.URL来打开视频文件，视频播放结束后，利用文字以及图片形式说明新版与旧版的差别，主要运用了picturebox控件以及textbox控件，从而找出企业的应对策略。

图4　系统总体设计流程图

（3）在电子产品有毒有害物质分析评价子系统中，模块流程图如图5所示，分为电子产品有毒有害物质含量数据输入和电子产品有毒有害物质分析评价两部分。在数据输入部分，通过连接SQL Server 2008数据库将电子产品有毒有害物质含量表导入应用程序后台，利用表格控件datagridview绑定数据源以便后期操作，对数据进行添加、删除、刷新等操作；在数据处理部分，系统对后台导入的电子产品有毒有害物质含量表进行模糊聚类分析，根据输入置信水平λ输出相应的模糊等价矩阵，进行模糊聚类分析，并利用典型的模糊聚类图［5］直观的对数据进行分类，进行简单的评价。

图5　电子有毒有害物质分析评价流程图

在此子系统中，核心为连接数据库和模糊聚类分析算法的代码设计，连接数据库的流程图如图6所示。

图6　数据录入流程图

数据处理，即对导入的数据表进行模糊聚类分析。首先根据导入的数据表创建一个等价的二维数组array［，］；获得这个二维数组每一列的最大值以及最小值，分别存入一个一维数组；利用平移极差变换法对原始数据进行数据标准化，使得每个数据都在0与1之间，消除量纲影响；根据海明公式，获得任意两个对象之间的距离，即对象之间的相似度，组成海明矩阵d［，］；选择合适的参数生成相应的模糊聚类矩阵，流程图如图7所示。

图7　数据处理流程图

数据处理结果输出时，利用已构造出的模糊相似矩阵，根据不同的置信水平λ，得出相应的λ截矩阵。此矩阵为一个布尔型矩阵，元素非0即1。“0”表示在此λ水平上，这两个对象之间的相似度很低，不能划分到一组。“1”表示在此λ水平上，这两个对象之间的相似度很高，可以划分到一组，利用datagridview控件显示模糊等价矩阵，以便直观分析，设计流程图如图8所示。当数据库连接成功，导入数据表并进行模糊聚类分析之后，实际操作界面如图9所示。

图8　数据输出流程图

图9　电子产品有毒有害物质分析评价子系统

4　结束语

利用Visual Studio 2010设计出电子产品有毒有害物质综合测评系统，由四个子系统组成，分别是RoHS2.0指令解析子系统、电子产品有毒有害物质检测方法子系统、电子产品有毒有害物质分析评价子系统以及知识培训子系统。着重介绍基于模糊聚类分析算法的电子产品有毒有害物质分析评价子系统的设计与实现，利用VC＃编译环境，将数学语言转化为相应的代码，设计系统并实现相应的功能，符合实际需求。

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System of Analysis and Evaluation on Hazardous Substances in Electronic Products Based on Fuzzy Clustering

Huo Yang1，Deng Huiping2，Jiang Bing2
（1.Changzhou CIQ，Changzhou 213022，China；2.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Recently，the electronic industry has developed rapidly.A system，based on Visual Studio 2010，is designed to enhance the control of toxic and hazardous substance in electronic products，with the functions of new version RoHS2.0 command parsing，method of detection of toxic and hazardous substances，analysis and evaluation on hazardous substances in electronic products.The focus of this paper is a qualitative analysis on hazardous substances of electronic products by using fuzzy clustering analysis and then gives the pollution level of related electronic products.The simulation results show that the system realizes a friendly human－computer interaction，which can conduct dynamic analysis on input material table of electronic product and evaluate accordingly.It is convenient for inspection agency person to observe results concisely and monitor on it effectively to improve security of domestic electronic products.

Visual Studio 2010；Electronic products；Toxic and hazardous substance；Fuzzy clustering analysis；Analysis and evaluation；Pollution level

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.015

TP319

A

1002－2279（2016）01－0057－05

霍杨（1987－），女，黑龙江省绥化市人，硕士研究生，主研方：机电一体化与嵌入式系统。

江冰（1960－），女，江苏省常州市人，院长，教授，硕士研究生导师，主研方向：通信与信息系统。

2015－05－21