張洪洲，劉媛杰，王憲磊，李 勇，周 丹,蘇海飛，鄭 浩，肖豪杰

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

近年來(lái)，新疆由于其地域特征，農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，棉花的種植面積大幅度增加。同時(shí)，作為棉花生產(chǎn)的重要生產(chǎn)資料的棉籽品質(zhì)問(wèn)題凸顯。在棉花生產(chǎn)過(guò)程中，棉籽作為副產(chǎn)品[1-15]。棉花扎花之后的棉籽中含有大量的不孕棉籽，這些不孕棉籽混淆在棉籽中，直接影響棉籽的整體品質(zhì)；不論種用棉籽，還是油用棉籽，含有不孕棉籽都會(huì)影響到棉籽的合理利用。棉籽的純度和真實(shí)性是衡量棉籽質(zhì)量的重要指標(biāo)[8-24]。因棉籽質(zhì)量問(wèn)題造成的損失是巨大的，并且這種損失是不可彌補(bǔ)不可逆的。而傳統(tǒng)的棉籽鑒別主要根據(jù)棉籽的物理特性和機(jī)械特性等，這些技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足生產(chǎn)的需要。隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和人工智能的迅速發(fā)展，這些技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)產(chǎn)品清選鑒定方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的三大支柱之一。按照信息論的凸性定理，傳感器的功能與品質(zhì)決定了傳感系統(tǒng)獲取自然信息的信息量和信息質(zhì)量，是高品質(zhì)傳感技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)造第一個(gè)關(guān)鍵。傳感器技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)等融合應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)鑒定領(lǐng)域，其系統(tǒng)集成化程度高，硬件電路設(shè)計(jì)容易，控制內(nèi)核軟件部分易于實(shí)現(xiàn)。另外，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在種子的品質(zhì)鑒定方面應(yīng)用越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域的研究越來(lái)越多。在玉米種子訓(xùn)練識(shí)別研究方面，BP網(wǎng)絡(luò)被證明了其可行性，并進(jìn)行識(shí)別鑒定試驗(yàn)，建立了BP網(wǎng)絡(luò)模型；BP網(wǎng)絡(luò)在小麥穗部特征因素識(shí)別，并對(duì)其溯源鑒定研究等方面都有不可或缺的意義。因此，利用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)融合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品進(jìn)行鑒定識(shí)別研究是很有前景的[25-30]。

本文利用傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)融合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)棉籽中的不孕棉籽進(jìn)行識(shí)別并剔除。以中棉56號(hào)、新陸早26號(hào)、惠遠(yuǎn)730棉籽為原料，在自行設(shè)計(jì)的棉籽識(shí)別裝置進(jìn)行識(shí)別試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從影響識(shí)別效果的棉籽外部顏色信息的色調(diào)分量值H、飽和度分量值S、強(qiáng)度分量值I3個(gè)因素入手，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)棉籽識(shí)別模型，確定棉籽識(shí)別的HSI模型，為實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)一步研究剔棉籽中的不孕籽提供一個(gè)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

原料為利用中棉56號(hào)、新陸早26號(hào)及惠遠(yuǎn)730棉籽。

棉籽的不孕籽識(shí)別裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。棉籽的不孕籽識(shí)別裝置示意圖如圖2所示。該裝置主要由HSI信息采集裝置、棉籽位置調(diào)整裝置、氣流發(fā)生及控制裝置、速度控制裝置、參數(shù)顯示裝置、顯示裝置及電源等組成。其中，HSI信息采集裝置采用CCD采集棉籽的三基色，再轉(zhuǎn)換成HIS分量值。不孕籽識(shí)別試驗(yàn)時(shí)，待檢測(cè)棉籽單列放置于輸送帶上，傳送帶將棉籽送到信息采集裝置正下方時(shí)，棉籽位置調(diào)整裝置啟動(dòng)調(diào)整棉籽處于最佳位置，便于HIS采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；待采集完數(shù)據(jù)后，經(jīng)歸一化處理后，確定該棉籽是否為不孕棉籽。若為不孕棉籽，單片機(jī)做出決策，控制氣流機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)氣流將不孕棉籽吹入回收箱；若為正常棉籽，則傳送帶將其送至優(yōu)質(zhì)棉籽箱體內(nèi)。

圖1 不孕籽識(shí)別系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of distinguish system of infertility cottonseed

1.輸送帶 2.CCD支架 3.CCD 4.氣流機(jī) 5.電機(jī) 6.CPU 7.控制器及數(shù)顯 8.優(yōu)質(zhì)棉籽回收箱 9.不孕籽回收箱 圖2 不孕棉籽清選裝置示意圖Fig.2 Diagrammatic diagram of distinguish system of infertility cottonseed

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

不孕棉籽識(shí)別系統(tǒng)軟件部分包括HIS信息采集控制、棉籽位置控制控制、速度控制、氣流調(diào)控及鍵盤(pán)顯示等模塊，如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)方法

取3種棉籽各900粒，每個(gè)品種棉籽混入同品種的不孕棉籽100粒，使正常棉籽和不孕籽均勻混合。

圖3 識(shí)別系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 Distinguish system software flow chart

將混合后的3種棉籽分別在不孕籽識(shí)別裝置上進(jìn)行識(shí)別試驗(yàn)，測(cè)定識(shí)別率。試驗(yàn)所用的棉籽外部顏色信息的色調(diào)分量值H、飽和度分量值S、強(qiáng)度分量值I3個(gè)參數(shù)的詳細(xì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 主要參數(shù)指標(biāo)Table 1 Main parameter index

2 BP網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

不孕棉籽識(shí)別的主控因素是棉籽外部顏色信息的色調(diào)分量值H、飽和度分量值S、強(qiáng)度分量值I，以此作為BP的輸入量，即輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)3。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)則可知，當(dāng)輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為X時(shí)，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為Y，因此輸入層與隱層之間的關(guān)系為Y=2X+1，此時(shí)訓(xùn)練效果最好。在本文的不孕棉籽識(shí)別設(shè)計(jì)中，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為7，共3層，因此3層模型的結(jié)構(gòu)為3-7-1。

選取色調(diào)分量值H、飽和度分量值S、強(qiáng)度分量值I3個(gè)關(guān)鍵因素作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入量，選取不孕籽識(shí)別率為BP網(wǎng)絡(luò)模型的輸出量，將3個(gè)主控因素做歸一化處理后，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。最后得到最優(yōu)解。

3 結(jié)果分析

按照3個(gè)主控因素分別對(duì)3個(gè)品牌棉籽依次做試驗(yàn)，相同指標(biāo)下試驗(yàn)做5次，取5次平均值作為樣本數(shù)據(jù)，在三因素四水平下組合試驗(yàn)，每次試驗(yàn)測(cè)定不孕棉籽的識(shí)別率，得到組合數(shù)據(jù)64組，如表2所示。

表2 不孕棉籽識(shí)別率樣本數(shù)據(jù)Table 2 Sample data of distinguish rate

由表2可知：以色調(diào)分量值H、飽和度分量值S、強(qiáng)度分量值I為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入因子，以不孕棉籽識(shí)別率為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出因子，隨機(jī)抽取出54組數(shù)據(jù)作為不孕棉籽識(shí)別的BP網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本，剩余10組數(shù)據(jù)作為進(jìn)一步驗(yàn)證BP網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)迭代收斂后得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)解。

利用MatLab7.0編程，得到BP網(wǎng)絡(luò)輸入層與隱層以及隱層與輸出層之間的權(quán)值和閾值，如表3所示。

表3 BP網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)的系數(shù)Table 3 Coefficients of various parameters of BP

通過(guò)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)回歸分析得到BP的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.932 68。

4 結(jié)論

建立了一個(gè)用于識(shí)別不孕棉籽的BP網(wǎng)絡(luò)模型，驗(yàn)證了其有效性。通過(guò)組合試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了不孕棉籽的有效識(shí)別和剔除，為棉籽的清選分級(jí)提供了參考。

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