植物油光譜模式的識別

　　摘要：可食用植物油的識別與區(qū)分是食品安全監(jiān)測領(lǐng)域中的值得關(guān)注的工作內(nèi)容之一。文章借助衰減全反射傅里葉變換紅外光譜分析，獲取 8 種植物油樣本的數(shù)據(jù)，而后采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換和一階導(dǎo)數(shù)處理來消除背景干擾，使得重疊峰發(fā)生分離;其次構(gòu)建競爭性自適應(yīng)重加權(quán)算法模型對各樣本光譜數(shù)據(jù)進行特征提取，共提取 105 個特征波長點;然后構(gòu)建長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對提取特征波長前后的可食用植物油種類進行預(yù)測識別與比較，結(jié)果表明，長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對提取特征波長前后樣本預(yù)測識別準(zhǔn)確率分別維持在 30%~40%和 80%~90%的區(qū)間范圍內(nèi)，模型運行時間分別為 111 min 25 sec 和 1 min 45 sec，這表明在光譜化學(xué)模式識別中特征波長的提取是十分有必要的;最后搭建由 Levenberg-Marquardt 算法改進的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進一步提高植物油分類識別的準(zhǔn)確率，總體準(zhǔn)確率達(dá)到 100%。實驗結(jié)果較為理想，可為植物油的無損快速檢驗提供一定的參考與借鑒。

　　關(guān)鍵詞：紅外光譜;可食用植物油;特征提取;機器學(xué)習(xí)

　　接昭瑋; 劉卓; 王繼芬; 古錕山; 王之宇 中國油脂 2022-01-18

　　1 引 言

　　隨著科技的進步，食品制造業(yè)迅猛發(fā)展，在給人們帶來便捷的同時，某些不法分子為牟取暴利，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不符合食品安全要求，導(dǎo)致食品安全風(fēng)險隱患日益凸顯[1]?？墒秤弥参镉褪俏覀?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚呐腼冇闷?，也是人體必需營養(yǎng)物質(zhì)的主要來源之一[2]。近年來，不少不法分子為謀取暴利對可食用植物油的原料和制作工藝“投機取巧”，將非食用油冒充大豆油等可食用油對外銷售，造成了社會重大食品安全隱患。因此，對案發(fā)現(xiàn)場提取的可食用植物油樣本開展無損檢測工作是食品安全中的一個重要環(huán)節(jié)。

　　分子光譜分析技術(shù)是自 20 世紀(jì) 90 年代以來發(fā)展最快的分析技術(shù)，以其高效快速、制樣簡單以及無污染等獨特的分析優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于食品、油脂等的品質(zhì)分析檢測[3-4]。當(dāng)前，可食用植物油的儀器檢測方法主要有氣相色譜-離子遷移譜、紫外光譜技術(shù)和 X 射線檢測技術(shù)等，雖然這些方法檢測性好，儀器測量精密度高，但存在儀器造價昂貴、處理步驟多、耗費時間長、檢測效率低等缺陷，且試劑消耗大、易污染環(huán)境，不適合于樣品快速檢測[5]。紅外光譜與其它光譜法相比，以其特征性好和適用樣品范圍廣等特點適合對有機物的定性分析，在法庭科學(xué)領(lǐng)域，紅外光譜被廣泛用于微量物證的鑒別。王延等人[6]利用紅外光譜對交通事故案件中受污染的纖維、油漆等物證進行同一認(rèn)定，為交通事故案件提供證據(jù)支持和參考;陳云[7]等人研究發(fā)現(xiàn)紅外光譜技術(shù)可廣泛應(yīng)用于對作案工具上殘留的涂料附著物、碎尸包裹物上粘附的涂料等微量物證進行同一認(rèn)定，從而為偵查工作提供方向。

　　深度學(xué)習(xí)是機器在已知經(jīng)驗基礎(chǔ)上建立一個自動學(xué)習(xí)機，學(xué)習(xí)機能夠在這些經(jīng)驗中獲得新的知識，以解決新的問題。當(dāng)前，深度學(xué)習(xí)在環(huán)境化學(xué)[8-9]、材料分析[10-11]、法庭科學(xué)[12-13]等領(lǐng)域均有應(yīng)用。而將深度學(xué)習(xí)用于開展對光譜信息數(shù)據(jù)的挖掘，實現(xiàn)對樣本檢驗結(jié)果的信息化和可視化是當(dāng)下分析測試研究領(lǐng)域的熱點之一。

　　鑒于此，本文提出將紅外光譜結(jié)合機器學(xué)習(xí)對油進行分類識別處理。本文采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜分析技術(shù)，獲取 8 種常見的可食用植物油光譜數(shù)據(jù)，構(gòu)建競爭性自適應(yīng)重加權(quán)算法提取各樣本的光譜數(shù)據(jù)特征，同時構(gòu)建長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Levenberg-Marquardt 算法改進的誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展對不同植物油的快速無損分類識別工作。這為公安機關(guān)在搜集涉及可食用植物油的有毒有害食品案件和生產(chǎn)、銷售偽劣產(chǎn)品案件方面提供偵查方向和完整的證據(jù)鏈。

　　2 實 驗 2.1 樣品與設(shè)備

　　結(jié)合實際案件，從市場上共收集 8 種共計 160 個常見的可食用植物油樣本，可食用植物油樣本統(tǒng)計表見表 1。

　　實驗采用 Nicolet is10 型傅里葉變換紅外光譜儀(美國 Thermo Fisher Scientific 公司)，設(shè)備及參數(shù)的基本信息見表 2。

　　2.2 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

　　8 種可食用植物油的原始光譜如圖 1 所示。為確保實驗數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，排除儀器放置環(huán)境以及機器本身產(chǎn)生的噪聲干擾，故需要對所測得的光譜數(shù)據(jù)進行平滑降噪處理;為消除固體顆粒大小、表面散射以及光程變化對漫反射光譜影響，故需要對測得的光譜進行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換(SNV, Standard normal variate)處理;為有效消除基線和其他背景干擾，使得重疊峰發(fā)生分離，從而提高檢測的分辨率和靈敏度，故需要對在 SNV 變換后的光譜進行一階導(dǎo)處理。

　　將分別經(jīng)過平滑、SNV、SNV+DT 預(yù)處理后得到的光譜圖與原始光譜圖進行對比，可食用植物油預(yù)處理光譜圖如圖 2 所示。對光譜進行預(yù)處理的目的在于去除噪聲的同時能夠盡可能地多保留原光譜的真實信息，在對原有光譜進行平滑、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換和一階導(dǎo)處理后，消除了由于固體顆粒大小、表面散射以及光程變化對漫反射光譜的影響，不僅增強了光譜的吸收特性，還減少了曲線的離散性，能夠有效提高譜圖的分辨率和靈敏度。

　　3 結(jié)果與討論 3.1 各樣本光譜數(shù)據(jù)特征提取 3.1.1 CARS 算法

　　競爭性自適應(yīng)重加權(quán)算法(CARS, competitive adaptive reweighted sampling)是基于自適應(yīng)重加權(quán)采樣(ARS, adaptive reweighted sampling)技術(shù)，從而選擇出 PLS 模型中回歸系數(shù)絕對值大的波長點，利用交互驗證選出均方標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSECV)值最低的子集，去掉權(quán)重小的波長點，最終有效尋出最優(yōu)變量組合[14]。最初經(jīng)過 OMNIC 軟件導(dǎo)出的樣本光譜數(shù)據(jù)共計 556160 個，如果直接對原有數(shù)據(jù)集進行光譜分析，從機器運行時間的角度來說是一件十分耗時的事情，在分類效果和準(zhǔn)確率方面，由于龐大的數(shù)據(jù)集使機器難以找到顯示解，從而導(dǎo)致分類準(zhǔn)確率低下。而 CARS 算法可以有效解決這一難題，通過尋找數(shù)據(jù)集中回歸系數(shù)絕對值最大的波長點，選出 RMSECV 值最低的子集，最終有效尋出特征光譜點組合。CARS 算法被廣泛應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域光譜特征波長的選取，吳建飛[15]在對冬小麥葉片含水量進行快速無損檢測研究時發(fā)現(xiàn)，基于 CARS 算法篩選的波段組合壓縮率達(dá) 98%以上，所建模型中最高預(yù)測決定系數(shù)為 0.8441;王海龍[16]等人在檢測番茄葉片灰霉病的方面，發(fā)現(xiàn)基于 CARS 算法建立的 SVM 模型對于識別真菌損害的番茄葉片的準(zhǔn)確率高達(dá) 100%。以上結(jié)果說明了 CARS 算法對于食品安全領(lǐng)域檢測的實用性和有效性。

　　3.1.2 特征波長提取結(jié)果

　　本文利用 CARS 算法，采用十折交叉驗證，將采樣的總次數(shù)設(shè)置為 50 次。特征波長優(yōu)選過程，可食用植物油光譜變量篩選圖如圖 3 所示，由圖 3(a)可知，特征波長采樣的數(shù)量隨著采樣數(shù)量次數(shù)的增加而減少;圖 3(b)表示十折交互驗證均方標(biāo)準(zhǔn)差(RMSECV)值的變化趨勢，圖 3(c)表示每個變量回歸系數(shù)的路徑變化[17]。將光譜數(shù)據(jù)連續(xù)運行 23 次，取 23 次結(jié)果中頻率最多的波長作為真實特征波長。

　　提取出八種植物油的特征波長，光譜特征提取結(jié)果如圖 4 所示。

　　通過 CARS 模型的建立與提取，所得到的可食用植物油特征波長共計 105 個，特征波長匯。

　　3.2 關(guān)于特征提取的必要性研究

　　長短記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(LSTM, Long short-term memory)是在循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN , Rerrent Neural Network)基礎(chǔ)上研發(fā)的一種改進式循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅可以有效處理序列數(shù)據(jù)，而且還可以選擇性的存儲信息，從而彌補了傳統(tǒng) RNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在解決長時依賴問題中的局限性。當(dāng)預(yù)測點與依賴的相關(guān)信息距離比較遠(yuǎn)的時候，LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有效學(xué)習(xí)到所對應(yīng)的相關(guān)信息。LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示。

　　LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心在于圖 5 中間的矩形方框，稱之為記憶塊(memory block)，方框內(nèi)上方的水平線，被稱為單元狀態(tài)(cell state)，它就像一個傳送帶，可以控制信息傳遞給下一時刻。LSTM 里常用的激活函數(shù)有兩個，一個是 tanh，一個是 sigmoid，兩個函數(shù)來決定經(jīng)過記憶塊的信息內(nèi)容，從而達(dá)到篩選有效信息的目的。

　　通過矩陣實驗室(MATLAB)搭建 LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將 8 種可食用植物油的光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于未提取特征波長的 8 種可食用植物油分類識別結(jié)果圖如圖 6 所示， LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于提取特征波長的 8 種可食用植物油分類識別結(jié)果圖如圖 7 所示。

　　由圖 6 可知，在未提取特征波長前 LSTM 模型對于實驗中可食用植物油的分類識別準(zhǔn)確率維持在 30%~40%的區(qū)間內(nèi)，模型運算時間長達(dá) 111 min 25 sec。結(jié)合圖 7，發(fā)現(xiàn)提取特征波長后 LSTM 模型對于各樣本的分類識別準(zhǔn)確率提升至 80%~90%的區(qū)間內(nèi)，模型運算時間僅為 1 min 45 sec。這表明，通過特征提取算法可以有效提高模型的分類識別準(zhǔn)確率以及縮短模型的運行時間，降低模型的計算復(fù)雜度。郭城[18]曾借助無信息變量消除法(UVE, uniformative variable elimination)、遺傳算法(GA, genetic algorithm)對蜂王漿水溶性蛋白質(zhì)和總糖含量進行特征波長提取，結(jié)果發(fā)現(xiàn) RMSEP 值都在 1 以上，導(dǎo)致模型過擬合，預(yù)測相關(guān)性變差。與 CARS 算法進行樣本特征波長提取相比，最終所得模型預(yù)測的準(zhǔn)確性更高，穩(wěn)健性更好。

　　分析認(rèn)為，LSTM 在序列建模問題上有一定優(yōu)勢，具有長時記憶功能，實現(xiàn)起來簡單。同時也解決了長序列訓(xùn)練過程中存在的梯度消失和梯度爆炸的問題。但是，它在對樣本種類預(yù)測識別中穩(wěn)定性不夠強，這可能會對模型的準(zhǔn)確率造成負(fù)面影響。鄭毅[19]等人曾借助膠囊式 LSTM網(wǎng)絡(luò)對人體姿態(tài)檢測開展了模式識別工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機器的最高識別正確率達(dá)到 95.42%，但是也發(fā)現(xiàn) LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在一步依賴性和時序依賴性等不足。因此，本文探討構(gòu)建一種改進式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用以提升模型識別的準(zhǔn)確率與穩(wěn)定性。

　　3.3 基于 Levenberg-Marquardt 算法改進的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

　　Levenberg-Marquardt 算法(簡稱 LM 算法)是最優(yōu)化算法中的一種，是以最廣泛的非線性最小二乘算法為基礎(chǔ)，利用梯度求最大(小)值的方法。利用 LM 算法改進 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可有效克服傳統(tǒng) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的缺陷，從而提高機器學(xué)習(xí)分類識別的準(zhǔn)確率。模型建立共分為 7 步：

　　(1)設(shè)置訓(xùn)練誤差允許值