拉曼檢測(cè)儀軟件產(chǎn)品線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊 內(nèi)，王紅球，易裕民，秦曉東，耿瑩瑩

（同方威視技術(shù)股份有限公司，北京100084）

近年來，利用拉曼光譜具有物質(zhì)“指紋”的特征，拉曼光譜技術(shù)在危險(xiǎn)品檢測(cè)、海關(guān)/邊防查私、珠寶鑒定、食品安全、藥品鑒定、文物真?zhèn)舞b定、礦物勘探、石油成分鑒定等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)分析，雖然應(yīng)用行業(yè)不同，但各行業(yè)軟件的公用成分和交叉成分所占比重很大，如果采用傳統(tǒng)方法開發(fā)，不僅需要消耗巨大的人力、物力、財(cái)力、研發(fā)周期長(zhǎng)，且相當(dāng)一部分工作是重復(fù)勞動(dòng)。針對(duì)這一情況，本文采用軟件產(chǎn)品線的模式開發(fā)，以期取得理想的效果，因此拉曼檢測(cè)儀軟件產(chǎn)品線應(yīng)運(yùn)而生。

1 軟件產(chǎn)品線簡(jiǎn)介

軟件產(chǎn)品線是目前為止最大程度的軟件復(fù)用，可以有效地降低成本、縮短產(chǎn)品面世時(shí)間、提高軟件質(zhì)量。產(chǎn)品線的起源可以追溯到1976年P(guān)ARNAS對(duì)程序族的研究[1]。軟件產(chǎn)品線的實(shí)踐早在20世紀(jì)80年代中期就已出現(xiàn)。據(jù) HP公司 1996年對(duì) HP、IBM、NEC、AT&T等幾個(gè)大型公司分析研究，這些公司在采用了軟件產(chǎn)品線開發(fā)方法后，使產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間減少了30%～50%，維護(hù)成本降低了 20%～50%，軟件質(zhì)量提升了 5～10倍，軟件重用達(dá) 50%～80%，開發(fā)成本降低 12%～15%[1]。

1.1 軟件產(chǎn)品線的概念

產(chǎn)品線是一個(gè)產(chǎn)品集合，每個(gè)新產(chǎn)品都可以由來自核心資源庫的可應(yīng)用組件組成，通過預(yù)先設(shè)定的變化機(jī)制(如參數(shù)化)對(duì)這些組件進(jìn)行必要的剪裁，添加可能需要的新組件，根據(jù)一個(gè)產(chǎn)品線范圍內(nèi)的公共構(gòu)架來組裝這些組件。因此軟件產(chǎn)品線主要由兩部分組成：核心資源和產(chǎn)品集合。其中核心資源包括產(chǎn)品線中產(chǎn)品共享的構(gòu)架以及為貫穿產(chǎn)品線進(jìn)行系統(tǒng)化重用所開發(fā)的軟件組件和其他相關(guān)配套資源。

1.2 軟件產(chǎn)品線的過程模型

軟件產(chǎn)品線典型的過程模型是SEI模型，它將產(chǎn)品線的基本活動(dòng)分為3部分：核心資源開發(fā)（領(lǐng)域工程）、產(chǎn)品開發(fā)（應(yīng)用工程）和管理。圖1顯示了這三大基本活動(dòng)及其相互關(guān)系[2]。

圖1 SEI模型

三大基本活動(dòng)交錯(cuò)連接，可以任何次序發(fā)生，且高度重疊。旋轉(zhuǎn)的箭頭表示不但核心資源用來開發(fā)產(chǎn)品，而且已存在的核心資源的修訂甚至新的核心資源常常來自產(chǎn)品開發(fā)。核心資源開發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)均需要技術(shù)和組織管理。

1.3 軟件產(chǎn)品線的領(lǐng)域具體化

經(jīng)過多年發(fā)展，軟件產(chǎn)品線理論和工程的框架已比較完整，未來研究的主要任務(wù)包括：領(lǐng)域具體化、質(zhì)量保證、模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)、進(jìn)化、多條產(chǎn)品線、工具支持、過程改進(jìn)和評(píng)估、經(jīng)濟(jì)因素等。本文側(cè)重軟件產(chǎn)品線的領(lǐng)域具體化設(shè)計(jì)與應(yīng)用，其主要任務(wù)是對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用領(lǐng)域（如本文的拉曼檢測(cè)儀），完成框架的具體化。具體化將產(chǎn)生一組用于特定領(lǐng)域建模的變化點(diǎn)、變量、變化依賴和約束的良好定義的類型。這樣的具體化將會(huì)增加模型的語義，其將是工具支持和有效解決變化的復(fù)雜性的重要基礎(chǔ)。例如，標(biāo)準(zhǔn)的抽象級(jí)別和映射概念的機(jī)制以及可變性從一個(gè)級(jí)別到另一個(gè)級(jí)別的一致性定義，都應(yīng)該是領(lǐng)域具體化的結(jié)果[1]。

2 拉曼檢測(cè)儀軟件產(chǎn)品線的構(gòu)建

構(gòu)建拉曼檢測(cè)儀軟件產(chǎn)品線的首要任務(wù)是對(duì)拉曼產(chǎn)品領(lǐng)域進(jìn)行領(lǐng)域分析、領(lǐng)域設(shè)計(jì)和領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)。其中，領(lǐng)域分析利用現(xiàn)有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、架構(gòu)和需求建立領(lǐng)域模型；領(lǐng)域設(shè)計(jì)是用領(lǐng)域模型確定領(lǐng)域/產(chǎn)品線的共性和可變性，為產(chǎn)品線設(shè)計(jì)架構(gòu)；領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)則基于領(lǐng)域架構(gòu)開發(fā)領(lǐng)域可復(fù)用資源，例如構(gòu)件、文檔和代碼生成器等。在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出軟件產(chǎn)品線構(gòu)架并實(shí)現(xiàn)其核心資源庫。

2.1 領(lǐng)域分析

拉曼效應(yīng)是由科學(xué)家拉曼(RAMAN C V)和克里斯南(RISHNAN K S K)在1928年觀察液體中的散射現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)頻率為ω0的單色光入射到無塵的透明氣體、液體或者光學(xué)上完全透明的固體時(shí)，對(duì)其散射頻譜分析表明：除了與入射光頻譜相同的散射光外，還有頻譜為 ω′=ω0+Δω 的新譜線，這些譜線組成拉曼光譜[3]。由于不同的分子對(duì)應(yīng)不同的特征拉曼頻移，因此可以用拉曼光譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行識(shí)別。拉曼光譜技術(shù)具有無需取樣、無耗材，并且準(zhǔn)確、無損、快速等特點(diǎn)。

經(jīng)分析，雖然應(yīng)用行業(yè)不同，但其檢測(cè)流程基本相同，典型的拉曼檢測(cè)系統(tǒng)如圖 2所示。具體流程是：（1）拉曼檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出測(cè)量指令，驅(qū)動(dòng)激光器出光；（2）應(yīng)用光譜儀采集本底、原始光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算出被測(cè)物拉曼光譜；（3）對(duì)被測(cè)物拉曼光譜去噪、平滑處理，調(diào)用算法識(shí)別接口，進(jìn)行物質(zhì)識(shí)別，保存物質(zhì)和原始譜圖數(shù)據(jù)；（4）根據(jù)顯示策略進(jìn)行顯示處理；（5）顯示結(jié)果，包括檢測(cè)結(jié)果、檢測(cè)次數(shù)、危險(xiǎn)品次數(shù)和譜圖，還可以通過蜂鳴器、LED燈、警示界面、警示文字提示用戶。

圖2 典型拉曼檢測(cè)系統(tǒng)

此外，為了提高設(shè)備物質(zhì)識(shí)別能力，提供了用戶補(bǔ)充譜圖功能，方便用戶在使用過程中不斷補(bǔ)充新的物質(zhì)譜圖；為方便用戶使用設(shè)備，提供了歷史數(shù)據(jù)管理、譜圖庫管理、系統(tǒng)管理、用戶切換等功能對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和維護(hù)。

2.2 領(lǐng)域設(shè)計(jì)

根據(jù)拉曼產(chǎn)品領(lǐng)域分析所得的領(lǐng)域共性和特性，將軟件架構(gòu)劃分為UI交互層、領(lǐng)域?qū)?、?shù)據(jù)管理層和系統(tǒng)交互層，如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)

（1）UI交互層，負(fù)責(zé)封裝與用戶的雙向交互、屏蔽具體交互方式。UI交互層又包括子系統(tǒng)UI和主控UI。其中，子系統(tǒng)UI包括設(shè)備自檢、用戶登錄、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、歷史數(shù)據(jù)管理、譜圖庫管理、系統(tǒng)管理等基本功能；主控UI包括測(cè)量、顯示結(jié)果、詳情、切換用戶和高級(jí)管理等功能，為適應(yīng)不同的行業(yè)和用戶，主控UI給出不同的應(yīng)用控制界面。

（2）領(lǐng)域?qū)?，?fù)責(zé)問題領(lǐng)域或業(yè)務(wù)領(lǐng)域的抽象、領(lǐng)域功能的實(shí)現(xiàn)。包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、算法識(shí)別、顯示策略、保存結(jié)果等功能。

（3）數(shù)據(jù)管理層，負(fù)責(zé)封裝各種持久化數(shù)據(jù)的具體管理方式。

（4）系統(tǒng)交互層，負(fù)責(zé)封裝硬件的具體交互方式以及封裝外部系統(tǒng)的交互。

在上述功能資源中，領(lǐng)域?qū)印?shù)據(jù)管理層和系統(tǒng)交互層將直接共享使用；UI交互層部分共享使用，大部分將重新設(shè)計(jì)。軟件構(gòu)架主要可變點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)采集、識(shí)別算法、顯示策略，根據(jù)具體應(yīng)用的不同，調(diào)用不同的算法。

（2）譜圖庫，根據(jù)不同的行業(yè)，配置不同的譜圖庫。

（3）主控UI界面，根據(jù)特定行業(yè)使用習(xí)慣重新設(shè)計(jì)。

（4）子系統(tǒng)UI，根據(jù)特定行業(yè)UI風(fēng)格，進(jìn)行局部調(diào)整。

2.3 領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)

由于運(yùn)行平臺(tái)為WinCE，為了得到一個(gè)開放的、通用的拉曼系列產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)基于.NET Framework平臺(tái)，使用VC和C#語言開發(fā)。其中識(shí)別算法、網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動(dòng)、硬件控制等核心和底層功能采用VC實(shí)現(xiàn)；界面UI、顯示、設(shè)備管理、系統(tǒng)管理等功能使用C#實(shí)現(xiàn)。為方便數(shù)據(jù)維護(hù)和配置，系統(tǒng)配置和譜圖庫采用XML實(shí)現(xiàn)。

在軟件實(shí)現(xiàn)過程中，綜合考慮實(shí)際應(yīng)用、模塊相對(duì)獨(dú)立、操作簡(jiǎn)便等原則，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、接口技術(shù)、設(shè)計(jì)模式、XML配置文件等實(shí)現(xiàn)。拉曼檢測(cè)儀軟件產(chǎn)品線部分核心資源如表1所示。

3 拉曼檢測(cè)儀軟件產(chǎn)品線的應(yīng)用

應(yīng)用工程在領(lǐng)域工程成果的基礎(chǔ)上構(gòu)造新產(chǎn)品。應(yīng)用工程需要根據(jù)每個(gè)應(yīng)用獨(dú)特的需求，經(jīng)過需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，生成新產(chǎn)品。下面以拉曼珠寶檢測(cè)系統(tǒng)為例，說明應(yīng)用工程的過程。

3.1 需求分析

拉曼珠寶檢測(cè)儀將建成更加完備的珠寶玉石譜圖庫及行業(yè)知識(shí)庫，設(shè)計(jì)制造出更加符合專業(yè)用戶操作習(xí)慣的檢測(cè)平臺(tái)并力爭(zhēng)在業(yè)界難點(diǎn)問題（如翡翠A、B貨，象牙等的檢測(cè)）上實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破、獲取差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一般拉曼檢測(cè)儀的普通用戶只關(guān)心檢測(cè)結(jié)果是什么，不關(guān)心拉曼譜圖，也不關(guān)心更多的技術(shù)細(xì)節(jié)；而拉曼珠寶檢測(cè)儀的用戶是專業(yè)的用戶，與普通用戶不同，不僅關(guān)心檢測(cè)結(jié)果，還關(guān)心譜圖、相關(guān)度，經(jīng)常自行添加譜圖，導(dǎo)出數(shù)據(jù)、生成檢測(cè)報(bào)告等，還要根據(jù)檢測(cè)樣品的情況采取快檢和精檢模式。將這些拉曼珠寶檢測(cè)儀個(gè)性化，特有的系統(tǒng)需求與領(lǐng)域需求比較，即可劃分成領(lǐng)域公共需求和獨(dú)特需求兩部分，得出了拉曼珠寶檢測(cè)儀系統(tǒng)需求規(guī)格說明書。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是在領(lǐng)域架構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)獨(dú)特需求，設(shè)計(jì)應(yīng)用的軟件架構(gòu)。根據(jù)需求分析，軟件架構(gòu)需要作以下調(diào)整：

（1）重新和調(diào)整設(shè)計(jì)

①主控界面：該界面提供測(cè)量、導(dǎo)出、生成報(bào)告、數(shù)據(jù)分析、添加到譜圖庫、切換用戶和高級(jí)等功能；顯示檢測(cè)結(jié)果，包括物質(zhì)譜圖、物質(zhì)名稱、相似度、物質(zhì)屬性、檢測(cè)次數(shù)、檢到珠寶次數(shù)；還包括時(shí)間、聲音、電池電量等輔助功能元素。

②譜圖庫管理：由多庫顯示管理調(diào)整為只有珠寶玉石譜圖庫管理功能，顯示元素、位置都作了調(diào)整，界面更簡(jiǎn)潔。

③添加譜圖庫：由多庫添加譜圖庫調(diào)整為只有珠寶玉石譜圖庫添加功能，顯示元素、位置都作了調(diào)整，界面更簡(jiǎn)潔。

④高級(jí)界面：在功能分級(jí)中，由于海洛因檢測(cè)、選擇譜圖庫等功能模塊在本系統(tǒng)中去掉，對(duì)功能按鈕位置和個(gè)數(shù)作了相應(yīng)調(diào)整。

表1 拉曼檢測(cè)儀軟件產(chǎn)品線部分資源表

（2）新增功能

①人工對(duì)比分析：提供人工對(duì)比所有譜圖的功能，可以選擇譜圖庫中任意譜圖與檢測(cè)的樣品進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)對(duì)比的譜圖可以導(dǎo)出。

②快檢和精檢模式：針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，提供快檢和精檢模式。其中，快檢應(yīng)用于一般工作場(chǎng)合；精檢用于建庫或特定樣品細(xì)微差別鑒定場(chǎng)合。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要工作是遵照應(yīng)用架構(gòu)，用領(lǐng)域可復(fù)用資源實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域公共需求，用定制開發(fā)的構(gòu)件滿足系統(tǒng)獨(dú)特需求，構(gòu)建新的系統(tǒng)。根據(jù)前述需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文重新設(shè)計(jì)主控界面、添加譜圖庫等功能模塊；增加人工分析、兩種檢測(cè)模式等功能；調(diào)整高級(jí)、譜圖庫管理、系統(tǒng)管理等界面；直接使用系統(tǒng)自檢、歷史數(shù)據(jù)、導(dǎo)出、生成報(bào)告、數(shù)據(jù)分析、切換用戶、修改密碼、用戶管理、器件測(cè)試等功能。最后進(jìn)行集成、測(cè)試，形成拉曼珠寶檢測(cè)系統(tǒng)，其主界面如圖4所示。

圖4 拉曼珠寶檢測(cè)系統(tǒng)主界面

由于采用了軟件產(chǎn)品線的開發(fā)模式，這個(gè)原來預(yù)計(jì)需要研發(fā)半年的系統(tǒng)只花了2個(gè)月的時(shí)間就完成了。開發(fā)效率、軟件質(zhì)量得到顯著提高，工作量明顯減少。

在拉曼檢測(cè)儀軟件產(chǎn)品線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，采用演化方式，將現(xiàn)有產(chǎn)品演化為產(chǎn)品線。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是通過對(duì)投資回報(bào)周期的分解、對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)演化的維持，使產(chǎn)品線方法的實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)降到了最小。采用軟件產(chǎn)品線開發(fā)的拉曼檢測(cè)儀，可以根據(jù)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嶋H需要而以極少的人力、時(shí)間、工作量等來研發(fā)出具體產(chǎn)品，由于軟件產(chǎn)品的主要成分是高可靠性、性能經(jīng)過驗(yàn)證的可復(fù)用構(gòu)件，因此軟件產(chǎn)品的質(zhì)量也大大提高。采用軟件產(chǎn)品線的模式已經(jīng)研制了拉曼安檢系統(tǒng)、拉曼珠寶檢測(cè)系統(tǒng)、拉曼監(jiān)管物項(xiàng)識(shí)別系統(tǒng)等一批拉曼產(chǎn)品，大大推進(jìn)了企業(yè)產(chǎn)品化的效率。軟件產(chǎn)品線的建立需要企業(yè)有意識(shí)地、長(zhǎng)期地努力才有可能成功，要有一個(gè)構(gòu)建產(chǎn)品的好的核心資源庫、好的產(chǎn)品架構(gòu)以及好的管理(包括軟件資源、人員組織和過程等)支持。拉曼檢測(cè)儀軟件產(chǎn)品線的下一步工作是加強(qiáng)現(xiàn)有成果的深度和廣度。

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