糧倉(cāng)建筑氣密性預(yù)測(cè)軟件的開(kāi)發(fā)

郭治洪，童滬琨，張夢(mèng)歌，劉震華，李建平，陳光中

（1.河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州450001；2.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州450001）

1 引言

糧倉(cāng)建筑的氣密性對(duì)于儲(chǔ)糧安全具有重要意義，在以往的糧倉(cāng)建筑設(shè)計(jì)中，缺乏針對(duì)糧倉(cāng)設(shè)計(jì)方案與糧倉(cāng)氣密性的關(guān)系進(jìn)行量化分析的工具，糧倉(cāng)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行糧倉(cāng)建筑氣密性設(shè)計(jì)時(shí)需要可供參考的依據(jù)[1]。本研究試圖建立糧倉(cāng)設(shè)計(jì)特征變量與糧倉(cāng)氣密性的回歸模型，開(kāi)發(fā)出可以根據(jù)影響糧倉(cāng)氣密性的相關(guān)因素對(duì)糧倉(cāng)氣密性進(jìn)行提前預(yù)估的軟件，方便糧倉(cāng)設(shè)計(jì)人員依照糧倉(cāng)氣密性預(yù)測(cè)結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，提高儲(chǔ)糧的安全性，減少糧食產(chǎn)后損失。

建立糧倉(cāng)建筑設(shè)計(jì)方案特征變量與糧倉(cāng)氣密性指標(biāo)的回歸模型需要一定數(shù)量的已建成糧倉(cāng)的氣密性數(shù)據(jù)，由于受到人力和財(cái)力限制，已建成糧倉(cāng)的氣密性數(shù)據(jù)為小樣本數(shù)據(jù)。在文獻(xiàn)[1]中，支持向量機(jī)和bootstrap 方法相結(jié)合，將影響糧倉(cāng)氣密性的特征變量值進(jìn)行歸一化和Onehot 編碼，建立回歸模型進(jìn)行氣密性區(qū)間預(yù)測(cè)，測(cè)試表明，糧倉(cāng)氣密性的區(qū)間預(yù)測(cè)取得了較好的效果。該軟件的計(jì)算方法是：一方面，采用支持向量機(jī)建立糧倉(cāng)氣密性回歸模型，利用該回歸模型對(duì)糧倉(cāng)氣密性指標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)預(yù)測(cè)；另一方面，將糧倉(cāng)氣密性回歸模型與bootstrap 方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)氣密性指標(biāo)的區(qū)間預(yù)測(cè)，區(qū)間預(yù)測(cè)采用了文獻(xiàn)[1]提出的方法。

由臺(tái)灣大學(xué)林智仁先生開(kāi)發(fā)的LIBSVM 支持向量機(jī)工具箱[2]被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、電力、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科研究分析預(yù)測(cè)過(guò)程中[3～6]。為方便設(shè)計(jì)人員預(yù)測(cè)糧倉(cāng)設(shè)計(jì)方案的氣密性，本研究使用LIBSVM 工具箱，并采取C++ GUI 框架Qt與MATLAB 混合編程相結(jié)合的方式開(kāi)發(fā)了應(yīng)用軟件EAGDS 1.0，混合編程可以把MATLAB 強(qiáng)大的計(jì)算能力和Qt 優(yōu)秀的軟件界面設(shè)計(jì)性能結(jié)合起來(lái)[7,8]。本研究的軟件界面設(shè)計(jì)美觀實(shí)用，簡(jiǎn)約大方，操作方便。該軟件使用多線程加速技術(shù)[9]防止卡頓，能夠讓使用者獲得良好的體驗(yàn)。為了確保數(shù)據(jù)安全，該軟件加入正則表達(dá)式功能對(duì)用戶輸入進(jìn)行限制[10]，使用異常警告來(lái)提示突發(fā)情況，幫助使用者分析和解決問(wèn)題。軟件使用界面如圖1 所示。

圖1 EAGDS 1.0 軟件界面圖

2 計(jì)算原理

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)集合表現(xiàn)為矩陣形式，矩陣每一行為一條數(shù)據(jù)，每一列與一個(gè)變量相對(duì)應(yīng)。糧倉(cāng)設(shè)計(jì)特征變量包括數(shù)值變量和種類變量，數(shù)值變量的變量值可以比較大小和排序，如墻厚、建筑面積等；種類變量的變量值不可比較大小和排序，如倉(cāng)型、屋蓋類型等。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，對(duì)數(shù)值變量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，歸一化計(jì)算公式如下：

式中，xij表示矩陣中第i行第j列的數(shù)據(jù)；x′i表示歸一化后的數(shù)據(jù)表示第j列的最小值；makx（xk）j表示第j列的最大值。

用公式（1），將數(shù)值變量值映射到區(qū)間[0,1]。

對(duì)于種類變量，采取Onehot 編碼[11]，例如，有3 個(gè)種類，則第1 類編碼為（1，0，0），第2 類編碼為（0，1，0），第3 類編碼為（0，0，1）。

2.2 支持向量機(jī)

支持向量機(jī)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠有效地處理小樣本數(shù)據(jù)，可以避免局部最小值，具有較好的泛化能力[12,13]。支持向量機(jī)可以完成分類、回歸和分布估計(jì)等任務(wù)。本研究采用LIBSVM 工具箱建立糧倉(cāng)設(shè)計(jì)特征變量與氣密性的回歸模型，氣密性指標(biāo)為500Pa 壓力半衰期[14]。

2.3 boot st r ap 方法

bootstrap 方法由美國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Efron 系統(tǒng)地提出[15]。bootstrap 應(yīng)用了有放回抽樣技術(shù)，可以用于機(jī)器學(xué)習(xí)模型的區(qū)間預(yù)測(cè)[16，17]。本研究采用支持向量機(jī)回歸模型結(jié)合bootstrap 方法對(duì)糧倉(cāng)氣密性進(jìn)行區(qū)間預(yù)測(cè)。

3 軟件開(kāi)發(fā)

3.1 Qt 和MATLAB混合編程

在Qt 和MATLAB 混合編程前，應(yīng)該根據(jù)MATLAB 版本選擇合適的C++編譯器和Qt 版本，在本研究中，采用較新的MATLAB 2016b 版本，該版本支持與VS2015（對(duì)應(yīng)Qt 版本5.9.3）進(jìn)行混合編程，在安裝相關(guān)軟件后應(yīng)該對(duì)MATLAB 進(jìn)行設(shè)置。操作方法是在MATLAB 命令窗口輸入mbuild-setup 配置MATLAB 編譯器，選擇C++編譯模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

MATLAB 可以導(dǎo)出dll 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)與Qt 進(jìn)行調(diào)用，利用MATLAB 完成算法運(yùn)算，Qt 的界面顯示和交互數(shù)據(jù)輸入輸出，從而滿足研究使用[18]。

由于Qt 是基于C++的開(kāi)源庫(kù)，C++是面向?qū)ο螅∣OP）的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)該以面向?qū)ο蠓绞竭M(jìn)行開(kāi)發(fā)，配合Qt 的信號(hào)與槽函數(shù)機(jī)制使用。因此，要將之前的MATLAB 流程化代碼改成模塊化代碼，在本研究中，筆者將計(jì)算部分拆分成4 個(gè)模塊：（1）使用已有模型進(jìn)行點(diǎn)預(yù)測(cè)模式；（2）重新訓(xùn)練模型進(jìn)行點(diǎn)預(yù)測(cè)模式；（3）使用已有模型進(jìn)行區(qū)間預(yù)測(cè)模式；（4）重新訓(xùn)練模型進(jìn)行區(qū)間預(yù)測(cè)模式。這4 個(gè)模塊分別對(duì)應(yīng)軟件流程圖的4 條路線（見(jiàn)圖2）。

圖2 EAGDS 1.0 軟件流程圖

在Qt 與MATLAB 編程中，MATLAB 導(dǎo)出含有頭文件動(dòng)態(tài)運(yùn)行庫(kù)，需要將該頭文件加入到Qt 的項(xiàng)目工程中，同時(shí)通過(guò)#include ＜calc.h＞頭文件的方式進(jìn)行調(diào)用（calc 這里只是實(shí)例名稱，實(shí)際研究可能不同），MATLAB 調(diào)用傳遞參數(shù)由mxArray 進(jìn)行聲明，聲明時(shí)要有該變量的種類和數(shù)值范圍，如含有多個(gè)實(shí)數(shù)（mxREAL）浮點(diǎn)矩陣類（mxDOUBLE_CLASS）。

3.2 Qt 信號(hào)槽機(jī)制介紹

信號(hào)槽是Qt 的核心機(jī)制，信號(hào)就是發(fā)生某種動(dòng)作的條件，槽函數(shù)是滿足條件要執(zhí)行運(yùn)算的函數(shù)[19,20]。例如，在Qt 中按下界面的按鈕就發(fā)送一個(gè)信號(hào)，信號(hào)發(fā)出后由槽函數(shù)接收并且進(jìn)行響應(yīng)，槽函數(shù)可以是計(jì)算任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)操作、消息事件的發(fā)出。在本研究中，筆者使用了大量信號(hào)槽機(jī)制來(lái)確保軟件的正常工作。

3.3 LI BSVM庫(kù)的配置

LIBSVM 庫(kù)下載后解壓，改變MATLAB 工作目錄并進(jìn)入庫(kù)的根目錄，運(yùn)行make 命令進(jìn)行編譯，將編譯好的庫(kù)添加到MATLAB 搜索路徑中。

3.4 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)建立

在MATLAB 中，輸入deploytool 命令打開(kāi)開(kāi)發(fā)工具對(duì)話框，選擇第三個(gè)庫(kù)編譯器（Library Compiler），打開(kāi)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)生成器，選擇C++動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)后，加入MATLAB 計(jì)算源碼文件*.m，等待軟件鏈接庫(kù)的打包。

打包之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頭文件.h，一個(gè)編譯用靜態(tài)符號(hào)庫(kù).lib，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù).dll，編輯Qt 的項(xiàng)目文件，添加頭文件和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，并且同時(shí)添加MATLAB 的基礎(chǔ)庫(kù)文件（見(jiàn)圖3）。

3.5 軟件功能的開(kāi)發(fā)

對(duì)于本研究中軟件不同的預(yù)測(cè)類型、支持向量機(jī)訓(xùn)練模型方式的選擇，會(huì)產(chǎn)生不同的計(jì)算結(jié)果，表1 展示了預(yù)測(cè)類型，支持向量機(jī)訓(xùn)練模型方式及計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在本軟件中，筆者使用QButtonGroup 作為功能模式的選擇菜單，使用QLineEdit 作為用戶的抽樣數(shù)據(jù)輸入控制，使用QTextBrower 作為計(jì)算結(jié)果的輸出。在不同功能模式按鈕下，筆者使用了多個(gè)槽函數(shù)控制預(yù)測(cè)結(jié)果的顯示模式[21]；同時(shí)為了限制用戶輸入，筆者在用戶輸入框使用正則表達(dá)式確保輸入符合取值范圍，保證用戶結(jié)果的準(zhǔn)確；為了能夠提示異常情況的發(fā)生，筆者利用MATLAB 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了判斷處理，設(shè)置信號(hào)變量傳遞Qt 程序用以判斷響應(yīng)，提示使用者注意[22]；軟件還加入了數(shù)據(jù)文件自檢的功能，當(dāng)文件不存在時(shí)會(huì)告知用戶軟件受到損壞將無(wú)法使用。

圖3 Qt 工程項(xiàng)目配置MATLAB鏈接庫(kù)

表1 軟件功能表

3.6 多線程的使用

本研究開(kāi)發(fā)的第一代軟件實(shí)現(xiàn)了軟件的主要功能，但在測(cè)試使用中發(fā)現(xiàn)軟件在計(jì)算時(shí)主界面會(huì)卡死并出現(xiàn)崩潰的情況，使用者無(wú)法在界面得到軟件計(jì)算提示，重新得到響應(yīng)需等待計(jì)算過(guò)程結(jié)束，嚴(yán)重影響了使用者的體驗(yàn)。這是由于主界面和計(jì)算功能共同使用一個(gè)線程，使用多線程可以避免這類情況。

在本研究開(kāi)發(fā)第二代軟件中，筆者使用計(jì)算線程和界面主線程分開(kāi)的方式分別完成不同的功能。在計(jì)算線程中完成MATLAB 計(jì)算接口的調(diào)用，使用自定義信號(hào)變量和槽函數(shù)告知計(jì)算功能的完成和異常情況的發(fā)生，該計(jì)算線程的定義如圖4 所示，界面主線程只負(fù)責(zé)執(zhí)行與用戶交互動(dòng)作的功能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，使用多線程編程起到了很好的效果。

圖4 計(jì)算線程的定義

4 結(jié)語(yǔ)

本研究開(kāi)發(fā)的糧倉(cāng)氣密性預(yù)測(cè)軟件EAGDS 1.0 使用了支持向量機(jī)和bootstrap 對(duì)糧倉(cāng)氣密性數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，可以對(duì)新建糧倉(cāng)氣密性進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便設(shè)計(jì)人員改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高儲(chǔ)存糧食的質(zhì)量，保證儲(chǔ)存糧食的安全，減少不必要的損失。本研究根據(jù)相關(guān)的算法開(kāi)發(fā)出計(jì)算預(yù)測(cè)軟件，該軟件界面友好，簡(jiǎn)潔易用，使得研究結(jié)果具有較好的實(shí)用性和推廣應(yīng)用價(jià)值。