基于環(huán)境氣體信息的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)蘋果貯藏品質(zhì)預(yù)測(cè)

張永超 趙錄懷 王昊 張宇航

摘要：針對(duì)蘋果貯藏品質(zhì)預(yù)測(cè)復(fù)雜、精度低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于環(huán)境氣體信息的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)蘋果貯藏品質(zhì)預(yù)測(cè)。首先分析了貯藏環(huán)境中溫度、氣體體積比與蘋果理化特性指標(biāo)的相關(guān)性，再通過(guò)對(duì)蘋果的貯藏溫度、氣體（氧氣、二氧化碳）體積比和理化特性指標(biāo)（硬度、可溶性固形物含量、總酸含量、水分含量）進(jìn)行檢測(cè)，將16組溫度和氣體體積比數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，理化特性指標(biāo)分別作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，對(duì)建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練后用5組非訓(xùn)練樣本進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)蘋果貯藏品質(zhì)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在 5%以下，可以滿足蘋果貯藏品質(zhì)預(yù)測(cè)的精度要求。

關(guān)鍵詞：蘋果;貯藏溫度;氣體信息;貯藏品質(zhì)預(yù)測(cè);BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TS255.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-4440（2020）01-0194-05

Abstract： In order to solve the problem of complex and low accuracy of apple storage quality prediction， the BP neural network based on environmental gas information was designed. The correlation between temperature， gas volume ratio and physical and chemical properties of apple in storage environment was analyzed， and then the storage temperature， gas （oxygen， carbon dioxide） volume ratio and physical and chemical properties （hardness， soluble solid content， total acid content， moisture content） were measured. Sixteen groups of temperature and gas volume ratio data were used as the input of BP neural network， and the physical and chemical properties were used as the output of BP neural network to train the established BP neural network. After training， five groups of non-training samples were used to verify the results. The results showed that the relative error between the predicted value and the measured value of apple storage quality using BP neural network model was less than 5%， which could meet the accuracy requirements of apple storage quality prediction.

Key words：apple;storage temperature;gas information;storage quality prediction;BP neural network

蘋果青脆多汁，酸甜可口，是人們喜愛(ài)的水果之一。隨著生活水平的提高，人們對(duì)蘋果的品質(zhì)要求越來(lái)越高。因此，研究出方便、經(jīng)濟(jì)的蘋果貯藏品質(zhì)檢測(cè)方法，既能滿足消費(fèi)者的要求，又能使蘋果的加工質(zhì)量和出口等級(jí)提高，使蘋果的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。

針對(duì)蘋果無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要有電學(xué)檢測(cè)[1]、近紅外技術(shù)檢測(cè)[2]和機(jī)械特性法[3-4]等方法。電學(xué)檢測(cè)是利用電學(xué)指標(biāo)對(duì)蘋果水心病果和好果進(jìn)行識(shí)別，近紅外技術(shù)檢測(cè)是利用可見(jiàn)光與熱紅外技術(shù)對(duì)蘋果樹(shù)測(cè)產(chǎn)，機(jī)械特性法利用蘋果機(jī)械特性指標(biāo)預(yù)測(cè)蘋果貯藏品質(zhì)，這些方法操作較為復(fù)雜，且成本較高。文獻(xiàn)[5]報(bào)道了利用蘋果的香氣對(duì)蘋果低溫貯藏時(shí)間及品質(zhì)的預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)[6]報(bào)道了不同貯藏溫度對(duì)秦陽(yáng)蘋果采后生理的影響，文獻(xiàn)[7]報(bào)道了蘋果冰點(diǎn)溫度貯藏品質(zhì)及質(zhì)構(gòu)變化，文獻(xiàn)[8]報(bào)道了蘋果品質(zhì)變化對(duì)溫度的響應(yīng)規(guī)律及貯藏壽命預(yù)測(cè)。本研究通過(guò)分析貯藏環(huán)境中溫度以及O2和CO2體積比與蘋果理化特性指標(biāo)的相關(guān)性，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型對(duì)蘋果貯藏品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1模型參數(shù)選取及測(cè)定

1.1模型參數(shù)選取

供試蘋果為紅富士蘋果，每周取樣1次，觀察、測(cè)定蘋果品質(zhì)的變化，試驗(yàn)時(shí)間為16周。

呼吸作用是果蔬貯藏過(guò)程最主要的生理活動(dòng)，果實(shí)的呼吸速率直接受溫度的影響，當(dāng)貯藏溫度低于10 ℃時(shí)，呼吸躍變和呼吸速率受到抑制，蘋果貯藏溫度冰點(diǎn)一般為0 ℃左右，貯藏溫度過(guò)低，輕則發(fā)生冷害，重則發(fā)生凍害[9-11]。O2和CO2作為蘋果呼吸速率表征的主要?dú)怏w，可以反映蘋果在貯藏過(guò)程中呼吸速率的變化。蘋果中常用來(lái)反映呼吸速率的方程為C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2 816（kJ）， 方程表現(xiàn)了O2與CO2之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，貯藏中O2體積比和CO2體積比對(duì)蘋果的貯藏品質(zhì)有影響[12-16]。綜上所述選用溫度（0 ℃）以及O2和CO2體積比作為建立蘋果品質(zhì)預(yù)測(cè)模型的參數(shù)。

1.2O2和CO2體積比的測(cè)定

數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、FPGA、顯示器組成。傳感器型號(hào)為O2-A2氧氣傳感器和型號(hào)為GSS-COZIR 二氧化碳傳感器，F(xiàn)PGA用Altera公司EP1C6Q240C8 cyclone系列芯片F(xiàn)PGA，電源電壓3.3 V，最高工作頻率275 MHz，LCD采用1602LCD液晶顯示器，O2和CO2體積比測(cè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

選擇大小一致、表面無(wú)病斑傷痕、成熟度90%以上的蘋果，放入蘋果存放專用箱中，每箱放1個(gè)蘋果，用厚度為0.02 mm的PE保鮮膜密封。將氧氣傳感器和二氧化碳傳感器分別放入箱中，傳感器的采集頻率為1 d 10次。每周進(jìn)行1次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果取10次測(cè)量值的平均值。

1.3理化特性指標(biāo)測(cè)定

測(cè)定理化特性參數(shù)硬度以及可溶性固形物、總酸和水分含量，測(cè)定方法依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10651-1989。

2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型建立

2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常采用3層結(jié)構(gòu)，增加各層的神經(jīng)元數(shù)可以提高擬合精度。蘋果品質(zhì)檢測(cè)模型選用3層結(jié)構(gòu)：輸入層、輸出層和隱含層。將溫度以及O2和CO2體積比作為輸入，理化特性指標(biāo)（硬度、可溶性固形物含量、總酸含量和水分含量）作為輸出，試驗(yàn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)

隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定公式為N=（n1+n0）1/2+a，式中N為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，n1為輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)，n0為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，a為1至10之間的常數(shù)。本系統(tǒng)輸入節(jié)點(diǎn)n0=3，輸出節(jié)點(diǎn)n1=4，經(jīng)計(jì)算N=10。

2.3BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層采用 Tansig作為傳遞函數(shù)，即f（x）=tanh（x）。輸出層采用 Purelin傳遞函數(shù)，即f（x）=kx。

2.4BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

通過(guò)對(duì)蘋果貯藏過(guò)程中溫度以及O2和CO2體積比的檢測(cè)，建立蘋果貯藏品質(zhì)預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋果品質(zhì)變化的預(yù)測(cè)。首先定義網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出樣本，然后建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和仿真，直至達(dá)到設(shè)定的誤差5%，最終通過(guò)5組驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證。用MATLAB軟件建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，使用Newff函數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化。模型參數(shù)設(shè)定為：訓(xùn)練步數(shù)1 000，網(wǎng)絡(luò)性能目標(biāo)誤差1×10-5，學(xué)習(xí)率0.5。

3仿真結(jié)果及分析

本試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)有16組訓(xùn)練數(shù)據(jù)、9組測(cè)試數(shù)據(jù)、5組驗(yàn)證數(shù)據(jù)。用蘋果的貯藏溫度和氣體濃度作為輸入，分別預(yù)測(cè)4個(gè)理化特性指標(biāo)，最后用5組驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1試驗(yàn)驗(yàn)證蘋果硬度相對(duì)誤差

對(duì)9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，溫度以及O2和CO2體積比為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，硬度為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，對(duì)建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行測(cè)試。由圖3可知，預(yù)測(cè)硬度的相對(duì)誤差最大為2.8%，預(yù)測(cè)效果較好，能夠滿足蘋果硬度的預(yù)測(cè)要求。

對(duì)訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證。用5組非訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)輸入所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)出硬度，并與實(shí)際測(cè)試值對(duì)比，計(jì)算BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差。結(jié)果（表1）表明，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的最小相對(duì)誤差為1.6%，最大相對(duì)誤差為3.2%。說(shuō)明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)性能較好，可以滿足蘋果硬度預(yù)測(cè)的精度要求。

3.2試驗(yàn)驗(yàn)證蘋果可溶性固形物含量相對(duì)誤差

對(duì)9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，溫度以及O2和CO2體積比為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，可溶性固形物含量為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，對(duì)建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行測(cè)試。由圖4可知，預(yù)測(cè)可溶性固形物含量的相對(duì)誤差最大為2.7%，預(yù)測(cè)效果較好，能夠滿足蘋果可溶性固形物含量的預(yù)測(cè)要求。

對(duì)訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證，用5組非訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)輸入所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)可溶性固形物含量。與實(shí)際測(cè)試值對(duì)比，計(jì)算BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差，可溶性固形物含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差如表2所示。從表2可知，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的最小相對(duì)誤差為2.3%，最大相對(duì)誤差為4.6%，表明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)性能較好，可以滿足蘋果可溶性固形物含量預(yù)測(cè)的精度要求。

3.3試驗(yàn)驗(yàn)證蘋果總酸含量相對(duì)誤差

對(duì)9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。溫度以及O2和CO2體積比為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，總酸含量為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，對(duì)建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行測(cè)試。如圖5可知，預(yù)測(cè)總酸含量的相對(duì)誤差最大為3.2%，預(yù)測(cè)效果較好，能夠滿足蘋果總酸含量的預(yù)測(cè)要求。

對(duì)訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證。用5組非訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)輸入所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)總酸含量，與實(shí)際測(cè)試值對(duì)比，計(jì)算BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差，結(jié)果如表3所示。從表3可知，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的最小相對(duì)誤差為1.9%，最大相對(duì)誤差為3.5%，表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)性能較好，可以滿足蘋果總酸含量預(yù)測(cè)的精度要求。

3.4試驗(yàn)驗(yàn)證蘋果水分含量相對(duì)誤差

對(duì)9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。溫度以及O2和CO2體積比為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，水分含量為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，對(duì)建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行測(cè)試。由圖6可知，預(yù)測(cè)水分含量的相對(duì)誤差最大為0.17%，預(yù)測(cè)效果較好，能夠滿足蘋果水分含量的預(yù)測(cè)要求。

對(duì)訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證。用5組非訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)輸入所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)水分含量，與實(shí)際測(cè)試值對(duì)比，計(jì)算BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)誤差。從表4可知，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的最小相對(duì)誤差為2.1%，最大相對(duì)誤差為4.2%，表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)性能較好，可以滿足蘋果水分含量預(yù)測(cè)的精度要求。

用蘋果貯藏溫度、氣體體積比預(yù)測(cè)蘋果貯藏品質(zhì)的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的最小相對(duì)誤差為1.6%，最大相對(duì)誤差為4.6%，相對(duì)誤差在5%以下，滿足蘋果貯藏品質(zhì)預(yù)測(cè)精度的要求。

4結(jié)論

基于 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用蘋果貯藏溫度和氣體體積比建立蘋果貯藏品質(zhì)的預(yù)測(cè)模型。將貯藏溫度和氣體體積比作為輸入，理化特性指標(biāo)作為輸出，用16組樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。用5組非訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在5%以下，可以滿足蘋果貯藏品質(zhì)預(yù)測(cè)精度的要求。

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（責(zé)任編輯：張震林）