發(fā)布時(shí)間：2016-08-31 12:12

  本文關(guān)鍵詞：化學(xué)計(jì)量學(xué)算法實(shí)現(xiàn)的軟件開發(fā)基礎(chǔ)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中南大學(xué)》 2012年

化學(xué)計(jì)量學(xué)算法實(shí)現(xiàn)的軟件開發(fā)基礎(chǔ)研究

張志敏  

【摘要】：化學(xué)計(jì)量學(xué)經(jīng)過幾十年迅速發(fā)展,日趨成熟,已成為從復(fù)雜體系的儀器分析數(shù)據(jù)中提取有用信息最有效和最具系統(tǒng)性的方法之一,為復(fù)雜多組分體系的定性定量分析帶來了大量新的研究思路和解析手段,它也能為儀器分析數(shù)據(jù)處理提供了指導(dǎo)性的理論框架。編寫和實(shí)現(xiàn)出可靠易用的化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件產(chǎn)品能最大限度地發(fā)揮化學(xué)計(jì)量學(xué)的作用,但是從化學(xué)計(jì)量學(xué)方法到可靠易用的軟件產(chǎn)品之間還有許多基礎(chǔ)工作。不僅要系統(tǒng)研究化學(xué)計(jì)量學(xué)算法,在特定情況下要提出新算法,而且在研發(fā)過程中還要引入計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的新技術(shù)以保證軟件產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本論文由此展開,主要涉及開發(fā)化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件所需基礎(chǔ)算法研究、用C++編程語言開發(fā)化學(xué)計(jì)量學(xué)算法庫和計(jì)算機(jī)新技術(shù)在化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件中的應(yīng)用等方面,成功地解決了將化學(xué)計(jì)量學(xué)方法轉(zhuǎn)化為可靠易用的軟件產(chǎn)品過程中的幾個(gè)基本問題,如實(shí)現(xiàn)化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件產(chǎn)品的先決條件-線性代數(shù)與統(tǒng)計(jì)學(xué)運(yùn)算庫構(gòu)建、用多核計(jì)算加速建模過程和用化學(xué)計(jì)量學(xué)模型標(biāo)識(shí)語言保存模型、提出了幾種高效的預(yù)處理算法等。現(xiàn)對(duì)主要研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)述如下： 一、化學(xué)計(jì)量學(xué)算法通常由系列線性代數(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)運(yùn)算組成,開發(fā)化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件產(chǎn)品的先決條件為構(gòu)建一個(gè)設(shè)計(jì)精良的高性能線性代數(shù)與統(tǒng)計(jì)學(xué)運(yùn)算庫。筆者從本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開始,投入近六年時(shí)間,在BLAS、LAPACK、CSparse、Fortran. C和C++等源碼和編譯器基礎(chǔ)之上,逐漸開發(fā)出一套有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、設(shè)計(jì)良好、易用、準(zhǔn)確、高性能的線性代數(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)運(yùn)算庫；并在此代碼庫基礎(chǔ)上用C++實(shí)現(xiàn)了常用化學(xué)計(jì)量學(xué)算法。此算法庫封裝和設(shè)計(jì)較好,利用該庫和C++進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件開發(fā)能夠以和MATLAB差不多代碼量完成相同工作,大大降低了開發(fā)的難度。在算法庫開發(fā)過程中嚴(yán)格遵循ISOC++標(biāo)準(zhǔn),所以構(gòu)建出的庫可以跨平臺(tái)和編譯工具鏈,目前測(cè)試過的操作系統(tǒng)平臺(tái)有Windows、Linux和Mac OS X;編譯器包括GCC、 MSVC、LLVM-Clang和ICC。在性能和準(zhǔn)確性上,通過與MATLAB2011B和R2.14比較矩陣乘法和奇異值分解的運(yùn)算時(shí)間與結(jié)果,所構(gòu)建的運(yùn)算庫能夠達(dá)到MATLAB2011B的性能,比R2.14至少快4倍,計(jì)算結(jié)果與MATLAB2011B和R2.14相同,說明所構(gòu)建庫的準(zhǔn)確性。 二、由于工藝和制造技術(shù)飛速進(jìn)步,多核電腦迅速普及。在化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件中,如果能夠用多核來加速計(jì)算過程,能成倍地縮短計(jì)算時(shí)間,大大增強(qiáng)軟件產(chǎn)品的性能。我們首次將多核計(jì)算引入化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件中,并以用交互檢驗(yàn)來確定確定主成分回歸和偏最小二乘回歸最優(yōu)主成分個(gè)數(shù)為例,來展示多核計(jì)算的能力。隨著參與運(yùn)算的核心增多,交互檢驗(yàn)時(shí)間直線下降。結(jié)果表明多核計(jì)算的確是一個(gè)用來解決化學(xué)計(jì)量學(xué)中計(jì)算密集和數(shù)據(jù)密集型問題有用的工具。 三、建好化學(xué)計(jì)量學(xué)模型之后必須將模型保存在硬盤里供預(yù)測(cè)之用,這就會(huì)涉及到模型存儲(chǔ)和共享方面的問題。通過提出化學(xué)計(jì)量學(xué)模型標(biāo)識(shí)語言,可以比較完美地解決此問題。化學(xué)計(jì)量學(xué)中要保存數(shù)據(jù)常為向量或者矩陣形式,利用base64編碼算法將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符串,能很好地解決向量或者矩陣保存問題；base64算法還有—個(gè)優(yōu)點(diǎn)為：它是易讀取性和文件大小之間一個(gè)平衡點(diǎn)。目前化學(xué)計(jì)量學(xué)模型標(biāo)識(shí)語言能夠存儲(chǔ)樣本劃分、變量選擇、預(yù)處理、奇異樣本剔除和建模等方面的信息。由于化學(xué)計(jì)量學(xué)模型標(biāo)識(shí)語言基于XML語言,所以有非常良好的擴(kuò)展性。XML語言在軟件開發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,以化學(xué)計(jì)量學(xué)模型標(biāo)識(shí)語言格式存儲(chǔ)的模型文件能非常方便地在其他軟件或編程語言里重用。一般來說只要所用開發(fā)語言有XML解析和XPath查詢庫就可以從模型文件有效地取出所需數(shù)據(jù)。 四、針對(duì)拉曼光譜的熒光背景和色譜中常見的基線漂移問題,本文中提出一種智能的拉曼光譜背景扣除算法。它利用墨西哥帽連續(xù)小波變換準(zhǔn)確找出每個(gè)拉曼峰的位置,然后利用峰的位置信息去構(gòu)造二進(jìn)制權(quán)重向量和加權(quán)懲罰最小二乘方法進(jìn)行背景擬合。為了將基線校正算法集成到軟件產(chǎn)品中,筆者將上述方法簡(jiǎn)化,提出一個(gè)更通用的基線校正算法：白適應(yīng)迭代重加權(quán)懲罰最小二乘基線校正算法airPLS,并用拉曼光譜、色譜和核磁數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提出方法的有效性和性能。通過采用稀疏矩陣技術(shù),基線校正過程執(zhí)行速度和內(nèi)存使用都只與分析信號(hào)的長(zhǎng)度成線性關(guān)系,性能和擴(kuò)展性特別好,非常適用于大批量分析信號(hào)的基線校正。 五、當(dāng)利用整條色譜進(jìn)行指紋譜分析時(shí),色譜保留時(shí)間的漂移會(huì)使定性定量分析結(jié)果變得不準(zhǔn)確。在分析開始之前,必須將色譜保留時(shí)間漂移校準(zhǔn)好,開始后續(xù)的分析工作。為了解決保留時(shí)間漂移問題,我們提出了基于連續(xù)小波變換和微分進(jìn)化算法的色譜譜峰漂移校準(zhǔn)算法。首先通過線性插值將待校和參考色譜等長(zhǎng)；利用墨西哥帽連續(xù)小波變換準(zhǔn)確找出待校色譜每一個(gè)峰的起始位置；以每個(gè)峰的位置為待優(yōu)化的變量,以待校和參考色譜之間的相關(guān)系數(shù)為目標(biāo)函數(shù),利用微分進(jìn)化去優(yōu)化它們的位置,使待校和參考色譜相關(guān)系數(shù)最大化。利用該算法來校準(zhǔn)紅芍的高效液相色譜指紋圖譜,結(jié)果表明,該校準(zhǔn)算法使指紋圖譜的相關(guān)系數(shù)得到了很大的改善,能夠在不改變色譜峰的形狀情況下將指紋圖譜校準(zhǔn)好。 六、色譜技術(shù)常用于高通量分析領(lǐng)域如代謝組學(xué)、中藥質(zhì)量控制等。但是在用統(tǒng)計(jì)學(xué)或化學(xué)計(jì)量學(xué)從大量分析數(shù)據(jù)獲取有效信息前,要進(jìn)行耗時(shí)的預(yù)處理,尤其是譜峰校準(zhǔn)。于是我們提出了多尺度譜峰校準(zhǔn),它先利用連續(xù)小波變換準(zhǔn)確找出待校色譜每一個(gè)峰的起始位置,然后將待校色譜中的譜峰按由大到小的順序依次校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程中,使用快速傅立葉變換計(jì)算交叉相關(guān),所提出算法的時(shí)間復(fù)雜度僅為NlogN,能夠在可接受的時(shí)間內(nèi)完成高通量色譜譜峰校準(zhǔn)。通過與最常用的兩種校準(zhǔn)方法進(jìn)行比較,可得出該方法能在校準(zhǔn)過程中保證峰形不變、速度常快且不易受背景或噪音的干擾。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：O6-04;O651
【目錄】：

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4 王樂;;流程模擬應(yīng)用平臺(tái)的開發(fā)[J];石油化工;2008年08期

5 裴顯楊;;列車運(yùn)行監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)開發(fā)管理系統(tǒng)[J];中國(guó)鐵路;2009年09期

6 沈鋆;;基于TEMA標(biāo)準(zhǔn)的雙管板計(jì)算軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J];化工機(jī)械;2010年03期

7 張娟;張青松;;計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在成品油管道中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)[J];天然氣與石油;2010年03期

8 唐勇;張春雷;沈本賢;揭元萍;魏建華;;芳烴裝置分離系統(tǒng)模擬分析軟件設(shè)計(jì)與模型建立[J];現(xiàn)代化工;2010年S1期

9 蔡運(yùn)勝;楊學(xué)明;;時(shí)間域瞬變電磁系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)與利用[J];物探與化探;2011年01期

10 趙世彧;張盛;王玉輝;白巖;;智能手機(jī)操作系統(tǒng)及其Google Android上的軟件開發(fā)[J];煤炭技術(shù);2011年04期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 邵學(xué)廣;蔡文生;陳達(dá);李艷坤;劉智超;;復(fù)雜分析信號(hào)的解析與定量算法研究[A];第九屆全國(guó)計(jì)算（機(jī)）化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2007年

2 周國(guó)勇;;采用自動(dòng)化分析工具實(shí)現(xiàn)安全編碼[A];第二十一次全國(guó)計(jì)算機(jī)安全學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2006年

3 李孔清;林建輝;;虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[A];自主創(chuàng)新 實(shí)現(xiàn)物流工程的持續(xù)與科學(xué)發(fā)展——第八屆物流工程學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2008年

4 葉少波;龔曾冉;陳玉琴;劉建華;潘家普;;K5-R型下頜運(yùn)動(dòng)軌跡儀的聯(lián)機(jī)和軟件開發(fā)[A];中華口腔醫(yī)學(xué)會(huì)第三次全國(guó)口腔修復(fù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];1997年

5 周漢香;莫海鴻;黃亮華;;基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)[A];交通土建及結(jié)構(gòu)工程計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2001年

6 胡海軍;程光旭;段權(quán);孫學(xué)峰;;壓力容器火災(zāi)、爆炸后果分析方法及軟件包開發(fā)[A];第六屆全國(guó)壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議壓力容器先進(jìn)技術(shù)精選集[C];2005年

7 梅寧光;李菁;;廣西臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水短時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[A];中國(guó)氣象學(xué)會(huì)2006年年會(huì)“中尺度天氣動(dòng)力學(xué)、數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)”分會(huì)場(chǎng)論文集[C];2006年

8 黃林清;;國(guó)土辦文系統(tǒng)需求調(diào)研分析[A];全面建設(shè)小康社會(huì)：中國(guó)科技工作者的歷史責(zé)任——中國(guó)科協(xié)2003年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上）[C];2003年

9 張成;丁緒星;秦巍;;基于TMS320C6000系列DSP的軟件開發(fā)及優(yōu)化[A];2007'中國(guó)儀器儀表與測(cè)控技術(shù)交流大會(huì)論文集（二）[C];2007年

10 方惠如;陳義群;楊亮;姜婷婷;鮑慶嘉;劉朝陽;;單元測(cè)試在核磁共振波譜儀軟件開發(fā)中的應(yīng)用[A];第十五屆全國(guó)波譜學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2008年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 本報(bào)記者 于翔;[N];網(wǎng)絡(luò)世界;2006年

2 于翔;[N];網(wǎng)絡(luò)世界;2007年

3 文清;[N];中華讀書報(bào);2007年

4 侯振鵬;[N];中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào);2007年

5 本報(bào)記者 向紅;[N];中國(guó)城鄉(xiāng)金融報(bào);2008年

6 計(jì)育青;[N];中國(guó)電子報(bào);2004年

7 冠 群;[N];中國(guó)企業(yè)報(bào);2004年

8 本報(bào)記者 薛斐;[N];計(jì)算機(jī)世界;2001年

9 侯明清;[N];證券時(shí)報(bào);2003年

10 《融資導(dǎo)刊》記者 李慧慧 通訊員 方文格;[N];民營(yíng)經(jīng)濟(jì)報(bào);2006年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張志敏;化學(xué)計(jì)量學(xué)算法實(shí)現(xiàn)的軟件開發(fā)基礎(chǔ)研究[D];中南大學(xué);2012年

2 甘峰;復(fù)雜多組份體系智能分析系統(tǒng)[D];湖南大學(xué);2001年

3 寧曉倩;基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的軟件開發(fā)項(xiàng)目管理[D];復(fù)旦大學(xué);2004年

4 姜忠軍;乙烯裝置設(shè)備失效管理和備件智能庫存的研究與軟件開發(fā)[D];北京化工大學(xué);2005年

5 陳繼剛;鋁合金輪轂集成制造信息系統(tǒng)研究[D];燕山大學(xué);2006年

6 袁德;電力市場(chǎng)中發(fā)電設(shè)備檢修計(jì)劃協(xié)調(diào)優(yōu)化理論與應(yīng)用研究[D];華北電力大學(xué)（北京）;2008年

7 楊樟衛(wèi);基于目標(biāo)管理的醫(yī)院藥學(xué)信息系統(tǒng)工程構(gòu)建實(shí)證研究[D];第二軍醫(yī)大學(xué);2006年

8 徐郁峰;大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋施工控制理論與核心技術(shù)研究及軟件開發(fā)[D];華南理工大學(xué);2004年

9 張靜;支持業(yè)務(wù)流程變化的軟件系統(tǒng)構(gòu)建方法研究[D];山東大學(xué);2007年

10 曾向農(nóng);礦山碾壓尾礦壩穩(wěn)定性分析及預(yù)警預(yù)報(bào)理論應(yīng)用研究[D];中南大學(xué);2008年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 龍寧;復(fù)雜熒光多組分體系中二階標(biāo)準(zhǔn)加入及二階校正化學(xué)計(jì)量學(xué)算法的基礎(chǔ)研究[D];湖南大學(xué);2001年

2 康壯;軟件開發(fā)項(xiàng)目管理方法研究[D];對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué);2003年

3 羅陽軍;渠道土方計(jì)算軟件開發(fā)研究[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2004年

4 譚百宏;基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的地理教學(xué)軟件的研究與實(shí)現(xiàn)[D];東北大學(xué);2005年

5 江華;銀行住房補(bǔ)貼信息系統(tǒng)開發(fā)及項(xiàng)目管理[D];重慶大學(xué);2005年

6 胡鵬;谷物產(chǎn)量數(shù)據(jù)處理及產(chǎn)量分布圖生成系統(tǒng)的開發(fā)研究[D];江蘇大學(xué);2005年

7 黃云;注水工藝管柱力學(xué)行為研究[D];西南石油學(xué)院;2005年

8 懷超;關(guān)鍵塊體理論在高速公路連拱隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[D];長(zhǎng)安大學(xué);2005年

9 肖碧濤;現(xiàn)代軟件工程在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D];華中科技大學(xué);2005年

10 張清衛(wèi);基于ANSYS的鋼框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與軟件開發(fā)[D];天津大學(xué);2004年

  本文關(guān)鍵詞：化學(xué)計(jì)量學(xué)算法實(shí)現(xiàn)的軟件開發(fā)基礎(chǔ)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：106748