一种水质综合生物毒性远程自动分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种水质综合生物毒性远程自动分析仪，包括水质综合生物毒性分析装置、数据发送装置以及数据接收和显示装置，水质综合生物毒性分析装置用于监测采样液中的有毒物质对生物发光杆菌发光强度的抑制程度；数据发送装置用于将发光强度信息以无线的方式发送给设置在远端的数据接收和显示装置，数据接收和显示装置对发光强度信息进行数据处理后确定污水毒性的污染等级，并将结果信息显示出来。相对于现有技术，本发明采用无线远程数据传输，避免以往有线数据传输电路时传输电路故障问题，维护方便，同时能够远程对获取的数据进行分析得到现场水质的状况，能适用于较恶劣的远程自动检测，可以作为单机使用，也可以充当检测网络系统的分节点。
【专利说明】
一种水质综合生物毒性远程自动分析仪
技术领域
[0001] 本发明涉及水质监测技术领域，尤其涉及一种水质综合生物毒性远程自动分析 仪。
【背景技术】
[0002] 为了适应环境监测的需要，解决生物毒性监测存在的繁琐、费时、费用高及重复性 和灵敏度等方面的问题。国内一直在不断改进生物毒性的测试方法，使其快速、灵敏、经济 易行、从六十年代中期开始研究用发光细菌监测环境污染，到七十年代法中成为比较成熟 的测试技术。以美国、英国、苏联、日本、澳大利亚等国家的学者研究应用较多，有的项目已 经申请了专利，八十年代以来美国的贝克曼一起公司在这方面的研究取得了突破性的进 展。他们研制了专门的测试仪器和发光细菌试验配套，在应用发光细菌测定有毒物质的生 物毒性方面作了许多成功的研究。使得此法得到很快发展的推广。近年来，我国学者对发光 细菌的研究和应用作了大量工作，研制生产了专门的测试仪器，建立了发光细菌法生物毒 性测试系统(LB系统），为发光菌毒性监测在我国的推广应用打下了基础。
[0003] 但是上述以往利用发光细菌制作的测试仪器存在以下一些问题：如贝克曼公司生 产的专门的测试仪器和发光细菌试验配套，但属于试验内使用，价格高昂且对环境的要求 过于苛刻。北美仪器生产的在线自动分析采用分是C0D和B0D方法，也只停留在实验室使用 的底层上。国内华东师范大学生物系和南京晶体管厂曾生产出利用发光细菌制作的测试仪 器，但它是属于手动取样，人工读取数据、断续性测试方式，非在线式的只能在是现实连同 冷冻设备组合工作。哈尔滨医科大学公共卫生学院卫生毒理学教研室曾报道生产急性毒性 发光细菌传感器和急性毒性快速测试仪，设计一种用明亮发光杆菌与硅光二极管组成的 急性毒性细菌发光传感器和流通式微机化快速测定环境污染物急性毒性测定仪，只能实现 定性测试的目的，不能实现在线测试功能和对比浓度分析试验判断污水的毒性等级。沈阳 七彩科技工程公司研制生产的CWDZF-1型城市污水生物毒性在线自动分析仪（专利号为 2004100213555)具有现场在线测试和对抗恶劣环境等优点，特别适合用于城市污水生物综 合毒性的检测，但它存在如下的不足和缺点：
[0004] 1、CWDZF-1型在线分析仪由于没有在线活化装置，因此每一次检测所需要的发光 菌都是事先活化好后，再注入到仪器中，因为菌的寿命是有限的，最长寿命是117小时，所以 连续测试不需要人为干预的时间最长就是5天，根据发光菌生命曲线探测结果表明，发光菌 最好的发光时间是活化开始20小时到36小时这段时间，CWDZF-1型分析仪没有解决最佳生 命周期和尽可能延长连续监测的问题。
[0005] 2、CWDZF-1型在线分析仪管路使用医用导管和医用容器瓶，利用吊盐水的原理实 现发光菌的注入，会出现在管道内部出现其他细菌而与发光菌争资源的问题。从而影响检 测结果的准确性。
[0006] 3、CWDZF_1型在线分析仪原来只有一个温区，不能很好保证发光菌的活性处于最 佳状态，所以测试过程中的发光菌的发光强度不足，影响检测质量。
[0007] 4、CWDZF-1型在线分析仪原来测试单元采用上下移动光电倍增管的点击结构，使 得测试单元转动与光电倍增管上下移动共同存在，测试时间长，每个测试试管被测到的数 据少。
[0008] 5、CWDZF-1型在线分析仪的测试单元转动后，向试管内注入液体不易准确，特别是 当光电倍增管非头与试管不直接对应，由于光电倍增管点击的上下移动，会损害光电倍增 管。影响检测的可靠性。
[0009] 6、CWDZF-1型在线分析仪不能实现远程的检测分析，必须要在现场才能获取数据， 尤其是天气恶劣时，工作人员必须要待在采集处进行工作，采集不方便，不能在远程接受和 分析数据，。
[0010] 7、CWDZF-1型在线分析仪不能够实现多节点采集，不能够实现数据监测的网络化。
[0011] 故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案， 解决现有技术中存在的缺陷。
【发明内容】
[0012] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种精确度高、稳定性好、可靠性高、能够远程 实时性的监测的水质综合生物毒性远程自动分析仪，以解决上述问题。
[0013] 为了克服现有技术的缺陷，本发明的技术方案如下：
[0014] -种水质综合生物毒性远程自动分析仪，包括水质综合生物毒性分析装置、数据 发送装置以及数据接收和显示装置，其中，水质综合生物毒性分析装置用于监测采样液中 的有毒物质对生物发光杆菌发光强度的抑制程度;所述数据发送装置用于将发光强度信息 以无线的方式发送给设置在远端的数据接收和显示装置，所述数据接收和显示装置对发光 强度信息进行数据处理后确定污水毒性的污染等级，并将结果信息显示出来；
[0015] 所述水质综合生物毒性分析装置包括仪器壳体、发光菌的培植单元、发光菌发光 强度采集和存储单元、发光菌发光强度传输单元，数据接受单元和数据显示单元。
[0016] 优选地，所述数据接收和显示装置对发光强度信息进行数据处理后确定污水毒性 的污染等级包括以下步骤：
[0017] 步骤1:通过基于数值相近原则的曲线拟合算法对发光强度信息进行数据处理，即 利利用最小二乘解法得到曲线拟合的参数方程得到模型 71，并求出精确值；
[0018] 步骤2:通过基于形态相似原则的曲线拟合算法对发光强度信息进行数据处理：
[0019] (1)设时间影响因子为A，反应发光菌活性受存活时间的量。设形态相似拟合曲线 ：y2(x) =ao+aix+a2X2+. . .+anxn；
[0022] (3)构造出带参数的增广目标函数，当满足约束条件时，等号两边成立；当不满足 约束条件范围时，取一个充分大的数y>〇,构造如下的函数：
[0024]式中a={ai，a2, ? ? ?，an，M ;
[0025 ] (4)通过powe 11算法的求解函数极值：
[0026]步骤a:选定初始点x(())，n个线性无关的向量组，组成初搜索方向组{p'p1，. . . .pn 1。给定精度￡>〇,置k = 0;
[0027]步骤b:令/ = 依次沿{p'p1，... .p1-1}中的方向进行一堆搜索，
[0028]对应得到辅助迭代点/，y2，…? /，即
[0030]式中氏为沿pH方向的步长；
[0031]步骤c:构造加速方向，令pn=yn-yQ，若| |pn| |彡￡，则停止迭代，输出xk+1 = yn，否则 转步骤d;
[0032]步骤d:确定调整方向：求出m，使得
[0033] f(ym_1)-f(ym)=rnax{ | f (ym_1)-f (ym) 11^ j^n}
[0034] 若下式成立：
[0035] f(y0)-2f(yn)+f(2yn-y 0)<2[f(ym^)-f(ym)],
[0036]转到步骤d)，否则转步骤e);
[0037] 步骤e :$xk+1 = yn+仏pn，几1/ + 八?1^几1，％-你"同时，令
[0038] {p'p1，--pn_1}k+i={p°, . . . ,pm_1,pm+1,--pn-转步骤b);
[0039] 步骤f:令#1 = /，置k = k+l转步骤b;
[0040] (5)通过powell算法，求出ai，a2,......,an，考虑到ao为直流分量，不会影响拟合 曲线的形态，代入式y2(x)=ao+aix+a2X2+. ? .+anxn中，采用最小二乘法求ao,得到基于形态相 似准则的曲线拟合算法y2。利用相关系数公式求出精确度：
[0042]步骤3:从以上的两个步骤，分别得出曲线拟合模型yi，y2，构造改进的曲线拟合模 型为:y(x) = wiyi(x)+W2y2(x)，其中0〈wi<l，0〈W2<1，wiw2依据求出的精确度值；
[0043]步骤4:采用Fabonacci法进一步的优化已求出的各项系数，使其更加接近最优值；
[0044] 具体步骤如下：
[0045] 1)设第j个离散点与拟合曲线上对应值的偏差为
[0047]根据上式可以求出，n个离散点中的最大正偏差点(L a_)和最大负偏差点 (夂，则第m次方系数am的初始区间[心，为
[0050] 2)先判断ai在初始区间[Ai，Bi]是单峰函数，求出的最佳aT就是ai在区间[Ai，Bi]中 的近似极小(大)值，即 &1在[心冲]区间应严格递减(增），在[aTA]上应严格递增(减），采用 Fabonacci法对其进行优化；
[0051] 3)根据最佳拟合曲线的最大正、负偏差的绝对值近似相等，则偏差取两者之和的 一半，即
[0053]由此可得最佳常系数为
[0055] 步骤5:利用得到的改进拟合曲线y结合本系统数据库中预存的专家系统，进行曲 线匹配，分别得到改进拟合曲线的拟合系数B与专家系统中发光菌与不同种类、浓度的毒性 物质各反应机理曲线的拟合系数A，求取拟合系数B与各拟合系数集A之间的距离，系数最小 的将为所预测的毒性物质。
[0056] 相对于现有技术，本发明采用无线远程数据传输，避免以往有线数据传输电路时 传输电路故障问题，维护方便，同时能够远程对获取的数据进行分析得到现场水质的状况， 能适用于较恶劣的远程自动检测，可以作为单机使用，也可以充当检测网络系统的分节点。 数据处理中通过植入改进的曲线拟合算法，以Fabonacci法进一步优化改进的曲线拟合模 型的各项系数，实现毒性物质成分和浓度的预测；同时本发明还考虑磁力搅拌时间、培养温 度、培养时间、暴露时间及pH值范围对结果测定值的作用下，分析各条件对发光菌生物毒性 实验的影响，从而提高分析仪测量精度、稳定性的同时实现远程在线监测。
【附图说明】
[0057]图1为本发明的水质综合生物毒性远程自动分析仪的总体结构示意图；
[0058] 图2为本发明中水质综合生物毒性分析装置的结构示意图；
[0059] 图3为本发明中无线发送装置的的结构框图；
[0060] 图4为本发明中数据接收和显示装置的结构框图；
[0061] 图5为改进型的曲线拟合模型之间的对比。
【具体实施方式】
[0062]以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述， 但本发明并不限于这些实施例。
[0063] 参见图1，所示为本发明的水质综合生物毒性远程自动分析仪的总体结构示意图， 包括水质综合生物毒性分析装置、数据发送装置以及数据接收和显示装置，其中，水质综合 生物毒性分析装置用于监测采样液中的有毒物质对生物发光杆菌发光强度的抑制程度;所 述数据发送装置用于将发光强度信息以无线的方式发送给设置在远端的数据接收和显示 装置，所述数据接收和显示装置对发光强度信息进行数据处理后确定污水毒性的污染等 级，并将结果信息显示出来。
[0064] 参见图2,所示为本发明的水质综合生物毒性分析装置，其测试原理如下：
[0065] 系统通过控制电机13的转动来改变试管的位置。当试管圆盘57处于初始位置时光 电霍尔开关8输出一个低电平的信号，否则输出的为高电平信号。每次测试开始前和测试完 时，系统都会对光电霍尔开关8的输出信号做检测。如果信号为高电平则采用合理的定位算 法转动电机13来为试管盘定位，使其回到初始位置。光电霍尔开关8和步进电机结合使用能 很好地定位试管圆盘57从而实现试管的定位。光电倍增管8位于4号试管9的一侧，它能采集 发光菌发出的光信号，并将光信号转换为微弱的电信号供控制系统采集处理。在试管圆盘 57处于初始位置时，1号试管61对准添加待测液管56，2号试管59对准清水管55，3号试管10 对准缓冲液管11，4号试管9对准菌液管12,同时4号试管还对准了光电倍增管8。添加菌液管 12与活化后发光菌存储罐17相连，系统通过开闭添加菌液流量控制电磁阀来向试管中添加 定量的菌液。缓冲液管11和缓冲液存储罐36相连，通过控制流量电磁阀向试管中添加定量 的缓冲液。清水管55与水栗管或者自来水管相连随时供水，系统通过开关流量控制电磁阀 来向试管添加清水，用于冲洗试管。待测液管56与待测液缸51相连，系统可以通过流量控制 电磁阀的开闭来向试管中添加定量的待测液。待测液缸与水栗相连，水栗会一直向待测液 缸中送待测液以保持待测液缸中的待测液为最新的。待测液缸51的上侧有溢流口与溢流管 53相连，待测液可以通过溢流管53流到其它地方以防止待测液缸的待测液外溢。排放管2、 3、64、65下边有废水槽1，测试完试管中的废液和清洗试管的液体都将被排到废水槽1中。 [0066]分析仪内上部设置有冻干粉存储容器、缓冲液釜、营养液罐等容器，用于存储活化 发光菌时必需的原料和试剂。仪器中部设置有活化菌釜、活化后菌液存储釜和污水缸，分别 用于菌液活化，测试用菌液和待测液体的存储。仪器下部设置有毒性分析测试装置，主要包 括用于精密定位的二相混合式步进电机、样本容器盘、光电检测装置和测试容器清洗装置 等。整个仪器间通过各种管路相连，液体的添加和添加量的控制由流量电磁阀来控制完成。 [0067]启动温差电制冷器和温度检测传感器调整测量暗室内待测样品温度恒定在20°C 左右。使用污水栗多采样点分时自动采集水质并混合均匀，通过导流电磁阀控制污水样品 进入测量暗室，通过自动控制定量药品注射器自动定量加注活化的发光杆菌，对测量暗室 内的污水样品和发光杆菌注氮气混合，启动光电倍增管进行15min连续测量，测量数据临时 保存并通过数据发送装置以无线方式传输至数据接收和显示装置，数据接收和显示装置对 数据进行分析处理并非易失性存储，用点阵液晶模块现场显示处理后的图形及分析结果， 分析仪进行管路自动清洗等待下一次测量开始。
[0068]参见图3,所示为为本发明中无线发送装置的的结构框图，水质综合生物毒性分析 装置将采集到的反映水质情况的数据发送给数据发送控制模块（1)，控制模块(1)对传感器 发送的数据进行处理，控制水质信号指示灯(5)亮，灯亮的越多，表示水质越不好。将处理后 的数据通过WiFi发送模块(3)发送给WiFi接收模块(7)，信号指示灯(2)指示当前数据发送 是否工作正常，若工作正常，信号指示灯(2)亮，信号指示灯(4)显示传感器数据接收是否正 常，若传感器数据接收正常，则信号指示灯(4)亮。
[0069] 参见图4,所示为本发明中数据接收和显示装置的结构框图。WiFi接收模块(7)接 收WiFi发送模块(3)发送的数据，紫外灯(8)用于显示数据是否接收正常，若数据接收正常， 则紫外灯(8)亮。电源开关(9)控制整个数据和接收模块开关。控制部分（11)将接受到的数 据进行处理，如果是多节点，将各个节点的数据进行分析处理，将分析处理结果在LCD显示 屏（10)上显示出来，并显示系统工作状态。
[0070] 其中，在数据接收和显示装置中对发光强度信息进行数据处理的步骤如下：
[0071] 1、基于数值相近(最小二乘法)与形态相似结合的曲线拟合算法，利用两种算法的 精确度值作为改进算法模型中的权重，并引入时间影响因子和Powell算法。解决了数值相 近(最小二乘法）原理的拟合速度，时间因素对发光菌活性影响以及利用权重值优势避免 powel 1算法的前n个搜索方向必须线性无关等问题。该改进算法的基本流程如下：
[0072] 基于数值相近原则的曲线拟合算法：
[0073] 利用最小二乘解法得到曲线拟合的参数方程得到模型71，并求出 精确值。
[0074] 基于形态相似原则的曲线拟合算法：
[0075] 设时间影响因子为A，反应发光菌活性受存活时间的量。设形态相似拟合曲线为： y2(x) =ao+aix+a2X2+. . .+anXn〇
[0078]采用罚函数的外点法将该问题的求解转化为解无约束极值问题。构造出带参数的 增广目标函数，当满足约束条件时，等号两边成立，当不满足约束条件范围时，等式取值很 大。取一个充分大的数y>〇，构造如下的函数：
[0080]式中a={ai，a2, ? ? ?，an，M
[0081 ]以下是powell算法的求解函数极值的步骤：
[0082]选定初始点x(())，n个线性无关的向量组，组成初搜索方向组{p'p1，....广M。给定 精度￡>〇,置k = 0。
[0083]令yQ = xk，依次沿{p'p1，--pn-1}中的方向进行一堆搜索，
[0084]对应得到辅助迭代点/，y2，…? /，即
[0086] 式中氏为沿pH方向的步长。
[0087] 构造加速方向。令pn = yn-yQ，若| |pn| |彡￡，则停止迭代，输出xk+1 = yn，否则转步骤 d) 〇
[0088] 确定调整方向：求出m，使得
[0089] f (y^^-f (yffi)=max{ | f (y^1)^(ym) | 1^ j^n}
[0090] 若下式成立：
[0091] f(y0)-2f(yn)+f(2yn-y°)<2[f(y m_1)-f(ym)],
[0092]转到步骤d)，否则转步骤e)。
[0093] 令 xk+1 = yn+0npn，?/'(/ + AZ) = I^/(/ +谗")同时，令
[0094] {p'p1，----pn_1}k+i= {p°, . . . ,pm_1,pm+1,----pn-转步骤b)。
[0095] 令#+1 = /\置 k = k+l 转步骤 b)。
[0096]根据powell算法，求出ai,a2,......,an，考虑到ao为直流分量，不会影响拟合曲线 的开多态，代入式y2(x)=ao+aix+a2X2+. ? .+anxn中，采用最小二乘法求ao。因此得至丨」基于开多态相 似准则的曲线拟合算法y2。利用相关系数公式求出精确度：
[0098]从以上的两个步骤，分别得出曲线拟合模型yi，y2，构造改进的曲线拟合模型为:y (x) =wiyi(x)+W2y2(x)，其中0〈wi<l，0〈W2<1，wiw2依据求出的精确度值。
[00"] 2、Fabonacci法对改进曲线拟合算法的优化
[0100] 用改进的曲线拟合算法拟合出来的效果是较好的，但却不一定是最佳的。因此，可 在改进的曲线拟合算法的基础之上，采用Fabonacci法进一步的优化已求出的各项系数，使 其更加接近最优值，以y = ao+aix+a2X2+. . .+anxn为例，首先要求出an的取值区间（初始区 间），然后采用Fabonacci法对其取值区间进行优化，确定出最佳值。在此最佳值条件下，求 出au的最佳值。按此方法逐一求出其他系数的最佳值。
[0101] 算法步骤如下：
[0102] am的初始区间[Ai，Bi]的算法
[0103]设第j个离散点与拟合曲线上对应值的偏差为
[0105]根据上式可以求出，n个离散点中的最大正偏差点)和最大负偏差点 ),则第m次方系数&"的初始区间[&，]为
[0108] 最佳系数
[0109] Fabonacci法适应于单峰函数，因此必须先判断ai在初始区间[Ai，Bi]是单峰函数。 根据单峰函数的定义知道，求出的最佳aT就是在区间[AiA]中的近似极小(大)值，即 &1在 [A^aT]区间应严格递减（增），在[a^Bi]上应严格递增（减）。判断ai为单峰函数后，采用 Fabonacci法对其进行优化。
[0110]常系数ao的算法
[0111]根据最佳拟合曲线的最大正、负偏差的绝对值近似相等，则偏差取两者之和的一 半，即
[0113]由此可得最佳常系数为
[0115] 3、毒性物质成分与浓度的预测
[0116] 为实现毒性物质种类和浓度的预测，利用得到的改进拟合曲线y结合本系统的专 家系统，进行曲线匹配。分别得到改进拟合曲线的拟合系数B与专家系统中发光菌与不同种 类、浓度的毒性物质各反应机理曲线的拟合系数A，求取拟合系数B与各拟合系数集A之间 的距离，系数最小的将为所预测的毒性物质。
[0117] 上述结果信息，用户可以通过客户端进行查询。客户端/服务器以图表、曲线等方 式呈现给用户，为管理人员监测、数据分析、决策提供依据。在客户端中，用户只能对当前检 测、毒性物质库以及历史检测的查看。登录之后，会自动下载服务器业务中的信息到客户 端，从而实现用户的查看。基于Android系统的应用开发，属于用户前端功能。其功能主要 有:实现分析仪的检测、科普知识、个人中心、系统配置、用户互动、搜索、绑定等。
[0118] 通过水质生物毒性在线分析仪数据采集得到发光菌在待测的废水中不同时间点 对应的发光菌发光强度数值，并结合改进的曲线拟合算法，绘制图形，如图5所示。
[0119] 这里同样由于x= 1:1: 50，其跨度较大，因此将令t = (x-51 )/51，自变量的取值范 围为[-1，1]，在图5中，其横坐标的取值范围为[-1，0]，因此得到的预测模型为：
[0120] y (t) =6641.463t10+29039.504t9+54058.737t8+55957.231t 7+35297.68t6
[0121] +13988.965t5+3466.473t4+518.092t 3+43.192t2+l.614t+l.243
[0122] =0.41586yi+0.5724y2
[0123]其中wi = 0.41586，W2 = 0.5724使得到的拟合曲线最接近真实曲线。
[0124] 拟合的曲线值与对应的真实值的误差为：
[0125] 由图5可以看出，最小二乘的拟合曲线较平坦，形态相似准则的拟合曲线很好地反 应了真实曲线的变化和抖动情况，但是在数值的精度拟合上不足，而改进的拟合曲线拟合 效果最好。改进算法是两种曲线拟合思想的结合，算法思想是保持与真实曲线形态相吻合 的同时数值也相近，这种算法思想在更加复杂的曲线中更具优势，且体现出发光菌的生命 活性受到时间影响因子的影响。据图可看出，最小二乘的拟合曲线较平坦，形态相似准则 的拟合曲线很好地反应了真实曲线的变化和抖动情况，但是在数值的精度拟合上不足，而 改进的拟合曲线拟合效果最好。改进算法是两种曲线拟合思想的结合，算法思想是保持与 真实曲线形态相吻合的同时数值也相近，这种算法思想在更加复杂的曲线中更具优势，且 体现出发光菌的生命活性受到时间影响因子的影响。
[0126] 由于powell算法在迭代时前n个搜索方向必须线性无关，否则将没有最优解的问 题，因此powe 11算法失效，在改进算法中利用权重值能有效避免powe 11算法的不足。当y (x) =wiyi(x)+W2y2(x)中W2很小时，此时改进的曲线拟合算法将为最小二乘法y(x) =wiyi(x)+k (其中k为很小的数值），避开了 powell算法无最优解在改进算法中的不足。
[0127] 在改进曲线算法中，利用精确度来确定两个公式的权重，利用powell算法的计算 速度快的特点，提高了改进算法的拟合速度。
[0128] 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对 于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行 若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的 多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在 不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于 本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的 范围。
【主权项】
1. 一种水质综合生物毒性远程自动分析仪，其特征在于，包括水质综合生物毒性分析 装置、数据发送装置以及数据接收和显示装置，其中，水质综合生物毒性分析装置用于监测 采样液中的有毒物质对生物发光杆菌发光强度的抑制程度;所述数据发送装置用于将发光 强度信息以无线的方式发送给设置在远端的数据接收和显示装置，所述数据接收和显示装 置对发光强度信息进行数据处理后确定污水毒性的污染等级，并将结果信息显示出来； 所述水质综合生物毒性分析装置包括仪器壳体、发光菌的培植单元、发光菌发光强度 采集和存储单元、发光菌发光强度传输单元，数据接受单元和数据显示单元。2. 根据权利要求1所述的水质综合生物毒性远程自动分析仪，其特征在于，所述数据接 收和显示装置对发光强度信息进行数据处理后确定污水毒性的污染等级包括以下步骤： 步骤1:通过基于数值相近原则的曲线拟合算法对发光强度信息进行数据处理，即利利 用最小二乘解法得到曲线拟合的参数方程:X=[ATArVB，得到模型71，并求出精确值； 步骤2:通过基于形态相似原则的曲线拟合算法对发光强度信息进行数据处理： (1)设时间影响因子为A，反应发光菌活性受存活时间的量。设形态相似拟合曲线为:y2 (x) =ao+aix+a2X2+. . ,+anXn；(3) 构造出带参数的增广目标函数，当满足约束条件时，等号两边成立；当不满足约束 条件范围时，取一个充分大的数U>0,构造如下的函数：/^.max{A =/⑷ 中 a = {ai，a2，? ? ?，an，入}; (4) 通过powe 11算法的求解函数极值： 步骤a:选定初始点x(())，n个线性无关的向量组，组成初搜索方向组{p'p1，... V，。给 定精度￡>〇,置k = 0; 步骤b:令y*3 = xk，依次沿{p*3，p1，--p1^ 1}中的方向进行一堆搜索， 对应得到辅助迭代点y1，，，... .yn，即式中Pj-i为沿pH方向的步长； 步骤c:构造加速方向，令Pn=yn-yQ，若I |pn| |彡￡，则停止迭代，输出xk+1 = yn，否则转步 骤d; 步骤d:确定调整方向：求出m，使得 f(ym_1)-f(ym)=max{ | f (ym_1)-f (ym) | l^j^n} 若下式成立： f(y0)-2f(yn)+f(2yn-y°)<2[f(y m_1)-f(ym)], 转到步骤d)，否则转步骤e); 步骤 同时，令{p'p1，? ...p11-Uk+F {p0, ? ? ?，pm-^p1^1，? ? ? .pn-转步骤b); 步骤f:令xk+1 = yn，置k = k+l转步骤b; (5)通过powell算法，求出ai，a2,......,an，考虑到ao为直流分量，不会影响拟合曲线的 形态，代入式y2(x)=ao+aix+a2X2+. ? .+anxn中，采用最小二乘法求ao,得至丨」基于开多态相似准则 的曲线拟合算法y2。利用相关系数公式求出精确度：步骤3:从以上的两个步骤，分别得出曲线拟合模型yi，y2,构造改进的曲线拟合模型为： y(x) =wiyi(x)+W2y2(x)，其中0〈wi<l，0〈W2<1，wiW2依据求出的精确度值； 步骤4:采用Fabonacci法进一步的优化已求出的各项系数，使其更加接近最优值； 具体步骤如下： 1) 设第j个离散点与拟合曲线上对应值的偏差为根据上式可以求出，n个离散点中的最大正偏差点和最大负偏差点 (U_，JU,J，则第m次方系数&?的初始区间[&，]为2) 先判断ai在初始区间[Ai，Bi]是单峰函数，求出的最佳aT就是ai在区间[Ai，Bi]中的近 似极小（大）值，即a^U^aT]区间应严格递减（增），在[aTA]上应严格递增（减），采用 Fabonacci法对其进行优化； 3) 根据最佳拟合曲线的最大正、负偏差的绝对值近似相等，则偏差取两者之和的一半， 即由此可得最佳常系数为步骤5:利用得到的改进拟合曲线y结合本系统数据库中预存的专家系统，进行曲线匹 配，分别得到改进拟合曲线的拟合系数B与专家系统中发光菌与不同种类、浓度的毒性物质 各反应机理曲线的拟合系数A，求取拟合系数B与各拟合系数集A之间的距离，系数最小的将 为所预测的毒性物质。
【文档编号】G01N21/76GK106053438SQ201610301333
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月7日
【发明人】黄静
【申请人】浙江理工大学