計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)火藥配方性能數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取及分類入庫

米小亮， 王亦然， 趙宏安， 王 冰

（1. 西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710200； 2. 西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710069）

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展， 對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理和分析逐漸成為十分重要的研究課題。 機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)采集、分析、處理、入庫等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于分析這些海量數(shù)據(jù)，并取得了很多相關(guān)的研究成果。Arunasalam[1]提出了適用于類分布不均衡數(shù)據(jù)上的關(guān)聯(lián)分類方法；Verhein[2]等基于關(guān)聯(lián)分類提出了一種新的處理此類數(shù)據(jù)的方法；Hinton[3]等提出了通過訓(xùn)練一個(gè)中間層有小數(shù)目結(jié)點(diǎn)的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將高維數(shù)據(jù)映射到低維空間，取得了很好的效果。 為解決高階異構(gòu)數(shù)據(jù)挖掘問題， 基于譜分解算法和基于信息論的協(xié)同聚類方法分別被提出，并被應(yīng)用于文本和特征詞的協(xié)同聚類[4-6]。 對(duì)海量數(shù)據(jù)的提取、處理、入庫也得到了廣泛的應(yīng)用，文獻(xiàn)[7]介紹了地形數(shù)據(jù)庫的處理及入庫方法；文獻(xiàn)[8]分析了不同類型工作站的數(shù)據(jù)格式， 實(shí)現(xiàn)了從樣品到數(shù)據(jù)處理及入庫的全過程自動(dòng)化；文獻(xiàn)[9-11]分別介紹了卷煙入庫數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，地震數(shù)據(jù)的傳輸與入庫， 城市綠化數(shù)據(jù)的加工處理方法及入庫技術(shù)。 在“中國知識(shí)資源總庫”數(shù)據(jù)庫中輸入關(guān)鍵詞“數(shù)據(jù)處理”，僅2000 年以來，相關(guān)的文獻(xiàn)就達(dá)6 萬之多。

火藥配方有雙鉛、雙石、雙芳鎂等成百個(gè)類型，每種配方有能量特性、燃燒性能、力學(xué)性能、安全性能、應(yīng)用情況及使用特點(diǎn)等分類性能參數(shù)， 每一類性能又有多個(gè)性能參數(shù)，如能量特性就有比沖、爆熱、密度等幾十個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)又有理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之分，參數(shù)數(shù)值還和溫度、壓力等實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，且又分為不同的批次。 再如燃燒性能，有燃速、燃速經(jīng)驗(yàn)公式、燃速溫度系數(shù)等參數(shù)，燃速又分為燃速儀測(cè)定和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)定，不同的溫度和壓強(qiáng)下，測(cè)定的數(shù)值又不一樣；即使同溫同壓下，不同的批次測(cè)定的結(jié)果又不一樣。 數(shù)百個(gè)推進(jìn)劑配方，數(shù)百種性能指標(biāo)，在不同的物理和化學(xué)條件下測(cè)定和計(jì)算的數(shù)十萬的數(shù)據(jù)，將其提取、歸類、入庫，是十分繁雜的任務(wù)。 火藥配方數(shù)據(jù)的復(fù)雜性及其獨(dú)特的性能，使得其它文獻(xiàn)介紹的數(shù)據(jù)處理方法并不能完全滿足本項(xiàng)目對(duì)其數(shù)據(jù)自動(dòng)處理的需求。

文中在認(rèn)真閱讀推進(jìn)劑原始文檔的基礎(chǔ)上，細(xì)致分析了原始word 文檔的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)， 努力找出性能數(shù)據(jù)的顯示規(guī)律，采取了一系列的方法和手段，設(shè)計(jì)了性能數(shù)據(jù)的歸類目標(biāo)及結(jié)構(gòu)，編寫計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了火藥配方性能數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取和歸類，并寫入設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)庫中。

1 火藥性能數(shù)據(jù)預(yù)處理

長期以來， 眾多資料報(bào)道的火藥性能數(shù)據(jù)格式多樣，為便于計(jì)算機(jī)的編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化，需對(duì)原始數(shù)據(jù)的文本格式做初級(jí)處理，具體做法是添加行序號(hào)和編寫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的功能函數(shù)。

1.1 添加行序號(hào)

在自動(dòng)處理數(shù)據(jù)過程中，當(dāng)提取一個(gè)具體的性能參數(shù)數(shù)值時(shí)，必須確定該數(shù)據(jù)歸屬于哪一個(gè)推進(jìn)劑，這樣才能實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)的自動(dòng)化歸類。 為此，對(duì)原始數(shù)據(jù)文檔的每一行加上行序號(hào)。

首先，將所有推進(jìn)劑的多個(gè)原始word 文檔，匯集成一個(gè)word 文件，即.doc 文件，再將此文件另存為.txt 文件。 之所以匯集成一個(gè)文件，是為了程序一次運(yùn)行，便可提取出所有推進(jìn)劑的相關(guān)數(shù)據(jù)。

原始.doc 文件的每一段，在.txt 文件中都為一行，每一行的編號(hào)分為三個(gè)部分，第一部分為推進(jìn)劑序號(hào)，第二部分為該推進(jìn)劑的行序號(hào)，第三部分為改行在文檔中的總行號(hào)。 文檔編號(hào)基于以下的方法實(shí)現(xiàn)：

觀察知：每個(gè)推進(jìn)劑的第一行都以數(shù)字開始，以“推進(jìn)劑”三個(gè)字結(jié)束，如“17. GOL－1 改進(jìn)型雙基推進(jìn)劑”，由此得編程的實(shí)現(xiàn)方法：

1）讀取文件的每一行，賦值給一字符串變量；

2）去掉字符串的前后空格；

3）取出該字符串的首個(gè)字符及最后3 個(gè)字符，判斷第一個(gè)字符是否數(shù)字，后三個(gè)字符是否是推進(jìn)劑；

4）如條件為真，則為新的推進(jìn)劑，推進(jìn)劑序號(hào)加1，新推進(jìn)劑的行號(hào)初始為1，總行號(hào)加1；

5）如條件為假，推進(jìn)劑序號(hào)不變，推進(jìn)劑的行號(hào)加1，總行號(hào)加1；

6）循環(huán)返回到步驟1），直至文件結(jié)束。文檔添加行序號(hào)后的效果如圖1 所示。

圖1 原始文檔添加行序號(hào)效果Fig. 1 The effect of the original document to add line number

1.2 幾個(gè)重要的功能處理函數(shù)

1）字符串查找函數(shù)strFind（string1，string2）和字符串替換函數(shù)strReplace（string，oldString。 newString）

計(jì)算機(jī)編程語言都有字符串查找函數(shù)strFind（string1，string2），該函數(shù)查找string2 在string1 的位置。 如果查到，返回其在字符串string1 的位置，否則返回0；

字符串替換函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，可利用字符串查找函數(shù)確定字符串的位置，將其分割為兩部分，去掉舊字符串，添加新字符串，再將兩字符串合并，即完成字符串的替換。 函數(shù)參數(shù)表示在string 中用newString 替換oldString。

2）取數(shù)字函數(shù)pickoutNum（string）

該函數(shù)的功能，是將字符串中的數(shù)字保留，去掉所有的中文符號(hào)和西文的非數(shù)字符號(hào)。 其實(shí)現(xiàn)原理為：依次讀取字符串中的每一個(gè)字符， 取其ASCII 碼值， 比較是否和0～9、“+”、“－”、“.”的ASCII 碼值相同，相同的則保留。

符號(hào)“+”、“－”和“.”是為了保留如“－37”、“+25”、“－4.28”等含符號(hào)及小數(shù)的數(shù)字。

為了防止保留文中單獨(dú)出現(xiàn)的符號(hào)“+”、“－”和“.”，必須有判斷條件，只保留那些既出現(xiàn)符號(hào)“+”、“－”、“.”且下一個(gè)相鄰的字符是數(shù)字的字符串。

3）取中文字符函數(shù)pickoutChinese（string）

該函數(shù)的功能，是僅保留字符串中的中文字符，去掉所有的數(shù)字字符、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和西文字符，其實(shí)現(xiàn)原理同取數(shù)字函數(shù)pickoutNnm（），在此不再贅述。

4）分割字符函數(shù)strSplit（string，char），該函數(shù)可按分隔字符char 將字符串string 分割為字符串?dāng)?shù)組。

5）寫數(shù)值數(shù)組或矩陣到excel 文件函數(shù)writeToExcel（）有些編程語言如MATLAB2007 以后版本，提供了該類函數(shù)，其形式如下：

xlswrite（filename，Matrix，sheet，range）

該函數(shù)可將所要寫的數(shù)組矩陣Matrix， 一次寫到給定的excel 文件filename，寫到給定的表sheet 且范圍range 的起始行、列到終止行、列的位置上。

1.3 特定字符串的替換

由于原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的多樣性， 在數(shù)據(jù)處理的過程中，出現(xiàn)了一些非預(yù)想的結(jié)果， 如原word 文檔中的 “厘米2”或“cm2”，轉(zhuǎn)化為.txt 文檔后，變?yōu)椤袄迕?”或“cm2”，使用取數(shù)字函數(shù)后，數(shù)字“2”保留了下來，但這是無效和無用的數(shù)字，必須去掉。 本文采用了如下的方法，先將“厘米2”替換為“厘米平方”，這樣在就避免了非預(yù)想數(shù)字“2”的出現(xiàn)。

類似的還有反映實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)第一、第二、第三批次的“D1”、“D2”、“D3”，都替換成“D 一”、“D 二”、“D 三”等。

2 火藥性能數(shù)據(jù)的提取、分類及入庫

分析可知，所有原始文檔數(shù)據(jù)以3 種形式之一呈現(xiàn)：

1）性能屬性和屬性值在同一行（段）中，該類數(shù)據(jù)稱為簡單結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；

2）性能屬性以簡單表格的形式呈現(xiàn)；

3）性能屬性以較為復(fù)雜表格的形式呈現(xiàn)；

所以，對(duì)推進(jìn)劑原始文檔數(shù)據(jù)的處理，就歸結(jié)為對(duì)這不同格式數(shù)據(jù)的處理，分別介紹如下。

2.1 簡單結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的處理

簡單結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理的方法步驟：

1） 運(yùn)行程序，遍歷文檔所有行，查找設(shè)定的性能參數(shù)（如實(shí)測(cè)比沖），若找到，提取該行，添加到字符串中。

2） 依次取出該字符串的每一行，分割出前12 個(gè)字符，再取出前3 個(gè)字符（推進(jìn)劑序號(hào)），轉(zhuǎn)換成整數(shù)，再轉(zhuǎn)成字符串。其功能是，若推進(jìn)劑序號(hào)前有0，則去掉；再和該行的后面部分連接，對(duì)性能“實(shí)測(cè)比沖”運(yùn)行程序至此，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 查找并處理性能"實(shí)測(cè)比沖"的結(jié)果Fig. 2 The results of find and processing performance

3）分析可見，每一行由5 部分組成，分別是①推進(jìn)劑序號(hào)；②實(shí)測(cè)比沖值；③比沖單位；④壓強(qiáng)值；⑤壓強(qiáng)單位。

4）運(yùn)行程序功能函數(shù)pickoutNum（），得①、②、④3 個(gè)數(shù)值部分；運(yùn)行程序功能函數(shù)pickoutChinese（），得③、⑤單位部分。

5）將數(shù)值部分分割，把每一數(shù)值部分分別保存到相應(yīng)的數(shù)組矩陣中；將單位部分分割，把每一單位部分分別保存到相應(yīng)的數(shù)組矩陣中。

6）運(yùn)行程序功能函數(shù)writeToExcel（），將數(shù)組矩陣分別寫入excel 文件的相應(yīng)位置。

7）將excel 文件中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。

性能指標(biāo)的處理，分為多個(gè)步驟是為便于說明，實(shí)際操作中，運(yùn)行程序，可一次完成上述的1）～6）步驟。

2.2 簡單結(jié)構(gòu)表格數(shù)據(jù)的處理

對(duì)簡單結(jié)構(gòu)表格如表1 所示。

表1 原始文檔簡單表格結(jié)構(gòu)Tab. 1 A simple table structure of the original document

提取該文檔性能數(shù)據(jù)，其方法步驟為：

1）依次讀取文檔的每一行，賦值給一字符串變量string1；

2）對(duì)string1，運(yùn)行程序的strRplace（）函數(shù)，將字符串“厘米2”替換為“厘米平方”；

3）去掉string1 的前后空格，提取前兩個(gè)字符，作為推進(jìn)劑編號(hào)，保存到數(shù)組tuijinji[]中；

4）去掉string1 的前11 個(gè)字符，得字符串string2；

圖3 表1 數(shù)據(jù)添加行序號(hào)后結(jié)果Fig. 3 The results of table 1 data after adding line number

5）對(duì)string2，運(yùn)行程序的strChinese（）函數(shù)，提取中文字符string3；

6）以“（”為分隔符，分割string3 為兩部分，前一部分為性能參數(shù)，保存到數(shù)組xingneng[]中，后一部分去掉末位字符“）”后為性能單位，保存到數(shù)組danwei[]中；

7）對(duì)string2，運(yùn)行程序的strNum（）函數(shù)，提取數(shù)字部分并保存到string4；

8）以空格為分隔符，分割string4 為3 個(gè)數(shù)值，保存到數(shù)組value[5][3]中，第一維為行號(hào)，第二維為列號(hào)；

9）運(yùn)行程序功能函數(shù)writeToExcel（），分別將數(shù)組tuijinji[]、xingneng[]、danwei[]、value[][]寫入excel 文件的相應(yīng)位置。

10）將excel 文件中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。

2.3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)表格數(shù)據(jù)的處理

對(duì)如圖3 所示具有復(fù)雜表格結(jié)構(gòu)的燃速數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)都和測(cè)量條件溫度及壓力有關(guān)，且又分為3 批次測(cè)量。 該表格轉(zhuǎn)換成.txt 文檔后，如表2 所示。

表2 原始文檔復(fù)雜表格結(jié)構(gòu)Tab. 2 The original document complex table structure

提取該文檔性能數(shù)據(jù)，其方法步驟為：

1）對(duì)圖6 所示的文檔，運(yùn)行strReplace（）函數(shù)，替換字符串“D1”、“D2”、“D3”為“D 一”、“D 二”、“D 三”；

2）讀取文檔第1 行，賦值給字符串變量string1，提取前兩個(gè)字符，作為推進(jìn)劑編號(hào)， 保存到數(shù)組tuijinji[]中；

3）去掉string1 的前后空格，去掉前11 個(gè)字符，運(yùn)行strSplit（）函數(shù)，將分割所得部分分別保存到數(shù)組xingneng[]和數(shù)組danwei[]中；

圖4 表2 數(shù)據(jù)添加行序號(hào)后結(jié)果Fig. 4 The results of table 2 data after adding line number

4）讀取文檔第2 行，去掉前11 個(gè)字符，運(yùn)行strNum（）函數(shù)，再運(yùn)行strSplit（）函數(shù)，將分割的4 個(gè)數(shù)值保存到y(tǒng)aQiang[]數(shù)組中；

5） 分別讀取文檔的第4+3*0 行、4+3*1 行、4+3*2 行，去掉前11 個(gè)字符，再用pickoutNum（string） 去掉中文字符，得string2，再用strSplit（string1）函數(shù)，得數(shù)字字符串?dāng)?shù)組，讀取的第一個(gè)是溫度值，保存到數(shù)組wendu[]中；其它數(shù)值是燃速值，保存到燃速數(shù)組ransu[][]中。 該數(shù)組的第一維為溫度參數(shù)，第二維為壓強(qiáng)參數(shù)。

6） 分別讀取文檔的第5+3*0 行、5+3*1 行、5+3*2 行，去掉前11 個(gè)字符，再用pickoutNum（string） 去掉中文字符（該步驟也可不用），得string3，再用strSplit（string1）函數(shù)，得數(shù)字字符串?dāng)?shù)組， 讀取的第一個(gè)是溫度值， 保存到數(shù)組wendu[]中；其它數(shù)值是燃速值，保存到燃速數(shù)組ransu[][]中。

7）分別讀取文檔的第6+3*0 行、6+3*1 行、6+3*2 行，其后方法同步驟6）。

8）運(yùn)行程序功能函數(shù)writeToExcel（），分別將數(shù)組tuijinji[]、xingneng[]、danwei[]、wendu[]、yiQiang[]、ransu[][]寫入excel 文件的相應(yīng)位置。

9）將excel 文件中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到推進(jìn)劑定型配方數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的數(shù)據(jù)表內(nèi)。

3 結(jié)束語

數(shù)百個(gè)火藥推進(jìn)劑配方，數(shù)百個(gè)性能屬性，數(shù)十萬個(gè)性能數(shù)據(jù)，根據(jù)功能和屬性的不同，本文設(shè)計(jì)了燃速、燃速經(jīng)驗(yàn)公式、燃速溫度系數(shù)、機(jī)械性能、安全性能、能量特性、燃?xì)獬煞值?0 多個(gè)數(shù)據(jù)庫表，按照文中介紹的方法和步驟，編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始文檔數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取及自動(dòng)分類入庫。 實(shí)踐表明，文中所給出的方法是有效且高效的。 雖然文中只是針對(duì)推進(jìn)劑數(shù)據(jù)的處理，但其方法，可廣泛應(yīng)用于其它行業(yè)的數(shù)據(jù)自動(dòng)提取及分類入庫，對(duì)數(shù)據(jù)的有效管理和高效使用有積極的意義。

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