基于人機(jī)交互的冷庫(kù)溫度指標(biāo)驗(yàn)證分析系統(tǒng)

/ .張家港市市場(chǎng)監(jiān)督管理局；.蘇州市計(jì)量測(cè)試院

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活水平也日益提高，食品和醫(yī)藥安全備受關(guān)注，一旦發(fā)生質(zhì)量安全問(wèn)題，后果不堪設(shè)想[1-3]。食品和醫(yī)藥在儲(chǔ)藏和運(yùn)輸過(guò)程中其品質(zhì)與所處的溫度密切相關(guān)，冷庫(kù)作為一種制冷設(shè)備，是儲(chǔ)藏和運(yùn)輸食品及醫(yī)藥的關(guān)鍵設(shè)備，因此，對(duì)冷庫(kù)溫度合理控制的重要性就不言而喻了[4,5]。為此，人們針對(duì)冷庫(kù)溫度的理論仿真和實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)也開(kāi)展了大量的研究工作[6-11]。

目前，針對(duì)從冷庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的溫度數(shù)據(jù)，大多采用人工結(jié)合Excel模式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以驗(yàn)證溫度指標(biāo)是否合理。雖然可以獲得溫度指標(biāo)的分析結(jié)果，但是效率偏低，特別是在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，人工手段極為繁瑣且長(zhǎng)時(shí)間工作下準(zhǔn)確性得不到保障。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)應(yīng)用到生活中的各行各業(yè)，在數(shù)據(jù)分析方面有顯著優(yōu)勢(shì)。在冷庫(kù)的應(yīng)用方面，南京航空航天大學(xué)的周程[12]基于RFID（Radio Frequency Identification） 和 WSN （Wireless Sensor Network）定位技術(shù)建立冷庫(kù)的溫度監(jiān)控平臺(tái)，可自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷庫(kù)溫度，并給出預(yù)警。然而，因缺少配套的后處理軟件系統(tǒng)對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。山西大學(xué)的張軍[13]設(shè)計(jì)出一套冷庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)與信息管理系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量冷庫(kù)中每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度并予以圖表顯示，且可對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警處理。此外，基于串口通信可在信息管理系統(tǒng)中讀取歷史溫度記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，顯著提高了驗(yàn)證效率。需要指出的是，該系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜且功耗大，仍未能得到廣泛應(yīng)用。

綜上所述，目前多數(shù)工作致力于冷庫(kù)溫度的監(jiān)測(cè)，但是在數(shù)據(jù)智能化分析、人機(jī)交互式繪圖分析以及溫度場(chǎng)呈現(xiàn)等方面仍有待完善。因此，有必要開(kāi)發(fā)出一套個(gè)性化、簡(jiǎn)便式、可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的冷庫(kù)溫度指標(biāo)驗(yàn)證分析系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分組成，其中硬件部分負(fù)責(zé)采集、記錄和存儲(chǔ)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間和溫度數(shù)據(jù)，軟件部分負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析可視化和報(bào)告的生成。兩者結(jié)合工作，最終得到驗(yàn)證結(jié)論和報(bào)告。硬件部分主要為無(wú)線溫濕度記錄器，可全面準(zhǔn)確地測(cè)量驗(yàn)證對(duì)象的測(cè)點(diǎn)時(shí)間、溫濕度等參數(shù)，并由溫濕度記錄器記錄數(shù)據(jù)再導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。軟件基于C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，通過(guò)與SQlite數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交互完成數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和分析，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能分析與總結(jié)功能。

1.2 硬件

硬件模塊是型號(hào)為EBI 20-TH1的溫濕度記錄器，組成部分及導(dǎo)出數(shù)據(jù)如圖1所示。該硬件模塊由NTC溫度傳感器、電容式濕度傳感器、CR2450紐扣鋰電池（3 V）、液晶顯示器、ABS外殼組成，記錄間隔可在1 min～24 h自由設(shè)定，溫度濕度交替顯示，且可以通過(guò)連接底座、USB數(shù)據(jù)線配合主機(jī)上Winlog.basic軟件導(dǎo)出記錄數(shù)據(jù)。

溫濕度記錄器的測(cè)量范圍為溫度：-30～70 ℃，濕度：（0～100）% RH，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)類(lèi)型要求后綴名為“.xls”或“.xlsx”。 測(cè)試時(shí)將溫濕度記錄器放置于各測(cè)點(diǎn)，記錄器會(huì)測(cè)量該測(cè)點(diǎn)的時(shí)間和溫濕度數(shù)據(jù)，記錄上述數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)下來(lái)，在測(cè)試結(jié)束后可通過(guò)軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

圖1 硬件組成及數(shù)據(jù)導(dǎo)出

1.3 軟件

軟件基于C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)建的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)將硬件設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示及分析?；跀?shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的圖表顯示、冷庫(kù)三維圖的繪制、標(biāo)準(zhǔn)偏差等指標(biāo)的計(jì)算與分析、冷庫(kù)空間內(nèi)溫度場(chǎng)（溫度云圖）的呈現(xiàn)和自動(dòng)導(dǎo)出報(bào)表等多項(xiàng)功能。

1.3.1 軟件流程與功能

圖2為軟件流程圖，啟動(dòng)軟件后，用戶(hù)選擇冷庫(kù)為驗(yàn)證對(duì)象，然后填入驗(yàn)證單位的相關(guān)信息，之后就會(huì)呈現(xiàn)出系統(tǒng)的主界面。在主界面上，可以完成冷庫(kù)基本信息錄入、三維圖和測(cè)點(diǎn)的繪制、數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)入、數(shù)據(jù)分析、溫度曲線圖和溫度云圖的繪制等功能。在導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)以及測(cè)點(diǎn)繪制完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄測(cè)點(diǎn)數(shù)量，并可將測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)以圖表的形式呈現(xiàn)。在完成繪圖的相關(guān)操作后，系統(tǒng)在測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析界面會(huì)分別對(duì)冷庫(kù)各運(yùn)行狀態(tài)（空載、滿(mǎn)載、開(kāi)門(mén)和斷電）下各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)分析，并自動(dòng)生成驗(yàn)證結(jié)論。最后，用戶(hù)可以將圖像、冷庫(kù)和測(cè)點(diǎn)信息、傳感器信息、處理后的數(shù)據(jù)和驗(yàn)證結(jié)論一并自動(dòng)導(dǎo)出到檢測(cè)報(bào)表。

1.3.2 計(jì)算依據(jù)

本系統(tǒng)中的計(jì)算公式按照GB/T 34399-2017的測(cè)量計(jì)算要求[14]。

ta,i—— 第a個(gè)測(cè)點(diǎn)第i次測(cè)得的溫度，℃；

N—— 測(cè)量次數(shù)

2）波動(dòng)度Δtf

式中：Δtf—— 波動(dòng)度，℃；

tmax—— 測(cè)點(diǎn)溫度最大值，℃；

tmin—— 測(cè)點(diǎn)溫度最小值，℃

3）溫度均勻度Δtu

式中：Δtu—— 溫度均勻度，℃；

timax—— 各測(cè)點(diǎn)在第i次測(cè)得的最高溫度，℃；

timin—— 各測(cè)點(diǎn)在第i次測(cè)得的最低溫度，℃

圖2 軟件流程

4）測(cè)量不確定度

（1）由測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u1見(jiàn)表1。

表1 由測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u1

（2）由標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度分量u2見(jiàn)表2。

表2 由標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度分量u2

（3）合成不確定度見(jiàn)表3。

表3 合成不確定度

2 系統(tǒng)的應(yīng)用效果

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)入

啟動(dòng)軟件，打開(kāi)主界面后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡，用戶(hù)可以選擇打開(kāi)系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)文件或者新建數(shù)據(jù)庫(kù)文件，用內(nèi)建的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)建表并導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)。如圖3所示，在界面上可以清楚地看到各測(cè)點(diǎn)的編號(hào)、狀態(tài)、檢測(cè)時(shí)間以及溫度數(shù)據(jù)。

2.2 冷庫(kù)基本信息填寫(xiě)

圖4為冷庫(kù)基本信息填寫(xiě)界面，用戶(hù)手動(dòng)輸入相關(guān)信息后，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，系統(tǒng)將內(nèi)容自動(dòng)填寫(xiě)到報(bào)表中，基本信息包括冷庫(kù)的尺寸、貨架數(shù)量、監(jiān)控探頭和風(fēng)機(jī)情況等，其中報(bào)表模板在一開(kāi)始選定冷庫(kù)作為驗(yàn)證對(duì)象的同時(shí)就已被設(shè)置為冷庫(kù)模板。其填寫(xiě)原理是系統(tǒng)在報(bào)表中搜索關(guān)鍵字符，在字符后挖取文本范圍，最后將填寫(xiě)的信息插入到挖取的范圍中，通過(guò)此方法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在Word報(bào)告中高效快捷地錄入，最終填寫(xiě)效果如圖5所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入

圖4 冷庫(kù)信息填寫(xiě)

圖5 信息填寫(xiě)效果

2.3 三維圖和測(cè)點(diǎn)繪制

在系統(tǒng)主界面，點(diǎn)擊繪圖按鈕即可手動(dòng)繪制冷庫(kù)三維示意圖和測(cè)點(diǎn)?？紤]到操作簡(jiǎn)易性以及圖像的清晰呈現(xiàn)，系統(tǒng)采用AnyCAD三維控件。該控件的優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)了用戶(hù)和繪制對(duì)象間的交互性，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的繪圖功能。其中，Scene Node是顯示引擎的核心對(duì)象之一，為方便用戶(hù)操作，系統(tǒng)提供了一些基本的幾何體樣式，用戶(hù)只需輸入目標(biāo)的幾何參數(shù)，就能創(chuàng)建一個(gè)掛接在Scene Node上的Topo Shape對(duì)象。此外，用戶(hù)通過(guò)Scene Node類(lèi)的ID屬性賦予測(cè)點(diǎn)指針?biāo)饕?，?jù)此系統(tǒng)可自動(dòng)記錄下測(cè)點(diǎn)信息并將它和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，以此實(shí)現(xiàn)溫度云圖的繪制。圖6給出了繪制的冷庫(kù)三維示意圖，繪制完成后，用戶(hù)能夠全方位移動(dòng)、放大、縮小示意圖，且可調(diào)整示意圖的尺寸，滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求。此外，當(dāng)賦予測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)后，可以對(duì)示意圖進(jìn)行溫度場(chǎng)的渲染，系統(tǒng)可自動(dòng)模擬出冷庫(kù)的溫度云圖，如圖6所示。在此基礎(chǔ)上，可以直觀判斷冷庫(kù)溫度分布的均勻性，方便用戶(hù)監(jiān)測(cè)分析冷庫(kù)的狀態(tài)，并提高溫度指標(biāo)驗(yàn)證分析的效率。

2.4 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

圖6 三維圖和溫度云圖

圖7 為數(shù)據(jù)分析界面，從數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取數(shù)據(jù)后，根據(jù)GB/T 34399-2017中相應(yīng)的計(jì)算公式，系統(tǒng)通過(guò)for循環(huán)分別計(jì)算出冷庫(kù)四種運(yùn)行狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和波動(dòng)度，并將它們存放在數(shù)組中，之后遍歷數(shù)組中數(shù)據(jù)，將相關(guān)指標(biāo)和國(guó)標(biāo)中的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，最終得出驗(yàn)證結(jié)論。從圖7的檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，空載狀態(tài)下測(cè)點(diǎn)10的溫度均值為4.04 ℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.94 ℃，溫度指標(biāo)在合理范圍之內(nèi)。

圖7 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

2.5 溫度曲線圖

圖8 為所有測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖，便于各測(cè)點(diǎn)之間的對(duì)比，從而直觀地判斷出冷庫(kù)在開(kāi)門(mén)、斷電、空載和滿(mǎn)載各種狀態(tài)下的溫度異常的測(cè)點(diǎn)位置。從圖8可以看出，絕大部分測(cè)點(diǎn)在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中溫度基本保持一致，僅少數(shù)測(cè)點(diǎn)的溫度曲線出現(xiàn)分離現(xiàn)象，結(jié)合圖7單測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，即可快速判斷溫度均勻性是否滿(mǎn)足要求。圖9為單個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖，便于捕捉到溫度異常的測(cè)點(diǎn)位置，從而快速定位在何種運(yùn)行狀態(tài)下哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)溫度超標(biāo)。通過(guò)整體與局部相結(jié)合，驗(yàn)證結(jié)果明確清晰，方便可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了基于人機(jī)交互的冷庫(kù)溫度指標(biāo)驗(yàn)證分析系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)驗(yàn)證代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工驗(yàn)證為設(shè)計(jì)初衷，實(shí)現(xiàn)了冷庫(kù)三維圖人機(jī)交互繪制、數(shù)據(jù)智能分析、溫度曲線圖和溫度云圖呈現(xiàn)等特色，有效提升了溫度指標(biāo)的驗(yàn)證效率和準(zhǔn)確性。同時(shí)，個(gè)性化的圖像功能賦予了系統(tǒng)化繁為簡(jiǎn)，化抽象為具象的能力。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在處理大量數(shù)據(jù)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確可靠，在冷庫(kù)溫度指標(biāo)驗(yàn)證分析方面具有廣泛應(yīng)用前景。

圖8 所有測(cè)點(diǎn)溫度曲線

圖9 單個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度曲線