（计算机软件与理论专业论文）中药滴丸生产过程建模和仿真研究.pdf

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品率和含水量建模的工具建立起了相应的模型 最后我们对滴丸的成品率和含 水量进行了蒙特卡洛仿真 首先通过b e s t f i t 分别分析了影响滴丸成品率和含水 量的因素的概率分布和具体参数 然后通过m a t l a b 的随机数生成函数根据各个 因素的概率分布和具体参数生成足够的随机变量 根据之前建立的成品率和含 水量的模型 进行蒙特卡洛仿真 仿真得到了滴丸成品率和含水量在现有生产工艺下的均值和方差 通过对影 响滴丸成品率的因素进行仿真分析 得出了对滴制罐的温度进行控制使之变化 较小可以使得成品率有1 2 的提高 同时使得产品的成品率的稳定性更高 同 时分析得到了滴制速度对滴丸成品率的影响 浸膏含水量对滴丸含水量的仿真 显示 如果通过减少浸膏含水量的方差 可以有效地减少滴丸含水量的方差 从而达到稳定滴丸含水量的目的 关键字 中药滴丸 成品率 含水量 粗糙集 s v m 蒙特卡洛 a b s t r a c t a b s t r a c t p i l li sa 1 1i m p o r t a n tv a r i e t yo fc h i n e s em e d i c i n e w h i c ho c c u p i e sv e r y i m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ec h i n e s em e d i c i n ee n t e r p r i s e s i nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n i ti s n e c e s s a r yt oa n a l y z et h ed a t ao ft h ep r o d u c t i o ni no r d e rt od e t e r m i n ew h e t h e rt h e p r o d u c t i o ni sq u a l i f i e da n dt of u r t h e ri m p r o v ei t h o w e v e r t h ep i l le n t e r p r i s e so f t e n p r o d u c eo n l y2 0 0b a t c h e sp i l l s w h i c hh a v el i t t l ed a t at oa n a l y z et h ep r o d u c t i o n o n t h i sb a s i s t h i sp a p e ru s em o n t ec a r l ot os i m u l a t et h ep i l ly i e l d sa n dt h ew a t e rc o n t e n t a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fa l g o r i t h m sh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u e f i r s t l y w ei n t r o d u c et h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s s e so ft h ep i l lp r o d u c t i o n t h e m e l t i n gp r o c e s sa n dt h ed r o p p i n gp r o c e s s a n dw eg e tt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep i l l y i e l d sa n dt h ew a t e rc o n t e n t t h e nw e u s er o u g hs e tt h e o r yt or e d u c et h ea t t r i b u t e s o ft h o s ef a c t o r sw h i c hs i m p l i f yt h ea n a l y s i so ft h ep i l ly i e l da n dt h ew a t e rc o n t e n t f o rw eh a v eas m a l ls a m p l e s v mi su s e dt ob u i l dt h em o d e l l a s t l y w em a k ea s i m u l a t i o nb a s e do nm o n t ec a r l oo fp i l ly i e l da n dw a t e rc o n t e n t a f t e rg e t t i n gt h e d i s t r i b u t i o no ft h ef a c t o r s w e1 1 s em a t l a bt og e n e r a t ee n o u g hr a n d o mn u m b e r s f o r w eh a v eb u i l tt h em o d e l w ec a nm a k eam o n t ec a r l os i m u l a t i o n w eg e tt h em e a na n dv a r i a n c eo ft h ep i l ly i e l da n dt h ew a t e rc o n t e n tu s i n g s i m u l a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ei m p a c tf a c t o r so fp i l l sy i e l ds i m u l a t i o n w e k n o wt h a ti fw ec a nr e d u c et h ev a r i a n c eo ft h et e m p e r a t u r ed r o p sc a n s w ec a l l i n c r e a s ep i l ly i e l db y1 2 w h i l ea l l o w i n gf o rt h es t a b i l i t yo ft h eh i g h e ry i e l d a n d w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tr e d u c i n gt h ev a r i a n c eo fd r u gc r e a mc a l lm a k et h ew a t e r c o n t e n to f p i l lm o r es t a b i l i t yb a s eo ns i m u l a t i o n k e y w o r d c h i n e s em e d i c i n ep i l l s p i l l sy i e k l r o u g hs e t s v m m o n t ec a r l o i i 内容目录 内容目录 中文摘要 i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 第一节课题背景 1 第二节研究现状 2 1 2 1 粗糙集研究现状 3 1 2 2 支持向量机的研究现状 4 第三节研究内容和意义 6 1 3 1 研究内容 6 1 3 2 研究意义 一6 第四节章节安排 7 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 8 第一节滴丸生产过程简介 8 第二节滴丸生产工序分析和模型建立 9 2 2 1 化料工序过程分析和模型的建立 1 0 2 2 2 滴制工序过程分析和模型的建立 1 1 2 2 3 滴丸成品率的影响工艺参数分析 1 5 2 2 4 滴丸含水量的影响工艺参数分析 1 5 第三节工作基础 15 第四节滴丸仿真的思路 1 6 第五节本章小结 1 7 第三章基于粗糙集和s 垤的滴丸成品率和含水量建模 1 8 i i l 内容目录 第一节建模方法背景和综述 1 8 第二节粗糙集理论模型 1 9 3 2 1 粗糙集基本理论 1 9 3 2 2 粗糙集的特点 2 l 第三节利用粗糙集对数据进行属性约简 2 1 3 3 1粗糙集进行属性约简的一般过程 2 2 3 3 2 对成品率的影响工艺点进行属性约简 2 3 3 3 3 对含水量的影响工艺点进行属性约简 2 5 第四节支持向量机模型 2 6 3 4 1 支持向量机的基本知识 2 6 3 4 2 支持向量回归机 2 8 第五节基于s v m 的中药滴丸成品率建模 2 9 第六节基于s v m 的中药滴丸含水量建模 3 0 第七节本章小结 3 1 第四章基于蒙特卡洛的成品率和含水量仿真 3 2 第一节蒙特卡洛算法模型 3 2 4 1 1 蒙特卡洛的基本原理 3 2 4 1 2 蒙特卡洛的内容和特点 3 3 4 1 3 模拟次数的选择 3 3 4 1 4随机数和随机变数的产生原理 3 4 第二节基于蒙特卡洛仿真的一般流程 3 4 4 2 1 仿真流程 3 4 4 2 2 常用的参数分布形式 3 5 4 2 3获得各个参数的分布 3 7 第三节成品率稳定性的蒙特卡洛仿真 3 7 4 3 1 成品率仿真介绍 3 7 4 3 2 影响成品率的工艺点的分布形式 3 8 4 3 3 仿真过程 3 8 内容目录 4 3 4 仿真结果和分析 3 9 第四节含水量稳定性的蒙特卡洛仿真 4 1 4 4 1 含水量介绍 4 1 4 4 2 影响含水量的相关工艺点的分布形式 4 2 4 4 3 仿真过程 4 3 4 4 4 仿真结果和分析 4 3 第五节本章小结 4 4 第五章总结与展望 4 6 第一节论文总结 4 6 第二节进一步的工作 4 7 参考文献 4 8 霉i 谢 5 0 个人简历 学术论文与研究成果 5 1 v 内容目录 图目录 图2 1 滴丸生产的化料和滴制过程示意图 9 图2 2 滴丸化料过程示意图 1 0 图2 3 滴丸滴制示意图 1 1 图2 4 滴丸信息采集平台示意图 1 6 图2 5 滴丸成品率分析过程图 1 7 图3 1 属性约简过程示意图 2 3 图3 2 线性可分情况下的分类超平面 2 8 图4 1 蒙特卡洛仿真流程图 3 5 图4 2 滴灌温度对成品率影响示意图 4 0 图4 3 滴制速度对成品率影响示意图 4 1 图4 4 浸膏含水量对滴丸含水量的影响示意图 4 4 v i 内容目录 表目录 表3 1 决策表 2 0 表3 2 成品率属性约简表 2 4 表3 3 含水量属性约简表 2 5 表3 4 滴丸成品率训练和测试结果表 3 0 表3 5 滴丸含水量训练和测试结果表 3 1 表4 1 成品率仿真结果表 3 9 表4 2 滴灌温度对成品率影响仿真结果表 4 0 表4 3 滴制速度对成品率影响仿真结果表 4 0 表4 4 含水量仿真结果表 4 3 表4 5 浸膏含水量对滴丸含水量影响仿真结果表 4 4 v i l 第一章绪论 第一章绪论 第一节课题背景 中医药是中华民族的瑰宝 中药产业也是我国医药工业的重要组成部分 现代中药经过半个世纪 尤其是近几年的发展 已经具备了一定的竞争力和发 展潜力 由于从化学合成物中筛选新药的难度越来越大 加上许多化学药物存在着 毒副作用 同时 随着人们自我保健意识的不断增强 回归自然 绿色 消 费己成时尚 人们对植物药的认可造就了中药制剂巨大的市场 1 2 1 目前世界植 物药市场总量约为2 7 0 亿美元 3 j 数据显示 2 0 0 7 年l 至1 0 月 我国中成药累 计进出口2 3 8 亿美元 4 j 这跟我们是中药发源国的地位很不相称 同时也可以 看到 国内的中药企业在走出国门 走向国际还是大有可为 由于制药企业主观原因和技术标准等客观因素 中药质量控制存在着较大 的问题 尤其是制造工艺上 很多企业用的还是很旧 技术含量很低的设备 有些企业尽管引入了较为先进的设备 可是往往由于技术的原因没有利用好 没有对先进设备采集的数据进行分析 这样就导致了制造出来的药物质量不稳 定 同时导致了质量无法逐步改进 5 在新世纪全球信息化的大背景下 很多行业已经逐步开展了信息化的进程 使之与生产结合 为生产服务 取得了很大的成效 中药的信息化和现代化也 被提上了日程并进行了开展 并取得了一系列的成果 比如 指纹图谱 的应 用等 对中药的有效成分的测量提供了一个较为可靠的方法 中药生产的发展方向是应用现代高新技术改进传统的生产工艺 建立起规 范的生产质量管理规范 使之可以对生产过程进行严格控制和改进 从而稳定 和提高中药的质量 在这样的背景下 如何依据现代计算机技术 网络技术和现代测试技术及 现代计算技术的支撑 根据中医药传统理论 用数字化的方式描述和表达中药 的内涵 通过对中药成分的结构 含量等多项特征进行数字化测试 以期能够 达到改进和提高工艺过程 稳定和提高中药质量成为了各中药企业急需解决的 第l 页 第一章绪论 问题 本文就是从这个方面进行了研究和探讨 本文的研究对象是中药滴丸的质量 企业按照批号进行滴丸生产 一般企 业一年只能生产1 0 0 2 0 0 批滴丸 企业要求得到现有工艺情况下滴丸的质量情 况 但是从这么少的数据中 无法对滴丸质量进行有效分析 也无法得到现有 工艺生产的合格性 本文针对这种情况 从仿真的角度给出了一个解决方案 首先通过对现有的数据进行建模 然后通过仿真的方式得到了滴丸的质量指标 并通过仿真对影响质量的因素进行分析 得到了重要因素对质量的影响关系 对企业的实际生产做出了一定的指导 第二节研究现状 计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础 以计算机及其相应的软件为 工具 通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术 计算机仿真 早期称为蒙特卡洛方法 是一门利用随机数实验求解随机问题的方法 其原理 可追溯到1 7 7 3 年法国自然学家g l l b u f f o n 为估计圆周率值所进行的物理实验 根据仿真过程中所采用计算机类型的不同 计算机仿真大致经历了模拟机仿真 模拟一数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段 2 0 世纪5 0 年代计算机仿真 主要采用模拟机 6 0 年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中 但难以满足 航天 化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求 到了7 0 年代模拟一数字混合 机曾一度应用于飞行仿真 卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域 8 0 年代后由于并行处理技术的发展 数字机才最终成为计算机仿真的主流 现 在 计算机仿真技术已经在机械制造 航空航天 交通运输 船舶工程 经济 管理 工程建设 军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用 对于需要研究的对象 计算机一般是不能直接认知和处理的 这就要求为 之建立一个既能反映所研究对象的实质 又易于被计算机处理的数学模型 数学模型将研究对象的实质抽象出来 计算机再来处理这些经过抽象的数 学模型 并通过输出这些模型的相关数据来展现研究对象的某些特质 通过对 这些输出量的分析 就可以更加清楚的认识研究对象 通过这个关系还可以看 出 数学建模的精准程度是决定计算机仿真精度的最关键因素 在企业生产中 往往需要对生产的药品的关键指标进行可靠性考核 以便 对生产工艺的合格程度进行判断 但是 在实际中 往往一年的生产积累的资 第2 页 第一章绪论 料也很少 往往只有1 0 0 至2 0 0 组数据 通过这些少量的数据无法考核其真正 的稳定性 所以 我们通过采用对这些数据先进行建模 然后再建立的模型的 基础上再进行仿真的方法来考察其稳定性 在本文中 我们主要对某滴丸的关 键指标成品率和含水量进行考察 蒙特卡洛法是以统计抽样理论为基础 利用随机数 通过对有关的随机变 量的统计 抽样试验或随机模拟 把统计特征值作为待解问题的近似解 是一 种数值计算方法 可应用于随机变量服从任意分布 随机变量任意组合的可靠 性计算 其方法简单 便于编程 且能够保证依概率收敛 6 由于蒙特卡洛方法的理论基础是概率论中的基本定理 大数定理 因此它的 应用范围从理论上没有任何限ne 7 1 本文利用蒙特卡洛方法对滴丸的含水量和成 品率进行仿真试验 以期找出影响这两个指标的稳定数值 同时 通过仿真找 出影响它们的工艺点 1 2 1 粗糙集研究现状 z p a w l a k1 9 8 2 年提出的粗糙集理论 是继概率论 模糊集理论 证据理论 之后的又一个处理不确定性的数学工具 近年来 粗糙集理论已被广泛应用于 人工智能 模式识别 知识发现 决策分析等智能信息处理领域 并成为信息 科学最为活跃的研究领域之一 8 9 1 0 1 l 下面介绍一些粗糙集的当前研究情况 数据挖掘 数据挖掘在现代信息产业中已经发挥了重大作用 在金融 医疗 科研 商业等领域都有应用 在这些应用中 海量的数据被存储在数据库中 由于数 据库的庞大 进行一次数据挖掘或者分析往往需要很长的时间 同时也要占用 大量的存储空间 粗糙集方法的属性约简应用于数据挖掘 可以去除掉冗余和 重复以及不相关的属性 然后利用粗糙集对剩下的属性进行属性约简从而得到 最小的而且又不失基本信息 能够反映原始信息的特征的集合 从而大大加快 了挖掘的进程 1 2 1 3 故障诊断 在工程实践中 运行的机器设备理论上随时有发生故障的可能 设备一旦 发生故障 将会影响生产和人员生命安全 造成巨大损失 因此 对设备进行 第3 页 第一章绪论 故障诊断和预报就显得尤为现实和重要 例如 对电力设备进行故障诊断和警 报处理 1 4 内燃机的运行故障诊断 1 5 水电机组的故障诊断等 不仅提高了设 备运行的稳定性 而且还有显著的经济效益 人工神经网络 人工神经网络具有逼近任意非线性函数的功能 且具有高度容错等特点 适合应用在预测 复杂对象建模和控制等场合 但是当神经网络规模较大 样 本较多时 训练时间过于漫长 这一固有缺点是制约神经网络进一步实用化的 主要因素之一 粗糙集理论可提供有效方法对信息进行约简 1 7 1 文献 1 8 1 应用粗 糙集的属性约简功能化简训练样本数据集 在保留重要信息的前提下消除了多 余的数据 使得训练速度提高了4 倍多 取得了很好的效果 决策分析 面对大量的信息以及各种不确定因素 要做出科学 合理的决策非常不容 易 粗糙集允许决策对象中存在一些不太确定 不太完整的属性 弥补了常规 决策方法的不足 1 9 专家系统 粗糙集理论是一种处理含糊和不精确信息的新方法 它的一个重要特点是 不需要预先给定问题的某些特征或者属性的数量描述 如概率分布 隶属度以 及隶属函数等 而是直接从给定问题的描述信息出发 根据不通的观察点把事 例集划分为等价类给定问题的近似域 从而发现问题的本质特征和规律 2 0 2 1 1 1 2 2 支持向量机的研究现状 支持向量机 s u p p o r t v e c t o rm a c h i n es v m 是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的 基于统计学习的机器学习方法 根据结构风险最小化原则 根据有限样本在模 型的复杂性和学习能力之间寻求最佳平衡 实现经验风险和置信范围的最小化 从而在样本量较小的情况下获得较好的统计规律和更好的泛化能力 目前 s v m 在分类 模式识别 回归预测等很多领域进行了应用 并取得了很好的效果 2 2 2 3 2 4 语音识别 文献 2 5 通过计算输入样本的模糊隶属度 应用s v m 对语音信号进行识别 并 和r b f 神经网络 支持向量机 s v m 的识别效果进行了比较 在仿真实验中 采 第4 页 第一章绪论 用小波分析方法提取语音特征向量 识别结果表明 s v m 和f s v m 比r b f 网络具 有较好的泛化性能 训练时间也大大缩减 文献 2 6 针对语音情感识别特征识别问题 利用支持向量机进行了研究 使用 非线性的核函数对输入空间进行映像可以有效地提高识别效率 与已有的多模 式语音情感识别方式相比 利用高斯核函数的支持向量机的识别效果优于其它已 有的方法 人脸识别 文献 2 刀提出一种基于小波变换和支持向量机的人脸检测算法 适用于复杂背 景灰度图像的人脸检测 算法首先用双眼模板匹配方法进行粗筛选 之后对候选 窗口用小波变换提取特征 将特征向量送入支持向量机进行分类检测 由于采用 双眼模板进行粗筛选提高了检测速度 并且用小波变换提取特征向量 使特征向 量的维数大大减少 从而有效地降低了分类器的训练难度 实验对比数据表明该 方法具有较高的检测率和较低的虚警数 检测速度较高 文献 2 8 提出了一种基于脸部信息及支持向量机的人脸检测方法 算法首先 利用肤色模型进行人脸粗检 然后根据人脸几何特征进行筛选 最后通过奇异值 分解输入支持向量机分类 实验结果表明 该方法是十分有效的 文本分类 文献 2 9 传统基于向量空间模型的文本分类方法需要对文楷进行预处理 同时 也会损失很多有用的信息 该文提出一种基于离散核支持向量机的文本分类方 法 直接根据文文件的字符序列构造离散核 用于支持向量机分类算法 比较文文 件之间的相似性 从而改善文本分类的效果 证明了离散核支持向量机方法的时 间复杂度与文本的长度成o n 关系 在r e u t e r s 2 1 5 7 8 文楷集上将离散核方法与 多项式核 高斯核方法进行比较 实验结果表明该文所提方法在简化分类方法的 同时也可以提高分类的精度 文献 3 0 提出了一种基于二叉树 预抽取支持向量机及循环迭代算法的改进 的支持向量机 s v m 的多类文本分类方法 与现有的多类分类s v m 算法相比 该 方法具有较高的计算效率 给出了具体实现过程并将其用于文本分类中 实验表 明该算法用于文本分类的有效性及其高效率 目标预测 文献 3 1 把基于结构风险最小化原则的支持向量机应用到混响时间序列预测 中 与径向基函数 i 心f 神经网络方法预测结果进行了对比分析 采用海上实验混 第5 页 第一章绪论 响数据进行预测 处理结果表明 支持向量机的方法优于r b f 神经网络的方法 对 混响时间序列有很好的预测效果 文献 3 2 针对粒子群优化算法存在易陷入局部最优点的缺点 提出了一种新的 基于平均粒距的自适应粒子群优化算法 a s p o 该算法利用种群多样性信息对惯 性权重进行非线性调整 并在算法的后期引入速度变异操作数和交换操作数 使 算法摆脱后期易于陷入局部最优点的束缚 同时又保持前期搜索速度快的特性 将该算法应用到基于支持向量机的短期电力负荷预测模型中 对支持向量机的参 数进行优化 对某电网的短期负荷预测实际算例仿真分析表明 所提出的基于 a p s o s v m 方法的预测精度明显优于传统的s v m 方法 且速度较快 第三节研究内容和意义 本文针对某中药企业生产的滴丸的质量问题 提出了基于蒙特卡洛的仿真 方法 得到了企业现有工艺的质量指标 并通过仿真得到了影响因素对质量指 标的具体影响大小 1 3 1 研究内容 本文首先在分析滴丸生产过程的两个重要工序 化料和滴制的基础上 建立 了这两个工序中的关键工艺点模型 然后运用粗糙集 支持向量机 以及蒙特 卡洛等方法对某中药制造企业生产的某滴丸成品率 含水量等关键质量指针进 行建模和仿真 以期望通过小批量生产即可对这些指标的稳定性进行模拟仿真 分析和判断 以决定工艺是否合格 是否稳定等 同时 通过仿真分析 得出 影响这些指标的工艺点因素 并给出工艺点的变化对滴丸品质指标的影响 从 而帮助企业减少成本 改进生产工艺 降低风险 提高产品的品质 1 3 2 研究意义 滴丸的生产工艺比较复杂 对于滴丸的含水量和成品率这两个指标的影响 因素很多且复杂 无法通过机理分析判断出某个因素对它们的影响大小 同时 企业的滴丸生产是以 批次 为单位进行生产 一般一年生产1 0 0 2 0 0 批次 在 这样的条件下 如果要积累足够的数据进行分析 需要很长的时间 企业付出 第6 页 第一章绪论 的成本较高 首先对滴丸生产过程中的两个关键工序分别进行了分析和建模 根据每批采集 的数据量少和质量影响因素较多等特点 采用了粗糙集 支持向量机对数据进 行处理和建模 然后通过蒙特卡洛对滴丸成品率和含水量进行仿真 达到少量 的生产数据即可对该工艺生产出来的滴丸的质量进行仿真 并通过仿真对比找 出影响滴丸质量的工艺点 从而达到提高和改进工艺点 进而提高滴丸质量的 目的 第四节章节安排 第一章是绪论 介绍了论文提出的背景 针对本文提出的研究方法介绍了 当前的研究现状 介绍了本文的研究目的和意义 第二章介绍了中药滴丸的生产过程 重点介绍了化料和滴制工序 然后分 析了影响滴丸成品率和含水量的可能的工艺点以作为下一步建模的基础 最后 说明了仿真的思路 第三章介绍基于粗糙集和支持向量机 s v m 的方法建模 针对滴丸成品率和 含水量两个建模目标 首先通过粗糙集的方法 对输入的工艺点因素进行规约 和简化 去除不相关的因素 把通过粗糙集处理的数据作为s v m 的初始输入参 数 从而在不影响输入精度的同时 减少s v m 的输入维数 从而降低了s v m 的训练时间 并提高了s v m 的预测精度 然后介绍了s v m 对成品率和含水量 进行建模的过程 第四章首先介绍了蒙特卡洛方法的基本原理 特点 仿真次数的选择以及 随机数产生原理 然后介绍了蒙特卡洛仿真的一般流程 在第三章建立的两个 模型的基础上 基于蒙特卡洛 通过分析各个输入参数的分布形式 对滴丸成 品率和含水量进行了仿真 并进行多次仿真得到了对滴丸成品率和含水量的期 望和方差 同时 通过仿真对比 得到了影响上述两个因素的工艺点参数 并 给出了控制范围 第五章是论文的总结和进一步工作的展望 第7 页 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 为了分析滴丸的成品率和含水量的影响因素 需要对滴丸的具体生产过程 进行分析 以得到影响它们的因素 同时为了对生产过程和滴丸质量进行仿真 需要对生产过程中的重要工艺点进行建模和分析 第一节滴丸生产过程简介 滴丸是中药制剂的一个品种 滴丸技术适用于含液体药物 以及主药体积 小或有刺激性的药物 采用滴丸剂型可增加药物的稳定性 减少刺激性 掩盖 不良气味 随着我国中药生产工艺的提高 大量中成药物采用了滴丸剂型 如 速效救心丸与复方丹参滴丸等 由于剂型先进 疗效确切 滴丸已成为中药剂 型现代化中的一道亮丽彩虹 滴丸的基本原理是 利用固体分散法 将一些难溶性液体药物或挥发油与 水溶性固体基质加热熔融 形成溶液 混悬液或乳浊液后 趁热滴在另一互不 相溶的溶剂中 再迅速冷却 表面张力作用使液滴收缩并冷凝成固态而获得滴 丸 由于下面要对滴丸生产过程进行建模 仿真系统将根据模型实现对工序的 仿实际加工生产 因此 有必要在这里先简单介绍一下滴丸的生产过程 图2 1 给出了滴丸生产过程的示意图 其中主要包括化料和滴制两个滴制过 程 在化料之前进行的提取过程 提取过程首先进行滴丸所需中药药材的采集 然后进行干燥 切碎处理 接着按照一定的配方比例进行提取过程 该过程主 要作用是把药物的有效成分从药材中提取出来 提取后形成药膏 检验合格的 药膏可以作为下一步制剂工序的原料 接下来进行的中药滴丸的制剂过程 主 要包括化料和滴制两个工序 化料的目的就是把提取出来的浸膏和相应的基质 在一定的温度下进行加热搅拌 以形成比较均匀的药液 滴制工序就是把药液 通过滴制罐和冷凝灌形成固体滴丸 其过程是 首先药液流到滴制罐 由于滴 制罐的下面是筛子状的管子 药液经过管子流入到冷凝灌中 冷凝灌装的是石 蜡 石蜡的温度比药液的温度低很多 当液滴滴到石蜡里面后 在表面张力的 第8 页 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 迅速作用下 到此滴丸的生产过程结束 化料滴制分离 口墨参 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 温度等都可能对滴丸的质量造成很大的影响 同时 这些因素对质量的影响各 不相同 且存在机理不明确的现象 在这种情况下 要对滴制过程进行仿真 需要对这几个工序进行详细的分析 同时 在论文前期工作中 已经建立起了 生产的各个过程的数据采集系统 这个过程采集了大量的数据 由于中药滴丸 的机理不明 所以不能根据机理进行建模 只能根据这些资料入手 采取机器 学习 数据挖掘等方法进行建模 并通过仿真对这些过程进行模拟 以达到跟 实际数据进行比较 期望找出各个数据工艺点之间的联系和影响 最终达到对 实际进行指导 改进生产质量的目的 2 2 1 化料工序过程分析和模型的建立 化料工序的主要作用是为滴制工序提供足够的合格的可滴制药液 它的主 要过程如图2 2 所示 把提取得到的浸膏和一定的溶质如聚乙二醇 p e g 2 0 0 0 等 在一定的温度下进行 搅拌 使得浸膏逐渐溶化并均匀 经过一定时间的搅拌 最后化料灌中就是均匀的药液 热交换器使得化料在一定的温度下进行 该过 程的主要工艺点参数是化料过程中的料液温度和料液高度 图2 2 滴丸化料过程示意图 热 交 换 器 为了对化料工序进行描述和仿真 我们需要对化料工序中的关键工艺点参 数料液温度进行建模 料液温度建模 在化料过程中 为了使得浸膏和基质充分融合 需要在一定的温度下进行 搅拌 通常这个温度是通过热交换器提供的热量保持 温度的变化一般跟热交 第l o 页 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 换器 浸膏和基质的温度以及质量有关 很难根据机理建立起它们之间的关系 在这里 我们根据采集到的料液温度数据进行观察 发现其数据形式较为符合 某个分布 基于这个认识 我们采取了基于数据进行建模的方法 首先 通过 采集到的数据样本分析出料液温度符合的概率分布和具体参数 然后在下一步 的仿真和描述中利用该概率分布和参数产生的随机变量对该温度进行描述 根据得到的料液温度样本数据 利用b e s t f i t 软件进行样本判定 得到料液温度 所符合的概率分布和具体参数是n o r m a l 8 8 7 6 9 8 8 0 6 1 4 4 3 即化料温度符合 均值为8 8 7 6 9 8 8 方差为0 6 1 4 4 3 的正态分布 2 2 2 滴制工序过程分析和模型的建立 如图2 3 给出了一个药液从液态变化为固态的滴制过程 其工艺特点是当药 液从滴制灌往下滴的时候 由于滴制灌的下面是一个筛子 所以药液会形成一 个一个的小液滴 然后滴制进入冷凝灌 冷凝灌中是跟药液不相溶的石蜡 石 蜡的温度比滴制灌的药液温度要低很多 进入冷凝灌以后 在表面张力的作用 下 迅速形成一个固态的小滴丸 滴丸在冷凝灌中慢慢下落 最后从冷凝灌口 流出 最后经过一个跟石蜡分离的工序后 就成为半成品的滴丸了 a 图2 3 滴丸滴制示意图 滴制工序的工艺点有 滴制罐里面的药液温度 药液高度 以及滴制罐的 药液滴速 滴速是指单位时间滴下的液滴的数量 冷凝灌的石蜡液位高度和石 蜡温度也是可能对质量有影响的工艺点 第1 1 页 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 为了对滴制工序过程进行描述和建模 需要对滴制工序的关键工艺点参数 进行建模 这里是指滴灌的药液温度 滴制速度和药液高度 1 药液温度建模 药液温度是指在滴制过程中 为了使得经过化料过程的药液保持均匀混合 的状态 需要保证滴制过程中滴制罐中的药液保持在一定的温度 其温度跟热 交换器 药液的比热和体积有关 基于同上节化料温度建模一样的原因 我们 也采取了数据建模的方法 通过把药液温度数据输入b e s t f i t 软件 我们得到了 药液温度的分布和参数分布是n o r m a l 7 5 3 5 3 5 1 8 9 1 2 也即滴灌药液温度的 符合均值和方差分别为7 5 3 5 3 5 1 8 9 1 2 的正态分布 在后面的描述和仿真中 我们就可以根据这个分布所产生的随机变量来进行 2 药液高度建模 药液高度是指随着滴制的进行 滴制罐的药液液位会逐渐进行变化的过程 为了保证滴制过程的持续性 一般企业会保持滴制罐的药液液位在一定的范围 内 我们设定其上限和下限分布为日 和耳 其具体变化过程分为两个阶段 3 3 1 工况1 即自由滴制过程 此时上料阀关闭 药液液位随着滴制过程从巩下 降到e 工况2 即上料滴制过程 此时上料阀开启 药液液位从日 逐渐上升至日 假设滴罐滴头数为n 单个滴丸体积为巧 滴丸的丸重取决于滴头滴管的半 径 即圪为定值 假设f 时刻的滴制速度为v 这里所谓的滴制速度是指单个滴 孔每秒滴出的滴丸数 则可以推出滴制罐药液的等效输出流量 本文称之为滴 出流量 为 q 2 n v 定义如下变量 h t 时刻滴制罐药液存储高度 s 滴制罐底面积 p 药液密度 g 重力加速度 第1 2 页 2 2 1 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 q l 上料阀门药液流量 首先假设药液为非粘性流体 则滴出流量吼正比于滴制罐底部所受压强 记做 p r q 一 这里尺为一等效比例系数 可认为是流阻的概念 又因为p p g h 则有 铲妄 譬 亿2 刀 即在尺为定值时滴制罐的滴出流量正比于该时刻的药液液位 自由滴制工况下药液高度建模 将式 2 2 2 代入式 2 2 1 有 v 黑 2 2 3 2 n 圪r 7 式 2 2 3 表明 滴速与药液液位成正比关系 接下来分析在自由滴制过程中药液液位的变化规律 参照图2 3 根据连续性原理及物质守恒原理有 里 一 2 2 4 d t 2 一q 2 2 4 其中矿为t 时刻滴制罐内药液体积 即v s h 则式 2 2 4 可化为 婴 2 j dh 一q2 q 2 2 5 一 1 2 2 l 协 a r ts 将式 2 2 2 代入上式 有 丝 一型 2 2 6 d 一 一一 n ts r 7 求解上式 得通解为 一型 h c e 职 将初始条件h o 巩代入 得c 巩 则式 2 2 6 的解为 一型 h 巩e 鼹 2 2 7 第1 3 页 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 考虑第二种工况 及加料滴制过程 此时有g 0 且g 为恒量 且由于加 料过程的目的是使药液液位上升到安全上限 因此在加料过程中有关系 吼 吼 在本工况下 滴速与药液液位h 的关系与自由滴制工况时完全相同 即如式 2 2 3 所表示的关系 加料滴制工况下药液高度建模 根据连续性原理和物质守恒原理得关系 d v 了 吼一9 2 2 2 1 0 剐 s d h 百2 g l 9 2 将式 2 2 2 代入上式 有 警 q 2 罢 吼一譬百 百2 吼一萱 一砌 9 1 r p g h 坚 一 d ts r 求解上式得通解为 坚 q 鲁 将初始条件办 o 珥代入式 2 2 1 2 得 c 珥一丛 代入式 2 2 1 2 得微分方程 2 2 1 1 的解为 p g 2 2 1 1 2 2 1 2 h t 鲣 1 一鲣 p 鲁 2 2 1 3 p g p g 3 滴制速度建模 滴制速度是指单位时间内从滴制罐滴出的滴丸个数 根据研究 滴制速度 跟药液高度和药液温度均有很强的关系吲 1 6 1 基于这里判断 我们通过样本数 据对滴制速度进行回归建模 最后得到如下关系 v 1 5 1 4 2 2 1 9 t 1 0 8 木h 2 2 1 4 第1 4 页 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 其中t 和h 分别是药液温度和药液高度 通过对该关系进行 检验 证明了该回归是有效的 2 2 3 滴丸成品率的影响工艺参数分析 滴丸的成品率是滴丸质量控制中的一个重要因素 它能够综合反映化料和 滴制工序对最后产品的影响 所以在企业中也是作为质量检验的一个重要指标 由于成品率是滴丸制造过程的综合反映 所以从化料工序到滴制工序的所 有工艺点参数都有可能对滴丸质量产生影响从而间接影响成品率 化料温度可 能会影响药液的均匀性 滴灌药液温度可能会对滴丸进入冷凝灌之后的表面张 力产生影响从而影响滴丸成形等 基于上述考虑 同时参考工程师的意见 我 们认为化料工序和滴制工序的所有关键工艺点都有可能对滴丸成品率产生影 响 这些工艺点分别是化料温度 滴制速度 滴制温度 滴制高度 冷凝温度 冷凝高度 冷酶温度 2 2 4 滴丸含水量的影响工艺参数分析 滴丸含水量是指滴丸里面的水分含量 滴丸含水量一方面会影响滴丸在人 体胃里的溶解时间从而影响疗效 另一方面如果水分含量过低 滴丸在储存过 程中容易干裂 不容易保存 而且过低的水分含量会导致滴丸口味不好 因此 在企业中 滴丸的含水量是滴丸质量控制的一个关键指标 滴丸的含水量主要跟浸膏的工艺点有关系 同时还跟滴制过程中的工艺点 如药液温度等有关 3 3 1 在此基础上 基于对数据的分析和质量分析人员的经验 由于滴丸存储车间的温度和空气湿度都有可能对滴丸的含水量造成影响 所以 在前面研究的基础上 本文还加入了上述的四个参数进行分析 对含水量影响的工艺参数如下所示 浸膏含水量 浸膏出膏率 浸膏密度 浸膏含量 滴制药液温度 存储车 间温度 存储车间温度 第三节工作基础 实验室对中药质量控制进行了较长时间的研究 并与某企业合作 建立起 第1 5 页 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 了从原料信息采集平台 滴制过程的关键工艺点的实时采集系统 以及质量检 验平台信息录入系统 通过这些系统建立起了从滴丸原材料信息到滴制过程工 艺点信息以及质量检验数据的综合采集平台 而这些平台采集的系统正是本文 研究的数据基础 图2 4 滴丸信息采集平台示意图 第四节滴丸仿真的思路 我们的研究对象是滴丸的成品率和含水量这两个指标 在对滴丸生产工序 进行详细分析的基础上 得出可能会对成品率和含水量有影响的所有工艺点 并对这些工艺点数据进行采集 基于这些资料 我们先通过一定的处理 然后 把处理过的资料作为建模的基本资料 利用相应的建模方法进行建模 得到了 成品率和含水量的模型以后 通过仿真分析出成品率和含水量的期望以及对它 们的影响因素 下图是分析滴丸成品率的工作过程图 第1 6 页 第二章中药滴丸生产过程分析和建模 首先分析得到可能影响 滴丸成品率的所有因素 对分析得到的晌因素进行数据处 理 得到处理后的数据 基于粗糙集对上述冈素 进行属性约简 基于s m 建立影响冈素和成品率 之间的模型 改变成品率 影响因素的 分布参数 利用r i s k 分析上述影响i 夭 素数据 的概率分布和具体参数 利用蒙特卡洛对 成品率进行仿真 分析成品率的均值和方差 图2 5 滴丸成品率分析过程图 第五节本章小结 本章首先介绍了滴丸的生产过程 详细分析其中的两个重要工序 化料工 序和滴制工序 在此基础上我们分别得到了影响成品率和含水量的工艺点参数 在已有的工作基础上 给出了仿真的思路 第1 7 页 第三章基于粗糙集和s v m 的滴丸成品率和含水量建模 第三章基于粗糙集和s v m 的滴丸成品率和含水量建模 前面已经分析了影响滴丸成品率和含水量的各个因素 得到了这些影响因 素以后 还需要对建立起它们和滴丸成品率和含水量之间的模型 同时 为了 去除影响较小因素的影响 得到最主要的影响因素 对影响因素进行了预处理 然后利用支持向量机对它们进行建模 第一节建模方法背景和综述 一般系统的建模方法分为两类 按照机理的建模和按照资料统计的建模 按照机理的建模方法是基于研究对象进行物理 化学等分析之上 按照一系列 的原理 定律等建立起描述研究对象的数学模型 方法的缺点是无法对那些机 理不明确的对象进行建模 基于资料的建模不需要了解研究对象的机理 而是 根据从研究对象采集来的数据 基于机器学习 人工智能 数据挖掘等方法对 这些数据进行学习和分析 从而得到所研究对象的模型 该方法的缺点是无法 对研究对象进行机理上的描述 由于中药生产过程的机理复杂 目前还没有好的办法通过机理建模 所以 只能通过数据建模的方法 通过对生产中的各个环节的工艺参数点进行采集 然后利用机器学习和数理统计的方法进行学习和训练得到相应的模型 最后通 过模型对产品的关键指标进行仿真和分析 由于中药企业在生产中的计划性 在一年的时间内只能生产一定批次的产 品 而每个批次只能产生少量的资料 在这样的条件下 我们需要寻找一种可 以在少量样本的基础上即可进行建模的方法 基于数据的机器学习方法是现代智慧技术的重要组成部分 这个方法主要 研究从采集到的数据出发寻找规律 建立模型 然后利用这个模型对未来数据 进行预测 但是这个方法的主要特点就是要求样本的数据趋向于无穷大时候的 渐进理论 目前的方法也是基于这样的假设 但是在实际中 往往样本数目是 有限的 因此一些理论上很优秀的学习方法在实际中往往表现的不尽如人意 早在2 0 世纪6 0 年代 v a p n i k 等人就开始研究基于有限样本情况下的机器 第1 8 页 第三章基于粗糙集和s v m 的滴丸成品率和含水量建模 学习问题 直到9 0 年代中期 该理论已经不断的成