專利名稱：一種基于xrf光譜儀合金牌號鑒定的智能方法
技術領域：
本發明涉及智能計算和XRF 光譜儀的 PMI (Positive Material Identification) 技術領域，尤其涉及一種基于合金牌號鑒定過程中合金含量計算參數校準和合金牌號自適應匹配的智能方法。
背景技術：
X射線熒光光譜分析是分析檢測物質中元素成分含量的先進技術。合金牌號鑒定為其主要應用之一。合金牌號鑒定過程主要包含兩部分XRF光譜儀測定合金各元素含量以及根據含量在給定合金牌號庫中進行牌號匹配查詢。在含量測定過程中，由于光譜儀物理參數以及幾何因子等儀器檢測參數不可忽略的數值誤差的存在，使得依賴確定性的物理數學方法的定量計算方法，比如基本參數(FP)法，需要適應光譜儀器本身的個體差異性帶來的測量值誤差變化；在牌號匹配過程中，由于合金牌號各元素含量確定性范圍邊界的設定誤差、樣本含量計算中對主元素含量采用歸一化產生的誤差以及牌號鑒定流程整體帶來的系統性誤差的存在，使得牌號匹配查詢方法需要適應給定牌號庫的不同以及儀器類型的不同帶來的匹配誤差。智能計算是一種有別于傳統確定性計算方法的全新計算方法學體系，其最大的特點就是根據優化目標對計算參數進行自適應性調整。按照當前流行的觀點， 它主要包含神經網絡、模糊系統和演化計算(參見文獻1)常見X射線熒光光譜分析儀的工作原理有兩種波長色散和能量色散，能量色散型XRF光譜分析儀的研制和使用更為普遍；在XRF光譜檢測分析方法中，常見的兩類定量方法為經驗系數(EC)法和基本參數(FP)法，其中以FP法更具備普適性，所需標準樣本較EC 法更少，其計算結果對儀器物理特性和檢測參數的設定更為敏感(參見文獻幻。盡管FP法本身為克服物理參數和幾何因子等誤差影響采取了相對強度和逐步逼近法來校正強度計算，但由于FP法的復雜性導致其計算結果對儀器個體的依賴性很強，因此，對儀器檢測參數的進一步適應性校準顯得尤為必要。在合金牌號鑒定方面，首先，合金中不同元素含量之間不存在特定的關聯性，可以認為具有一定的自由度，這種不同步性導致鑒定所需計算的匹配度的計量存在模糊性。用模糊數學的觀點來看，當一個合金樣本各元素含量不完全滿足任何一個牌號標準時，它究竟應該被歸入哪一個牌號，只存在匹配程度的不同，而無絕對區分依據，這種匹配程度可以用模糊數學的隸屬度來描述。其次，合金牌號庫的制定有比較多的參照標準，一般每個國家都有自己的國家標準，也有國際標準，但相同類型的合金在各自的標準合金牌號庫中的元素含量范圍基本一致，但由于還是存在差別，導致對于依賴嚴格邊界判定的牌號匹配查詢來說，不足以保證識別上的一致性。同類合金在不同標準牌號庫中影響到匹配結果的區別主要在于a)參考分析元素的選定會有不同，比如不銹鋼BS英國標準中的301S21中不含對Mo的含量的判定，而美國標準中NITON公司版本的牌號庫中對應的同類不銹鋼牌號SS301對Mo的含量規定為0 0. 3，而且對不銹鋼的主元素!^e也給定了含量范圍，但BS標準中狗是靠歸一化處理去計算；b)同類合金的同一種元素的含量范圍會有少量差別，比如不銹鋼BS標準中304系列的牌號M含量為8 10或者8. 5 11. 5，而美國標準中NITON公司版本的牌號庫中對應的SS304牌號的Ni含量為8 10. 5， 邊界并非嚴格相同。這些數值差別本身雖然不大，但結合合金元素含量的測量誤差或計算誤差，對于依賴于嚴格邊界判定的計算確定性距離的匹配方法來說，則是不可忽略的。基于以上兩方面討論可知，基于自適應參數優化調整的模糊匹配查詢方法，通過基于標準樣本采用遺傳算法訓練參數的優化調整方式，在解決保持匹配準確度的適應性問題上能夠起到良好的改善作用。文獻1 《計算智能——從概念到實現》英文版，Russel C. Eberhart等，人民郵電出版社文獻2 :《X射線熒光光譜分析》，吉昂等，科學出版社
發明內容
針對上述存在的技術問題，本發明的目的是提供一種基于XRF光譜儀合金牌號鑒定的智能方法，以提高XRF光譜儀在合金牌號鑒定應用中的匹配準確率并使其具備對不同儀器個體以及給定牌號庫的變化仍保持較高匹配準確率的自適應能力。為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案XRF光譜儀為波長色散或者能量色散類型的X射線熒光光譜儀，其配套分析軟件具備基本的定性功能和基于FP法的定量分析功能；基于符合以上類型和所述功能的XRF光譜儀的配套檢測分析軟件平臺，包括以下步驟(1)收集待檢測的FP法校正所需標準樣本集；(2)用XRF光譜儀對FP法校正所需標準樣本集進行檢測，獲取實測強度信息，然后根據標準樣本已知的真實含量信息和實測強度信息，基于XRF光譜儀分析軟件配置的FP法計算模塊，采用遺傳算法對FP法輸入參數進行真值逼近校準；(3)收集待檢測的給定牌號庫牌號標準樣本集；(4)用XRF光譜儀對牌號標準樣本集進行檢測，并根據( 所得校準后的FP法計算參數調用FP法計算各牌號標準樣本的含量；(5)根據FP法計算所得的牌號標準樣本的計算含量，分別對每個標準樣本按照帶權重的基于領域偏移參數的模糊匹配度計算方法計算與給定牌號庫中每個牌號的匹配度， 最后根據匹配度得到實測牌號結果；(6)依照標準樣本已知的真實牌號，統計給定牌號庫所有牌號標準樣本的匹配正確率，以正確率為指標采用遺傳算法調整匹配度計算中的模糊匹配參數直至當前標準樣本集匹配結果逼近最優；(7)若給定牌號庫更換，比如英國標準牌號庫更換為美國標準牌號庫，且存在標準之間的牌號對照表，即不需要針對新牌號庫收集新的標準合金牌號樣本，則轉(5)；若給定牌號庫更換，且能夠收集到對應新牌號庫的合金標準樣本，則轉(3)；(8)若當前給定牌號庫合金牌號標準樣本集發生改變，比如有新的標準樣本添加， 則轉(3)，且針對新增樣本進行增量優化調整；(9)用XRF光譜儀對未知牌號的待測合金樣品進行檢測，基于已校準的FP法計算參數及已優化的匹配參數，采用FP法定量計算方法計算含量，采用步驟4)所述的帶權重的基于領域偏移參數的模糊匹配度計算方法計算匹配度，依照給定牌號庫鑒定合金牌號。
所述步驟O)中FP法參數的自適應性校準包括以下步驟①選定一組待校準的儀器檢測參數，該組參數皆為FP法計算時所需設定的儀器測量環境參數，也就是儀器本身的硬件物理參數或幾何因子；②將選定參數作為遺傳算法的個體進行編碼，并初始化產生初始群體；③根據FP法計算得出的標準樣本的計算含量值與真實含量值之間的關系，如下式所示，
權利要求
1.一種基于XRF光譜儀的合金牌號鑒定的智能方法，所述XRF光譜儀為波長色散或者能量色散類型的X射線熒光光譜儀，其特征在于，包括以下步驟(1)收集待檢測的FP法校正所需標準樣本集；(2)用XRF光譜儀對FP法校正所需標準樣本集進行檢測，獲取實測強度信息，然后根據標準樣本已知的真實含量信息和實測強度信息，基于XRF光譜儀分析軟件配置的FP法計算模塊，采用遺傳算法對FP法輸入參數進行真值逼近校準；(3)收集待檢測的給定牌號庫牌號標準樣本集；(4)用XRF光譜儀對牌號標準樣本集進行檢測，并根據( 所得校準后的FP法計算參數調用FP法計算各牌號標準樣本的含量；(5)根據FP法計算所得的牌號標準樣本的計算含量，分別對每個標準樣本按照帶權重的基于領域偏移參數的模糊匹配度計算方法計算與給定牌號庫中每個牌號的匹配度，最后根據匹配度得到實測牌號結果；(6)依照標準樣本已知的真實牌號，統計給定牌號庫所有牌號標準樣本的匹配正確率， 以正確率為指標采用遺傳算法調整匹配度計算中的模糊匹配參數直至當前標準樣本集匹配結果逼近最優；(7)若給定牌號庫更換，比如英國標準牌號庫更換為美國標準牌號庫，且存在標準之間的牌號對照表，即不需要針對新牌號庫收集新的標準合金牌號樣本，則轉(5)；若給定牌號庫更換，且能夠收集到對應新牌號庫的合金標準樣本，則轉(3)；(8)若當前給定牌號庫合金牌號標準樣本集發生改變，比如有新的標準樣本添加，則轉 (3)，且針對新增樣本進行增量優化調整；(9)用XRF光譜儀對未知牌號的待測合金樣品進行檢測，基于已校準的FP法計算參數及已優化的匹配參數，采用FP法定量計算方法計算含量，采用步驟4)所述的帶權重的基于領域偏移參數的模糊匹配度計算方法計算匹配度，依照給定牌號庫鑒定合金牌號。
2.根據權利要求1所述的基于XRF光譜儀的合金牌號鑒定的智能方法，其特征在于，所述步驟O)中FP法參數的自適應性校準包括以下步驟①選定一組待校準的儀器檢測參數，該組參數皆為FP法計算時所需設定的儀器測量環境參數，也就是儀器本身的硬件物理參數或幾何因子；②將選定參數作為遺傳算法的個體進行編碼，并初始化產生初始群體；③根據FP法計算得出的標準樣本的計算含量值與真實含量值之間的關系，如下式所示，
3.根據權利要求1或2所述的基于XRF光譜儀的合金牌號鑒定的智能方法，其特征在于，所述步驟(6)中匹配參數的自適應調整包括以下步驟①將匹配度計算中的鄰域偏移參數和權重系數作為遺傳算法的個體進行編碼，并初始化產生初始群體；②執行如權利要求1中所述的本發明方法步驟(5)，將所得的每個標準樣本的計算牌號與其已知的真實牌號對比，計算標準樣本集中所有樣本的匹配正確率，如下式，其中，η為標準樣本集的樣本個數
4.根據權利要求1-3中任一項所述的基于XRF光譜儀的合金牌號鑒定的智能方法，其特征在于所述帶權重的基于領域偏移參數的匹配度計算方法，匹配度采用模糊數學中的模糊隸屬度進行定義，包括以下步驟①獲取待測樣品的元素含量P；②依次計算待測樣品與牌號庫中標準牌號的匹配度a)獲取牌號X的一個元素的含量范圍D；b)使用領域偏移參數，獲取實際用于判定的元素含量范圍D’；c)計算待測樣品的對應元素含量P相對于鄰域范圍D’的模糊隸屬度d)獲取牌號下一個元素的含量范圍以及待測樣品對應含量，轉b)；全部元素匹配度計算完成，則轉e)e)根據所有元素的鄰域隸屬度計算整體匹配度③取匹配度最高的三個牌號作為結果輸出。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的基于XRF光譜儀的合金牌號鑒定的智能方法，其特征在于若當前給定牌號庫合金牌號標準樣本集發生改變，比如有新的標準樣本添加，則針對新增樣本按如下步驟進行增量優化調整①將新增標準樣本作為待測樣本，調用如權利要求1所屬的基于合金牌號鑒定的智能方法步驟(9)，使用已優化過的參數模型計算匹配度；②如果匹配正確，則退出，樣本入庫，繼續下一個樣本；③如果匹配出現不吻合，則選取匹配相關牌號對應標準樣本作為新的目標標準樣本集 (用于計算適應度)，轉如權利1所屬的步驟(3)，并且分階段將具體設計的演化過程按下述方式多次調用在每次迭代選擇待演化的參數時，逐步增加其變化范圍，如果達到演化終止條件，則查看終止方式，若是代數終止，則繼續進入下一段范圍的演化，直至終止條件；如果終止方式為個體收斂，即最優個體連續一段代數迭代中保持不變，且達到適應度要求，即達到某個正確率，則退出，保存參數，樣本入庫；④如果所有新增樣本已處理完畢，終止；否則，轉①。
全文摘要
本發明涉及智能計算和XRF光譜儀的PMI技術領域，尤其涉及一種基于XRF光譜儀合金牌號鑒定的智能方法。本發明解決現有XRF光譜儀合金牌號鑒別功能對同類儀器設備個體性差異以及新增標準樣本變化的自適應性調節能力不足的問題。本發明利用模糊隸屬度函數制定匹配計算方法來解決由于XRF光譜儀本身的軟硬件因素產生的不確定性問題；同時，為提高合金牌號匹配準確度及其普適的穩定性，還利用遺傳算法從自適應校準檢測參數和自適應調整匹配參數兩方面來優化計算結果，從而使得特定儀器在檢測物品以及進行合金牌號鑒定時具備更強的自適應性能力。
文檔編號G01N23/223GK102207474SQ20111006871
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者余法紅, 曾輝, 李元香, 王玲玲, 黃治國, 龍瀟 申請人:武漢大學