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专利号: 2025104644701
申请人: 韩山师范学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-04-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于模型参数的微生物数据可视化图表生成系统,其特征在于,包括:主成分参数获取模块,用于获取微生物培养的历史实验数据,使用PCA方法对所述历史实验数据进行降维,得到降维实验数据;所述历史实验数据包括历史实验参数和统计微生物量;所述降维实验数据包括主成分参数和统计微生物数量,所述主成分参数包括培养环境参数、微生物特性参数和培养过程参数;

对比数据可视化模块,用于通过加权LSTM模型对所述降维实验数据进行建模,得到预训练加权LSTM模型,记录测试集产生的测试微生物量,并与所述统计微生物量进行对比,生成对比可视化图像;LSTM模块,包含三个LSTM子模块,分别用于处理培养环境参数、微生物特性参数和培养过程参数;LSTM模块的三个LSTM子模块分别输出 、 和 ,这些输出可以表示为:;

其中 表示LSTM子模块, 表示培养环境参数, 表示微生物特性参数,表示培养过程参数, 、 和 分别表示LSTM子模块的权重和偏置;

误差可视化模块,用于记录初始微生物数量,每隔第一时间间隔进行一次微生物数量预测和微生物数量采集,得到预测微生物量和实时微生物量并计算两者之间的实时误差率,生成误差可视化图像;

异常检测模块,用于判断所述实时误差率与误差阈值之间的关系,若所述实时误差率大于误差阈值,标记所述实时误差率的计算时间为异常点,并将所述异常点在所述误差可视化图像中标记;

异常数据可视化模块,用于获取异常点处的异常实验参数,通过局部异常因子算法计算所述异常实验参数的各分量的LOF值,获取异常实验参数的关键异常分量,并输出关键异常分量的可视化图像;获取异常实验参数的异常分量包括:获取异常实验参数,合并所述历史实验参数和所述异常实验参数为完整数据集;采用KNN密度估计计算所述完整数据集每个参数分量的LOF值,确定各参数分量的局部异常程度;设置异常阈值,筛选出LOF值大于所述异常阈值的异常分量,构造异常分量集合;分析所述异常分量集合,找到导致实验数据异常的关键异常分量;每个参数分量的LOF值的计算公式可以表示为:;

其中, 表示参数分量的LOF值,表示KNN算法的最临近点的个数, 表示点 的个近邻点, 表示点 局部可达密度。

2.根据权利要求1所述的基于模型参数的微生物数据可视化图表生成系统,其特征在于,使用PCA方法对所述历史实验数据进行降维包括:对所述历史实验数据的历史实验参数进行缺失值填充、异常值去除和标准化处理,得到标准化实验参数;

计算所述标准化实验参数的协方差矩阵,求解协方差矩阵的特征值和对应的特征向量,获取主成分变化方向;

根据累积方差贡献率选择主成分空间个数,并将所述标准化实验参数投影到选定的主成分空间,得到主成分参数。

3.根据权利要求1所述的基于模型参数的微生物数据可视化图表生成系统,其特征在于,所述加权LSTM模型包括:数据预处理模块,用于清洗和标准化输入数据;

权重分配模块,用于为每个LSTM子模块的输出分配权重;

加权融合模块:将不同LSTM子模块的输出加权求和,得到加权隐藏状态;

输出模块,用于对加权隐藏状态进行预测,输出预测微生物量;

所述加权隐藏状态计算公式为:

其中, 表示加权隐藏状态, 表示环境隐藏状态, 表示特性隐藏状态,表示过程隐藏状态, 表示环境权重系数, 表示特性权重系数, 表示过程权重系数。

4.基于模型参数的微生物数据可视化图表生成方法,其特征在于,包括:获取微生物培养的历史实验数据,使用PCA方法对所述历史实验数据进行降维,得到降维实验数据;所述历史实验数据包括历史实验参数和统计微生物量;所述降维实验数据包括主成分参数和统计微生物数量,所述主成分参数包括培养环境参数、微生物特性参数和培养过程参数;

通过加权LSTM模型对所述降维实验数据进行建模,得到预训练加权LSTM模型,记录测试集产生的测试微生物量,并与所述统计微生物量进行对比,生成对比可视化图像;LSTM模块,包含三个LSTM子模块,分别用于处理培养环境参数、微生物特性参数和培养过程参数;

LSTM模块的三个LSTM子模块分别输出 、 和 ,这些输出可以表示为:;

其中 表示LSTM子模块, 表示培养环境参数, 表示微生物特性参数,表示培养过程参数, 、 和 分别表示LSTM子模块的权重和偏置;

记录初始微生物数量,每隔第一时间间隔进行一次微生物数量预测和微生物数量采集,得到预测微生物量和实时微生物量并计算两者之间的实时误差率,生成误差可视化图像;

判断所述实时误差率与误差阈值之间的关系,若所述实时误差率大于误差阈值,标记所述实时误差率的计算时间为异常点,并将所述异常点在所述误差可视化图像中标记;

获取异常点处的异常实验参数,通过局部异常因子算法计算所述异常实验参数的各分量的LOF值,获取异常实验参数的关键异常分量,并输出关键异常分量的可视化图像;获取异常实验参数的异常分量包括:获取异常实验参数,合并所述历史实验参数和所述异常实验参数为完整数据集;采用KNN密度估计计算所述完整数据集每个参数分量的LOF值,确定各参数分量的局部异常程度;设置异常阈值,筛选出LOF值大于所述异常阈值的异常分量,构造异常分量集合;分析所述异常分量集合,找到导致实验数据异常的关键异常分量;每个参数分量的LOF值的计算公式可以表示为:;

其中, 表示参数分量的LOF值,表示KNN算法的最临近点的个数, 表示点 的个近邻点, 表示点 局部可达密度。

5.根据权利要求4所述的基于模型参数的微生物数据可视化图表生成方法,其特征在于,使用PCA方法对所述历史实验数据进行降维包括:对所述历史实验数据的历史实验参数进行缺失值填充、异常值去除和标准化处理,得到标准化实验参数;

计算所述标准化实验参数的协方差矩阵,求解协方差矩阵的特征值和对应的特征向量,获取主成分变化方向;

根据累积方差贡献率选择主成分空间个数,并将所述标准化实验参数投影到选定的主成分空间,得到主成分参数。

6.根据权利要求4所述的基于模型参数的微生物数据可视化图表生成方法,其特征在于,所述加权LSTM模型包括:数据预处理模块,用于清洗和标准化输入数据;

LSTM模块,包含三个LSTM子模块,分别用于处理培养环境参数、微生物特性参数和培养过程参数;

权重分配模块,用于为每个LSTM子模块的输出分配权重;

加权融合模块:将不同LSTM子模块的输出加权求和,得到加权隐藏状态;

输出模块,用于对加权隐藏状态进行预测,输出预测微生物量;

所述加权隐藏状态计算公式为:

其中, 表示加权隐藏状态, 表示环境隐藏状态, 表示特性隐藏状态,表示过程隐藏状态, 表示环境权重系数, 表示特性权重系数, 表示过程权重系数。