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化学机器视觉技术在中药智能制造中的应用
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陕西师范大学 李剑超
摘要：化学机器视觉（ChV）技术是一种利用卷积光谱和机器视觉物质建模来实现物质转化过程高维智能控制的新型技术。该技术可以广泛应用于中药制造领域的各个环节，如中药材炮制、中药饮片提取、中药成品制备，以及中药加工过程、反应中间物料的智能控制，中药质量的智能监测，高频次智能监测，以及工艺条件智能控制等。本文介绍了该技术的原理、特点、优势和应用实例，展示了其在提高生产效率、降低成本、提升品质、保障安全等方面的巨大潜力。
关键词：化学机器视觉；机器视觉物质建模；中药制造；质量监测；智能控制
1. 引言
中药制造是指以中药材为主要原料，经过炮制、粉碎、提取、纯化、浓缩、干燥等物理或化学方法，生产出符合质量要求的饮片或成品的工业。中药制造是我国传统医药的重要组成部分，也是我国医疗保健和出口创汇的重要产业之一。随着国内外市场需求的增长，质量标准的提高，以及新技术、新设备、新工艺的不断涌现，中药制造行业面临着转型升级的迫切需求。
传统的中药制造生产过程通常依赖于人工或仪表对原料、中间产品和最终产品进行定性或定量分析，以及对生产设备和环境参数进行监测和控制。这种方式存在以下几个问题：
（1）分析方法复杂，耗时耗力，难以实现在线或实时监测；
（2）仪表设备昂贵，维护困难，易受干扰或失效；
（3）人为因素导致分析结果不准确或不一致，影响生产质量和效率；
（4）数据信息孤岛，难以实现数据共享和利用，影响决策效果。
为了解决这些问题，提高中药制造生产过程的数字化、智能化水平，需要引入新型的感知和控制技术。其中，一种具有广阔应用前景的技术是化学机器视觉技术。
2. 化学机器视觉技术概述
化学机器视觉技术是一种利用卷积光谱成像和机器视觉物质建模来实现物质转化过程高维智能控制的新型技术。该技术自主研发，并已获得多项国家专利和软件著作权。该技术的原理、特点、优势和应用实例如下：
（1）原理
化学机器视觉技术的核心是卷积光谱成像和机器视觉物质建模。该技术首创了高维并行光场的高通量器件模式和连续谱化学扰动的新型大数据信息生产手段，建立了客观世界到人工智能的大数据新通道。卷积光谱成像是一种将光谱信息和空间信息同时记录的成像技术，可以获得物质的化学组成和形态结构。卷积光谱成像可以利用不同的光源和探测器，覆盖从紫外到红外的广泛光谱范围，适用于各种类型的物质分析。
机器视觉物质建模是一种利用机器学习算法对卷积光谱成像数据进行处理和分析的技术，可以实现物质的识别、分类、定量、预测等功能。机器视觉物质建模可以利用不同的机器学习方法，如支持向量机、人工神经网络、深度学习等，根据不同的应用需求，构建不同的物质模型。机器视觉物质建模可以利用云计算平台，实现大规模的数据存储、处理和共享，提高计算效率和智能水平。
ChV技术将卷积光谱成像和机器视觉物质建模相结合，形成了一种效应卷积映射模式，即利用高通量组合化学扰动将难于分别定量测定的指标分量变换到高维空间，然后通过深度学习实现解卷积获得目标指标组。该技术通过两个主要的信号调制技术路径来实现：一是二维光场调制，即利用组合滤光片构建二维平行光场，在短光程里将不同光源之间的差异性通过定量补偿的方法得到精确校正；二是高通量组合化学扰动，即利用特殊设计的化学反应池或反应器，在不同波长下对物质进行不同程度的化学扰动，产生不同的光谱响应。
（2）特点
化学机器视觉技术具有以下几个特点：
①高效：化学机器视觉技术可以实现对物质的快速、准确、无损、无污染的分析，大大提高了分析效率和效果；
②高维：化学机器视觉技术可以实现对物质的多维度、多层次、多尺度的分析，大大拓展了分析范围和深度；
③高通量：化学机器视觉技术可以实现对物质的高通量、高密度、高频次的分析，大大增加了分析数据和信息；
④高智能：化学机器视觉技术可以实现对物质的智能识别、智能分类、智能定量、智能预测等功能，大大提升了分析智能和价值。
（3）优势
化学机器视觉技术相比于传统的感知和控制技术具有以下几个优势：
①低成本：化学机器视觉技术采用了创新性的卷积光谱成像和云端算法，降低了硬件设备和软件服务的成本；
②低干扰：化学机器视觉技术采用了非接触式的感知方式，避免了对物质和环境的干扰或破坏；
③低依赖：化学机器视觉技术采用了自主研发的核心技术和知识产权，摆脱了对国外高端设备和技术的依赖；
④低风险：化学机器视觉技术采用了智能化的控制方式，减少了人为因素导致的误差。
⑤高效益：化学机器视觉技术可以实现对中药制造生产过程的全面优化和智能控制，提高生产效率、降低成本、提升品质、保障安全等方面的巨大效益。
3、ChV技术应用
化学机器视觉技术可以广泛应用于中药制造领域的各个环节，如中药材炮制、中药饮片提取、中药成品制备，以及中药加工过程、反应中间物料的智能控制，中药质量的智能监测，高频次智能监测，以及工艺条件智能控制等。以下是一些具体的应用实例：
①中药材炮制：化学机器视觉技术可以对中药材进行在线实时分析，获取其含水率、有效成分、杂质含量等参数，以及其形态特征和内在结构。根据这些信息，可以对中药材的炮制条件进行智能调节，如温度、时间、方法等，以提高炮制效果和品质。同时，可以对中药材的安全状况进行实时监测，如霉变、虫蛀、污染等风险，以及时采取预防和处理措施。
②中药饮片提取：化学机器视觉技术可以对中药饮片进行在线实时分析，获取其有效成分、纯度、稳定性等参数，以及其物理化学性质和功能特征。根据这些信息，可以对中药饮片的提取工艺进行智能控制，如溶剂选择、提取温度、提取时间等，以提高提取效率和收率。同时，可以对中药饮片的质量进行实时监测，如合格率、不合格原因等，以及时采取改进和处理措施。
③中药成品制备：化学机器视觉技术可以对中药成品进行在线实时分析，获取其有效成分、含量、均匀性等参数，以及其剂型特征和释放特性。根据这些信息，可以对中药成品的制备工艺进行智能控制，如配方设计、混合均匀、干燥粉碎等，以提高制备效果和品质。同时，可以对中药成品的稳定性进行实时监测，如保存条件、有效期限等，以及时采取保护和更新措施。
④中药加工过程：化学机器视觉技术可以对中药加工过程中的各种反应器进行在线实时分析，获取其反应物和产物的组成和性质。根据这些信息，可以对中药加工过程中的各种操作进行智能控制，如加料速度、搅拌强度、催化剂选择等，以提高反应效率和选择性。同时，可以对中药加工过程中的各种异常情况进行实时监测，如反应失控、设备故障、能源消耗等，以及时采取调整和优化措施。
⑤反应中间物料：化学机器视觉技术可以对反应中间物料进行在线实时分析，获取其纯度、结晶度、颗粒度等参数，以及其结构和功能特征。根据这些信息，可以对反应中间物料的分离和提纯工艺进行智能控制，如过滤方式、结晶条件、萃取剂量等，以提高分离和提纯效果和回收率。同时，可以对反应中间物料的质量进行实时监测，如合格率、不合格原因等，以及时采取改进和处理措施。
⑥中药质量的智能监测：化学机器视觉技术可以对中药的各个质量指标进行在线实时分析，获取其符合度、偏差度、一致性等参数，以及其与质量标准的对比结果。根据这些信息，可以对中药的质量进行智能评价，如优良率、合格率、不合格率等，以及给出相应的评价意见和改进建议。同时，可以对中药的质量进行智能追溯，如原料来源、生产过程、存储条件等，以及给出相应的追溯报告和责任划分。
⑦高频次智能监测：化学机器视觉技术可以对中药制造生产过程中的各种关键点进行高频次智能监测，获取其实时变化的数据和信息。根据这些数据和信息，可以对中药制造生产过程中的各种动态特性进行智能分析，如趋势预测、异常诊断、故障预警等，以提高生产稳定性和安全性。同时，可以对中药制造生产过程中的各种历史数据进行智能挖掘，如规律发现、模式识别、知识提取等，以提高生产智慧和创新性。
⑧工艺条件智能控制：化学机器视觉技术可以对中药制造生产过程中的各种工艺条件进行智能控制，获取其最优或最适的参数值。根据这些参数值，可以对中药制造生产过程中的各种设备和系统进行智能调节。
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