基于人工智能及大数据技术对中药饮片生产质量管控的研究

发布时间：2020-04-17 21:36

【摘要】：中药炮制是依据中医药理论,按照辨证论治的用药需求、不同药材的自身特质以及制剂、调剂的不同要求而采取的特殊制药技术过程。中药材经过炮制加工形成中药饮片。中药饮片是中医临床治病的处方药,是中成药以及相关中药深加工产品的原料药,所以饮片质量的好坏将直接影响到下游衍生产品的品质。中药饮片的炮制过程是影响饮片质量的重要环节之一,对炮制质量的有效控制将对整个中医药产业链的良性循环发展起到至关重要的作用。目前,规范炮制工艺和检测产品质量是控制炮制质量的两种重要手段。对于工艺控制,国家强化了中药饮片企业的GMP管理,要求中药饮片必须按照国家药品标准或地方食品药品监督管理部门制定的规范进行炮制生产。但是,现今多数中药饮片企业仍然存在“图效率”、“图省事”的生产习惯,并且缺乏持之以恒的监管,加之很多企业技术力量薄弱、人员素质普遍不高,一些企业即使通过了 GMP认证之后,仍然回归到原有的习惯性生产模式,造成饮片质量难以把控。对于质量检验控制,传统的性状检验依然是鉴别饮片质量的主要方法之一。然而,由于性状检验大多依赖药师的主观经验性判断,缺乏客观的衡量指标,致使饮片的检测质量与实际质量存在较大的误差。基于上述问题,本文主要针对中药饮片生产管控技术以及饮片性状客观化检验手段进行研究,以期实现中药饮片生产的信息化管理和饮片质量的智能化检测,构建中药饮片生产质量智能管控系统。本文在对传统生产执行系统功能模块分析解构的基础上,利用微软公司的.Net软件开发平台,搭建了专属于饮片炮制生产的中药饮片生产执行系统。中药饮片生产执行系统选用C#语言进行编写,整体框架上采用经典的“数据库访问层-业务逻辑层-界面层”三层架构。其中,运用Entity Framework(EF)框架结合Microsoft SQL Server数据库搭建数据库访问层,运用Model View Controller(MVC)框架构建系统界面层,通过Windows Communication Foundation(WCF)技术实现界面层与业务逻辑层之间的分布式访问。中药饮片生产执行系统主要包含权限管理、名称规范、饮片炮制SOP流程模板、任务单管理和工区操作5大功能模块,整个系统的特点在于以一种固定文本方式强制规范了炮制生产的具体流程,使得饮片生产必须按照既定步骤完成,避免了在生产过程中因人为的随意性操作可能导致的饮片质量问题。并且不同饮片可以按照不同的规范要求对流程进行个性化设置。此系统运用信息化管理技术,对中药饮片炮制的全流程进行精细化的管理,对每一个生产步骤进行细化要求,对每一步生产操作进行详细记录,对每一批中间产品进行抽样检验,从规范饮片炮制工艺流程方面保证了饮片产品的质量稳定。在中药饮片生产执行信息化技术研究以外,本文对工业自动化技术包括可编程逻辑控制器(PLC)、组态技术进行了理论研究,从机械控制角度对生产执行系统进行了理论技术补充,并对饮片生产自动化的整体方案进行了系统设计。从提升炮制设备技术含量、降低劳动力成本、增强设备实时监控能力、提高生产数据收集效率等方面,完善中药饮片生产执行系统的整体性自动化需求。在对中药饮片炮制工艺信息化管控的研究基础上,本文以“辨状论质”理论为基础,在饮片外观质量检测方面对计算机视觉技术进行开创性研究,建立中药饮片质量计算机视觉分析子模块。视觉分析子模块利用开源的OpenCV计算机视觉库,结合.Net平台,对中药饮片图像进行采集、处理和深入剖析。本文以大黄饮片为例对视觉质量分析进行了试验性探讨,视觉检测设计主要通过四个步骤完成。首先运用斑点检测法通过对饮片表面斑痕的检验对饮片进行初步筛选。然后利用轮廓检测和凸包检测法对饮片进行面积计算,从片型大小角度对饮片进行质量等级判别。接着通过最小包围矩形面积和凸缺陷检测法对异形饮片进行鉴别排除。最后综合运用分水岭算法、颜色直方图以及机器学习方法对饮片表面颜色进行等级判定。通过以上流程处理,最终完成对大黄饮片的计算机视觉分析检测。此检测模式适合运用于大部分根茎类饮片,部分方法可迁移至花、叶、果实、种子类饮片的质量检测中。中药饮片质量计算机视觉分析子模块通过先进的人工智能手段,实现对饮片的绿色、无损、准确、快速的质量判别,弥补了中药饮片传统性状检测客观性上的不足,强化了饮片性状检测的科学属性,为中药饮片生产实时在线检测提供可行的方案。研究的同时,也尝试利用人工智能机器学习方法,结合近红外光谱分析对中药饮片质量鉴别进行了探讨。此外,本研究对BI智能数据分析技术进行了探讨,设计了饮片企业生产决策支持子模块。生产决策支持模块的构建主要包括数据整合、数据分析与数据可视化三个步骤。本研究通过Pentaho平台进行具体模块搭建。使用Kettle技术进行数据整合,将饮片企业各业务系统数据进行清洗加工形成数据仓库。利用Saiku工具结合联机分析相关处理方法实现对数据的钻取、旋转、切片、切块操作,完成数据分析。最后通过报表工具将企业生产运营关键数据通过图表方式进行展现,实现数据的可视化。BI智能数据分析技术运用到中药饮片企业中,主要的目的在于利用其自动的数据整合更新以及直观的数据展现技术,为企业管理人员提供快速、清晰的生产运营信息,包括产供销、人财物、产品质量、运营风险等各个方面,让管理者可以准确的了解企业生产运转状况,并且根据客观数据及时调整生产运营方案。此外,本研究考虑企业未来发展对大数据技术的需求,结合运用了 Hadoop技术,使得传统BI技术拥有了大数据分析能力。利用Hadoop对非结构化数据处理的优势,本研究尝试对中药饮片网络销售数据进行分析,可对中药饮片质量状况和市场需求进行预测,以辅助信息的方式提示企业管理者对饮片生产质量进行追溯和反思、对生产计划安排进行研究和调整。中药饮片企业生产决策支持模块利用人工智能和大数据技术对企业生产运营相关情况进行数据分析和展示,以提供价值信息的方式辅助管理者进行生产运营决策,用智能化技术提升了中药饮片企业的管理水平。通过上述系列研究,构建了由中药饮片生产执行模块、饮片质量计算机视觉分析模块、企业生产决策支持模块组成的中药饮片生产质量智能管控系统。该系统以保证和提升中药饮片炮制生产质量为核心目的,运用了前沿的人工智能和大数据相关技术,规范了饮片生产炮制流程,提高了饮片外观质量检测水准,为全面提升中药饮片生产质量、提高饮片企业生产效率、增强企业市场竞争力提供了技术支持,为下一步行业技术推广奠定了基础。
【图文】：

示意图,系统控制,流程,示意图

片ＭＥＳ系统可以通过信息化的方式规范饮片生产流程，很大程度上避变动步骤或跳跃步骤的问题，并且每个工序都详细记录了操作方法，明规范的完成生产，另外每个工序结束都要完成质量检测，如此一步上最大程度的保证生产质量，最终形成符合质量标准的饮片产品。逡逑饮片ＭＥＳ系统框架设计逡逑片ＭＥＳ系统采用浏览器／服务器（Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ，Ｂ／Ｓ）模式进行设计３层，从低到高分别为数据库访问层、业务逻辑层和界面层，层与层之。在数据库访问层中，我们设计使用Ｅｎｔｉｔｙ邋Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ邋（ＥＦ）实体框架象的数据库访问工具，可以帮助程序员通过简单的操作和代码对数据据库内容进行增删改查，并且ＥＦ框架可兼容多种数据库连接，使得整载体的选择更加灵活［６］。在界面层中，我们设计使用ＭＶＣ框架，它是Ｖｉｅｗ邋（视图）、Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ邋（控制器）三个主要单元构成，ＭＶＣ框架是现最广泛的界面层实现工具，其拥有清楚的开发架构和明确的对象分工，更加方便ｍ。最后，根据系统分布式部署的需要，在界面层与业务逻辑用Ｗｉｎｄｏｗｓ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ邋（ＷＣＦ）框架加入了服务层，服

实体,框架,实体数据模型,代码

实体数据模型”，选择“空ＥＦ设计器模型”，此时项目中会生产一个后缀为“．ｅｄｍｘ”的文逡逑件，其实质即为一个实体数据模型设计器。然后，，可以对模型设计器进行“新增实体”操逡逑作，添加需要的实体数据模型（如图２－３所示），并且可以给新增的实体增加标量属性，设逡逑置实体与实体之间的关联。在实体模型设计完成之后，便是“根据模型生产数据库”，此逡逑时ＥＦ框架会根据实体数据模型以及关联的数据库自动生成数据库脚本（如图２－４所示），逡逑通过执行脚本，就可以生成需要的数据库文件。至此就完成了数据库表与实体模型的映射，逡逑接下来便可以对数据库进行相应增、删、改、查操作。图２－５为利用ＥＦ框架的数据上下逡逑文实例，对数据库中相关联的Ｃｕｓｔｏｍｅｒ表和Ｏｒｄｅｒ表进行数据插入的示例代码。从代码中逡逑我们可以看出，数据库的插入数据操作类似于将新增的Ｃｕｓｔｏｍｅｒ和Ｏｒｄｅｒ两个类的实例，逡逑直接通过一个封装好的Ａｄｄ方法保存到数据库中，代码非常简洁易用，而代码背后的具体逡逑操作，ＥＦ框架为我们自动完成，避免了程序中出现繁杂的ＳＱＬ语句，也降低了代码修改逡逑２３逡逑
【学位授予单位】：南京中医药大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R288

【参考文献】