香梨脆度的力聲同步檢測(cè)

張金閣，周 婷，王 鵬，吳 杰,2

香梨脆度的力聲同步檢測(cè)

張金閣1，周 婷1，王 鵬1，吳 杰1,2※

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000；2. 綠洲特色經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化教育部工程研究中心，石河子 832003）

為了實(shí)現(xiàn)香梨脆度接近觸聽感官的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，該研究采用質(zhì)構(gòu)儀和聲音包絡(luò)檢波器（Acoustic Envelop Detector，AED）相結(jié)合同步采集香梨穿刺的力聲信號(hào)，然后用峰值法從力聲曲線中分別提取15個(gè)力學(xué)參數(shù)和6個(gè)聲學(xué)參數(shù)，在對(duì)各參數(shù)自相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，選取12個(gè)力學(xué)參數(shù)和4個(gè)聲學(xué)參數(shù)應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）和支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）兩種算法分別基于力學(xué)參數(shù)、聲學(xué)參數(shù)和力聲參數(shù)融合構(gòu)建不同香梨果肉脆度分類模型，并比較各模型分類性能。研究結(jié)果表明，無(wú)論SVM模型還是ANN模型，力聲學(xué)參數(shù)融合所構(gòu)建的模型比單獨(dú)使用任一種參數(shù)所構(gòu)建的模型能更準(zhǔn)確進(jìn)行香梨脆度分類，ANN模型采用三層隱藏層每層14個(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，脆度分類準(zhǔn)確率較高，為96.1%；采用二次核函數(shù)構(gòu)建SVM模型的分類準(zhǔn)確率較高，為93.8%。兩種分類模型對(duì)不同脆度香梨具有基本相同的分類能力，均可滿足對(duì)不同脆度香梨準(zhǔn)確分類的要求，可為香梨及其他濕脆性果蔬脆度分類檢測(cè)提供參考。

機(jī)器學(xué)習(xí)；模型；庫(kù)爾勒香梨；脆度；力聲測(cè)量

0 引 言

庫(kù)爾勒香梨是新疆特色梨果，其“酥脆”品質(zhì)是香梨產(chǎn)業(yè)對(duì)外宣傳的亮點(diǎn)[1]。隨著香梨種植面積不斷擴(kuò)大，產(chǎn)地、水土、溫度、光照等方面不同導(dǎo)致香梨品質(zhì)產(chǎn)生較大差異[2]，而脆度差異是當(dāng)前消費(fèi)者主要反映的品質(zhì)差異。在庫(kù)爾勒香梨標(biāo)準(zhǔn)里，只對(duì)硬度、可溶性固形物品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)[3-5]，脆度不能簡(jiǎn)單等同于硬度，它是人在咀嚼果肉過程中產(chǎn)生的力和聲行為的觸聽綜合感知[6]，既難以明確語(yǔ)義表述，又難以準(zhǔn)確測(cè)量，因此需要對(duì)香梨果肉脆度進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)研究，這對(duì)實(shí)現(xiàn)更接近消費(fèi)者口感的香梨內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)具有重要意義。

到目前為止，脆度主要是依靠感官評(píng)估專家或訓(xùn)練有素的感官評(píng)價(jià)員進(jìn)行感官測(cè)試[7-9]，在這種評(píng)價(jià)過程中，感官測(cè)試人員易疲勞且效率低下。為了克服感官測(cè)試的這些缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者探索采用儀器測(cè)試并評(píng)價(jià)食品脆度，有研究采用穿刺的力學(xué)測(cè)試方法模擬門齒咬食物的過程測(cè)量果蔬類食品的脆度[10]，也有研究采用壓電傳感器與力學(xué)測(cè)量探頭結(jié)合采集穿刺破裂產(chǎn)生的信號(hào)，對(duì)柿子[11]、包菜[12]、蘋果[13]和葡萄[14]脆度檢測(cè)，但這一檢測(cè)方法的壓電傳感器是以接觸式采集聲學(xué)信號(hào)，難以實(shí)現(xiàn)力聲信號(hào)同步測(cè)量，并且測(cè)量結(jié)果易受到探頭類型和穿刺速度的影響[15]。近年來(lái)，質(zhì)構(gòu)儀實(shí)現(xiàn)了與非接觸方式的聲音包絡(luò)檢波器（Acoustic Envelop Detector，AED）力聲同步測(cè)量，已有研究用于如薯片[16-17]、葡萄[18]、蘋果[19-21]等脆度測(cè)量，這為本研究準(zhǔn)確檢測(cè)香梨果肉脆度提供了重要參考。

機(jī)器學(xué)習(xí)廣泛用于果蔬品質(zhì)分類檢測(cè)，在各種算法中，支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）在解決脆度分類檢測(cè)有較強(qiáng)適用性[16]，其中SVM選擇合適的核函數(shù)構(gòu)造模型可以取得很好分類效果，對(duì)小樣本和高維數(shù)據(jù)情況下的分類問題都適用，還可以解決分類時(shí)的非線性問題；ANN構(gòu)造合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在解決分類問題時(shí)具有較強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)能力[22]。

因此，本研究采用質(zhì)構(gòu)儀結(jié)合聲音包絡(luò)檢波器（AED）同步采集香梨果肉破碎力聲信號(hào)并提取特征參數(shù)，然后采用SVM和ANN兩種算法基于不同力聲學(xué)參數(shù)分別構(gòu)建模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同脆度的香梨準(zhǔn)確分類。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

庫(kù)爾勒香梨（以下簡(jiǎn)稱香梨）試樣于2019年9月采自新疆庫(kù)爾勒沙依東園藝場(chǎng)（41.725°N，86.174°E），剔除畸形、損傷、病害果及突頂果，香梨基本物性參數(shù)見表1。采后在?2～0 ℃及相對(duì)濕度85%～95%環(huán)境冷藏，待測(cè)試樣需在室溫（25±1）℃條件回溫24 h。

表1 庫(kù)爾勒香梨試樣的基本物性參數(shù)

挑選出250個(gè)香梨貯藏在溫度為（26±2）℃，相對(duì)濕度20%的條件下，貯藏時(shí)間分別為0，10，20，30和40 d。試樣制樣方法如圖1所示，將梗端和萼端切除保留中間，采用直徑15 mm的取樣器從香梨赤道部位提取果肉柱樣，避免接近果皮和果仁，然后采用一自制切樣裝置切取10 mm高度柱樣，確保上下兩切面平齊。每個(gè)香梨取4～6個(gè)測(cè)試柱樣。分別提取梗端和萼端的果肉進(jìn)行含水率和可溶性固形物含量的測(cè)量。

1.2 香梨果肉可溶性固形物含量與含水率測(cè)定

采用PR-101型手持式糖度計(jì)（日本ATAGO公司）測(cè)量香梨果肉的可溶性固形物含量，采用電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)（上海一恒科學(xué)儀器有限公司，功率1 550 W）對(duì)香梨果肉干燥24 h，電子天平（上海卓精電子科技有限公司，精確度0.000 1 g）對(duì)干燥前后的香梨果肉稱量，然后計(jì)算確定香梨果肉含水率。

1.3 力聲同步測(cè)試

為了獲得香梨破碎時(shí)的力學(xué)和聲學(xué)兩種信息，使用配有聲音包絡(luò)檢波器（AED）的TA.XTplus質(zhì)構(gòu)儀（英國(guó)Stable Micro System公司）對(duì)香梨試樣進(jìn)行力聲同步穿刺測(cè)試（如圖2所示）。測(cè)試時(shí)，采4 mm圓柱探頭穿刺果肉，為了避免電機(jī)慣性的影響，穿刺前和穿刺中速度均為2 mm/s，穿刺后速度為10 mm/s，穿刺深度為8 mm，初始觸發(fā)力為0.049 N，用50 kg壓力傳感器記錄力學(xué)信號(hào)，數(shù)據(jù)采樣頻率為500 Hz。

聲學(xué)信號(hào)采集的AED由4188型麥克風(fēng)（丹麥B&K公司）、2671型前置放大器（丹麥 B&K公司）和信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)（英國(guó) Stable Micro System公司）組成，頻響范圍為3 125～12 000 Hz。為了便于聲學(xué)信號(hào)采集，麥克風(fēng)水平放置，距圓柱探頭軸線2 cm處且位于香梨試樣中高位置。采用4231型聲音校準(zhǔn)器（丹麥B&K公司）對(duì)麥克風(fēng)進(jìn)行兩次校準(zhǔn)，第一次將聲音校準(zhǔn)器設(shè)置為114 dB下校準(zhǔn)，第二次在94 dB下進(jìn)行校準(zhǔn)。AED的包絡(luò)增益設(shè)為2，以增加系統(tǒng)對(duì)聲音采集的靈敏度，聲學(xué)信號(hào)與力學(xué)信號(hào)的采集頻率保持一致。聲學(xué)信號(hào)的采集和力學(xué)信號(hào)的采集均由Exponent軟件（英國(guó) Stable Micro System公司）同時(shí)進(jìn)行采集，質(zhì)構(gòu)儀中的力傳感器進(jìn)行采集力學(xué)信號(hào)時(shí)，同時(shí)麥克風(fēng)開始對(duì)試樣破碎的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行采集。

1.4 力學(xué)和聲學(xué)特征參數(shù)的提取

力學(xué)及聲學(xué)的變形曲線如圖3所示。采用Texture Exponent Exceed軟件（英國(guó)Stable Micro System公司），參考文獻(xiàn)[9,20,23-24]，從力學(xué)曲線中提取15個(gè)參數(shù)（圖4a所示），從聲學(xué)曲線中提取6個(gè)參數(shù)（圖4b所示），具體見表2。

表2 力學(xué)和聲學(xué)特征參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 自相關(guān)分析

總共提取16個(gè)力學(xué)參數(shù)和5個(gè)聲學(xué)參數(shù)，對(duì)力學(xué)和聲學(xué)特征參數(shù)進(jìn)行自相關(guān)分析，觀察各參數(shù)之間是否具有較高的線性相關(guān)性，判斷是否有較多冗余信息。

2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)算法

總共有1 189個(gè)數(shù)據(jù)可供分類算法訓(xùn)練和測(cè)試，在進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法之前，為了避免數(shù)據(jù)受度量單位影響，采用Min-max標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用支持向量機(jī)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種常用算法分別構(gòu)建香梨果肉脆度分類模型，構(gòu)建過程如圖5所示。

對(duì)于SVM模型，采用一對(duì)一的方法構(gòu)建，包含10個(gè)子模型。預(yù)研究可知，模型采用二次核函數(shù)可得到穩(wěn)定可靠和較高準(zhǔn)確率的模型，采用10折交叉驗(yàn)證的方法對(duì)SVM優(yōu)化[25-26]。采用70%的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，30%的樣本進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于ANN模型，預(yù)研究可知隱藏層14個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的ANN模型準(zhǔn)確率較高。模型激活函數(shù)采用雙曲正切S型傳遞函數(shù)，輸出層采用指數(shù)傳遞函數(shù)。為了能夠增加模型穩(wěn)定性，提高運(yùn)算速度和精度，最大迭代次數(shù)設(shè)為1 000次，目標(biāo)誤差設(shè)為0.000 001。訓(xùn)練采用量化連接梯度訓(xùn)練函數(shù)，前饋計(jì)算使用70%的樣本進(jìn)行反向傳播訓(xùn)練，15%的樣本進(jìn)行驗(yàn)證，15%的樣本進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果與分析

3.1 可溶性固形物含量和含水率隨香梨貯藏時(shí)間的變化

常溫貯藏時(shí)，香梨會(huì)從青熟向后熟發(fā)展。如圖6所示，香梨果肉可溶性固形物和含水率隨貯藏時(shí)間分別逐漸增大和減小。香梨果肉含水率減少，細(xì)胞膨壓隨之降低，致使細(xì)胞對(duì)細(xì)胞壁壓力降低。香梨可溶性固形物含量增大，則是因?yàn)樵诙嗑郯肴樘侨┧崦概c纖維素酶共同參與下，使香梨果肉薄壁細(xì)胞中膠層的果膠物質(zhì)和纖維素逐漸水解[27]，果肉細(xì)胞壁中不溶于水的原果膠轉(zhuǎn)變成可溶性果膠。正是在香梨含水率減小和可溶性固形物含量增大的雙重作用下，導(dǎo)致香梨果肉隨著貯藏期增加出現(xiàn)脆度明顯下降，因此香梨含水率和可溶性固形物成為表征香梨脆度變化的重要理化指標(biāo)。

3.2 香梨果肉穿刺力聲變形曲線分析

圖7為不同貯藏期香梨果肉典型的穿刺力學(xué)和聲學(xué)曲線，反映了5種不同脆度香梨果肉在外力作用下的多重?cái)嗔研袨椤？梢钥闯?，大多?shù)力峰產(chǎn)生都伴隨著聲峰出現(xiàn)，但聲峰數(shù)量遠(yuǎn)多于力峰數(shù)量。當(dāng)果肉組織受力較小時(shí)，果肉組織不發(fā)生破裂，但從圖中力變形曲線初始的彈性區(qū)域內(nèi)可以看出，仍有一定數(shù)量的聲峰產(chǎn)生，這是由少量細(xì)胞破裂釋放細(xì)胞內(nèi)液產(chǎn)生聲波所致。當(dāng)施加在組織上的外力進(jìn)一步增大時(shí)，使更多細(xì)胞破裂參與裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致較多的果肉組織破裂，因而伴隨更多聲峰出現(xiàn)的同時(shí)產(chǎn)生力峰[28]。對(duì)于果肉組織破裂產(chǎn)生的力峰，被食用者牙齒感知，反映了果肉的食用脆度力學(xué)感知；對(duì)于果肉組織破裂時(shí)所產(chǎn)生的聲波序列，被食用者耳朵感知并描述為“嘎吱聲”，反映了果肉的脆度聽學(xué)感知。

根據(jù)5種不同貯藏時(shí)間的香梨果肉力聲曲線可以看出，貯存初始的香梨為青熟香梨，脆度較大，此時(shí)力峰數(shù)較多，力峰尖細(xì)且力峰值最大，幅度變化顯著，各聲峰值和力谷也相對(duì)較大；此時(shí)的力功、平均力、最大力、第一個(gè)力降、平均力降、最終力、力線性距離、平均聲壓級(jí)、第一次斷裂聲壓級(jí)和聲功均較大。隨著貯藏時(shí)間的增加，香梨果肉脆度逐漸下降，此時(shí)各力峰值、力谷、力功、平均力、最大力、第一個(gè)力降、平均力降、最終力、力線性距離和聲峰值均減小，峰值變化幅度減小，力曲線開始逐漸變得平緩，聲曲線幅值從0～10 d下降，在20 d出現(xiàn)上升隨后到40 d呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。值得注意的是，在20 d香梨果肉的聲學(xué)曲線有較明顯差異，其聲峰值較大，聲峰密集且較多，這可能是由于此期間香梨成熟較快，細(xì)胞膨壓下降，細(xì)胞壁強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致受力時(shí)引起更多細(xì)胞破裂造成的，這在Cortellino等[29]關(guān)于貨架期萵苣破碎力聲同步測(cè)試研究結(jié)果也有類似現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)。當(dāng)香梨貯藏40 d，在其果肉穿刺力聲曲線中，力峰值、力谷、聲峰值、力功、平均力、最大力、第一個(gè)力降、平均力降、最終力、力線性距離及聲峰數(shù)顯著下降，力峰數(shù)降至最少，曲線趨于平坦，峰值變化幅度明顯減小，此時(shí)期的香梨果肉口感較軟，酥脆度大大下降。

3.3 力聲參數(shù)的自相關(guān)性分析

圖8為表示不同貯藏期香梨的力學(xué)和聲學(xué)參數(shù)相關(guān)性的矩陣散點(diǎn)圖，散點(diǎn)圖中的散點(diǎn)呈線性集中分布，表明兩特征參數(shù)相關(guān)性較高。在力學(xué)參數(shù)中，楊氏模量與低應(yīng)變剛度、平均力與力功、力差與力比之間的散點(diǎn)呈線性分布特征，因此相關(guān)性較高；在聲學(xué)參數(shù)中，平均聲壓級(jí)與聲峰數(shù)、聲線性距離與聲功之間的散點(diǎn)分布也呈線性分布而具有較高相關(guān)性。其余參數(shù)之間的散點(diǎn)分布狀態(tài)較雜亂無(wú)規(guī)律，因此相關(guān)性不高。此外，散點(diǎn)圖中有5種不同顏色的點(diǎn)，代表5個(gè)不同貯藏時(shí)期香梨的同一力聲參數(shù)，如果不同顏色清晰可見，同一顏色點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)集中說(shuō)明這些參數(shù)值在不同貯藏期的香梨之間分布差異較大。

圖中對(duì)角線上為各參數(shù)的分布直方圖，反映了5個(gè)貯藏期香梨力聲特征參數(shù)的分布區(qū)間?？梢钥闯?，在不同貯藏期香梨的力學(xué)和聲學(xué)參數(shù)中，力學(xué)參數(shù)中的楊氏模量、低應(yīng)變剛度、高應(yīng)變剛度、平均力、力功、力線性距離以及聲學(xué)參數(shù)中的聲峰數(shù)、平均聲壓級(jí)的分布重疊性較低，變化趨勢(shì)顯著，表明這些參數(shù)在不同貯藏期香梨之間有較大差異。與這些特征參數(shù)對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖中也可以看出，代表5個(gè)不同貯藏期香梨力聲參數(shù)的5種顏色點(diǎn)可以明顯區(qū)分。除此之外，其余各參數(shù)的5條直方圖曲線重疊性高，所對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖中不同顏色點(diǎn)重合度也較大，說(shuō)明這些參數(shù)值在不同貯藏期香梨中變化較小。

為進(jìn)一步了解參數(shù)之間的相關(guān)性，力聲參數(shù)相關(guān)性計(jì)算結(jié)果見圖9所示的相關(guān)系數(shù)矩陣。

可以看出，相關(guān)性矩陣圖在右下角和左上角分別形成兩塊顏色較深的正方形區(qū)域，恰好對(duì)應(yīng)聲學(xué)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，力學(xué)參數(shù)之間、聲學(xué)參數(shù)之間都有較顯著的正或負(fù)相關(guān)性，這在聲學(xué)參數(shù)中尤為顯著。在力學(xué)參數(shù)中，楊氏模量與低應(yīng)變剛度、平均力與力功、力差與力比之間都呈高度相關(guān)（||>0.9）；聲學(xué)參數(shù)中，平均聲壓級(jí)與聲峰數(shù)、聲功與聲線性距離之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.96、0.97，也都具有強(qiáng)相關(guān)性。比較而言，力學(xué)參數(shù)和聲學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性并不顯著，只有力學(xué)參數(shù)的力峰數(shù)、力線性距離與聲功的相關(guān)系數(shù)分別為0.46、0.43，呈低度相關(guān)（0.3<||<0.5）。綜上所述，考慮到21個(gè)力聲參數(shù)中有5對(duì)參數(shù)有較強(qiáng)線性相關(guān)性，存在信息冗余，因此本研究取5對(duì)參數(shù)中易于提取的楊氏模量、平均力、力差、平均聲壓級(jí)，與其他11個(gè)互相關(guān)性低的參數(shù)共同構(gòu)建香梨脆度分類模型。

3.4 機(jī)器學(xué)習(xí)模型

3.4.1 基于ANN模型香梨脆度分類結(jié)果

采用上述確定的12個(gè)力學(xué)和4個(gè)聲參數(shù)，應(yīng)用三層隱含層結(jié)構(gòu)且每層14個(gè)隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別基于力學(xué)參數(shù)、聲學(xué)參數(shù)和力-聲參數(shù)融合構(gòu)建ANN模型，對(duì)不同脆度香梨分類結(jié)果如圖10。采用力學(xué)參數(shù)時(shí)（圖10a和圖10b所示），ANN測(cè)試集模型對(duì)0和40 d脆度有較大差異時(shí)的香梨分類準(zhǔn)確率較高，分別為61.0%和69.0%，但是對(duì)貯藏10、20和30 d脆度差異較小的香梨分類準(zhǔn)確率都低于50%，導(dǎo)致ANN模型訓(xùn)練集和測(cè)試集對(duì)香梨總體分類準(zhǔn)確率都很低，分別只有53.8%和53.9%，這說(shuō)明力學(xué)參數(shù)構(gòu)建的ANN模型對(duì)脆度差異較小的香梨分類能力很低。

當(dāng)采用聲學(xué)參數(shù)構(gòu)建ANN模型時(shí)（圖10c和圖10d所示），模型測(cè)試集中對(duì)10、20和30 d有較小脆度差異香梨的分類準(zhǔn)確率提高明顯，分別高達(dá)93.2%、89.7%和86.6%，模型訓(xùn)練集和測(cè)試集的總體分類準(zhǔn)確率分別都提高至83.0%和83.7%，這表明聲學(xué)參數(shù)構(gòu)建的ANN模型較力學(xué)參數(shù)模型具有較強(qiáng)的脆度分類能力。

當(dāng)采用力學(xué)和聲學(xué)兩種參數(shù)融合構(gòu)建的ANN模型時(shí)（圖10e和圖10f所示），對(duì)每一種脆度的香梨分類準(zhǔn)確率均在85%以上，其中對(duì)0、10、30和40 d的分類準(zhǔn)確率在90%以上，訓(xùn)練集和測(cè)試集的總體分類準(zhǔn)確率分別達(dá)93.2%和96.1%，顯然力學(xué)參數(shù)和聲學(xué)參數(shù)結(jié)合，有力提升了ANN模型對(duì)香梨脆度的分類能力。

3.4.2 基于SVM模型的香梨脆度分類結(jié)果

采用力學(xué)參數(shù)，聲學(xué)參數(shù)和力-聲參數(shù)融合構(gòu)建二次核函數(shù)SVM分類模型，對(duì)不同脆度香梨分類結(jié)果如圖11所示。由圖11a可以看出，當(dāng)采用力學(xué)參數(shù)構(gòu)建SVM模型時(shí)，與ANN模型類似，測(cè)試集對(duì)貯藏10、20和30 d具有較小脆度差異香梨的分類準(zhǔn)確率均低于40%，模型測(cè)試集和訓(xùn)練集總體分類準(zhǔn)確率分別為56.0%和53.3%；采用聲學(xué)參數(shù)構(gòu)建模型時(shí)，較力學(xué)參數(shù)構(gòu)建的SVM模型，也提升了香梨脆度分類準(zhǔn)確率，測(cè)試和訓(xùn)練集總體分類準(zhǔn)確率分別為81.2%和81.3%（圖11c和圖11d）。當(dāng)力-聲參數(shù)融合構(gòu)建SVM模型時(shí)，測(cè)試集和訓(xùn)練集總體分類準(zhǔn)確率分別提高至92.0%和93.8%（圖11e和圖11f），這進(jìn)一步表明，力聲參數(shù)融合構(gòu)建的模型對(duì)香梨脆度分類的能力要優(yōu)于力學(xué)或聲學(xué)單一類型參數(shù)構(gòu)建的模型。

3.4.3 兩種模型的學(xué)習(xí)曲線對(duì)比

圖12為三層隱含層結(jié)構(gòu)且每層14個(gè)隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)的ANN網(wǎng)絡(luò)模型和二次核函數(shù)SVM模型的學(xué)習(xí)曲線，訓(xùn)練樣本變化每組5個(gè)樣本開始，以步長(zhǎng)5增加樣本，每個(gè)模型訓(xùn)練和預(yù)測(cè)3次，分類準(zhǔn)確率以平均值加標(biāo)準(zhǔn)差表示，虛線部分為采用多項(xiàng)式冪函數(shù)擬合預(yù)測(cè)分類準(zhǔn)確率隨著樣本數(shù)增加的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

從兩種網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)曲線可以看出，當(dāng)每種脆度香梨樣本數(shù)為10時(shí)，模型在測(cè)試集的分類準(zhǔn)確率都較低，當(dāng)每組樣本增加至50時(shí)，分類準(zhǔn)確率都快速提高，增至90%左右，當(dāng)組樣本至少為100時(shí)模型分類準(zhǔn)確率均超過90%，因此在滿足每組樣本數(shù)超過100時(shí)所訓(xùn)練模型可以滿足分類要求。當(dāng)組樣本繼續(xù)增加時(shí)，模型分類準(zhǔn)確率持續(xù)緩慢增加，增至200后， ANN模型和SVM模型的分類準(zhǔn)確率分別趨于97%和96%，達(dá)到穩(wěn)定而不再變化。

4 結(jié) 論

1）從香梨果肉穿刺同步采集的力聲響應(yīng)曲線中提取的15個(gè)力學(xué)參數(shù)和6個(gè)聲學(xué)參數(shù)中，只有楊氏模量與低應(yīng)變剛度、平均力與力功、力差與力比、平均聲壓級(jí)與聲峰數(shù)、聲線性距離與聲功5對(duì)參數(shù)具有較強(qiáng)線性相關(guān)性，未出現(xiàn)太多的冗余信息。

2）基于篩選后的12個(gè)力學(xué)參數(shù)、4個(gè)聲學(xué)參數(shù)構(gòu)建的ANN模型和SVM模型中，力-聲參數(shù)融合構(gòu)建的模型對(duì)不同脆度香梨分類準(zhǔn)確率較高，其次是聲學(xué)參數(shù)構(gòu)建的模型，較低是力學(xué)參數(shù)構(gòu)建的分類模型。

3）對(duì)于力-聲參數(shù)融合構(gòu)建的ANN模型，采用三層隱藏層每層14個(gè)節(jié)點(diǎn)，其模型具有較高分類準(zhǔn)確率，為96.1%；對(duì)于力-聲參數(shù)融合構(gòu)建的SVM模型，采用二次核函數(shù)構(gòu)建的模型具有較高分類準(zhǔn)確率，為93.8%。ANN模型和SVM模型不斷學(xué)習(xí)訓(xùn)練，分類能力基本接近一致，分別趨于97%和96%。該研究對(duì)研究濕脆性果蔬脆度提供一種新方法，從力學(xué)和聲學(xué)兩種信號(hào)考慮，從果蔬破碎時(shí)產(chǎn)生的力學(xué)和聲學(xué)信號(hào)中提取特征參數(shù)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)根據(jù)提取的特征參數(shù)構(gòu)建脆度評(píng)估模型，可以對(duì)不同脆度的果蔬做出準(zhǔn)確評(píng)估。

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Simultaneous mechanical-acoustic measurement of the crispness of Korla pears

Zhang Jinge1, Zhou Ting1, Wang Peng1, Wu Jie1,2※

(1.,,832000,; 2.,832003,)

Korla pear, a native fruit, is famous for its crispy and sweet taste. There is a large difference in the internal quality of pears, due to the changes in soil, water, and light intensity of the ever-increasing planting area for Korla pear.At present, only firmness and soluble solid content are used as indicators for the internal quality evaluation in the pear grading standard. Nevertheless, the indicator “crispness” is not equivalent to the firmness of the fruit. The crispness reflects the tactile and auditory comprehensive perception of force and sound behavior generated in the process of chewing pear flesh. Since it is difficult to measure and explain through clear semantics, the crispness has not been taken as the standard of internal quality evaluation and classification. A sensory testing is widely accepted to evaluate the crispness, providing by experts or trained panelists, but sensory testers are prone to fatigue and low efficiency. Therefore, it is necessary to investigate an approach to accurately detect the crispness of pears to the taste of consumers. In this study, a total of 250 pears were stored at (26±2) ℃ and 20% relative humidity (RH), where the storage time was 0, 10, 20, 30 and 40 d. A texture analyzer combined with an acoustic envelope detector was used to simultaneously collect the signals of force and sound, where 4-6 cylindrical samples were tested in each pear. 15 mechanical parameters and 6 acoustic parameters were extracted from force and sound signals using the peak, particularly on the parameters autocorrelation. The results showed that there was a highly strong correlation with relatively little redundancy in 5 pairs of parameters, including the acoustic power and sound linear distance, the average level of sound pressure and sound peak number, Young ' s modulus and low strain stiffness, average force and work, force difference and force ratio. All the mechanical and acoustic parameters can be directly used to construct the classification model without dimensionality reduction. The artificial neural network (ANN) and support vector machine (SVM) were used to classify the crispness of Korla pears. Three types of parameter datasets were fed to train the ANN and SVM models: mechanical and acoustic parameters, as well as the combination of mechanical and acoustic parameters. A comparison of ANN models showed that the model using a three-layer hidden structure (14 nodes in each layer) achieved the highest classification accuracy. In the SVM with different kernel functions, the model with the quadratic kernel function displayed the best classification performance. A combination of mechanical and acoustic parameters was more applicable to detect the crispness of pear flesh than only mechanical or acoustic parameters. In learning curve, the classification accuracy of the SVM and ANN models achieved 96.1% and 93.8%, respectively. Therefore, the models can meet the requirements of accurate classification for pears with different crispness. This finding can provide practical guidance to evaluate the crispness of pear flesh during harvest, processing, and storage.

machine learning; models; Korla pear; crispness; mechanical-acoustic measure

張金閣，周婷，王鵬，等. 香梨脆度的力聲同步檢測(cè)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(1)：290-298.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.034 http://www.tcsae.org

Zhang Jinge, Zhou Ting, Wang Peng, et al. Simultaneous mechanical-acoustic measurement of the crispness of Korla pears[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 290-298. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.034 http://www.tcsae.org

2020-09-08

2020-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目（31860466）

張金閣，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)。Email：752903659@qq.com

吳杰，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)安全與檢測(cè)研究。Email：wjshz@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.034

S661.2

A

1002-6819(2021)-01-0290-09