近红外光谱三个问题的思考——伟创英图总工韩熹写在全国第六届近红外光谱学术会议圆满闭幕之后

　　全国第六届近红外光谱学术会议日前在武汉圆满闭幕，与会代表、参展厂商和论文水平等都达到了历史新高，可以说是我国近红外光谱技术发展史上影响深远的一届盛会。北京伟创英图科技有限公司总工程师韩熹也积极参加了此次会议，期间，他认真听取了各位专家和同行的报告、会下也进行了多方交流。会议报告精彩纷呈，让他受益匪浅;而且，即使会议结束仍然思绪万千，连夜写下此篇感想。

北京伟创英图科技有限公司总工程师韩熹

　　思考近红外光谱的三个问题

　　在本次会议上，杨辉华博士提出“在研究学者之间、在仪器制造企业之间，应该更加透明化、更加开放化的进行交流，闭关自守，不利于技术发展”，本人深表同意。因为，在多个报告中都有涉及研究院校通过采购一些光谱仪模块、测样附件模块，自行组建实验平台开展研究，从中我看出了一些的问题。我赞赏这种探索精神，但由于院校派团队往往偏重理论研究、算法研究以及应用研究，对于硬件的了解深度不够，使得研究过程、研究结果存在诸多变数。

　　本次会议的交流环节中，我选择性的提出三个问题，这三个问题本身是我原定大会口头报告中会涉及到的(临会前，进行了一项手术，术后连续输了11天液，才最终得到大夫同意出差来武汉)。我得到的答复基本在预料当中，都不够“完美”。究其原因，是对于仪器硬件的理解层面不够深，问题不在他们，是因为没有仪器制造企业与他们紧密合作。我说的“仪器制造企业”，不是指进口仪器的国内办事处或者代理商，因为他们的角色也仅仅是被培训者。我说的“紧密合作”，不是“商业合作”，是当剥离利益关系之后，从技术层面解析仪器，而不是简单的培训说明。

　　以下，我以伟创英图仪器产品为实体，从仪器制造企业角度，阐述一些我的思考与解决方案，希望对企业、学者有所帮助。

　　问题一：离散波长型近红外光谱分析仪的研制思考

　　作为互联网型企业投身近红外光谱分析仪的研制与商业化，广州讯动给我的触动最大，从情感上，我非常支持他们。离散波长型近红外光谱分析仪，通常可以分为滤光片型和激光型。研制思路：选择特定领域样品，通过波长筛选算法获得特征波长(潘涛老师报告内容，我个人很想了解具体算法实现)，选择对应的滤光片或者激光器，获得特征波长下的单色光，实现分光目的。

　　该技术路线要求筛选出的特征波长数量不宜过多，波长不宜过大，因为非制冷型InGaAs探测器在成本和结构复杂度方面优势明显。我认为需要思考的技术问题：当筛选后的特征波长数量较少时(12以下)，每一个特征波长都充当着“关键先生”的角色，受到整机成本控制要求，内置的激光器需要具备低成本、小型化特点，在波长准确性与重复性上存在短板，问题即来自元器件固有问题，也包括实际使用环境因素(温度、湿度等)的影响，存在X轴方向的左右飘忽不定，“关键先生”有可能是“不靠谱先生”。此外，降低仪器成本的目的是可以大批量推广应用，但是台间差异性问题也随之而来。不同批次采购的激光器，相同标称波长下的激光器可能存在差异，即准确性达标的前提下，分属左偏移和右偏移两类。当然，我们可以在仪器出厂前进行仪器标准化标定，来降低台间差异性。但是，实际用户环境因素与标定环境不一致，导致激光器自身的变化(X轴和Y轴两个方向)，该变化甚至有可能是非线性变化。

　　从实际应用角度考虑，其实也无需过分紧张，毕竟此类仪器目的在于满足实际快检需求，而不是与大型实验室仪器比拼性能指标。因此，我认为通过在仪器内部集成标准物质，以及挖掘多台仪器在不同环境下(模拟用户现场)的标准物质谱图的函数关系，有助于仪器的批量推广。此外，有报告提出“仪器台间差异性问题不大”，我要指出的是，这个结论的得出是有前提的。此类仪器价格往往超过30万，内部结构复杂，光学模块需要严格生产工艺下确保一致性，并且内置各种校准定标模块。可谓应了一句老话：只要有钱，很多问题就不叫问题。

　　问题二：谱图、模型入网的可靠性确认工作的思考

　　本次会议，多个报告提出谱图、模型的网络化管理，但是我认为，现阶段对于谱图、模型在入网前的可靠性确认工作还很薄弱。

　　企业管理者通过制定严格的操作流程，以及仪器自检功能，来提高谱图测量可靠性。但是，例如，近些年重大安全事故仍然不断出现，可见并非是没有严格的制度，而是没有严格的执行。因此，通过在仪器功能上进行合理设计，有助于降低人为误差(惰性或者疏忽造成的)。通过对市面主流近红外光谱分析仪的调研，本人发现，很多企业用户往往依赖于仪器自身的自检功能，认为仪器自检通过，就可安心测样。殊不知，仪器自检也有很多门道在其中，也有行业潜规则，通过输入高级密码或者更改配置参数，就可以调整仪器自检评判结果指标阈值，甚至忽略部分仪器自检项目，达到表观上的仪器自检合格。企业用户在仪器自检合格后，就会开展连续样品测量。在这期间，往往仪器只会对重大硬件故障进行报警，而不会针对仪器性能变化做出反馈。此时此刻，本人认为，用户测量是“失去保护”的。

　　伟创英图在这方面做出的努力可以分为两方面：透明化仪器自检项目的流程与指标计算公式，为用户提供与内置校准模块同材质的外置校准模块，用户可自行开展实验，论证仪器自检结果的真实性。此外，仪器软件自检运行过程中，会显示自检流程所涉及的全部谱图与评判结果，而非简单的显示合格与否。

　　动态校准技术的引入，仪器内置标准滤光片，用户在进行每一次样品测量时，都会自动进行标准滤光片测量，由于近红外光谱测量本身具有快速性，因此多出的动态校准流程，不会为用户增加过多时间负担。由于每次样品测量，在谱图数据结构中，都会保存标准滤光片谱图，利用该谱图可实现对当次样品谱图的实时校准，包括X轴与Y轴。此外，在谱图、模型入网时，系统通过匹配性对比每张谱图数据结构中的标准滤光片谱图与参照谱图，评判当前谱图测量时仪器是否处于正常状态，从而达到谱图可靠性确认的目的。

　　问题三：高速运行模式下的近红外谱图测量稳健性思考

　　近两年，本人有幸参与了两套果品分选在线近红外光谱分析系统的研制，在去年的BCEIA展会上展示了一套果品在线模拟装置，在2016年还将有一套果品分选系统上线。从上述项目实施过程中，本人提出“高速运行模式下的近红外谱图测量稳健性研究”的课题研究方向，希望能有专业的研究院校团队可以介入，将该项研究得更加透彻，该项研究会对未来在线近红外光谱测量技术的发展具有促进作用。在这里，我仍旧保持一种开放的形态，与大家分享伟创英图的果品分选系统的设计思想。首先，关于定位问题，我们放弃传统“同步齿轮+接近开关”这种定位方式，其原因包括：适用局限性(只适合固定在传送带上的托盘，不适合独立游走型托盘)，定位托盘不具有标识性(只能表示有无托盘，不能识别具体托盘编号)。我们目前采用的NFC近场通讯技术(之前采用RFID技术)，我们为每一个托盘(无论是固定在流水线上还是独立游走型的托盘)内置一个NFC芯片(选用抗金属类型)。利用该芯片的存储区，为每一个托盘进行唯一标识，并且负责存储检测分析、评价分级结果。其次，我们支持多端测量技术，即在线上可以先后部署不同类型的分析单元，例如：称重单元(果品称重，由于每个托盘都有独立的NFC芯片，在其存储区会记录每一个托盘独有的自重信息，提高果品称重准确性)、近红外光谱分析单元(评判果品品质，糖度、酸度、硬度等)、成像分析单元(评判果品有无疤痕、是否对称美观等)。

　　具体分选流程如下：在分析单元前、后各部署一套NFC识别模块(读、写)，当果品到达分析单元时，前置NFC识别模块高速响应读取到托盘NFC芯片信息，表示托盘已然就位，通知分析单元开始测量分析，测量分析结果会在果品到达后置NFC识别模块时，写入对应的NFC芯片存储区。由于NFC芯片存储区空间有限，实际写入可以是分级等级或者测量结果编号，后期通过测量编号可以进行检索查询。当果品通过全部分析单元，到达分选通道时，分选通道会通过读取NFC芯片存储区内容，来判断当前果品是否允许进入当前通道，从而实现分选目的。

　　上述流程是2016年公司新上线的果品分选系统的核心设计思想，在这之前，我开发的分选软件部署在主控电脑，软件需要照顾各个环节。现如今，我将原先的集中处理改为分散处理，甚至部分节点不与主控电脑关联，采用独立的Arduino模块实现控制。针对近红外光谱测量这部分，我选择具有高速测量功能的USB4000光谱仪(海洋光学)，该光谱仪可实现最低10微秒/次的高速测量(USB2000+最低测量速度是3800微秒/次)，我即不采取单平均次数测量，也不采取多平均次数测量，而是单平均次数下的多次测量。该方式的优点在于，我可以对得到的多次测量谱图进行人为算法干预，筛选得到能够真正表征果品信息的谱图，再计算平均谱图，提高谱图测量稳健性。从实验数据来看，不同果型(苹果)最终有效谱图数量存在些许差异，有效谱图数量在6-8张不等(每秒测量5颗状态下)。由于单平均次数下的多次测量，意味着需要进行多次谱图数据传输，目前是利用OminiDriver中提供的高速扫描方法来实现。我最终希望的解决方案是将我的筛选方法可以嵌入到光谱仪底层程序上，而这一想法的实现，就需要借助国产近红外光谱仪厂商(复享光学)的支持。

多用途智能近红外光谱分选系统

　　上边谈到的三点思考与我的想法，其实很多地方都需要国产近红外光谱分析仪制造企业的支持才可实现，但很可惜，目前此类企业实在太少。每年近红外相关文章很多，但是仪器研制类别的很少。全国研究院校知名近红外学者很多，但是从事仪器制造方面的很少。当无力改变现状时，我们就更应该开放与包容。

　　我再次表明我们的一个态度，就是愿意为研究院所无偿提供实验平台建设、样机制造、商品转化等方面的建议，也愿意分享我们使用过的一些进口近红外光谱仪的心得体会，目前我们掌握的近红外光谱仪模块包括：JDSU、TI NIRscan、Insion、USB2000+、USB4000、Maya、STS、无锡微奥MEMS-FTNIR等。

　　十数载不变初心、耐寂寞终有所报

　　说起来，韩熹进入近红外光谱领域已经有十多年了，回想自己十数载近红外光谱分析仪研制与应用之路，不禁感叹到，十数载不变初心、耐寂寞终有所报;青春虽已不再，但不变初心。2004年，韩熹毕业于首都师范大学应用化学系，随后加入北京英贤仪器有限责任公司。从那时起，韩熹便与近红外光谱分析结缘。

　　英贤仪器实现了近红外光谱分析仪的国产化、量产化，打破了当时进口近红外光谱分析仪的市场、价格的双垄断，让国人第一次近距离的接触到近红外光谱分析技术。当时陆婉珍院士、袁洪福教授、褚小立博士给予英贤仪器大量的技术指导意见。在日前召开的全国第六届近红外光谱学术会议上，姚建垣先生(英贤仪器公司总经理)向陆婉珍奖励基金捐赠十万元，姚总说要懂得“报恩”。

陆婉珍院士、袁洪福教授等对国产近红外光谱分析仪研制企业给予大力支持

　　2007年，英贤仪器并入聚光科技(杭州)股份有限公司，成立近红外光谱分析事业部，开始着手研制全系列近红外光谱分析仪产品，包括：便携型、通用型和在线型近红外光谱分析仪以及CM-2000化学计量学软件。当时公司的目标，就是研制出可产业化的高精度、高稳定性近红外光谱分析仪。“事实证明，我们做到了，而且做得很好。直到如今，聚光科技的近红外光谱分析仪仍旧是国产近红外光谱分析仪的领军代表，且没有之一。”韩熹说到。

　　2012年，在聚光科技服务满五年后，韩熹离开了聚光科技，但是，他并没有离开近红外光谱事业。经过历时一年多的筹备，韩熹等人于2014年4月成立北京伟创英图科技有限公司，沿着定制化、专用型近红外光谱分析仪的研制与产业化继续前行。此时，姚建垣先生已经退休，当他看到这些曾经的“孩子”已然成家，但对近红外光谱分析事业的热情不减，他决定不计报酬，继续陪他们走一程。

　　姚建垣先生曾经对韩熙谈过他的创业艰辛，也分享过他的应变之策。对于制造企业，研制与销售近红外光谱分析仪不会一夜暴富，不要有投机心理，踏踏实实做产品。对于技术应用、研究学者，要能“耐得寂寞，顶得压力”。

　　作为业界“新瓶装老酒”的伟创英图，拥有十数载的仪器研制、量产化经验，非常愿意为研究院所无偿提供实验平台建设、样机制造、商品转化等方面的建议。韩熹说，“我们曾经走过的错路、弯路，不希望你们重蹈覆辙，我们的经验与技巧希望能加速你们研究成果的商品转化。”