“百侖慧神”發酵數據采集/分析系統的設計及應用

張勁楠，丁健，嚴建，史仲平

(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122)

發酵工業與人民生活密切相關，是國民經濟中的重要產業[1]。隨著工業化發酵技術的進步，發酵規模不斷擴大，發酵產品種類愈加豐富。傳感器及在線檢測技術的發展，使得越來越多的發酵過程參數可以被在線檢測，由此而產生的大量發酵過程數據包含了與發酵性能息息相關的重要信息，可看做是企業的信息金礦，合理有效地管理和分析發酵歷史數據對改進企業的發酵工藝，提高生產的穩定性具有重要的指導意義。隨著發酵數據的數量及復雜程度的增加，如何管理和分析發酵數據已經逐漸成為困擾企業生產管理的難題之一。因此，開發一套軟件系統幫助發酵技術人員管理、分析和利用發酵數據是一項勢在必行的重要工作。

近年來，發酵罐生產廠商紛紛開發與自身產品相配套的上位機軟件。組態軟件是發酵設備廠商開發上位機軟件的主要工具，以此方式開發的上位機軟件能夠靈活地實現數據采集、設備控制以及過程監控等功能[2]。但在實際應用過程中，由于其計算功能薄弱，難以滿足發酵企業復雜數據處理的需求，除此之外，組態軟件數據庫中所保存的數據無法脫離組態環境查看，不能對用戶開放，尤其是不能按任意條件進行查詢和刪除數據[3]，為數據管理帶來了諸多不便。鑒于組態上位機軟件在數據處理以及數據管理功能上的不足，本文作者受連云港百侖生化科技有限公司委托開發“百侖慧神”發酵數據采集/分析系統(Bioplot)。

1 “百侖慧神”發酵數據采集/分析系統設計與開發

Bioplot軟件系統是利用C#編程工具和MySQL數據庫管理軟件共同開發的；利用C#開發圖形用戶界面(GUI)，編寫數據接口模塊實現從設備采集數據的功能；后臺數據庫管理系統利用MySQL數據庫開發設計。整個發酵數據采集/分析系統所包含的功能模塊如圖1所示。軟件開發過程中采用多線程編程技術，使得軟件系統在執行某些占用CPU較高的數據處理任務時仍然能夠流暢穩定地運行，避免CPU長時間被一個任務占用時整個軟件系統阻塞現象的發生[4]。

圖1 軟件系統功能模塊Fig.1 Function modules in software system

1.1 圖形用戶界面及數據庫設計

C#作為一種被廣泛應用于計算機程序開發的語言，具有簡單、現代、面向對象和類型安全等優越的性能特點[5]。Bioplot軟件系統是以C#為平臺，設計了友好的GUI，用戶可通過GUI完成以下功能：(1)采集在線數據，接收人工錄入的離線數據；(2)將采集到的數據發送至后臺數據管理模塊，下達指令控制數據管理模塊的數據管理行為；(3)利用發酵數據繪制曲線圖，進行多批次數據間的分析比較。該軟件系統為用戶提供了美觀、簡潔的程序界面，用戶通過簡單的學習就能熟練掌握軟件的操作技能，極大程度地簡化了用戶的操作過程。

MySQL數據庫是一種開放源碼的關系型數據庫[6]，占用資源少，運行速度快，被廣泛應用。利用MySQL數據庫軟件，根據管理發酵數據的需求設計若干數據表，分別用于存儲數值、文字、圖片等不同類型的發酵數據。合理地設計各數據表的主鍵以及連接各數據表的外鍵，以確保數據存儲的穩定性及可靠性。發酵過程的數據量非常龐大，根據發酵數據的存儲結構，優化數據檢索方式，來提高數據的檢索和訪問速度。C#編寫的GUI能夠快速、靈活地與MySQL數據庫建立連接，用戶可通過GUI向數據管理模塊發送操作指令，實施數據檢索、訪問、導入、導出、備份等管理操作。C#中連接數據庫的代碼如下：

string connstring ="Data Source= 'localhost '；UserID =root; Password=1994; port=3306; database = booksdb";

MySqlConnection conn = new MySqlConnection(connString);

conn.Open();

1.2 數據接口設計

目前，發酵設備下位機為上位機預留的數據通信接口主要包含三類，即DDE連接、OPC連接和TCP連接。DDE，全稱為Dynamic Data Exchange，即動態數據交換技術[7]，是最早的WINDOWS操作系統面向非編程應用程序間的通信標準，利用DDE能使2個應用程序之間通過相互傳遞信息進行“對話”[8]。OPC，全稱為Object Linking and Embeding for Process Control，被廣泛應用于工業自動化控制的數據采集系統中，該技術以OLE/COM / DCOM技術為基礎，通過采用客戶/服務器模式，為工業自動化制定了在面向對象過程中的統一標準，采用該標準[9]，使得軟件開發者通過簡單的接口程序就能夠與工業設備硬件取得連接，進行數據傳輸。TCP協議是面向連接的可靠的通信協議，能夠實現遠程監控系統中的實時數據傳輸，在工作時主要靠IP地址和端口號來識別收發數據[10]。以上三種通信協議在通信過程中都采用客戶端/服務器模式，當客戶端設置的通信參數與服務器相匹配時，客戶端則能夠與服務器成功建立連接并完成數據交互。

由于不同發酵罐生產廠商所提供的下位機，其服務器類型可能各不相同，通信參數也各不相同。如何確保自主設計的數據采集系統能夠與不同廠商的發酵設備建立連接并采集數據，是一個首先需要解決的問題。為了解決這一軟件通用性的問題，作者采用了外部配置文件的方式配置數據采集接口的信息。配置文件類型為XML，其中包含了以鍵-值對形式描述的服務器類型和連接參數。系統運行過程中，可按照保存于指定路徑下的XML配置文件中所提供的信息與服務器建立連接，并從中讀取數據。利用文本編輯工具(如Notpad++、Sublime Text、Vim等)修改配置文件中的服務器類型及連接參數，使之與不同發酵設備的下位機服務器相匹配，即可實現本軟件系統與不同發酵設備的連接和通信。

1.3 批次管理

為了保證發酵批號的唯一性，本軟件系統利用多個字段共同命名一個發酵批次。其中，“起始日期”、“描述”以及“設備批次編號”是系統默認的通用字段。“起始日期”字段的內容為該批次發酵起始的年月日信息；“描述”字段的內容為用戶自己輸入的描述文本；“設備批次編號”字段的內容由系統自動生成，無法修改，是一個隨著發酵批次數目的增加而自增的整型變量。除了上述3個通用字段外，本軟件系統還預留了5個自定義字段，用戶可根據自身的實際情況定義通用字段的名稱及內容選項。自定義的名稱和內容選項均寫入指定的XML文件中，供系統運行時自動讀取。

系統中每一個發酵批次的操作都是相互獨立的，用戶能夠靈活地控制各個發酵批次的運行狀態，確保各批次互不干擾地進行數據采集、暫停采集、結束發酵等操作。系統會自動將發酵過程中采集到的發酵參數數值、樣品圖片及操作記錄等信息保存到后臺數據庫中。用戶可通過GUI設置各個命名字段的查找條件，對數據庫中存儲的批次進行檢索。檢索得到的數據可以在系統中加載、查看、對比、繪制曲線圖，也可以將整個批次的數據導出為一個擴展名為“.bl”的數據文件。bl數據文件既可用于數據備份，也可以導入其他計算機上運行的Bioplot軟件系統，以便于發酵數據的匯總和整理。

1.4 數據管理及顯示

本軟件系統中的數據管理模塊用于完成數據的采集、保存和展示功能。本系統中的發酵數據主要分為在線數據、離線數據、圖片以及事件幾種類型。對于不同類型的數據采用不同的處理方式，簡述如下：

(1)在線數據：在線數據是指由在線傳感器自動檢測的數據(如溶解氧濃度、pH值、溫度等)，這類數據通過發酵設備預留的數據接口實時發送至本軟件系統。本系統接收來自設備的在線數據后將其在內存中暫存，每隔一段時間將最新的數據一次性存入后臺數據庫中。與此同時，內存中保存的數據可以表格形式展示，供用戶查看。

(2)離線數據：離線數據是指取樣后人工測定的發酵過程參數(如細胞濃度、底物濃度、產物濃度等)，這類數據通常由用戶手動錄入，同時將數據存入內存與后臺數據庫中。內存中保存的數據可以表格形式展示，供用戶查看。

(3)事件：發酵過程中的操作記錄、人員輪班以及一些突發事件的信息也是非常重要的。這些文本類的信息可由操作用戶手動錄入，同時將數據存入內存與后臺數據庫中。內存中保存的數據可以表格形式展示，供用戶查看。

(4)圖片：菌體形態、發酵液顏色等重要信息是以圖片形式展示的。用戶可將重要的圖片信息以圖片文件的形式導入本軟件系統中，并將保存圖片文件所對應的信息和保存路徑存入后臺數據庫中。用戶可在GUI的指定子窗口上查看比較這些圖片信息。

1.5 曲線圖

本軟件系統中繪制曲線圖的功能利用C# 提供的Chart控件實現，曲線圖的時間軸為發酵時間或采樣時間，用戶可以按照自己的需求切換。用戶可在系統內存所有批次的所有參數中選取繪制曲線的目標參數，根據自己的需求靈活地繪制曲線圖：(1)將實時批次中的關鍵發酵參數繪制在曲線圖中，曲線圖隨著數據量的增加而自動更新。用戶可實時監控關鍵參數的變化，以此作為操作和工藝控制的依據。(2)將多個歷史發酵批次中的關鍵發酵參數繪制在同一張曲線圖中，用戶可通過比較各批次關鍵發酵參數的變化規律對發酵生產過程進行分析，為工藝的改進提供依據。(3)將歷史批次和實時批次的關鍵發酵參數繪制在一張曲線圖中，用戶能夠以生產性能較好的歷史批次作為對照，對實時批次的生產狀況作出初步的判斷。為了提供更加靈活的曲線比較功能，用戶可在一個窗口界面上添加多個繪圖區，每個繪圖區內可獨立繪制曲線圖，互不干擾。繪圖區的尺寸大小允許用戶設置，與此同時，提供了垂直和左右分欄兩種排列繪圖區的方式供用戶選擇。

各參數的數量級可能存在很大的差異，因此在同一個繪圖區展示多條時，難以用一個相同的縱坐標軸繪制所有的曲線。為解決這一問題，本軟件系統在繪制曲線圖時，各參數的數值全部使用歸一化處理(0%～100%)后的數據。軟件系統可根據各發酵參數取值范圍自動調整歸一化的上限和下限，用戶也可以人工設置各參數的歸一化上限和下限。當用戶將鼠標懸停于曲線之上時，會自動彈出提示框，為用戶顯示該曲線的批次號、參數名稱以及鼠標所指向數據點的參數實測值。

2 “百侖慧神”發酵數據采集/分析系統在畢赤酵母發酵中的應用

將Bioplot軟件系統應用于重組畢赤酵母發酵產外源蛋白的過程中，來測試系統的功能及穩定性。接下來將從數據接口配置、批次管理、數據管理及顯示和曲線圖等幾個方面描述本軟件系統的應用過程和結果。

2.1 數據接口配置

初次連接特定的發酵設備之前，需要在本軟件系統中配置發酵設備服務器的連接參數。如前所述，配置服務器連接參數時，只需將其以鍵-值對形式寫入指定的XML配置文件中即可。利用兩臺來自于不同生產廠商的發酵罐來測試本軟件系統的通用性，設備信息如表1所示。

表1 發酵設備的屬性參數Table 1 The property parameters of fermentation tank

數據接口的配置過程包括以下幾步：

(1)配置發酵罐編號：將本軟件系統中需要采用的發酵罐編號寫入配置文件中。發酵罐編號所對應的key值為“DevicesLabel”，將設備編號(A#和B#)以半角格式的逗號分隔，寫入“DevicesLabel”對應的“value”值中。

(2)配置服務器類型及連接參數：將每個發酵設備所對應的服務器名稱、類型和參數寫入配置文件中，以自定義的服務器名稱(serverBL和serverBX)為key值，以“服務器類型___參數1,參數2”格式的字符串為value值。

(3)配置變量：將本軟件系統內部預留的參數變量與服務器所提供的發酵參數建立連接。在配置文件中，以軟件系統內部預留的參數變量為key值，以“服務器名稱～服務器中的變量名稱”格式的字符串為value值。服務器中不提供數據接口的變量或軟件系統中不采集的變量名稱用“***”表示。

將兩個發酵罐的服務器連接參數按照上述格式寫入XML配置文件后，運行本軟件系統，即可將發酵設備下位機中提供的數據讀取至本系統中。連接不同的發酵設備時，只需要配置不同的服務器連接參數即可，本系統已預留了與幾種通用通信方式連接的數據接口，具有較強的通用性。

2.2 批次管理

配置發酵批次命名規則，本研究中為“Field1～Field5”各配置一個命名字段，分別為“部門”、“產品”、“操作人”、“驗收人”和“目標客戶”。修改配置文件，分別以“Field1～Field5”為key值，以“字段名稱,選項1,選項2,選項3,……”格式的字符串為value值。若所需的命名字段不足5個，則按照順序依次配置，不配置內容的命名字段value值為空即可。

本次實驗中使用的設備為A#發酵罐、“部門”為“研發”、“操作人”為“賈祿強”、“驗收人”為“史仲平”、目標客戶為“上海百侖”。在新建批號窗口中為每個字段選定相應的選項，之后再點擊“創建批號”按鈕，系統就會提示批號創建成功。新建批號的窗口設置如圖2所示。

2.3 數據管理及展示

發酵過程中采集到的實時數據以及從數據庫中加載的歷史數據均能以數據報表的形式展示給用戶。在線數據報表如圖2所示，若數據報表中展示的是實時批次的在線數據，報表中的數據會隨著發酵的進行而自動更新。離線數據報表如圖3所示，點擊界面上的“添加采樣點”按鈕，則會在數據報表中增加一條記錄，用戶可根據實際情況修改采樣時間以及各采樣點離線參數的數值。圖片管理界面如圖4所示，用戶可在該界面中查看比較導入軟件系統的圖片文件。事件管理界面如圖5所示，點擊“添加”按鈕可以增加一條事件記錄，用戶可根據實際情況修改事件記錄的時間以及事件記錄的內容。

圖3 在線數據報表Fig.3 Online data report注：該圖為在線數據顯示界面，已打開的批次名稱顯示在界面左側的樹形視圖中，在線數據以表格的形式呈現在界面上，用戶能夠選擇批次名稱和數據類型，查看并導出不同批次的在線(離線)數據。

圖4 離線數據報表Fig.4 Off-line data report注：該圖為離線數據顯示界面，已打開的批次名稱顯示在界面左側的樹形視圖中，離線數據以表格形式顯示在界面上，用戶點擊單元格右側的按鈕，可以編輯和修改單元格中的內容。

圖5 圖片管理界面Fig.5 Image management Interface注：該圖為圖片管理界面，用于查看和修改導入系統中的圖片信息，用戶選中樹形視圖中的批次名稱進行圖片導入、刪除和修改操作，也可以對選中的多張圖片進行排序和比較操作。

圖6 事件管理界面Fig.6 Event management Interface注：該圖為事件管理界面，不同批次的事件記錄以表格的形式呈現在界面上，用戶選中樹形視圖中的批次名稱可以查看和導出相關的事件記錄表格，單擊當前單元格右側的按鈕可以修改采樣時間和編輯事件內容。

2.4 曲線圖

發酵過程中采集到的實時數據會自動保存到數據庫中，將發酵實時數據對發酵相對時間作圖，如圖7所示。將多個批次的歷史發酵數據進行作圖比較，可用來分析這些發酵批次間的共性與差異，如圖8所示。將鼠標懸停于某條曲線之上，會自動彈出提示，顯示鼠標所指向數據點的時間及參數。

圖7 實時曲線圖Fig.7 Real time curves注：該圖為實時曲線圖的顯示界面，用戶選中不同的參數繪制曲線圖，并對曲線圖的橫縱坐標、圖例位置、取點方式以及刷新時間間隔進行設置，來查看和分析各發酵參數的實時變化情況。

圖8 歷史曲線圖Fig.8 Hstorical curves注：該圖為歷史曲線圖的顯示界面，已打開的歷史批次顯示在界面左側的樹形視圖中，用戶選中不同歷史批次的在線(離線)參數繪制曲線圖，將鼠標懸停在曲線上的某一點以查看該點的橫縱坐標值。

3 結語

本款軟件以C#作為主要的開發工具，提供了友好、美觀、便于操作的圖形用戶界面，采用MySQL關系型數據庫作為后臺數據庫，使得用戶能夠靈活地實現數據檢索、備份、增加、刪除等數據管理功能。軟件在設計過程中，預留了3種工業控制中常用的通信接口，能夠兼容絕大多數的發酵設備，具有良好的設備通用性。與組態上位機軟件相比，本款軟件在數據運算和數據管理方面更具優勢，使用本款軟件，用戶能夠高效地管理發酵工業化規模下復雜的發酵數據。