CN113203701A - 一种原油产地溯源方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原油产地溯源方法和装置，包括获取样本原油试样的红外吸收光谱数据；基于所述红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，其中所述原油红外指纹数据库中包括所述样本原油试样的指纹数据和产地信息；将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。本发明采用原油红外指纹法鉴定原油来源具有效率高、适用范围广、准确度较高等优点，弥补了我国在原油监管时，难于鉴别其来源的技术空白，具有实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及原油监管技术领域，尤其涉及一种原油产地溯源方法和装置。
背景技术
原油是世界最主要的能源消费品和化工原料，被誉为“工业的血液”，在现代经济生活中扮演着重要角色。作为世界第二大经济体，中国对原油的需求日益增长，且国内供应短缺，从境外进口原油是满足需求的一种重要途径。目前亟需建立鉴别不同产地原油的快速、简便、准确的技术方法，对于保障我国能源安全，了解原油出产地，确保进口原油无掺假等，具有重要意义和应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种原油产地溯源方法和装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种原油产地溯源方法，所述方法包括：
获取样本原油试样的红外吸收光谱数据；
基于所述红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，其中所述原油红外指纹数据库中包括所述样本原油试样的指纹数据和产地信息；
将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
本方法发明的有益效果是：提出了一种原油产地溯源方法，获取样本原油试样的红外吸收光谱数据；基于所述红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，其中所述原油红外指纹数据库中包括所述样本原油试样的指纹数据和产地信息；将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。本发明采用原油红外指纹法鉴定原油来源具有效率高、适用范围广、准确度较高等优点，弥补了我国在原油监管时，难于鉴别其来源的技术空白，具有实用价值。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，所述基于样本原油试样的红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，具体包括：
根据所述红外吸收光谱数据，确定所述样本原油试样的备选特征量；
采用主成分分析法对所述备选特征量进行分析，剔除干扰特征量，并通过多维标度分析法验证剔除所述干扰特征量的合理性；
对剔除了所述干扰特征量的备选特征量进行标准化处理后，得到所述样本原油的指纹数据，并将所述指纹数据存入所述原油红外指纹数据库。
进一步地，所述根据所述红外吸收光谱数据，确定所述样本原油试样的备选特征量，具体包括：
根据原油在中红外波长范围内的吸收特征，选定所述红外吸收光谱中的多个特征吸收峰作为第一预备选特征量；
根据原油在不同波数范围内的背景吸收强度的差异情况，选择了多个波数范围的平均背景吸收强度作为第二预备选特征量；
汇总所述第一预备选特征量值和所述第二预备选特征量值，得到所述备选特征量。
进一步地所述采用主成分分析法对所述备选特征量进行分析，剔除干扰特征量，并通过多维标度分析法验证剔除所述干扰特征量的合理性，具体包括：
采用主成分分析法，计算所述备选特征量对区分所述样本原油的贡献度；
根据所述贡献度，确定可替代特征量，并将所述可替代特征量作为所述干扰特征量进行剔除；
对剔除了所述干扰特征量后的所述备选特征量进行二维标度分析，得到二维标度分析压力因子，若所述二维标度分析压力因子的值在预设阈值范围内，则剔除所述干扰特征量是合理的。
进一步地，所述将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息，具体包括：
构建基于所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据的相似图，得到相似度矩阵；
对所述相似度矩阵进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
进一步地，所述方法还包括：
利用衰减全反射法测定样本原油试样的红外吸收光谱数据。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种原油产地溯源装置，所述装置包括：
检测模块，用于获取样本原油试样的红外吸收光谱数据；
建立数据库模块，用于基于所述红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，其中所述原油红外指纹数据库中包括所述样本原油试样的指纹数据和产地信息；
分析模块，用于将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
本装置发明的有益效果是：提出了一种原油产地溯源装置，获取样本原油试样的红外吸收光谱数据；基于所述红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，其中所述原油红外指纹数据库中包括所述样本原油试样的指纹数据和产地信息；将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。本发明采用原油红外指纹法鉴定原油来源具有效率高、适用范围广、准确度较高等优点，弥补了我国在原油监管时，难于鉴别其来源的技术空白，具有实用价值。
进一步地，所述建立数据库模块，具体用于根据所述红外吸收光谱数据，确定所述样本原油试样的备选特征量；
采用主成分分析法对所述备选特征量进行分析，剔除干扰特征量，并通过多维标度分析法验证剔除所述干扰特征量的合理性；
对剔除了所述干扰特征量的备选特征量进行标准化处理后，得到所述样本原油的指纹数据，并将所述指纹数据存入所述原油红外指纹数据库。
进一步地，所述建立数据库模块，具体用于根据原油在中红外波长范围内的吸收特征，选定所述红外吸收光谱中的多个特征吸收峰作为第一预备选特征量；
根据原油在不同波数范围内的背景吸收强度的差异情况，选择了多个波数范围的平均背景吸收强度作为第二预备选特征量；
汇总所述第一预备选特征量值和所述第二预备选特征量值，得到所述备选特征量。
进一步地，所述分析模块，具体用于构建基于所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据的相似图，得到相似度矩阵；
对所述相似度矩阵进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的一种原油产地溯源方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所述的一种原油产地溯源装置的模块示意图；
图3为本发明实施例所述的原油的红外吸收谱图；
图4为本发明实施例所述的32个备选特征量的二维标度图；
图5为本发明实施例所述的26个备选特征量的二维标度图；
图6为本发明实施例所述的对待鉴别原油试样和原油红外指纹数据库中的数据进行聚类分析的树状图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1本发明实施例所述的一种原油产地溯源方法的流程示意图所示，一种原油产地溯源方法包括以下步骤：
110、获取样本原油试样的红外吸收光谱数据。
120、基于所述红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，其中所述原油红外指纹数据库中包括所述样本原油试样的指纹数据和产地信息。
130、将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
基于上述实施例提出的一种原油产地溯源方法，获取样本原油试样的红外吸收光谱数据；基于所述红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，其中所述原油红外指纹数据库中包括所述样本原油试样的指纹数据和产地信息；将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。本发明采用原油红外指纹法鉴定原油来源具有效率高、适用范围广、准确度较高等优点，弥补了我国在原油监管时，难于鉴别其来源的技术空白，具有实用价值。
基于上述实施例，进一步地，步骤120中包括：
121、根据所述红外吸收光谱数据，确定所述样本原油试样的备选特征量。
122、采用主成分分析法对所述备选特征量进行分析，剔除干扰特征量，并通过多维标度分析法验证剔除所述干扰特征量的合理性。
123、对剔除了所述干扰特征量的备选特征量进行标准化处理后，得到所述样本原油的指纹数据，并将所述指纹数据存入所述原油红外指纹数据库。
进一步地，步骤121中具体包括：
1211、根据原油在中红外波长范围内的吸收特征，选定所述红外吸收光谱中的多个特征吸收峰作为第一预备选特征量。
1212、根据原油在不同波数范围内的背景吸收强度的差异情况，选择了多个波数范围的平均背景吸收强度作为第二预备选特征量。
1213、汇总所述第一预备选特征量值和所述第二预备选特征量值，得到所述备选特征量。
进一步地，步骤122中具体包括：
1221、采用主成分分析法，计算所述备选特征量对区分所述样本原油的贡献度。
1222、根据所述贡献度，确定可替代特征量，并将所述可替代特征量作为所述干扰特征量进行剔除。
1223、对剔除了所述干扰特征量后的所述备选特征量进行二维标度分析，得到二维标度分析压力因子，若所述二维标度分析压力因子的值在预设阈值范围内，则剔除所述干扰特征量是合理的。
进一步地，步骤130中具体包括：
131、构建基于所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据的相似图，得到相似度矩阵。
132、对所述相似度矩阵进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
进一步地，利用衰减全反射法测定样本原油试样的红外吸收光谱数据。
应理解，本实施例中可采用傅里叶变换红外光谱仪(Necolet 380)检测试样的红外吸收光谱，其中仪器参数中的分辨率为2cm-1，波数测量范围为 4000～650cm-1，扫描次数为16次。仪器检测波长经标准波长聚苯乙烯薄膜校正，采样方法为衰减全反射(ATR)法，折射晶体为ZnSe，折射角度为45°。每次检测前，采集背景并扣除背景值，如图3本发明实施例所述的原油的红外吸收谱图所示，其中，每个试样在4000～650cm-1波数测量范围内存在3481 个数据点。如果对这些数据点不加选择，不仅会加大数据处理难度，还会因为测量的偶然误差而掩盖不同原油红外吸收特征光谱间的差异。因此，根据原油在中红外波长范围内的吸收特征，确定了29个备选的特征吸收峰作为备选特征量值如表1。此外，由于不同原油在不同波数范围的背景吸收强度存在差异，根据原油在不同波数范围内的背景吸收强度的差异情况，选择了 3个波数范围的平均背景吸收强度作为备选特征量值。
采用主成分分析(PCA)，对32个备选特征量对样品分类的贡献进行分组。分组结果见表1主成分分析(PCA)中各合成维度的贡献和表2主成分分析(PCA)中备选特征量对合成维度的贡献。为压缩数据量，避免特征量过度重复影响统计结果，本研究依据PCA分析结果、特征量值的测试灵敏度和抗干扰能力，对近似的备选特征量值进行剔除。
表1
表2
由表1可以看出，前5个维度为区分所有样本的贡献达到了83.2％，再增加维度，仅能小幅增加区分度。因此，我们选择前5个维度对备选特征量进行比较分析。备选特征量B3与B2对前5个维度的贡献近似，因此剔除 B3。同理，剔除备选特征量A3、A10、A14和A17。此外，由于A4受CO2 吸收峰干扰大，也予以剔除。对所有32个备选特征量作二维MDS分析可知，备选特征量B3、A3、A4、A10、A14和A17均为可替代特征量，剔除后对统计分辨率不会产生显著影响。
对剔除上述备选特征量后的结果重新做二维MDS分析，如图1和图2 所示，代表相同或近似功能团的特征量在二维MDS图上距离近，代表不同功能团的特征量位于MDS图上不同区域，表明本研究选取的特征量能够满足构建红外指纹数据库的要求。剔除上述备选特征量后的二维MDS分析压力因子，与包含所有备选特征量时相比，压力因子反而小幅下降，由0.10 降至0.08。该现象表明剔出上述备选特征量不仅不会降低分辨效率，反而有可能会剔出部分干扰因素，得到更高的分辨率。
依据提取的特征量构建原油红外指纹数据库，并对指纹数据经过标准化处理后，计算相似性矩阵，并采用聚类分析，对不同来源原油的指纹数据进行量度，以便直观反应不同来源原油的近似程度。
如图6本发明实施例所述的对待鉴别原油试样和原油红外指纹数据库中的数据进行聚类分析的树状图所示，选择了三个原油样品作为盲样如小表3 所示，依据本研究建立的原油红外指纹数据库和提出的计量方法，对盲样进行定性判别，用于验证原油红外指纹数据库和计量方法的适用性。
| 样品标识 | 实际品种 |
| Unknow1 | Arabian Heavy |
| Unknow2 | Merey |
| Unknow3 | Upper Zakum |
表3
如图2本发明实施例所述的一种原油产地溯源装置的模块结构图所示，
一种原油产地溯源装置包括：
检测模块，用于获取样本原油试样的红外吸收光谱数据；
建立数据库模块，用于基于所述红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，其中所述原油红外指纹数据库中包括所述样本原油试样的指纹数据和产地信息；
分析模块，用于将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
进一步地，所述建立数据库模块，具体用于根据所述红外吸收光谱数据，确定所述样本原油试样的备选特征量；
采用主成分分析法对所述备选特征量进行分析，剔除干扰特征量，并通过多维标度分析法验证剔除所述干扰特征量的合理性；
对剔除了所述干扰特征量的备选特征量进行标准化处理后，得到所述样本原油的指纹数据，并将所述指纹数据存入所述原油红外指纹数据库。
进一步地，所述建立数据库模块，具体用于根据原油在中红外波长范围内的吸收特征，选定所述红外吸收光谱中的多个特征吸收峰作为第一预备选特征量；
根据原油在不同波数范围内的背景吸收强度的差异情况，选择了多个波数范围的平均背景吸收强度作为第二预备选特征量；
汇总所述第一预备选特征量值和所述第二预备选特征量值，得到所述备选特征量。
进一步地，所述分析模块，具体用于构建基于所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据的相似图，得到相似度矩阵；
对所述相似度矩阵进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种原油产地溯源方法，其特征在于，所述方法包括：
获取样本原油试样的红外吸收光谱数据；
基于所述红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，其中所述原油红外指纹数据库中包括所述样本原油试样的指纹数据和产地信息；
将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
2.根据权利要求1所述的原油产地溯源方法，其特征在于，所述基于样本原油试样的红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，具体包括：
根据所述红外吸收光谱数据，确定所述样本原油试样的备选特征量；
采用主成分分析法对所述备选特征量进行分析，剔除干扰特征量，并通过多维标度分析法验证剔除所述干扰特征量的合理性；
对剔除了所述干扰特征量的备选特征量进行标准化处理后，得到所述样本原油的指纹数据，并将所述指纹数据存入所述原油红外指纹数据库。
3.根据权利要求2所述的原油产地溯源方法，其特征在于，所述根据所述红外吸收光谱数据，确定所述样本原油试样的备选特征量，具体包括：
根据原油在中红外波长范围内的吸收特征，选定所述红外吸收光谱中的多个特征吸收峰作为第一预备选特征量；
根据原油在不同波数范围内的背景吸收强度的差异情况，选择了多个波数范围的平均背景吸收强度作为第二预备选特征量；
汇总所述第一预备选特征量值和所述第二预备选特征量值，得到所述备选特征量。
4.根据权利要求2所述的原油产地溯源方法，其特征在于，所述采用主成分分析法对所述备选特征量进行分析，剔除干扰特征量，并通过多维标度分析法验证剔除所述干扰特征量的合理性，具体包括：
采用主成分分析法，计算所述备选特征量对区分所述样本原油的贡献度；
根据所述贡献度，确定可替代特征量，并将所述可替代特征量作为所述干扰特征量进行剔除；
对剔除了所述干扰特征量后的所述备选特征量进行二维标度分析，得到二维标度分析压力因子，若所述二维标度分析压力因子的值在预设阈值范围内，则剔除所述干扰特征量是合理的。
5.根据权利要求1所述的原油产地溯源方法，其特征在于，所述将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息，具体包括：
构建基于所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据的相似图，得到相似度矩阵；
对所述相似度矩阵进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
6.根据权利要求1所述的原油产地溯源方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用衰减全反射法测定样本原油试样的红外吸收光谱数据。
7.一种原油产地溯源装置，其特征在于，所述装置包括：
检测模块，用于获取样本原油试样的红外吸收光谱数据；
建立数据库模块，用于基于所述红外吸收光谱数据和主成分分析法，建立原油红外指纹数据库，其中所述原油红外指纹数据库中包括所述样本原油试样的指纹数据和产地信息；
分析模块，用于将所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
8.根据权利要求7所述的原油产地溯源装置，其特征在于，
所述建立数据库模块，具体用于根据所述红外吸收光谱数据，确定所述样本原油试样的备选特征量；
采用主成分分析法对所述备选特征量进行分析，剔除干扰特征量，并通过多维标度分析法验证剔除所述干扰特征量的合理性；
对剔除了所述干扰特征量的备选特征量进行标准化处理后，得到所述样本原油的指纹数据，并将所述指纹数据存入所述原油红外指纹数据库。
9.根据权利要求8所述的原油产地溯源装置，其特征在于，
所述建立数据库模块，具体用于根据原油在中红外波长范围内的吸收特征，选定所述红外吸收光谱中的多个特征吸收峰作为第一预备选特征量；
根据原油在不同波数范围内的背景吸收强度的差异情况，选择了多个波数范围的平均背景吸收强度作为第二预备选特征量；
汇总所述第一预备选特征量值和所述第二预备选特征量值，得到所述备选特征量。
10.根据权利要求7所述的原油产地溯源装置，其特征在于，
所述分析模块，具体用于构建基于所述原油红外指纹数据库中的指纹数据和待鉴别原油试样的指纹数据的相似图，得到相似度矩阵；
对所述相似度矩阵进行聚类分析，得到所述待鉴别原油试样的产地信息。
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