本發(fā)明涉及可生物降解地膜配方的理化性能預(yù)測算法，特別涉及一種基于深度學(xué)習(xí)的可生物降解地膜配方的性能預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、長期以來，地膜因其保溫保墑、防蟲抑草等優(yōu)勢(shì)在作物高效生產(chǎn)中發(fā)揮了積極作用，但傳統(tǒng)非降解塑料地膜的大量使用及回收環(huán)節(jié)的缺失導(dǎo)致其殘留污染問題日趨嚴(yán)重。生物降解地膜(bdm)的推廣與應(yīng)用是我國地膜污染防治與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效路徑。然而，目前生物降解地膜的主要生產(chǎn)原料，從生物降解聚酯到改性助劑等種類繁多。不同原料化學(xué)結(jié)構(gòu)與理化性能差異、原料配方比例與彼此間相容性差異使生物降解地膜的理化性能千差萬別。當(dāng)前，生物降解地膜的理化性能仍難以精準(zhǔn)預(yù)判，科研人員只能根據(jù)原料自身的理化性質(zhì)與在地膜配方研發(fā)中長期積累的經(jīng)驗(yàn)粗略判斷，極大阻礙了生物降解地膜的研發(fā)速率。

2、生物降解地膜的配方包括：pbat、pbst、pbsa、pla、ppc、ppcp、pga、pbs、pha、pcl及抗水解劑、抗紫外老化劑、交聯(lián)劑、色母等添加劑中的一種或者多種的合成，在生物降解地膜的配方發(fā)生變化時(shí)，需要快速模擬預(yù)測出材料的理化性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了解決上述問題，本申請(qǐng)基于建立的不同材料配方與理化性能的數(shù)據(jù)庫，利用深度學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)之間的深層關(guān)系，挖掘待預(yù)測數(shù)據(jù)與分子特征內(nèi)在聯(lián)系，快速獲取材料配方的理化性質(zhì)。

2、技術(shù)方案：一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法，包括以下步驟：

3、收集生物降解地膜原料信息，基于原料信息通過合成實(shí)驗(yàn)獲得不同配方材料的性能數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫；

4、所述生物降解地膜原料信息包括不同配方中生物降解聚酯和改性助劑的分子結(jié)構(gòu)、比例以及合成材料的理化性能；所述不同配方材料的性能數(shù)據(jù)包括地膜材料的性能；

5、利用k-fold交叉驗(yàn)證方法將數(shù)據(jù)劃分，將生物降解地膜原料信息作為輸入，不同配方材料的性能數(shù)據(jù)作為輸出，構(gòu)建預(yù)測模型；所述預(yù)測模型包括編碼網(wǎng)絡(luò)、特征提取子網(wǎng)絡(luò)和預(yù)測子網(wǎng)絡(luò)；所述編碼網(wǎng)絡(luò)利用多層感知機(jī)對(duì)配方中的各組成成分進(jìn)行編碼，然后得到配方的隱式特征；所述特征提取子網(wǎng)絡(luò)利用自注意力機(jī)制，對(duì)隱式特征進(jìn)行全局相關(guān)性學(xué)習(xí)獲得樣本的深層特征，所述預(yù)測子網(wǎng)絡(luò)通過線性層，從深層特征中學(xué)習(xí)各個(gè)性能的預(yù)測函數(shù)。

6、進(jìn)一步的，生物降解聚酯的分子結(jié)構(gòu)包括鏈結(jié)構(gòu)與凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，其中鏈結(jié)構(gòu)包括化學(xué)組成，含主鏈化學(xué)組成、端基化學(xué)組成；構(gòu)型，含旋光異構(gòu)；序列結(jié)構(gòu)與平均成分；分子大小，含分子量與分子量分布。

7、其中凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)包括：晶態(tài)結(jié)構(gòu)，含結(jié)晶度、晶粒尺寸、片晶厚度；取向結(jié)構(gòu)與取向度。

8、進(jìn)一步的，改性助劑的分子結(jié)構(gòu)包括化學(xué)組成、構(gòu)型、構(gòu)造、分子大小。

9、進(jìn)一步的，地膜材料的性能包括熱力學(xué)性能，含玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔融溫度、結(jié)晶溫度；流變、熔指、色值、密度、酸值、端羥基含量、厚度、透光性與紫外屏蔽性能、力學(xué)性能，含拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度；水蒸氣與氧氣透過率。

10、進(jìn)一步的，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括對(duì)pbat、pbst、pbsa、pla、ppc、ppcp、pga、pbs、pha、pcl及抗水解劑、抗紫外老化劑、交聯(lián)劑、色母等添加劑中的一種或者多種的合成配方進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用自編碼器方法將不同配方的性能投影到高維空間，然后計(jì)算不同配方之間的歐式距離，基于距離矩陣?yán)镁植慨惓Ｒ蜃觢of方法對(duì)不同的配方進(jìn)行聚類，隨后篩選出所有距離超過50％最長距離的所有配方樣本，讓配方樣本的分布覆蓋所有的材料，并讓不同配方數(shù)據(jù)的分布符合平均分布。

11、進(jìn)一步的，所述編碼網(wǎng)絡(luò)將生物降解地膜原料信息中分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，一方面將分子結(jié)構(gòu)的smiles碼通過哈希編碼轉(zhuǎn)換為的拓展連接指紋編碼；另外一方面，利用圖論將分子結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為分子結(jié)構(gòu)特征值，利用圖卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為圖向量編碼；將所述拓展連接指紋編碼和所述圖向量編碼進(jìn)行拼接，獲得該材料的組合編碼；

12、所述分子結(jié)構(gòu)特征值包括原子向量、鍵向量、全局向量。

13、進(jìn)一步的，所述編碼網(wǎng)絡(luò)共享權(quán)值。

14、進(jìn)一步的，所述利用圖論將分子結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為分子結(jié)構(gòu)特征值，利用圖卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為圖向量編碼具體為：

15、利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理分子結(jié)構(gòu)，每個(gè)分子被表示為一個(gè)圖，其中原子為節(jié)點(diǎn)，化學(xué)鍵為邊，節(jié)點(diǎn)特征通過圖卷積層進(jìn)行更新，圖卷積公式，如下所示：

16、

17、式中，x為節(jié)點(diǎn)特征，a鄰接矩陣是i是單位矩陣，是度矩陣，w是權(quán)重矩陣，σ是非線性激活函數(shù)，y是x的深層特征。

18、進(jìn)一步的，將所述拓展連接指紋編碼和所述圖向量編碼進(jìn)行拼接，獲得該材料的組合編碼，特征拼接表示為：

19、xfinal＝concat(xhash,xgnn)

20、式中，xfinal為組合編碼的最終結(jié)果，xhash為哈希編碼的結(jié)果，xgnn為圖卷積網(wǎng)絡(luò)得到的圖向量結(jié)果。

21、一種計(jì)算設(shè)備，包括：一個(gè)或多個(gè)處理器、一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器以及一個(gè)或多個(gè)程序，其中一個(gè)或多個(gè)程序存儲(chǔ)在所述一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器中并被配置為由所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括用于執(zhí)行一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法。

22、一種存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括指令，所述指令當(dāng)由計(jì)算設(shè)備執(zhí)行時(shí)，使得所述計(jì)算設(shè)備執(zhí)行一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法。

23、有益效果：所建模型可快速預(yù)測不同配方比例下生物降解地膜的理化性能，利用深度學(xué)習(xí)方法獲得不同成分之間的關(guān)聯(lián)信息，模型的預(yù)測性能大大提高。該方法簡便高效、成本低，有望在可降解地膜的評(píng)估、管理和預(yù)言提供基礎(chǔ)工具。

技術(shù)特征：

1.一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法，其特征在于，生物降解聚酯的分子結(jié)構(gòu)包括鏈結(jié)構(gòu)與凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，其中鏈結(jié)構(gòu)包括化學(xué)組成，含主鏈化學(xué)組成、端基化學(xué)組成；構(gòu)型，含旋光異構(gòu)；序列結(jié)構(gòu)與平均成分；分子大小，含分子量與分子量分布；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法，其特征在于，改性助劑的分子結(jié)構(gòu)包括化學(xué)組成、構(gòu)型、構(gòu)造、分子大小。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法，其特征在于，地膜材料的性能包括熱力學(xué)性能，含玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔融溫度、結(jié)晶溫度；流變、熔指、色值、密度、酸值、端羥基含量、厚度、透光性與紫外屏蔽性能、力學(xué)性能，含拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度；水蒸氣與氧氣透過率。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法，其特征在于，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括對(duì)pbat、pbst、pbsa、pla、ppc、ppcp、pga、pbs、pha、pcl生物降解材料及其改性助劑的配方進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用自編碼器方法將不同配方的性能投影到高維空間，然后計(jì)算不同配方之間的歐式距離，基于距離矩陣?yán)镁植慨惓Ｒ蜃觢of方法對(duì)不同的配方進(jìn)行聚類，隨后篩選出所有距離超過50％最長距離的所有配方樣本，讓配方樣本的分布覆蓋所有的材料，并讓不同配方數(shù)據(jù)的分布符合平均分布。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法，其特征在于，所述編碼網(wǎng)絡(luò)將生物降解地膜原料信息中分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，一方面將分子結(jié)構(gòu)的smiles碼通過哈希編碼轉(zhuǎn)換為的拓展連接指紋編碼；另外一方面，利用圖論將分子結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為分子結(jié)構(gòu)特征值，利用圖卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為圖向量編碼；將所述拓展連接指紋編碼和所述圖向量編碼進(jìn)行拼接，獲得該材料的組合編碼；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法，其特征在于，所述利用圖論將分子結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為分子結(jié)構(gòu)特征值，利用圖卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為圖向量編碼具體為：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法，其特征在于，將所述拓展連接指紋編碼和所述圖向量編碼進(jìn)行拼接，獲得該材料的組合編碼，特征拼接表示為：

9.一種計(jì)算設(shè)備，其特征在于，包括：一個(gè)或多個(gè)處理器、一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器以及一個(gè)或多個(gè)程序，其中一個(gè)或多個(gè)程序存儲(chǔ)在所述一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器中并被配置為由所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的方法中的任一方法的指令。

10.一種存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括指令，所述指令當(dāng)由計(jì)算設(shè)備執(zhí)行時(shí)，使得所述計(jì)算設(shè)備執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的方法中的任一方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于配方基因的生物降解地膜性能預(yù)測方法，收集生物降解地膜原料信息，基于原料信息通過合成實(shí)驗(yàn)獲得不同配方材料的性能數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫；將生物降解地膜原料信息作為輸入，不同配方材料的性能數(shù)據(jù)作為輸出，構(gòu)建預(yù)測模型；預(yù)測模型包括編碼網(wǎng)絡(luò)、特征提取子網(wǎng)絡(luò)和預(yù)測子網(wǎng)絡(luò)；編碼網(wǎng)絡(luò)利用多層感知機(jī)對(duì)配方中的各組成成分進(jìn)行編碼，然后得到配方的隱式特征；特征提取子網(wǎng)絡(luò)利用自注意力機(jī)制，對(duì)隱式特征進(jìn)行全局相關(guān)性學(xué)習(xí)獲得樣本的深層特征，預(yù)測子網(wǎng)絡(luò)通過線性層，從深層特征中學(xué)習(xí)各個(gè)性能的預(yù)測函數(shù)。本申請(qǐng)利用深度學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)之間的深層關(guān)系，挖掘待預(yù)測數(shù)據(jù)與分子特征內(nèi)在聯(lián)系，快速獲取材料配方的理化性質(zhì)。

技術(shù)研發(fā)人員：嚴(yán)旎娜,徐磊,蔡澤宇,徐銳,陳敬文,陳珊,鄭志雨
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6