本發(fā)明涉及動(dòng)物凍精保存領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種基于動(dòng)態(tài)降溫曲線優(yōu)化的牦牛凍精冷凍過程智能控制方法。
背景技術(shù)：
1、牦牛凍精技術(shù)是高原牛種遺傳資源保護(hù)和改良利用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。為了在解凍后獲得足夠的精子活力和受精能力，冷凍過程中的降溫速度、冰晶形成位置以及滲透壓變化過程都需要處于相對(duì)合適的范圍，否則就會(huì)因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)結(jié)冰、膜結(jié)構(gòu)損傷或滲透壓沖擊導(dǎo)致大量精子死亡或亞致死損傷。
2、與一般的液體冷凍不同，牦牛精液往往裝填在細(xì)長(zhǎng)的凍精細(xì)管內(nèi)進(jìn)行冷凍，這種幾何結(jié)構(gòu)使得傳熱過程呈現(xiàn)明顯的近似一維特征，由于冷凍過程中的溫度很難做到在空間上的完全均勻，冷量一般從較冷一側(cè)開始沿細(xì)管長(zhǎng)度方向傳導(dǎo)，凍結(jié)前沿也會(huì)沿著細(xì)管軸向從一端向另一端推進(jìn)，從物理上可以把凍精細(xì)管視為一維傳熱或一維凍結(jié)前沿推進(jìn)的模型。
3、在這種一維凍結(jié)模型下，凍結(jié)前沿的推進(jìn)速率對(duì)精子活性具有重要影響。凍結(jié)前沿移動(dòng)過快時(shí)，外部冰晶迅速形成，局部溶質(zhì)濃縮和滲透壓升高的時(shí)間非常短，精子細(xì)胞來不及充分脫水，容易在細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生冰晶，屬于不可逆致死損傷；凍結(jié)前沿移動(dòng)過慢時(shí)，精子長(zhǎng)時(shí)間暴露在低溫高滲環(huán)境中，脫水過度，膜蛋白和脂質(zhì)雙層發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致冷休克損傷和膜不可逆破壞。不同的凍結(jié)前沿推進(jìn)速率還會(huì)導(dǎo)致冰晶大小、分布以及局部機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)存在差異，這些因素都會(huì)反映到解凍后的運(yùn)動(dòng)能力和存活率差異上。因此，僅僅設(shè)定一個(gè)平均降溫速率并不能保證所有細(xì)管內(nèi)的精子都處于合適的凍結(jié)動(dòng)力學(xué)條件之下，一維凍結(jié)前沿在不同空間位置的推進(jìn)行為成為影響牦牛凍精質(zhì)量的重要因素。
4、另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了尋找一條適合牦牛精子的最佳溫度控制曲線，傳統(tǒng)做法往往通過反復(fù)調(diào)節(jié)若干時(shí)間節(jié)點(diǎn)的溫度或功率，然后事后檢測(cè)解凍活力進(jìn)行比較。這種方式的難點(diǎn)在于參數(shù)空間維度較高，降溫程序一旦拆分為多個(gè)時(shí)間段，每一段都可以調(diào)節(jié)溫度或降溫速率，組合數(shù)量極多，靠人工逐一試驗(yàn)效率極低，難以及時(shí)為特定牛種和特定凍精工藝找到接近最優(yōu)的動(dòng)態(tài)降溫曲線。這就導(dǎo)致牦牛凍精冷凍過程仍然存在較大的經(jīng)驗(yàn)性和不確定性，冷凍質(zhì)量在不同批次之間波動(dòng)較大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于動(dòng)態(tài)降溫曲線優(yōu)化的牦牛凍精冷凍過程智能控制方法，以解決背景技術(shù)中提到的問題。
2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
3、一種基于動(dòng)態(tài)降溫曲線優(yōu)化的牦牛凍精冷凍過程智能控制方法，包括如下步驟：
4、s1:采用凍精細(xì)管對(duì)牦牛精液進(jìn)行分裝，將多根所述凍精細(xì)管設(shè)置于環(huán)形托盤上，所述環(huán)形托盤中心設(shè)置冷源，且各凍精細(xì)管沿朝向所述冷源的徑向方向放射性排列，其中，每一個(gè)徑向距離區(qū)間均勻環(huán)繞設(shè)置多個(gè)凍精細(xì)管；
5、s2:在牦牛凍精冷凍過程中，控制所述冷源按照預(yù)設(shè)降溫程序輸出冷量，并驅(qū)動(dòng)所述環(huán)形托盤繞所述冷源的中心軸線旋轉(zhuǎn)；
6、s3:冷凍結(jié)束后執(zhí)行解凍操作并測(cè)量精子活力值，對(duì)徑向距離區(qū)間內(nèi)的多個(gè)凍精細(xì)管的精子活力值進(jìn)行異常值剔除并取平均值或中位數(shù)，得到對(duì)應(yīng)徑向距離區(qū)間的區(qū)間活力值；
7、s4:測(cè)定使所述區(qū)間活力值最高的徑向距離區(qū)間處的溫度曲線；
8、s5:修改所述降溫程序并重復(fù)步驟s1~s4，針對(duì)每個(gè)所述降溫程序獲取一個(gè)所述溫度曲線，并對(duì)多個(gè)所述溫度曲線進(jìn)行聚類，每類統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)的所述活力標(biāo)準(zhǔn)值的平均值作為類別活力值，取對(duì)應(yīng)類別活力值最高的一類所述溫度曲線作為目標(biāo)溫度曲線進(jìn)行冷凍控制。
9、優(yōu)選的，所述溫度曲線為以徑向距離區(qū)間內(nèi)的徑向坐標(biāo)r及冷凍時(shí)間t為自變量的溫度分布曲線t(r,t)。
10、優(yōu)選的，在確定所述區(qū)間活力值最高的徑向距離區(qū)間后，在該徑向距離區(qū)間內(nèi)設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)凍精細(xì)管，并在所述溫度監(jiān)測(cè)凍精細(xì)管的外壁沿其長(zhǎng)度方向布置溫度傳感器，以獲取徑向距離區(qū)間處的溫度隨時(shí)間變化的測(cè)量數(shù)據(jù)，用于形成所述溫度曲線t(r,t)。
11、優(yōu)選的，步驟s3中的所述精子活力值的測(cè)量通過如下方式獲得：對(duì)解凍后的牦牛精液在恒溫顯微觀察裝置下采集至少三個(gè)獨(dú)立顯微視野圖像，在每個(gè)顯微視野圖像中分別計(jì)數(shù)具有連續(xù)前向運(yùn)動(dòng)軌跡的精子數(shù)量na與總精子數(shù)量nt，并以各顯微視野圖像中的na/nt的算術(shù)平均值作為對(duì)應(yīng)凍精細(xì)管的精子活力值。
12、優(yōu)選的，步驟s3中對(duì)徑向距離區(qū)間內(nèi)多個(gè)凍精細(xì)管的精子活力值進(jìn)行異常值剔除具體包括：針對(duì)同一徑向距離區(qū)間內(nèi)的多個(gè)凍精細(xì)管，計(jì)算其精子活力值的組內(nèi)平均值μ及組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差σ，將精子活力值與所述平均值μ的差值絕對(duì)值大于預(yù)設(shè)閾值系數(shù)k與所述標(biāo)準(zhǔn)差σ的乘積的凍精細(xì)管判定為異常樣本并予以剔除，保留的凍精細(xì)管精子活力值用于計(jì)算所述徑向距離區(qū)間對(duì)應(yīng)的區(qū)間活力值。
13、優(yōu)選的，閾值系數(shù)k取2～3。
14、優(yōu)選的，步驟s5中對(duì)降溫程序的修改通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)，具體包括：將各次冷凍實(shí)驗(yàn)所得的最大的區(qū)間活力值作為獎(jiǎng)賞信號(hào)r，將當(dāng)前所采用的降溫程序作為狀態(tài)變量s，將對(duì)所述降溫程序的參數(shù)調(diào)整作為動(dòng)作a，通過對(duì)多輪冷凍實(shí)驗(yàn)的獎(jiǎng)賞累計(jì)值進(jìn)行更新，依據(jù)預(yù)設(shè)的策略更新公式選擇使長(zhǎng)期獎(jiǎng)賞累計(jì)值最大的降溫程序作為下一輪冷凍實(shí)驗(yàn)的降溫程序候選方案。
15、優(yōu)選的，所述聚類的過程包括：對(duì)每條溫度曲線采樣得到在統(tǒng)一時(shí)間尺度上的離散溫度序列，并采用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整距離或歐氏距離計(jì)算任意兩條離散溫度序列之間的相似度，利用預(yù)設(shè)聚類數(shù)k的k-均值聚類算法對(duì)所述離散溫度序列進(jìn)行聚類，將與所屬簇中心的距離大于簇中心半徑閾值的溫度曲線視為異常曲線并予以剔除，并對(duì)每個(gè)有效聚類類別計(jì)算對(duì)應(yīng)活力標(biāo)準(zhǔn)值的平均值作為所述類別活力值。
16、優(yōu)選的，在選定用于冷凍控制的目標(biāo)溫度曲線后，在與所述目標(biāo)溫度曲線對(duì)應(yīng)的降溫程序控制下，在對(duì)應(yīng)于所述目標(biāo)溫度曲線的徑向距離區(qū)間處沿豎直方向設(shè)置多層相互疊放的環(huán)形托盤，每一層所述環(huán)形托盤在所述目標(biāo)徑向距離區(qū)間內(nèi)均勻環(huán)繞排列多個(gè)凍精細(xì)管。
17、優(yōu)選的，其中，在牦牛凍精冷凍過程中驅(qū)動(dòng)各層所述環(huán)形托盤繞所述冷源的中心軸線同步轉(zhuǎn)動(dòng)。
18、本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明針對(duì)一維傳熱與凍結(jié)前沿推進(jìn)特性難以利用的現(xiàn)狀，構(gòu)建了一個(gè)能夠在單次冷凍實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)掃描多種凍結(jié)速率并自動(dòng)篩選出最優(yōu)動(dòng)態(tài)溫控曲線的技術(shù)框架。通過將多根凍精細(xì)管放置在環(huán)形托盤上，并使細(xì)管沿朝向中心冷源的徑向方向呈放射狀排列，在幾何結(jié)構(gòu)上構(gòu)造出一類近似一維的凍結(jié)模型：同一根凍精細(xì)管的一端相對(duì)更靠近冷源，另一端相對(duì)更遠(yuǎn)離冷源，傳熱主通道沿細(xì)管長(zhǎng)度方向展開，凍結(jié)前沿自冷端向熱端推進(jìn)，符合一維凍結(jié)的物理特征。同時(shí)，不同徑向距離區(qū)間的凍精細(xì)管與冷源之間的空間距離不同，所經(jīng)歷的整體降溫速率、凍結(jié)前沿推進(jìn)速率、每個(gè)徑向距離區(qū)間的溫度曲線均存在差異，從而在一次冷凍過程中自然生成了多種不同凍結(jié)速率條件以及對(duì)應(yīng)的多種不同的溫度–時(shí)間曲線，大大提高了效率。
19、由于冷源本身往往難以做到完全徑向?qū)ΨQ，液氮蒸汽流動(dòng)、冷頭結(jié)構(gòu)、支撐部件遮擋等因素都會(huì)導(dǎo)致同一徑向距離上不同角度位置的細(xì)管受冷強(qiáng)度存在差異，本發(fā)明通過驅(qū)動(dòng)環(huán)形托盤繞冷源中心軸線旋轉(zhuǎn)，使各個(gè)角向位置的凍精細(xì)管在冷凍過程中輪流經(jīng)過不同的冷源方位，從時(shí)間平均意義上獲得相近的受冷條件，從而顯著削弱冷源角向不均勻性帶來的誤差。在同一徑向距離區(qū)間內(nèi)布置多個(gè)凍精細(xì)管，并對(duì)解凍后的精子活力值進(jìn)行異常值剔除和統(tǒng)計(jì)平均，中和了個(gè)體樣本偶然波動(dòng)的影響，使得到的區(qū)間活力值更能反映對(duì)應(yīng)凍結(jié)速率的真實(shí)效果，這相比傳統(tǒng)依賴少數(shù)樣本的比較方式具有更高的穩(wěn)定性和代表性。
20、在此基礎(chǔ)上，通過在區(qū)間活力值最高的徑向距離區(qū)間內(nèi)設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)凍精細(xì)管，并沿其長(zhǎng)度布置微型溫度傳感器或薄膜式溫度傳感器，獲得該區(qū)間的一維溫度分布曲線t(r,t)，使最優(yōu)凍結(jié)條件不再停留在抽象的某個(gè)大致降溫速度層面，而是具體量化為可以重復(fù)跟蹤和控制的目標(biāo)溫度曲線。進(jìn)一步地，將多次實(shí)驗(yàn)獲得的溫度曲線進(jìn)行采樣和聚類分析，剔除與簇中心偏差過大的異常曲線，利用類別活力值最高的曲線作為目標(biāo)溫度曲線，可以減少單次實(shí)驗(yàn)偶然因素導(dǎo)致的誤判，使動(dòng)態(tài)降溫曲線的選取更加魯棒和客觀。
21、本發(fā)明還引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制對(duì)降溫程序進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，將各輪實(shí)驗(yàn)的最大區(qū)間活力值視為獎(jiǎng)賞，將當(dāng)前降溫程序視為狀態(tài)，對(duì)程序參數(shù)調(diào)整視為動(dòng)作，隨著多輪冷凍試驗(yàn)的進(jìn)行，逐步強(qiáng)化那些在長(zhǎng)期表現(xiàn)中具備更高精子活力回報(bào)的降溫程序。相較于僅憑人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整降溫方案，這種基于獎(jiǎng)賞累積的自學(xué)習(xí)方式可以在復(fù)雜的參數(shù)空間中自動(dòng)探索高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)降溫曲線組合，提高尋找最優(yōu)溫控曲線的效率，降低對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)的依賴，使牦牛凍精冷凍過程更趨向智能化和可量化控制。
22、通過上述結(jié)構(gòu)布局、旋轉(zhuǎn)均勻化、多樣凍結(jié)速率掃描、異常樣本剔除、溫度曲線聚類和強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化等多層次手段，本發(fā)明能夠有效解決傳統(tǒng)牦牛凍精冷凍中難以快速、穩(wěn)定地找到最佳溫控曲線的問題，提高解凍后精子活力和批次間一致性。