《Measurement》：Study on the localization of citrus at the early deteriorated stage combined with sensor layout considering diffusion characteristics at different positions
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摘要柑橘在储存过程中容易变质，造成巨大损失，而定位则是进行有效管理的基础。气体传感器作为一种具有潜力的检测技术，利用气体扩散能够穿透障碍物的特性。然而，目前尚未有利用气体传感器进行定位的研究。此外，传感器布局与定位密切相关，应一同进行研究。因此，本研究针对处于早期变质阶段的柑橘，
摘要
柑橘在储存过程中容易变质，造成巨大损失，而定位则是进行有效管理的基础。气体传感器作为一种具有潜力的检测技术，利用气体扩散能够穿透障碍物的特性。然而，目前尚未有利用气体传感器进行定位的研究。此外，传感器布局与定位密切相关，应一同进行研究。因此，本研究针对处于早期变质阶段的柑橘，同时研究了气体传感器布局与定位算法。气体动力学模拟与实验结果一致性较好，且都显示了不同位置上气体扩散特性的差异。此外，还探讨了检测距离，并根据标准差将传感器布局分为三个距离等级。随后，提出了一种传感器布局方法并确定了具体的布局方案。结合该布局方案，进一步提出了两步定位算法。同时，引入了偏心圆模型来建立不同位置下传感器信号与距离之间的关系，取得了良好效果。将容器划分为九个区域，首先在其中一个区域内识别出被检测的柑橘，准确率达到了100％。之后，根据传感器的重要性依次引入传感器，并计算出其精确位置。最终，平均定位误差为2.08厘米，显示出该传感器布局及定位算法的良好性能。本研究为早期变质阶段柑橘的定位提供了一种新方法，对实际应用具有重要意义。
引言
柑橘是全球范围内种植最广泛、经济价值最高的果树作物之一，其产量约为1.43亿吨[1]。此外，柑橘富含多种功能性成分，如维生素、柠檬类化合物和抗氧化剂，对人类健康具有益处[2]。在中国，柑橘也是一种重要的经济型园艺作物[3]，帮助许多农民摆脱贫困。然而，在储存期间，柑橘很容易变质，每年都会造成巨大的产量损失和经济损失。而且，变质后的柑橘还存在较高的交叉污染风险，容易导致大面积腐烂。因此，及时预测并确定处于早期变质阶段的柑橘位置，对于有效管理、减少损失具有重要意义。
但目前尚无适用于早期变质阶段柑橘定位的合适技术。视觉技术[4]、[5]、[6]虽被广泛应用，但难以识别隐藏在柑橘堆中的变质柑橘，限制了该技术的应用。因此，选择了非破坏性且检测速度快的气体传感器[7]、[8]作为检测工具。目前已有大量基于气体传感器检测柑橘品质的研究成果，对于感染了实蝇Bactrocera dorsalis [9]、青霉Penicillium digitatum [10]、黄龙病[11]等病虫害的柑橘，均能实现检测，并展现出较高的诊断准确性。此外，气体传感器还能检测到冻害[12]和成熟度[13]等其他柑橘品质参数，且效果良好。
另一方面，也有不少关于检测柑橘品质的研究，结果表明，柑橘释放的挥发性有机化合物（VOCs）会随着品质变化而发生变化[14]、[15]。因此，基于VOCs检测柑橘品质是可行的，而气体传感器正是一种有效的检测技术。此外，VOCs具有自然扩散的特性，能够轻松绕过各种障碍物。
然而，关于柑橘定位的相关研究却十分少见。储藏室内的传感器布局以及用于柑橘定位的传感器信息融合是两个核心问题，二者相互关联，合理的传感器布局对定位效果至关重要。目前，互信息梯度[16]和混合元启发式算法[17]等传统优化方法被广泛用于提升传感器布置的效率，但很少考虑样品在不同位置的扩散特性，这降低了检测精度，也使得相关研究缺乏系统性。在定位方法方面，目前主要研究的是管道泄漏检测[18]、化工厂排放检测[19]以及电池故障检测[20]等场景下的气体源定位问题。人工智能/机器学习算法（如LSTM-RNN、加权融合算法、鱼群算法等）也被应用于此类研究，实现了较高的定位精度[21]、[22]、[23]、[24]。不过，这些应用场景中，物品受损后的VOCs特征存在明显差异，而农产品的品质衰变过程较为缓慢，这使得定位难度更大，通常需要结合多个传感器才能获得更精确的位置信息。
因此，本研究将传感器布局与柑橘定位方法结合在一起进行研究。同时，考虑传感器布局因素进行定位处理，形成了系统的研究及优化方案。具体而言，本研究聚焦于早期变质阶段的柑橘定位，提出了一种适合农业场景的定位方法。本研究的目标包括：（1）研究容器不同位置上传感器信号与距离之间的关系，确定最优的传感器布局；（2）提出一种能够充分考虑不同位置传感器特性、具备高精度和强可扩展性的定位算法；（3）实现柑橘的精准定位，为其在实际应用中的推广奠定基础。
章节要点
样品准备与实验设计
本研究选用了同一批次采收的Citrus reticulata cv.Suavissima品种的柑橘，以确保初始条件的一致性。此外，在实验开始前还会对每颗柑橘进行再次检查，确保所有选用的样品都符合实验要求。
首先进行了GC–MS检测，分别对采收后5天、10天、15天、20天、25天和30天的柑橘进行了检测。每个组别均重复检测3次。气体传感器
VOCs分析
通过GC–MS技术对采收后5天、10天、15天、20天、25天和30天的六组柑橘进行了检测，共检测到54种化合物，其中主要分为三类气体成分：萜烯类、醛类和醇类。相关结果如图4所示。
图4的(a)、(b)和(c)分别展示了萜烯类、醛类和醇类化合物的浓度变化规律。如图4所示，这三类气体的变化规律存在差异，萜烯类的浓度
讨论
本研究涉及两个核心内容：气体传感器布局与柑橘定位。将两者结合进行研究更为系统，也有助于提高检测的可靠性和精度，而这二者都是实际应用所必需的。因此，本研究对二者进行了同步研究。
考虑到气体挥发存在的不确定性，传感器信号出现误差是在所难免的。因此，本研究探讨了传感器信号与信号误差之间的关系。
结论
本研究通过确定合理的传感器布局，能够及时定位处于早期变质阶段的柑橘，从而避免大规模损失。具体结论如下：
(1) 在传感器布局方面，通过气体动力学模拟与实验验证了不同位置上气体扩散特性的差异，对中间位置和角落位置的传感器都进行了研究。同时，根据标准差将检测距离分为三个等级，最终确定了
CRediT作者贡献说明
孙玉兵：研究设计、实验执行。 陈世光：数据验证、实验监督、方法设计、数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢中国浙江省自然科学基金通过项目LQ23C130001以及温州市基础研究项目N20240001所提供的资金支持。
Sun Yubing|Shiguang Chen
