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为自己辩护，我无人监管：用 JMP 和我的杂物抽屉里的东西入侵水族馆 (2021-US-45MP-884)

Mike Anderson，SAS 研究所，SAS 研究所

几块乐高积木、一个网络摄像头、两片剃须刀片、一张DVD-R光盘和一些双面胶，它们之间有什么共同点呢？如果你恰好对水产养殖感兴趣，并且拥有化学背景，那么它们就能组成一台不错的光谱仪。如果再加上JMP，你就能构建一个系统，用它以惊人的精度检测鱼缸中有害副产物的存在。跟随Mike Anderson的冒险之旅，使用自制的光谱仪和JMP Pro的Functional Data Explorer软件，监控一个36加仑的新鱼缸，并进行“循环”。

自动生成的成绩单...

扬声器	抄本
迈克·安德森	大家好！
	我要坦白一件事。疫情初期，我的确很难打发时间，所以我就把布置水族箱当成了爱好，并学习如何布置。
	玩得很开心。我有机会和女儿多待一会儿了。我们去了鱼店，挑了一些漂亮的鱼。
	但首先，我必须为我的鱼儿建立一个安全的环境。而我今天真正想讨论的是这个问题：“我的鱼为什么会死？”
	这又回到了我们去宠物店买的那个古老的玩意儿，我们买了一个漂亮的小鱼缸，
	我们放入砾石，放入水，你知道，也许我们会放入一些化学物质，设置过滤器，设置起泡器，然后把几条金鱼放进去，希望一切顺利。
	大约三四天后，一切都会好起来，然后有一天早上你醒来，看到你的孩子眼里噙满了泪水，你知道你的孩子在哭，
	鱼死了。然后你坐在那里问：“为什么？”你知道鱼缸很干净。我们没有喂它们太多，我们该做的都做了。嗯，
	事实证明，从很多方面来说，问题可能出在鱼粪上。
	你知道，为了避免太过粗俗，今天我们要讨论的是废物管理。从很多方面来说，这才是我们今天真正要讨论的内容。
	我们该如何应对这种情况呢？喂鱼的时候，你知道它会从另一端出来。我的意思是，它只能这么做。而且，事实证明，如果你把这些东西放在鱼缸里太久，它会杀死你的鱼。
	嗯，在很多情况下，这些鱼来自大自然，所以在这种情况下，大自然确实是最好的，最好的老师。
	那么，大自然是如何处理鱼粪的呢？想想这些池塘和
	在很多方面都是封闭的。它们的水流和水流并不强劲。它们相当稳定。那么，它们如何应对鱼一直待在里面、进食和上厕所的情况呢……
	嗯，他们有...水族馆里有一个循环...在水生世界中称为“氮循环”，这就是我们将在水族馆中尝试模仿的。
	氮循环相当容易理解。鱼吃食物，
	他们……
	處理它。
	并且，加工食品会转变成或开始释放氨。
	还有氨，
	在自然界中，
	被生活在水中和地下的细菌吃掉——在岩石上，以及海底的所有东西上……在海底的泥土里
	身体里的水，无论它在哪里。这种细菌会把氨转化成一种叫做亚硝酸盐的物质。
	事实证明，亚硝酸盐的毒性比氨更大。所以，这本身就是个问题。在水族箱里，如果氨没能把你搞死，亚硝酸盐就没问题了。
	所以，在前两个步骤中，你会遇到很多麻烦。所以，在自然界中，
	还有另一种细菌，它能吸收亚硝酸盐，并将其转化为硝酸盐。正是这一个字母的变化，让原本非常危险的东西变得非常安全。
	事实证明，你实际上只是在这个过程中添加了额外的氧气。这就是你真正在做的事情。
	但是，一旦达到硝酸盐阶段，水生环境中的植物就可以利用硝酸盐作为养分，作为肥料。
	反过来，这些物质又为鱼类、其他生物或藻类提供了食物。所有这些生物都以它们为食。而那些没有被它们消耗掉的……则被水生环境吸收了。
	硝酸盐会通过身体水分的任何出口排出。
	所以，大自然有一个很好的方法来解决这个问题，特别是处理这两种主要且特别致命的氮化合物，它们可以存在于水柱中，而这一切都是因为鱼粪。
	那么问题来了，我们该如何在水族馆中解决这个问题呢？
	我们必须在水族馆中模仿自然。
	嗯，如果你上网查一下。如果你上网，看看各种论坛，或者看看书之类的，或者去你当地的水族店问问，他们都会提到一种叫做生物过滤器的东西。或者，他们会说一种叫做“水族箱循环”的东西。
	而且，生物过滤器正在水族箱中填充这两种细菌。
	一旦你有了它们，它们就能很快地将氨循环成硝酸盐。然后，如果你愿意的话，你可以在水族箱里放些植物，这样就能处理硝酸盐，或者换水，或者两者兼而有之。这就是我处理硝酸盐的方法。
	- 它的毒性远不及前者。但你还是得控制一下，因为最终它会变得有毒。不过，你还有比处理其他两个物种更多的时间。
	但是，我们遇到了一些问题。因为，为了启动整个过程——建立生物过滤器——我们需要氨源，而自然界中氨的来源就是鱼粪。
	所以，要有鱼粪，你就得有鱼。他们不会直接在货架上卖鱼粪让你这么做。
	所以，问题变成了“我们该如何处理这个问题？”
	嗯，我们实际上把鱼从方程式中完全剔除了。因为氨的来源并不重要。
	事实证明，我们得到了一种极其清洁、廉价且易于利用的氨源——氯化铵。
	事实上，水族爱好者们会用小桶装这种东西。——用小罐子装这种东西。——那些认真对待这件事的人——会不带鱼来做这个过程。这叫做“无鱼循环”。
	我们的做法是用低剂量的氯化铵代替，
	将其倒入水中，为正在建立的生物过滤器提供养分。一旦我们达到可以添加氯化铵的程度……
	24小时后，系统中没有检测到氨，我们知道鱼缸已经循环了。这意味着鱼缸内的氮循环已经建立，我们可以放心地放鱼了。
	这就是整个流程。如果您愿意，可以自己查看。但是，为了我们的目的，我们可以监控，或者说我们需要监控，需要关注的部分是这三个步骤。
	我们今天要重点讲的是第一个步骤。因为氯化铵这个步骤看起来挺有意思的。
	其他的都是自然发生的，但请注意，建立这个生物过滤器需要将近一个月的时间。
	但我们的做法是，向生物过滤器中添加少量氨作为养料。第一批细菌开始生长繁殖，最终变得快乐起来。
	它们开始将物质转化为亚硝酸盐。硝酸盐生物吸收了这些物质，开始生长繁殖，然后快乐地生活，如此循环往复。我们可以监控这个过程的每个步骤。完成后，只需换掉50%的水，然后放入鱼即可。
	如果我们用鱼来做，这个过程看起来是这样的。我们并不建议这样做。但你用鱼做实验时会看到这样的情况。一开始，鱼缸里的氨含量为零，
	还有一条鱼，你喂它。鱼会把食物转化成产生氨的物质。氨的含量就会不断攀升。
	鱼类很有可能会在途中的某个地方死亡，但最终氨的含量会开始下降。
	然后亚硝酸盐含量会开始急剧上升。最终，亚硝酸盐含量开始下降，而硝酸盐含量则开始上升。
	这就是我们想要模仿的，但不涉及任何鱼。
	好的。那么，我们该如何监测呢？传统上，如果你去鱼店，他们会卖给你一种使用比色指示剂的测试工具。它们是一种添加进去的小化学试剂，会变色。
	- 颜色范围取决于你测试的物质的含量。在这种情况下，它们会变成绿色，这取决于系统中氨的含量。紫色代表亚硝酸盐。红色、黄色和橙色代表硝酸盐。
	问题是你的眼睛真的很容易被欺骗。尤其是在这个低洼区域——样本D、E和F。
	当氨浓度低或没有氨时，你的眼睛很容易被误导。
	你真的想知道什么时候“不含氨”。所以，作为一名化学家，疫情期间我有很多空闲时间，决定看看有没有更好的方法来实现这一点。
	事实证明，光谱学正是实现这一目标的方法。我记得在通用化学系的时候，我们讨论过比尔定律，我们稍后会详细讨论。
	但是，让我快速向你们介绍一下光谱学，因为观众可能不知道我们在说什么。
	光谱学基本上是利用光来收集有关样本的信息。
	光谱仪是什么？如果你把它分解成最简单的组件，就会发现有些光谱仪非常复杂。但如果你把它们分解成最基本的组成部分，它们就是光源。
	然后，它会穿过一个样本。当光穿过样本时，它会获取样本中成分的信息。
	然后我们让光线穿过一些狭缝。这样做的目的是为了产生一条漂亮、清晰的光线。所以，你需要的光束非常细、非常高，这样才能得到这些漂亮的光线。
	我们经过了几个准直器。就我的光谱仪而言，事实证明，相对于光谱仪而言，我的光源太亮了，以至于我在这里所做的部分工作也消耗掉了多余的光。
	光线太强了，所以在处理这个问题的时候，我不得不稍微降低一下亮度。所以我稍微调低了光谱仪和几个箱子的亮度。出乎意料的是，这完全出乎我的意料。
	穿过两个狭缝后，我们会看到一种叫做衍射光栅的东西。这就是我们现代使用的。我们用的衍射光栅，它们本质上是刻有特定间距线条的薄膜，
	要么通过光刻，要么通过压制工艺。过去人们常用棱镜。所以，如果你有棱镜，你也可以这样做。但棱镜或衍射光栅的作用是将光分解成各个波长。
	然后通过。
	对于我来说，探测器就是一个网络摄像头。
	是的，这是一个网络摄像头。
	左边是几个非常简单的光谱仪的例子。我们有一个棱镜、一个单缝和一个光源。
	如果我们看中间的图像，在这一侧，我们可以看到 - 这是一盏白炽灯，
	当光穿过狭缝时，我们可以看到它分解成各个波长，这就是黑体光谱。它包含了彩虹中所有波长的光。
	如果我们观察一下 CFL 灯泡之类的东西，在其底部，我们可以看到明显的特征，这些是汞的发射线，或者其他用于在灯泡中产生荧光的气体。
	但这就是我们正在做的事情。我们用光谱仪做同样的事情。我们要分离——我们要让光穿过样本，
	并分离出样本的组成波长，这样我们就可以通过观察光来了解样本中发生的情况。
	左边这个比较漂亮，右边这个比较漂亮，我们有一个漂亮的卤素光源。
	真的很漂亮，很明亮。光线从一个点反射到另一个点。这实际上就是衍射等级。这是一种光学质量衍射等级。
	然后，这些光又从这个反射回来，被送到探测器。这是一个双反射系统。所以就像我说的，它们变得非常非常复杂。
	我的情况就没那么严重。
	我有乐高积木，一些剃须刀片，还有一张闲置的DVD-R光盘，我可以把它撬开，提取里面的衍射问候信息。我还有一个破旧的网络摄像头可以用。所以，我就用这些了。
	它看起来是这样的。重点是，所有部件都一样。我有一个样品池。我甚至还弄到了一个便宜的小比色皿。
	你看不到光缝，因为我把它们拿走了。所以你可以看到系统的其余部分。这是衍射光栅。
	DVD-R，或者你也可以在亚马逊上买到，很便宜。12个大概99美分。还有后面那个便宜的网络摄像头。
	然后可以将该网络摄像头插入 ImageJ 之类的设备，或者可以插入可以帮助您收集光谱并对其进行积分的设备，以便我们可以使用它 JMP，并在 JMP 中使用它。
	这就是我们在这里看到的。底部是空白样品的光谱示例。顶部是红、绿、蓝通道的光谱。我们还可以看到这个样本的平均通道。
	现在一切正常，我们转到 JMP 吧。PowerPoint 够了！
	我之前提到过，我们讨论过比尔定律。比尔定律的基本概念是，对于给定的一系列浓度，如果……，我们把这些浓度称为“c”。
	它们与观察到的吸光度“A”成比例。
	比例取决于路径长度，也就是光必须穿过的物质量。对于比色皿来说，它的长度通常约为一厘米。然后是一个比例常数“Eta”。
	所以这基本上是一条直线。当我取出你之前看到的连续稀释数据时——那些比色皿的颜色从绿色变成黄色，
	并且，观察已知的浓度，并观察它们的吸光度，它们落在一条漂亮的直线上。当类似的事情发生时，我们很乐意看到这样的结果。更重要的是，当我们观察那条漂亮的直线时，它遵循的公式与我们预期的相同。
	这就是我的浓度。这是我的比例常数。这个数字也可能是零。如果我们看一下置信区间，实际上，在95%的置信区间内，它不能不为零。所以，它完美地遵循了比尔定律。
	这很棒，但需要我做大量的处理。每个光谱，我都必须提取最大吸光度。我还得做一些数据清理工作。这简直是一团糟，而且每次处理都花了很长时间。
	所以问题就变成了，当我需要处理 36、37、40 种不同的频谱时，我该怎么做呢？
	嗯，我可以通过功能数据分析相当轻松地做到这一点。
	现在让我们简单谈谈我在这里处理的数据集。
	这是我的校准集，我们可以看到，随着我的注意力在这个数据集上增加，
	我们看到光谱中绿色区域的强度（也就是我现在显示的全部）上升了。所以，颜色从深红色一直上升到明亮的浅黄色。所以，我们看到强度随着浓度的增加而增加。这就是比尔定律在起作用。
	现在。
	当我开始研究这个问题时，我必须回答的问题是哪个通道...我是否对整个光谱使用平均吸光度？
	或者我应该选择这三个渠道中的一个来合作？
	如果我们从整体上看光谱，我们可以看到，在光谱的蓝色区域（也就是这边的部分）和光谱的红色区域，有很多黄色和很多明亮的饱和色。
	这往往表明这些区域很快就会饱和。它们没有我需要的高端动态范围……
	...能够确保我的探测器在整个范围内具有良好的线性响应。
	所以，我最终只关注光谱的绿色区域。你会注意到，它有一些高点、一些低点，还有一些中间点。它拥有相当宽的动态范围，并且充分利用了探测器的全部动态范围。我说的“探测器”是指“网络摄像头”。
	换个角度来看——就在这里，我们来看看这些光谱。这是空白，里面什么也没有。
	如果我们加一点点氨，哪怕只是一点点，我们也会发现红色会一下子上升。我们不希望出现这种情况。我们希望它以非常非常缓慢的幅度上升。非常非常缓慢。
	我们可以看到，更准确地说，这就是当我们使用此处光谱的绿色区域时发生的情况。
	我们可以看到，特别是在 2 ppm 和 3 ppm 样本之间，红色在 2ppm 时饱和，绿色在 3 ppm 时饱和。
	这很重要。差异很大。这意味着你会添加大量额外的氨。能够检测到这种差异非常重要，因为这能及早确定轨迹。
	现在，我们该如何处理这个问题？如何在函数数据资源管理器中处理这个问题？好了，我们得到了曲线。这很合理。FDE 是一个处理曲线的好工具。
	但是当我们使用这样的校准曲线时，我们如何提取未知数的浓度？
	好吧，秘密来了，那就是......好吧，首先，我们按照预期设置好一切。
	我们不同样本的轨迹进入 Y，波长进入 X，样本 ID 进入 ID 函数。
	我们要做的是，根据我们创建的比尔定律校准线，从校准集得到浓度。然后把这些值代入浓度中。这就是神奇之处。
	让我来告诉你原因。嗯，我首先要确定第一个未知数作为目标函数。
	我为什么要这么做？嗯，我一会儿给你演示一下。我要隐藏图表、数据处理和数据汇总。我现在不需要这些。我要去模型部分。我这里就用B样条曲线。
	我再次强调，我这样做是为了力学。在做这个实验时，我会对FDE模型和函数式DOE模型进行更精细的调整。
	但是，重点要在这里提出。当我们观察积分误差（也就是我们的目标函数）时，它非常低——它有一个最小值。
	事实证明，这个最小值就是未知样本中的氨浓度。
	所以，我要做的就是找到那个最小值......
	就是最大化我的欲望……
	并读出...
	我的注意力。
	现在，不幸的是，我无法返回并在同一个 FDE 实例中建立一个新的目标函数。
	所以，每次我想为每个函数都执行一次，就得这么做一次。还好，我每天只做一次，所以还不算太繁琐。但如果数据更多，需要一次性全部执行，那就需要一点时间了。
	但让我们看看最终结果会是什么样子。
	我们回到比尔定律。这里的蓝色数据点是校准数据集。这些就是……这些是我用来建立模型的一系列妄想。
	我们可以看到，所有未知数都完美地符合比尔定律。耶，科学有效！对吧？更重要的是，我们看到了良好的动态范围，我们看到了我们可以检测到一切。
	而且效果相当好。
	让我们看看随着时间的推移会发生什么，因为这是一个有趣的部分。
	所以，让我们来看看随时间变化的数据。我添加了一条样条曲线，方便大家观察。我们可以看到，我们的注意力下降了。
	如果你退后一步，眯起眼睛看（忽略那个最大值 - 我们稍后会讨论），你可以看到它遵循着我们期望在后半部分看到的同一条曲线......
	其中...
	氮循环中的氨曲线。
	那么，这个最大值怎么样？
	嗯，我做了一些和传统循环略有不同的事情。其中之一就是我把我的过滤器拿出来，放进一个已经循环过的水箱里。我有一个用了好几年的水箱。
	我把它放入那个水箱，让过滤器中已经装有生物过滤器。
	所以我一开始用了一个——我可没说是成熟的过滤器——但我一开始用的是一个已经种满了食氨菌的过滤器。结果，我的鱼缸里很快就积攒了大量亚硝酸盐。
	然后，探测器就饱和了，我根本检测不到任何变化。
	所以，我就在这里换了水。通常情况下，你不需要……在这个过程的中间换水。但是，我在这里换了水，只是为了把亚硝酸盐的含量降到可以再次测量的水平。
	不幸的是，这样做也打扰了那些以氨为食的细菌。我损失了一些……一些菌落，我不得不等它们重新出现，才能完成整个循环。
	所以，您所看到的是我在系统还未成熟并准备好处理此类问题之前就对其进行了干扰......
	侵入性手术。
	但是，再次强调，重点是，当我们到达底部时，我们到达了底部的末尾，当我们到达零时，我又做了另一个版本的氨，
	等了24小时，又测了一次。结果还是零。又测了亚硝酸盐，结果为零。又测了硝酸盐，结果超标了，和我预想的一样。然后换了水。然后去了鱼店。我们准备出发了。
	首先，如果您要开办一个水族馆，PS..公共服务公告...PSA。
	别忘了先循环一下你的鱼缸。有些人声称……旁边有一些小瓶子，上面写着“无需循环鱼缸，可以立即放鱼”。
	别不信，绕远路吧。你的鱼儿会更快乐。它们会……它们会活得更久。而且，你和它们相处的时光也会更加愉快。
	因此，当你放入鱼时，不要忘记循环你的水族箱。
	第二点：乐高积木不仅仅是用来在客厅里制造雷区的。你可以用它们来做真正的科学实验，就像我们在这里看到的一样。我用乐高积木搭建了一个光谱仪，还带了一个网络摄像头和一张DVD。而且，它真的能用。
	第三步，或者说第三点，永远不要让工程师长时间无人看管。你永远不知道回家后会发生什么。
	谢谢，祝您玩得开心，玩得开心。

高级统计建模基础数据分析与建模大规模定制质量与工艺工程可靠性分析