馬 梟，王 丹，姜 紅* ，滿 吉

(1．中國人民公安大學(xué)，北京 100038；2．北京華儀宏盛技術(shù)有限公司，北京 100123)

易拉罐產(chǎn)品已在日常生活中十分常見，易拉罐環(huán)作為易拉罐的組成成分之一，也廣泛分布于日常生活中。在案件現(xiàn)場常常能提取到犯罪嫌疑人丟棄的易拉罐環(huán)，通過對(duì)易拉罐環(huán)樣本的檢驗(yàn)分類，可為偵查破案提供線索，指明方向。但目前關(guān)于易拉罐的研究主要是在易拉罐的生產(chǎn)、工藝、原料方面，如陳強(qiáng)正等[1]從工藝條件方面分析了易拉罐環(huán)生產(chǎn)過程中劃模缺陷的產(chǎn)生原因并提出了預(yù)防措施。葉凱[2]在易拉罐的三道成形工藝上做出一定的優(yōu)化，使得生產(chǎn)所用鋁板的厚度降低了0.02 mm。但目前缺少對(duì)易拉罐環(huán)理化檢驗(yàn)方面的研究。

因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)易拉罐環(huán)樣本進(jìn)行XRF分析，借助主成分分析和判別分析等方法，構(gòu)建了易拉罐環(huán)樣本的判別模型，可將未知類別的易拉罐環(huán)樣本分類至已知的類別中，為偵查破案提供幫助。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)所用儀器為英國牛津儀器集團(tuán)X-MET8000手持式XRF光譜儀，設(shè)置檢測電壓為40kV、電流為60mA。

本實(shí)驗(yàn)收集了不同品種的易拉罐環(huán)樣本共28個(gè)(樣品表略)，利用無水乙醇對(duì)收集到的易拉罐環(huán)樣本進(jìn)行擦拭，自然風(fēng)干后進(jìn)行檢測。將易拉罐環(huán)樣本放置于檢驗(yàn)倉內(nèi)，關(guān)閉艙門后設(shè)置掃描時(shí)間為80 s開始測量，重復(fù)此操作直至完成對(duì)所有樣本的測試。

2 討論

2.1 元素含量分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得元素結(jié)果進(jìn)行分析，易拉罐環(huán)樣本中Fe、Mn、Cu、Zn、Ni這5種元素含量較多，添加Fe、Mn和Cu可提高合金強(qiáng)度[3]，Zn和Ni的加入可使得其延展性和沖擊性能得到提高[4]。因此本實(shí)驗(yàn)可根據(jù)5種元素含量的差異對(duì)不同品種的易拉罐環(huán)樣本進(jìn)行分類分析。

2.2 系統(tǒng)聚類

系統(tǒng)聚類作為一種廣泛使用的分類分析方法，可根據(jù)樣本數(shù)據(jù)之間的差異，提取出樣本之間的相似性和差異性，并根據(jù)不同的聚類方法和測量區(qū)間將樣本在不同層次上歸為一類[5]。由于本實(shí)驗(yàn)所得樣本數(shù)據(jù)信息較為復(fù)雜，若直接進(jìn)行分析分類，可能出現(xiàn)由于主觀因素引起的偏差。本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鲈瓌t，選用系統(tǒng)聚類的方法對(duì)28個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制譜系圖直觀描述樣本親疏分類情況見圖1。

由圖1可知，28個(gè)易拉罐環(huán)樣本被分為了5類，但第五類僅有24#一個(gè)樣本，復(fù)核測量所得元素?cái)?shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)24#樣本Fe和Mn元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余樣本，因此被單獨(dú)分為了一類。為了驗(yàn)證系統(tǒng)聚類是否準(zhǔn)確有效，對(duì)經(jīng)過系統(tǒng)聚類被分為第三類即6#、9#、12#、14#、19#、26#樣本元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，6個(gè)樣本具體元素含量情況見表1。

圖1 28個(gè)易拉罐環(huán)樣本系統(tǒng)聚類譜系圖

由表1可知，第三類6個(gè)樣本Fe、Mn和Cu元素含量較多并且元素含量跨度較為接近，6個(gè)樣本Fe元素含量均在9500～12500區(qū)間內(nèi)且分布較為均勻。通過觀察發(fā)現(xiàn)第三類樣本中Zn元素和Ni元素的含量較低，均未超過1000，部分樣本該兩種元素的含量為0。因此可分析得出該類樣本Fe、Mn和Cu元素含量較多且Zn和Ni元素的含量較低，因此被歸為了同一類。通過該方法可證實(shí)系統(tǒng)聚類分類效果較為良好，可在此基礎(chǔ)上對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

表1 第三類樣本元素含量

2.3 判別分析

根據(jù)前期系統(tǒng)聚類，已將28個(gè)樣本分為5類。本實(shí)驗(yàn)的目的是為了通過已有的樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建能夠?qū)ξ粗悇e樣本進(jìn)行已知類別分類識(shí)別的模型[1]，而判別分析可在已知分類情況下，通過計(jì)算提取特征值對(duì)樣本進(jìn)行歸屬統(tǒng)計(jì)。因此進(jìn)行判別分析模型的構(gòu)建，將前期分類結(jié)果作為判別分析類別進(jìn)行計(jì)算，判別函數(shù)摘要見表2。

表2 判別函數(shù)摘要

由判別函數(shù)摘要可知，根據(jù)樣本類別信息與數(shù)據(jù)特征計(jì)算出3個(gè)判別函數(shù)。觀察數(shù)據(jù)可知，前兩個(gè)判別函數(shù)累積百分比已經(jīng)達(dá)到了85%，表明其對(duì)樣本特征有較強(qiáng)的解釋能力[1]，此外一般情況下提取特征值大于1的判別函數(shù)，但第三個(gè)判別函數(shù)特征值僅為0.413且貢獻(xiàn)方差百分比僅為1.4%，因此只提取前兩個(gè)判別函數(shù)，繪制判別分布圖見圖2。

圖2 判別分布圖

由圖2可知，5類樣本在判別函數(shù)構(gòu)成的平面空間內(nèi)分布均勻，可直觀觀察到各類樣本之間的區(qū)別。并且經(jīng)過交叉驗(yàn)證后分類正確率達(dá)到了82.1%、原始分類正確率為96.4%，證明利用28個(gè)易拉罐環(huán)樣本所構(gòu)建的判別分析模型不僅對(duì)已知類別樣本分類效果良好，并且對(duì)經(jīng)過交叉驗(yàn)證的可視為未知類別的樣本也能很好地分類[8]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)易拉罐環(huán)樣本分類的目的。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)利用XRF將系統(tǒng)聚類與判別分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)易拉罐環(huán)的成分檢驗(yàn)與分類識(shí)別，最終交叉驗(yàn)證正確率為82.1%，原始分類正確率為96.4%，表明這一系列方法所構(gòu)建的判別模型能對(duì)易拉罐環(huán)進(jìn)行有效的分類識(shí)別。