建立生产过程参数和卷烟感官品质特征关联模型的方法与流程

1.本发明属于烟草制丝技术领域，具体涉及一种建立生产过程参数和卷烟感官品质特征关联模型的方法。


背景技术：

2.卷烟制造已经具有较为先进的工艺流程和技术规定，对于构成卷烟的烟丝的质量也具有多种分类和评价方法，例如：cn113869641a《基于主成分分析法的烟丝质量综合评价方法》：规定了长丝、中丝、短丝、碎丝、长度、质量、圆周、吸阻、硬度、端部落丝、含末率共11个标准，提取数据，使用主成分分析选取前4个主成分，作为评分对烟丝质量进行评判。cn112205658a《一种卷烟生产线烟丝质量评价方法》：根据制烟丝生产过程中叶丝、梗丝、膨胀叶丝、气流叶丝的掺配比例，确定制叶丝生产线、制梗丝生产线、膨胀叶丝生产线、气流叶丝生产线的权重，将得分相加以评价烟丝的总体质量。cn112674380a《一种卷烟制丝总体综合质量的判定和评价方法》：通过统计综合质量检验数据，将各项物理检验指标综合性、全面性的按等级和分数进行评价，判定烟丝、梗丝、膨胀丝综合质量，结合加香加料精度、掺配精度进行批次总体工艺质量的综合评价。cn113567608a《加香烟丝中风格特征成分及其吸收率测定法、设备评价法》：使用气相色谱法分析烟丝萃取液，定量分析其中风味物质含量，评价烟丝质量。
3.实际上，卷烟的生产前后涉及多个复杂步骤，卷烟制丝制造的主要工序包括：配方确定、超回松散、润叶加料、薄板烘丝、掺配、加香等工序。其中，配方确定工序是将生产使用的烟叶品种、比例，并按需从仓库中提取原料备用，不同烟叶配方在很大程度上会影响卷烟品质；超回松散是通过增温增湿和不停地搅拌使烟叶舒展、回潮；润叶加料是在进一步增温增湿的基础上施加糖料改善口感；烘丝是将较为潮湿的烟叶通过蒸汽加热的滚筒中烘干，使含水率降至标准值；掺配工序是将烟丝与梗丝、膨胀丝按照一定比例混合，使其获得多元风味的同时最大化利用原料；加香工序是向烟丝中加入特定比例的香料，使卷烟味道更加浓厚丰富。
4.综合上述，卷烟生产过程中涉及的生产参数与影响因子众多，每道工序都包含大量的相关生产参数，许多生产参数都会对生产出来的卷烟产生直接或间接的影响。但由于整个加工流程的复杂性与不透明性，生产参数对最终卷烟风味的影响过于混沌难以量化，因此现阶段难以通过生产过程中的参数预测产品卷烟的感官品质特征，一般只能根据过往经验进行调整，存在经验刻板，难以复现，难以优化的缺点。
5.缘因上述，发明人希望通过对生产过程中的工艺参数、设备参数，采用大数据算法能较为精准地预测得到卷烟产品的赏味性能，感官品质特征。


技术实现要素：

6.本发明提供一种建立生产过程参数和卷烟感官品质特征关联模型的方法，通过对生产过程中的工艺参数、设备参数，采用大数据算法能较为精准地预测得到卷烟产品的赏
味性能，感官品质特征。
7.本发明提供的一种建立生产过程参数和卷烟感官品质特征关联模型的方法，
8.首先选取卷烟在生产过程主要涉及的六个工艺段：配方，超回松散，润叶加料，薄板烘丝，掺配，加香；根据对卷烟品质、风味的影响，分别对六个工艺段设置多个生产变量，并采集多个批次生产时的数据；
9.之后，设定具有多个维度的感官评价标准；
10.再对所有生产变量的数据进行标准化处理，将标准化处理后的生产变量转化为一系列互相无关的主成分，对所有生产变量提取主成分后，构建多个互相独立的主成分；
11.最后，使用构建起的多个互相独立的主成分作为输入，感官评价标准的每个维度作为输出，通过随机森林算法分别训练每个维度的随机森林分类器模型。
12.本发明的一种建立生产过程参数和卷烟感官品质特征关联模型的方法，通过将同一批次的生产变量的数据输入随机森林分类器模型，可以在多个维度的感官评价标准上对产生卷烟的品质做出预测。
13.优选的，所述生产变量包括：配方工艺段的品规；超回松散工艺段的第一入口热风温度、第一蒸汽喷射比例、第一出口水分、第一排潮风门开度、第一滚筒转速；润叶加料工艺段的第二入口热风温度、第二蒸汽喷射比例、第二出口水分、第二排潮风门开度、第二滚筒转速、加料比例；薄板烘丝工艺段的生产热风温度、筒壁温度、排潮风机频率、热风流量、第三滚筒转速、第三出口水分；掺配工艺段的梗丝比例、膨胀丝比例；加香工艺段的加香比例、第四出口水分。上述一系列生产变量是对产品感官影响较大的生产因素，发明人通过对卷烟生产流程、设备的调研以及结合现场操作人员的经验，确定了上述最终影响卷烟风味的六板块共22个生产参数。
14.优选的，所述感官评价标准具有7个维度：香气风格特征、香气饱满程度、香气质感、协调类型、杂气、刺激性程度、余味程度。卷烟风味作为一种较为主观的评价性质，较为难以量化，从前述7个维度评价卷烟风味，相比更为主观的评价体系具有准确性、全面性、可复现性的优点。
15.优选的，对所有生产变量的数据进行标准化处理采用的标准化公式为：
[0016][0017]
其中，x
np
为各生产变量的原始数据，n为变量序号；p为该变量的第几条数据，为第n个指标的平均值，sn为数据标准差，x
′
np
为标准化后的数据。
[0018]
更优选的，以如下方法构建多个互相独立的主成分：
[0019]
将标准化数据表示为n*p矩阵，其相应的特征值λ
t
为成分方差贡献，正交化的单位特征向量zi为方差贡献率，计算公式为：zi的大小表示相应主成分包含原始数据集的信息比例，值越高则包含的信息越多，根据z1到zi累计的数值大小选择合适的主成分。主成分个数i确定原则：z1到zi累计的数值大于90％，意味着新的变量包含了原始变量90％以上的信息。
[0020]
模型的输入输出数据都是经过抽象化的数据，通过传统方法很难从中建立合理的
对应关系，因此需要使用随机森林这种机器学习算法，使用计算机建立关联模型，能够在不遗漏重要信息的同时也不误判无关信息。
[0021]
考虑到其中变量存在相互耦合的现象，并且不同变量量纲不同，不能直接放在一起比较，因此需要将标准化后的数据进行主成分分析，提取出互不相关的一系列主成分作为模型输入数据。如此得到的输入数据在尽可能保留影响卷烟风味因素的前提下减少干扰。
[0022]
本发明的一种建立生产过程参数和卷烟感官品质特征关联模型的方法，通过选取一系列对最终感官影响较大的生产因素，并用主成分提取关键信息，建立起了生产参数和赏味之间的关联，形成了一种较详细，有可复制性的评判卷烟风味的标准。
附图说明
[0023]
图1为本发明的一种建立生产过程参数和卷烟感官品质特征关联模型的方法的流程图
[0024]
图2为本发明的感官质量评价标准的维度图
具体实施方式
[0025]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
[0026]
如图1所示，本发明提供的一种建立生产过程参数和卷烟感官品质特征关联模型的方法，选取卷烟在生产过程主要涉及的六个工艺段：配方，超回松散，润叶加料，薄板烘丝，掺配，加香；根据对卷烟品质、风味的影响，分别对六个工艺段累计设置了22个生产变量及生产变量序号，参见表一(工艺段与生产变量表)。
[0027]
表一(工艺段与生产变量表)
[0028][0029]
采集多个批次生产变量的数据。
[0030]
如图2所示，设定具有7个维度(部分维度还存在二级分类)的感官评价标准，在盲选的情况下，让志愿者对上述多个批次的成品卷烟以感官评价标准的7个维度进行分类，并记录分类情况。
[0031]
对上述多个批次的所有生产变量的数据进行标准化处理，采用的标准化公式为：
[0032][0033]
其中，x
np
为各生产变量的原始数据，n为生产变量序号；p为该生产变量的第几条数据，为第n个指标的平均值，sn为数据标准差，x
′
np
为标准化后的数据。
[0034]
选取的生产变量之间不可避免地存在互相耦合，先对所有生产变量提取主成分，构建新的一系列互相独立(互相无关)的主成分：将标准化数据表示为n*p矩阵，其相应的特征值λi为成分方差贡献，正交化的单位特征向量zi为方差贡献率，计算公式为：zi的大小表示相应主成分包含原始数据集的信息比例，值越高则包含的信息越多，根据z1到zi累计的数值大小选择合适的主成分。主成分个数i确定原则：z1到zi累计的数值大于90％，意味着新的变量包含了原始变量90％以上的信息。
[0035]
最后，使用构建起的i个主成分作为输入，感官评价标准的每个维度作为输出，通过随机森林算法分别训练共7个随机森林分类器模型。通过将同一批次的生产数据输入模型，则可在上文选定的7个关键评判标准上对产生卷烟的品质做出预测。
[0036]
随机森林是一种基于集成学习的监督式机器学习算法，它是由许多决策树组成的整体模型，通过对每个决策树的预测平均来进行预测。就像森林是树木的集合一样，随机森林模型也是决策树模型的集合。这使随机森林成为一种强大的建模技术，它比单个决策树要强大得多。随机森林的优点包括：可以产生高准确度的分类器、可以同时处理大量输入变量、可以在决定类别时评估变量的重要性、哪怕数据有很大一部分的特征遗失，仍可以维持准确度等。
[0037]
模型的输入输出数据都是经过抽象化的数据，通过传统方法很难从中建立合理的对应关系，因此需要使用随机森林这种机器学习算法，使用计算机建立关联模型，能够在不遗漏重要信息的同时也不误判无关信息。
[0038]
考虑到其中变量存在相互耦合的现象，并且不同变量量纲不同，不能直接放在一起比较，因此需要将标准化后的数据进行主成分分析，提取出互不相关的一系列主成分作为模型输入数据。如此得到的输入数据在尽可能保留影响卷烟风味因素的前提下减少干扰。
[0039]
本发明的一种建立生产过程参数和卷烟感官品质特征关联模型的方法，通过选取一系列对最终感官影响较大的生产因素，并用主成分提取关键信息，建立起了生产参数和赏味之间的关联，形成了一种较详细，有可复制性的评判卷烟风味的标准。