一种打叶复烤配方模块的设计方法
技术领域
一种打叶复烤配方模块设计方法，具体地，是一种基于近红外光谱拟合和指标评价的烟叶配方设计方法，属于烟叶加工配方设计领域。
背景技术
卷烟产品质量稳定性是卷烟企业稳定健康发展的重要基础，而卷烟产品质量稳定性主要取决于烟叶原料质量的稳定性，但烟叶品质受品种、生态条件及生产措施的影响，年度间会存在较大的质量差异。当前国内竞争力较强的卷烟工业企业主要通过打叶复烤加工环节的模块化配方方式来提升片烟质量稳定性，以提高卷烟产品质量稳定性的保障能力。
模块化配方是指将不同产地、不同品种、不同等级的烟叶经过一定比例搭配设计后经过打叶复烤加工形成符合卷烟产品使用要求的片烟模块。在实际配方工作过程中，由于受气候条件、栽培措施等原因影响，模块化配方设计所需关键原料质量波动性较大，产生个数多且单一规模小的片烟模块，产品配方使用需要寻找品质相似烟叶并可能频繁调整产品配方。因此，如何在片烟模块设计环节扩大片烟模块规模，并提高片烟模块质量的可控性，保持品牌卷烟质量的相对稳定性就成了研究的关键问题。
目前，片烟配方模块设计由主要依靠配方师经验到结合化学成分、感官质量及烟气质量等指标的分析，发展到通过数理统计方法对多维度质量指标分析来实现烟叶配方设计。如申玉军等(申请专利号：200610077683.7)公开了一种打叶复烤配方模块建立的方法，该发明将若干个具有相同或相近风格特点的不同等级烟叶按照一定比例组合形成在卷烟配方中具备一定作用或者用途的配方模块。
李东亮等(申请专利号：200810046379.4)公开了一种卷烟叶组配方设计方法，该发明围绕产品设计目标及化学成分要求，依靠配方人员经验初选主料烟、辅料烟及填充料的代表烟叶，依次为基础主料烟类别筛选相似烟叶，辅料烟及填充料按照配伍性筛选其余原料，以配方成本为适应度评价函数，化学成分、主料、辅料、填充料比例为约束条件进行遗传算法搜索形成多个符合要求的可供选择的叶组配方。
郭新枫等(申请专利号：200910116521.2)公开了一种卷烟配方的设计方法，该发明通过糖碱比、综合质量划分主料烟、次准主料烟、非准主料烟，并依次组成主料烟、准主料烟、非主料烟模块，建立3类模块的相互组合试验，最终筛选完成卷烟的配方设计。上述方法主要采用感官评价或化学辅助的方式将烟叶进行分类后进行不同比例组配，需要配方人员对实验结果进行不断的感官评吸并调整配方，对风格及品质特点的认知，主料、辅料及填充料的选择判定上仍然由较强的主观性，受配方员的生理、心理及固定的配方经验或思维定势影响。
李军会等(申请专利号：201510652701.8)公开了一种烟叶配方的设计方法，该发明通过检测获得烟叶原料特征参数、设定特征参数的目标值，采用加权绝对值距离分析法处理，得到所述特征参数的实测值与目标值之间的加权距离绝对值，按照所述加权距离绝对值由小到大的顺序对烟叶原料进行排序后，通过模块设计以及骨架设计，获得新的烟叶配方。
宋鹏飞等(申请专利号：201810991053.2)公开了一种基于费马点的烟叶配方设计方法及组合烟叶，该发明通过获取烟叶各化学指标以及衍生指标数据，以多指标作为各烟叶在高维配方几何空间的坐标位置，根据坐标计算出高维空间中的几何费马点，通过调整配方中各烟叶配比，使配方点(高维空间重心点)与费马点重合，获取最终的烟叶配方比例。上述方法采用原有配方目标值为参照系，通过感官、化学数据指标与参照的相似度确定配方，较传统的配方模式具有一定的客观性和简便性，提高了配方设计效率，但化学数据与烟叶内在品质尚未建立较强的关联性，虽满足指标的较优配比但难以实现较优的配方品质。
近红外光谱法是近几年来迅速发展起来的一种快速、高效、低成本的绿色分析技术，它是利用有机物中含有C-H、N-H、O-H、C-C等化学键的泛频振动或转动，以漫反射方式获得在近红外区的吸收光谱，具有信息量大、重现性好、品质信息全面的优良特性，是烟叶质量信息的综合体现，包含了关键化学成分、质量特色信息、烟叶物理状态以及部分含量较高的致香成分在其中，因此应用近红外光谱对烟叶综合质量进行分析、评价、控制及配方设计均具有应用前景。
李军会等(申请专利号：201510651341.X)公开了一种烟叶配方的改良方法，该发明在检测获得原始烟叶配方以及其中所含各烟叶原料的近红外光谱数据的基础上，通过非负回归系数回归法计算处理，得到每种烟叶原料在原始配方中的比例系数，按照比例系数由大到小对烟叶原料进行排序后，通过模块设计以及骨架设计，获得改良的烟叶配方。
张峰等(申请专利号：201210344034.3)公开一种基于近红外光谱信息的SIMCA辅助卷烟配方的方法，该发明通过近红外光谱建模，以待替代的烟叶样品为目标，扫描待测样品获得近红外光谱数据，根据替代样品的信息设定替代规则，将待替代样品的近红外数据与存储器中的数字模型进行比对即可获得可替代的烟叶样品，并按照马氏距离进行排序，马氏距离越小的样品为越相似的样品，并进行感官评吸验证。
吴丽君等(申请专利号：201811038973.9)一种卷烟叶组配方维护方法，该发明通过样品采集、化学成分检测、感官评价、光谱预处理、特征光谱提取以及构建光谱相似性矩阵，查找替代烟叶。
李石头等(申请专利号201610156519.8)公开了一种基于近红外光谱的原烟叶组配方维护方法，该发明采用近红外与化学成分相结合的方法，依据去年和今年烟叶品种的近红外光谱和化学值的一致性程度，将去年的烟叶品种划分为共性等级和个性等级；针对共性等级，采用与去年相同的比例；针对个性等级，利用今年采集的烟叶品种组合成混合样，使混合样的近红外光谱以及化学值分别与对应的个性等级相一致，混合样的比例采用去年原烟叶组配方中对应的个性等级的比例，得到今年的初步原烟叶组配方；若今年和去年制样的化学值和近红外光谱差异符合预期，得到今年的原烟叶组配方。
在已有的文献报道中，烟叶配方设计思路主要有两种，一是通过烟叶的各类数据，结合人的感官评价进行设计、调整；二是利用近红外光谱以光谱误差最小的形式计算替代配方。在第一种方式中，存在大量的基于人的感官评价作为配方或参考数据，其工作量繁多且难以继承和重现。在第二种方式中，相应的计算仅以误差最小为优化目标，缺少配方经验的利用，其计算结果往往难以解释且实用性低。
发明内容
本发明的发明目的为设计与目标复烤片烟模块品质近似的配方，在技术要点上与文献有以下不同之处：
1)本发明中依据近红外光谱进行配方设计，在设计过程中无需配方人员记录，也不使用人的感官评价数据及其他需较大代价获取的数据(如各烟叶的烟气数据等)。
2)本发明不使用光谱相似作为优化目标，通过建立近红外光谱与具体的烟叶内在信息的关联，采用烟叶内在信息作为优化目标。
3)本发明中，提出一种‘相似相替’的规则对求解过程进行约束。在拟合计算前，首先针对原配方中的各个烟叶，分别筛选其相似烟叶，组成候选烟叶集合。在求解中，只在候选烟叶集合中选取样本，规避数学计算相似而烟叶构成差异大及感官不相似的问题。
4)采用指标评价+感官验证的方式，保障该方法的可重复性及实用性。
具体地，为了实现上述发明目的，本发明提供一种基于近红外光谱的打叶复烤配方模块的设计的方法，包括如下步骤：
1)采集各类烟叶样品，粉碎过筛，采集样品粉末的近红外光谱；
2)以《YC/T%2031-1996烟草及烟草制品试样的制备和水分测定》制备试样后，依据《YC/T%20159-2002烟草及烟草制品水溶性糖的测定》，《YC/T%20160-2002烟草及烟草制品总植物碱的测定》，《YC/T%20162-2011烟草及烟草制品氯的测定》，《YC/T%20161-2002烟草及烟草制品总氮的测定》，《YC/T%20217-2007烟草及烟草制品钾的测定》分别测定总糖、还原糖、总植物碱、氯、总氮和钾的含量，检测样品的总糖、烟碱、还原糖、氯、钾、总氮；
3)以烤烟分级标准标定样本的部位：包括上部叶、中部叶及下部叶，三个部位的量化值分别为1,2,3；以清香型、中间香型和浓香型指数标定样本香型风格，并计算相应的香型指数；
4)将六项化学指标、部位指数和香型指数合并为烟叶内在质量表征指数；
5)对光谱进行预处理，利用偏最小二乘方法建立近红外光谱与内在质量间的关联模型，其中，建模方法为PLS2；
6)采集目标配方模块中的各等级烟叶，以及拟用于配方的其他各等级烟叶，粉碎过筛，采集样品粉末的近红外光谱；
7)利用(5)中的模型给出(6)中各样本的内在质量表征指数；
8)针对原目标配方中的每个等级烟叶，根据(7)从拟替代烟叶集合中选出N个最相近烟叶；
9)将(8)中选出的烟叶集合，作为替代样本池；
10)利用线性规划求解，得到与原配方最接近的各等级烟叶组合及其比例；
11)以(7)中的指标，结合评吸小组感官评价，验证替代方案的有效性。
在一些具体实施方式中，步骤(1)中光谱采集范围为：10000cm-1-4000cm-1，光谱分辨率为8cm-1，扫描次数为64次。
步骤(5)中光谱的表征形式为：
步骤(5)中的化学、部位的表征形式为：
步骤(5)中的香型的表征形式为：
Yxx＝[ym1ym2ym3]其中，YXX代表样本的各香型指数得分，ym1代表清香指数，ym2代表中间香指数，ym3代表浓香指数，m代表样本数；
香型指数的计算公式为Y香型＝[ym1*2+ym2-ym3-1]/2，其中Y香型代表香型指数综合得分；
步骤(5)中烟叶内在质量表征为Y＝[y总糖y烟碱y还原糖y氯y钾y总氮y部位y香型]，其中Y表示前述各指标综合得分；
步骤(5)中的光谱预处理方法为一阶导数(Savitzky-Golay)处理，窗口宽度参数为11，多项式阶数参数为2。
步骤(5)中，内在质量的建模方法为PLS2,即8维内在指标Y与X进行建模，使用PLS2方法进行回归，并使用留一交叉验证确定主因子数f；
步骤(6)中光谱采集方式与步骤(1)相同。
步骤(7)中，每一样本的预测值为总糖、烟碱、还原糖、氯、钾、总氮、部位、香型组成的1*8的向量。
步骤(8)中，目标模块各个原烟的相似烟叶的筛选方法为：将所有(7)中的样本按列进行归一化，记目标模块第i个原烟的归一化指标值为Hi＝[hi1 hi2 ... hi8]，待选第j个原烟的归一化指标值为Li＝[li1 li2 ... li8]，两者差异为
在一些具体实施方式中，步骤(9)中，遍历所有目标模块中的原烟，将挑出的待选原烟汇集为一个集合(重复选择的删去)，共M个样本。
在一些具体实施方式中，步骤(10)中，记目标模块八项指标为R＝[r1 r2 ... r8]，优化目标为，求取M个原烟的各个比例系数C＝[c1 c2 ... cM]，使得
其中，rk为目标模块第k指标的值，cp为配方中的各原烟比例，lpk为p原烟第k指标的值。
本发明方法具有如下优点：
获取配方设计的评价信息快捷，在设计过程中无需配方人员大量评吸评价，也不使用人的感官评价数据及其他需较大代价获取的数据(如各烟叶的烟气数据等)。
现有的采用近红外光谱拟合方式进行配方设计的方法，均没有考虑对配方组分的准入进行限制，使得拟合的计算结果达到设计目标(光谱误差最小)，但参与配方的各组分及比例与原有配方差异较大，不符合配方常识与感官评价结果。
采用化学、部位、香型组成的内在质量表征，代替近红外光谱进行优化求解，其结果更具可解释性。
且采用指标评价+感官验证的方式，保障该方法的可重复性及实用性。
具体实施方式
某省份“HD”中部叶片烟模块是经多年配方探索较为成功的模块，由于H产地、D产地等地原烟资源有限，拟采用相同省份其他市县烟叶进行组配，形成一个感官质量达到或接近原配方的品质。目标模块的实际配方单如下表所示。
表1目标模块(“HD”中部模块)配方构成
为实现目标，选取了同省份S市的L县、Y县、N县、P县，Z市的M县，B市的J县、X县，C市的G县、W县，G市的F县等烟叶产地的C2FA1、C3FA1及C2FC3等级的原烟样本。目标样为“HD”中部叶片烟模块。
目标配方模块中的原烟及待选原烟的各项指标近红外光谱预测值见表2：
表2各产地常规化学各指标近红外光谱预测值
对目标模块中的H产地和D产地C2FA1，C3FA1及C2FC3，分别计算其相近的原烟样本。计算方法为：将目标样本与待选样本的各指标进行归一化，计算各待选样本与目标样本各指标绝对差异之和，记为
以D产地C2FA1为例，其最相似的10个原烟等级见表3：
表3与D产地C2FA1等级相似度样本排序
可以看出，选出的样本与目标的D产地C2FA1在行政区划中均属于同一省份S市，且地理位置较为接近，土壤、气候等较为相似，因此，其烟叶品质有较大的相似之处。以往的文献中，计算配方没有考虑实际中‘相似相替’的过程，在大量样本中筛选，其选中的配方可能在所设定的指标中与目标相似，但烟叶本身差异较大，其感官评价有相似之处，但也有较为明显的差异，实用性不强。在本发明中，通过对目标配方中每一烟叶进行相似烟叶筛选，避免了上述情况的出现。
遍历原配方中所有的6个样本，得到候选的烟叶集合如表4所示：
表4原配方样本的候选烟叶集合
利用步骤(10)计算，即求解一个约束最小二乘问题，忽略所得最优解中比例小于1.0％的样本，得出目标模块的相似的配方模块，如表5所示：
表5目标模块的替代模块配方构成
目标模块与计算的替代模块各指标的差异如表6所示：
表6目标模块与替代模块各质量指标对比
表6为目标模块与替代模块各质量指标对比，根据表6可以获知，根据本发明获得替代模块与目标模块相比，化学、部位、香型组成的内在质量接近，保障该方法的可重复性及实用性。
