吳娟

摘要：為解決傳統(tǒng)人工設(shè)置烤房干濕球控制溫度帶來的不足、易產(chǎn)生人為主觀因素干擾等問題，提出利用電子鼻技術(shù)對(duì)烤房干濕球控制溫度進(jìn)行智能設(shè)置的方法。通過電子鼻傳感器陣列采集和檢測(cè)烤房氣體，得到傳感器的原始響應(yīng)曲線，經(jīng)過最小均方自適應(yīng)濾波方法預(yù)處理后，采用小波變換方法提取氣味特征，特征數(shù)據(jù)再通過PCA降維處理后輸入到模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)，輸出干濕球控制溫度的設(shè)置值。測(cè)試結(jié)果顯示，干濕球控制溫度設(shè)置值的預(yù)測(cè)精度分別達(dá)到98.9%、97.1%，相關(guān)系數(shù)分別為0.998 3、0.982 8，均方根誤差分別為0.738 4、1.677 5?？梢?，采用小波變換的氣味特征提取方法和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)模型可以有效地對(duì)烤房干濕球控制溫度進(jìn)行智能設(shè)置，有助于智能烘烤系統(tǒng)的建立。

關(guān)鍵詞：電子鼻；氣味特征；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；干濕球溫度；小波變換

中圖分類號(hào)： TP391.4；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）12-0163-04

我國密集烤房煙葉烘烤方式依靠人工觀察煙葉烘烤狀態(tài)來設(shè)置烤房干濕球的控制溫度。在烘烤過程中，不同的烘烤階段煙葉呈現(xiàn)出不同的外觀狀態(tài)，以此決定干濕球控制溫度的設(shè)置值。目前對(duì)烤房干濕球溫度控制的研究著重于分析如何讓烤房的干濕球溫度達(dá)到給定的干濕球控制溫度[1-4]，而本研究側(cè)重的是如何設(shè)置給定的干濕球控制溫度，在實(shí)際烘烤中，該參數(shù)是通過人工現(xiàn)場(chǎng)觀察煙葉烘烤狀態(tài)后設(shè)置的，而該過程的智能控制是本研究的重點(diǎn)。

通過研究分析[5-7]，在不同的烘烤階段煙葉散發(fā)的揮發(fā)性物質(zhì)強(qiáng)度會(huì)有所不同，因此可以通過檢測(cè)烤房頂空氣體來確定煙葉的烘烤階段。本研究借助電子鼻技術(shù)檢測(cè)烤房氣體，提取出表征不同烘烤階段的氣味特征，經(jīng)過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理，確定干濕球控制溫度的設(shè)置值，實(shí)現(xiàn)烤房干濕球控制溫度的智能設(shè)置，這是目前相關(guān)領(lǐng)域比較缺乏的研究。電子鼻技術(shù)廣泛用于信息化農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)以及軍事等領(lǐng)域[8-13]，為本研究提供了可行性依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試樣本

試驗(yàn)的供試煙葉品種為南江3號(hào)，煙葉為中部煙，供試烤房為裝煙3層的密集烤房，煙葉放置方式為散葉堆積式，裝煙室規(guī)格為13 m×2.6 m，裝煙量為5 000 kg左右，試驗(yàn)于2014年7月在貴州省遵義市遵義縣進(jìn)行。一般地，一炕煙葉的烘烤要持續(xù)1周時(shí)間，在烘烤過程中，每小時(shí)提取烤房?jī)?nèi)煙葉散發(fā)氣體的氣味特征，同時(shí)記錄該時(shí)間內(nèi)干濕球控制溫度的設(shè)置值，以此作為1個(gè)試驗(yàn)樣本，共采集351個(gè)樣本。

如圖1所示，烤房氣體通過傳感器陣列采集，不同材料的傳感器會(huì)對(duì)氣體的不同成分產(chǎn)生響應(yīng)，本系統(tǒng)采用10路傳感器，每個(gè)樣本的傳感器響應(yīng)曲線都是由10條曲線組成。氣味數(shù)據(jù)經(jīng)放大得到傳感器原始響應(yīng)曲線，再通過信號(hào)預(yù)處理，濾除高頻干擾，對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)提取出氣味特征，氣味特征作為智能算法模型的輸入，經(jīng)計(jì)算處理后輸出干濕球控制溫度的設(shè)置值，再通過可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）控制烤房?jī)?nèi)的干濕球溫度達(dá)到設(shè)置值。

1.2方法

1.2.1氣味信號(hào)預(yù)處理和氣味特征提取傳感器陣列輸出的10路傳感器響應(yīng)電壓構(gòu)成10條響應(yīng)曲線，在這過程中會(huì)有干擾和噪聲，須要對(duì)氣味信號(hào)濾波處理。本研究采用最小均方自適應(yīng)濾波方法對(duì)原始傳感器響應(yīng)曲線進(jìn)行預(yù)處理。

烤房氣味特征的提取要反映出烘烤過程中煙葉散發(fā)不同氣味而得到不同的氣體強(qiáng)度。氣味特征提取的常用方式有基于原始響應(yīng)曲線和基于變換域的方法[14-17]。本研究采用4

種特征提取方法對(duì)烤房氣味特征進(jìn)行提取，分別是基于原始響應(yīng)曲線的最大值、積分特征提取方法，以及基于變換域的小波變換、傅里葉變換提取方法。最大值、積分特征提取方法分別提取響應(yīng)曲線上響應(yīng)強(qiáng)度的最大值、響應(yīng)曲線的積分值；小波變換、傅里葉變換特征提取方法是對(duì)響應(yīng)曲線經(jīng)過小波、傅里葉變換后，提取變換系數(shù)作為特征的方法。

1.2.2數(shù)據(jù)降維和算法處理氣體特征經(jīng)過主成分分析（principal component analysis，PCA）方法降維處理，再輸入到模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)出烤房干濕球控制溫度的設(shè)置值。為表征網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果，本研究給出3個(gè)度量參數(shù)，分別為精度P、均方根誤差RMSE以及相關(guān)系數(shù)r，計(jì)算公式如下：

P=1n∑ni=1|ti-yi|ti；（1）

RMSE=∑ni=1（ti-yi）2n；（2）

r=∑ni=1（ti-t）（yi-y）∑ni=1（ti-t）2∑ni=1（yi-y）2。（3）

式中：n為樣本總數(shù)，ti、yi分別是第i個(gè)樣本的期望值、網(wǎng)絡(luò)輸出預(yù)測(cè)值，t、y分別是樣本期望值的均值、輸出預(yù)測(cè)值的均值。

2結(jié)果與分析

2.1氣味信號(hào)預(yù)處理結(jié)果

傳感器陣列對(duì)烤房氣體的原始響應(yīng)曲線如圖2-a所示，橫坐標(biāo)為采集時(shí)間，縱坐標(biāo)為傳感器響應(yīng)輸出電壓，10根曲線分別代表10個(gè)氣體傳感器在采集過程中隨時(shí)間變化的響應(yīng)輸出。圖2-b、圖2-c為響應(yīng)曲線經(jīng)過不同濾波方法處理后的結(jié)果。從圖2中比較看出，最小均方自適應(yīng)濾波方法能較好地去除信號(hào)干擾，保留原始有效響應(yīng)。

2.2氣味特征分析

將經(jīng)最小均方自適應(yīng)濾波后的傳感器響應(yīng)曲線作為氣味特征提取的依據(jù)。采用“1.2.1”節(jié)所述4種特征提取方法提取氣味特征，再通過PCA的降維處理，將前3個(gè)主成分（PC1、PC2、PC3）作為后續(xù)建模的氣味特征。

由表1中可知，4種特征提取方法的前3個(gè)主成分PC1、PC2、PC3對(duì)原始數(shù)據(jù)信息的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到97%以上，能較好地反映原始數(shù)據(jù)信息，保證了處理結(jié)果的可靠性[18]。

2.3干濕球控制溫度的智能設(shè)置結(jié)果endprint

本研究共采集351個(gè)樣本，隨機(jī)選取樣本總數(shù)的75%（263個(gè)）作為訓(xùn)練集，剩余的25%（88個(gè)）作為測(cè)試集。氣味特征作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，輸出分別為干球控制溫度、濕球控制溫度的設(shè)置值。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練迭代次數(shù)為 1 000，隸屬度函數(shù)為三角形函數(shù)，得到測(cè)試集的預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。

以小波變換氣味特征作為輸入，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的決策面 （decision surface） 如圖5所示。 決策面是描繪網(wǎng)絡(luò)輸

入與輸出關(guān)系的非線性曲面，有助于分析各輸入因子對(duì)輸出參數(shù)的影響[19-21]，從圖中可以看出，PC1成分對(duì)干濕球控制溫度設(shè)置的影響較大。

3結(jié)論與討論

本研究提出了基于氣味特征的干濕球控制溫度的智能設(shè)置方法，采用小波變換的特征提取方式提取烤房氣體的氣味特征，經(jīng)PCA降維處理后，提取前3個(gè)主成分作為氣味特征，通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，輸出烤房干濕球控制溫度的設(shè)置值，干濕球的測(cè)試精度分別達(dá)到98.9%、97.1%，相關(guān)系數(shù)分別為0.998 3、0.982 8，均方根誤差分別為0.738 4、1.677 5，結(jié)果顯示該方法能有效地對(duì)烤房干濕球控制溫度進(jìn)行智能設(shè)置。本研究提出的方法擺脫了人工對(duì)烘烤過程的參與，為建立智能烘烤系統(tǒng)提供試驗(yàn)依據(jù)。

從干濕球控制溫度的預(yù)測(cè)結(jié)果相比較來看，濕球控制溫度的預(yù)測(cè)結(jié)果還有提升空間，下一步可考慮結(jié)合煙葉的圖像特征，以多傳感器信息融合的方式進(jìn)一步提高干濕球控制溫度的智能設(shè)置結(jié)果。

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