楊江平 ，林珈夷 ，易百靈 ，彭云發(fā) ，李小生 ，張薇薇

（1.重慶煙葉復(fù)烤有限公司，重慶 400054；2.上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司，上海 200082）

0 引言

打葉復(fù)烤作為卷煙工業(yè)中第一道加工環(huán)節(jié)起著關(guān)鍵的作用，在這一環(huán)節(jié)將不同產(chǎn)地、品種、等級(jí)的原煙按照一定比例均勻摻配后再進(jìn)入打葉復(fù)烤的過(guò)程即為打葉復(fù)烤均質(zhì)化。這一處理過(guò)程對(duì)構(gòu)建一個(gè)內(nèi)在質(zhì)量穩(wěn)定、量化指標(biāo)均勻的成品片煙或配方模塊尤為重要。隨著國(guó)家煙草專賣(mài)局“卷煙上水平”的提出，卷煙工業(yè)企業(yè)對(duì)復(fù)烤片煙產(chǎn)品的質(zhì)量要求已不單純停留在滿足復(fù)烤加工過(guò)程中的簡(jiǎn)單理化指標(biāo)上，煙葉復(fù)烤加工均質(zhì)化控制需在最大程度上促使成品具備一致性和穩(wěn)定性[1]。為提高打葉復(fù)烤的均質(zhì)化加工能力，提升煙葉成品加工的均勻性，很多學(xué)者對(duì)這一工序不同環(huán)節(jié)的加工生產(chǎn)進(jìn)行研究。

沈晗等從比例調(diào)控模式上進(jìn)行各批次的調(diào)配，根據(jù)原煙小產(chǎn)地品種、葉位、外觀等綜合質(zhì)量進(jìn)行相似性組合，形成相似單元有序入庫(kù)出庫(kù)組合，但對(duì)最終成品片煙CV 的降低效果并不顯著[2]。宋照凱等在投料環(huán)節(jié)以不同投料模式對(duì)配方模塊均質(zhì)化影響開(kāi)展不同投料模式的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雙循環(huán)模式下感官評(píng)吸質(zhì)量更加均質(zhì)化且穩(wěn)定[3]。鐘永健等發(fā)現(xiàn)在大模塊、多等級(jí)均質(zhì)化加工條件下，按照選后堆垛化學(xué)成分搭配投料對(duì)煙葉化學(xué)成分均質(zhì)化更有利，在小模塊、少等級(jí)加工條件下需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的生產(chǎn)投料方式[4]。說(shuō)明不同復(fù)烤企業(yè)在根據(jù)不同原料和模塊選擇合適的投料方式的同時(shí)需要根據(jù)實(shí)時(shí)原料情況優(yōu)化預(yù)處理算法來(lái)達(dá)到理想的均勻品質(zhì)輸出。王發(fā)勇等通過(guò)研究不同的倉(cāng)庫(kù)堆碼方式，采用不同種因子做均質(zhì)化調(diào)控，發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控方式在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度仍有很大上升空間[5-7]。劉華友等從出庫(kù)方式上研究備料原煙內(nèi)部品質(zhì)的均勻性，發(fā)現(xiàn)均質(zhì)化分類(lèi)組批出庫(kù)方式比非均質(zhì)化的隨機(jī)出庫(kù)方式檢測(cè)到的煙堿均勻性更好[8-9]。尹凡等利用分選器和高架庫(kù)自動(dòng)進(jìn)行煙葉的分選入庫(kù)，最后通過(guò)高低搭配的方式均質(zhì)化自動(dòng)投料出庫(kù)來(lái)觀察原煙品種的均勻性[10-12]。高宏通過(guò)對(duì)打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工主要工序的煙葉煙堿變異系數(shù)開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有加工流程可以確保同一模塊間煙堿變異系數(shù)控制在較低水平以內(nèi)[1]。

雖然眾多學(xué)者從原料和工藝各環(huán)節(jié)的角度上進(jìn)行了較多研究，但是鮮少有從選葉、鋪葉混配環(huán)節(jié)分別進(jìn)行的針對(duì)性調(diào)控研究，而選葉后按照四分位區(qū)間搭配堆垛方式對(duì)整條加工程序可以起到綜合均質(zhì)化作用。因此，本研究根據(jù)選葉后原煙煙堿做四分位區(qū)間搭配堆垛出庫(kù)，待原料做好配方鋪葉入庫(kù)后，再運(yùn)用遺傳算法計(jì)算出最佳組合原料做搭配出庫(kù)。與原有非均質(zhì)化的隨機(jī)出庫(kù)方式相比，選葉后按照四分位區(qū)間搭配堆垛方式可最大程度地挖掘原料品質(zhì)，在滿足原料配方和創(chuàng)新產(chǎn)品的需求的基礎(chǔ)上，可提高成品片煙的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)原料經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 煙葉原料

選取某中煙公司均質(zhì)化加工模塊，投料等級(jí)10 個(gè)，最小投料配方比例0.96%，最大投料配方比例58%，均來(lái)自重慶等產(chǎn)地。選葉后原煙等級(jí)包括B3F-B2F、B2F-0、B2F-A、C2F-C4F、C3F-W、C2F-W2、C2F-G、C3F-C4F、C3F-W2等。

1.1.2 主要設(shè)備

AntarisⅡ?qū)嶒?yàn)室近紅外光譜儀，美國(guó)賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)；FED240 電熱烘，德國(guó)Binder 公司生產(chǎn)；旋轉(zhuǎn)式煙葉粉碎機(jī)，丹麥福斯有限公司生產(chǎn)；Armor711 在線近紅外光譜儀，德國(guó)卡爾蔡司集團(tuán)（Carl Zeiss AG）生產(chǎn)；5 000 m2高架倉(cāng)庫(kù)，為深圳市今天國(guó)際物流技術(shù)股份有限公司所擁有。

1.2 均質(zhì)化算法流程

1.2.1 選葉后搭配堆垛

本環(huán)節(jié)是對(duì)每個(gè)等級(jí)的選葉后原煙逐框做煙堿檢測(cè)，將測(cè)得的所有煙堿數(shù)據(jù)按照大小排序，分別以煙堿值的25%、50%、75%分位處作為分割點(diǎn)，劃分出A、B、C、D 四個(gè)煙堿數(shù)值區(qū)間，即0～25%分位數(shù)范圍作為A 區(qū)間，25%～50%分位數(shù)范圍作為B 區(qū)間，50%～75%分位數(shù)范圍作為C 區(qū)間，75%～100%分位數(shù)范圍作為D 區(qū)間，按煙堿劃分的四個(gè)分位區(qū)間如圖1 所示。將A 和B 分位區(qū)間內(nèi)煙框按照煙堿值從小到大排序，C 和D 分位區(qū)間內(nèi)煙框按照煙堿值從大到小排序；然后把A 和D 區(qū)間內(nèi)煙框按照排序的位置序號(hào)依次組合堆放待出庫(kù)，B 和C 區(qū)間內(nèi)煙框按照排序的位置序號(hào)依次組合堆放待出庫(kù)。例如：A 區(qū)間內(nèi)排在序號(hào)1 位置的煙框和D 區(qū)間內(nèi)排在序號(hào)1 位置的煙框兩兩組合放置出庫(kù)，B 區(qū)間內(nèi)排在序號(hào)1 位置的煙框和C 區(qū)間內(nèi)排在序號(hào)1 位置的煙框兩兩組合放置出庫(kù)，以此類(lèi)推，A 和D 區(qū)間內(nèi)煙框、B 和C 區(qū)間內(nèi)煙框搭配堆放出庫(kù)示意圖如圖2 所示。

圖1 按煙堿劃分的四個(gè)分位區(qū)間

圖2 A 和D區(qū)間內(nèi)煙框、B和C區(qū)間內(nèi)煙框搭配堆放出庫(kù)示意圖

1.2.2 基于遺傳算法的高架庫(kù)出庫(kù)

將入庫(kù)原料的50%作為試驗(yàn)組，采用遺傳算法計(jì)算最佳煙堿組合的原則做煙框搭配，利用高架庫(kù)自動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化配方打葉，按批次出庫(kù)；庫(kù)內(nèi)的另外50%原料作為參照，不做任何控制，隨機(jī)出庫(kù)投料打葉。

遺傳算法是一種受到生物進(jìn)化思想啟發(fā)的優(yōu)化算法，用于解決搜索和優(yōu)化問(wèn)題?；谧匀唤缰械倪m者生存和優(yōu)勝劣汰原理，模擬生物個(gè)體的遺傳、交叉、變異等操作來(lái)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的優(yōu)化。其核心是構(gòu)建一個(gè)適應(yīng)度函數(shù)，該函數(shù)衡量了每個(gè)個(gè)體的優(yōu)劣程度，稱為適應(yīng)度。初始時(shí)，隨機(jī)生成一組個(gè)體稱為種群，然后通過(guò)選擇、交叉和變異等操作對(duì)種群進(jìn)行演化，逐步優(yōu)化個(gè)體的適應(yīng)度。本研究采用遺傳算法求解，使得煙堿搭配后綜合煙堿變異系數(shù)最小的煙框搭配出庫(kù)組合，嚴(yán)格按照計(jì)算結(jié)果中的組合出庫(kù)。算法的實(shí)現(xiàn)采用Python 語(yǔ)言，運(yùn)用Geatpy 庫(kù)的遺傳算法模型計(jì)算。基于現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)條件，每3 框混配后的原煙作為出庫(kù)組合數(shù)量，即設(shè)置種群個(gè)體數(shù)為3，將最大遺傳代數(shù)設(shè)置為3 000。交叉操作模擬生物個(gè)體的基因交換過(guò)程是指對(duì)初始生成的煙堿搭配種群進(jìn)行交換重組生成新的個(gè)體。變異操作是模擬生物個(gè)體基因發(fā)生突變的過(guò)程，通過(guò)對(duì)某些個(gè)體進(jìn)行隨機(jī)變換，引入新的個(gè)體。通過(guò)以上的重復(fù)選擇、交叉和變異操作，逐代演化直到達(dá)到綜合煙堿變異系數(shù)最小的停止條件，計(jì)算最終的煙堿變異系數(shù)來(lái)比較出最適合的出庫(kù)批次，算法實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 算法實(shí)現(xiàn)流程

α為每3 框煙堿計(jì)算的均值θi1為每框混配后原煙的煙堿檢測(cè)值，?α為每個(gè)出庫(kù)批次內(nèi)每3框煙堿均值的總體均值，σ為每個(gè)批次內(nèi)煙堿標(biāo)準(zhǔn)偏差為每個(gè)批次煙堿的變異系數(shù)。具體求解算式函數(shù)為：

1.2.3 成品檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)

成品片煙每50箱取樣檢測(cè)主要化學(xué)成分，用密封袋單獨(dú)封裝送至實(shí)驗(yàn)室，煙葉樣品抽去主脈及≥2 mm的支脈后放入烘箱中，在40 ℃下烘4 h，使用帶60目篩選網(wǎng)的旋風(fēng)磨磨制成粉末，再利用實(shí)驗(yàn)室近紅外光譜儀檢測(cè)煙堿含量，最后采用變異系數(shù)分析評(píng)價(jià)片煙成品穩(wěn)定性的調(diào)控效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種出庫(kù)方式對(duì)混配鋪葉后煙葉煙堿和糖堿比均勻性的影響

為了研究?jī)煞N選葉原煙堆放方式對(duì)煙葉煙堿和糖堿比均勻性的影響，在每條選葉線近紅外光譜儀下面采集煙堿和糖堿比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本研究涉及選葉后原煙等級(jí)包括酉陽(yáng)B3F-B2F、B2F-0、B2F-A、C2FC4F、C3F-W、C2F-W2、C2F-G、C3F-C4F、C3F-W2。依照1.2.1 方法根據(jù)線上采集的煙堿數(shù)據(jù)做A、B、C、D 四分位區(qū)間劃分后，如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12 所示，將A 和D 分位區(qū)間內(nèi)煙框分別按照煙堿值從小到大和從大到小排序后搭配放置待出庫(kù)，B 和C 分位區(qū)間內(nèi)煙框分別按照煙堿值從小到大和從大到小排序后搭配放置待出庫(kù)。

圖4 整選后B3F-B2F煙堿區(qū)間劃分

圖5 整選后B2F-0煙堿區(qū)間劃分

圖6 整選后B2F-A煙堿區(qū)間劃分

圖7 整選后C2F-C4F 煙堿區(qū)間劃分

圖8 整選后C3F-W煙堿區(qū)間劃分

圖9 整選后C2F-W2煙堿區(qū)間劃分

圖10 整選后C2F-G煙堿區(qū)間劃分

圖11 整選后C3F-C4F煙堿區(qū)間劃分

圖12 整選后C3F-W2煙堿區(qū)間劃分

從經(jīng)選葉裝框后的煙堿和糖堿比的檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算來(lái)看，按照隨機(jī)搭配出庫(kù)方式的50%原煙煙堿變異系數(shù)范圍在8.74%～17.89%，糖堿比的變異系數(shù)范圍在16.22%～31.90%。另外50%的部分按照四分位劃分后均質(zhì)化搭配出庫(kù)的原煙煙堿變異系數(shù)范圍在6.40%～12.00%，具體數(shù)據(jù)描述見(jiàn)表1，其數(shù)據(jù)走勢(shì)如圖13 所示；糖堿比的變異系數(shù)范圍在6.20%～21.60%，具體數(shù)據(jù)描述見(jiàn)表2，其數(shù)據(jù)走勢(shì)如圖14 所示?？梢?jiàn)，根據(jù)煙堿的四分位將屬于各分位區(qū)間的煙框有序搭配放置，BC 區(qū)間煙框的搭配能夠令處于煙堿中位數(shù)附近且煙堿值接近的原料充分混合，AD 區(qū)間煙框的搭配使得煙堿含量處于較高和較低水平的原料混合，這樣整一批的混合后原料煙堿會(huì)趨于同一水平區(qū)間，有效起到均質(zhì)化的作用。

表1 兩種出庫(kù)方式煙堿數(shù)據(jù)描述

表2 兩種出庫(kù)方式糖堿比數(shù)據(jù)描述

圖13 隨機(jī)搭配與均質(zhì)化搭配出庫(kù)煙堿變異系數(shù)對(duì)比

圖14 隨機(jī)搭配與均質(zhì)化搭配出庫(kù)糖堿比變異系數(shù)對(duì)比

2.2 隨機(jī)組合出庫(kù)和基于遺傳算法的高架庫(kù)出庫(kù)對(duì)成品煙堿和糖堿比均勻性的影響對(duì)比

本環(huán)節(jié)是對(duì)原煙配方鋪葉裝框后逐框檢測(cè)煙堿值，然后直接將50%混配原煙送入平庫(kù)儲(chǔ)存并隨機(jī)搭配出庫(kù)翻箱喂料送入打葉復(fù)烤生產(chǎn)線；另外50%混配原料送入高架庫(kù)儲(chǔ)存并依照1.2.2 方法基于遺傳算法計(jì)算出的煙框組合抓取3 框1 組出庫(kù)進(jìn)行翻箱喂料，繼而送入生產(chǎn)線加工得到成品煙等級(jí)分別為C4F、C3F-W、C2F-G。按照1.2.3 中的方法進(jìn)行取樣后做煙堿和糖堿比的檢測(cè)。

C4F 等級(jí)經(jīng)均質(zhì)化出庫(kù)后數(shù)據(jù)計(jì)算10 個(gè)批次內(nèi)的糖堿比變異系數(shù)范圍在8.46%～10.32%，煙堿變異系數(shù)范圍在3.41%～3.82%，具體信息見(jiàn)表3，其變化情況如圖15 所示。按照隨機(jī)搭配出庫(kù)的成品煙堿變異系數(shù)范圍在3.87%～4.2%，糖堿比變異系數(shù)范圍為9.32%～11.2%。

表3 C4F高架庫(kù)配比投料后成品等級(jí)各批次煙堿、糖堿比均值、變異系數(shù)

圖15 C4F等級(jí)高架庫(kù)出庫(kù)煙堿、糖堿比各批次變異系數(shù)

C 3 F-W 等級(jí)各批次糖堿比變異系數(shù)范圍在6.04%～7.72%，煙堿變異系數(shù)范圍在2.62%～2.90%，具體信息見(jiàn)表4，其變化情況如圖16 所示。隨機(jī)搭配出庫(kù)的成品片煙煙堿變異系數(shù)為3.56%～3.77%，糖堿比變異系數(shù)范圍在8.13%～11.89%。

表4 C3F-W高架庫(kù)配比投料后成品等級(jí)各批次煙堿、糖堿比均值、變異系數(shù)

圖16 C3F-W等級(jí)高架庫(kù)出庫(kù)煙堿、糖堿比各批次變異系數(shù)

C 2 F-G 等級(jí)各批次糖堿比變異系數(shù)范圍在6.39%～8.75%，煙堿變異系數(shù)范圍在2.69%～2.97%，具體信息見(jiàn)表5，其變化情況如圖17 所示。隨機(jī)搭配出庫(kù)成品片煙煙堿變異系數(shù)為3.46%～3.68%，糖堿比變異系數(shù)為8.47%～12.66%。

表5 C2F-G高架庫(kù)配比投料后成品等級(jí)各批次煙堿、糖堿比均值、變異系數(shù)

圖17 C2F-G等級(jí)高架庫(kù)出庫(kù)煙堿、糖堿比各批次變異系數(shù)

依C4F、C3F-W、C2F-G 這三個(gè)等級(jí)的兩種出庫(kù)方式對(duì)比結(jié)果來(lái)看，根據(jù)遺傳算法搜索最佳出庫(kù)搭配組合形成的成品片煙煙堿和糖堿比變異系數(shù)均有很大程度的降低。因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，大多數(shù)傳統(tǒng)搜索和優(yōu)化算法很容易陷入局部最優(yōu)解，這些值代表的解比周?chē)慕庖?，但并不是?duì)于全局最佳的解。本研究將最終變異系數(shù)最小化設(shè)為適應(yīng)度函數(shù)，在每次迭代中對(duì)單個(gè)煙堿值做評(píng)估，將適應(yīng)度得分較高的煙堿組合作為更好的解，這部分煙堿組合也更有可能被選擇繁殖且其形狀會(huì)在下一代中體現(xiàn)。隨著迭代次數(shù)的增加，煙堿組合會(huì)更替得出質(zhì)量較高的搭配。之后還要通過(guò)選擇不同煙堿做交叉重組，隨機(jī)更新組合來(lái)在解空間的未知區(qū)域進(jìn)行搜索，使得每3 個(gè)煙堿形成的組合搭配得到的均值逐批次相近，從而在批次內(nèi)提高煙葉質(zhì)量均勻性的基礎(chǔ)上令批次間的綜合煙堿變異系數(shù)也降到極低水平。

3 結(jié)語(yǔ)

煙葉生產(chǎn)投料是打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工的關(guān)鍵前提，投料對(duì)原料化學(xué)成分的均勻摻配起到重要作用。在大模塊均質(zhì)化加工條件下，從選后煙葉化學(xué)成分均勻性和感官評(píng)吸結(jié)果來(lái)看，按照橫進(jìn)縱出的出庫(kù)投料方式更多地考量不同時(shí)段進(jìn)出料的均勻摻配，難以滿足大模塊、多等級(jí)加工條件下的精細(xì)化投料要求。本研究分別在投料前兩個(gè)原料處理關(guān)鍵點(diǎn)展開(kāi)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)根據(jù)原料煙堿劃分四個(gè)區(qū)間分位并按順序前后搭配出庫(kù)的方法可以提高混配后原料煙堿的均勻性，為高架庫(kù)配比出庫(kù)奠定穩(wěn)定原料基礎(chǔ)。在另一投料關(guān)鍵點(diǎn)高架庫(kù)配比出庫(kù)時(shí)采用遺傳算法計(jì)算最佳出庫(kù)搭配組合，與隨機(jī)出庫(kù)對(duì)照組相比各等級(jí)成品片煙煙堿變異系數(shù)降幅范圍在10%～30%，糖堿比變異系數(shù)降幅范圍在20%～50%，可見(jiàn)在原料均勻性上配比出庫(kù)較隨機(jī)出庫(kù)有較大幅度的提升。這對(duì)于打葉復(fù)烤加工質(zhì)量的提高起到助推作用，可最大限度地發(fā)揮原料基本性質(zhì)作用，滿足配方和產(chǎn)品更新的需求。本研究系統(tǒng)地將打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工技術(shù)做投料關(guān)鍵環(huán)節(jié)試驗(yàn)對(duì)照分析，在實(shí)踐中提升打葉復(fù)烤加工的質(zhì)量和效率，提高煙葉加工質(zhì)量和可用性。