摘 要：卷煙機劈刀盤對煙支內(nèi)煙絲分布情況有直接影響，與卷煙物理指標、煙氣指標和燃燒錐掉落情況均有密切關系，其健康狀況將直接影響卷煙質(zhì)量。目前常用的評價方式為人工目測或使用游標卡尺進行測量，不能及時真正反映卷煙機劈刀盤的健康狀況。因此本文引入雷達圖法對劈刀盤健康狀態(tài)進行評價，建立了一套數(shù)字化、可視化的劈刀盤健康狀況方法。結(jié)果表明，雷達圖法能夠?qū)ε侗P的健康狀態(tài)進行準確評價。

關鍵詞：雷達圖法；卷煙質(zhì)量；劈刀盤；預警

中圖分類號：TS 43" " 文獻標志碼：A

卷煙機劈刀盤對煙支內(nèi)煙絲分布情況有直接影響，與卷煙物理指標、煙氣指標和燃燒錐掉落情況均有密切關系[1]。作為卷煙機的重要零件，卷煙機劈刀盤健康狀況是卷煙高質(zhì)量生產(chǎn)的關鍵。目前，劈刀盤健康狀況評估的主要方式為通過設備維護人員目測、游標卡尺測量和人工經(jīng)驗判斷等，但現(xiàn)有技術無法及時發(fā)現(xiàn)劈刀盤運行中出現(xiàn)的故障，對卷煙質(zhì)量有重大影響。因此，在劈刀盤健康狀況評估中引入一種數(shù)字化、可視化的健康狀況監(jiān)測手段尤為重要。雷達圖是一種多變量可視圖形，可將高維空間的點與平面上的某種圖形相對應，以反映高維數(shù)據(jù)的某些特點或數(shù)據(jù)間的整體關系[2]。結(jié)果表明，該方法能夠?qū)ε侗P健康狀況進行準確評估。本文應用雷達圖法評價劈刀盤健康狀況，以六槽劈刀盤健康狀況評估作為研究對象，根據(jù)劈刀盤6個不同槽位生產(chǎn)煙支的質(zhì)量情況對其健康情況進行綜合評估，根據(jù)數(shù)據(jù)分析及時預警。

1 材料與方法

1.1 準備工作

需準備的儀器和材料包括劈刀盤、卷煙機微波質(zhì)量控制系統(tǒng)和卷煙煙支，檢驗人員為卷煙物理檢驗員。

1.2 技術原理

卷煙機在高速運行中，其吸絲帶下方的劈刀盤通過凹槽，對經(jīng)過負壓吸絲成型的煙絲束進行修整削減，防止卷制所得煙支出現(xiàn)密度不均勻、質(zhì)量偏差較大和空頭等問題，因此煙支內(nèi)部的分段密度存在差異。對三深三淺劈刀盤和六槽等深劈刀盤來說，劈刀盤轉(zhuǎn)一圈對應6支單支煙。每支單支煙在不同的劈刀盤槽位（2個半邊凹槽加上1個平槽）被凹槽削減，導致內(nèi)部不同段煙支的密度、質(zhì)量存在差異。在單次完整的起停運行過程中，生產(chǎn)出的煙支屬于不同的劈刀盤位置。目前，卷煙機微波質(zhì)量控制系統(tǒng)對每支煙進行32個點位的密度檢測，可以將每支煙的密度通過雷達圖進行分析，并將其與劈刀盤各位置進行對應。首先，通過卷煙機微波質(zhì)量控制系統(tǒng)獲取單支煙數(shù)據(jù)和單點微波數(shù)據(jù)，建立標準煙支密度分布模型，確立在該規(guī)格下達到煙支生產(chǎn)理想狀態(tài)的標準煙支指標。其次，從數(shù)據(jù)集中的煙支中提取（n+1）項相同的質(zhì)量指標值，并與標準煙支進行比較，計算出相應的標準煙支的相似度指標。再次，根據(jù)標準煙支的質(zhì)量指標值和標準煙支的相似度指標構(gòu)建劈刀盤預測性維護和完善模型。最后，連續(xù)監(jiān)測通過模型獲得的煙支相似度指標，并觀察其分布，根據(jù)這些煙支相似度指標在劈刀盤上的表現(xiàn)情況判定劈刀盤是否需要維護和完善，再根據(jù)反饋結(jié)果進行維修。

2 流程步驟

2.1 建立標準煙支質(zhì)量指標值

通過卷煙機微波質(zhì)量控制系統(tǒng)獲取煙支質(zhì)量數(shù)據(jù)，選取一個批量煙支的數(shù)據(jù)集，并獲取每個煙支的檢測質(zhì)量，篩選出質(zhì)量為工藝標準質(zhì)量設計值上下2mg范圍內(nèi)的煙支，煙支數(shù)量不少于20000支，建立標準煙支數(shù)據(jù)模型，流圖如圖1所示。

獲取標準類數(shù)據(jù)集中的煙支各段質(zhì)量分布數(shù)據(jù)，通過Python或Java軟件聚合統(tǒng)計得出單點質(zhì)量指標值，斌經(jīng)過綜合評估得到單支煙在最理想狀態(tài)下的最優(yōu)質(zhì)量、各段質(zhì)量分布值，即為標準煙支指標。標準質(zhì)量煙支指標在圖1所示的過程中獲得，最終形成標準煙支劈刀盤六槽位單點質(zhì)量均值雷達圖，如圖2所示。標準煙支分段質(zhì)量指標是描述煙絲在吸絲帶煙條中分布是否均勻的重要工具，是建立相似度模型的基石。對生產(chǎn)煙支與標準煙支質(zhì)量間的差異做出比較和結(jié)果評判，也是進行劈刀盤預測性維護的基礎。

2.2 建立相似度模型擬合劈刀盤健康指標

以標準煙支指標為基準，通過相似度[3]算法計算出當前時間段劈刀盤各槽位生產(chǎn)煙支的單點質(zhì)量分布與該規(guī)格下理想質(zhì)量分布的擬合情況，記為此時間段、此規(guī)格和此槽位下生產(chǎn)煙支質(zhì)量的相似度指標，即相似度指標。相似度指標相當于將煙支的各段單點質(zhì)量值作為一個多維空間向量，同時以相同維度下的標準煙支指標向量為基準，比較兩者在空間中的距離和相似度。相似度指標越大，表明此條件下生產(chǎn)煙支的質(zhì)量情況越符合要求，以此相似度值來判定所求煙支和標準煙支的偏離程度。通過分析劈刀盤不同位置處生產(chǎn)煙支的質(zhì)量，能夠?qū)熤?shù)據(jù)和劈刀盤狀態(tài)進行異常值預警，可將其作為劈刀盤健康指標。采用余弦相似度、皮爾遜相似度和歐式距離等多種衡量多維向量差異性的數(shù)學工具來建立相似度指標模型，并對其適用性進行比較，完成相似度模型建立。

2.2.1 標準煙支質(zhì)量多維空間向量

將標準煙支的（n+1）個質(zhì)量相關的平均質(zhì)量指標值量化為多維空間的向量；獲取含有實際質(zhì)量和n段線密度單點質(zhì)量的（n+1）項質(zhì)量指標值的單班次煙支；將每支煙的（n+1）項質(zhì)量指標值轉(zhuǎn)化為多維空間的向量；提取數(shù)據(jù)集中單班次每支煙的（n+1）項相同的質(zhì)量指標值，并將質(zhì)量指標值進行量化。

2.2.2 相似度指標

與標準煙支的質(zhì)量指標值進行比較，計算出每支煙的數(shù)值化向量和標準煙支數(shù)值化向量空間距離，從而獲得每支煙關于標準煙支的相似度指標。其中，標準煙支的相似度指標值通過歐式距離來計算空間中單支煙質(zhì)量屬性與標準煙支質(zhì)量屬性的偏離程度，通過Python軟件建立標準煙支的相似度指標值模型，其中單只煙的實際質(zhì)量為n段線密度/單點質(zhì)量值。

2.2.2.1 歐式距離

歐式距離[3]是一種數(shù)學經(jīng)典度量方式，可衡定2個向量在n維空間內(nèi)的方式，如公式（1）所示。

（1）

歐式距離與其他相似度計量的不同之處是其值域并不僅限于0～1，可體現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)被測量煙支與標準煙支變動情況的絕對差異，更易于檢查煙支整體在波動中的異常值，也便于直觀設定上限預警。

2.2.2.2 余弦相似度

余弦相似度[4]可對數(shù)據(jù)進行空間化，通過計算2個向量的夾角余弦值來評估二者間的相似度，如公式（2）所示。

（2）

式中：Similarity（A，B）為余弦相似度。

余弦相似度通過0～1絕對值的衡定范圍來調(diào)控指標表現(xiàn)，同時具有負數(shù)結(jié)果值，可加強數(shù)據(jù)的不和諧性，便于對分段較短、對劈刀盤作用更敏感的煙支端部質(zhì)量數(shù)據(jù)進行相對性檢測。

2.2.2.3 相似度指標建立

2.2.2.3.1 平準盤槽位質(zhì)量健康指標

平準盤槽位質(zhì)量健康指標通過煙支平段、煙支點燃端質(zhì)量偏差進行評估，如公式（3）所示。測量采集中，煙支點位分為n段（在本例中n=32）。

H平準盤槽位CX質(zhì)量健康指標=100-w0-w1 （3）

式中：w0為n=7～26時對應的煙支平段，煙支平端距離長，點位多，采用歐氏距離算法計算質(zhì)量相似度偏移；w1為n=1～6時對應的煙支點燃端，使用余弦相似度算法計算點位質(zhì)量偏移，如公式（4）所示。

（4）

式中：為煙支平段質(zhì)量歐式距離偏移；為煙支點燃端質(zhì)量余

弦相似度偏移；St_Mn為通過大數(shù)據(jù)算法建立的標準煙支模型中具體對應煙支的各點位標準單點質(zhì)量，可作為衡定當前劈刀盤和各槽位質(zhì)量健康指標的基準；Ck_Mn為實時生產(chǎn)的煙支各點位對應的實時質(zhì)量，可作為評估對象。

2.2.2.3.2 平準盤整體健康指標

平準盤整體健康指標通過煙支平段、煙支點燃端和煙支濾嘴端質(zhì)量偏差進行評估，如公式（5）所示。

H平準盤整體健康指標=100-w0-w1-w2 （5）

式中：w2為n=27～32時對應的煙支濾嘴端，使用余弦相似度算法計算質(zhì)量偏移，如公式（6）所示。

（6）

式中：為煙支濾嘴端質(zhì)量余弦相似度偏移。

2.2.3 標準煙支的相似度指標有效性判定

根據(jù)得到的正常運行且無質(zhì)量故障的標準煙支平均相似度指標值產(chǎn)生偏離的誤差范圍和輸出正常運行且有質(zhì)量故障的標準煙支平均相似度指標值，來判定標準煙支的相似度指標有效性。標準煙支相似度指標的數(shù)值越小，表明該支煙的線密度質(zhì)量各項指標值與標準煙支各項指標值的差距越小，也越接近理想的煙支狀態(tài)。本文在某卷煙廠進行相似度指標有效性驗證。首先，保證劈刀盤完整且工作正常。在煙機正常高速運行階段，記錄當前班次號、啟停序號和批次號，通過數(shù)據(jù)庫中對應的班次號、啟停序號和批次號獲取劈刀盤正常、煙機正常高速運行階段下6000支短支煙的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并重復3次。其次，使其他外部環(huán)境條件保持一致，停機并取出劈刀盤，在劈刀盤某一槽位上隨機放置障礙物（如堅硬的紙片），并保證該障礙物不影響劈刀盤正常工作，安裝、調(diào)整好劈刀盤，重新開始生產(chǎn)煙支。直至煙機進入高速正常運行階段，記錄當前班次號、啟停序號和批次號，通過數(shù)據(jù)庫中對應的班次號、啟停序號和批次號獲取劈刀盤凸起異常、煙機正常高速運行階段下6000支短支煙的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并重復3次。最后根據(jù)試驗中記錄的數(shù)據(jù)，與標準煙支進行相關指標計算，結(jié)果見表1。

劈刀盤發(fā)生異常時，煙支相似度指標會發(fā)生顯著變化。劈刀盤在正常情況下的相似度指標均高于96%，當劈刀盤槽位有異常時，相似度指標低于95%。結(jié)果表明，相似度指標能表征劈刀盤健康狀態(tài)。

2.3 劈刀盤雷達圖預測性維護模型構(gòu)建

2.3.1 卷煙機劈刀盤六槽位單點質(zhì)量均值雷達圖設計

先通過雷達圖模擬出平準盤6個槽位（C1～C6）的狀態(tài)，使用線條在雷達圖中描繪標準煙支各段質(zhì)量數(shù)值。然后描繪當前生產(chǎn)狀態(tài)下與標準煙支質(zhì)量相同的卷煙煙支各段質(zhì)量情況。雷達圖可以數(shù)字化、圖形化反應平刀盤各槽位健康狀況，如圖3所示。

2.3.2 劈刀盤健康狀況預警設置

有預警發(fā)生時，劈刀盤6個槽位單點質(zhì)量均值雷達圖中的單點質(zhì)量曲線會發(fā)生明顯變動，并在劈刀盤圖形下方顯示“單槽位異常”，以警醒操作人員做出及時處理和應對。

2.3.2.1 劈刀盤健康狀態(tài)分級

試驗驗證表明，當劈刀盤健康狀況指標＞95%時，劈刀盤處于健康狀態(tài)；處于90%～95%時，劈刀盤存在異常；＜90%時，表明劈刀盤有損壞。

2.3.2.2 劈刀盤6個槽位單點質(zhì)量均值雷達圖異常狀況展示

將劈刀盤6槽分別標記為C1～C6。有預警發(fā)生時，單點質(zhì)量曲線將發(fā)生明顯變動，并在劈刀盤圖形下方顯示“單槽位異?！?，以警醒操作人員做出及時處理和應對。槽位C3預警如圖4所示。

3 結(jié)論

本文以“基于雷達圖法的卷煙機劈刀盤健康狀況評估”為研究對象，通過收集實際的卷煙機劈刀盤輸出煙支指標數(shù)據(jù)，并通過雷達圖法進行可視化展示，對卷煙機劈刀盤的健康狀況進行了評估。本文研究可以直觀地顯示不同指標間的關系，并提供全面的劈刀盤健康狀況評估結(jié)果。采用該評估方法，操作人員可以及時發(fā)現(xiàn)卷煙機劈刀盤存在的問題，并采取相應措施進行維護和保養(yǎng)。本文提出的基于雷達圖法的卷煙機劈刀盤健康狀況評估方法具有較高的準確性和可靠性，對提高卷煙機的運行效率和維護管理的可持續(xù)性具有重要意義，未來將進一步研究卷煙機劈刀盤故障診斷和修復方法，以提高卷煙機的自動化水平和操作效率。

參考文獻

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通信作者：殷曉露（1987-），女，四川成都人，本科，助理工程師，研究方向為卷煙工藝質(zhì)量。

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