片煙形態(tài)、結(jié)構(gòu)與煙絲結(jié)構(gòu)的關(guān)系

劉 澤，何邦華，林文強，陳 霖，朱 勇，胡東東，祁 林，周沅楨，邱昌桂

1. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路181 號 650231

2. 昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)院，昆明市呈貢區(qū)景明南路727 號 650504

3. 云南同創(chuàng)檢測技術(shù)股份有限公司，昆明市高新區(qū)海源北路1699 號 650106

片煙制絲是卷煙生產(chǎn)的重要加工過程，該過程中被加工物料的物理結(jié)構(gòu)由片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻z狀，使之滿足后續(xù)制絲加工工序及產(chǎn)品卷制的要求［1-2］。關(guān)于片煙如何影響煙絲結(jié)構(gòu)的研究，已經(jīng)從片煙結(jié)構(gòu)的大片率、碎片率［3］方面轉(zhuǎn)移至片煙面積分布［4］上來，目前，主要研究重點是片煙面積分布的表征方法及精度提升［5-6］、片煙結(jié)構(gòu)與煙絲結(jié)構(gòu)的關(guān)系建模與預(yù)測［7-8］、片煙成絲模式研究［2,9-10］等。關(guān)于片煙形態(tài)的研究已漸漸成為新的研究熱點，主要借助計算機視覺技術(shù)，采用鏈碼特性［11］、幾何圖形的分形原理和傅里葉變換［9,11-12］、輪廓提取法［13］等描述片煙形態(tài)特征指標(biāo)，能夠有效評價片煙形態(tài)及變化情況。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，試驗發(fā)現(xiàn)在大中片率或面積相近的不同形狀片煙切絲后的煙絲結(jié)構(gòu)分布存在顯著差異，表明片煙形態(tài)也是影響煙絲結(jié)構(gòu)的重要因素之一。但片煙形態(tài)如何影響煙絲結(jié)構(gòu)分布的研究鮮見報道。為此，在準(zhǔn)確提取片煙結(jié)構(gòu)、片煙形態(tài)特征指標(biāo)的基礎(chǔ)上，關(guān)聯(lián)對應(yīng)切絲后的煙絲結(jié)構(gòu)分布情況，采用簡單相關(guān)分析、逐步回歸分析和通徑分析等統(tǒng)計方法，探討片煙結(jié)構(gòu)、片煙形態(tài)與煙絲結(jié)構(gòu)的關(guān)系，旨在建立更為精確的煙絲結(jié)構(gòu)模型，為提高打葉片形品質(zhì)和優(yōu)化煙絲結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 材料、設(shè)備與方法

1.1 材料與設(shè)備

云煙（紫）品牌用C4F、B3F、X2F 打葉復(fù)烤后片煙。

CA 813 型片煙大小及分布測定系統(tǒng)（昆明船舶設(shè)備集團有限公司、鄭州煙草研究院）；FED-400 可編程熱風(fēng)循環(huán)烘箱、KBF 540 恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）；ABS 204-S 電子天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；葉片振動分選篩（鄭州煙草研究院）；AS 400 旋轉(zhuǎn)篩分儀（篩網(wǎng)孔徑為 4.75、4.00、2.50、2.00、1.60 和 1.00 mm，德國Retsch 公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理方法

用篩分法檢測在線取樣的片煙結(jié)構(gòu)后，按照＞25.40 mm、12.70～25.40 mm、6.35～12.70 mm、2.36～6.35 mm 分別收集大片、中片、小片、碎片（含碎末）4 個尺寸樣品，每個尺寸樣品收集總量均＞20 kg。

1.2.2 片煙結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征指標(biāo)的檢測方法

用篩分法［3］檢測片煙結(jié)構(gòu)，通過計算各層篩網(wǎng)所收集片煙質(zhì)量的百分含量即得到大片率X4、中片率X5、小片率X6、碎片率X7等4 個片煙結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)。

按片煙面積大小分類標(biāo)準(zhǔn)，利用CA 813 片煙大小及分布測定系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)分析軟件，分別采集不同面積片煙數(shù)字圖像，并通過計算得到3個片煙形態(tài)特征指標(biāo)［4,13］：矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3。

1.2.3 煙絲結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的檢測方法

采用粒度分布方法［14］，建立煙絲尺寸分布特性方程，得到描述煙絲結(jié)構(gòu)分布規(guī)律特征量：煙絲特征尺寸x0.50（Y1）和煙絲均勻性系數(shù)C（Y2）。所建立的煙絲結(jié)構(gòu)分布特性方程如式（1）：

式中：F 為煙絲篩上累積質(zhì)量比；X 為篩網(wǎng)孔徑，mm；B 為方程參數(shù)；C 為煙絲均勻性系數(shù)，C 值越大，表示煙絲尺寸分布范圍越窄，即煙絲尺寸分布均勻性越好。

對于煙絲尺寸分布，將煙絲篩上累積質(zhì)量比F為0.50 所對應(yīng)的煙絲尺寸作為衡量煙絲整體尺寸大小的特征量，記為x0.50，本研究中采用煙絲特征尺寸（Y1）表示，其值越大，表示煙絲整體尺寸越長，可通過式（2）求得：

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 統(tǒng)計軟件，用相關(guān)分析和逐步回歸分析作為統(tǒng)計方法對檢測結(jié)果進行分析。

采用葉片形狀檢測系統(tǒng)分析軟件（昆明船舶設(shè)備集團有限公司）計算片煙形態(tài)特征指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 片煙形態(tài)、結(jié)構(gòu)與煙絲結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析

將61 個樣品的片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與煙絲結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)進行簡單相關(guān)分析，結(jié)果見表1。由表1 可知，在達到顯著或極顯著水平的相關(guān)性中，煙絲特征尺寸Y1與緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3、小片率X6、碎片率X7呈極顯著負相關(guān)，與大片率X4呈極顯著正相關(guān)，與矩形度聚類中心距X1呈顯著負相關(guān)；煙絲均勻性系數(shù)Y2與矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3呈極顯著負相關(guān)。同時，煙絲特征尺寸Y1和煙絲均勻性系數(shù)Y2存在極顯著正相關(guān)，即煙絲特征尺寸Y1越大，煙絲均勻性系數(shù)Y2越高，煙絲尺寸分布范圍越窄，此分析結(jié)果與生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗認(rèn)知一致。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)|r|≥0.8，視為高度相關(guān)；0.5≤|r| ＜ 0.8，視為中度相關(guān)；0.3 ＜ |r| ＜ 0.5，視為弱相關(guān)［15］。煙絲特征尺寸Y1和均勻性系數(shù)Y2與細長度聚類中心距 X3是高度相關(guān)（r 分別為-0.818和-0.894）；煙絲特征尺寸Y1與緊致度聚類中心距X2、小片率X6是中等程度相關(guān)，與碎片率X7、大片率X4、矩形度聚類中心距X1是弱相關(guān)。煙絲均勻性系數(shù)Y2與緊致度聚類中心距X2是高度相關(guān)（r為-0.828），與矩形度聚類中心距X1是中等程度相關(guān)。同時，煙絲特征尺寸Y1和煙絲均勻性系數(shù)Y2呈高度相關(guān)。

表1 片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與煙絲結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的相關(guān)分析①Tab.1 Correlation analysis between morphology and structure of tobacco strips and structure of cut tobacco

2.2 片煙形態(tài)、結(jié)構(gòu)與煙絲結(jié)構(gòu)的逐步回歸分析

2.2.1 片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與煙絲特征尺寸的逐步回歸分析

以煙絲特征尺寸Y1為因變量，以片煙形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3、大片率X4、中片率X5、小片率X6和碎片率X7指標(biāo)為自變量，進行逐步回歸分析，從包含7 項自變量的回歸方程中，視自變量對因變量作用的顯著程度，每次剔除1 個最不顯著的回歸自變量，直至即無不顯著的自變量從回歸方程中剔除，同時又無顯著的自變量可以引入為止，由此得到最優(yōu)回歸方程［15］，見式（3）。

表2 是方程（3）的5 個入選自變量的回歸系數(shù)及顯著性檢驗的結(jié)果。分析結(jié)果表明，矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3、大片率X4和中片率X5對煙絲特征尺寸Y1達到極顯著的影響，其他片煙形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)對煙絲特征尺寸Y1無顯著影響。通過比較篩選出的5 個自變量的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的絕對值可知，矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2對煙絲特征尺寸Y1的影響最為顯著。

表2 片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與煙絲特征尺寸逐步回歸系數(shù)及顯著性檢驗Tab.2 Stepwise regression coefficients and significance test between morphology and structure of tobacco strips and characteristic size of cut tobacco

表3 是方程（3）方差分析檢驗的結(jié)果。由表3可知，煙絲特征尺寸Y1回歸方程的方差分析達極顯著水平，篩選出的5 個自變量的回歸系數(shù)均達到了極顯著水平，說明煙絲特征尺寸Y1回歸方程具有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義。

表3 片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與煙絲特征尺寸逐步回歸方程的方差分析Tab.3 Variance analysis of stepwise regression equation for morphology and structure of tobacco strips and characteristic size of cut tobacco

2.2.2 片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與煙絲均勻性系數(shù)的逐步回歸分析

以片煙的矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3、大片率X4、中片率X5、小片率X6和碎片率X7指標(biāo)為自變量，以煙絲均勻性系數(shù)Y2為因變量，進行逐步回歸分析，獲得最優(yōu)的煙絲均勻性系數(shù)Y2逐步多元回歸方程，見式（4）。同時進行顯著性檢驗和方差分析，結(jié)果分別見表4 和表5。

表4 片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與煙絲均勻性系數(shù)逐步回歸系數(shù)及顯著性檢驗Tab.4 Stepwise regression coefficients and significance test between characteristic indexes of morphology and structure of tobacco strips and uniformity coefficient of cut tobacco

表4 結(jié)果表明，經(jīng)F 檢驗，篩選出的4 個片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與煙絲均勻性系數(shù)Y2的回歸方程均達到顯著或極顯著水平。通過比較篩選出的4 個片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的絕對值可知，矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2對煙絲均勻性系數(shù)Y2的影響較大。

表5 片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與煙絲均勻性系數(shù)逐步回歸方程的方差分析Tab.5 Variance analysis of stepwise regression equation for characteristic indexes of morphology and structure of tobacco strips and uniformity coefficient of cut tobacco

由表5 方差分析結(jié)果可知，煙絲均勻性系數(shù)Y2逐步多元回歸方程達極顯著水平，顯著性檢驗表明逐步多元回歸系數(shù)達到極顯著水平，煙絲均勻性系數(shù)Y2逐步多元回歸方程具有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義。

2.3 片煙形態(tài)、結(jié)構(gòu)與煙絲結(jié)構(gòu)的通徑分析

2.3.1 片煙形態(tài)、結(jié)構(gòu)與煙絲特征尺寸的通徑分析

通過對逐步回歸分析中篩選出的5 個片煙形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)（矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3、大片率X4和中片率X5）與煙絲特征尺寸Y1的相關(guān)系數(shù)分為直接作用和間接作用進行通徑分析，結(jié)果見表6。

由表6 可知，篩選出的5 個片煙形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)對煙絲特征尺寸Y1的直接作用差異較大，按絕對值大小排序為：緊致度聚類中心距X2（-1.026）＞矩形度聚類中心距X1（0.709）＞細長度聚類中心距 X3（-0.362）＞ 大片率 X4（0.355）＞中片率X5（0.176）。緊致度聚類中心距X2越小，表明該片煙樣品形狀越接近標(biāo)準(zhǔn)圓形片煙，切絲后對應(yīng)的煙絲特征尺寸Y1越大。矩形度聚類中心距X1越大，表明該片煙樣品偏離長寬比為3∶1 的標(biāo)準(zhǔn)矩形形狀的程度越大，切絲后對應(yīng)的煙絲特征尺寸Y1越大。

從間接作用的總和看，篩選出的片煙形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)對煙絲特征尺寸Y1的間接作用也存在較大差異，矩形度聚類中心距X1對煙絲特征尺寸Y1的間接作用最大（-1.029），其次，絕對值大小順序依次為細長度聚類中心距X3（-0.456）、緊致度聚類中心距X2（0.306）、中片率X5（-0.181）、大片率X4（0.092）。其中，從間接作用的途徑看，矩形度聚類中心距X1和細長度聚類中心距X3主要通過緊致度聚類中心距X2對煙絲特征尺寸Y1起間接作用（分別為-0.899 和-0.936），緊致度聚類中心距X2、大片率X4和中片率X5主要通過矩形度聚類中心距X1對煙絲特征尺寸Y1起間接作用（分別為0.621、0.449 和-0.407）。

直接作用和間接作用的總作用即為簡單相關(guān)系數(shù)，結(jié)合簡單相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果（表1），按絕對值大小排序為：細長度聚類中心距X3（-0.818）＞緊致度聚類中心距X2（-0.772）＞ 大片率X4（0.447）＞矩形度聚類中心距X1（-0.320）＞中片率X5（-0.006）。即細長度聚類中心距X3與對應(yīng)切絲后的煙絲特征尺寸Y1高度負相關(guān)。緊致度聚類中心距X2與對應(yīng)切絲后的煙絲特征尺寸Y1中等程度負相關(guān)，大片率X4、矩形度聚類中心距X1與對應(yīng)切絲后的煙絲特征尺寸Y1弱相關(guān)，與表1 簡單相關(guān)分析結(jié)果吻合。

表6 片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)與煙絲特征尺寸的通徑分析Tab.6 Path analysis between morphology and structure of tobacco strips and characteristic size of cut tobacco

綜上所述，適當(dāng)降低片煙形態(tài)指標(biāo)細長度聚類中心距X3、緊致度聚類中心距X2，可快速提高煙絲特征尺寸Y1。同時，也可以通過提高大片率X4來實現(xiàn)煙絲特征尺寸Y1提高的目的。

2.3.2 片煙形態(tài)、結(jié)構(gòu)與煙絲均勻性系數(shù)的通徑分析

通過對逐步回歸分析中篩選出的4 個片煙形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)（矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、中片率X5和碎片率X7）與煙絲均勻性系數(shù)Y2進行通徑分析，結(jié)果見表7。

表7 片煙的特征指標(biāo)形態(tài)和結(jié)構(gòu)與煙絲均勻性系數(shù)的通徑分析Tab.7 Path analysis between morphology and structure of tobacco strips and uniformity coefficient of cut tobacco

由表7 可知，篩選出的4 個片煙形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)對煙絲均勻性系數(shù)Y2的直接作用差異較大，按絕對值大小排序為：緊致度聚類中心距X2（-2.280）＞矩形度聚類中心距X1（1.653）＞碎片率X7（0.526）＞中片率X5（0.200）；其中，矩形度聚類中心距X1、中片率X5和碎片率X7對煙絲均勻性系數(shù)Y2為正向直接作用，緊致度聚類中心距X2對煙絲均勻性系數(shù)Y2為負向直接作用。緊致度聚類中心距X2越大，煙絲均勻性系數(shù)Y2越小，煙絲結(jié)構(gòu)分布范圍就越寬。碎片率X7越大，煙絲均勻性系數(shù)Y2越大，煙絲尺寸分布范圍就越窄，此結(jié)論與生產(chǎn)實踐經(jīng)驗吻合。

從間接作用的總和看，篩選出的4 個片煙形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)對煙絲均勻性系數(shù)Y2的間接作用也存在較大差異，矩形度聚類中心距X1對煙絲均勻性系數(shù)Y2的間接作用最大（-2.181），緊隨其后依次為緊致度聚類中心距X2（1.453）、中片率X5（-0.637）和碎片率X7（-0.272）。從間接作用的途徑看，矩形度聚類中心距X1和碎片率X7主要通過緊致度聚類中心距X2對煙絲均勻性系數(shù)Y2起間接作用（分別為-1.997 和-0.349），緊致度聚類中心距X2主要通過矩形度聚類中心距X1對煙絲均勻性系數(shù)Y2起間接作用（1.448），中片率X5主要通過矩形度聚類中心距X1和緊致度聚類中心距X2共同對煙絲均勻性系數(shù)Y2起間接作用（分別為-0.949 和0.866）。

綜合各片煙形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)對煙絲均勻性系數(shù)Y2的直接作用和間接作用的分析結(jié)果。各片煙形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)對煙絲均勻性系數(shù)Y2的總作用也是不均等的，按絕對值大小排序為：緊致度聚類中心距X2（-0.827）＞矩形度聚類中心距X1（-0.528） ＞ 碎 片 率 X7（-0.111） ＞ 中 片 率 X5（-0.072）。此分析結(jié)果與表1 的簡單相關(guān)分析結(jié)果一致。

綜上所述，適當(dāng)降低片煙矩形度聚類中心距X1和緊致度聚類中心距X2，可以快速實現(xiàn)煙絲均勻性系數(shù)Y2的增加，即實現(xiàn)更窄的煙絲尺寸分布范圍。

3 結(jié)論

（1）簡單相關(guān)分析表明，煙絲特征尺寸Y1與緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3呈極顯著負相關(guān)（P ＜0.01），與大片率X4呈極顯著正相關(guān)（P ＜0.01），與矩形度聚類中心距X1呈顯著負相關(guān)（P ＜0.05）；煙絲均勻性系數(shù)Y2與矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2呈極顯著負相關(guān)（P ＜0.01）。

（2）采用多元逐步回歸方法，分析了片煙形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與煙絲結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的內(nèi)在關(guān)系，經(jīng)顯著性檢驗，所建立的煙絲特征尺寸Y1、煙絲均勻性系數(shù)Y2多元逐步回歸方程及回歸系數(shù)均達顯著或極顯著水平（P ＜ 0.01 或P ＜ 0.05）。

（3）通徑分析表明，各片煙形態(tài)及結(jié)構(gòu)對煙絲特征尺寸Y1的總作用按絕對值大小排序為：細長度聚類中心距X3（-0.818）＞緊致度聚類中心距X2（-0.772）＞大片率X4（0.447）＞矩形度聚類中心距X1（-0.320）＞中片率X5（-0.006）。各片煙形態(tài)及結(jié)構(gòu)對煙絲均勻性系數(shù)Y2的總作用按絕對值大小排序為：緊致度聚類中心距X2（-0.827）＞矩形度聚類中心距 X1（-0.528）＞ 碎片率 X7（-0.111）＞中片率X5（-0.072）。

（4）根據(jù)相關(guān)分析和通徑分析結(jié)果，適當(dāng)降低片煙形態(tài)指標(biāo)細長度聚類中心距X3、緊致度聚類中心距X2，可快速提高煙絲特征尺寸Y1；適當(dāng)降低片煙矩形度聚類中心距X1和緊致度聚類中心距X2，可快速改善煙絲均勻性系數(shù)Y2，即煙絲結(jié)構(gòu)分布范圍更窄。同時，也可以通過提升大片率X4來實現(xiàn)煙絲特征指標(biāo)提高的目的。相關(guān)結(jié)果對制絲工藝過程中片煙形態(tài)及煙絲結(jié)構(gòu)調(diào)控、復(fù)烤工藝打葉特征指標(biāo)制定及質(zhì)量維護有較好的指導(dǎo)意義。