平庫(kù)投料模式下基于煙葉化學(xué)指標(biāo)和表觀特性的均質(zhì)化調(diào)控技術(shù)

周渭皓，高憲輝，何 彬，史紹新，劉 磊，王 維，段 麗，劉 芳，錢(qián) 偉，張 海*

1.云南省煙草煙葉公司，昆明市官渡區(qū)西邑村182 號(hào) 6500002.云南銘帆科技有限公司，昆明市盤(pán)龍區(qū) 650000

打葉復(fù)烤是連接煙草農(nóng)業(yè)與煙草工業(yè)的重要環(huán)節(jié)，成品片煙的品質(zhì)特征與均勻性直接影響下游成品卷煙的品質(zhì)及穩(wěn)定性［1］。煙堿變異系數(shù)是衡量成品片煙均質(zhì)性的重要指標(biāo)，許多學(xué)者研究了均質(zhì)化加工策略對(duì)煙堿變異系數(shù)的影響。研究表明，在打葉復(fù)烤環(huán)節(jié)進(jìn)行投料系統(tǒng)技改，以及優(yōu)化管理鋪葉臺(tái)結(jié)合貯葉柜的利用，均可有效降低煙堿變異系數(shù)［2-3］。此外，在打葉復(fù)烤不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)檢測(cè)原料的煙堿值，并通過(guò)一定方式進(jìn)行均質(zhì)化調(diào)控，也可降低成品片煙的變異系數(shù)?？晌母龋?］通過(guò)檢測(cè)不同貨位原煙的煙堿值，并按原煙煙堿值進(jìn)行搭配出庫(kù)、投料，最終降低了成品片煙的變異系數(shù)；尹旭等［1］通過(guò)在線近紅外檢測(cè)技術(shù)，測(cè)定分選煙葉的煙堿含量，結(jié)合高架庫(kù)自動(dòng)控制功能，使成品煙葉的煙堿變異系數(shù)降低，提升了均質(zhì)化水平。王宏鋁等［5］利用在線近紅外設(shè)備檢測(cè)煙葉煙堿值，并按照煙堿值分類堆放，搭配混投，最終降低了成品的煙堿變異系數(shù)，而且成品的含水率及顏色值的變異系數(shù)也有所降低。

目前，一些打葉復(fù)烤企業(yè)實(shí)行平庫(kù)條件下的配方打葉加工方式，在該生產(chǎn)條件下，每個(gè)配方模塊配方單元較多，如果按照煙堿值（或顏色值）高低進(jìn)行煙葉區(qū)分入庫(kù)，相當(dāng)于進(jìn)一步增加配方單元數(shù)量，進(jìn)而明顯增加貨位壓力，而且也會(huì)增加后期投料難度。同時(shí)，卷煙工業(yè)企業(yè)近年對(duì)原料的均質(zhì)化要求不僅僅局限于煙堿這一項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)總糖、還原糖、總氮等指標(biāo)也提出了要求。因此，研究適宜于平庫(kù)條件、配方打葉的多維度均質(zhì)化加工方式將有效緩解上述壓力。但是測(cè)量所有化學(xué)指標(biāo)，極大地增大工作量，提升生產(chǎn)成本；研究發(fā)現(xiàn)，煙葉顏色不僅與常規(guī)化學(xué)成分有關(guān)［6-11］，而且與多酚含量相關(guān)［8，12-13］，調(diào)控降低顏色值變異系數(shù)，理論上可以間接降低一些化學(xué)指標(biāo)的變異幅度。受此啟發(fā)，本文以顏色值與煙堿值為調(diào)控指標(biāo)開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)一定的規(guī)則進(jìn)行入庫(kù)、出庫(kù)和投料，以期在平庫(kù)、低成本條件下實(shí)現(xiàn)多維度均質(zhì)化提升目的。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與儀器

GTM-600 型煙葉綜合測(cè)試臺(tái)、在線煙葉顏色檢測(cè)設(shè)備（上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司）；AURA便攜式近紅外光譜儀（德國(guó)Carl Zeiss公司）；傅里葉變換近紅外光譜儀（德國(guó)BRUKER公司）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

原煙材料采集來(lái)自西南高原生態(tài)區(qū)的初烤煙葉，產(chǎn)地包括昆明、楚雄、大理、曲靖等13 個(gè)州、市，共計(jì)267份材料。

均質(zhì)化實(shí)驗(yàn)材料為配方模塊A、B、C，分別于2020、2021、2022 年度進(jìn)行生產(chǎn)。模塊A 由文山C3F、曲靖C3F、玉溪C3F、普洱C3F 組成，共250 000 kg；模塊B 由保山C3F、文山C3F 組成，共200 000 kg；模塊C 由玉溪B3F、紅河B3F、昭通B3F 組成，共250 000 kg。3 個(gè)配方模塊均用一半進(jìn)行均質(zhì)化加工（實(shí)驗(yàn)組樣品），另一半作為對(duì)照組樣品。

1.3 方法

1.3.1 原煙外觀及常規(guī)化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)

收集、整理西南高原生態(tài)區(qū)清甜香型煙葉，利用煙葉綜合測(cè)試臺(tái)采集煙葉樣本圖像，并輸出外觀指標(biāo)數(shù)據(jù)（包括長(zhǎng)度、寬度、質(zhì)量、H值、S值、V值等）；此后，參照丁根勝等［7］的方法進(jìn)行樣品處理，利用傅里葉變換近紅外光譜儀采集樣本近紅外光譜并測(cè)算常規(guī)化學(xué)指標(biāo)。

1.3.2 均質(zhì)化實(shí)驗(yàn)流程及方法

1.3.2.1 均質(zhì)化實(shí)驗(yàn)流程

首先按照分選計(jì)劃，將原煙投入分選線上；利用分選線上的在線顏色檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)選后煙葉的顏色值，利用便攜式近紅外光譜儀檢測(cè)選后煙葉煙堿值。當(dāng)選后煙葉裝滿煙框時(shí)，停止檢測(cè)，并計(jì)算該框選后煙葉的顏色值與煙堿值。根據(jù)選后煙葉的顏色值與煙堿值進(jìn)行入庫(kù)調(diào)控，并按規(guī)則進(jìn)行出庫(kù)投料。最終，對(duì)成品片煙進(jìn)行化學(xué)值檢測(cè)并計(jì)算變異系數(shù)（圖1）。

圖1 均質(zhì)化實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of a homogenization experiment

1.3.2.2 選后煙葉煙堿值檢測(cè)

煙葉裝框時(shí)采用便攜式近紅外光譜儀采集煙葉的光譜信息，參照王發(fā)勇等［14］、楊芳芳等［15］的方法進(jìn)行樣本掃描，掃描時(shí)將煙葉鋪平，光譜儀緊貼樣本，并預(yù)測(cè)樣本煙堿含量，當(dāng)每框煙葉裝滿時(shí)，停止取樣檢測(cè)，并計(jì)算該框選后煙葉煙堿值。

1.3.2.3 選后煙葉顏色值檢測(cè)

在線煙葉顏色檢測(cè)設(shè)備包括光源系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、分析系統(tǒng)等，安裝在分選線爬坡皮帶處。光源系統(tǒng)確保圖像采集在穩(wěn)定光源照射的條件下進(jìn)行，圖像采集系統(tǒng)保障圖像清晰度，分析系統(tǒng)可以剔除圖像中的傳送皮帶、背面煙葉等干擾信息，使分析所用圖片盡量?jī)H包含正面煙葉的有效信息。設(shè)備每隔5 s采集1張選后煙葉圖片，并計(jì)算出顏色值和圖片有效面積，當(dāng)每框煙葉裝滿時(shí)，觸發(fā)框滿信號(hào)，此時(shí)檢測(cè)停止，設(shè)備根據(jù)顏色值和圖片有效面積計(jì)算出該框選后煙葉顏色值。選后煙葉顏色值計(jì)算方法：提取煙葉部分的RGB（Red Green Blue）、HSV（Hue Saturation Value）、Lab 顏色空間各分量數(shù)值和灰度值（HSV、Lab顏色空間各分量數(shù)值可由RGB轉(zhuǎn)化得到［16-19］）；通過(guò)歸一化、確定投影目標(biāo)函數(shù)、遺傳算法計(jì)算投影值，并最終計(jì)算顏色值。

1.3.2.4 均質(zhì)化調(diào)控規(guī)則

在選后煙葉入庫(kù)前，將貨位提前分為若干個(gè)均質(zhì)化通道，通過(guò)計(jì)算軟件，依據(jù)選后煙葉的調(diào)控指數(shù)，將其分配到合適的均質(zhì)化通道內(nèi)。如果當(dāng)前選后煙葉放至C3通道時(shí)，各均質(zhì)化通道之間調(diào)控指數(shù)最接近，則將該選后煙葉分配至C3（圖2A中黑色豎直箭頭所示）；更新每個(gè)均質(zhì)化通道的調(diào)控指數(shù)平均值，根據(jù)下一框選后煙葉的調(diào)控指數(shù)，設(shè)置其分配通道，如果下一框選后煙葉放至C2 時(shí)，各均質(zhì)化通道之間調(diào)控指數(shù)最接近，則將該選后煙葉分配至C2，以此類推，最終使均質(zhì)化通道間的煙堿平均值接近，顏色平均值接近；出庫(kù)時(shí)，待一個(gè)均質(zhì)化通道的所有選后煙葉全部出庫(kù)完畢，再開(kāi)始另一個(gè)通道的選后煙葉出庫(kù)（圖2B）。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，建立了一種基于吸引域的均質(zhì)化分配算法模型HDMAD（Homogenization Distribution Model based on Absorption of Domain）。設(shè)有M個(gè)煙框，貨位通道數(shù)為T(mén)0。

圖2 選后煙葉入庫(kù)及出庫(kù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of warehousing and retrieving of selected tobacco leaves

（1）計(jì)算第i煙框的調(diào)控指數(shù)：

式中：CR是顏色值；NI是煙堿值；Q（i）是調(diào)控指數(shù)。

（2）按照如下規(guī)則將煙框轉(zhuǎn)移至對(duì)應(yīng)的通道：設(shè)第i煙框的調(diào)控指數(shù)為Q（i），i≤T0時(shí)，第i個(gè)煙框擺放的通道T（i）=i；i>T0時(shí)，則第i個(gè)煙框擺放的通道T（i）的計(jì)算方式如下：

式中：Qmin和Qmax分別是兩個(gè)調(diào)控指標(biāo)吸引域，首先分別計(jì)算每個(gè)貨位通道Q值的平均值，Qmin、Qmax分別取每個(gè)貨位通道Q值平均值的最小值和最大值；Timin指Qmin對(duì)應(yīng)的通道號(hào)；Timax指Qmax對(duì)應(yīng)的通道號(hào)；Random表示在其值域中隨機(jī)選取1個(gè)。α為超參數(shù)，表示松弛因子，取值范圍為正數(shù)（α>0），需提前設(shè)置。通常α=1 時(shí)，調(diào)控結(jié)果中數(shù)據(jù)分布較為均勻；當(dāng)α<1 時(shí)，Qmin吸引域弱于Qmax，調(diào)控傾向于增強(qiáng)貨位通道Q值較小端的擺放密度；當(dāng)α>1 時(shí)，Qmin吸引域強(qiáng)于Qmax，調(diào)控傾向于增強(qiáng)貨位通道Q值較大端的擺放密度，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)α取值，此處計(jì)算取α=1。

（3）更新計(jì)算所有貨位通道Q值的吸引域Qmin和Qmax，以及對(duì)應(yīng)的通道號(hào)Timin和Timax，如果某通道已擺放的煙框數(shù)量達(dá)到限定值則不參與更新計(jì)算，返回步驟（1）（2）直至所有煙框擺放完畢。

1.3.3 成品檢測(cè)

參照王戈等［20］的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組成品片煙進(jìn)行取樣和檢測(cè)，利用傅里葉變換近紅外光譜儀檢測(cè)煙堿、總氮、總糖、還原糖、鉀與氯6項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)，并計(jì)算各指標(biāo)變異系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙葉顏色與常規(guī)化學(xué)成分之間相關(guān)性分析

西南高原生態(tài)區(qū)清甜香型煙葉顏色與常規(guī)化學(xué)成分之間的簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，煙葉HSV顏色空間參數(shù)H值與總糖、鉀、糖堿比等極顯著正相關(guān)，與總氮極顯著負(fù)相關(guān)；S值與還原糖、總氮極顯著正相關(guān)，與鉀、糖堿比等極顯著負(fù)相關(guān)；V值與總氮極顯著負(fù)相關(guān)，與糖堿比、糖氮比極顯著正相關(guān)。

2.2 分選后煙葉的統(tǒng)計(jì)分析

2020—2022 年間進(jìn)行了3 次均質(zhì)化實(shí)驗(yàn)，分別以模塊A，模塊B，模塊C 為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，模塊A 包含4個(gè)配方元素，模塊B包含2個(gè)配方元素，模塊C包含3個(gè)配方元素。由表2可知，模塊C實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)出選后煙葉框數(shù)最多，為411 框；模塊B 實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)出選后煙葉框數(shù)最少，為295框。根據(jù)各配方單元的使用數(shù)量設(shè)置均質(zhì)化通道數(shù)量，曲靖C3F 與玉溪B3F 的均質(zhì)化通道個(gè)數(shù)最多，均為6 個(gè)；玉溪C3F 與普洱C3F 均質(zhì)化通道個(gè)數(shù)最少，均為2個(gè)；不難看出，相同產(chǎn)地等級(jí)通道間框數(shù)變化范圍較小。由表2還可以看出，不同產(chǎn)地、不同等級(jí)的配方單元煙堿含量存在差異。

表2 實(shí)驗(yàn)組分選產(chǎn)出表及不同配方單元煙堿含量Tab.2 Sorting output of test groups and nicotine contents in tobacco leaves of different blends

2.3 均質(zhì)化調(diào)控對(duì)通道間差異影響

為了研究均質(zhì)化調(diào)控對(duì)通道間差異影響，計(jì)算了均質(zhì)化調(diào)控后各選后煙葉的煙堿值和顏色值以及均質(zhì)化通道間的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并與正常生產(chǎn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。以曲靖C3F 為例，與正常生產(chǎn)相比，曲靖C3F 經(jīng)均質(zhì)化調(diào)控后，均質(zhì)化通道間的顏色值和煙堿值的平均值更接近（圖3）。

圖3 正常生產(chǎn)及均質(zhì)化生產(chǎn)條件下曲靖C3F煙堿值及顏色值波動(dòng)情況Fig.3 Variations in nicotine level and color value of Qujing C3F tobacco leaves under normal production and homogenization production conditions

進(jìn)一步，對(duì)比了正常生產(chǎn)與均質(zhì)化生產(chǎn)通道間的顏色值及煙堿值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果（圖4）顯示，經(jīng)均質(zhì)化調(diào)控后，模塊A 各配方單元通道間的煙堿值標(biāo)準(zhǔn)差相比正常生產(chǎn)均有所下降，其中文山C3F 降幅最大，達(dá)95.57%；普洱C3F 降幅最小，為24.81%。顏色值標(biāo)準(zhǔn)差除普洱C3F 外，其他配方單元標(biāo)準(zhǔn)差均下降，其中曲靖C3F降幅最大，達(dá)88.92%。模塊B與模塊C的各配方單元的煙堿標(biāo)準(zhǔn)差及顏色值標(biāo)準(zhǔn)差相比正常生產(chǎn)均有所下降，煙堿值標(biāo)準(zhǔn)差方面，臨滄C3F 降幅最大，達(dá)97.09%；顏色值標(biāo)準(zhǔn)差方面，玉溪B3F 降幅最大，達(dá)89.75%。因此理論上經(jīng)均質(zhì)化調(diào)控后，批次間均勻性會(huì)有所增加。

圖4 正常生產(chǎn)及均質(zhì)化生產(chǎn)條件下通道間煙堿值與顏色值標(biāo)準(zhǔn)差比較Fig.4 Standard deviations of nicotine level and color value of tobacco leaves among channels under normal production and homogenization production conditions

2.4 均質(zhì)化調(diào)控對(duì)成品片煙均勻性影響

為了研究均質(zhì)化調(diào)控對(duì)成品片煙均勻性的影響，計(jì)算了實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的成品片煙煙堿及其他5項(xiàng)常規(guī)化學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)。結(jié)果顯示，經(jīng)顏色與煙堿雙指標(biāo)調(diào)控后，成品片煙煙堿變異系數(shù)由4.31%下降為3.31%，同時(shí)，總糖、還原糖、總氮等多項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)都有所下降，總糖變異系數(shù)由5.12%下降為3.74%，還原糖變異系數(shù)由4.98%下降為3.44%，氯元素變異系數(shù)由10.93%下降為8.75%，鉀元素變異系數(shù)由6.72%下降為5.69%，總氮變異系數(shù)由2.81%下降為1.77%（圖5）。各項(xiàng)指標(biāo)中，總氮變異系數(shù)降幅最大，達(dá)36.76%，指標(biāo)平均降幅為25.52%。

圖5 成品片煙常規(guī)化學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)對(duì)比Fig.5 Comparison of CVs of routine chemical indexes of tobacco strips

大數(shù)定律是一類極限定理，闡明了大量隨機(jī)現(xiàn)象平均結(jié)果具有穩(wěn)定性［21］。本研究利用大數(shù)定律，在煙葉入庫(kù)的時(shí)候，劃分若干的通道，并根據(jù)煙葉化學(xué)值，在入通道的過(guò)程中，完成通道間的化學(xué)值等價(jià)均質(zhì)；出庫(kù)時(shí)，以均質(zhì)化通道為單元依次出庫(kù)、投料。本方法與基于高架庫(kù)均質(zhì)化調(diào)控模式相比，成本更低；與按照煙堿高低進(jìn)行貨位劃分、混配投料的均質(zhì)化調(diào)控模式相比，降低了庫(kù)存壓力以及后期投料難度。

經(jīng)過(guò)煙堿與顏色雙指標(biāo)調(diào)控后，成品片煙的煙堿、總糖、總氮等多項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)均下降，但是下降幅度并不大，理論上有進(jìn)一步下降空間。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然均質(zhì)化通道間的煙堿及顏色值平均值接近，但是通道內(nèi)的選后煙葉之間煙堿值與顏色值仍存在較大差異（圖3），可見(jiàn)，在鋪葉投料過(guò)程中，通道內(nèi)選后煙葉的質(zhì)量差異，也會(huì)影響均質(zhì)化調(diào)控效果。如果在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線上引入貯葉柜，并按照貯葉柜貯葉能力分配均質(zhì)化通道內(nèi)選后煙葉數(shù)量，從而盡量保證每一均質(zhì)化通道內(nèi)的選后煙葉處于同一貯葉周期內(nèi)，降低通道內(nèi)的原料差異對(duì)均質(zhì)化加工的影響，最終最大限度地發(fā)揮本方法功能。

3 結(jié)論

煙葉HSV顏色空間參數(shù)與總氮、總糖、還原糖等多項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)顯著相關(guān)。通過(guò)在分選階段進(jìn)行煙葉的煙堿值與顏色值的檢測(cè)，根據(jù)選后煙葉的煙堿值及顏色值，利用基于吸引域的均質(zhì)化分配算法模型進(jìn)行入庫(kù)調(diào)控，出庫(kù)時(shí)按照均質(zhì)化通道依次出庫(kù)，可最終降低成品片煙的煙堿、總糖、還原糖、總氮等多種化學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)，多維度提高均質(zhì)化加工水平。依據(jù)大數(shù)定律進(jìn)行貨位分配，可以在不增加庫(kù)存壓力、不提升投料難度的情況下提升復(fù)烤企業(yè)均質(zhì)化加工能力。