卷煙紙物理指標(biāo)對灰分指標(biāo)的影響

摘" 要：為探究卷煙紙物理指標(biāo)（透氣度、定量、助燃劑添加量、助燃劑鉀鈉比和含麻量）對灰分指標(biāo)（灰色值、裂口率、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度）的影響，該研究以卷煙紙的5個物理單因素設(shè)置梯度并制作中支卷煙樣品，基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，采用隨機(jī)森林回歸算法評價各項(xiàng)物理因素對灰分指標(biāo)的重要性。結(jié)果表明，卷煙紙中助燃劑添加量對卷煙燃燒的灰色值、裂口率、縮灰率和碳線整齊度的影響最大，定量、助燃劑鉀鈉比、透氣度對各項(xiàng)灰分指標(biāo)的影響較大，含麻量對各項(xiàng)灰分指標(biāo)的影響均較小。綜合來說，卷煙紙物理因素變化對裂口率和碳線寬度的影響較為顯著。

關(guān)鍵詞：卷煙紙；物理指標(biāo)；卷煙；灰分指標(biāo)；隨機(jī)森林法

中圖分類號：TS452" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0093-05

Abstract： In order to explore the effects of physical indexes of cigarette paper （air permeability， quantity， amount of accelerant， ratio of potassium to sodium and linen content） on ash index （gray value， crack rate， ash reduction rate， carbon line width and uniformity）， in this study， five physical single factors of cigarette paper were used to set the gradient and make cigarette samples， based on computer vision technology. The importance of physical factors to ash index was evaluated by random forest regression algorithm. The results indicate that the amount of combustion aid added to cigarette paper has the most significant impact on the gray value， crack rate， shrinkage rate， and evenness of carbon lines during cigarette combustion.The grammage of cigarette paper， the potassium-sodium ratio of the ignition aid， and the air permeability have a relatively great impact on various ash content indicators， while the content of linen has a comparatively smaller influence on these indicators.In summary， the impact of physical factors in cigarette paper on the crack rate and carbon line width is relatively significant.

Keywords： cigarette paper; physical index; cigarette; ash index; random forest method

卷煙紙是卷煙的重要組成部分，雖然卷煙紙只占整支卷煙重量的5%，但作為參與卷煙燃燒的部分，其成分組成對卷煙的抽吸品質(zhì)及燃燒灰分會產(chǎn)生不同程度的影響[1-3]。卷煙包灰是卷煙燃燒灰化后卷煙紙灰分對煙絲灰分的包裹狀態(tài)，主要通過灰色值、裂口率、縮灰率和碳線寬度等灰分指標(biāo)進(jìn)行表征[4]。王道寬等[5]利用ImageJ圖像分析軟件研究了卷煙紙、卷煙配方、切絲寬度對卷煙包灰性能的影響，建立了卷煙包灰性能的定量分析方法；穆林等[6]使用Photoshop圖像分析技術(shù)建立了一種基于平均灰度值的卷煙灰分顏色測定方法；鄭豐等[7]通過P1A-600圖像分析軟件提取了裂口率、灰色值、縮灰率和碳線整齊度等指標(biāo)，并采用層次分析法計(jì)算出各指標(biāo)權(quán)重，建立了評價卷煙包灰綜合性能的方法，研究了卷煙紙參數(shù)對包灰綜合性能的影響；郭東鋒等[8]采用所建立的包灰外觀評價方法對卷煙燃燒灰柱圖片進(jìn)行專家打分，獲得卷煙包灰值，基于特征工程的統(tǒng)計(jì)方法研究卷煙包灰值與灰色值、裂口率、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度等指標(biāo)之間的相互關(guān)系。

以上學(xué)者雖然對于卷煙包灰性能有較多研究，但大多集中在裂口率及灰色值等指標(biāo)上，未能客觀全面地表征卷煙包灰性能，且測試方法多采用主觀判斷方式，測試設(shè)備自動化程度較低，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性存在一定問題。此外，針對卷煙紙物理因素與灰分指標(biāo)之間相互關(guān)系的研究也鮮有報(bào)道。

隨機(jī)森林回歸算法（Random Forest Regression）是隨機(jī)森林（Random Forest）的重要應(yīng)用分支。隨機(jī)森林回歸算法可以利用袋外數(shù)據(jù)對各解釋變量的重要性程度進(jìn)行評價排序，其原理主要基于變量隨機(jī)置換后均方誤差減小量來衡量變量間的重要性[9-11]。

本研究基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，采用隨機(jī)森林回歸算法研究了卷煙紙物理參數(shù)對卷煙灰分指標(biāo)的影響規(guī)律，旨在為改善卷煙包灰性能提供參考及技術(shù)支撐。

1" 材料與方法

1.1" 樣品信息

采用14組不同規(guī)格單因素梯度變化的卷煙紙，按照相同的煙絲配方進(jìn)行成品煙的卷制。卷煙紙樣品信息見表1。

1.2" 儀器

卷煙燃燒灰燼特征參數(shù)測量系統(tǒng)（BACST600）。

1.3" 灰分測試指標(biāo)及方法

灰分指標(biāo)檢測主要由照明光源、鏡頭、攝像機(jī)等組成；圖像采集卡用于將圖像信號采集到計(jì)算機(jī)中。光源的波長應(yīng)覆蓋400～780 nm，色溫為6 500 ±200 K，照明均勻性大于等于0.75；亮度準(zhǔn)確性小于等于5%。圖像幾何畸變（PHD）值小于等于1%，視場范圍大于等于（30 mm×120 mm）。單個像素尺寸小于等于0.005 mm。通過電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）傳感器獲取標(biāo)準(zhǔn)抽吸條件下卷煙包灰的數(shù)字圖像，通過圖像分割、輪廓檢測、形態(tài)學(xué)變換和連通域測量等計(jì)算機(jī)視覺方法，獲取卷煙的灰色值、裂口率、縮灰率和碳線寬度、碳線整齊度信息。

將試樣向下插入卷煙夾持器，使濾嘴端面正好接觸捕集器內(nèi)的有孔墊片。插入時應(yīng)避免漏氣或使煙支變形。調(diào)整試樣的位置，使卷煙紙搭口區(qū)背面正對成像系統(tǒng)的鏡頭，確保試樣與水平面垂直。拍攝未點(diǎn)燃的試樣圖像并保存。點(diǎn)燃試樣，將點(diǎn)燃的卷煙垂直于水平線方向擺放，且運(yùn)用ISO抽吸法進(jìn)行抽吸。從第二口開始，每次抽吸結(jié)束后10 s時間內(nèi)，拍攝試樣圖像，使用圖像處理系統(tǒng)提取并計(jì)算碳線區(qū)的寬度和整齊度。當(dāng)燃燒線達(dá)到煙支卷煙紙部分長度的60%時，結(jié)束抽吸過程。抽吸過程結(jié)束10 s的時間內(nèi)拍攝試樣圖像，使用圖像處理系統(tǒng)識別并分割提取圖像中的碳線，提取碳線以上的包灰區(qū)，計(jì)算包灰區(qū)面積S1、裂口區(qū)面積S2，獲取碳線列數(shù)、碳線最高點(diǎn)和最低點(diǎn)位置。對照拍攝的未點(diǎn)燃試樣圖像，提取碳線以上的煙支區(qū)域，計(jì)算包灰區(qū)燃燒前面積S0。測試過程應(yīng)剔除燃燒過程中出現(xiàn)部分或全部區(qū)域掉落或有明顯缺陷的試樣。各項(xiàng)灰分指標(biāo)如下。

1.3.1" 灰色值

包灰顏色（灰色）反映的是燃燒后卷煙紙灰分的整體顏色特征，感知的物體顏色由物體反射的光的性質(zhì)決定，燃燒錐反射的是沒有顏色的單色光，其唯一屬性是亮度，因此，可以用從黑到白的數(shù)值范圍，即灰度級來表征，一般以0～255級灰度表征圖像從黑到白。以樣品包灰區(qū)數(shù)字圖像的所有像素的灰度平均值表示，結(jié)果以灰階或百分比表示。

1.3.2" 裂口率

1.3.4" 碳線寬度

1.3.5" 碳線整齊度

碳線整齊度能夠同時表征卷煙燃燒時卷煙紙和煙絲的匹配性及燃燒線的均勻性，碳線整齊度低的樣品燃燒匹配性和均勻性較好。

1.4" 數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)分析均采用R軟件（4.10版本）進(jìn)行，數(shù)據(jù)相關(guān)性分析采用皮爾遜（Person）相關(guān)系數(shù)計(jì)算法進(jìn)行分析，組間顯著性分析則采用最小顯著差異（Least-Significan Difference，LSD）法進(jìn)行分析，組間統(tǒng)計(jì)描述均采用R軟件（4.10版本）進(jìn)行分析。

2" 結(jié)果與討論

2.1nbsp; 14組卷煙樣品的灰分指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

對14組卷煙樣品燃燒灰分指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，14組卷煙樣品的灰色值變幅為112.39～123.44，變異系數(shù)為2.70%，變異系數(shù)較小。裂口率的變幅為3.53～5.46，變異系數(shù)在5個灰分指標(biāo)中最大，為14.70%，表明卷煙紙物理因素變化導(dǎo)致樣本間裂口率差異較大?？s灰率的變幅為81.00～84.29，變異系數(shù)最小，為1.30%。碳線寬度的變幅為0.41～0.60，變異系數(shù)為11.80%，表明樣本間碳線寬度存在一定差異。碳線整齊度的變幅為1.60～2.08，變異系數(shù)為8.10%，也存在一定差異。

綜上所述，在卷煙煙絲配方相同的條件下，卷煙紙物理因素變化對裂口率的影響最大，對灰色值及縮灰率2項(xiàng)指標(biāo)的影響較小。

2.2" 灰分指標(biāo)與卷煙紙物理指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

對卷煙灰分指標(biāo)與卷煙紙物理因素指標(biāo)之間進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。由表3可以看出，灰色值與卷煙紙的定量呈正相關(guān)關(guān)系，與含麻量和助燃劑添加量具有負(fù)相關(guān)關(guān)系；裂口率與定量和助燃劑鉀鈉比呈正相關(guān)關(guān)系；縮灰率與透氣度和助燃劑鉀鈉比呈顯著正相關(guān)關(guān)系；碳線寬度與助燃劑添加量呈正相關(guān)關(guān)系，與定量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；碳線整齊度與助燃劑添加量呈正相關(guān)關(guān)系，與定量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3" 卷煙紙單因素在各指標(biāo)中重要性排序

在本實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)測的卷煙紙參數(shù)是連續(xù)變化的，水平集過多，不適合用方差分析來比較變量的顯著性及重要性，因此采用隨機(jī)森林回歸算法來擬合不同包灰指標(biāo)。本文采用IncNodePurity來度量變量的重要性，從以該變量為拆分變量所造成的均方誤差平均遞的角度來衡量變量重要性，數(shù)值越大，變量越重要。由于各指標(biāo)的測定結(jié)果大小不一，在各指標(biāo)之間的IncNodePurity值不具有任何對比的意義，只觀察在指標(biāo)內(nèi)的卷煙紙物理參數(shù)IncNodePurity值排序順序來衡量各參數(shù)的重要性。

由表4可以看出，卷煙紙各項(xiàng)物理因素對灰色值的影響作用排序?yàn)橹紕┨砑恿看笥诙看笥谥紕┾涒c比大于透氣度大于含麻量；對裂口率的影響作用為定量大于助燃劑添加量大于助燃劑鉀鈉比大于透氣度大于含麻量；對縮灰率的影響作用排序?yàn)橹紕┨砑恿看笥诙看笥谥紕┾涒c比大于透氣度大于含麻量；卷煙紙單項(xiàng)物理指標(biāo)對碳線寬度的影響作用相差不大；對碳線整齊度的影響作用排序?yàn)橹紕┨砑恿看笥诙亢椭紕┾涒c比大于透氣度大于含麻量。總的來說，卷煙紙中助燃劑添加量對卷煙燃燒的灰色值、裂口率、縮灰率和碳線整齊度的影響最大，定量、助燃劑鉀鈉比和透氣度對各項(xiàng)灰分指標(biāo)的影響較大，含麻量對各項(xiàng)灰分指標(biāo)的影響最小。

3" 結(jié)論

本研究以14組煙絲配方相同而卷煙紙物理因素不同的中支卷煙為研究對象，采用梯度設(shè)計(jì)方法對卷煙紙透氣度、定量、含麻量、助燃劑添加量和助燃劑鈉鉀比5項(xiàng)參數(shù)對卷煙燃燒灰分的灰色值、裂口率、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度指標(biāo)的影響進(jìn)行了分析，得出的主要結(jié)論如下：

1）根據(jù)灰分指標(biāo)的變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)，在卷煙煙絲配方一致的條件下，卷煙紙物理因素對灰分指標(biāo)的影響排序?yàn)榱芽诼蚀笥谔季€寬度大于碳線整齊度大于灰色值大于縮灰率。

2）通過隨機(jī)森林回歸算法分析了卷煙紙物理因素對各項(xiàng)灰分指標(biāo)的影響程度。總的來說，卷煙紙中助燃劑添加量對卷煙燃燒的灰色值、裂口率、縮灰率和碳線整齊度的影響最大，定量、助燃劑鉀鈉比、透氣度對各項(xiàng)灰分指標(biāo)的影響較大，含麻量對各項(xiàng)灰分指標(biāo)的影響最小。

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