CN108835704A - 一种基于费马点的烟叶配方设计方法及组合烟叶 - Google Patents

一种基于费马点的烟叶配方设计方法及组合烟叶 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于费马点的烟叶配方设计方法及组合烟叶，所述方法是在获取烟叶各化学指标以及衍生指标数据的基础上，以诸指标作为各烟叶在高维配方几何空间的坐标位置；根据坐标计算出高维空间中的几何费马点；通过调整配方中各烟叶配比，使配方点，即高维空间重心点与费马点重合，获取最终的烟叶配方比例，即费马配方。本发明提供的方法能够实现烟叶配方的自动设计，且更好的提高了组合烟叶稳定性，提高配方的设计效率，有利于卷烟配方产品的稳定性。

Description

一种基于费马点的烟叶配方设计方法及组合烟叶
技术领域
本发明涉及一种烟叶配方设计方法，尤其是一种基于费马点的烟叶配方设计方法，还涉及烟叶配方设计方法获得的组合烟叶，属于烟草领域。
背景技术
我国烤烟的原料类型非常多，包含43个收购等级，每个等级均具有不同产地，不同品种，不同香型风格特征等属性特征，在卷烟产品配方设计时的原料种类可达成百上千种，主要依靠专业人员来实现中式卷烟配方的设计和维护也存在一些问题和局限性，譬如评吸工作量大容易产生感官疲劳，评价结果的重复性不稳定，不同评价个体之间的偏好和评价分值梯度很难一致，可能引起产品质量的较大波动等。因此，利用多维度烟叶品质量化数据，以满足专业人员需求为导向，辅助专业人员进行配方设计与维护为目标，研究开发数字化配方设计与维护方法系统，对提高专业人员的效率、水平，实现中式卷烟的长期可持续发展具有重要作用，稳定和提升高端产品的质量等可产生积极作用。
目前，现有方法所获取的多维度烟叶品质特性的客观量化数据，尚缺乏合理、有效的综合利用手段，具体体现在中式卷烟加工过程中烟叶原料模块及叶组的配方设计中目前还主要以配方设计人员的主观评价为导向的模式，配方种类繁多，缺乏有效的以客观评价量化数据为导向的配方组合推荐及比例设计，不利于产品质量、数量的长期稳定以及可持续发展。
在物理学中，费马点作为整个物理系统中势能最小的点，此时系统处于平衡状态，具有较好的稳定性。在实际中，费马点常应用于地理规划，如对某些公共设施(机场、补水站等)进行空间位置设计，使这些公共设施的最优分布以及最大利用率。如何将费马点运用到配方设计中，是值得研究探索的。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供基于费马点的烟叶配方设计方法。该方法通过近红外分析技术或传统实验室技术获取个烟叶化学指标含量数据的基础上，通过非线性规划的方法，以几何费马点为目标，得到每种烟叶原料在原始配方中的比例系数，即获得烟叶配比或配方。本发明的技术方案具体如下：
一种基于费马点的烟叶配方设计方法，包括以下步骤：
步骤(1)、采集若干烟叶样品，并测定各个烟叶样品的化学指标和衍生指标参数；
步骤(2)、构造烟叶配方高维几何空间
从步骤(1)的指标中选择部分指标作为空间几何坐标值，所有烟叶样品在该配方高维几何空间中获取不同坐标的空间分布；
步骤(3)、根据构造的几何空间选择参与构造费马点的计算的烟叶样品，通过非线性规划计算费马配方对应的化学指标含量，即费马配方目标化学含量；
步骤(4)、根据步骤(3)得到的费马配方目标化学含量，计算目标费马配方与各参与费马配方点计算的成分距离，以及所有距离的平均值，所述成分距离使用非线性规划进行计算，按下式进行：
其中，d为成分距离，i表示第i个成分烟叶样品点，n为样品总数，j表示高维配方空间的第j维坐标轴的坐标值，m表示化学指标个数，Fj表示高维配方空间中费马点的第j维坐标值，αij表示高维配方空间中第i个成分烟叶点的第j维坐标值；
步骤(5)、设置配方中各烟叶样品的比例阈值
根据实际需求，设置每个烟叶样品的比例上限以及比例下限，构成费马配方计算的阈值条件组合；
其中，minlimi表示第i个烟叶样品的成分含量的阈值下限，maxlimi表示第i个烟叶样品的成分含量的阈值上限，xi表示第i个烟叶样品在该配方中所占的含量；
步骤(6)、建立费马配方计算的配方投影点数学模型表达：
其中，β表示配方投影点在高维配方投影空间的坐标值，α表示各个烟叶样品在该空间的坐标值，m代表该空间最高维度维m；
步骤(7)、根据步骤(6)，并结合步骤(4)、(5)的结果，构建费马配方非线性规划模型，其中配方点定义为：
通过非线性规划方法即可计算出各个烟叶样品的比例值x1,x2,…,xn。
在高维配方空间，距离信息反映不同成分之间的差异，距离越大两成分之间差异越大。由于费马点到个成分空间距离和最小，即说明费马配方合理的协调了各成分之间的差异，使所有成分保留了自身特点，同时使整个配方系统处于平衡状态，提高了配方的稳定性。
进一步，步骤(1)中，所述化学指标包括总糖(TS)、还原糖(RS)、总氮(TN)、烟碱(nic)、有机钾(K)和总氯(Cl)等等。上述指标通过实验室传统方法(例如流动分析法)或常规的近红外检测获取。
进一步地，步骤(1)中，根据化学指标计算衍生指标参数，包括：糖氮比、氮碱比、两糖比和糖碱比，按表1进行计算：
表1衍生指标参数的计算
指标 计算
糖氮比 总糖/总氮
氮碱比 总氮/烟碱
两糖比 总糖/还原糖
糖碱比 总糖/烟碱
进一步地，步骤(3)中，费马点计算过程中，参与运算的点，费马点到所有构造点的距离和最小；否则，在费马点计算过程中，不参与运算的点，费马点到缝合点的距离不遵循任何规律。
在选择构造点时，可能由于构造点在高维配方空间中的分布情况原因，造成费马点与某构造点重合，说明该成分烟叶不适宜被选定为构造烟叶，需改设为缝合烟叶。
本发明还涉及的一种组合烟叶，包括若干烟叶原料，烟叶原料的配方比例通过上述的烟叶配方设计方法获得。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过调整配方中各烟叶配比，使配方点，即高维空间重心点与费马点重合，获取最终的烟叶配方比例，即费马配方，得到的费马配方合理的协调了各成分之间的差异，使所有成分保留了自身特点，同时使整个配方系统处于平衡状态，更好的提高了烟叶(烟叶叶组)稳定性，提高配方的设计效率，有利于卷烟配方产品的稳定性。
(2)本发明获取的费马配方与理论计算的目标费马配方相比，计算两者距离d＝5.9X10-4<0.001，两者相关性R2＝0.9999>0.8。说明该配方与理论计算的配方一致。构造选择合理，配方设计成功。
(3)本发明基于烟叶样品的化学检测结果，能够有效的以客观评价量化数据为导向的配方组合推荐及比例设计，实现烟草配方的自动设计，利于产品质量、数量的长期稳定以及可持续发展。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
本实施例的基于费马点的烟叶配方设计方法，包括以下步骤：
步骤(1)、采集产地以及等级各不相同的10种烟叶原料，按照常规方法或近红外方法检测每种烟叶原料的总糖指数、烟碱指数、总氮指数、糖氮比、氮碱比、糖碱比等6种化学参数；各烟叶原料的特征参数如表2所示：
表2、烟叶原料的化学参数
编号 总糖％ 烟碱％ 总氮％ 糖氮比 氮碱比 糖碱比
样品1 42.96 1.63 1.50 28.62 0.92 26.44
样品2 35.68 2.85 1.97 18.07 0.69 12.50
样品3 33.55 3.60 2.23 15.07 0.62 9.33
样品4 39.82 1.52 1.57 25.31 1.04 26.21
样品5 33.06 3.30 1.78 18.55 0.54 10.02
样品6 36.25 2.08 2.18 16.60 1.05 17.47
样品7 31.88 3.54 2.01 15.83 0.57 9.02
样品8 35.92 2.55 1.82 19.76 0.71 14.07
样品9 34.16 2.49 2.46 13.86 0.99 13.74
样品10 32.95 2.77 2.07 15.89 0.75 11.89
步骤(2)、构造烟叶配方高维几何空间
以总糖、烟碱、总氮、糖氮比、氮碱比以及糖碱比6个指标作为空间几何坐标值，得到高维几何空间，所有烟叶样品在该配方高维几何空间中获取不同坐标的空间分布；
步骤(3)、根据构造的几何空间选择参与构造费马点的计算的烟叶样品，费马点计算过程中：
在选择构造点时，由于样品点在高维配方空间中的分布情况，可能造成某样品点与费马点非常接近或重合，这种情况和平面凹多边形的内点情况类似，内点即费马点，如果使用该点作为费马点，可导致该内点样品所占比例过大，在一定程度上损失费马配方的目标，为避免出现类似样品，本实施例可采用在高维空间中构造高维凸多面体的方法，筛选出“非费马构造点”样品，即不参与费马配方点计算的烟叶样品。其具体实现采用逐一判别方法，步骤如下：
(1)将所有样品设为“非费马构造点”烟叶，计算费马配方投影点；
(2)判断是否有某烟叶投影点与费马配方投影点重合，或距离极其接近(本实施例中以小于平均距离的1/10为标准)，如果不存在，则所有烟叶均为构造烟叶，否则执行步骤(3)；
(3)将重合烟叶确定为“非费马构造点”烟叶，其他烟叶定为构造烟叶，重新计算费马配方投影点，执行步骤(2)；
本实施例中按上述方法计算得到的各个样品是否符合“非费马构造点”情况见表3，其中2号和7号样品不适宜参加费马配方点空间坐标位置的计算，使用其余8个样品的高维配方空间坐标。
表3配方设计中烟叶原料的功能
通过非线性规划计算费马配方对应的化学指标含量，结果如表4所示：
表4费马配方目标化学含量
目标配方 总糖 烟碱 总氮 糖氮比 氮碱比 糖碱比
费马配方 36.57 2.75 1.88 19.57 0.70 13.84
步骤(4)、根据步骤(3)得到的费马配方目标化学含量，计算目标费马配方与各参与费马配方点计算的成分距离，以及所有距离的平均值，所述成分距离使用非线性规划进行计算，按下式进行：
其中，d为成分距离，i表示第i个成分烟叶样品点，n为样品总数，j表示高维配方空间的第j维坐标轴的坐标值，m表示化学指标个数，Fj表示高维配方空间中费马点的第j维坐标值，αij表示高维配方空间中第i个烟叶样品点的第j维坐标值；
步骤(5)、设置配方中各烟叶样品的比例阈值
根据实际需求，设置每个烟叶样品的比例上限以及比例下限，构成费马配方计算的阈值条件组合；
其中，minlimi表示第i个烟叶样品的成分含量的阈值下限，maxlimi表示第i个烟叶样品的成分含量的阈值上限，xi表示第i个烟叶样品在该配方中所占的含量；
本实施例中，可根据各成分烟叶的实际产量或传统经验进行设置，避免在实际生产中造成浪费，阈值范围设置结果如表5所示：
表5烟叶成分配比阈值范围表
样品编号 下限阈值(％) 上限阈值(％)
样品1 5 30
样品2 5 30
样品3 5 30
样品4 5 30
样品5 5 40
样品6 5 30
样品7 5 30
样品8 5 40
样品9 5 50
样品10 5 50
步骤(6)、建立费马配方计算的配方投影点数学模型表达：
其中，β表示配方投影点在高维配方投影空间的坐标值，α表示各个烟叶样品在该空间的坐标值，m代表该空间最高维度维m；
步骤(7)、根据步骤(6)，并结合步骤(4)、(5)的结果，构建费马配方非线性规划模型，其中配方点定义为：
根据实际情况，比如各烟叶的实际产量或传统经验，对所有的烟叶进行初始配比设置，通过非线性规划算法计算目标费马配方对应的各烟叶配方比例，2、7未参与费马点构造，用剩余样品构造好费马点后，基于费马点进行比例拟合，得到2、7号样品的比例；构造费马点和基于费马点进行比例拟合是两个不同的过程。获取费马配方如表6所示：
表6费马配方比例表
样品编号 配方比例
样品1 10.7％
样品2 9.4％
样品3 7.7％
样品4 10.2％
样品5 8.7％
样品6 13.3％
样品7 11.2％
样品8 7.0％
样品9 5.0％
样品10 16.8％
将样品1-10按上述比例混合，即得到本实施例的烟叶。
步骤(8)、结果验证。
考虑到实际烟叶样品的数量及配方中烟叶等级结构等因素，在设置比例范围约束条件下，得到的实际配方比例与理论费马点配方比例会存在偏差，对实际配方结果，可应用实际配方点与理论费马点之间的欧式距离比较，或从实际配方点与理论费马点配比比例计算得到的各项化学指标加权均值的符合程度，以及感官评吸等方面进行验证。
在本实施例中：
1)实际配方点与理论费马点之间的距离d＝5.9X10-4<10-3，可认为符合精度要求。
2)依据实际配方点与理论费马点配比比例计算得到的各项化学指标加权均值结果见表7，表中糖类成分偏差在1％以内，氮、碱成分偏差在0.15％以内，远小于同类烟叶不同批次之间化学成分的波动，可认为符合精度要求；
表7实际配方与费马点配方计算得到的六项指标加权均值对比表
总糖 烟碱 总氮 糖氮比 氮碱比 糖碱比
实际配方 35.62 2.60 1.94 18.84 0.79 15.27
费马点配方 36.57 2.75 1.88 19.57 0.7 13.84
3)按表6配比比例配置小批量卷烟制品，由感官评吸专家采用烟草行业烟叶质量风格评价方法标准，主要对烟叶质量中的香气、烟气、口感特性等进行评价，评价结果表明，该配方可作为面向吸烟量较大人群中高端品牌配方设计的优选方案。
如不能满足1)、2)、3)项验证要求或感官设计目标，可通过调整比例范围限制，适当增减烟叶种类等措施后，重新进行费马配方设计。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，或根据理论费马配方对已有配方进行评价改进等分析应用，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于费马点的烟叶配方设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)、采集若干烟叶样品，并测定各个烟叶样品的化学指标和衍生指标参数；
步骤(2)、构造烟叶配方高维几何空间
从步骤(1)的指标中选择部分指标作为空间几何坐标值，所有烟叶样品在该配方高维几何空间中获取不同坐标的空间分布；
步骤(3)、根据构造的几何空间选择参与构造费马点的计算的烟叶样品，通过非线性规划计算费马配方对应的化学指标含量，即费马配方目标化学含量；
步骤(4)、根据步骤(3)得到的费马配方目标化学含量，计算目标费马配方与各参与费马配方点计算的成分距离，以及所有距离的平均值，所述成分距离使用非线性规划进行计算，按下式进行：
其中，d为成分距离，i表示第i个烟叶样品，n为样品总数，j表示高维配方空间第j维坐标轴的坐标值，m表示化学指标个数，Fj表示高维配方空间中费马点的第j维坐标值，αij表示高维配方空间中第i个烟叶样品点的第j维坐标值；
步骤(5)、设置配方中各烟叶样品的比例阈值
根据实际需求，设置每个烟叶样品的比例上限以及比例下限，构成费马配方计算的阈值条件组合；
其中，minlimi表示第i个烟叶样品的成分含量的阈值下限，maxlimi表示第i个烟叶样品的成分含量的阈值上限，xi表示第i个烟叶样品在该配方中所占的含量；
步骤(6)、建立费马配方计算的配方投影点数学模型表达：
其中，β表示配方投影点在高维配方投影空间的坐标值，α表示各个烟叶样品在该空间的坐标值，m代表该空间最高维度维m；
步骤(7)、根据步骤(6)，并结合步骤(4)、(5)的结果，构建费马配方非线性规划模型，其中配方点定义为：
通过非线性规划方法即可计算出各个烟叶样品的比例值x1,x2,…,xn。
2.根据权利要求1所述的烟叶配方设计方法，其特征在于：步骤(1)中，所述化学指标包括总糖、还原糖、总氮、烟碱、有机钾和总氯。
3.根据权利要求2所述的烟叶配方设计方法，其特征在于：步骤(1)中，根据化学指标计算衍生指标参数，包括：糖氮比、氮碱比、两糖比和糖碱比，按表1进行计算：
表1衍生指标参数的计算
4.根据权利要求1所述的烟叶配方设计方法，其特征在于：步骤(3)中，费马点计算过程中，参与运算的点，费马点到所有构造点的距离和最小；否则，在费马点计算过程中，不参与运算的点，费马点到缝合点的距离不遵循任何规律。
5.一种组合烟叶，其特征在于：包括若干烟叶原料，烟叶原料的配方比例通过权利要求1-4之一的烟叶配方设计方法获得。
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