CN112304893A - 一种快速判定多等级烟叶混合均匀性的方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速判定多等级烟叶混合均匀性的方法及存储介质，以红外光谱分析技术为基础，结合光谱相似度计算方法对多等级烟叶的混合均匀度进行快速判定。通过近红外光谱仪采集标准样本和待测样本的近红外光谱并进行预处理操作，再计算光谱之间的相似度，通过光谱相似度计算结果直接、快速判定待测多等级烟叶样本的混合均匀性。有益效果：1、评价更加及时，能对生产环节中的烟叶混合均匀度进行监控。2、计算快速，分析周期大大缩短，克服了均匀度判断的滞后性。3、在烟碱和糖碱比2个指标比较接近时也能通过本发明的法方进行均匀性判定。4、对20种以上的不同单等级烟叶的混合均匀性也可以进行判定，不受混合的等级数量的影响。
Description
技术领域
本发明属于烟草生产质量控制领域，涉及一种快速判定多等级烟叶混合均匀性的方法及存储介质，具体涉及一种基于近红外光谱技术快速判定多等级烟叶混合均匀性的方法及存储介质。
背景技术
配方打叶是目前烟草生产中最常见的加工方式，是指将单等级烟叶按配方比例进行投料、混合以实现均匀加工。配方打叶后，成品片烟中的单等级烟叶是否按照配方比例进行了均匀混合，是评价成品片烟质量的一个重要指标。单等级烟叶物料混合是一个连续封闭的过程，目前烟草行业标准YC/T366-2010提供了一种评价复烤后烤烟质量均匀性的方法，该方法通过对成品片烟的烟碱、水分、叶片结构和糖碱比4个指标进行检测，并计算指标的变异系数来判定打叶复烤的加工均匀性，而此判定方法需要多点取样后送实验室分析，分析周期较长从而导致分析结果严重滞后，且若配方打叶前各单等级烟叶的烟碱和糖碱比2个指标比较接近时，运用该标准也无法判定复烤过程中的多等级烟叶混合均匀性。中国专利(CN106617252)一种打叶复烤烟叶混配均匀性的判定方法，使用元素示踪法对打叶复烤烟叶混配均匀性进行判定，该方法需要对配方打叶的N种单等级烟叶标记相应的N种微量元素，但该方法无法完成复杂烟叶配方(如配方包含20种以上的不同单等级烟叶)的混合均匀性判定。因此如何达到理想的混合均匀度，采用科学的方法对烟叶的混合均匀度进行判定，是烟草企业提高工作效率，提升产品质量迫切需要解决的问题。
近红外光谱是近年来迅速发展的一种快速分析技术，具有操作简便、成本低、不破坏样本、绿色环保等优点，在农业生产、生物医学、石油化工、烟草加工等行业得到了广泛应用，但至今未见有利用近红外光谱快速判定多等级烟叶混合均匀度，以控制烟草加工生产质量的公开报道。
中国专利申请文件(CN111257277)一种基于近红外光谱技术的烟叶相似度判定方法，公开了利用目标样本和未知样本的近红外光谱进行相似度计算，完成快速比较，来判断不同产区和等级烟叶之间存在的差异的计算方法。具体地，通过相似系数与特征系数比较来得出结论。该方法为两种烟叶相似度的计算，并未涉及到多等级、多品种的混合烟叶的判定，能否应用于多等级混合烟叶的判定还未可知，且该计算方法比较复杂。
因此，对多等级烟叶混合烟叶的均匀度的判定方法依然还需要进一步研究。
发明内容
针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种近红外光谱法快速判定多等级烟叶在烟草加工不同生产环节中的混合均匀性，与现有的判定方法相比，本发明所提出的判定方法具有快速准确、绿色无损等优点，能够实现多等级烟叶混合均匀度的快速准确判定，为烟草加工生产线中多等级烟叶混合均匀度的实时在线监测奠定了良好的基础。
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种利用近红外光谱分析技术，利用光谱图的相似度进行计算，从而实现对多等级烟叶混合均匀度的快速判定，以解决烟草加工过程中多等级烟叶混合均匀度判定速度慢、分析结果滞后的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
一种快速判定多等级烟叶混合均匀性的方法，具体包括如下步骤：
(1)按照配方收集单等级烟叶原料，根据配方比例进行人工配置，并模拟烟草加工生产线不同生产环节的混合过程，得到不同生产环节的标准烟叶配方样本；
(2)在烟草加工生产线进行人工采集得到不同生产环节的待测多等级烟叶样本；
(3)使用近红外光谱仪对标准烟叶配方样本和待测样本分别进行多次光谱扫描，分别计算光谱的平均值作为参考光谱和待测光谱；
(4)对参考光谱和待测光谱数据进行预处理操作，选取合理的光谱计算区域；
(5)对待测光谱与参考光谱进行相似度计算，根据计算得到的相似度量结果来判定待测多等级烟叶样本的混合均匀度，待测光谱与参考光谱之间的相似度越高，则判定待测样本的混合均匀性越好；
所述相似度计算为欧几里得距离法、光谱角法、光谱相关角法、光谱信息散度法、光谱梯度角法、光谱信息散度与梯度角正切相结合法或者光谱信息散度与变换的梯度角正切相结合法中的一种或几种。
进一步地，采用欧几里得距离、光谱信息散度与梯度角正切相结合的方法对待测光谱与参考光谱进行相似度计算，算法的实现过程主要包括以下步骤：
(a)计算参考光谱和待测光谱之间的欧几里得距离EDM。设参考光谱为x，待测光谱为y，则两光谱之间的欧几里得距离大小为
欧几里得距离EDM将光谱假定为欧氏空间中的向量，把光谱相似性转化为向量之间距离大小，能够直接计算欧氏空间中两条光谱幅值(吸光度)的差异。EDM衡量了光谱间的距离差异，距离越小，则光谱之间相似性越高。
(b)计算参考光谱和待测光谱的信息散度SID，计算两光谱曲线的相关熵为D(x||y)和D(y||x)，对两组相关熵进行求和得到的光谱信息散度SID(x,y)＝D(x||y)+D(y||x)。SID从信息论的角度来区分两光谱的相似性，能够在整体上对光谱进行比较，通过衡量光谱之间的互信息大小确定两条光谱之间的相似程度，散度越小，光谱相似度越高。
(c)对参考光谱和待测光谱进行一阶求导，获得其梯度向量SG(x)和SG(y)，求取两梯度向量的广义夹角得到光谱梯度角
SGA能够反映光谱局部特征变化，特别是对于光谱曲线斜率的变化，SGA越小，光谱相似度越高。
(d)将两光谱的欧几里得距离EDM、光谱曲线的信息散度值SID与两光谱梯度夹角的正切tan(EDM)相乘积，乘积结果为SIM＝EDM×SID(x,y)×tan[SGA(x,y)]。SIM结合了步骤(a)、(b)、(c)中三种光谱评价方法的优势，三种方法的结合能够从整体上反映出两条光谱曲线的相似性，并将两条光谱曲线之间的微小差异放大，提升光谱相似度评价的精度和准确性。
(e)根据步骤(d)中的乘积结果判定待测光谱与参考光谱之间的相似度，乘积结果越小，待测光谱与参考光谱之间的相似度越高，反之则越低。
(f)定义1-SIM为待测样本的混合均匀度，值越大待测样本的混合均匀度越高，反之则越小。
进一步地，步骤(4)所使用的预处理主要包括消除基线漂移和去除光谱噪声；
所述消除基线漂移和去除光谱噪声操作方法为标准正态变量变换法、多元散射校正法、Savitzky-Golay卷积平滑法、小波变换法等中的一种或几种。
进一步地，选择合理光谱计算区域可使用TQAnalyst8.0软件进行自动筛选。
进一步地，步骤(1)所模拟的烟草加工生产环节包括烟叶复烤加工过程中的打叶、润叶、复烤和烟丝加工过程中的加香、切丝生产过程。
进一步地，步骤(2)所采集样本的烟草加工生产线包括烟叶复烤加工过程中的打叶、润叶、复烤和烟丝加工过程中的加香、切丝生产过程。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的快速判定多等级烟叶混合均匀性的方法的步骤。
工作原理：
本发明以近红外光谱分析技术为基础，结合光谱相似度计算方法对多等级烟叶的混合均匀度进行快速判定。通过近红外光谱仪采集标准样本和待测样本的近红外光谱并进行预处理操作，再计算光谱之间的相似度，通过光谱相似度计算结果直接、快速判定待测多等级烟叶样本的混合均匀性。
有益效果：
红外光谱分析技术为基础，结合光谱相似度计算方法对多等级烟叶的混合均匀度进行快速判定。通过近红外光谱仪采集标准样本和待测样本的近红外光谱并进行预处理操作，再计算光谱之间的相似度，通过光谱相似度计算结果直接、快速判定待测多等级烟叶样本的混合均匀性。
1、烟叶复烤加工过程中的打叶、润叶、复烤和烟丝加工过程中的加香、切丝等生产过程进行采样计算评价均匀度，比仅对成品片烟进行指标监测评价更加及时，能对生产环节中的烟叶混合均匀度进行监控。2、比采用对成品片烟多点取样后送实验室分析，计算快速，分析周期大大缩短，克服了均匀度判断的滞后性。3、在烟碱和糖碱比2个指标比较接近时也能通过本发明的法方进行均匀性判定。4、对20种以上的不同单等级烟叶的混合均匀性也可以进行判定，不受混合的等级数量的影响。
附图说明
图1为本发明快速判定多等级烟叶混合均匀性的方法的流程图。
图2为本发明相似度计算的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
一基于近红外光谱的多等级烟叶混合均匀性快速判定方法，包括以下步骤：
(1)采用人工按照打叶复烤半成品配方等级明细，如表1(12个等级的配方)。根据配方比例，首先在未投料加工前收集各单等级烟叶原料，为保证取样的代表性，每个等级取样数量至少50g；然后按单等级配方比例进行人工混合，得到润叶后多等级烟叶标准配方样本约500g—1000g左右。
表1XXX配方明细表
单位：担
(2)在生产车间复烤生产线润叶出口在不同时段随机进行样本采集，采集待测多等级烟叶混合样本6个，每个样本的质量为500g—1000g范围；
(3)对标准配方样本和待测多等级烟叶混合样本进行近红外光谱采集。本实施例中利用现有的近红外光谱仪进行光谱信息采集，其采集范围在波数3800cm-1-10000cm-1之间或其中任意部分，光谱分辨率为8cm-1。将烤烟烟叶去主梗，磨成粉，在低于55℃下烘2-3h，过60目筛，取适量烟末放入样品杯中，自然压实后进行近红外光谱扫描，扫描过程中样品杯旋转15圈/min，扫描次数为64次/min；
(4)对参考光谱和待测光谱进行预处理操作和光谱计算区间选择，其中预处理操作主要包括消除基线漂移和去除光谱噪声。在本实例中，选用窗口大小为7的一阶Savitzky-Golay卷积平滑法算法对光谱数据进行预处理。光谱计算区间选择为3800-7500cm-1；
(5)计算待测光谱与参考光谱之间的相似度量。在本实施例中，使用EDM-SID-SGA算法计算光谱之间的相似度，算法的实现过程主要包括以下步骤：
(a)计算参考光谱和待测光谱之间的欧几里得距离EDM。设参考光谱为x，待测光谱为y，则两光谱之间的欧几里得距离大小为
(b)计算参考光谱和待测光谱的信息散度SID。计算两光谱曲线的相关熵为D(x||y)和D(y||x)，对两组相关熵进行求和得到的光谱信息散度SID(x,y)＝D(x||y)+D(y||x)；
(c)对参考光谱和待测光谱进行一阶求导，获得其梯度向量SG(x)和SG(y)，求取两梯度向量的广义夹角得到光谱梯度角
(d)将两光谱的欧几里得距离EDM、光谱曲线的信息散度值SID与两光谱梯度夹角的正切tan(SGA)相乘积；
(e)根据步骤(c)中的乘积结果SIM＝EDM×SID(x,y)×tan[SGA(x,y)]判定待测光谱与参考光谱之间的相似度，乘积结果越小，待测光谱与参考光谱之间的相似度越高，反之则越低；
(f)计算待测样本的混合均匀度1-SIM。
本实施例所采用的程序编写平台为Matlab2016b。
实施实例待测样本与参考样本的光谱相似度计算结果和待测样本的混合均匀度计算结果如表2所示。由表2能够看出，本发明的实施能够快速判定烟草加工过程中多等级烟叶的混合均匀性。
表2
由表2能够看出，与目标样本相比，数值显示待测样本5混合均匀度最好，待测样本6混合均匀度最差。
本发明的实施能够快速判定烟草加工过程中各个环节的，不同烟草物料的多等级烟叶的混合均匀度。
因此，本发明能够应用于烟叶生产过程中的多等级烟叶混合样本均匀度判定。
Claims (7)
1.一种快速判定多等级烟叶混合均匀性的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)按照配方收集单等级烟叶原料，根据配方比例进行人工配置，并模拟烟草加工生产线不同生产环节的混合过程，得到不同生产环节的标准烟叶配方样本；
(2)在烟草加工生产线进行人工采集得到不同生产环节的待测多等级烟叶样本；
(3)使用近红外光谱仪对标准烟叶配方样本和待测样本分别进行多次光谱扫描，分别计算光谱的平均值作为参考光谱和待测光谱；
(4)对参考光谱和待测光谱数据进行预处理操作，选取合理的光谱计算区域；
(5)对待测光谱与参考光谱进行相似度计算，根据计算得到的相似度量结果来判定待测多等级烟叶样本的混合均匀度，待测光谱与参考光谱之间的相似度越高，则判定待测样本的混合均匀性越好；
所述相似度计算为欧几里得距离法、光谱角法、光谱相关角法、光谱信息散度法、光谱梯度角法、光谱信息散度与梯度角正切相结合法或者光谱信息散度与变换的梯度角正切相结合法中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用欧几里得距离、光谱信息散度与梯度角正切相结合的方法对待测光谱与参考光谱进行相似度计算，算法的实现过程主要包括以下步骤：
(a)计算参考光谱和待测光谱之间的欧几里得距离EDM；
设参考光谱为x，待测光谱为y，则两光谱之间的欧几里得距离大小为
(b)计算参考光谱和待测光谱的信息散度SID；
计算两光谱曲线的相关熵为D(x||y)和D(y||x)，对两组相关熵进行求和得到的光谱信息散度SID(x,y)＝D(x||y)+D(y||x)；
(c)对参考光谱和待测光谱进行一阶求导，获得其梯度向量SG(x)和SG(y)，求取两梯度向量的广义夹角得到光谱梯度角
(d)将两光谱的欧几里得距离EDM、光谱曲线的信息散度值SID与两光谱梯度夹角的正切tan[SGA(x,y)]相乘积，乘积结果为SIM＝EDM×SID(x,y)×tan[SGA(x,y)]；
(e)根据步骤(d)中的乘积结果判定待测光谱与参考光谱之间的相似度，乘积结果越小，待测光谱与参考光谱之间的相似度越高，反之则越低；
(f)定义1-SIM为待测样本的混合均匀度，值越大待测样本的混合均匀度越高，反之则越小。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所使用的预处理主要包括消除基线漂移和去除光谱噪声；
所述消除基线漂移和去除光谱噪声操作方法为标准正态变量变换法、多元散射校正法、Savitzky-Golay卷积平滑法、小波变换法等中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，选择合理光谱计算区域可使用TQAnalyst8.0软件进行自动筛选。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所模拟的烟草加工生产环节包括烟叶复烤加工过程中的打叶、润叶、复烤和烟丝加工过程中的加香、切丝生产过程。
6.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所采集样本的烟草加工生产线包括烟叶复烤加工过程中的打叶、润叶、复烤和烟丝加工过程中的加香、切丝生产过程。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：
该程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述的快速判定多等级烟叶混合均匀性的方法的步骤。
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