基于灰色關(guān)聯(lián)分析的煙支吸阻穩(wěn)定性控制研究

摘 要：為探索卷煙生產(chǎn)流程中煙支在線吸阻的穩(wěn)定性控制，本文基于Protos-M5卷煙機底層數(shù)采系統(tǒng)進行在線煙支吸阻的過程能力分析，圍繞來料煙絲對煙支吸阻的影響效應(yīng)進行研究。根據(jù)制絲與卷包的生產(chǎn)對應(yīng)關(guān)系，建立精確的煙絲質(zhì)量指標(biāo)與煙支吸阻的數(shù)據(jù)對應(yīng)表?；谠摂?shù)據(jù)對應(yīng)表，通過灰色關(guān)聯(lián)分析制絲煙絲質(zhì)量指標(biāo)與煙支吸阻的量化表征關(guān)系，并結(jié)合確定性篩選試驗對制絲的煙絲質(zhì)量指標(biāo)進行適應(yīng)性改進與優(yōu)化。通過上述措施，有效地解決了煙支吸阻過程控制不明確、來料煙絲影響無法量化和反饋的問題，進而提升了整體卷煙生產(chǎn)質(zhì)量的控制水平。

關(guān)鍵詞：煙支吸阻；煙絲質(zhì)量；灰色關(guān)聯(lián)分析；確定性篩選

中圖分類號：TS 41" " " 文獻標(biāo)志碼：A

在卷煙生產(chǎn)過程中，作為煙支重要的物理檢測指標(biāo)之一，煙支吸阻的穩(wěn)定性直接影響煙支的抽吸口感[1]。作為被動檢測的物理指標(biāo)，煙支吸阻受設(shè)備參數(shù)設(shè)置、設(shè)備狀態(tài)、人員操作水平和來料煙絲質(zhì)量等因素影響。本文主要從來料煙絲質(zhì)量對煙支吸阻穩(wěn)定性控制的影響效應(yīng)進行研究。

由于無法直接衡量來料煙絲質(zhì)量對煙支吸阻影響效應(yīng)，導(dǎo)致卷接段煙支吸阻的控制始終處于被動調(diào)整的狀態(tài)[2]。因此，制絲與卷包的聯(lián)動量化表征對煙支吸阻穩(wěn)定性控制前置至關(guān)重要。本文將從來料煙絲質(zhì)量與煙支吸阻的量化表征研究入手，在其他條件不變的前提下，探尋煙絲質(zhì)量分布于何種范圍水平時，在線煙支吸阻短時標(biāo)準(zhǔn)偏差處于最小值狀態(tài)，并據(jù)此提高煙絲質(zhì)量水平，以進一步提升煙支吸阻穩(wěn)定性控制的能力。

1 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析（grey relational analysis）是根據(jù)參考序列和若干比較序列曲線幾何形狀的接近程度、相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密，進而反映曲線間的關(guān)聯(lián)程度。主要包括鄧氏關(guān)聯(lián)度、絕對關(guān)聯(lián)度、相對關(guān)聯(lián)度和灰色綜合關(guān)聯(lián)度[3]。其實施步驟如下。

第一步，確定比較對象和參考數(shù)列。設(shè)評價對象有m個，評價指標(biāo)有n個，參考數(shù)列為x0={x0（k）|k=1，2，…，n}，比較數(shù)列為xi={xi（k）|k=1，2，…，n}，其中i=1，2，…，m。

第二步，通過熵權(quán)法、層次分析法等[4]確定權(quán)重，一般取等權(quán)重即可，即確定各指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。用層次分析法確定各指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重w=[w1，w2，......，wn]，其中wk（k=1，2，......，n）為第k個評價指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。

第三步，計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)?；疑P(guān)聯(lián)系數(shù)計算如公式（1）所示。

（1）

比較數(shù)列xi對參考數(shù)列x0在第k個指標(biāo)上的關(guān)聯(lián)系數(shù)，其中ρ∈[0，1]為分辨系數(shù)，|x0（t）-xs（t）|、|x0（t）-xs（t）|分別為兩級最小差和兩級最大差。一般來說，分別系數(shù)ρ越大，分辨率越大；分辨系數(shù)ρ越小，分辨率越小。

第四步，計算加權(quán)關(guān)聯(lián)度?；疑訖?quán)關(guān)聯(lián)度計算如公式（2）所示。

（2）

式中：ri為第i個評價對象對理想對象的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度。

第五步，評價分析。根據(jù)灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小對各評價對象進行排序，可建立評價對象的關(guān)聯(lián)序。關(guān)聯(lián)度越大，其評價效果越好。

2 煙絲結(jié)構(gòu)與在線煙支吸阻的量化表征

2.1 煙絲結(jié)構(gòu)與在線煙支吸阻的數(shù)據(jù)聯(lián)動

制絲是卷包前道生產(chǎn)工序，其成品煙絲質(zhì)量水平直接影響后續(xù)卷包生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定，但受煙絲質(zhì)量指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)較少且制絲與卷包存在物理隔斷等因素的影響，導(dǎo)致制絲的成品煙絲質(zhì)量水平與卷包質(zhì)量水平一直無法進行聯(lián)動表征[5]。

為解決該數(shù)據(jù)對應(yīng)問題，需要將卷接機臺{Y1，Y2，Y3，......，Yk}進行煙絲結(jié)構(gòu)檢測，附帶對應(yīng)好喂絲機編號的信息，通過煙絲批號-喂絲機號-機臺號的對應(yīng)脈絡(luò)，便可將制絲與卷包進行批次串聯(lián)[6]，并統(tǒng)計該批煙絲用于卷接消耗的時間t。數(shù)據(jù)對應(yīng)邏輯如公式（3）所示。

（3）

式中：u、p分別為機臺與喂絲機組合下的自然數(shù)編號。

2.2 基于灰色關(guān)聯(lián)分析制絲與卷包的量化表征

為了主動探尋煙絲結(jié)構(gòu)與煙支在線吸阻的量化關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用檢測煙絲結(jié)構(gòu)的四層振篩檢測儀，對喂絲處成品煙絲進行大批量檢測跟蹤，對應(yīng)四層振篩的煙絲長度檢測范圍分別如下。第一層檢測定義煙絲長度為3.35mm以上的長絲質(zhì)量，第二層檢測定義煙絲長度為2.50mm～3.35mm的中絲質(zhì)量，第三層檢測定義煙絲長度為1.0mm～2.50mm的短絲質(zhì)量，第四層檢測定義為煙絲長度為1.0mm以內(nèi)的碎絲質(zhì)量[5]，并詳細(xì)記錄每批煙絲的抽樣時間、煙絲批次號、喂絲機號和對應(yīng)生產(chǎn)的機臺號，形成初步的煙絲-機臺串聯(lián)數(shù)據(jù)對應(yīng)表，具體數(shù)據(jù)見表1。

完成制絲煙絲結(jié)構(gòu)與卷接生產(chǎn)機臺的信息對應(yīng)后，根據(jù)制絲抽樣的時間ti進行反推，得到該批煙絲在對應(yīng)機臺的生產(chǎn)時間段[ti，ti+t]，以此為時間索引，計算該時間段內(nèi)機臺在線煙支吸阻短期標(biāo)準(zhǔn)偏差。最終得到完整的煙絲結(jié)構(gòu)與卷包在線數(shù)采的數(shù)據(jù)對應(yīng)表。

經(jīng)風(fēng)送至卷接機臺后，受風(fēng)力、吸絲成型等噪聲因子的影響，煙絲結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生一定變化，為了全面度量噪聲因子對煙絲結(jié)構(gòu)、在線煙支吸阻短期標(biāo)偏的影響，尋找切實的煙絲結(jié)構(gòu)與煙支吸阻的量化關(guān)聯(lián)性，需要對煙絲結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果、在線煙支吸阻短期標(biāo)準(zhǔn)偏差進行猶豫化處理[6]，以響應(yīng)變量的質(zhì)量波動值來衡量噪聲因子的全部影響。

將煙絲結(jié)構(gòu)指標(biāo)記為y1，y2，y3，......，yn，分別計算出其均值和方差S12，然后將均值分別加、減對應(yīng)的方差，得到優(yōu)化后的煙絲結(jié)構(gòu)上、下限，再將猶豫化結(jié)果作為對比序列，結(jié)合目標(biāo)序列計算出相對關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表2。其中目標(biāo)序列由煙絲結(jié)構(gòu)指標(biāo)的控制范圍決定，如果煙絲結(jié)構(gòu)指標(biāo)望大，將指標(biāo)中最大值作為目標(biāo)值；如果煙絲結(jié)構(gòu)指標(biāo)望小，將指標(biāo)中最小值作為目標(biāo)值；如果煙絲結(jié)構(gòu)指標(biāo)望目，將指標(biāo)中最接近的數(shù)值作為目標(biāo)值。

通過灰色關(guān)聯(lián)分析可以發(fā)現(xiàn)，煙絲的中絲比率與在線煙支吸阻短期標(biāo)準(zhǔn)偏差存在中等負(fù)相關(guān)的關(guān)聯(lián)性，關(guān)聯(lián)度為[-0.25，-0.57]。為進一步提升在線煙支吸阻的穩(wěn)定性控制水平，需要在成品煙絲整絲率水平不變的前提下，適當(dāng)提升成品煙絲的中絲比例。

3 在線煙支吸阻的穩(wěn)定性提升與優(yōu)化

作為重要的制絲感官質(zhì)量指標(biāo)，煙絲結(jié)構(gòu)直接受制絲強加工工序的影響[7]，合適的強加工參數(shù)設(shè)置水平可在整體制絲感官質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)?shù)馗淖儫熃z的長、中、碎絲比例。

為了提升煙絲的中絲比例，需要對強加工工序，如松散回潮、葉片切絲、薄板式烘絲的強加工參數(shù)進行適當(dāng)?shù)乃皆O(shè)置?；诖_定性篩選試驗方法，探索強加工參數(shù)，包括松散回潮加水比例、松散回潮回風(fēng)溫度、切絲機刀門壓力、切絲機刀輥轉(zhuǎn)速、薄板式烘絲機筒壁溫度、薄板式烘絲機熱風(fēng)溫度的合適設(shè)置水平。結(jié)合車間的實際現(xiàn)狀水平和參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，確定試驗因子的高、中、低水平，輸出確定性篩選試驗組合，并按照試驗計劃依次進行參數(shù)設(shè)置調(diào)整。

將連續(xù)生產(chǎn)的單批次煙絲作為試驗單組對象，在葉片、葉絲段開始生產(chǎn)階段將試驗參數(shù)設(shè)置為相應(yīng)水平，并關(guān)注關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)的合格情況，以保證煙絲生產(chǎn)正常進行。在試驗批次生產(chǎn)過程中，按固定時間間隔進行成品煙絲抽樣檢測，整合得到的檢測結(jié)果與試驗記錄，結(jié)果見表3。

基于上述試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，進行煙絲中絲率與試驗因子的主效應(yīng)殘差分析與擬合建模。主效應(yīng)殘差結(jié)果顯示松散回潮加水比例、薄板式烘絲機筒壁溫度、切絲機刀輥轉(zhuǎn)速與煙絲中絲率存在顯著關(guān)聯(lián)性。

結(jié)合主效應(yīng)殘差和模型參數(shù)估計值，構(gòu)建中絲率與松散回潮加水比例、薄板式烘絲機筒壁溫度、切絲機刀輥轉(zhuǎn)速的回歸模型。模型Rsq=0.85、RMSE=0.0049，說明模型具有較好的擬合效果。根據(jù)此模型輸出的關(guān)鍵參數(shù)響應(yīng)優(yōu)化值，可得松散回潮加水比例為8.2%、薄板式烘絲機筒壁溫度為134℃和切絲機刀輥轉(zhuǎn)速為280r/min時，成品煙絲的中絲率處于最高水平，具體分布范圍為[0.34301，0.354007]。結(jié)果如圖1所示。

為進一步驗證試驗結(jié)論的準(zhǔn)確性，在制絲生產(chǎn)中根據(jù)試驗得出的最佳參數(shù)水平進行參數(shù)設(shè)置，并協(xié)調(diào)其他工序進行制絲聯(lián)動控制，同時對成品煙絲進行高頻抽樣檢測，并計算對應(yīng)的在線煙支吸阻短期標(biāo)準(zhǔn)偏差。最終數(shù)據(jù)表明，煙絲的中絲率提升效果顯著，大部分分布在[0.34301，0.354007]，對應(yīng)的在線煙支吸阻短期標(biāo)準(zhǔn)偏差比調(diào)整前下降了10%。表明本文優(yōu)化措施可以在一定程度上改變煙絲結(jié)構(gòu)，進而降低在線煙支吸阻短期標(biāo)準(zhǔn)偏差。

4 結(jié)論

本文將猶豫化處理方法與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合，分析卷包在線數(shù)采對應(yīng)下的多維度煙絲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，得出煙絲結(jié)構(gòu)與在線煙支吸阻的量化表征關(guān)系。并基于該量化表征關(guān)系引入確定性篩選試驗方法，將制絲段內(nèi)強加工參數(shù)作為試驗因子，研究影響煙絲結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子參數(shù)和最佳設(shè)置范圍，并加以驗證與運用。最終通過適度改變煙絲結(jié)構(gòu)，提升了在線煙支吸阻的穩(wěn)定性。上述方法凸顯了卷接在線數(shù)據(jù)的價值，并將卷包質(zhì)量穩(wěn)定性控制的研究方向前置于制絲領(lǐng)域。

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