王浩陳婷陳興侯陳明高興宇馬顯滔范振宇

(1.昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)院，云南 昆明 650504；2.云南煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司麒麟復(fù)烤廠，云南 曲靖 655000)

引言

打葉復(fù)烤是初烤后的再加工過程，煙葉經(jīng)過復(fù)烤，理化性質(zhì)進一步發(fā)生變化，內(nèi)在品質(zhì)提高，有利于長期貯存和適應(yīng)卷煙工業(yè)的使用需要。所以復(fù)烤作為卷煙加工中必不可少的環(huán)節(jié)，其技術(shù)的提升對煙葉加工有著重要意義。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)烤生產(chǎn)線利用模糊控制、電控系統(tǒng)、先進控制算法和多策略復(fù)合控制等技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)線加工的自動化，如今復(fù)烤企業(yè)要求提高，自動控制也正向著智慧控制的方向發(fā)展。其中一個重要問題就是加工一致性問題，即在傳統(tǒng)加工中由于人工經(jīng)驗不同，導(dǎo)致復(fù)烤設(shè)備設(shè)置的加工參數(shù)不一樣，使得成品煙葉水分和溫度不同，從而影響煙葉品質(zhì)，造成品吸感覺不同?；诖耍S多學(xué)者進行了研究。

有學(xué)者從化學(xué)成分方面入手，分析煙葉化學(xué)成分，從而得出應(yīng)該采用的工藝參數(shù)。馬亞萍[1]等研究了復(fù)烤對四川涼山地區(qū)煙葉多酚含量的影響，得出煙葉香氣感官質(zhì)量最優(yōu)的打葉復(fù)烤參數(shù)：一潤出口溫度為60℃、復(fù)烤一區(qū)溫度為50℃、復(fù)烤二區(qū)溫度為79℃、復(fù)烤三區(qū)溫度為67℃、復(fù)烤四區(qū)溫度為70℃、醇化時間12個月；胡靜宜[2]等研究了復(fù)烤后不同尺寸煙葉化學(xué)成分差異；李慶祥[3]等研究了不同工序?qū)熑~糖堿比的影響。也有學(xué)者通過直接實驗的方法，明確參數(shù)設(shè)置依據(jù)。白萬明[4]通過單因素實驗，對加料比例、閥門開度等進行實驗，確定了料機內(nèi)的蒸汽閥門開度40%和60%較為合適。朱貝貝等[5]利用均勻設(shè)計方法，經(jīng)過試驗分別得出了上、中、下部煙感官質(zhì)量最高時的干燥區(qū)溫度。還有學(xué)者從煙葉物理特性出發(fā)，研究均質(zhì)化加工和物理特性關(guān)系。王戈[6]引入顏色特性和光譜特性作為調(diào)控因子，分析了不同調(diào)控模式下復(fù)烤的均質(zhì)化效果。

總的來說，這些研究雖然從不同角度都促進了復(fù)烤技術(shù)的提升，但是都存在一些不足之處。其都是針對復(fù)烤的某個環(huán)節(jié)，是從局部而不是整體考慮技術(shù)的提升；都需要進行實驗，對復(fù)烤企業(yè)有負擔(dān)且不方便，甚至有的是針對特定產(chǎn)地?zé)熑~，因此不具有普適性和推廣性；最重要的是，并沒有直接給出參數(shù)和質(zhì)量指標之間的關(guān)系。綜上所述，將參數(shù)設(shè)置依據(jù)轉(zhuǎn)化為具有普適性并且可以量化的標準依然是一個亟待解決的問題。

建立預(yù)測模型反映輸入輸出關(guān)系，可以在復(fù)烤之前預(yù)測結(jié)果，并且不必專門實驗，以平常加工中得到的數(shù)據(jù)即可分析，能較為直觀地為參數(shù)設(shè)置提供可靠依據(jù)。復(fù)烤中存在許多非線性問題，且數(shù)據(jù)之間沒有明確數(shù)學(xué)關(guān)系，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以較好地解決該問題。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無需知道輸入和輸出的數(shù)學(xué)方程，通過訓(xùn)練即可得到期望的輸出。其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之一，其具有優(yōu)良的多維函數(shù)映射和非線性映射能力，適合運用到尋找復(fù)烤參數(shù)的輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的映射關(guān)系?；诖耍疚奶岢鲇酶倪M的麻雀搜索算法優(yōu)化初始權(quán)重和閾值，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，找到復(fù)烤輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果的映射關(guān)系，為輸入?yún)?shù)設(shè)置提供依據(jù)。最后以麒麟復(fù)烤廠某個批次的加工數(shù)據(jù)作為研究對象，將預(yù)測模型運用到其中，驗證效果。

1 工藝分析

復(fù)烤技術(shù)由國外傳入國內(nèi)，20世紀60年代開始掛桿復(fù)烤轉(zhuǎn)變?yōu)榇蛉~復(fù)烤，如今隨著技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，已經(jīng)逐步實現(xiàn)全面機械化和自動化加工。復(fù)烤是一個復(fù)雜的過程，涉及多種物理和化學(xué)變化，現(xiàn)簡要分析復(fù)烤的部分工藝階段，并選擇了研究的工藝參數(shù)和控制指標。

1.1 流程分析

復(fù)烤車間流水線可粗略分為潤葉、風(fēng)分、干燥、冷卻和回潮5個階段，流程如圖1所示。其中，從倉庫到風(fēng)力除雜等步驟為預(yù)備階段，煙葉從煙筐中轉(zhuǎn)移到鋪葉臺，然后經(jīng)過人工篩選將煙葉中的非煙物質(zhì)初步去除，接著機器把大片煙葉切斷，再通過機器二次風(fēng)力除雜，流量稱可以檢測流水線上煙葉的重量，保證加工時煙葉的量在機器承受范圍內(nèi)。預(yù)備階段處理是為了后續(xù)更好的加工。

從打葉風(fēng)分開始，為復(fù)烤主要階段。打葉風(fēng)分主要涉及的是煙葉物理形態(tài)變化(煙葉葉片和梗的分離)，就不作為分析對象。復(fù)烤廠現(xiàn)在逐步采用“直接復(fù)烤”技術(shù)，即煙葉在干燥段被加工到指定水分含量和溫度，經(jīng)過冷卻就符合要求，不用回潮，因此減少了回潮段的蒸汽使用量，大幅度節(jié)約成本，所以回潮段也不作為分析對象。綜上，選擇潤葉、干燥以及冷卻3個階段數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型。

圖1 復(fù)烤工藝流程

1.2 材料選擇

煙葉材料選自麒麟復(fù)烤廠2020年某個批次加工數(shù)據(jù)，選取經(jīng)過工業(yè)分級后的普洱(墨江)C3F單打煙葉，數(shù)據(jù)由加工時復(fù)烤設(shè)備記錄，真實可靠。

1.3 控制指標

復(fù)烤加工時，每個階段開始和結(jié)束都會測量煙葉的含水量和溫度，這2項指標在復(fù)烤時至關(guān)重要[12]。水分過大時，不利于煙葉的儲存，容易霉變；水分過低，則會增加煙葉脆性，導(dǎo)致碎煙率上升、大中片率降低等一系列問題。溫度不僅會影響煙葉水分，還與煙葉化學(xué)成分(如pH值[13]、煙堿值[14]等)變化密切相關(guān)，而煙葉化學(xué)成分直接決定了其內(nèi)在品質(zhì)。所以將出口溫度和水分這2項數(shù)據(jù)作為模型的控制指標，復(fù)烤廠對其要求如表1所示。因為要對整個復(fù)烤環(huán)節(jié)進行研究，探究每個階段的參數(shù)對于最后成品的含水率和溫度影響，所以中間過程就不予考慮，只將最后階段的葉片含水率和溫度作為模型的期望輸出。

表1 質(zhì)量要求

1.4 工藝參數(shù)選擇

從流程分析可確定研究階段為潤葉、干燥和冷卻，根據(jù)每個階段各特點和復(fù)烤廠實際需求選擇特征輸入，即選擇流量稱實際值、一潤熱風(fēng)溫度、一潤回風(fēng)溫度、一潤散熱蒸汽壓力、二潤散熱蒸汽壓力、二潤熱風(fēng)溫度、二潤回風(fēng)溫度、烤片機一區(qū)加水量、烤片機二區(qū)加水量、烤片機三區(qū)加水量、冷卻區(qū)溫度、冷卻區(qū)水分、干燥一區(qū)溫度、干燥二區(qū)溫度、干燥三區(qū)溫度、烤片機入口溫度、烤片機入口水分17個作為工藝參數(shù)。

需要特別說明的是，烤片機是加工的最后階段，入口的水分和溫度與出口水分和溫度密切相關(guān)，所以烤片機入口溫度和水分也作為輸入變量；工藝參數(shù)太多，不好一一列舉，故只展示部分，部分參數(shù)指標如表2所示。

表2 部分工藝參數(shù)指標

2 模型建立

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常也被稱為平行分布式處理模型，具有高度自適應(yīng)性和容錯性，并且其優(yōu)越的非線性模擬能力也很突出，使得在預(yù)測、控制等方面有很多應(yīng)用。復(fù)烤環(huán)節(jié)工藝參數(shù)眾多，與控制指標之間沒有明確數(shù)學(xué)模型，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能有效根據(jù)輸入預(yù)測輸出。

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種旨在模仿人腦結(jié)構(gòu)及其功能的由多個非常簡單的處理單元彼此按某種方式相互連接而形成的計算機系統(tǒng)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)亦是如此，其學(xué)習(xí)過程由信號的正向傳播與誤差的反向傳播2個過程組成。正向傳播時，輸入樣本從輸入層傳入，經(jīng)隱層逐層處理后，傳向輸出層。若輸出層的實際輸出與期望輸出不符，則轉(zhuǎn)向誤差的反向傳播階段。誤差的反向傳播是將輸出誤差以某種形式通過隱層向輸入層逐層反傳，并將誤差分攤給各層的所有單元，從而獲得各層單元的誤差信號，此誤差信號即作為修正各單元權(quán)值的依據(jù)[7-14]。BP網(wǎng)絡(luò)由輸入層﹑輸出層和隱層組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

假設(shè)輸入層的節(jié)點個數(shù)為n，隱含層的節(jié)點個數(shù)為l，輸出層的節(jié)點個數(shù)為m。輸入層到隱含層的權(quán)重為wij，隱含層到輸出層的權(quán)重為wjk，輸入層到隱含層的偏置為aj，隱含層到輸出層的偏置為bk。學(xué)習(xí)速率為η，激勵函數(shù)為g(x)。隱含層的輸出Hj：

(1)

輸出層的輸出：

(2)

令期望Yk為期望輸出，記ek=Yk-Ok，網(wǎng)絡(luò)總誤差：

(3)

其中，i=1…n，j=1…l，k=1…m。權(quán)值更新公式：

(4)

2.2 訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)

將總樣本數(shù)中的3/4數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，1/4為測試集。以工藝參數(shù)作為特征輸入，以控制指標作為期望輸出。設(shè)置學(xué)習(xí)速率為0.01，訓(xùn)練最小誤差為0.0001，迭代次數(shù)為1000次。

隱含層節(jié)點數(shù)根據(jù)經(jīng)驗公式(5)確定：

(5)

式中，h為隱含層節(jié)點數(shù)；r和e分別為輸入層和輸出層節(jié)點數(shù)；s為1～10常數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗公式(5)計算得隱含節(jié)點最大、最小值，然后通過試驗，求每一個節(jié)點數(shù)下訓(xùn)練集均方誤差，取均方誤差最小的隱含節(jié)點數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含節(jié)點數(shù)。

訓(xùn)練步驟如下。Step1：初始化網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值；Step2：導(dǎo)入訓(xùn)練樣本；Step3：前向傳播計算；Step4：誤差反向傳播計算并更新權(quán)值；Step5：迭代，用新的樣本進行步驟3和4，直至滿足停止準則。

流程如圖3所示。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程

3 優(yōu)化算法

麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)[15]是一種新型的群智能優(yōu)化算法，主要是受麻雀的覓食行為和反捕食行為的啟發(fā)。麻雀種群在覓食過程中分為發(fā)現(xiàn)者與加入者2部分，分別負責(zé)提供種群覓食的方向以及追隨并獲取食物。當(dāng)麻雀種群意識到危險時，則會發(fā)生反捕食行為并更新種群位置。

3.1 算法原理

麻雀搜索算法具有良好的局部尋優(yōu)能力和穩(wěn)定性，其實現(xiàn)原理如下。初始由n只麻雀組成的種群表示形式：

(6)

式中，d表示待優(yōu)化問題變量的維數(shù)；n為麻雀的數(shù)量。則所有麻雀的適應(yīng)度值表示形式：

(7)

式中，f表示適應(yīng)度值。在SSA中，具有較好適應(yīng)度值的發(fā)現(xiàn)者在搜索過程中會優(yōu)先獲取食物。發(fā)現(xiàn)者的位置更新描述如下：

(8)

式中，t代表當(dāng)前迭代數(shù)；j=1,2,3,…,d；itemmax是一個常數(shù)，表示最大的迭代次數(shù)；Xi,j表示第i個麻雀在第j維中的位置信息；α∈(0,1]是一個隨機數(shù)；R2(R2∈[0,1])和ST(ST∈[0.5,1])分別表示預(yù)警值和安全值；Q是服從正態(tài)分布的隨機數(shù)；L表示一個1×d的矩陣，其中該矩陣內(nèi)每個元素全部為1。當(dāng)R2

(9)

式中，XP是目前發(fā)現(xiàn)者所占據(jù)的最優(yōu)位置；Xworst表示當(dāng)前全局最差的位置；A表示一個1×d的矩陣，其中每個元素隨機賦值為1或-1，A+=AT(AAT)-1。當(dāng)i>n/2時，表明適應(yīng)度值較低的第i個加入者沒有獲得食物，處于十分饑餓的狀態(tài)，此時需要飛往其它地方覓食，以獲得更多的能量。反捕食行為，更新麻雀種群的位置如下：

(10)

式中，Xbest是當(dāng)前的全局最優(yōu)位置,也是十分安全的；β作為步長控制參數(shù)，是服從均值為0，方差為1的正態(tài)分布的隨機數(shù)；K∈[-1,1]是一個隨機數(shù)，表示麻雀移動方向同時也是步長控制；fi是當(dāng)前麻雀個體適應(yīng)度；fg和fw是當(dāng)前全局最佳和最差適應(yīng)度；ε是常數(shù)，避免分母為零；當(dāng)fi>fg表示此時的麻雀正處于種群的邊緣，極其容易受到捕食者的攻擊；fi=fg時，表明處于種群中間的麻雀意識到了危險，需要靠近其它麻雀以盡量減少其被捕食的風(fēng)險。

算法步驟如下。Step1：初始化種群、迭代次數(shù)、初始化捕食者以及加入者比列；Step2：計算適應(yīng)度值并且排序；Step3：利用式(8)更發(fā)現(xiàn)者者位置；Step4：利用式(9)更新加入者位置；Step5：利用式(10)更新警戒者位置；Step6：計算適應(yīng)度值并更新麻雀位置；Step7：是否滿足停止條件，滿足則退出，輸出結(jié)果；否則，重復(fù)執(zhí)行Step2～6。

3.2 改進策略

從上述可知，麻雀搜索算法的初始種群位置是隨機的，這種方式生成的種群多樣性較差，可能導(dǎo)致算法陷入局部最優(yōu)解，影響收斂速度和精度[16,17]?；煦缡且环N確定的系統(tǒng)中出現(xiàn)的無規(guī)則的運動，將其引入算法中，能較好解決該問題。

本文采用Tent混沌映射函數(shù)，其具有分布均勻、不可重復(fù)、不確定性和遍歷性等特點。Tent映射混沌分岔圖如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)不斷連續(xù)變化時，每跨過一點復(fù)雜程度都會成倍增加，直到一點系統(tǒng)突然變得不規(guī)律，即系統(tǒng)跨入混沌。此時將Tent映射生成的數(shù)據(jù)作為初始麻雀種群的位置信息既能保持多樣性，從而避免局部最優(yōu)解，也能提高收斂速度和全局搜索能力[18,19]。

圖4 分岔圖

3.2.1 Tent混沌序列

單梁[20]等研究表明，Tent映射可以作為產(chǎn)生優(yōu)化算法的混沌序列，并且其遍歷均勻性和收斂速度優(yōu)于Logistic映射，其表達式：

(11)

經(jīng)過貝努利位移變換后：

zi+1=(2zi)mod1

(12)

(13)

相應(yīng)的貝努利位移變換式為：

(14)

式中，NT為混沌序列內(nèi)的粒子個數(shù)；rand(0,1)為[0,1]之間的隨機數(shù)。

3.2.2 改進流程

改進的步驟如下。Step1：初始化麻雀搜索算法的參數(shù)，包括種群數(shù)量、預(yù)警值、安全值等；Step2：利用Tent混沌映射函數(shù)生成均勻分布于整個解空間中的混沌序列，即種群初始位置；Step3：計算每只麻雀的適應(yīng)度值，確定解空間中適應(yīng)度值最優(yōu)和最差的麻雀個體的位置；Step4：確定麻雀種群中發(fā)現(xiàn)者的數(shù)量，根據(jù)公式(8)計算其更新過后的位置；Step5：確定麻雀種群中加入者的數(shù)量，根據(jù)公式(9)計算其更新過后的位置；Step6：確定麻雀種群中意識到危險的個體數(shù)量，根據(jù)公式(10)計算其更新過后的位置；Step7：計算每只麻雀的適應(yīng)度值，與之前的適應(yīng)度值進行比較，若新的適應(yīng)度值更優(yōu)則更新；Step8：如果達到算法的最大迭代次數(shù)，則輸出全局適應(yīng)度值最優(yōu)的麻雀的位置信息；否則轉(zhuǎn)到第4步繼續(xù)執(zhí)行。

3.3 優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，初始權(quán)值和閾值是在一個固定范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生的，初始權(quán)值的選擇對于局部極小點的防止和網(wǎng)絡(luò)收斂速度的提高均有一定程度的影響，如果初始權(quán)值范圍選擇不當(dāng)，學(xué)習(xí)過程一開始就可能進入“假飽和”現(xiàn)象，甚至進入局部極小點，網(wǎng)絡(luò)根本不收斂。本文采用改進的麻雀搜索算法就是通過計算得到最優(yōu)的初始權(quán)值與閾值，提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度和精度，以達到期望的效果，優(yōu)化流程如5所示。

圖5 優(yōu)化流程

4 結(jié)果分析與算法對比

4.1 模型參數(shù)選擇

本文的實驗數(shù)據(jù)來自麒麟復(fù)烤廠，經(jīng)過篩選共得到480組數(shù)據(jù)，前360組作為訓(xùn)練集，后120組作為測試集。17個工藝參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，水分和溫度作為輸出。

均方誤差是反映預(yù)測量和被預(yù)測量之間差異的一種度量，其越小說明預(yù)測效果越好，計算公式：

(15)

表3 試驗結(jié)果

為了證明所提算法的優(yōu)越性，還使用了粒子群算法(Particle SwarmOptimization,PSO)、遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)進行優(yōu)化，最后對比結(jié)果，為了保證公平，同一參數(shù)設(shè)置相同，而關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 對比算法參數(shù)選擇

4.2 結(jié)果分析

設(shè)置好參數(shù)后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到標準BP模型、Tent-SSA模型、GA-BP模型和PSO-BP模型中，進行精度和穩(wěn)定性分析。

4.2.1 改進前后對比

圖4為SSA-BP模型和Tent-SSA-BP的進化曲線圖。從圖中可以看到，使用Tent混沌映射產(chǎn)生大量的初始原子，從中選出適應(yīng)度最佳的若干個原子作為初始種群，從而改進的SSA算法比改進前的SSA算法收斂速度加快。

圖6 收斂曲線對比圖

平均絕對誤差百分比描述的是模型真實值和預(yù)測值之間的誤差百分比，計算公式：

(16)

表5 精度對比

4.2.2 算法對比

為了突出算法的優(yōu)勢，與其它算法優(yōu)化結(jié)果進行對比，表6為對比結(jié)果。由表6可知，水分預(yù)測值的均方誤差小于溫度預(yù)測值，但是平均絕對誤差百分比卻大于溫度，說明水分預(yù)測值比溫度預(yù)測值離散程度更小，但是溫度的預(yù)測比水分更精確；在水分的預(yù)測上，改進后的麻雀搜索算法的均方誤差和平均絕對誤差百分比都有明顯減小，并且相比其它算法這2項數(shù)據(jù)都更小，所以精度更高；對于溫度的預(yù)測，雖然對比遺傳算法和粒子群算法提升效果并不明顯，但是對比優(yōu)化前，精度是有明顯提升。

由于數(shù)據(jù)較多不方便觀察，就選取部分數(shù)據(jù)作圖進行對比，預(yù)測值和真實對比以及誤差對比如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，對比其它方法，無論是在水分還是在溫度方面，改進后的SSA-BP模型誤差波動性更小更加接近期望值，性能更好。

圖7 預(yù)測值和真實值對比

圖8 誤差對比

表6 不同優(yōu)化方法的結(jié)果比較

5 結(jié)論

本文針對煙葉復(fù)烤階段工藝參數(shù)設(shè)置問題，分析了現(xiàn)階段研究的情況與不足，提出了運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測水分和溫度為參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)。運用麻雀搜索算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值進行優(yōu)化，提升了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能；并引入了Tent混沌映射產(chǎn)生混沌序列，對麻雀搜索算法的初始種群位置進行了優(yōu)化，對比算法改進前既能保持多樣性，從而避免局部最優(yōu)解，也能提高收斂速度和全局搜索能力。同時，還與遺傳算法和粒子群算法優(yōu)化效果進行了對比，結(jié)果顯示所提算法的預(yù)測精度和穩(wěn)定性都更好。綜上所述，本文提出的基于Tent混沌映射改進的SSA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測效果更好。