熊 金，陳小林，李飛宇，余興華，許春林

（重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司涪陵卷煙廠，重慶 408000）

烘絲機(jī)是煙草制絲生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是對(duì)葉絲進(jìn)行干燥處理，葉絲干燥處理過(guò)程對(duì)煙絲物理指標(biāo)和感觀等內(nèi)在質(zhì)量影響較大，在所有制絲環(huán)節(jié)中，烘絲機(jī)的烘絲效果起著非常重要的作用。而要保證烘絲效果，就要保證其過(guò)程控制穩(wěn)定。在煙草質(zhì)量控制四穩(wěn)定因素流量、溫度、水分、組分中，流量、組分、溫度較為穩(wěn)定，要保證烘后煙絲質(zhì)量就是要控制好烘絲入口水分。如果要得到穩(wěn)定的來(lái)料水分，就需要穩(wěn)定SIROX 膨脹單元水分，而膨脹單元水分又依賴于生絲水分等因素的穩(wěn)定，以及前一級(jí)加料出口和貯柜后水分的穩(wěn)定。本方法的意義就在于通過(guò)建模對(duì)前工序的水分做出更為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)和控制，從而實(shí)現(xiàn)來(lái)料水分穩(wěn)定，最終降低烘絲出口水分偏差，保證烘后煙絲質(zhì)量。

1 本控制方法的先進(jìn)行和創(chuàng)新性

本方法基于制絲過(guò)程的歷史工藝數(shù)據(jù)分別構(gòu)建制絲過(guò)程的環(huán)境溫濕度預(yù)測(cè)模型、烘絲入口水分預(yù)測(cè)模型、加料出口水分預(yù)測(cè)模型以及烘絲出口水分預(yù)測(cè)模型，并基于這些預(yù)測(cè)模型為制絲過(guò)程的各環(huán)節(jié)水分控制提供指導(dǎo)。

方法的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在：擬采用的集成學(xué)習(xí)方法是結(jié)合多個(gè)模型算法，從而提高整體的準(zhǔn)確性，進(jìn)而得到更好的預(yù)測(cè)結(jié)果?；舅枷胧峭ㄟ^(guò)學(xué)習(xí)多個(gè)弱學(xué)習(xí)器結(jié)合組合策略組成強(qiáng)學(xué)習(xí)器。例如，GBDT 回歸是一種較為優(yōu)質(zhì)的集成學(xué)習(xí)方法，其基本原理是通過(guò)多輪迭代，每輪迭代產(chǎn)生一個(gè)弱分類器（利用cart回歸樹(shù)構(gòu)建），每個(gè)分類器在上一輪分類器的殘差基礎(chǔ)上進(jìn)行訓(xùn)練。主要優(yōu)點(diǎn)包括：可以靈活處理各種類型的數(shù)據(jù)，包括連續(xù)值和離散值；在相對(duì)少的調(diào)參時(shí)間情況下，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率較高；使用一些健壯的損失函數(shù)，對(duì)異常值的魯棒性非常強(qiáng)。

先進(jìn)性主要體現(xiàn)在：①基于先進(jìn)的人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)方法，基于事實(shí)數(shù)據(jù)建立制絲各主要環(huán)節(jié)的回歸預(yù)測(cè)模型，相比傳統(tǒng)基于人工經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)的方法具有更高的準(zhǔn)確性和客觀性；②利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法特有的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行模型調(diào)整和修正效率也較人工方法高，同時(shí)構(gòu)建的模型能夠基于不斷累積增長(zhǎng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自更新自學(xué)習(xí)，保持模型的實(shí)時(shí)有效性，數(shù)據(jù)量越大模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性越高；③利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法能夠有效判斷哪些控制指標(biāo)更容易影響制絲過(guò)程的水分控制，從而為未來(lái)制絲工藝的升級(jí)改造提供數(shù)據(jù)支撐。

2 本控制方法的主要內(nèi)容

經(jīng)過(guò)回潮后的煙葉進(jìn)入加料工序添加料液和水，加料機(jī)根據(jù)入口水分實(shí)際值和出口水分設(shè)定值的差值，適時(shí)添加合適的加水流量以達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)值（加料出口水分設(shè)定值），加水后的煙葉進(jìn)入貯葉柜貯存，貯葉時(shí)間2～36h，滿足貯葉時(shí)間再根據(jù)需要放至葉絲段進(jìn)行增溫增濕和烘絲。

在過(guò)程控制中，烘絲機(jī)出口含水率主要影響因素有入口含水率、筒壁溫度、煙葉牌號(hào)、烘絲入口流量等，而烘絲入口含水率又主要受到葉絲增溫增濕入口含水率、蒸汽流量等因素的影響，其中葉絲增溫增濕入口含水率又主要受加料機(jī)出口實(shí)際水分、總加水量、貯葉時(shí)間、煙葉牌號(hào)、當(dāng)批生產(chǎn)時(shí)環(huán)境溫濕度等因素的影響。由于在加料機(jī)加水時(shí)，無(wú)法預(yù)測(cè)幾小時(shí)甚至1d 后的葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度，即使加料機(jī)出口水分均值、總加水量、貯葉時(shí)間都一樣的情況下，如果環(huán)境溫濕度相差較大，葉絲增溫增濕入口含水率變化也相當(dāng)大，導(dǎo)致烘絲入口水分波動(dòng)大，不利于烘絲出口水分工藝指標(biāo)的穩(wěn)定受控。當(dāng)前主要依靠操作人員根據(jù)歷史加水量、溫濕度，并預(yù)測(cè)葉絲增溫增濕處的溫濕度，調(diào)整加料機(jī)出口水分設(shè)定值，使加料后物料水分適應(yīng)烘絲生產(chǎn)時(shí)的環(huán)境溫濕度，從而保證葉絲增溫增濕入口含水率穩(wěn)定、CPK 達(dá)標(biāo)，最終使烘絲出口水分偏差合格。由于人工估算誤差大，不同經(jīng)驗(yàn)的人預(yù)估結(jié)果也不一樣，迫切需要建立一套基于歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)模型的系統(tǒng)。

本控制方法基于數(shù)據(jù)采集和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過(guò)研究四組正向仿真預(yù)測(cè)模型，即葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度預(yù)測(cè)模型、葉絲增溫增濕入口含水率正向預(yù)測(cè)模型、烘絲入口含水率正向預(yù)測(cè)模型、烘絲出口含水率正向預(yù)測(cè)模型，建立制絲線重點(diǎn)工藝參數(shù)與環(huán)境溫濕度間的關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)三組反向控制預(yù)測(cè)模型，即烘絲入口含水率反向控制預(yù)測(cè)模型、葉絲增溫增濕入口含水率反向控制預(yù)測(cè)模型、加料出口含水率反向控制預(yù)測(cè)模型，自動(dòng)預(yù)測(cè)加料機(jī)出口所需水分設(shè)定值，并自動(dòng)計(jì)算加水量以滿足預(yù)設(shè)出口水分要求，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)接口方式發(fā)送給PLC，達(dá)到所需的加料出口水分，以保證貯葉不同時(shí)間后，在相應(yīng)溫濕度情況下，葉絲增溫增濕入口水分穩(wěn)定，烘絲入口水分穩(wěn)定，最終降低烘絲出口水分偏差?；舅悸啡鐖D1所示。

圖1 烘絲機(jī)出口含水率智能控制方法基本思路圖

基于以上思路，建立以下幾個(gè)預(yù)測(cè)模型：

2.1 葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度預(yù)測(cè)模型

（1）按小時(shí)級(jí)粒度獲取制絲車間地理位置的天氣數(shù)據(jù)（空氣溫濕度），同時(shí)按相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取時(shí)間，抓取車間葉絲增溫增濕入口含水率水分儀附近溫濕度檢測(cè)儀記錄的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，以完整的1a 周期數(shù)據(jù)量最佳，構(gòu)建模型所需數(shù)據(jù)集。

（2）基于天氣數(shù)據(jù)與車間工藝段環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)回歸模型，建立葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度預(yù)測(cè)模型，該模型可以基于未來(lái)天氣預(yù)報(bào)情況（空氣溫濕度）對(duì)葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度變化情況進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

2.2 葉絲增溫增濕入口含水率正向預(yù)測(cè)模型

（1）獲取煙葉品牌，根據(jù)制絲過(guò)程按分鐘粒度，獲取加料機(jī)出口煙葉溫度和含水率、貯葉時(shí)間（2～4 h）、葉絲增溫增濕入口葉絲溫度和含水率、葉絲增溫增濕工藝段環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)，以完整的1a周期數(shù)據(jù)量最佳，構(gòu)建模型所需數(shù)據(jù)集；

（2）分別以加料機(jī)出口煙葉溫度和含水率、葉絲增溫增濕入口煙絲溫度和含水率為預(yù)測(cè)對(duì)象，基于數(shù)據(jù)回歸模型，基于加料機(jī)出口煙葉溫度和含水率、貯葉時(shí)間、葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度等特征預(yù)測(cè)葉絲增溫增濕入口含水率。

2.3 烘絲入口含水率正向預(yù)測(cè)模型

（1）獲取煙葉品牌，根據(jù)制絲過(guò)程按秒粒度，獲取加料機(jī)入口煙葉流量、加料機(jī)加水量、出入口煙葉溫度和含水率、補(bǔ)償蒸汽流量、工藝段環(huán)境溫濕度，以及《葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度模型》預(yù)測(cè)的葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)，以完整的1a 周期數(shù)據(jù)量最佳，構(gòu)建模型所需數(shù)據(jù)集；

（2）分別以加料環(huán)節(jié)出口煙葉溫度和含水率、加料機(jī)加水量為預(yù)測(cè)對(duì)象，基于數(shù)據(jù)回歸模型，基于入口煙葉溫度和含水率、入口煙葉流量、加料機(jī)加水量、補(bǔ)償蒸汽流量、加料機(jī)環(huán)境溫濕度、《葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度模型》的葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度等特征預(yù)測(cè)葉絲增溫增濕出口含水率，即作為烘絲入口含水率值。

2.4 烘絲出口含水率正向預(yù)測(cè)模型

（1）獲取煙葉品牌，根據(jù)制絲過(guò)程按秒粒度，獲取葉絲增溫增濕入口含水率、煙葉牌號(hào)、烘絲入口流量、烘絲出口水分設(shè)定值、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流量，排潮負(fù)壓、烘絲筒溫等數(shù)據(jù)，以完整的一年周期數(shù)據(jù)量最佳，構(gòu)建模型所需數(shù)據(jù)集。

（2）分別以烘絲機(jī)出口含水率和烘絲筒溫為預(yù)測(cè)對(duì)象，基于數(shù)據(jù)回歸模型，基于葉絲增溫增濕入口含水率、煙葉牌號(hào)、烘絲入口流量、烘絲出口水分設(shè)定值、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流量，排潮負(fù)壓、烘絲筒溫等特征，預(yù)測(cè)烘絲機(jī)出口含水率。

2.5 烘絲入口含水率反向控制預(yù)測(cè)模型

烘絲入口含水率反向控制預(yù)測(cè)模型，是基于煙葉牌號(hào)、烘絲出口水分設(shè)定值、烘絲入口流量、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流量，排潮負(fù)壓等特征，預(yù)測(cè)烘絲筒溫控制值及烘絲入口含水率控制目標(biāo)值。

2.6 葉絲增溫增濕入口含水率反向控制預(yù)測(cè)模型

葉絲增溫增濕入口含水率控制預(yù)測(cè)模型，是基于煙葉牌號(hào)、《烘絲入口含水率反向控制預(yù)測(cè)模型》預(yù)測(cè)的烘絲入口含水率控制目標(biāo)值、葉絲增溫增濕入口葉絲流量、補(bǔ)償蒸汽流量、《葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度模型》預(yù)測(cè)的環(huán)境溫濕度等特征，預(yù)測(cè)葉絲增溫增濕入口含水率控制目標(biāo)值。

2.7 加料出口含水率反向控制預(yù)測(cè)模型

加料出口含水率控制預(yù)測(cè)模型，是基于煙葉牌號(hào)、《葉絲增溫增濕入口含水率控制預(yù)測(cè)模型》預(yù)測(cè)的葉絲增溫增濕入口含水率控制目標(biāo)值、貯葉時(shí)間、《葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度預(yù)測(cè)模型》預(yù)測(cè)的環(huán)境溫濕度等特征，預(yù)測(cè)加料出口含水率控制目標(biāo)值，從而自動(dòng)計(jì)算出所需加水量。

2.8 模型驗(yàn)證與迭代完善

（1）基于建立的上述模型，利用最新產(chǎn)生的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，以此不斷修正欠擬合或過(guò)擬合模型，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，不斷優(yōu)化模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

（2）將最新產(chǎn)生的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)加入訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中，同時(shí)加入模型的自學(xué)習(xí)自更新機(jī)制，以月度或季度為迭代周期對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行更新迭代，不斷完善預(yù)測(cè)模型，模型迭代示意見(jiàn)圖2。

圖2 模型迭代示意圖

3 控制方法的結(jié)果

本系統(tǒng)將建立一套依托全變量的管板烘絲機(jī)出口含水率預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，面向工業(yè)化大數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯、整理、訓(xùn)練、測(cè)試，生成4套預(yù)測(cè)模型。①基于天氣數(shù)據(jù)與車間工藝段環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，建立葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度預(yù)測(cè)模型；②以加料入口煙葉溫度和含水率、入口煙葉流量、加料機(jī)加水量、補(bǔ)償蒸汽流量、加料機(jī)環(huán)境溫濕度，預(yù)測(cè)加料機(jī)出口含水率，建立加料機(jī)出口含水率預(yù)測(cè)模型；③基于加料機(jī)出口煙葉溫度和含水率、貯葉時(shí)間、《葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度預(yù)測(cè)模型》預(yù)測(cè)的葉絲增溫增濕入口環(huán)境溫濕度等特征預(yù)測(cè)葉絲增溫增濕入口含水率，生成葉絲增溫增濕入口含水率預(yù)測(cè)模型；④利用葉絲增溫增濕入口含水率、葉絲增溫增濕蒸汽流量、含濕量、煙葉牌號(hào)、烘絲入口流量、烘絲出口水分設(shè)定值、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流量，排潮負(fù)壓、烘絲筒溫等變量預(yù)測(cè)烘絲機(jī)出口含水率，建立烘絲出口含水率預(yù)測(cè)模型。

基于以上構(gòu)建的四類預(yù)測(cè)模型，能夠較好地形成葉片加料、貯葉、葉絲增溫增濕、烘絲這幾個(gè)制絲過(guò)程的煙葉含水率閉環(huán)預(yù)測(cè)體系，反映出加料入口、料機(jī)出口、增溫增濕入口與烘絲出口的煙葉含水率與輸入?yún)?shù)、環(huán)境參數(shù)以及控制參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而建立各工序節(jié)點(diǎn)的煙葉質(zhì)量管理機(jī)制，并且能夠基于未來(lái)天氣變化情況預(yù)測(cè)生產(chǎn)環(huán)境溫濕度參數(shù)變化趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的加料機(jī)加水量控制機(jī)制，能夠有效利用環(huán)境參數(shù)預(yù)測(cè)和生產(chǎn)輸入?yún)?shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)加水參數(shù)，使制絲過(guò)程各環(huán)節(jié)煙葉含水率趨于穩(wěn)定，并最終降低烘絲機(jī)出口水分偏差，提升工藝指標(biāo)對(duì)標(biāo)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于大數(shù)據(jù)分析的烘絲機(jī)出口含水率智能控制方法，是建立在制絲過(guò)程的大量歷史數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建正向仿真預(yù)測(cè)模型，通過(guò)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性選擇合適的模型算法，從而建立各工序節(jié)點(diǎn)的煙葉質(zhì)量管理機(jī)制。然后通過(guò)反向控制模型層級(jí)推導(dǎo)，自動(dòng)預(yù)測(cè)加料機(jī)出口所需水分設(shè)定值，并自動(dòng)計(jì)算加水量以滿足預(yù)設(shè)出口水分要求，使SIROX 入口、烘絲入口水分穩(wěn)定，從而控制好烘絲機(jī)出口含水率，提升工藝指標(biāo)。