一种基于近红外光谱的烟叶以及卷烟叶组配方的替代方法组成比例

本发明专利技术的目的在于提供一种基于近红外光谱的烟叶以及卷烟叶组配方的替代方法，通过一种局部校正的光谱预处理方法及集成的光谱相似度算法，排除了光谱中的基线、散射等干扰因素，实现从光谱相似到烟叶相似的转化，实现辅助卷烟叶组配方维护过程中的烟叶替代的方法，减少配方维护人员的评吸量，同时也避免了感官评吸过程的主观性和不稳定性。

An Alternative Method of Tobacco Leaf and Tobacco Composition Formula Based on Near Infrared Spectroscopy

【技术实现步骤摘要】
一种基于近红外光谱的烟叶以及卷烟叶组配方的替代方法
本专利技术属于卷烟叶组配方领域，具体涉及卷烟产品叶组配方维护，利用片烟近红外光谱数据及光谱相似度分析辅助卷烟叶组配方维护及产品开发；本专利技术提出一种基于近红外光谱的烟叶相似度特征光谱提取，
技术介绍
卷烟的风格品质是产品设计人员通过对不同产地、品种、等级的烟叶进行配比而形成的。在某种原料用完后，需通过单料烟评吸筛选、配方维护小样制作及评吸确认等环节来确定替代烟叶，完成配方维护。烟叶替代及配方维护主要依赖于配方人员的经验积累及评吸判断，工作强度大、主观性强。若能通过仪器检测方法，利用客观数据来辅助配方，对减少评吸人员的抽烟量和提高卷烟质量稳定性有重要意义。近年来很多人在研究卷烟配方辅助技术，专利申请CN200810237699公开了建立一种基于关联规则的卷烟配方维护数据挖掘系统及方法，通过挖掘历史配方中烟叶组合规律，应用关联规则原理指导实际配方维护；历史规律是经验的总结，应用过程中要求同产地、或者同部位烟叶年度间风格品质基本稳定，但是烟叶是田间作物，待选用烟叶或者烟叶组合的品质风格很有可能和历史用的同产地、同部位的烟叶发生重大变化，所以指导实际配方很有可能发生偏离，况且利用传统配方经验，对评吸人员的稳定性要求较高，数据分析难度大。专利申请CN201610380743公开了一种用于卷烟配方归类的方法，通过热重分析研究烟草在热解燃烧过程中的特征变化，把失重曲线相似的单等级片烟原料归为抽吸口感接近的一类。是从燃烧这一物理过程评判烟叶的接近程度。专利申请CN201811305657提供一种基于非负矩阵分解的智能卷烟配方维护方法，将配方数据转换成实际的二进制配方矩阵Y，将单料烟组转换成二进制配方向量作为模型输入构建模型，实现单料烟替代和配方维护；专利申请CN201210344034公开了一种基于近红外光谱信息的SIMCA辅助卷烟配方的方法，通过比对待替代烟叶的近红外光谱和数据库中保存的烟叶近红外光谱马氏距离，距离越小代表烟叶越相似，并通过感官确认最终筛选出可替代烟叶。在一定程度上反应烟叶的接近程度，但是近红外光谱包含了烟叶的大量物质信息，但也包含很多背景，仪器、温湿度等外部干扰因素，仅仅通过光谱投影的马氏距离来表达光谱相似并推广到烟叶相似，并不客观准确。并且该方法仅仅从烟叶一对一替代的角度分析，并不能反应烟叶配方组合后“配伍性”的特点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于光谱相似的辅助卷烟叶组配方维护方法，通过一种局部校正的光谱预处理方法及集成的光谱相似度算法，排除了光谱中的基线、散射等干扰因素，实现从光谱相似到烟叶相似的转化，实现辅助卷烟叶组配方维护过程中的烟叶替代的方法，减少配方维护人员的评吸量，同时也避免了感官评吸过程的主观性和不稳定性。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：步骤1)采集片烟样品的红外光谱数据：按照产区、部位等级、年份分布状况选取烟叶样本，采集上述烟叶样本的近红外光谱；步骤2)光谱预处理：采用一阶导数结合局部校正LSNV(LocalizedStandardNormalVariation)模型对步骤1)得到的近红外光谱进行预处理，其中所述的局部校正模型可以表示为：其中xj代表第j个波段的吸光度值，aj代表第j个波段的吸光度值的平均值，bj代表第j个波段的吸光度值的标准偏差，j＝1,2……k；步骤3)构建光谱相似度模型：光谱相关映射Spectralcorrelationmeasure(SCM)光谱相关映射以相关系数的形式计算两条光谱的相似度：其中n为光谱变量数,xi,yi表示两条光谱对应的第i波数的吸光度值，表示两条光谱吸光度值的平均值,i＝1,2,3……n；欧几里得距离Euclideandistancemeasure(EDM)其中n为光谱变量数,xi,yi表示两条光谱对应的第i波数的吸光度值，i＝1,2,3……n；光谱信息散度Spectralinformationdivergence(SID)首先，计算每个点的信息熵，然后使用以下公式测量光谱向量的相似性：SID(X,Y)＝D(X||Y)+D(Y||X)其中n为光谱变量数(即光谱长度),xi,yi表示两条光谱对应的第i波数的吸光度值，i＝1,2,3……n；采用涵盖上述三种度量的方式表征相似度(Spectralsimilarity,SS)：SS(X,Y)＝SID(X,Y)*EDM(X,Y)*SCM(X,Y)(5)步骤4)筛选出可替代的相似烟叶准备若干个备选片烟，确认需要被替换的目标烟叶，通过步骤1)、2)、3)建立的光谱相似的方法计算各个备选片烟与目标烟叶的光谱相似度，按照光谱相似度从备选片烟筛选出相似烟叶。作为优选，所述步骤1)中采集上述片烟样本的近红外光谱的具体过程为：按照产区、部位等级、年份分布状况选取库存烟叶样本，在低于50℃下烘干，使含水率达到10％～12％，磨粉，样本粉末过筛，取适量烟末放入样品杯中，自然压实后进行近红外扫描；光谱扫描范围为12000-4000cm-1,分辨率为8cm-1,扫描次数72次，对各个样本采集近红外光谱，分为同样本同一时间重复扫描、隔6个月重复扫描、12个月重复扫描得到建模样本光谱；通过同片烟相同时间、不同时间重复扫描光谱相似来消除仪器、环境等外界干扰因素的影响，从光谱相似角度客观描述烟叶相似。作为优选，所述步骤4)具体包括如下步骤：确定烟叶相似性阈值；备选烟叶样品及近红外光谱数据获取：按照步骤1)2)把库存中烟叶扫描近红外光谱，获取库存烟叶光谱数据，为代烟筛选做准备；根据卷烟生产计划，测算各个产品配方在用片烟模块的资源保障情况，确定需要替换的目标；根据建立的光谱相似度模型，筛选出目标片烟相似性在阈值内的的相似片烟。第二方面，本专利技术提供一种辅助卷烟叶组配方维护方法，包括如下步骤：第一步：对于由多个片烟组成的被替代的目标叶组，针对目标叶组中的每一个目标片烟，采用权利要求1或2所述的方法从若干个备选片烟中筛选出用于替代目标片烟的片烟候选集，所述片烟候选集包含至少一个与目标片烟相似的相似片烟，通过以上方法获得了与目标叶组中目前片烟个数等数的片烟候选集；第二步：从各个片烟候选集中选出至少一个相似片烟，所述的至少一个相似片烟的比例与目标叶组中对应的目标烟叶比例相同，通过排列组合的方式形成多个模拟配方，通过光谱拟合方式获取多个模拟配方与目标叶组的近红外光谱数据，然后按照相似度模型计算多个模拟配方与目标叶组的相似度，选出至少一组用于替代目标叶组的相似叶组，所述的相似度模型如式(5)所示，SS(X,Y)＝SID(X,Y)*EDM(X,Y)*SCM(X,Y)(5)其中，SCM以相关系数的形式计算两条光谱的相似度：其中n为光谱变量数(即光谱长度),xi,yi表示两条光谱对应的第i波数的吸光度值，表示两条光谱吸光度值的平均值,i＝1,2,3……n；其中n为光谱变量数(即光谱长度),xi,yi表示两条光谱对应的第i波数的吸光度值，i＝1,2,3……n；SID(X,Y)＝D(X||Y)+D(Y||X)其中n为光谱变量数(即光谱长度),xi,yi表示两条光谱对应的第i波数的吸光度值，i＝1,2,3……n。作为优选，包括如下步骤：所述的第二步中，通过光谱拟合的方式获取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于近红外光谱相似度的烟叶替代方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1)采集片烟样品的红外光谱数据：按照产区、部位等级、年份分布状况选取烟叶样本，采集上述烟叶样本的近红外光谱；步骤2)光谱预处理：采用一阶导数结合局部校正LSNV(Localized Standard Normal Variation)模型对步骤1)得到的近红外光谱进行预处理，其中所述的局部校正模型可以表示为：

【技术特征摘要】
1.一种基于近红外光谱相似度的烟叶替代方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1)采集片烟样品的红外光谱数据：按照产区、部位等级、年份分布状况选取烟叶样本，采集上述烟叶样本的近红外光谱；步骤2)光谱预处理：采用一阶导数结合局部校正LSNV(LocalizedStandardNormalVariation)模型对步骤1)得到的近红外光谱进行预处理，其中所述的局部校正模型可以表示为：其中xj代表第j个波段的吸光度值，aj代表第j个波段的吸光度值的平均值，bj代表第j个波段的吸光度值的标准偏差，j＝1,2……k；步骤3)构建光谱相似度模型：光谱相关映射Spectralcorrelationmeasure(SCM)光谱相关映射以相关系数的形式计算两条光谱的相似度：其中n为光谱变量数,xi,yi表示两条光谱对应的第i波数的吸光度值，表示两条光谱吸光度值的平均值,i＝1,2,3……n；欧几里得距离Euclideandistancemeasure(EDM)其中n为光谱变量数,xi,yi表示两条光谱对应的第i波数的吸光度值，i＝1,2,3……n光谱信息散度Spectralinformationdivergence(SID)首先，计算每个点的信息熵，然后使用以下公式测量光谱向量的相似性：SID(X,Y)＝D(X||Y)+D(Y||X)其中n为光谱变量数(即光谱长度),xi,yi表示两条光谱对应的第i波数的吸光度值，i＝1,2,3……n；采用涵盖上述三种度量的方式表征相似度(Spectralsimilarity,SS)：SS(X,Y)＝SID(X,Y)*EDM(X,Y)*SCM(X,Y)(5)步骤4)筛选出可替代的相似烟叶准备若干个备选片烟，确认需要被替换的目标烟叶，通过步骤1)、2)、3)建立的光谱相似的方法计算各个备选片烟与目标烟叶的光谱相似度，按照光谱相似度从备选片烟筛选出相似烟叶。2.根据权利要求1所述的基于近红外光谱相似度的烟叶替代方法，其特征在于：所述步骤1)中采集上述片烟样本的近红外光谱的具体过程为：按照产区、部位等级、年份分布状况选取烟叶样本，在低于50℃下烘干，使含水率达到10％～12％，磨粉，样本粉末过筛，取适量烟末放入样品杯中，自然压实后进行近红外扫描；光谱扫描范围为12000-4000cm-1,分辨率为8cm-1,扫描次数72次，对各个样本采集近红外光谱，分为同样本同一时间重复扫描、隔6个月重复扫描、12个月重复扫描得到建模样本光谱。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李石头，毕一鸣，李永生，张立立，帖金鑫，郝贤伟，何文苗，田雨农，赵振杰，廖付，吴继忠，王辉，徐清泉，
申请(专利权)人：浙江中烟工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33