何曉健,劉 浩,劉紅光*,肖旭斌,李 覓,張從秋

(1.紅云紅河煙草(集團)有限責任公司,云南昆明 650032;2.北京金蝶云基科技有限公司,北京 100086)

煙葉原料質量的均勻穩(wěn)定是卷煙產品質量穩(wěn)定的決定性因素,而打葉復烤均質化加工是穩(wěn)定煙葉原料質量的重要措施。國內煙葉復烤均質化加工研究已取得成就,宋智勇等[1]根據煙葉煙堿值分類堆放,組批出庫,實現(xiàn)均勻投料;沈晗等[2]通過配方比例混配后的半成品煙葉平庫單元格堆碼,混配組合投料實現(xiàn)煙葉均勻控制;王戈等[3]在煙堿的基礎上,引入煙葉顏色和光譜定性值,在高架庫條件下實現(xiàn)均勻調控。這些研究重點關注煙堿均勻、水分均勻方面,缺乏按總糖、總氮、還原糖等化學成分均質化進行配比投料方面的研究。復烤企業(yè)多以平庫為主,缺乏自動化設備,出入庫主要依靠人工計算核對,導致工作量大、效率和準確率低,且倉儲資源難以得到合理使用。同時,復烤均質化加工及基于煙堿或其他方式堆碼均勻投料加工加大了現(xiàn)場工作復雜度和出錯率,同時給倉儲帶來壓力。筆者以煙葉煙堿為主要參數(shù),結合煙葉總糖、總氮、還原糖等多項指標,研究煙葉均勻控制技術,旨在提高現(xiàn)場作業(yè)效率及準確率的技術。

1 材料與方法

1.1 原料選擇選擇云南昆明地區(qū)品種為K326的中部上等煙葉經過工業(yè)分級后的2個等級(A、B),共50 t煙葉作為研究原料。加工時,等級A(48%)和等級B(52%)按煙堿范圍投到煙葉鋪把臺混配,將挑選出的半成品煙葉分為試驗組和對照組進行投料復烤。

1.2 研究方法

1.2.1煙葉加工流程。煙葉從工商交接到復烤加工流程如圖1所示。煙葉工業(yè)分級后,按批次取樣,檢測樣品化學質量信息。復烤加工:首先按煙葉煙堿高、中、低煙葉比例進行混配挑選,然后將混配的半成品煙葉2次分組混配,最后根據分組比例均勻投料[4-7]。

圖1 煙葉儲存加工流程Fig.1 Tobacco processing and storage process

1.2.2煙葉煙堿混配挑選。工業(yè)分級煙葉堆放在紙箱中,打印二維碼標簽,記錄煙箱信息。每50箱抽樣檢測化學質量,根據煙葉煙堿值和重量,繪制煙堿數(shù)據分布頻率直方圖(圖2)。觀察煙堿頻率直方圖,分析堆碼煙堿數(shù)據分布狀況,平衡煙堿高、中、低煙葉比例接近1∶1∶1,劃分高煙堿、低煙堿、中煙堿范圍值[8]。混配挑選時,每個鋪把臺嚴格按照復烤配方和煙堿分組均勻混配,同時將青、雜、霉煙葉挑出?；炫浜髮氤善窡熑~裝入底部設置滾輪的煙框,共180框煙葉。按照裝框時間順序排序(1,2,…,180),取單數(shù)順序號煙框為試驗組,偶數(shù)順序號煙框作為對照組。試驗組將煙葉總糖、總氮、還原糖、煙堿作為變量進行系統(tǒng)聚類分析分組[9-10],均勻投料,對照組不分組隨機投料。

圖2 煙堿頻率直方圖Fig.2 Nicotine frequency histogram

1.2.3曼哈頓距離模型調度。半成品煙框入庫堆碼和出庫調度時,利用曼哈頓模型計算出最優(yōu)調運位置,指導出入庫調度堆碼。建立半成品煙葉暫存區(qū)域二維坐標系,如圖3所示,1個煙框擺放1個貨位,2個貨位之間設置1條通道,運送煙框。坐標系中,通道兩邊的2個貨位視作1個坐標點(xi,yi)。

圖3 半成品煙葉暫存區(qū)坐標系Fig.3 Coordinate system of semi-finished tobacco temporary storage area

半成品煙葉入暫存貨位堆碼時,利用貨位坐標系,計算稱重房起點坐標(xk,yk)到所有空貨位(xi,yi)以及空貨位(xi,yi)到投料點(x0,y0)的曼哈頓距離。假設f(xi,yi)為稱重房起點坐標(xk,yk)到空貨位(xi,yi)再到投料點(x0,y0)的曼哈頓距離之和。坐標系上,兩點之間的曼哈頓距離為D=|x1-x2|+|y1-y2|,所以

Min[f(xi,yi)]=|yi-yk|+|xi-xk|+|yi-y0|+|xi-x0|

入庫堆碼時,在信息系統(tǒng)基于曼哈頓距離模型計算每個空貨位點(xi,yi)的距離f(xi,yi),選擇距離最短Min(f(xi,yi))的貨位堆放,依次類推,直至煙葉堆碼完成。投料出庫時,通過曼哈頓距離尋找最近距離煙框投料。

1.2.4聚類分析模型分組。聚類分析是數(shù)據分析中常用的一種方法,根據數(shù)據之間的內在聯(lián)系,將相似的變量或樣品聚集在一起成為一個族群。一般使用聚類分析的數(shù)據,樣本或變量之間都會存在一些相似之處,通過樣品各個變量進行計算,找出相似點,根據相似程度將樣品分成不同族群,使同一個族群中的相似程度最小,與其他族群之間的相似度最大。聚類分析在煙葉等級和產區(qū)分類中應用較廣,依據化學指標進行聚類分組研究也初見規(guī)模[11-12]。

通過相關性和主成分、因子分析表明,煙葉化學質量中總糖、還原糖、總氮、煙堿與煙葉感官質量相關性最強[13],因此筆者選擇總糖、還原糖、總氮和煙堿作為樣本變量,通過系統(tǒng)聚類分析進行分組。由于煙葉化學指標不在同一數(shù)量級,因此聚類分析前將數(shù)據進行標注化處理。

式中,yi為標準化后的樣本變量,k為原始樣本變量均值,xi為原始變量。聚類分析時,計算樣品之間的距離,使用歐式距離(Euclidean distance):

歐式距離是聚類分析中使用廣泛的距離測度。

1.2.5貪心算法模型輪回投料。貪心算法模型將求解問題分級成若干個子問題,尋找每個子問題最優(yōu)解,最終達到整個問題的最優(yōu)解[14]。煙葉半成品投料過程使用貪心算法模型,將每輪投料當作1個子問題,求解每輪投料規(guī)劃最優(yōu)解,以達到整體最優(yōu)投料。

假設每輪投料m框煙葉,復烤加工投料時,以小批次為投料單元,每批次固定投料γ框,根據煙葉化學成分聚類分為n組,配比依次為,其中i=1,2,…,n,假設該次復烤加工投料σ件:

(1)總投料批次(輪次)=σ/γ, 及遞歸「σ/γ?輪回次計算每輪投料分布。

(2)ai=σ×bi,即各組煙葉投料總框數(shù)。

(3)根據貪心算法原則及每個投料批次,獨立計算最優(yōu)投料組配,aij為第j輪第i組投料框數(shù)。

1.2.6搭建信息系統(tǒng)。配合整個煙葉收儲、工業(yè)分級、混配、復烤投料過程管理,搭建煙葉堆碼加工信息系統(tǒng)支撐整個煙葉過程管理,簡稱“煙葉管理系統(tǒng)”,實現(xiàn)主要功能如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能Fig.4 System function

2 結果與分析

2.1 煙葉煙堿混配工業(yè)分級后煙葉等級A和等級B,按混打配方比例和煙堿范圍組合投料混配挑選,組配投料方案見表1。

表1 煙葉煙堿高低混配

混配投料到鋪把臺時,中煙堿獨立投料,高低煙堿組合搭配投料。煙堿混配前和煙堿混配后的半成品煙葉煙堿變異對比如圖5所示,混配后煙堿變異系數(shù)明顯降低,還原糖、總糖、總氮變異系數(shù)均降低,降低幅度小于煙堿。

圖5 煙葉混配前后變異系數(shù)對比Fig.5 Comparison of coefficient of variation before and after tobacco blending

2.2 煙葉混配堆碼調度對影響煙葉混配堆碼調度的因素展開分析,結果如圖6所示。從圖6可以看出,在煙葉堆碼出入庫調度過程中,影響因素主要有運輸效率、成本、準確率、信息流、倉庫及基礎設施。復烤企業(yè)多以平庫為主,搭建高架庫成本高,在平庫條件下,提高出入庫效率和倉庫利用率成為主要研究對象?；A設施、倉庫、成本屬于固化因素,準確率、信息流、運輸效率屬于可改善性因素。筆者重點針對可改善性因素,利用曼哈頓距離模型和信息化系統(tǒng)支撐來提高煙葉出入庫效率。

圖6 出入庫效率因果分析魚骨圖Fig.6 Fish bone diagram of causal analysis of warehousing efficiency

煙葉混配后堆放煙框中,人工推到稱重房,稱重時攝像頭掃描煙框二維碼獲取煙框信息,將煙框和裝載煙葉物料、重量等信息關聯(lián)。煙葉裝框過程中,隨機抽取煙葉,將樣品送到實驗室,利用近紅外設備檢驗煙葉化學成分信息,包括煙葉總糖、總氮、還原糖、煙堿、氧化鉀和氯氣等信息。檢測完成,將數(shù)據導入煙葉系統(tǒng)中,自動關聯(lián)每一框煙葉化學質量信息。入庫時,在系統(tǒng)中,根據當前庫存分布信息,利用曼哈頓距離模型,計算出最優(yōu)存放貨位,現(xiàn)場人員根據系統(tǒng)推薦的最優(yōu)貨位,手動將煙框推送到貨位上。復烤加工投料時,利用曼哈頓模型計算每輪投料最優(yōu)貨位,投料時按照規(guī)劃的最優(yōu)出庫貨位出庫。

曼哈頓距離模型實現(xiàn)最優(yōu)路徑的選擇,調度時,綜合考慮稱重房到空貨位、空貨位到投料口的距離,稱重房到空貨位距離影響入庫效率,存放貨位到投料口距離影響出庫效率,因此調度時,綜合考慮2段距離之和最小,為最佳調度貨位,通過減少運輸距離,提高運輸效率,進而提高出入庫效率。出入庫調度過程,引入二維碼和RFID射頻技術,實現(xiàn)信息的實時采集和出入庫驗證,確保出入庫信息流及時性和準確性,同時提供準確的庫存信息,支撐科學合理準確的調度規(guī)劃,提高出入庫準確率。

2.3 煙葉聚類分析分組試驗組,基于煙葉總糖、總氮、還原糖、煙堿進行系統(tǒng)聚類分析分組,分為4組(表2)。每個分組中,均值都在不同數(shù)據段,分組后變異系數(shù)明顯降低。圖7以化學指標構建三維散點圖,不同煙葉的散點代表不同分組的樣品,從散點分布情況可以看出,聚類分組結果較佳。

表2 聚類分組明細

圖7 煙葉聚類分組散點圖Fig.7 Scatter diagram of tobacco leaf clustering and grouping

2.4 煙葉復烤加工均勻投料試驗組中每組半成品煙葉占比見表3,每10框作為一個投料單元,總共9批。使用貪心算法遞歸循環(huán)9次,計算每批投料組合,考慮投料按比例均勻組配和每輪每框不拆開投料,按照貪心算法模型,拋開前一輪投料比,獨立計算每輪的煙葉投料比即組配投料煙框。每輪投料框數(shù)乘以每組投料比為該組該輪投料量,先取整數(shù)件,小數(shù)部分以取最大數(shù)為優(yōu)先順序取1件,直至取滿該輪投料框數(shù)。首輪按照物料配比比值計算投料框數(shù),次輪每組煙投料比重新計算,減去首輪投料框數(shù)后按剩余分組煙框比值計算,依次類推,得出9批煙葉投料矩陣如下:

表3 半成品煙葉分組投料比

試驗組半成品煙葉投料是按照投料矩陣順序投料,矩陣列為每輪各組投料量,矩陣行為每組在每輪投料中的投料量。對照組半成品煙葉不分組,投料時,按照曼哈頓距離順序投料。投料時,RFID讀寫器獲取煙框RFID標簽信息驗證物料準確性、分組準確性、煙堿合理性等,驗證通過后,發(fā)送投料指令,核減暫存區(qū)庫存,解綁煙框信息。

經打葉復烤加工后,試驗組產出143箱片煙,對照組產出142箱片煙,片煙通過在線近紅外設備檢測出每箱片化學質量信息,包括水分、總糖、總氮、煙堿、還原糖、氧化鉀、氯等信息,2組化學質量統(tǒng)計分析結果見表4。

表4 片煙化學質量對比分析

與試驗組對比,成品片煙中煙堿、總糖、還原糖、總氮變異系數(shù)明顯降低。聚類分析分組和貪心算法均勻投料,對降低成品片煙化學質量煙堿、總糖、總氮、還原糖變異系數(shù)有一定作用。

對比分析煙葉煙堿混配挑選、聚類分組貪心算法均勻投料和隨機投料,煙葉化學質量的變化過程如圖8、9所示。煙葉混配挑選,根據煙堿范圍組合投料,半成品煙葉4個化學指標中煙堿變異系數(shù)降低52%,降幅最大,與目前大部分均質化加工研究結果相同。試驗組和對照組成品片煙對比半成品煙葉4項化學指標變異系數(shù)均降低,試驗組降低幅度高于對照組,且試驗組4項化學指標降幅接近,證明多指標聚類分組投料對平衡指標之間差異,及降低各指標的變異系數(shù)即提高煙葉化學質量穩(wěn)定性有一定作用。

圖8 變異系數(shù)對比分析Fig.8 Comparative analysis of coefficient of variation

圖9 變異系數(shù)變化對比分析Fig.9 Comparative analysis of variation coefficient

3 結論

在煙葉煙堿實現(xiàn)復烤均質化加工研究的基礎上,擴大研究范圍,加入煙葉感官質量影響較大的總糖、還原糖、總氮化學指標研究。結果表明,使用高低煙堿組合和中煙堿組合混配,能夠有效降低煙葉煙堿變異系數(shù);通過煙堿、還原糖、總糖、總氮系統(tǒng)聚類分組,貪心算法模型均勻輪回投料條件下,能進一步有效降低各項化學指標變異系數(shù),提高成品片煙化學質量穩(wěn)定性。煙葉根據化學指標系統(tǒng)聚類分組時,可逐步擴充加入更多指標,如鉀、氯、糖堿比、氮堿比、鉀氯比等,可使分組更科學均勻,能進一步提高成品片煙化學綜合質量。

針對現(xiàn)場管理進行進一步探討,提出曼哈頓距離模型在支持均質化加工過程中平庫條件下出入庫堆碼調度的指導作用,使用二維碼和RFID射頻技術,在信息化系統(tǒng)的支撐下,實現(xiàn)自動調度、自動掃碼驗證,提高了作業(yè)效率和準確率。曼哈頓距離模型對未來高架庫的使用具有指導性,最優(yōu)存儲位置的規(guī)劃及利用曼哈頓距離模型能有效提高調度效率。

該研究注重煙堿均勻、水分均勻,以及總糖、總氮、還原糖等化學成分均勻,在平庫條件下,采用煙堿高中低分組、聚類分組,結合貪心算法模型進行輪回均勻投料,提高煙葉化學質量穩(wěn)定性。同時兼顧煙堿分組投料對現(xiàn)場作業(yè)帶來的壓力,利用曼哈頓模型選擇最優(yōu)堆放和出庫貨位,結合信息化系統(tǒng)支撐,提高煙葉質量穩(wěn)定性且同時降低現(xiàn)場工作量,提高作業(yè)效率。