（分析化学专业论文）香烟质量控制数学建模研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro f s c i e n c e r e s e a r c ho fm a t h e m a t i cm o d e lb u i d i n g f o rc i g a r e t t eq u a l i t yc o n t r o l s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fs c i e n c e d i s c i p l i n e ：c h e m i s t r y m a j o r ： a n a l y t i c a lc h e m i s t r y c a n d i d a t e ：g u o a ns o n g s u p e r v i s o r ：p e i s h e n gc o n g m a t , 2 0 0 6 2 8 胛0m舢1 mlm 8m 1 胂y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e p 届i i 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：宰渺 叫彩年多月f 岁e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在；年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：碰性 - 0 0 年弓月矿日 学位做作者躲戽，她 训年；月，j 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：年赂 硎年多月- e t 摘要 摘要 卷烟理化参数与烟气化学参数的关系，是多年来烟草行业科技研究关注的 问题，也是卷烟质量控制的必要因素。 本文以某牌号卷烟的理化参数和烟气化学参数为研究对象，首先针对模型 中多因子混合水平的实验设计问题，采用基于能量最低的遗传算法进行了实验 设计，并编写了相应的软件。并用该软件进行了实验设计。 针对研究体系，我们对模型进行了抽象，针对y = f ( x ) 模型，利用数据库技 术，开发了集模型管理、数据样本管理和建模、预报于一体的通用性处理软件。 软件可以支持用户从大的数据集合中挑选合适的子集进行建模。软件中包括 m l r 、p c r 、p l s 、神经网络和遗传算法一p l s 联用5 种建模方法，提出了在多变量 参与建模时用遗传算法快速地挑选合理的变量方法，将交叉验证方法嵌入p c r 、 p l s 方法中，用交叉验证法检验样本中的奇异样本点。软件中也包括了对模型进 行可靠性评估的方法。 根据实验设计进行实验之后，我们用建模软件对实验数据进行了建模分析， 初步分析出一些明确的卷烟参数关系，分析结果显示，烟草的模型是一个非线性 模型，p l s 、g a p l s 、b p 算法各自对烟碱、焦油和c 0 平均相对误差分别为，7 5 ， 6 3 ，5 9 ；5 8 9 6 ，4 4 ，5 2 ；5 5 ，4 8 ，5 7 。用建立的模型对后来的 实际实验的结果进行预报，各平均相对误差分别为，9 1 ，6 1 ，4 7 ：5 1 ， 3 4 ，4 7 ；4 4 ，3 1 ，4 2 。检验集预报结果说明神经网络预报值与实际 值更加接近。证明神经模型可以比较准确地说明问题，利用模型揭示的变量关 系，可以从理化参数设计方面来指导卷烟产品设计，并达到控制和降低烟气焦 油量的目的。 关键词：卷烟，焦油，回归分析，遗传算法，质量控制，烟草 a b s t r a c t t h er e l a t i o n s h i p ，b e t w e e nc i g a r e t t e s s m o k e sc h e m i c a lp a r a m e t e r s ，h a sa l w a y s s c i e n c ea n dt e c h n i q u er e s e a r c hi n s t i t u t e s p h y s i c a l a n dc h e m i c a lp a r a m e t e r sa n d b e e nt h ef o c u so fa t t e n t i o ni nt o b a c c o a n di ta l s oi sas i g n i f i c a n tf a c t o ro f c i g a r e t t e sq u a l i t yc o n t r o l t h er e s e a r c ht a r g e to ft h i sp a p e ri sc i g a r e t t e sp h y s i c a la n dc h e m i c a lp a r a m e t e r s 锄ds m o k e ，sc h e m i c a lp a r a m e t e r sf r o mac e r t a i nb r a n d i no r d e rt od e s i g na s u i t a b l e m i x e d 1 e v e lf a c t o r i a le x p e r i m e n lam i n i m a l - e n e r g yb a s e dg e n e t i ca l g o r i t h mm e t h o d i sa d o p t e da n dc o r r e s p o n d i n gs o r w a r ei sb u i l t m o d e li sa b s t r a c t e do nt h eb a s eo fr e s e a r c hs y s t e m a sf o rt h em o d e ly 。f ( x ) ，a d a t a b a s et e c h n i q u ei su s e dt od e v e l o pa na n a l y t i c a ls o r w a r e ，w h i c hi n t e g r a t e sm o d e l m a n a g e m e n t ，s a m p l em a n a g e m e n ta n dm o d e l i n ga n dp r e d i c t i o n t h i ss o f t w a r ec a n b e u s e dt os e l e c tr i g h ts u b c l a s sf r o mt h eh u g ed a t at ob u i l dm o d e l i nt h i ss o f t w a r e ，f i v e m o d e i i n gm e a s u r e ss u c ha sm l r , p c i lp l s ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) a n d g e n e t i ca l g o r i t h m - p l s ( g a p l s ) a r ec o n c e r n e d g e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dt os e l e c t r e a s o n a b l ev a r i a b l eq u i c k l ya sah u g en u m b e ro fv a r i a b l ec o n c e r n e di nm o d e l i n g c r o s s v a l i d a t i o ni sa d d e di n t op c a n dp l s t oc h e c ku po d ds a m p l ep o i n t ar e l i a b l e m o d e la s s e s s m e n tm e a n si sa l s oi n v o l v e di nt h i ss o f t w a r e a f t e re x p e r i m e n t , a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，t h em o d e l i n gs o f t w a r ec a n b ea p p l i e d t ob u i l dm o d e lw i t he x p e r i m e n t a ld a t a t h u ss o m ee x p l i c i tr e l a t i o n s h i p si nc i g a r e t t e p a r a m e t e rc a nb eg a i n e d s u c hr e s u l t ss h o wt h ei n f o r m a t i o nt h a tc i g a r e t t em o d e l i s n o n l i n e a r t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o rr e s u l t so f n i c o t i n e 、t a ra n dc oo p e r a t e db yp l s 、 g a p l sa n db pa l g o r i t h ma r e7 5 ，6 3 ，5 9 ；5 8 ，4 4 ，5 2 ；5 5 ，4 8 ， 5 7 r e s p e c t i v e l y w h e nt h em o d e li su s e dt op r e d i c tt h er e a le x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， t h ea v e r a g er e l a t i v ee l l o rr e s u l t sw o u l db e9 1 ，6 1 ，4 7 ；5 1 ，3 4 ，4 7 ； 4 4 。3 1 ，4 2 t h ev e r i f y i n gr e s u l t si l l u s t r a t et h a tn e u r a ln e tp r e d i c t i o nv a l u e i s a p p r o x i m a t et oa c t u a lv a l u e t h e n i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h en e u r a lm o d e li s r e l i a b l e w h i c hr e v e a l st h ev a r i a b l er e l a t i o n s h i ps oa st od i r e c tc i g a r e t t ep r o d u c t sf r o m l l a b s t r a c t t h ea s p e c to fp h y s i c a la n dc h e m i c a lp a r a m e t e r s t h u st h es m o k e st a rc a p a c i t yc a nb e c o n t r o l l e da n dd e c r e a s e d k e yw o r d s ：c i g a r e t t e ，t a r , r e g r e s s i o na n a l y s i s ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，q u a l i t yc o n t r o l ， t o b a c c o 1 i i 目录 目录 目录4 第一章引言7 1 1 烟草业目前所面临的现状7 1 2 计算机辅助卷烟设计8 1 3 国内外研究现状9 1 3 1c o 、尼古丁和焦油来源9 1 3 2 常用的降焦手段1 0 1 3 3 国内外研究热点1 1 1 4 本论文研究内容1 2 第二章模型抽象1 3 2 1 数学建模定义1 3 2 2 建立数学模型的方法和步骤1 3 2 3 研究的实际对象1 4 2 4 烟支燃烧模型1 5 2 5 几个假设条件1 6 2 6 假设条件是如何被满足的1 7 2 7 模型抽象1 7 第三章本文采用的化学计量学方法1 8 3 1 线性数学模型定义1 8 3 2 线性数学模型的求解1 9 3 2 1 直接回归法( o l s ，o r d i n a r yl e a s ts q u a r e s ) 1 9 3 2 2 主成分回归法( p c r ，p r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o n ) 一1 9 3 2 3 偏最小二乘凹归法( p l s ，p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ) 2 0 3 3 数据的预处理及还原2 2 3 4p l s 公式显式表达2 3 3 5 贡献率确定成分数2 5 3 6 交义验证确定成分数2 6 3 7 遗传算法与偏蛙小j ：乘i 口i 归联用2 7 3 7 1 遗传算法的原理2 7 3 7 2 遗传算法与p l s 连用2 7 3 7 3 编码方案2 8 4 目录 3 7 4 适应度函数方案2 8 3 8 史前进化2 8 3 8 1 面临的问题2 9 3 8 2 史前进化的定义2 9 3 8 3 史前进化中染色体编码及其初始化3 0 3 8 4 史前进化中淘汰原则3 l 3 8 5 史前进化中适应度函数3 l 3 8 6 史前进化步骤3 2 3 8 7 关于史前进化的一些讨论3 2 3 9 神经网络3 2 3 9 1 标准b p 算法3 3 3 9 2b p 算法的改进3 5 3 1 0 模型评估3 5 3 1 0 1 相关的统计量3 6 3 1 0 2 相关的分布3 7 3 1 0 3 线性回归关系的显著性检验3 8 3 1 0 4 回归参数的统计推断4 0 第四章实验设计4 2 4 1 解决对象4 2 4 2 因子间的约束及处理方案4 2 4 3 算法原理4 3 4 3 1 平衡性4 4 4 3 2 正交性4 4 4 3 3 遗传算法编码方案4 4 4 4 遗传算法的改进4 6 4 4 1 多点交叉4 6 4 4 2 两点同时变异4 6 第五章软件设计及实现4 7 5 1 软件编写的背景和目标4 7 5 2 软件运行的软硬件环境4 7 5 3 软件设计原则4 8 5 4 软件结构设计4 8 5 5 软件功能模块设计5 1 5 5 1 模型竹理5 l 5 5 2 样本管理5 2 5 5 3 模型计算5 2 5 5 4 预报未知样5 3 5 5 5 奇异点的检测5 3 5 目录 5 5 6 交叉验证选取主成分5 4 5 5 7 方法联用5 4 5 5 8 模型公式显式表达5 4 5 5 9 模型评估5 5 5 5 1 0 安全管理5 5 5 6 数据库设计5 6 第六章结果讨论5 8 6 1 实验设计5 8 6 2 结果讨论5 8 6 2 1 线性模型结果5 8 6 2 2 遗传算法和p l s 联用结果6 0 6 2 3 神经网络算法结果6 l 6 2 4 外部数据验证6 2 6 3 本文工作的意义6 2 致谢6 3 参考文献6 4 附录a 实验设计结果6 6 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果6 9 6 第一章引言 第一章引言 中国是世界烟草第一大国，现阶段常年吸烟人口约占世界总吸烟人口的 2 5 ，总数高达3 6 亿人之多。平均而言，中国每年的烟叶生产量约占世界总量 的3 5 ，卷烟产销量约占世界总量的3 2 。近年来，中国的吸烟人口数、烟叶收 购量及卷烟产销量等都稳居世界第一位。 1 1 烟草业目前所面临的现状 随着“吸烟与健康”问题逐渐为全社会所重视，迫使烟草行业必须面对既 要满足人们对吸烟的嗜好，又要将危害降低到最低限度的问题【。根据国家烟 草专卖局关于调整卷烟焦油限量要求的通知，从2 0 0 4 年7 月1 日起，企 业生产的盒标焦油量在1 5 毫克支以上的卷烟不得进入销售市场。实际上， 更为严峻的局面正向中国卷烟行业逼近。根据2 0 0 3 年我国政府加入w h o ( 烟 草控制框架公约) 的庄重承诺，2 0 0 5 年，我国生产的卷烟平均焦油含量要降 低到1 2 毫克支。 “低焦革命是国际潮流。多年来，国外卷烟高举低焦旗帜，并进而演化 成为国际规则。据国家烟草专卖局提供的数据，1 9 8 0 年，美国卷烟的平均焦油 含量便已降低到1 4 毫克支，1 9 9 0 年再降到1 2 5 毫克支；在欧洲，法律 允许卷烟中的最高焦油含量，1 9 9 3 年为1 5 毫克支，1 9 9 8 年为1 2 毫克支， 而今年则要求降到1 0 毫克支：日本市场上的卷烟焦油含量更是降至8 毫克 支。根据我国加入世贸组织的承诺，从今年起，烟草零售市场允许直接销售外 烟，同时，外烟进口关税也进一步降低；到2 0 0 5 年底。对以混合型为主的低害 外烟将实行零关税。外烟挟低焦油优势，开始大举进军中国市场。加之公约 的制约，低焦、低害将成为我国烟草业不得不选择的方向。 2 0 0 3 年4 月，国家烟草专卖局正式把“中式卷烟”确定为中国烟草行业的 发展方向【引，并提出了“高香气，低焦油，低危害”的发展原则。所谓“中式 卷烟”是指在上百年来形成的适应中国消费者习惯、品质和口味的卷烟，是指 拥有自主知识产权和核心技术的卷烟，主要包括中式烤烟型卷烟和中式混合型 卷烟，其中中式烤烟型卷烟占主体地位。 7 第一章引言 目前我国的卷烟产品设计水平仍相对较低。一是设计手段和方法相对落后， 仍然依赖于人的感官和经验：二是设计内容粗放，仅限于叶组配方和加香加料 而缺乏产品设计的系统性，对辅助材料的选择和产品加工过程中工艺参数的设 定重视不够，往往造成产品投入实际生产后，其质量难以保证。随着科学技术 的不断发展、各种现代化仪器的出现，人们对烟草化学的研究不断深入，已经 在一定程度上搞清了烟草影响因子和烟草品质的关系，并提出了一些与烟叶品 质直接有关的理论值，虽然这些研究成果应用于实践还要做进一步的探讨，但 已初步开辟了利用烟草化学来指导卷烟叶组配方设计的可能性，并为电子计算 机辅助配方创造了条件。 1 2 计算机辅助卷烟设计 卷烟是一种独特的消费产品，以烟气形式消费，而烟气中起主要作用的是 主流烟气，因此卷烟设计主要是针对主流烟气的设计。卷烟烟气是卷烟产品面 向消费者的最主要表征，是体现卷烟质量水平和风格特征的最主要因素。因此， 卷烟产品及其生产所涉及的各个环节，包括烟叶生产、配方工掣2 1 、加香加料、 辅助材料、加工装备等方面的技术研究工作，都应该围绕着卷烟烟气成分来开 展。 卷烟设计【9 】主要是针对主流烟气的设计。这里包括两个方面：一方面是主 流烟气的感官品质和特点的设计，这方面过去主要靠感官评吸，今后将过渡到 以评吸为主，同时结合化学分析等技术手段的方式；另一方面是主流烟气中一 些化学指标( 目前主要是焦油、烟碱、一氧化碳等) 的设计，这一方面主要依 靠化学分析。既然卷烟设计主要是对主流烟气的设计，那么影响主流烟气的因 素就是卷烟设计要考虑的因素。在吸烟过程中，烟草从固态形式被转变为一种 复杂的带有悬浮粒的气体。烟草成分通过直接转移和通过化学反应产生新物质 的转移来影响主流烟气1 ；香料和添加剂也是通过直接转移和通过化学反应产 生新物质的转移来影响主流烟气：辅助材料如滤嘴等主要是通过对烟气成分的 截留和稀释来影响主流烟气；工艺条件影响烟草成分的变化进而影响主流烟气。 因此，叶组配方、加香加料、辅助材料、工艺条件作为影响主流烟气的四个主 要因素，也就成为卷烟设计的四个关键技术。 目前，由于卷烟产品的设计凶素增多和复杂性增大，再加之满足降低产品 8 第一章引言 研发成本和缩短研发周期的需要，因此，开发计算机辅助卷烟设计技术【io 】显得 迫切。通过计算机辅助卷烟设计，来定性定量地勾画出所期望的烟气中各组分 释放量的卷烟产品，而避免过多地浪费资源、时间和劳动。总之，以评吸体系 和分析体系为平台，借助计算机辅助卷烟设计技术，对卷烟的四个关键技术： 叶组配方技术、加香加料技术、辅助材料技术、工艺技术进行系统化研究，可 以实现构筑中式卷烟产品研制技术体系的目标。 1 3 国内外研究现状 卷烟质量分外在质量和内在质量【1 0 】，外在质量是指卷烟各种物理性能指标， 如可加工性、单耗、水分、填充能力、硬度、吸阻、重量等，这些指标受卷烟 生产过程各个环节的影响。内在质量( 如焦油、烟碱、致香成分、致害成分等) 是卷烟在燃烧后，所产生的烟气中的各种化学成份含量及比例关系，对人的感 官产生的各种感觉的一个总的反映。 目前，烟气质量的控制指标主要考虑三个指标：c 0 ，焦油、尼古丁。受很 多因素的影响，包括物理的和化学的：目前，由于化学的因素很难一步考虑周 全。所以，目前的条件下，针对一个品牌的香烟，在原材料基本固定的前提下， 主要需要考虑的是容易控制的物理因素对目标的影响，并考虑几个主要的化学 因素。 1 3 1 、尼古丁和焦油来源 研究表明，烟支燃烧时多糖类( 淀粉、纤维素、果胶) 是在热区内产生c o 的主要根源，烟草中的低挥发性有机组分，他们也是烟叶和烟梗骨架物质的一 部分，也是碳的氧化物的来源之一。其他似乎有助于c o 热解合成的烟草成分是 蛋白质、羧酸类、羰基类化合物以及盐类型态存在的某些碱类。尼古丁是烟草 特有的生物碱，它是烟草植株在栽培过程中通过生物合成而形成的。烟支在燃 烧时，烟叶中的尼古丁大约有4 1 直接转入主流和侧流烟气中，其中侧流烟气 中的量较高；大约有3 - 11 的尼卉丁转变成其他挥发性碱；约有1 2 的尼古丁热 解成c 0 2 ；其余的很可能形成高挥发性的有机化合物，而且大多数源于尼古丁 的产物在侧流烟气中的含量都较高。 9 第一章引言 烟气的气溶胶的粒相部分称为总粒相物( t p m ) ，总粒相物减去水分即为干 粒相物，从干粒相物中减去尼古丁即为焦油，焦油是由烟叶中有机物质不完全 燃烧的热解产物聚集而成的粒相物。其主要有害成分是稠环芳烃( p a h ) 类化合 物。热解实验表明，烟叶中的己烷萃取物是p a l l 包括苯并c a ) 芘 的极有效的 前体。支链化合物或未饱和的直链化合物热解将引起p a h 的增加，如植物甾醇 类、类异戊二烯醇、植物醇和茄尼醇等。烟草富含的类萜烯化合物也是p a h 的 特殊前体。并有可能是烷基化p a h 的唯一来源。 1 8 2 常用的降焦手段 近一二十年来烟草企业都将烟气分析作为衡量卷烟质量的重要依据，卷烟 烟气的质量优劣主要是由烟叶所含的主要化学成份及比例关系的协调性决定 的，所以在设计卷烟配方时，烟叶的主要化学成份指标是选评烟叶优劣，确 定各等级烟叶比例及卷烟烟气质量的重要依据。 焦油是由烟叶中有机物质不完全燃烧的热解产物聚集而成的粒相物，所以， 在不影响卷烟香味及风格的前提下，淡化烟叶使用量可以降低烟气中焦油的产 生量。同时，淡化烟叶原料的使用量可以降低成本，降低浪费，提高经济效益。 淡化烟叶用量的方法很多，目前主要是采用重组烟草、膨胀烟丝或烟草填充料 等。研究表明，重组烟草配方的产品焦油产生量明显低于天然烟草配方。 表1 1 重组烟草用量与焦油关系 重组烟草用量 0 1 5 3 0 1 0 0 过滤嘴焦油( m g 支) 1 3 21 1 09 95 7 卷烟 抽吸次数 7 97 47 05 8 表1 2 富含尼古丁的重组烟草在配方中的效果 富含尼古丁的重终i 烟草在配方中比列o 2 0 1 0 0 烟叶中尼古丁含量( )1 7 61 9 52 7 0 烟气咋, r d ? i t 含最( m g 支) 1 1 21 2 31 3 6 烟气i | i 焦油含量( r a g 支) 1 3 21 0 86 8 焦油l d ? i 丁比值 1 0 0 8 51 0 1 1 3lo 2 0 目前卷烟工业主要通过采用烟草膨胀、造纸法薄片、高透气度卷烟纸、复 合滤嘴、加香加料、通风稀释等技术来降低卷烟焦油量。 1 0 第一章引言 1 3 3 国内外研究热点 在2 0 0 3 年t s r c ( t o b a c c os c i e n c er e s e a r c hc o n f e r e n c e ，烟草科学研 究会议) 第5 7 届会议【l2 】中，各国的研究人员对卷烟纸、滤嘴的特性和烟气关系 的研究异常活跃。研究的热点包括如下内容，卷烟纸在不同燃烧条件下对烟气 所造成的毒性，卷烟纸组成，多孔性，填充物与纤维物质的比率等对烟气中不 同分析物有着不同的影响。烟草毒性研究也由烟气的研究扩展到卷烟纸的研究。 滤嘴的通透性对烟气分析物传递的影响，卷烟纸的燃烧性能对烟气毒性的影响， 卷烟纸自然透气性，附加( a d d e d ) 透气性对烟气质量的影响，卷烟纸燃烧添加 剂对卷烟纸特性和烟气生成量的影响，整个抽吸过程中卷烟纸的燃烧速率及对 烟气生成的影响( 研究发现：卷烟纸的燃烧速率增加，烟气的数量减少，氧化反 应的产物也随之减少) ，影响卷烟纸燃烧速率的因素如：燃烧添加剂，填充物的 含量，卷烟纸的多孔性等。 国内的学者也对卷烟的理化参数和烟气中的尼古丁、焦油和c 0 的关系做了 研究。李国栋1 4 j 等对河南不同产地、津巴布韦和巴西产的烤烟烟叶烟气中的焦 油、烟气烟碱、c o 等有害成分的释放量进行了检测和分析，并对化学成分中的 还原糖、总氮、烟碱、k 2 0 、c 1 。、s o l 2 一及有机钾对焦油、烟气烟碱、c o 的影响进 行了相关性分析。结果表明：河南烤烟烟气的焦油、烟气烟碱、c 0 量均高于津 巴布韦、巴西烤烟，上述烟气成分与烟叶的k 2 0 、有机钾、还原糖烟碱、k c 1 呈显著负相关；与烟碱、c l 一和s 0 。2 一则为显著正相关：与还原糖比较，上部叶呈 显著负相关，中部叶和全部样品相关性不明显。其实质上表明了不同产地的烟 叶对最终烟气的影响不一样。尹献忠 s l 对“群英会 牌香烟中卷烟密度和丝束 单丝线密度与卷烟焦油量的关系进行了研究。张志刚【6 l 对卷烟常规化学成分与 焦油的线性关系进行了回归分析。厉昌坤等【7 】对1 9 个省4 6 7 个烤烟样品进行了 相关分析。结果表明，不同部位烟叶焦油释放量、烟叶化学成分含量不同。烟 叶焦油释放量与烟叶化学成分的相关关系密切，且上、中、下部表现高度的一 致，即烟叶焦油释放量与总糖、还原糖含量达极显著负相关，与烟叶总氮、烟 碱、石油醚提取物、总挥发碱含量达极显著正相关。董平 s l 通过对卷烟各项检 测指标进行相关性分析，研究各项指标对焦油的影响程度，确定对卷烟焦油影 响较大的指标，并通过回归分析建立卷烟焦油预测模型。并给出了预测公式， 用于焦油预测。 第一章引言 1 4 本论文研究内容 人们从已经发现的规律中总结了一些经验公式，来指导卷烟设计，并取得 了一些成效。但是，这些公式是不全面的，它仅仅只是描述了卷烟产品中的某 一个影响因子和烟气中焦油或者c 0 、尼古丁、焦油等的关系。并没有建立起来 一个系统，来全面阐述众多影响因子对最终产品的影响。 本论文所要研究的内容就是从卷烟设计开始，研究卷烟各个环节中使用的 材料和工艺方式，对最终产品的影响。我们希望能在烟叶、卷烟纸及过滤嘴与 抽吸品质、质量特征之间建立数学模型，研究他们的规律，逐步构建可作为配 方设计和品质控制的卷烟烟气控制体系；我们希望能在卷烟原材料配比、使用 的辅助材料与卷烟烟气中主要有害成分之间建立稳健的数学模型，研究他们之 间的关系，并以此来达到控制卷烟烟气有害成分，降低焦油含量的目的。 本课题来自同济大学化学系与某烟草集团公司的合作项目。该项目的主要 目标是为某烟草公司与烟草生产质量有关的物理的和化学的因素与烟草质量之 间的关系进行分析建模，并最终达到合理控制烟草质量和辅助生产设计的目的。 考虑化学计量学诸多方法本身对不同类型烟草模型可能存在不同的适应能力。 为了方便使用这些方法建立模型，以及将这诸多的方法互相配合联合、集成， 使之系统化，我们编写了相应软件。旨在提供方便快捷的数据分析，灵活的适 应不同物理和化学量子集的数学模型。合理对结果进行预报，期望对香烟品质 进行监测，指导生产。 本论文的实验部分，由合作单位完成。本论文更加侧重于建模算法的研究， 而对建模结果略作讨论。本文第二章主要内容为建模前的假设准备：第三章主 要内容为应用到的化学计量学算法；第四章为实验设计；第五章为软件设计； 第六章为结果讨论。 1 2 第：章模型抽象 2 1 数学建模定义 第二章模型抽象 数学建模【2 0 l 是指对现实世界的一特定对象。为了某特定目的，做出一些重要 的简化和假设，运用适当的数学工具得到一个数学结构，用它来解释特定现象的 现实性态，预测对象的未来状况，提供处理对象的优化决策和控制，设计满足某 种需要的产品等。 2 2 建立数学模型的方法和步骤 第一、模型准备 首先要了解问题的实际背景，明确建模目的，搜集必需的各种信息，尽量 弄清对象的特征。 第二、模型假设 根据对象的特征和建模目的，对问题进行必要的、合理的简化，用精确的 语言做出假设，是建模至关重要的一步。为了使处理方法简单，应尽量使问题 线性化、均匀化。 第三、模型构成 根据所作的假设分析对象的因果关系，利用对象的内在规律和适当的数学 工具，构造各个量间的等式关系或其它数学结构。建立数学模型2 u 是为了让更 多的人明了并能加以应用，因此工具愈简单愈有价值。 第四、模型求解 可以采用解方程等各种传统的和近代的数学方法，特别是计算机技术。 第五、模型分析 对模型结果进行数学上的分析。不论那种情况都需进行误差分析，数据稳 定性分析。 第六、模型评价 对模型结果的分析，可以为我们提供一系列统计数据。根据这些统计数 据，对模型做出可信性的评价。 第j ：章模型抽象 一般来说数学建模过程可用如下图来表明： 实际问题模型假设模型建立模型求解 应用、与评价模型芬磊应用卜 检验与评价一i _ 一模型夯析 2 3 研究的实际对象 图2 1 数学建模过程图 影响卷烟焦油量的因素很多，主要有：叶组及香精香料配方、烟支结构、 卷烟纸透气度、滤棒过滤效率及制作工艺等。概括起来，可以分为以下两个方 面的设计： 1 叶组配方设计 烟叶是卷烟焦油产生的基础，叶组中所使用的烟叶原料将直接影响着烟气 焦油的产生量，再造烟叶、膨胀烟丝及梗丝的使用也会使产品焦油量得到减少。 各种原料的选择及配方的组合将直接关系到卷烟的烟气特性和焦油量。这其中 包括梗丝、膨胀烟丝、造纸法薄片、纯叶丝等。叶组配方是低焦油烤烟型产品 开发的基础，它不仅初步形成了卷烟产品的风格与烟气特征，大致控制了卷烟 的焦油量，同时也为下一步物理降焦技术的应用及加料加香打下了基础。 2 物理降焦技术设计 卷烟主流烟气的焦油量等于抽吸时每口烟气的平均焦油量与每支烟抽吸口 数的乘积，应用物理降焦技术是指有效控制上述两个因素，达到降低卷烟焦油 量的目的。选择材料主要考虑：滤棒的规格与过滤效率；滤棒成型纸的透 气度；水松纸的透气度( 打孔的规格、尺寸等) ：卷烟纸的透气度；卷烟 纸的燃烧性。 如果我们不去考虑制作工艺等细节问题，甚至于我们也不去考虑烟支在燃 烧的时候所发生的一系列复杂化学反应，那么在叶组配方、物理降焦技术和最 终的烟气之间势必存在某种关系。本论文的内容，就是运用化学计量学的方法 寻找这种关系。这种关系可以用下图表示： 1 4 第j ：章模犁抽象 梗丝 膨胀烟 造纸法 纯叶丝 滤棒 卷烟纸 2 4 烟支燃烧模型 幺幺 薄片 等 一_ p 图2 2 自变量和目标变量关系图 烟支的燃烧是一个极其复杂的化学反应。烟草作为一种天然材料，是由上 百种成分所组成的。在一支燃烧的卷烟中，在不同的氧气量的存在下，面临着 从室温到大约9 0 0 摄氏度的不同温度范围，这样就产生了几千种化合物，其中 许多成分含量极微。 的自然气蹴 a ：燃烧l b 。热解和燕馏区 图2 3 烟支燃烧模型图 烟支被点燃以后，末端就形成燃烧锥，从而形成了卷烟的燃烧系统。卷烟 有两种截然不同的燃烧方式一吸燃和阴燃，由此相应地产生了主流烟气和支流 烟气。烟支吸燃时，空气通过燃烧锥吸入卷烟，形成气溶胶通过烟柱，最后由 烟支尾端冒出的气流，称为主流烟气。在两次抽吸之间停顿的时间内，空气白 燃烧锥的周围上升，烟支进行的燃烧称为阴燃，在阴燃期所产生的烟气称为支 第二：章模犁抽象 流烟气。由于产生主流烟气和支流烟气的燃烧条件不同，形成了两者化学成分 的差异。在这里，我们所分析的对象为主流烟气。 2 5 几个假设条件 前面提到在建立数学模型时，需要对问题进行简化。这里笔者将开始逐步 简化所要研究的问题，将把一个复杂的实际存在的问题，抽象成一个简单可以 用数学逻辑表达的数学模型。让我们来做几个假设。 l ，假设烟草的化学成分是稳定的。这其中包括梗丝、膨胀烟丝、造纸法薄 片、纯叶丝等。不同类型原料的化学成分可以不同，但是同一类型或品种的原 料的化学成分应该是相同的。由于烟草成分的复杂，我们没有精力研究到底那 种成分对焦油、尼古丁和c 0 影响更多些。但是，我们可以把这些化学成分当作 一个整体来看待，只要整体相同，就可以保证对结果的影响是相同的。所以， 我们假定烟草的化学成分是稳定的。 2 ，假设制造烟支的工艺条件不变。制造工艺是烟支加工的过程，是烟草经 过一系列物理的或化学的变化，形成最终成品的过程。这个假设不光限制烟支 加工的工艺，还限制加工过程添加的添加剂和香料等。因为工艺条件会影响烟 草化学成分的变化，而添加剂和香料通过直接转移或通过化学反应生成新物质 的转移来影响最终烟气成分。通过这个假设，就可以限定烟草在加工的过程中， 所发生的变化是一样。 3 ，假设所有烟支在燃烧时所发生的化学反应是相同的。烟支在燃烧的时候， 发生着千万种不同的化学反应。这个假设是对烟草燃烧时所发生的反应类型上 假定，而不是化学反应量上的假定。即一只香烟在燃烧时，发生多少种反应， 其他烟支在燃烧时也发生多少种，但其他烟支在每个反应的量上可以不同，这 就导致烟气中各种化学成分含量会不同。这个假设可以保证最终烟气中化学成 分的种类是相同的。 在不知道烟草燃烧时所发生的化学反应的情况下，我们只能假设燃烧条件 是相同。通过控制燃烧条件，来控制燃烧结果。这样只需控制吸烟时内外压降 和进气量就可以了。 4 ，假设烟支结构是相同的，其中包括烟草配比刁i 影响烟支内部疏密度和透 气度，还包括滤嘴材料是棚同的。烟气在生成后，要经过烟支内部并通过滤嘴， 1 6 第j ：章模犁抽象 这个过程中有些化学成分会被烟丝和滤嘴吸收。本假设可以保证这些因素对所 有烟支燃烧产生烟气的影响是一致的。 2 6 假设条件是如何被满足的 有了假设条件，依然需要追求这些假设是否真的成立。只有这些假设可以 被实现并被满足之后，我们才能从一个复杂的实际问题抽象成一个简单的数学 模型。让我们来看这些假设是怎么样被满足的。 i ，严格的原材料筛选程序。合作烟草集团所有的原材料来源均有相对固定 的来源。并且有专门的工艺师对原材料的质量进行筛选。保证了烟草化学成分 的稳定性。 2 ，固定的工艺流程。本论文实验中所用到的烟支，均来是生产第一线。工 厂自动化的生产，保证了产品质量可靠性，也保证了产品品质的重现性。这样， 就可以保证所有烟支都经过相同的工艺处理过。也能保证烟支的结构相同。 3 ，严格的实验条件。人抽吸香烟时，因所用力度不同会造成抽吸内外气压 不同，导致燃烧结果不同。本论文所有实验均由合作烟草集团公司富有经验的 实验师完成。他们用抽烟机来吸烟，严格控制燃烧条件，并按国家标准流程测 量一系列实验参数。这些都能有效的保证实验数据的准确性。 2 7 模型抽象 经过一系列假设之后，并保证了这些假设是可以满足的。我们就可以从一 个实际的问题抽象出一个数学模型。我们要研究的实际对象为烟支的原材料及 其烟支的结构对最终烟气的影响，可以用下面的流程图来表示。 - 烟草等原材料二墨型塑三兰竺 - “烟支_ 竺竺 ，- 烟气! 这样，我们所研究的问题就如同图2 2 描述的那样，只是在寻找它们的关 系。我们把描述原材料的物理量称作自变量x ，烟气中焦油、尼古丁和c o 就相 应为因变量y 。有了自变量和因变量后，我们尝试了线性的方法和非线性的方 法来寻找它们之间的关系，并根据这些关系建立起一些数学模型。 第三章本文采用的化学计最学方法 第三章本文采用的化学计量学方法 3 1 线性数学模型定义 设y 是一个司以观测的变量，它受到p 一1 个凼素x 1 ，x 2 ，x 3 ，x p 一1 和 随机因素的影响。若y 与x l ，x 2 ，x 3 ，x p 一1 有如下线性关系： 】，= 夕。+ _ xi + 夕2xz + + p - ix ，一l + ， ( 式3 1 1 ) 其中o ，。，：，p 口。是未知参数；是均值为零，方差为盯2 0 的 误差项，并假定占一n ( 0 ，仃2 ) 。该模型称为多元线性回归模型，且称y 为因变量， x l ，x 2 ，x 3 ，x p l 自变量。 要建立多元线性回归模型，首先要估计未知参数。，。，：，夕p 。， 为此我们进行n ( n p ) 次独立观测，得到n 组数据( 称为样本) ( x j i x x 一i ；r ) ，= l ，2 屁 他们应该满足( 式3 1 1 ) ，即有 f y l = o + lxii + 2x12 + + p - ix i p i + 占l y 2 = 。+ i 。r 2 i