基于主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)聚類分析的卷制質(zhì)量評價

夏東旭++吳新生++湛小溪++高曉++李曉

摘 要：為了評價卷煙的卷制質(zhì)量，在分析各質(zhì)量指標的關(guān)系時，采用主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)聚類分析的方法分析、評價某四類卷煙的卷制質(zhì)量指標。結(jié)果表明，這四類卷煙的質(zhì)量指標都在規(guī)定范圍內(nèi)，其中端部落絲量、含末率、空頭率的變幅比較大。灰色關(guān)聯(lián)聚類分析結(jié)果將指標分為兩類，并分析它們的主成分。運用權(quán)重的思想集合聚類的主成分，然后綜合排序，剔除指標間的重復性，整體反映14個指標信息和指標聚類的差異性。

關(guān)鍵詞：卷煙；卷制質(zhì)量；主成分分析；灰色關(guān)聯(lián)聚類分析

中圖分類號：TS452 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.004

卷煙的卷制質(zhì)量直接影響著卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量?，F(xiàn)階段，對卷制質(zhì)量的研究主要是基于個別指標研究其他物理指標，比如堵勁松、申曉鋒、李善蓮等分別研究了煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙相關(guān)物理指標的影響，黃治等運用灰色關(guān)聯(lián)法分析煙絲對煙支物理指標的影響，還有姚光明、李金學、孫金亮等都對相關(guān)指標有所研究。目前，主成分分析法和聚類分析法已被廣泛應用于質(zhì)量評價中，但是，對卷制質(zhì)量多指標的總體性分析評價的報道甚少。因此，本文采用主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)聚類分析相結(jié)合的指標綜合法分析、研究卷制質(zhì)量指標，以期為卷制質(zhì)量指標評價提供新的方法，為保證批內(nèi)、批間加工質(zhì)量的穩(wěn)定性、過程控制、參數(shù)控制和精細化加工提供一定的理論依據(jù)和方法支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設備儀器

選取某牌號四類卷煙作為測試對象。所用設備是ZJ19卷煙機，包括卷煙綜合測試臺（MTS-IV）、端部落絲測試儀（YDX-III）、型振動分選篩（YQ-2）、煙支含末率測試儀（JMQ-1A）、電子精密天平（PB203-N）和恒溫恒濕箱（KBF-240）等 。

1.2 試驗方法

1.2.1 卷煙生產(chǎn)

選定5批A牌號卷煙煙絲（四類烤煙），按生產(chǎn)日期編號。選定5號、6號2臺卷煙機，按照批次順序進行卷制生產(chǎn)（單支質(zhì)量設定值為0.88 g，圓周設定值為24.10 mm）。

1.2.2 取樣測試

在機臺穩(wěn)定運行的狀態(tài)下取樣，在生產(chǎn)每批次卷煙的同時，2機臺每隔1 h各取樣1次，共取樣20組。在煙絲取樣點位卷煙機煙槍處每次取煙絲樣品2 000 g左右，將其混合均勻之后采用四分法取樣1 000 g，連續(xù)取樣3次。

煙支取樣點為卷煙機煙支出口處，每次取約50支用于物理指標的測試，煙支取樣工作在取煙槍處煙絲樣品前進行。另外，再每盤取約1 000支煙，并測定其煙絲的卷煙空頭率，計算平均值。

1.2.3 測定方法

各樣品用綜合測試臺檢測其各項物理指標。煙支相關(guān)的物理指標取其測定結(jié)果的數(shù)據(jù)平均值和標準偏差，端部落絲量取其3次（50支/次）測定結(jié)果的平均值。煙絲結(jié)構(gòu)指標采用《卷煙工藝規(guī)范》中規(guī)定的方法測定，并計算不同長度范圍內(nèi)的煙絲質(zhì)量百分比。長絲是指長度大于3.35 mm的煙絲，中絲是指長度為2.50～3.35 mm的煙絲，短絲是指長度為1.00～2.50 mm的煙絲，碎絲是指長度小于1.00 mm的煙絲。在此過程中，取樣品3次測定結(jié)果的平均值作為最后的確定值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17.0和EXCEL 2003進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷煙質(zhì)量指標的描述性統(tǒng)計

卷煙質(zhì)量指標如下：X1為長絲率，X2為中絲率，X3為短絲率，X4為碎絲率，X5為含水率，X6為煙支質(zhì)量，X7為煙支吸阻，X8為煙支硬度，X9為圓周，X10為端部落絲，X11為含末率，X12為填充值，X13為純凈度，X14為空頭率。

四類卷煙的煙支質(zhì)量指標統(tǒng)計描述結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，各指標的平均值和變幅均在工藝規(guī)范標準范圍內(nèi)。從標準差和變異系數(shù)來看，端部落絲量、含末率和空頭率的離散程度比較大。這說明，在生產(chǎn)卷煙的過程中，卷煙機的穩(wěn)定性、煙絲結(jié)構(gòu)的變化和煙絲填充值都對其有影響。而各個指標都在規(guī)定的工藝規(guī)范標準范圍內(nèi)，說明測得的試驗數(shù)值可以用于相關(guān)內(nèi)容的統(tǒng)計、分析中。

2.2 卷煙煙支物理質(zhì)量指標分析

2.2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析

從表2中可以看出，X1（長絲率）、X2（中絲率）、X3（短絲率）、X4（碎絲率）與各指標的相關(guān)性比較強。這說明，煙絲結(jié)構(gòu)的變化容易造成煙支各項指標的波動。其中，X1（長絲率）對X10（端部落絲）的影響最大，關(guān)聯(lián)度達到了0.563 7；X2（中絲率）對X12（填充值）的影響最大，關(guān)聯(lián)度達到了0.603 8，X9（圓周）次之。至此可以推斷出，影響煙絲填充性能的主要因素是中絲率，X3（短絲率）對X4（碎絲率）、X14（空頭率）的影響比較大，關(guān)聯(lián)度分別達到了0.643 1和0.614 7，對其他指標的影響適中，X4（碎絲率）與煙支質(zhì)量指標有較強的關(guān)聯(lián)度，對X11（含末率）的關(guān)聯(lián)度達到了0.611 4，X14（空頭率）次之。碎絲率作為影響卷煙填充性能的負面因素，在生產(chǎn)卷煙的過程中，碎絲率的變化會影響煙支各指標之間的協(xié)調(diào)難度。X5（含水率）對X6（煙支質(zhì)量）、X7（煙支吸阻）、X8（煙支硬度）有較大影響，關(guān)聯(lián)度分別達到了0.540 3，0.593 5，0.542 9.其中，與X7（煙支吸阻）的關(guān)聯(lián)度最大，與X13（煙絲純凈度）的關(guān)聯(lián)度最小。由此可以看出，煙絲水分含量變化會使煙絲質(zhì)量發(fā)生變化，進而導致卷煙煙支中煙絲的填充值不穩(wěn)定，影響煙支的吸阻。另外，X6（煙支質(zhì)量）與X9（煙支圓周）的關(guān)聯(lián)度最大，達到了0.676 1.這說明，煙支質(zhì)量的波動引起了煙支圓周的變化。X7與各指標的關(guān)聯(lián)度都適中，有較強的關(guān)聯(lián)性；X8（煙支硬度）與X9（煙支圓周）的關(guān)聯(lián)度達到了0.575 9；X10（端部落絲量）與X11（含末率）、X13（純凈度）的關(guān)聯(lián)度最大，達到了0.570 1，0.562 3.這說明，端部落絲量會影響煙支的含末率。X11（含末率）與X14（空頭率）的關(guān)聯(lián)度達到了0.577 1，說明含末率和空頭率有一定的關(guān)系，而且X13（純凈度）與X12（填充值）、X14（空頭率）有較強的關(guān)聯(lián)性。

2.2.2 聚類分析

利用表2對其指標進行聚類，最終得到14個指標的一個比較粗的聚類，即C={C1，C2}，聚類結(jié)果如圖1所示。其中，C1={X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12}，C2={X1，X2，X3，X4，X13，14}。指標聚類C1反映了煙絲結(jié)構(gòu)的相關(guān)情況，包括長絲率、中絲率、短絲率、碎絲率、純凈度和煙支的空頭率等6項指標。指標聚類C2反映了煙支物理質(zhì)量指標，包括含水率、煙支質(zhì)量、煙支吸阻、煙支硬度、圓周、端部落絲和含水率等8項指標。

2.3 卷煙質(zhì)量指標聚類的主成分分析

在工作過程中，分別對灰色關(guān)聯(lián)聚類分析指標后的2個聚類C1、C2進行主成分分析，相關(guān)矩陣的特征值如表3所示，標準化特征向量如表4所示。依據(jù)特征值大于1的原則，從C1類提取3個主成分，其特征值分別為2.198 7，1.624 6，1.492 7，累計方差貢獻率達到80.4494%，基本反映了原來變量的信息；從C2類提取2個主成分，其特征值分別為2.538 6，1.845 1，累計方差貢獻率達到79.0614%，基本反映了原來變量的信息。將提取出來的主成分作為主成分集合的元素，從而得到兩類指標的主成分集合分別為Y1={y11、y12、y13}，Y2={y21、y22}。

對于聚類C1的前三個主成分，第一主成分y11單獨說明原始變量的32.483 1%，突出反映了X5（含水率）、X6（煙支質(zhì)量）指標的綜合效應；第二主成分y12單獨說明原始變量的25.307 8%，突出反映了X8（煙支硬度）、X11（含末率）2項指標；第三主成分y13單獨說明原始變量的22.658 5%，重點突出了X7（煙支吸阻）、X11（含末率）、X12（填充值）3項指標的綜合效應。對于聚類C2的2個主成分，第一主成分y21單獨說明原始變量的45.309 3%，突出反映了X4（碎絲率）、X13（純凈度）2項指標；第二主成分y22單獨說明原始變量的33.752 1%，突出反映了X2（中絲率）、X13（純凈度）2項指標。

根據(jù)表3不同因子變量的方差貢獻率計算出y11、y12、y13、y21和 y22因子變量的權(quán)重分別為α11=0.403 8，α12=0.314 6，α13=0.281 6，α21=0.573 1，α22=0.426 9，則C1類綜合指標為F1=α11y11+α12y12+α13y13，C2類綜合指標為F2=α21y21+α22y22，進而得到綜合指標F=β1F1+β2F2。利用AHP方法得到指標聚類的權(quán)重β1=0.627 8，β2=0.372 2，然后計算出相應的得分結(jié)果。具體的排序結(jié)果如表5所示

從表5中可以看出，除了X12（填充值）、X13（純凈度）、X7（含末率）的得分排序一致外，其余得分排序均不相同。采用2種方法測得得分高的都是X13（純凈度）。這說明，煙絲的純凈度是保證煙支質(zhì)量的基礎，而較高的純凈度是得到符合標準煙支的前提。在本文中，X11（中絲率）的得分排序第二位，X1（吸阻）排序第三位。

3 討論與結(jié)論

從整體上看，煙支質(zhì)量指標都在適宜的范圍內(nèi)，變幅較大的指標可能是由于批間的穩(wěn)定性差、機臺之間卷接質(zhì)量差異和煙絲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等原因造成的。

由灰色關(guān)聯(lián)分析可知，各指標間有較強的關(guān)聯(lián)性。通過灰色關(guān)聯(lián)聚類分析得到了指標的2個聚類，即指標聚類C1反映了煙絲結(jié)構(gòu)的相關(guān)情況，包括長絲率、中絲率、短絲率、碎絲率、純凈度和煙支的空頭率等6項指標；指標聚類C2反映了煙支物理質(zhì)量指標，包括含水率、煙支質(zhì)量、煙支吸阻、煙支硬度、圓周、端部落絲、含水率等8項指標。由灰色關(guān)聯(lián)聚類分析后的主成分分析可得出9個指標的得分排序為，純凈度、中絲率、吸阻、含水率、填充值、碎絲率、含末率、硬度和單支質(zhì)量。

本文所用分析方法中的指標分類是基于灰色不確定性的，它更符合客觀實際，既體現(xiàn)了各指標之間的類別差異，又反映了全體指標的信息，比較容易解釋其主成分，而且每個主成分反映了同一類指標的信息。在主成分分析的客觀分析和聚類分析中，權(quán)重確定與主觀分析相結(jié)合能保證測試結(jié)果的合理性。

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〔編輯：白潔〕