烘絲出口水分預(yù)測(cè)模型的建立

王麗芳 丁姍 李麗萍

摘 要：目的：為解決我廠TT1烘絲崗位人員質(zhì)控難度大、批內(nèi)煙絲感官質(zhì)量波動(dòng)大的問題。方法：針對(duì)烘絲設(shè)備、工藝參數(shù)，運(yùn)用Minitab及R軟件，采用多元線性、決策樹、隨機(jī)森林、bagging、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種機(jī)器學(xué)習(xí)法，找出各參數(shù)之間的聯(lián)系，并構(gòu)建和選擇最優(yōu)回歸模型。結(jié)果：（1）采用相關(guān)回歸分析和人工機(jī)器學(xué)習(xí)回歸模型均能得出影響烘絲機(jī)出口水分的重要因素及其回歸模型。（2）相比較而言，隨機(jī)森林回歸模型的均方誤差更小，是一種有效的回歸方法。結(jié)論：通過機(jī)器學(xué)習(xí)法探究烘絲出口水分影響因素的變化規(guī)律，用于指導(dǎo)指導(dǎo)制絲生產(chǎn)加工過程，實(shí)現(xiàn)烘絲機(jī)出口水分及卷煙感官質(zhì)量批內(nèi)、批間穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí);烘絲機(jī)出口水分;預(yù)測(cè)模型;回歸分析;影響因素

1研究背景

薄板烘絲機(jī)是制絲線關(guān)鍵主機(jī)設(shè)備之一，也是保證成品絲水分的最后一道工藝設(shè)備，因此其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接影響到烘絲質(zhì)量和成品煙絲品質(zhì)。我廠制絲TT1烘絲機(jī)因設(shè)備性能受限、操作人員質(zhì)控效果差異較大，導(dǎo)致批內(nèi)、批間煙絲感官品質(zhì)差異，煙絲物理質(zhì)量以及感官品質(zhì)的提升維護(hù)受到了限制[4]。因此，統(tǒng)一和規(guī)范烘絲出口水分質(zhì)控方法刻不容緩。

2數(shù)據(jù)說明及預(yù)處理

我廠紅河A牌號(hào)卷煙年產(chǎn)占比在所有品牌內(nèi)最大，因此本文選擇紅河A牌號(hào)為對(duì)象，研究探索影響烘絲機(jī)出口水分這一重要物理指標(biāo)的因素，繼而為實(shí)際生產(chǎn)中如何精益控制烘絲機(jī)出口水分提供參考和建議[1-3]。數(shù)據(jù)來源于我廠制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）平臺(tái)2019年6月-12月期間紅河A牌號(hào)部分批次生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按統(tǒng)一規(guī)則進(jìn)行異常數(shù)據(jù)截取后，對(duì)各變量進(jìn)行如下定義和說明，如表1所示。

3預(yù)測(cè)模型建立及選擇

繪制各參數(shù)的相關(guān)矩陣圖，并結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果初步查看各參數(shù)之間的相關(guān)性以及烘絲出口水分與其它變量關(guān)系密切程度[6]。

結(jié)合圖1、表2可看出，各自變量之間有明顯的相關(guān)性，自變量與因變量相關(guān)性中有3個(gè)正相關(guān)變量，5個(gè)負(fù)相關(guān)變量，9個(gè)變量中最小相關(guān)性變量為X1。

分別使用多元線性回歸、隨機(jī)森林、決策樹、支持向量機(jī)、mboost、bagging、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)七種回歸模型對(duì)烘絲機(jī)出口水分變量進(jìn)行回歸，如表3所示。

從七種模型回歸效果對(duì)比可以看出，mboost1、隨機(jī)森林、bagging、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的回歸效果較好[7]。選用模型NMSE最小的mboost1，bagging、隨機(jī)森林，提取訓(xùn)練集數(shù)據(jù)（原始數(shù)據(jù)前100行）做10折交叉驗(yàn)證回歸，得到三個(gè)模型10折交叉驗(yàn)證NMSE回歸結(jié)果，并繪制折線圖，如圖2所示。

從三個(gè)模型10折交叉驗(yàn)證NMSE回歸結(jié)果可以看出，三種方法回歸效果沒有一種在所有10折數(shù)據(jù)都占優(yōu)勢(shì)。從平均來看，隨機(jī)森林要好些，bagging其次，mboost較差，因此可以隨機(jī)森林是有效的烘絲機(jī)出口水分預(yù)測(cè)模型[8]。

4結(jié)果及應(yīng)用

理論與實(shí)踐相結(jié)合，為驗(yàn)證上述預(yù)測(cè)模型算法的有效性和可利用性，我們將隨機(jī)森林方法得出的結(jié)論轉(zhuǎn)化為質(zhì)控經(jīng)驗(yàn)，并將其推廣運(yùn)用到烘絲崗位三個(gè)班次中進(jìn)行效果檢驗(yàn)[9]。跟蹤統(tǒng)計(jì)模型應(yīng)用前后烘絲出口水分標(biāo)偏變化情況，繪制單值圖，如圖3所示。

由單值圖可以看出，烘絲出口水分預(yù)測(cè)模型建立應(yīng)用后，烘絲機(jī)出口水分標(biāo)偏整體降低明顯，且批次間控制穩(wěn)定性得到了提升，說明通過本文建立的烘絲機(jī)出口水分預(yù)測(cè)模型是可用、有效的[10]。

5結(jié)語

從實(shí)際應(yīng)用效果分析，相比較傳統(tǒng)傳統(tǒng)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)回歸模型來說，機(jī)器學(xué)習(xí)回歸模型的建立不需要更多假定，是一種有效的回歸方法，隨著條件的日益成熟以及大數(shù)據(jù)的推廣，預(yù)測(cè)精度也會(huì)越來越高。因此可機(jī)器學(xué)習(xí)法進(jìn)一步推廣應(yīng)用到各個(gè)牌號(hào)各個(gè)加工工序，為解決質(zhì)控難點(diǎn)痛點(diǎn)提供科學(xué)、有效、合理的支持，使得制絲生產(chǎn)過程優(yōu)化更加有針對(duì)性，準(zhǔn)確性。

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