片煙形態、結構與煙絲結構的關系

劉 澤，何邦華，林文強，陳 霖，朱 勇，胡東東，祁 林，周沅楨，邱昌桂

1. 云南中煙工業有限責任公司技術中心，昆明市五華區紅錦路181 號 650231

2. 昆明理工大學機電工程學院，昆明市呈貢區景明南路727 號 650504

3. 云南同創檢測技術股份有限公司，昆明市高新區海源北路1699 號 650106

片煙制絲是卷煙生產的重要加工過程，該過程中被加工物料的物理結構由片狀轉變為絲狀，使之滿足后續制絲加工工序及產品卷制的要求［1-2］。關于片煙如何影響煙絲結構的研究，已經從片煙結構的大片率、碎片率［3］方面轉移至片煙面積分布［4］上來，目前，主要研究重點是片煙面積分布的表征方法及精度提升［5-6］、片煙結構與煙絲結構的關系建模與預測［7-8］、片煙成絲模式研究［2,9-10］等。關于片煙形態的研究已漸漸成為新的研究熱點，主要借助計算機視覺技術，采用鏈碼特性［11］、幾何圖形的分形原理和傅里葉變換［9,11-12］、輪廓提取法［13］等描述片煙形態特征指標，能夠有效評價片煙形態及變化情況。在實際生產應用中，試驗發現在大中片率或面積相近的不同形狀片煙切絲后的煙絲結構分布存在顯著差異，表明片煙形態也是影響煙絲結構的重要因素之一。但片煙形態如何影響煙絲結構分布的研究鮮見報道。為此，在準確提取片煙結構、片煙形態特征指標的基礎上，關聯對應切絲后的煙絲結構分布情況，采用簡單相關分析、逐步回歸分析和通徑分析等統計方法，探討片煙結構、片煙形態與煙絲結構的關系，旨在建立更為精確的煙絲結構模型，為提高打葉片形品質和優化煙絲結構提供依據。

1 材料、設備與方法

1.1 材料與設備

云煙（紫）品牌用C4F、B3F、X2F 打葉復烤后片煙。

CA 813 型片煙大小及分布測定系統（昆明船舶設備集團有限公司、鄭州煙草研究院）；FED-400 可編程熱風循環烘箱、KBF 540 恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）；ABS 204-S 電子天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；葉片振動分選篩（鄭州煙草研究院）；AS 400 旋轉篩分儀（篩網孔徑為 4.75、4.00、2.50、2.00、1.60 和 1.00 mm，德國Retsch 公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理方法

用篩分法檢測在線取樣的片煙結構后，按照＞25.40 mm、12.70～25.40 mm、6.35～12.70 mm、2.36～6.35 mm 分別收集大片、中片、小片、碎片（含碎末）4 個尺寸樣品，每個尺寸樣品收集總量均＞20 kg。

1.2.2 片煙結構和形態特征指標的檢測方法

用篩分法［3］檢測片煙結構，通過計算各層篩網所收集片煙質量的百分含量即得到大片率X4、中片率X5、小片率X6、碎片率X7等4 個片煙結構特征指標。

按片煙面積大小分類標準，利用CA 813 片煙大小及分布測定系統和檢測系統分析軟件，分別采集不同面積片煙數字圖像，并通過計算得到3個片煙形態特征指標［4,13］：矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3。

1.2.3 煙絲結構特征指標的檢測方法

采用粒度分布方法［14］，建立煙絲尺寸分布特性方程，得到描述煙絲結構分布規律特征量：煙絲特征尺寸x0.50（Y1）和煙絲均勻性系數C（Y2）。所建立的煙絲結構分布特性方程如式（1）：

式中：F 為煙絲篩上累積質量比；X 為篩網孔徑，mm；B 為方程參數；C 為煙絲均勻性系數，C 值越大，表示煙絲尺寸分布范圍越窄，即煙絲尺寸分布均勻性越好。

對于煙絲尺寸分布，將煙絲篩上累積質量比F為0.50 所對應的煙絲尺寸作為衡量煙絲整體尺寸大小的特征量，記為x0.50，本研究中采用煙絲特征尺寸（Y1）表示，其值越大，表示煙絲整體尺寸越長，可通過式（2）求得：

1.3 數據統計分析

采用SPSS 統計軟件，用相關分析和逐步回歸分析作為統計方法對檢測結果進行分析。

采用葉片形狀檢測系統分析軟件（昆明船舶設備集團有限公司）計算片煙形態特征指標。

2 結果與討論

2.1 片煙形態、結構與煙絲結構的相關分析

將61 個樣品的片煙形態和結構特征指標與煙絲結構特征指標進行簡單相關分析，結果見表1。由表1 可知，在達到顯著或極顯著水平的相關性中，煙絲特征尺寸Y1與緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3、小片率X6、碎片率X7呈極顯著負相關，與大片率X4呈極顯著正相關，與矩形度聚類中心距X1呈顯著負相關；煙絲均勻性系數Y2與矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3呈極顯著負相關。同時，煙絲特征尺寸Y1和煙絲均勻性系數Y2存在極顯著正相關，即煙絲特征尺寸Y1越大，煙絲均勻性系數Y2越高，煙絲尺寸分布范圍越窄，此分析結果與生產實踐的經驗認知一致。

根據相關系數|r|≥0.8，視為高度相關；0.5≤|r| ＜ 0.8，視為中度相關；0.3 ＜ |r| ＜ 0.5，視為弱相關［15］。煙絲特征尺寸Y1和均勻性系數Y2與細長度聚類中心距 X3是高度相關（r 分別為-0.818和-0.894）；煙絲特征尺寸Y1與緊致度聚類中心距X2、小片率X6是中等程度相關，與碎片率X7、大片率X4、矩形度聚類中心距X1是弱相關。煙絲均勻性系數Y2與緊致度聚類中心距X2是高度相關（r為-0.828），與矩形度聚類中心距X1是中等程度相關。同時，煙絲特征尺寸Y1和煙絲均勻性系數Y2呈高度相關。

表1 片煙形態和結構特征指標與煙絲結構特征指標的相關分析①Tab.1 Correlation analysis between morphology and structure of tobacco strips and structure of cut tobacco

2.2 片煙形態、結構與煙絲結構的逐步回歸分析

2.2.1 片煙形態和結構特征指標與煙絲特征尺寸的逐步回歸分析

以煙絲特征尺寸Y1為因變量，以片煙形態及結構特征指標矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3、大片率X4、中片率X5、小片率X6和碎片率X7指標為自變量，進行逐步回歸分析，從包含7 項自變量的回歸方程中，視自變量對因變量作用的顯著程度，每次剔除1 個最不顯著的回歸自變量，直至即無不顯著的自變量從回歸方程中剔除，同時又無顯著的自變量可以引入為止，由此得到最優回歸方程［15］，見式（3）。

表2 是方程（3）的5 個入選自變量的回歸系數及顯著性檢驗的結果。分析結果表明，矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3、大片率X4和中片率X5對煙絲特征尺寸Y1達到極顯著的影響，其他片煙形態及結構特征指標對煙絲特征尺寸Y1無顯著影響。通過比較篩選出的5 個自變量的標準化回歸系數的絕對值可知，矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2對煙絲特征尺寸Y1的影響最為顯著。

表2 片煙形態和結構特征指標與煙絲特征尺寸逐步回歸系數及顯著性檢驗Tab.2 Stepwise regression coefficients and significance test between morphology and structure of tobacco strips and characteristic size of cut tobacco

表3 是方程（3）方差分析檢驗的結果。由表3可知，煙絲特征尺寸Y1回歸方程的方差分析達極顯著水平，篩選出的5 個自變量的回歸系數均達到了極顯著水平，說明煙絲特征尺寸Y1回歸方程具有顯著的統計學意義。

表3 片煙形態和結構特征指標與煙絲特征尺寸逐步回歸方程的方差分析Tab.3 Variance analysis of stepwise regression equation for morphology and structure of tobacco strips and characteristic size of cut tobacco

2.2.2 片煙形態和結構特征指標與煙絲均勻性系數的逐步回歸分析

以片煙的矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3、大片率X4、中片率X5、小片率X6和碎片率X7指標為自變量，以煙絲均勻性系數Y2為因變量，進行逐步回歸分析，獲得最優的煙絲均勻性系數Y2逐步多元回歸方程，見式（4）。同時進行顯著性檢驗和方差分析，結果分別見表4 和表5。

表4 片煙形態和結構特征指標與煙絲均勻性系數逐步回歸系數及顯著性檢驗Tab.4 Stepwise regression coefficients and significance test between characteristic indexes of morphology and structure of tobacco strips and uniformity coefficient of cut tobacco

表4 結果表明，經F 檢驗，篩選出的4 個片煙形態和結構特征指標與煙絲均勻性系數Y2的回歸方程均達到顯著或極顯著水平。通過比較篩選出的4 個片煙形態和結構特征指標的標準化回歸系數的絕對值可知，矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2對煙絲均勻性系數Y2的影響較大。

表5 片煙形態和結構特征指標與煙絲均勻性系數逐步回歸方程的方差分析Tab.5 Variance analysis of stepwise regression equation for characteristic indexes of morphology and structure of tobacco strips and uniformity coefficient of cut tobacco

由表5 方差分析結果可知，煙絲均勻性系數Y2逐步多元回歸方程達極顯著水平，顯著性檢驗表明逐步多元回歸系數達到極顯著水平，煙絲均勻性系數Y2逐步多元回歸方程具有顯著的統計學意義。

2.3 片煙形態、結構與煙絲結構的通徑分析

2.3.1 片煙形態、結構與煙絲特征尺寸的通徑分析

通過對逐步回歸分析中篩選出的5 個片煙形態及結構特征指標（矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3、大片率X4和中片率X5）與煙絲特征尺寸Y1的相關系數分為直接作用和間接作用進行通徑分析，結果見表6。

由表6 可知，篩選出的5 個片煙形態及結構特征指標對煙絲特征尺寸Y1的直接作用差異較大，按絕對值大小排序為：緊致度聚類中心距X2（-1.026）＞矩形度聚類中心距X1（0.709）＞細長度聚類中心距 X3（-0.362）＞ 大片率 X4（0.355）＞中片率X5（0.176）。緊致度聚類中心距X2越小，表明該片煙樣品形狀越接近標準圓形片煙，切絲后對應的煙絲特征尺寸Y1越大。矩形度聚類中心距X1越大，表明該片煙樣品偏離長寬比為3∶1 的標準矩形形狀的程度越大，切絲后對應的煙絲特征尺寸Y1越大。

從間接作用的總和看，篩選出的片煙形態及結構特征指標對煙絲特征尺寸Y1的間接作用也存在較大差異，矩形度聚類中心距X1對煙絲特征尺寸Y1的間接作用最大（-1.029），其次，絕對值大小順序依次為細長度聚類中心距X3（-0.456）、緊致度聚類中心距X2（0.306）、中片率X5（-0.181）、大片率X4（0.092）。其中，從間接作用的途徑看，矩形度聚類中心距X1和細長度聚類中心距X3主要通過緊致度聚類中心距X2對煙絲特征尺寸Y1起間接作用（分別為-0.899 和-0.936），緊致度聚類中心距X2、大片率X4和中片率X5主要通過矩形度聚類中心距X1對煙絲特征尺寸Y1起間接作用（分別為0.621、0.449 和-0.407）。

直接作用和間接作用的總作用即為簡單相關系數，結合簡單相關系數分析結果（表1），按絕對值大小排序為：細長度聚類中心距X3（-0.818）＞緊致度聚類中心距X2（-0.772）＞ 大片率X4（0.447）＞矩形度聚類中心距X1（-0.320）＞中片率X5（-0.006）。即細長度聚類中心距X3與對應切絲后的煙絲特征尺寸Y1高度負相關。緊致度聚類中心距X2與對應切絲后的煙絲特征尺寸Y1中等程度負相關，大片率X4、矩形度聚類中心距X1與對應切絲后的煙絲特征尺寸Y1弱相關，與表1 簡單相關分析結果吻合。

表6 片煙形態和結構與煙絲特征尺寸的通徑分析Tab.6 Path analysis between morphology and structure of tobacco strips and characteristic size of cut tobacco

綜上所述，適當降低片煙形態指標細長度聚類中心距X3、緊致度聚類中心距X2，可快速提高煙絲特征尺寸Y1。同時，也可以通過提高大片率X4來實現煙絲特征尺寸Y1提高的目的。

2.3.2 片煙形態、結構與煙絲均勻性系數的通徑分析

通過對逐步回歸分析中篩選出的4 個片煙形態、結構特征指標（矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2、中片率X5和碎片率X7）與煙絲均勻性系數Y2進行通徑分析，結果見表7。

表7 片煙的特征指標形態和結構與煙絲均勻性系數的通徑分析Tab.7 Path analysis between morphology and structure of tobacco strips and uniformity coefficient of cut tobacco

由表7 可知，篩選出的4 個片煙形態、結構特征指標對煙絲均勻性系數Y2的直接作用差異較大，按絕對值大小排序為：緊致度聚類中心距X2（-2.280）＞矩形度聚類中心距X1（1.653）＞碎片率X7（0.526）＞中片率X5（0.200）；其中，矩形度聚類中心距X1、中片率X5和碎片率X7對煙絲均勻性系數Y2為正向直接作用，緊致度聚類中心距X2對煙絲均勻性系數Y2為負向直接作用。緊致度聚類中心距X2越大，煙絲均勻性系數Y2越小，煙絲結構分布范圍就越寬。碎片率X7越大，煙絲均勻性系數Y2越大，煙絲尺寸分布范圍就越窄，此結論與生產實踐經驗吻合。

從間接作用的總和看，篩選出的4 個片煙形態及結構特征指標對煙絲均勻性系數Y2的間接作用也存在較大差異，矩形度聚類中心距X1對煙絲均勻性系數Y2的間接作用最大（-2.181），緊隨其后依次為緊致度聚類中心距X2（1.453）、中片率X5（-0.637）和碎片率X7（-0.272）。從間接作用的途徑看，矩形度聚類中心距X1和碎片率X7主要通過緊致度聚類中心距X2對煙絲均勻性系數Y2起間接作用（分別為-1.997 和-0.349），緊致度聚類中心距X2主要通過矩形度聚類中心距X1對煙絲均勻性系數Y2起間接作用（1.448），中片率X5主要通過矩形度聚類中心距X1和緊致度聚類中心距X2共同對煙絲均勻性系數Y2起間接作用（分別為-0.949 和0.866）。

綜合各片煙形態及結構特征指標對煙絲均勻性系數Y2的直接作用和間接作用的分析結果。各片煙形態及結構特征指標對煙絲均勻性系數Y2的總作用也是不均等的，按絕對值大小排序為：緊致度聚類中心距X2（-0.827）＞矩形度聚類中心距X1（-0.528） ＞ 碎 片 率 X7（-0.111） ＞ 中 片 率 X5（-0.072）。此分析結果與表1 的簡單相關分析結果一致。

綜上所述，適當降低片煙矩形度聚類中心距X1和緊致度聚類中心距X2，可以快速實現煙絲均勻性系數Y2的增加，即實現更窄的煙絲尺寸分布范圍。

3 結論

（1）簡單相關分析表明，煙絲特征尺寸Y1與緊致度聚類中心距X2、細長度聚類中心距X3呈極顯著負相關（P ＜0.01），與大片率X4呈極顯著正相關（P ＜0.01），與矩形度聚類中心距X1呈顯著負相關（P ＜0.05）；煙絲均勻性系數Y2與矩形度聚類中心距X1、緊致度聚類中心距X2呈極顯著負相關（P ＜0.01）。

（2）采用多元逐步回歸方法，分析了片煙形態和結構特征指標與煙絲結構特征指標的內在關系，經顯著性檢驗，所建立的煙絲特征尺寸Y1、煙絲均勻性系數Y2多元逐步回歸方程及回歸系數均達顯著或極顯著水平（P ＜ 0.01 或P ＜ 0.05）。

（3）通徑分析表明，各片煙形態及結構對煙絲特征尺寸Y1的總作用按絕對值大小排序為：細長度聚類中心距X3（-0.818）＞緊致度聚類中心距X2（-0.772）＞大片率X4（0.447）＞矩形度聚類中心距X1（-0.320）＞中片率X5（-0.006）。各片煙形態及結構對煙絲均勻性系數Y2的總作用按絕對值大小排序為：緊致度聚類中心距X2（-0.827）＞矩形度聚類中心距 X1（-0.528）＞ 碎片率 X7（-0.111）＞中片率X5（-0.072）。

（4）根據相關分析和通徑分析結果，適當降低片煙形態指標細長度聚類中心距X3、緊致度聚類中心距X2，可快速提高煙絲特征尺寸Y1；適當降低片煙矩形度聚類中心距X1和緊致度聚類中心距X2，可快速改善煙絲均勻性系數Y2，即煙絲結構分布范圍更窄。同時，也可以通過提升大片率X4來實現煙絲特征指標提高的目的。相關結果對制絲工藝過程中片煙形態及煙絲結構調控、復烤工藝打葉特征指標制定及質量維護有較好的指導意義。