建立捲菸葉組配方設計的混合專家系統的方法
2024-03-02 02:42:15
專利名稱：建立捲菸葉組配方設計的混合專家系統的方法
技術領域：
本發明涉及一種智能配方設計系統的建立方法，具體是運用遺傳算法、神經網絡專家系統方法與傳統專家系統規則推理有機結合，建立捲菸葉組配方設計的混合專家系統的方法。
背景技術：
菸葉包含幾千種化學成分，而且在吸菸過程中眾多的化學成分相互作用，刺激人的味覺、嗅覺、觸覺，產生感官評吸的各項指標，其關係極其複雜。配方師的經驗是十分可貴的，但也具有明顯的不確定性。在傳統的捲菸葉組配方設計(即新產品開發)中，最令行業專家難以把握的，就是如何從備選菸葉集合中選擇合適的菸葉，分配以各自合適的比例，使它們最終滿足葉組配方目標設計要求。早期，葉組配方設計是憑藉配方師經驗與反覆試驗實現。近些年，有的企業採用了傳統的計算機輔助設計方法，即是採用統計學線性規劃方法實現配方過程的多參數優化。但是，由於葉組配方涉及到的是一個很複雜的優化問題，這種傳統方法要求約束條件多，解搜索空間小，不能有效地輔助配方人員進行新產品設計。
模擬進化計算的主要內容是遺傳算法，是一種模擬達爾文進化論思想的全局性優化算法。它以『基因編碼』、『遺傳』、『變異』、『雜交』、『適應與自然選擇』、『種群進化』等遺傳學與進化論思想為基礎，形成了一套迭代自適應概率性搜索與優化方法，比傳統的線性規劃方法搜索範圍更大，得到最佳或滿意解的可能更大。實踐表明，將遺傳算法、神經網絡專家系統方法與傳統專家系統規則推理有機結合，為建立捲菸葉組配方的智能設計系統提供了有效方法。
發明內容
本發明的目的在於，克服已有技術的不足，提供一種建立捲菸葉組配方設計的混合專家系統的方法。本發明將傳統專家系統與進化計算(遺傳算法)組合優化方法，以及捲菸感官評吸(即感覺測試)和煙氣分析指標的神經網絡預測模型三者有機結合，建立捲菸葉組配方的智能設計系統。該系統根據企業確定的新產品設計要求，確定目標葉組特性；依專家系統規則，選取符合設計要求的備選菸葉集合，並形成多個葉組配方方案；並運用神經網絡預測模型與進化計算方法對它們進行組合優化，從而為捲菸生產推薦符合設計目標要求的若干方案。
本發明的核心技術，是將遺傳算法、傳統專家系統、行業專家經驗以及神經網絡預測模型有機結合，以構成高效的捲菸葉組配方的智能設計系統。
本發明以菸葉選用的比例為『基因編碼』，將備選菸葉按選擇順序進行實數編碼，構成配方方案『種群』；計算出各葉組的理化指標；再依其風格的不同，調用神經網絡評價和預測模型，計算每代配方方案『個體』或『染色體』的評價值『適應度』。在進行『遺傳』、『遺傳變異』操作中結合專家經驗的規則推理，加快搜索到最佳或滿意解的速率。
例如，形式為『如果......則......』的專家經驗推理規則如果新葉組方案的成本大於目標值則減小葉組中價格最高的菸葉的比例，增大價格最小的菸葉的比例；如果感官中的香氣質分值誤差＞0.5則改變(即『變異』)主料煙中香氣質最好的和最差的菸葉的比例；如果感官質量中光澤、協調、雜氣、刺激性的分值中有兩項分值誤差大於＞0.5則改變主輔料煙中相應感官質量項最好的和最差的菸葉的比例；如果煙氣中菸鹼值或焦油量大於設計值則改變填充料煙、輔料煙集合中的菸葉比例。
實踐證明，本方法是一種行之有效的建立捲菸葉組配方的智能設計系統的方法。建立起來的系統能明顯提高葉組配方設計的效率與精度，縮短新產品開發時間，提高企業庫存管理、資源管理與信息化水平。
下面結合附圖進一步說明本發明。
圖1捲菸葉組配方的設計智能系統流程圖。
圖2捲菸葉組配方設計智能系統的使用管理圖。
圖3捲菸葉組配方設計智能系統的總體結構圖。
具體實施例方式
本發明用於建立捲菸葉組配方的智能設計系統的流程如圖3所示，其步驟如下
(1)首先由企業確定產品開發目標葉組的風格、價位，以及感官質量(感覺測試)、煙氣指標的目標值；(2)設定目標葉組中主料煙、輔料煙、填充料煙的比例浮動範圍。專家根據人機互動選擇合適的菸葉，備選菸葉個數不限制；(3)根據專家規則選取符合設計要求的各地區菸葉，分別作為主料煙、輔料煙、填充料煙，並按選擇順序添加到備選菸葉集合中，並成多個葉組配方方案；(4)按照遺傳算法步驟，以菸葉選用的比例為『基因編碼』，將備選菸葉按選擇順序進行實數編碼，構成配方方案『種群』；計算出各葉組的理化指標；再依其風格的不同，調用神經網絡評價和預測模型，計算每代『個體』(配方)的『適應度』(評價)值；(5)進行『遺傳』操作，在『遺傳變異』操作中結合專家經驗的規則推理，加快搜索到最佳或滿意解的速率；(6)系統算出染色體所代表的葉組的理化指標值，調用已有的捲菸評吸與煙氣指標的神經網絡預測模型，求出新葉組的感官和煙氣的預測值。在『進化最大代』時間內，是否有『適應度』值符合目標要求的葉組，有則停止，否則循環至結束；(7)若運行過程結束有解，則系統輸出搜索到的最佳或滿意方案，同時給出神經網絡模型預測的感官評吸和煙氣分析值；否則，提示沒有最佳方案的信息。
本發明所建立的葉組配方智能設計系統的使用管理步驟如圖2所示，為(1)按系統用戶界面提示，用戶錄入葉組配方設計目標，即設計要求的目標葉組配方的風格；包括目標成品煙的風格，各感官質量和煙氣指標值；依次錄入目標葉組的感官質量、煙氣指標值；(2)用戶根據目標設計需要，查詢庫存菸葉，選擇有可能用於配方的多個品種菸葉；(3)調用遺傳算法完成配方葉組中菸葉比例的組合優化，即系統對多種初始配方方案進行組合優化，再通過神經網絡預測模型對相應風格的葉組的評價，最終推薦出符合設計目標的多個葉組配方方案，並顯示出新葉組方案的組成及比例，同時顯示經神經網絡預測的新葉組方案將達到的感官質量和煙氣指標值。如果組合優化過程無滿意結果，則系統提示在規定條件下，設計目標無滿意解；(4)如果沒有找到滿意結果，用戶可調整備選菸葉集合，重新進行葉組配方設計。
所建立的系統的總體結構如圖1所示。智能系統的關鍵部分包括結合專家經驗、實現優化搜索的遺傳算法，以及基於神經網絡的葉組特性分類、葉組評吸指標的BP網絡預測模型。用戶和技術人員通過人機互動界面與系統協同工作，確定目標葉組的風格、價位、感官評吸及煙氣指標的目標值，目標葉組中主料煙、輔料煙、填充料煙的比例浮動範圍；選取符合設計要求的各地區菸葉，形成多個葉組配方方案；最後由系統搜索並推薦出滿意的多個葉組配方方案，作為系統的輸出。
本方法可使用以下指標參數，如菸葉理化指標、感官質量指標以及煙氣分析指標，也允許作某些改變。
菸葉的理化指標總糖，總菸鹼，還原糖，總氮，蛋白質，氯氣，鉀，施木克值，糖鹼比，鉀氯比，以及氣相色譜分析成分。
菸葉的感官質量指標香型，香氣質，香氣量，濃度，勁頭，雜氣，刺激性，餘味，燃燒性，灰分。
菸葉的煙氣分析指標焦油，CO，菸鹼。
綜上所述，本發明所建立的葉組配方智能設計系統，一方面採用傳統人工智慧專家系統方法，以便更好地發揮行業專家經驗；另一方面採用遺傳算法、神經網絡專家系統方法，發掘大量數據內部的知識，實現高效配方方案的搜索與優化；再將兩者有機結合，構成了強有力的混合專家系統，應用於葉組配方設計中。
除以上所述內容外，隨著經驗知識積累，對菸葉成分科學分析的深入，以及計算智能與神經網絡技術的改進，對本系統的適當修改都為本發明的範圍。
權利要求
1.建立捲菸葉組配方設計的混合專家系統的方法按先後步驟如下(1)企業確定產品開發目標葉組的風格、價位，以及感官評吸、煙氣指標的目標值；(2)確定目標葉組中主料煙、輔料煙、填充料煙的比例浮動範圍；(3)根據專家規則選取符合設計要求的各地區菸葉，分別作為主料煙、輔料煙、填充料煙，並按選擇順序添加到備選菸葉集合中，並形成多個葉組配方方案；(4)按照遺傳算法步驟，對提出的各葉組配方進行『基因編碼』，構成配方方案『種群』；計算出各葉組的理化指標；再依其風格的不同，調用神經網絡評價和預測模型，計算每代配方『個體』的『適應度』或評價值；(5)進行『遺傳』操作，在『遺傳變異』操作中結合專家經驗的規則推理，加快搜索到最佳或滿意解的速率；(6)在『進化最大代』時間內，是否有『適應度』值符合目標要求的葉組，有則停止，否則循環至結束；(7)若運行過程結束有解，則系統輸出搜索到的最佳或滿意方案，同時給出神經網絡模型預測的感官評吸和煙氣分析值；否則，提示沒有最佳方案的信息。
2.根據權利要求1所述的捲菸葉組配方設計的混合專家系統的使用管理步驟為(1)按系統的用戶界面提示，用戶錄入葉組配方設計目標，包括目標成品煙的風格，各感官質量和煙氣指標值；(2)用戶根據所定葉組配方設計目標，選擇可能用到的備選菸葉集合；(3)系統對多種初始配方方案進行組合優化，推薦出符合設計目標要求的若干方案；如果組合優化過程無滿意結果，則系統提示在規定條件下，設計目標無滿意解；(4)用戶可調整備選菸葉集合，重新進行葉組配方設計。
全文摘要
本發明為建立捲菸葉組配方設計的混合專家系統的方法。本發明將傳統專家系統與進化計算(遺傳算法)組合優化方法，以及捲菸感官評吸(感覺測試)和煙氣分析指標的神經網絡預測模型三者有機結合，建立捲菸葉組配方設計的混合專家系統(智能系統)。該系統根據企業確定的新產品設計要求，確定目標葉組特性；依專家系統規則，選取符合設計要求的備選菸葉集合，並形成多個葉組配方方案；並運用神經網絡預測模型與進化計算方法對它們進行組合優化，從而為捲菸生產推薦符合設計目標要求的若干方案。
文檔編號A24B3/00GK1524461SQ0311190
公開日2004年9月1日 申請日期2003年2月25日 優先權日2003年2月25日
發明者蒲強, 馮天瑾, 曹均闊, 王現君, 丁香乾, 張新龍, 賀英, 鄭宏偉, 周迎輝, 任立新, 蒲 強 申請人:頤中菸草(集團)有限公司, 中國海洋大學