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基于BP神经网络的常规化学成分预测烟气成分和感官得分预测模型研究

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第2期(总第425期) 2017年2月 农产品加工 Farm Products Processing No.2 Feb. 文章编号:1671—9646(2o17)02a-0051—05 基于BP神经网络的常规化学成分预测烟气成分和 感官得分预测模型研究 郭春生,李力群,纪旭东,乔月梅,牛文广,王胜利,叶亚军 (内蒙古昆明卷烟有限责任公司,内蒙古呼和浩特010020) 摘要:为了探索内在化学成分与卷烟烟气指标和感官品质得分之间的关系,建立相应的预测卷烟烟气指标和感官品 质得分神经网络模型数学模型。测试了A牌号卷烟不同批次成品卷烟常规化学成分、主流烟气化学成分和感官得分, 以常规化学成分作为网络输入,分别建立主流烟气化学成分和感官得分的BP神经网络预测模型。隐含层节点为9, 输入函数为Tansig,输出函数为Purelin。训练方法为梯度下降法。选择22个样本作为训练样本,其中19个作为测试 样本,3个作为验证样本。训练的目标为允许误差0.000 1,最大迭代次数10 000次。预测结果与烟气常规化学检测 和人员实际评吸结果比较,相对标准偏差小于5%,达到了较好的预测结果。该模型对于预测卷烟主流烟气成分的释 放量和感官评价具有指导意义。 关键词:BP神经网络;常规化学成分;烟气成分;感官品质得分 中图分类号:TS411 文献标志码:A doi:10.16693 ̄.cnki.1671—9646(X).2017.02.016 Prediction of Flue Gas Components and Sensory Score by Routine Chemical Compositions Based on the BP Neural Network GUO Chunsheng,LI Liqun,JI Xudong,QIAO Yuemei,NIU Wenguang,WANG Shengli,YE Yajun Inner Mongolia Kunming Cigarette Limited Liability Company,Hohhot,Inner Mongolia 010020,China) Abstract:In order to explore the relationship between the intrinsic chemical composition and the cigarette smoke index and the sensory quality score,the model of the neural network model for predicting cigarette smoke and sensory quality is established. Prediction of flue gas components and sensory score by routine chemical compositions based on the BP neural network of A brand.The hidden layer node is 9,the input function is Tansig,the output function is purelin.Training method for gradient descent method.22 samples are selected as training samples, 19 samples as the validation sample and 3 samples as the test sample.The goal of the training is to allow the elTor is 10 000.the maximum number of iterations is O.000 1 times.The predicted resul ̄are compared wih the conventtional chemical detection and the actual results.The relative stndard deviamion is less than 5%.The model has the guiding signiifcance for predicting the release quantity and the sensory evaluation of the cigarette mainstream smoke components. Key words:BP neural network;conventional chemical composiiton;flue gas composition;sensory quality SCOre 0引言 在配方调整和新产品开发后,一定要保证产品 品质、风格和烟气指标稳定。然而,对于产品感官 品质和烟气指标的变动情况,则只有等产品加工出 来后经实际检测才能知道,但为时已晚,因为一旦 焦油等指标超标,或感官品质有较大差异,该批产 品将被判为不合格,给企业造成经济损失。目前卷 烟品质的评价主要是通过感官评吸的方法,而感官 评吸要受到评吸人员专业水平的,且具有较强 的主观性【l-3]。 收稿日期:2016一l1一o2 烟叶化学成分是影响烟叶品质的物质基础,烟 叶中总糖、还原糖、总氮、总碱、氯、钾等化学成 分因为对烟叶品质有重要影响而成为常规检测指标, 被称作烟叶常规化学成分【n。多年来,烟草研究工作 者一直在探索烟草化学成分与卷烟烟气成分和内在 品质的关系,试图直接用烟叶的化学成分来预测烟 气成分和评价烟叶的品质,国内对这方面的研究很 多 。但是,现有研究大多数局限于传统的数理统 计方法,包括简单相关分析、典型相关分析、主成 分分析、多元回归分析、逐步回归分析、关联度分 析、因子分析等[4~。这些方法对于定性的分析和研 作者简介:郭春生(1987一),男,硕士,助理工程师,研究方向为烟草化学。 农产品加工 2017年第2期 究有较大帮助,但是无法直接给出明确的预测烟气 第k个节点的阈值,k=l,…,L; ( )为输出层 成分和感官品质。BP网络是一种按误差逆传播算法 的激励函数;0 为输出层第k个节点的输出。 3.2信号的前向传播过程 训练的多层前馈网络,BP网络能学习和存储大量的 1.输入一输出模式映射关系,而无需事前揭示描述这 隐含层第i个节点的输入net : 种映射关系的数学方程。其学习规则是使用最速下 net wcxj+O ̄. (1) 降法,通过反向传播来不断调整网络的权值和阈值, 』=1 使网络的误差平方和最小,利用BP神经网络可以较 隐含层第 个节点的输出Yi: 好地处理这类多因素、非线性问题[8-埘。试验通过烟 yi= (net )= ( IU.OX ̄,j'I-Oi). (2) 叶常规化学成分作为输入值,各烟气指标和感官得 1 分数据为输出值,建立各烟气指标和感官得分的3层 输出层第 个节点的输入netk: =BP神经网络预模型,从而在配方调整和新产品开发 之前对其焦油量等指标和感官指标进行预测并采取 相应的措施,则不仅有利于保持产品烟气指标 的稳定性,而且能减少感官评吸的主观性和盲目性。 1材料与方法 1.1试验材料 选用公司A牌号卷烟样品,样品为相同的卷烟 纸和滤棒卷制成相同规格的卷烟。 1.2试验方法 烟草常规化学成分测定,按YC/T159~162--2002 和YC/T 35—1996检测每种配方烟叶组的总糖、还 原糖、烟碱、总氮、氯、钾等常规化学成分;对每 种配方样品进行含水率平衡、质量和吸阻拣选后, 按GB 5606.5一l996规定的方法分析其TPM、烟气 烟碱量、CO量等指标。采用感官评吸方法,评吸按 国标YC/T 138一l998要求进行。 1.3数据处理方法 1.3.1基本BP算法公式推导 信号前向传播和误差反向传播是基本BP算法的 2个方面。即实际输出是按从输人到输出的方向进行 计算,权值和阈值从输出到输入的方向进行修正。 BP网络结构见图1。 q 输 输 入 出 变 变 量 量 O£ 输入层一 隐含层 输出层一 图1 BP网络结构 图1中,xi为输人层第J个节点的输人,j=l, …, ;W 为第i个隐含层节点到第 个输人层节点 之间的权值;Oi为隐含层第i个节点的阈值; ( ) 为隐含层的激励函数;W 为第k个输出层节点到第i 个隐含层节点之间的权值,i=1,…,q;ak为输出层 q q M t =∑ i+ =∑Wki (∑w ̄xj+Oi)+ . (3) i=1 i=1 J=1 输出层第k个节点的输出0 : q q M ) (∑ + )= ∑Wk (∑ 婀+ )+ (4) i=l i=1 』=1 1.3.3误差的反向传播过程 误差的反向传播,即各层神经元的输出误差首 先由输出层开始逐层计算,各层的权值和阈值根据 误差梯度下降法来调节,修改后网络的最终输出能 接近期望值。 对于每个样本的二次型误差准则函数为: = ∑( 一0 ). (5) 系统对P个训练样本的总误差准则函数为: : ∑∑( 一D ). (6) P=1 k=1 根据误差梯度下降法依次修正输出层权值的修 正量AW ,输出层阈值的修正量A ,隐含层权值 的修正量A W ,隐含层阈值的修正量A 0 。 △ ;Aak=-rI盟; OWki a( Aw ̄i=-,rl ;AOi一叼鲁. (7) 输出层权值调整公式: A wki=-"Q旦:一'7 生:  ̄;Wki ortetk OWki 一叼 . (8) 输出层阈值调整公式: △ :一 一aE=-r/ 旦一 丝: ( d_,0e d_ 一 署 . 隐含层权值调整公式: △ 一J,7 :一叩 oE onetk= 一竹盟丑盟. (10) Oyi onetk OW# 2017年第2期 郭春生,等:基于BP神经网络的常规化学成分预测烟气成分和感官得分预测模型研究 隐含层阈值调整公式: 一BP算法程序流程见图2。 叩鲁一叩 . = (1 1) 批量输入学习样本并且对输入量 和输出量进行归一化处理 参数初始化:最大训练次数,学习精度,隐 节点数,初始权值、阈值,初始学习速率等  l一叩堕 。a Onet a 又因为: oE一 ∑∑(u w^ 一 ). :(12) 邋 ̄vWki ,盟oak-l, a 丑n t 等-a 1_(13) —I计算各层的输人值和输出值 羔! 计算输出层误差E(q) 詈= ( M 扣(14) : (ne ). = ̄b(net ).(15) (16) onetk 卫—  l, 修正权值和阈值 f 图2 BP算法程序流程 结束l 所以最后得到以下公式: △ ∑∑( 一D )・ ・( )・ P=1 k=1 (17) (18) 2结果与讨论 p L △ = ∑∑( 一0 )・ ・( t ). P=1 k=1 P P=1 尸 △ =77∑∑( 一D )・ ・(net )"Wki" ・(ne )・ (19) =1 工 △ :叼∑∑( 一D )・ t(net )・ ki ̄ ・(凡et ).(2o) 2.1常规化学成分与烟气指标和感官得分灰色关联 分析 常规化学成分与烟气指标和感官得分灰色关联 矩阵见表1。 般认为,相关系数0.2~0.4为弱相关,0.4~0.6 为中等相关,0.6 0.8为强相关。通过常规化学成分 一表1 常规化学成分与烟气指标和感官得分灰色关联矩阵 与烟气指标和感官得分灰色关联矩阵的关联系数结 为输出,网络训练前对输人指标作归一化处理,然 果可知,各常规化学成分与各烟气指标和感官得分 后通过训练样本数据对网络进行充分的训练,获得 值具有一定的相关性。 适宜的参数矩阵,得到烟气成分和感官得分的网络 2.2基于BP神经网络的常规化学成分预测烟气成 预测模型,最后用训练好的网络模型对检验样本数 分和感官得分模型建立 据进行预测。在总共的19个样本数据中,编号为 以常规化学成分值(总糖 总植物碱 总 氮 氯‰还原糖 钾‰,糖碱比 蛋白质 施木克值 9)作为BP神经网络的输入,烟气成 分(总粒相物Y。,烟气一氧化碳量 ,烟气烟碱量 y3,焦油量y4)和感官得分(光泽y5,香气y6,谐调 杂气 ,刺激性 ,余味Y 。,得分合计Y。。)作 ,1 19作为训练样本,采用拓扑结构为9×P×l的 3层BP神经网络。 通过DPS数据处理系统构建BP神经网络模型, 建立参数如下: 输入层节点为9;隐含层节点为19;最d ̄011练 速率为0.1;动态参数为0.6;参数SIGMOID为0.9; 农产品加工 2017年第2期 允许误差为0.000 1;最大迭代次数为5 000。 隐含层各个结点的权重矩阵见表2,输出层各个 将各个预测因子数据进行标准化转换,经过学 结点的权重矩阵见表3。 习后,收敛误差达到标准,训练结束。 根据建立BP神经网络模型的理式以及隐含 表2隐含层各个结点的权重矩阵 表3输出层各个结点的权重矩阵 验证样本数据,模型建立后,根据结果模型进行化 学指标值(总糖 总植物碱 总氮 氯 还 原糖 钾 糖碱比研,蛋白质 施木克值 9) 作为输人变量输入,根据模型得出烟气成分(总粒 相物Y ,烟气一氧化碳量Y:,烟气烟碱量Y。,焦油量 和感官得分(光泽Y5,香气y6,谐调y7,杂气 Y ,刺激性Y9,余味Y,。,得分合计Y。。)的预测结果。 化学指标值 叫9)输入参数值见表4,烟气成 分和感官得分(y广y。 )输出结果值见表5。 表4化学指标值( , 。)输入参数值 层和输出层节点的权重矩阵结果,可以得到烟气成 分和感官得分的预测模型。 经过神经网络训练后,所建立BP神经网络预测 2-3基于BP神经网络的常规化学成分预测烟气成 模型可以较好地对烟气指标和感官品质得分进行预 分和感官得分模型的预测结果验证 以19个样本作为训练样本数据,3个样本作为 测。表5所示的是检测样本与预测值对比结果及相 表5烟气成分和感官得分b, _y )输出结果值 2017年第2期 郭春生,等:基于BP神经网络的常规化学成分预测烟气成分和感官得分预测模型研究 ・55・ fmgwell J C.Nitrogen components of leaf and their rela— 对偏差结果,其结果与烟气常规化学检测和人员实 [2】 Leftionship to smoking quMi ̄and aroma[J].Rec.Adv.Tob. 际评吸结果比较,相对标准偏差小于5%达到了较好 Sci.,1976,30:21—31. 的预测结果。该模型对于预测卷烟主流烟气成分的 胡建军,马明,李耀光,等.烟叶主要化学指标与感官 释放量和感官评价具有指导意义。 质量的灰色关联分析[J].烟草科技,2001(1):3-7. 3结果与讨论 [4] 闫克玉,王建民,屈剑波,等.河南烤烟评吸质量与主 要理化指标的相关分析[J].烟草科技,2001(10):5— 通过分析化学成分与卷烟烟气指标和感官品质 9. 得分之间的关系,建立相应的预测卷烟烟气指标和 f5】 杨小勇.烟叶的前馈人工神经网络预测[D】.贵阳:贵 感官品质得分神经网络模型数学模型。测试了A牌 州工业大学。2004. 号卷烟不同批次成品卷烟常规化学成分、主流烟气 【6] 谭仲夏.灰色关联分析方法在烟草内在质量评价上的应 用[J].安徽农业科学,2006,34(5):924,971. 化学成分和感官得分,以常规化学成分作为网络输 人,分别建立主流烟气化学成分和感官得分的BP神 J 马京民,刘国顺,时向东,等.主成分分析和聚类分析 经网络预测模型。隐含层节点为9,输入函数为 Tansig,输出函数为Purelin。训练方法为梯度下降 法。选择22个样本作为训练样本,其中19个作为 测试样本,3个作为验证样本。训练的目标为允许误 差0.000 1,最大迭代次数10 000次。预测结果与烟 气常规化学检测和人员实际评吸结果比较,相对标 准偏差小于5%,达到了较好的预测结果。该模型对 于预测卷烟主流烟气成分的释放量和感官评价具有 指导意义。 参考文献: [11 肖协忠.烟草化学[M】.北京:中国农业科技出版社, l997:23. 在烟叶质量评价中的应用[J].烟草科技,2009(7): 57—6O. ~ 农业机械学报,1999,30(1):58—62. 『91 高大启,吴守一.基于并联神经网络的烤烟内在质量分 析方法[J].分析化学,1998,26(10):1 174—1 177. 高大启.并联神经网络在烤烟内在品质评定中的运用[J]. 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