CN110954657B - 一种烟叶化学品质的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一一种烟叶化学品质的评价方法，本发明可以使不同方法确定的化学成分指标权重得到有效的融合，并且进一步提高的指标权重的均衡性，兼顾了化学成分的相关性、差异性和灰色性；本发明考虑了烟叶化学品质集对分析可能出现等级界限值不易确定的情况，按照化学成分实测值所属等级确定联系度，并以权重值量化同一度、差异度和对立度，降低了不同等级界限值选取造成的结果判断不一的可能性，并且更符合化学品质评价的实际。

Description

一种烟叶化学品质的评价方法

技术领域

本发明属于烟叶质量评价领域，具体涉及一种烟叶化学品质的评价方法。

背景技术

烟叶化学品质是烟叶质量的重要组成部分，对烟叶化学品质进行综合评价可为烟草种植区划、烟叶品种选择、生产措施调整等提供参考和依据；烟叶化学品质综合评价是指评判化学成分指标与其对应标准或者适宜范围的接近程度，由于化学成分指标对烟叶品质的贡献不同，因此，需要赋予化学成分指标不同的权重。

为克服单一赋权方法的不足，学界提出了组合赋权法，以最大程度避免单一赋权方法带来的权重计算的偏颇。组合赋权法的核心在于单一赋权方法之间的相互调整。文献“基于AHP-熵权法的海岛海岸带脆弱性评价指标权重综合确定方法”提出一种采用群组AHP对熵权进行修正的方法。虽然文中给出了修正的基本步骤，但在实际操作中较难实现，并且文中选取不同专家确权的最大值和最小值作为熵权调整的上下限范围，由此容易导致修正后的熵权出现部分指标权重偏大以致主导最终的评价结果，失去综合评价的意义，另外，未给出组合赋权法中均为客观赋权时的调整方法。文献“基于改进熵权法确定工程材料评价指标的客观权重”中提出0.3作为指标权重的上限对传统熵权法进行改进，但文中确定指标权重上限不具有普适性，并会出现两个或多个指标的权重均为0.3的情况，无法体现指标的重要性程度。

公布号为CN 105929115 A(申请号为201610496144.X)的中国发明专利公开了一种烟叶生态适应性的评价方法，主要思想为：分别构建单项化学成分指标的隶属度函数表达式并确定拐点值对化学成分实测值进行标准化处理，采用三标度层次分析法对化学成分指标进行赋权，利用加乘模型对烟叶化学成分的标准化值和权重值进行合成，得到最终评价值。文中采用的层次分析法需要一致性检验，在化学成分指标较多时，若要获得一致性的判断矩阵难度较大；确权时，对指标的相关性和差异性考虑不足；所得结果为综合评价值需要人为进行等级划定。

文献“基于集对分析的云南省临沧市烤烟化学品质综合评价”和文献“运用集对分析法评价烟叶化学成分协调性”基于集对分析理论，分别利用多元联系数和广义相对隶属度求取化学成分与等级的联系度大小，分别采用变异系数法和指数超标法确定化学成分指标权重。虽然文中对化学成分与其对应等级的联系度进行了量化，并对化学成分指标评价标准进行了作用方向划分，但一级标准并没有明确的方向性，造成多元联系数和广义相对隶属度的等级界限值不易确定；所得集对分析结果仅能得到化学品质的等级，对处于同一等级的样本无法进行细分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种烟叶化学品质评价方法，以解决上述技术中存在的采用主观赋权法进行化学成分权重计算的随意性、组合权重计算步骤不明确、烟叶化学品质集对分析模型仅得到评价等级等缺陷。

为了实现所述的目的，本发明采取如下技术方案：

具体包括以下几个步骤：

步骤1：根据实际评价需要，选取烟叶化学品质的评价指标；

步骤2：根据质量目标及产区表现，建立化学成分指标的多级评价标准；

步骤3：采用Pearson相关系数法、Spearman相关系数法、灰色相似关联度法和变异系数法四种客观赋权法确定化学成分的权重，四种权重的计算公式如下：

对于Pearson相关系数法，权重的计算公式为：

式中，r_i,1为化学成分指标间的Pearson相关系数，

为第i个化学成分指标与其他化学成分指标的Pearson相关系数均值，i＝1,2,L,n，n为化学指标个数；

对于Spearman相关系数法，权重的计算公式为：

式中，r_i,2为化学成分指标间的Spearman相关系数，

为第i个化学成分指标与其他化学成分指标的Spearman相关系数均值，n为化学指标个数；

对于灰色相似关联度法，设两个化学指标序列分别为X_i＝(x_i(1),x_i(2),L,x_i(m))和

首先计算两序列的初值像分别为X′_i＝(x′_i(1),x′_i(2),L,x′_i(m))和

然后计算两序列初值像的始点零化像分别为

和

令

则

式中，m为参评烟叶样本个数，r_i,3为化学成分指标间的灰色相似关联度，

为第i个化学成分指标与其他化学成分指标的灰色相似关联度均值；

对于变异系数法，权重的计算公式为：

式中，CV_i为第i个化学成分指标的变异系数；

步骤4：计算四种方法所得权重的标准差s_i，选择标准差最大的方法作为权重调整的对象w'。计算w'与另外三种方法的欧氏距离d_j，将d_j按照升序排列，选择排名前两位的方法组成权重调整的上下限范围，其中最大值为a_i，最小值为b_i；

欧氏距离d_j的计算公式为：

式中，w_i,j表示第j种权重确定方法，j＝1,2,3；

步骤5：若w′_i所得权重均在[b_i,a_i]范围内，则不需调整；否则按照以下方法对w′_i所得权重进行调整，直至满足范围；最终确定的各项化学成分指标权重为

1)w′_i∈(b_i,a_i)时，

2)当w′_i≥a_i时，w′_i＝a_i，w′_i较a_i变化的部分由其他化学成分指标按照下式进行分配

3)当w′_i≤b_i时，w′_i＝b_i，w′_i较b_i变化的部分由其他化学成分指标按照下式进行分配

步骤6：基于集对分析，采用化学成分指标的权重值计算不同烟叶样本化学成分指标与不同等级标准的联系度，具体为若化学成分实际值属于评价等级范围内，则认为属于同一度，若化学成分实际值属于相邻的评价等级范围内，则认为属于差异度，若化学成分实际值属于相隔的评价等级范围内，则认为属于对立度；对比差异度与同一度、差异度与对立度的Spearman等级相关系数绝对值大小确定差异度系数；

化学成分指标与等级之间的联系度μ为：

式中，a、b、c分别为同一度、差异度和对立度，S为化学成分实际值属于评价等级范围内的指标个数，P为化学成分实际值属于相邻的评价等级范围的指标个数，F为化学成分实际值属于相隔的评价等级范围的指标个数；i和j是差异度和对立度系数，规定i取值[-1,1]，j值恒为-1；

分别计算差异度数组b与同一度数组a、差异度数组b与对立度数组c的Spearman等级相关系数r_ba、r_bc，并将绝对值大的值作为i的取值；即：

步骤7：根据最大隶属度原则确定不同样本化学品质等级，根据联系度大小对不同样本化学品质进行排序。

进一步的，所述步骤2中多级评价标准，第一等级为最优。

进一步的，所述步骤6中，同一度、差异度和对立度的量化值为化学成分指标权重的加和。

与现有技术相比，本发明有益效果：

1、本发明可以使不同方法确定的化学成分指标权重得到有效的融合，并且进一步提高的指标权重的均衡性，兼顾了化学成分的相关性、差异性和灰色性。

2、本发明考虑了烟叶化学品质集对分析可能出现等级界限值不易确定的情况，按照化学成分实测值所属等级确定联系度，并以权重值量化同一度、差异度和对立度，降低了不同等级界限值选取造成的结果判断不一的可能性，并且更符合化学品质评价的实际。

3、本文发明采用等级相关系数进一步量化了差异度系数，使得最终结果不仅可以用于化学品质的分类，而且可以实现同等级内烟叶化学品质的优劣判断，提高了评价结果的丰富性。

附图说明

图1为本发明提供一种烟叶化学品质的评价方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中化学品质的最终表现示意图。

具体实施方式

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

1、根据《中国烟叶质量白皮书》、《中国烟草种植区划》并结合实际工作选取烟碱、糖碱比、氮碱比、还原糖、总氮、钾、氯和总糖作为化学品质评价指标，并建立了评价等级标准(表1)。

表1烤烟化学成分评价标准

2、选取某产区8个烟叶样本采用连续流动仪法进行化学成分检测，实测值如表2。

表2化学成分指标值实测数据

3、化学成分指标的组合权重

采用Pearson相关系数法、Spearman相关系数法、灰色相似关联度法和变异系数法确定各项化学成分指标的权重并计算标准差。

表3单一方法化学成分指标权重及标准差

由表3可知，变异系数法所得化学成分指标的权重标准差最大，因此，将其作为权重调整的对象，并计算该方法与另三种方法的欧氏距离大小。

表4变异系数法与另三种方法间欧氏距离大小

由表4可知，与变异系数法欧氏距离最小的是Spearman相关系数法，其次是灰色相似关联度法，因此，选择上述两种方法作为变异系数法权重调整的上下限范围。

如表5所示。经过三次调整，变异系数法所得权重值符合要求。

第一次调整时，氯、烟碱、总糖均在范围内，不需调整，钾的权重值0.1410大于上限值0.1191，将钾的权重值调整为0.1191，剩余指标按照式(10)进行调整，如还原糖的权重＝(0.1410-0.1191)*0.1035/(0.1192+0.1035+0.0417+0.2283)+0.1035＝0.1245，总氮、氮碱比和糖碱比同理进行调整。

第一次调整完成后发现，总氮的权重值0.1081低于下限值0.1175，将总氮的权重值调整为0.1175，剩余指标按照式(11)进行调整，如氮碱比的权重＝(0.1081-0.1175)*0.0436/(0.1081+0.0436+0.2385)+0.0436＝0.0421，糖碱比同理进行调整。

第二次调整完成后发现，氮碱比的权重值0.0421低于下限值0.1337，将氮碱比的权重值调整为0.1337，剩余指标按照式(11)进行调整，如糖碱比的权重＝(0.0421-0.1337)*0.2305/(0.0421+0.2305)+0.2305＝0.1389。至此，经过三次调整，各化学成分指标的权重值均在要求的上下限范围内，满足要求，标准差为0.0119，均小于四种单一权重确定方法的标准差。

表5变异系数法的权重调整

4、改进的集对分析模型

1)不同烟叶样本化学成分与评价标准的同一度、差异度和对立度

以样本1为例，样本1的氯含量落在Ⅰ级，烟碱、氮碱比落在Ⅱ级，钾、总氮落在Ⅲ级，总糖、糖碱比落在Ⅳ级，还原糖落在Ⅵ级。对于Ⅰ级标准来说，氯在所属等级范围内，烟碱、氮碱比在相邻等级范围内，钾、总氮、总糖、糖碱比和还原糖在相隔等级范围内，则样本1与Ⅰ级标准的同一度a＝w_氯＝0.1287、差异度b＝w_烟碱+w_氮碱比＝0.1354+0.1337＝0.2691、对立度c＝w_钾+w_总糖+w_还原糖+w_总氮+w_糖碱比＝0.1191+0.1023+0.1245+0.1175+0.1389＝0.6023。

表6不同样本化学成分与不同等级的同一度、差异度和对立度

2)求取差异度系数i

根据差异度系数大小可以求出联系度μ的具体数值。计算可得，r_ba＝0.4081，r_bc＝-0.8756，按照式(13)，则差异度系数i＝-0.8756。将差异度系数带入公式(12)，即可得到不同烟叶样本与评价等级标准的联系度大小(表7)。

表7不同烟叶样本与评价标准的联系度

3)综合评价

联系度μ值越大，表明该烟叶样本与某等级标准的紧密度越高，依据最大隶属度原则，即可判定为该等级；对于处于同一等级的样品联系度μ值越大，说明该烟叶样本化学品质越优。

对表7整理后可得下图，由图2可以看出，8个烟叶样本可以分为四个级别，分别为Ⅰ级～Ⅳ级，其中Ⅰ级中8号样本的化学品质最优。整体化学品质排序优劣排序为8号＞4号＞2号＞5号＞6号＞7号＞3号＞1号。

Claims (3)

1.一种烟叶化学品质的评价方法，其特征在于，该评价方法包括如下步骤：

步骤1：根据实际评价需要，选取烟叶化学品质的评价指标；

步骤2：根据质量目标及产区表现，建立化学成分指标的多级评价标准；

步骤3：采用Pearson相关系数法、Spearman相关系数法、灰色相似关联度法和变异系数法四种客观赋权法确定化学成分的权重，四种权重的计算公式如下：

对于Pearson相关系数法，权重的计算公式为：

式中，r_i,1为化学成分指标间的Pearson相关系数，

为第i个化学成分指标与其他化学成分指标的Pearson相关系数均值，i＝1,2,L,n，n为化学指标个数；

对于Spearman相关系数法，权重的计算公式为：

式中，r_i,2为化学成分指标间的Spearman相关系数，

为第i个化学成分指标与其他化学成分指标的Spearman相关系数均值，n为化学指标个数；

对于灰色相似关联度法，设两个化学指标序列分别为X_i＝(x_i(1),x_i(2),L,x_i(m))和

首先计算两序列的初值像分别为X′_i＝(x′_i(1),x′_i(2),L,x′_i(m))和

然后计算两序列初值像的始点零化像分别为

和

令

则

式中，m为参评烟叶样本个数，r_i,3为化学成分指标间的灰色相似关联度，

为第i个化学成分指标与其他化学成分指标的灰色相似关联度均值；

对于变异系数法，权重的计算公式为：

式中，CV_i为第i个化学成分指标的变异系数；

步骤4：计算四种方法所得权重的标准差s_i，选择标准差最大的方法作为权重调整的对象w'；计算w'与另外三种方法的欧氏距离d_j，将d_j按照升序排列，选择排名前两位的方法组成权重调整的上下限范围，其中最大值为a_i，最小值为b_i；

欧氏距离d_j的计算公式为：

式中，w_i,j表示第j种权重确定方法，j＝1,2,3；

步骤5：若w′_i所得的权重均在[b_i,a_i]范围内，则不需调整；否则按照以下方法对w′_i所得的权重进行调整，直至满足范围；最终确定的各项化学成分指标权重为

1)w′_i∈(b_i,a_i)时，

2)当w′_i≥a_i时，w′_i＝a_i，w′_i较a_i变化的部分由其他化学成分指标按照下式进行分配；

3)当w′_i≤b_i时，w′_i＝b_i，w′_i较b_i变化的部分由其他化学成分指标按照下式进行分配；

步骤6：基于集对分析，采用化学成分指标的权重值计算不同烟叶样本化学成分指标与不同等级标准的联系度，具体为若化学成分实际值属于评价等级范围内，则认为属于同一度，若化学成分实际值属于相邻的评价等级范围内，则认为属于差异度，若化学成分实际值属于相隔的评价等级范围内，则认为属于对立度；对比差异度与同一度、差异度与对立度的Spearman等级相关系数绝对值大小确定差异度系数；

化学成分指标与等级之间的联系度μ为：

式中，a、b、c分别为同一度、差异度和对立度，S为化学成分实际值属于评价等级范围内的指标个数，P为化学成分实际值属于相邻的评价等级范围的指标个数，F为化学成分实际值属于相隔的评价等级范围的指标个数；i和j是差异度和对立度系数，规定i取值[-1,1]，j值恒为-1；

分别计算差异度数组b与同一度数组a、差异度数组b与对立度数组c的Spearman等级相关系数r_ba、r_bc，并将绝对值大的值作为i的取值；即：

步骤7：根据最大隶属度原则确定不同样本化学品质等级，根据联系度大小对不同样本化学品质进行排序。

2.如权利要求1所述的烟叶化学品质的评价方法，其特征在于，所述步骤2中多级评价标准，第一等级为最优。

3.如权利要求1所述的烟叶化学品质的评价方法，其特征在于，所述步骤6中，同一度、差异度和对立度的量化值为化学成分指标权重的加和。

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