浙江春江茶葉機(jī)械有限公司(原富陽茶葉機(jī)械總廠)是國內(nèi)茶機(jī)行業(yè)的老牌企業(yè)，建廠至今已有五十年歷史。為提升茶機(jī)產(chǎn)品再次創(chuàng)新發(fā)展，進(jìn)一步發(fā)揮企業(yè)產(chǎn)品的優(yōu)勢，12月4日在春江茶機(jī)公司舉行了業(yè)內(nèi)專家座談會。參加座談會的有中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院院長尹祎，中國農(nóng)科院茶葉研究所副所長江用文，浙江省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心研究員陸德彪、浙江省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心正高級農(nóng)藝師俞燎遠(yuǎn)、浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機(jī)裝備所所長俞國紅、中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究所裝備中心主任唐小林、中國農(nóng)科院茶葉研究所研究員權(quán)啟愛、浙江大學(xué)茶葉系教授龔淑英、浙江大學(xué)智能農(nóng)機(jī)裝備所所長王俊、浙江工業(yè)大學(xué)教授張憲、浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣總站副站長余文勝、浙江省農(nóng)機(jī)工業(yè)行業(yè)協(xié)會秘書長王亞飛等十二位專家。金鑫集團(tuán)董事長劉金賢、春江茶機(jī)總經(jīng)理朱銘燦、春江茶機(jī)副總周仁桂及技術(shù)、營銷、生產(chǎn)、質(zhì)檢等各部門相關(guān)負(fù)責(zé)人參加座談。
參加座談的各位專家首先參觀了春江茶機(jī)新廠區(qū)生產(chǎn)加工車間、生產(chǎn)線樣機(jī)場地以及茶葉加工設(shè)備，對公司目前生產(chǎn)的產(chǎn)品、生產(chǎn)加工流程、新產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新等進(jìn)行詳細(xì)詢問了解。
隨后在公司會議室開展座談會。首先由集團(tuán)董事長劉金賢對參會的各位專家表示熱烈歡迎，感謝幾十年來一直關(guān)心支持春江茶機(jī)的進(jìn)步發(fā)展，并簡要介紹了集團(tuán)公司集機(jī)械制造、電氣電子、商貿(mào)地產(chǎn)、礦產(chǎn)、城市綜合體五大模塊的實(shí)體經(jīng)濟(jì)及運(yùn)營情況，并表示：金鑫集團(tuán)發(fā)展到今天其基礎(chǔ)離不開茶機(jī)，我對春江茶機(jī)一直不忘初心，堅持以集團(tuán)做后循，支持茶機(jī)的創(chuàng)新發(fā)展，服務(wù)好廣大客戶，在原有基礎(chǔ)上把茶機(jī)產(chǎn)品發(fā)展的更好。最后劉董事長請與會專家對春江茶機(jī)今后發(fā)展的導(dǎo)向和茶機(jī)產(chǎn)品改進(jìn)(轉(zhuǎn)型升級)創(chuàng)新多提寶貴建議。
本次座談會主要圍繞國內(nèi)茶機(jī)的發(fā)展情況、今后的市場需求方向、茶機(jī)行業(yè)新動態(tài)以及如何做好對茶廠、茶農(nóng)的服務(wù)工作，今后連續(xù)化生產(chǎn)線的改進(jìn)方向進(jìn)行了詳細(xì)交流。
各位專家聽了劉董事長的簡短介紹，對金鑫集團(tuán)有了更全面的了解。春江茶機(jī)目前是金鑫集團(tuán)下屬的子公司，從創(chuàng)建到現(xiàn)在50年一直重視茶機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造與銷售，在國內(nèi)同行業(yè)中有較好的口碑 實(shí)屬不易。目前從行業(yè)前景來看，茶產(chǎn)業(yè)還是一個朝陽產(chǎn)業(yè)，可以持續(xù)投入發(fā)展的行業(yè)，但要迎合國家高質(zhì)量發(fā)展的要求，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流還是要工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)，企業(yè)發(fā)展總體上較快，但相比其他農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)水平還可以提高，機(jī)械化發(fā)展任重道遠(yuǎn);還有茶機(jī)單機(jī)產(chǎn)品，做的還不夠精致。雖然春江公司是老牌的頂尖企業(yè)，功底較扎實(shí)，但工藝、加工都還要需不斷創(chuàng)新開拓，保持持續(xù)發(fā)展。
與會專家認(rèn)為：整個茶機(jī)行業(yè)發(fā)展，浙江是茶機(jī)制造業(yè)強(qiáng)省，匯聚著一批龍頭企業(yè)，實(shí)力強(qiáng)，品種多。但是隨著一大批茶機(jī)小型企業(yè)不斷涌現(xiàn)(特別名優(yōu)茶機(jī))茶機(jī)發(fā)展要走穩(wěn)定和創(chuàng)新。主要的名優(yōu)大眾茶機(jī)要穩(wěn)定下來，推廣相對比較標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)線;要推動茶機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化：逐漸形成品牌，加大茶機(jī)清潔化改進(jìn)，在設(shè)備的原材料及一些關(guān)鍵核心部件做改進(jìn)，以智能化數(shù)字化走向發(fā)展為重點(diǎn)。
與會專家認(rèn)為：企業(yè)要與時俱進(jìn)，目前產(chǎn)品相對還太傳統(tǒng)，智能化方面還是不足，創(chuàng)新方面有待提升，可以與多個研究院高校開展合作，嫁接其他行業(yè)中優(yōu)秀的內(nèi)容，進(jìn)一步做創(chuàng)新。分析下行業(yè)中，思考我企業(yè)市場里的優(yōu)勢，突出優(yōu)勢，發(fā)揮幾個茶葉工藝的優(yōu)勢，不要全部包攬，做精做好，可向集團(tuán)其他行業(yè)學(xué)習(xí)，比如芯片的運(yùn)用，是否嫁接到茶葉機(jī)械中，提升一個新的創(chuàng)新水平。茶機(jī)是制造食品的加工機(jī)械，今后要涉及到食品安全問題，材料方面要做到引領(lǐng);多發(fā)展成套設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在茶機(jī)企業(yè)不斷涌現(xiàn)的當(dāng)下，企業(yè)要有危機(jī)感，以不斷提升質(zhì)量、技術(shù)，增加自身競爭力。
來源：茗邊
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由中國農(nóng)業(yè)機(jī)械協(xié)會、中國茶葉學(xué)會、浙江省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳機(jī)化與數(shù)字化處作為指導(dǎo)單位，浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)行業(yè)協(xié)會、浙江省茶葉產(chǎn)業(yè)協(xié)會主辦，杭州思迪展覽服務(wù)有限公司作為執(zhí)行單位的2022首屆中國茶葉智能機(jī)械裝備博覽會將于2022年11月11日-13日在浙江湖州德清國際展覽中心舉行。
據(jù)悉，本次博覽會將舉行茶機(jī)購機(jī)補(bǔ)貼政策座談會、茶葉智能化加工技術(shù)論壇、茶機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂和茶機(jī)新產(chǎn)品發(fā)布等配套活動。參展產(chǎn)品涵蓋茶園管理、茶葉收獲、茶葉初制和精制加工、包裝機(jī)械和裝備等茶葉生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)械裝備。
本屆博覽會旨在為中國茶企提供全面、綜合的設(shè)備考察和采購的平臺。隨著茶企發(fā)展的不斷壯大，其企業(yè)設(shè)備的智能化、規(guī)模化、體系化也成為企業(yè)發(fā)展的核心要素，同時，茶機(jī)設(shè)備的不斷更新和提升，也需要一個更專業(yè)、更全面的展示舞臺，因此，籌辦中國茶葉智能機(jī)械裝備博覽會是一次具有提升中國茶企內(nèi)動力的嘗試。
我國茶產(chǎn)業(yè)經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，已經(jīng)呈現(xiàn)出規(guī)模增長而效益徘徊的現(xiàn)象，產(chǎn)業(yè)升級擺在產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面前的重大課題，產(chǎn)業(yè)升級的核心是提升茶產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量與效率，圍繞這個核心，產(chǎn)業(yè)升級所涉及的內(nèi)容非常廣泛，任務(wù)十分艱巨，而茶葉智能機(jī)械裝備也是其中非常重要的一項(xiàng)環(huán)節(jié)。
大幅提升茶葉種植和初、精制加工環(huán)節(jié)的技術(shù)水平與機(jī)械化程度，升級傳統(tǒng)茶業(yè)的種植方式與加工方式，這是世界農(nóng)業(yè)的大趨勢，更是傳統(tǒng)茶業(yè)的必由之路。事實(shí)上，全球范圍農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的品種優(yōu)化和植物病蟲害防治等方面的新技術(shù)新產(chǎn)品層出不窮，各種智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械和裝備日新月異，中國茶行業(yè)必須加快引進(jìn)和應(yīng)用，甚至針對中國名優(yōu)茶的特點(diǎn)，我們應(yīng)該加大自主研發(fā)與生產(chǎn)的投入，盡快形成我們自有的技術(shù)、產(chǎn)品與裝備體系。
在我們的印象中，如此具有完整性、系統(tǒng)性的進(jìn)行茶機(jī)械成果展示在國內(nèi)尚屬首次，這不僅僅是一場展示會，也反映了我國茶產(chǎn)業(yè)興旺發(fā)展的成果與探索。從另一個方面來講本次博覽會將主場設(shè)在浙江也反映了浙江省在茶業(yè)機(jī)械化、智能化、數(shù)字化的科技引領(lǐng)方面確實(shí)是領(lǐng)先于全國。
從單機(jī)械研發(fā)到連續(xù)化機(jī)械的產(chǎn)生再到現(xiàn)階段智能化機(jī)械的生產(chǎn)我們確實(shí)可以看到中國茶產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，而首屆中國茶葉智能機(jī)械裝備博覽會的舉行正是在向茶產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展邁出堅實(shí)的步伐。也可以說，這一次兜底式的展覽將為推動茶機(jī)械行業(yè)甚至茶行業(yè)的發(fā)展作出強(qiáng)有力的支持。
參展單位：
浙江珠峰機(jī)械有限公司
浙江銀球機(jī)械有限公司
浙江九奇機(jī)械有限公司
浙江上洋機(jī)械股份有限公司
浙江上河茶葉機(jī)械有限公司
浙江落合農(nóng)林機(jī)械有限公司
浙江恒峰科技開發(fā)有限公司
浙江豐凱機(jī)械股份有限公司
浙江春江茶葉機(jī)械有限公司
浙江唐詩之路控股集團(tuán)有限公司
浙江武義萬達(dá)干燥設(shè)備制造有限公司
浙江川崎茶葉機(jī)械有限公司
武義華帥茶葉瓜子機(jī)械有限公司
臺州集英農(nóng)林科技有限公司
寧波市姚江源機(jī)械有限公司
黃山市雄偉茶葉機(jī)械有限公司
新昌縣均一機(jī)械有限公司
安吉元豐茶葉機(jī)械有限公司
安吉孝豐強(qiáng)升機(jī)械廠
安徽中科光電色選機(jī)械有限公司
安徽捷迅光電技術(shù)有限公司
來源：茗邊
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茶產(chǎn)業(yè)作為我國特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，承擔(dān)著支撐茶區(qū)經(jīng)濟(jì)、滿足健康消費(fèi)、穩(wěn)定擴(kuò)大就業(yè)、服務(wù)鄉(xiāng)村振興的重要任務(wù)。揉捻是茶葉加工的一道關(guān)鍵工序，主要有三個目的：一是揉捻茶葉成形，為成品茶外形打基礎(chǔ)，二是使茶葉細(xì)胞破損、茶汁溢出，三是為后續(xù)茶葉加工做準(zhǔn)備。揉捻機(jī)是目前能夠完成茶葉揉捻工藝的主要設(shè)備，主要由揉捻盤、揉捻桶與加壓裝置、傳動機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成，揉桶在曲柄等機(jī)構(gòu)的帶動和控制下，在揉捻盤上做相對偏揉捻軸中心的橫向旋轉(zhuǎn)。茶葉在揉桶中隨著揉桶的運(yùn)動不斷往復(fù)翻轉(zhuǎn)，并在揉盤上進(jìn)行來回揉搓，逐步卷縮成條。
目前，我國茶葉花色繁多，揉捻工藝要求各有不同，揉捻速度、揉捻壓力、揉捻時間設(shè)置不能一概而論，難以給出揉捻參數(shù)具體確定值。揉捻茶葉時，制茶者需要有一定的制茶經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際的鮮葉狀況和環(huán)境條件對工藝進(jìn)行選擇，揉捻工藝受人主觀能動性影響，易造成揉捻品質(zhì)不一。張問采等提出利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對茶葉原產(chǎn)地的溫度、氣候、海拔等地理信息進(jìn)行系統(tǒng)收集，建立茶葉加工工藝參數(shù)庫，以確保茶葉揉捻加工工藝的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性。新技術(shù)與揉捻工藝的結(jié)合能夠智能選擇揉捻工藝參數(shù)，對當(dāng)前茶葉揉捻設(shè)備發(fā)展具有一定現(xiàn)實(shí)意義。
文章基于XGBoost算法設(shè)計茶葉揉捻推薦系統(tǒng)，通過對鮮葉等級、茶葉種類、茶葉產(chǎn)地以及揉捻機(jī)型號作為系統(tǒng)輸入，能夠?qū)θ嗄硐嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行推薦。
▲ 浙江春江茶葉機(jī)械揉捻機(jī)組
01
方法原理
1、隨機(jī)森林算法
隨機(jī)森林算法(Random Forest)是一種集成學(xué)習(xí)方法，通過構(gòu)建多個決策樹來進(jìn)行分類或回歸。隨機(jī)森林是從原始訓(xùn)練樣本集N中重復(fù)抽取k個樣本生成新的訓(xùn)練樣本集合，然后根據(jù)自助樣本集生成k個分類樹組成隨機(jī)森林，新數(shù)據(jù)的分類結(jié)果按分類樹投票多少形成的分?jǐn)?shù)而定。其實(shí)質(zhì)就是將多個決策樹合并在一起，大大提高決策樹的運(yùn)算效率，每棵樹都是從一個獨(dú)立樣本中抽取出來的，并且其分布也是一致的，所以分類誤差取決于每棵樹的分類能力以及樹之間的相關(guān)性。CART決策樹是隨機(jī)森林算法弱分類器的核心部分，優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)數(shù)據(jù)集的因變量是離散型數(shù)值時，此樹就是分類樹;當(dāng)數(shù)據(jù)集的因變量是連續(xù)性數(shù)值時，此樹就是回歸樹，預(yù)測值可以用葉節(jié)點(diǎn)觀察的均值來表示。
隨機(jī)森林算法容易實(shí)現(xiàn)，在訓(xùn)練速度方面和訓(xùn)練高度并行化方面也具有明顯優(yōu)勢，還能進(jìn)行模型融合，提高模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。并且由于采用了隨機(jī)采樣，可以訓(xùn)練出方差小、泛化能力強(qiáng)的模型。
2、XGBoost算法
XGBoost算法(eXtreme Gradient Boosting)是一種強(qiáng)大集成學(xué)習(xí)方法，同時支持CART樹和線性分類器為基分類器，基于前向分布算法實(shí)現(xiàn)加法模型的集成學(xué)習(xí)方法。集成模型的基本理念是通過構(gòu)建一系列弱基礎(chǔ)模型來構(gòu)建一個強(qiáng)大的模型。XGBoost算法核心思想是通過持續(xù)的增加樹，不停地進(jìn)行特征分裂來生長一棵樹、添加一個樹的過程，實(shí)際上就是學(xué)習(xí)一個新函數(shù)的過程，擬合上次預(yù)測的殘差。構(gòu)建出k棵樹，并且每棵樹都能夠模型化，從而模型化出每個樣本的分值，從而達(dá)到對未知值的準(zhǔn)確估計。通過觀察這個樣本的特征，會發(fā)現(xiàn)它會落在每棵樹的一個對應(yīng)的葉節(jié)點(diǎn)上，每個葉節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個分?jǐn)?shù)。最后，只需要將每棵樹的相應(yīng)分?jǐn)?shù)相加，就可以得到樣本的預(yù)測值。
XGBoost算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)簡單易用，提供API方便用戶使用。
(2)靈活性高，可應(yīng)用于多種類型數(shù)據(jù)集和任務(wù)，包括分類、回歸、排名和推薦等。
(3)準(zhǔn)確率高，在分類和回歸問題上可以達(dá)到其它算法難以匹敵的準(zhǔn)確率。
(4)可解釋強(qiáng)，提供豐富的特征重要性評估方法，可幫助用戶理解模型預(yù)測過程。
3、支持向量機(jī)
支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)是一種常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，主要用于分類和回歸問題。它的基本原理是通過找到一個最優(yōu)的超平面，將數(shù)據(jù)分為不同的類別。最優(yōu)超平面是n-1維的線性子空間，其中n是數(shù)據(jù)的特征維數(shù)。例如，如果數(shù)據(jù)有兩個特征，那么超平面是一維的線性子空間，也就是一個直線;如果數(shù)據(jù)有三個特征，那么超平面是個二維的線性子空間，也就是一個平面。在二維空間中，超平面就是一個直線，它將數(shù)據(jù)分為兩個類別。通過SVM，可以利用一些數(shù)學(xué)技術(shù)，將復(fù)雜的高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為簡單的低維數(shù)據(jù)，從而有效地解決高維數(shù)據(jù)分析的問題。
支持向量機(jī)算法具有適應(yīng)性廣泛、可解釋性強(qiáng)、計算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。支持向量機(jī)算法可用于線性和非線性問題，在分類和回歸任務(wù)中表現(xiàn)出色，預(yù)測精度高，還能夠清晰表示分類和回歸的決策邊界和數(shù)據(jù)分布情況。
02
模型搭建
1、模型搭建及訓(xùn)練測試
根據(jù)XGBoost的算法原理并使用Python語言，構(gòu)建出XGBoost算法測試模型框架，如圖1所示。一共分為四個部分，一是樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理，二是參數(shù)調(diào)優(yōu)，三是模型訓(xùn)練，四是模型預(yù)測。
(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理
文章數(shù)據(jù)是由廣西昭平仙峰茶廠提供，獲取時間為2023年3~4月。在當(dāng)?shù)?位制茶師傅的指導(dǎo)下，采用6CR-35型茶葉揉捻機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息如表1所示。試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)還不能直接使用，因?yàn)槌跏紨?shù)據(jù)中包含揉捻品質(zhì)指標(biāo)不符合揉捻機(jī)性能指標(biāo)的揉捻參數(shù)數(shù)據(jù)，會降低模型學(xué)習(xí)效率和預(yù)測精度。在數(shù)據(jù)使用前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，此次試驗(yàn)預(yù)處理主要為數(shù)據(jù)清理和數(shù)據(jù)劃分。
· 數(shù)據(jù)清理
在當(dāng)?shù)刂撇鑾煾抵笇?dǎo)下采用6CR-35型茶葉揉捻機(jī)對三級鮮葉制成紅茶春茶來進(jìn)行揉捻，揉捻過程中受人主觀能動性影響。試驗(yàn)獲取的100組數(shù)據(jù)中，有8組數(shù)據(jù)的破茶率、成條率、細(xì)胞破碎率不符合35型茶葉揉捻機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，這些數(shù)據(jù)對后續(xù)揉捻參數(shù)預(yù)測沒有相關(guān)性，模型分析預(yù)測數(shù)據(jù)時需要去除這些數(shù)據(jù)。
· 數(shù)據(jù)劃分
將剩余92組數(shù)據(jù)按照9∶1的比例分為訓(xùn)練樣本和測試樣本。訓(xùn)練樣本用于算法迭代學(xué)習(xí)，測試樣本用于檢測算法預(yù)測效果。
(2)參數(shù)調(diào)優(yōu)
XGBoost算法參數(shù)包括通用參數(shù)、Booster參數(shù)和學(xué)習(xí)目標(biāo)參數(shù)。通用參數(shù)能夠進(jìn)行宏觀函數(shù)控制，Booster參數(shù)控制決策樹生成和組合過程，學(xué)習(xí)目標(biāo)參數(shù)能夠控制訓(xùn)練目標(biāo)。
· 通用參數(shù)：
①booster：用于選擇每次迭代模型的類別。booster參數(shù)有g(shù)btree和gblinear兩種選擇，gbtree是基于樹結(jié)構(gòu)來構(gòu)建模型，而gblinear是基于線性分類器來構(gòu)建模型。②silent：用于決定運(yùn)行過程中是否產(chǎn)生輸出。
· Booster參數(shù)
①n_estimators：樹的數(shù)量，用于控制模型的復(fù)雜度和訓(xùn)練時間。②learning_rate：學(xué)習(xí)率，用于控制模型參數(shù)的更新速度，并且通過不斷降低學(xué)習(xí)率來提升模型的準(zhǔn)確性。③gamma：控制節(jié)點(diǎn)分裂需要的最小目標(biāo)函數(shù)下降量，用于控制樹的生長和防止過擬合。④subsample：樣本采樣比例，用于控制每個樹節(jié)點(diǎn)上的樣本數(shù)量。⑤colsample_bytree：控制每棵樹中列的子采樣比例。⑥colsample_bylevel：控制每一層中列的子采樣比例。⑦max_depth：樹的最大深度，用于控制樹的復(fù)雜度，并避免過擬合。⑧max_delta_step：樹模型權(quán)重改變的最大步長，控制每個樹模型權(quán)重改變的最大步長，防止過擬合。⑨lambda和alpha：正則項(xiàng)中λ和γ的權(quán)重，減少模型過擬合。⑩scale_pos_weight：調(diào)整正樣本的權(quán)重，提高模型的分類準(zhǔn)確率。
· 學(xué)習(xí)目標(biāo)參數(shù)
①objective：指訓(xùn)練模型時所采用的損失函數(shù)，常見的有reg：linear、reg：logistic、binary：logistic等。②eval_metric：評估模型性能指標(biāo)，常見的有rmse、mae、errors等。
· GridSearch是一種參數(shù)調(diào)優(yōu)方法，通過在指定的參數(shù)范圍內(nèi)搜索最優(yōu)參數(shù)組合來優(yōu)化模型性能。其步驟如下：
①確定需要調(diào)優(yōu)的參數(shù)和參數(shù)取值范圍。②將參數(shù)和參數(shù)取值范圍組合成一個參數(shù)網(wǎng)格。③通過采用交叉驗(yàn)證的方式，對各種參數(shù)組合進(jìn)行全面的性能評估。④選擇最優(yōu)的參數(shù)組合，并使用所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)重新訓(xùn)練模型。⑤對數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，評估模型性能。
在實(shí)際應(yīng)用中，由于參數(shù)組合數(shù)量可能很大，所以使用GridSearch時需要注意以下幾點(diǎn)：①盡量限制參數(shù)取值范圍，避免搜索空間過大。②優(yōu)先選擇影響模型性能最大的參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)。③結(jié)合模型的特性和實(shí)際需求，選擇合適的交叉驗(yàn)證方式。④可以使用并行計算加速參數(shù)搜索。
利用網(wǎng)格尋優(yōu)調(diào)優(yōu)方法分別對茶葉揉捻工藝中揉捻轉(zhuǎn)速(A)、空揉時間(B)、一次輕壓(C)、一次輕壓時間(D)、重壓(E)、重壓時間(F)、二次輕壓(G)、二次輕壓時間(H)的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格尋優(yōu)，其最優(yōu)參數(shù)組合如表2所示。
(3)模型評價指標(biāo)
在評價模型的預(yù)測能力時，通常采用平均絕對誤差(Mean Absolute Error，MAE)、均方根誤差(Root Mean Squared Error，RMSE)、平均絕對百分比誤差(Mean Absolute Percentage Error，MAPE)作為模型評價指標(biāo)。平均絕對誤差是預(yù)測值與真實(shí)值之間誤差絕對值的平均值，反映了預(yù)測誤差的實(shí)際情況;均方根誤差是預(yù)測值與真實(shí)值之間誤差平方和與樣本數(shù)量比值的平方根，反映了誤差分布的離散程度;平均絕對百分比誤差是比較預(yù)測值與真實(shí)值之間相對誤差絕對值的平均值的大小，反映了預(yù)測誤差與真實(shí)值的相對大小。其表達(dá)式如式1、2、3所示，RMSE指標(biāo)、MAE指標(biāo)、MAPE指標(biāo)得分越小，預(yù)測效果越好。
2、預(yù)測結(jié)果分析
三種算法模型對揉桶轉(zhuǎn)速、空揉時間、一次輕壓、一次輕壓時間、重壓、重壓時間、二次輕壓、二次輕壓時間預(yù)測評價結(jié)果分別如表3所示。從RMSE、MAE、MAPE三項(xiàng)評價指標(biāo)結(jié)果來看，XGBoost模型評價指標(biāo)數(shù)值最小、算法優(yōu)勢顯著，這表明在最優(yōu)參數(shù)組合的選擇下，XGBoost算法模型的預(yù)測能力較好，因此系統(tǒng)將XGBoost算法作為茶葉揉捻推薦系統(tǒng)的核心，僅使用XGBoost算法模型進(jìn)行下一步分析預(yù)測。
03
推薦系統(tǒng)軟件設(shè)計
1、系統(tǒng)環(huán)境
系統(tǒng)硬件環(huán)境和軟件環(huán)境具體介紹如表4和表5所示。
2、系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)及展示
(1)信息獲取模塊
茶葉推薦系統(tǒng)的信息獲取界面可讀取用戶選擇或輸入的相關(guān)參數(shù)，完成相關(guān)數(shù)據(jù)輸入功能。用戶在該界面上選擇茶葉種類、茶葉類型等信息，并將上述參數(shù)以文本讀取方式發(fā)送至數(shù)據(jù)處理層，進(jìn)行相關(guān)揉捻參數(shù)預(yù)測。
在信息獲取界面中需要對茶葉等級、茶葉種類、揉捻機(jī)型號、茶葉產(chǎn)地信息進(jìn)行輸入。2016年，中國工業(yè)和信息化部頒布了JB/T 12835—2016行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定茶葉等級，并以其特定的長度和比例，對茶葉級別進(jìn)行了精確的劃分。鮮葉長度不大于30 mm的占60%以上的為一級鮮葉、鮮葉長度不大于40 mm的占70%以上的為二級鮮葉、鮮葉長度不大于50 mm的占70%以上的為三級鮮葉、其它鮮葉為四級鮮葉。茶葉種類根據(jù)茶葉品種和制茶季節(jié)進(jìn)行劃分，主要劃分為紅茶春茶、紅茶秋茶、綠茶春茶、綠茶秋茶四個類別。茶葉揉捻機(jī)型號按照揉捻桶直徑大小可分為25型、35型、45型、55型等。
(2)揉捻參數(shù)推薦模塊
信息獲取層模塊將獲得的茶葉相關(guān)信息按照其所屬的茶葉等級、茶葉種類、揉捻機(jī)型號以及茶葉產(chǎn)地信息進(jìn)行分類，找到對應(yīng)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)歷史制茶經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中揉捻品質(zhì)數(shù)據(jù)和揉捻工藝數(shù)據(jù)對XGBoost模型訓(xùn)練，此系統(tǒng)內(nèi)將最優(yōu)揉捻品質(zhì)參數(shù)作為模型輸入來預(yù)測茶葉揉捻工藝參數(shù)。
此揉捻參數(shù)推薦系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)保存、用戶管理、操作日志、幫助文檔功能，數(shù)據(jù)保存指的是可對當(dāng)前獲取信息以及推薦信息按照當(dāng)前鮮葉等級、茶葉種類、揉捻機(jī)型號、茶葉產(chǎn)地的不同進(jìn)行分類保存。用戶管理模塊僅涉及個人信息管理，用戶可通過設(shè)定好的賬號密碼進(jìn)行登錄。操作日志管理記錄系統(tǒng)運(yùn)行情況，主要是系統(tǒng)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的信息日志。幫助文檔主要闡述了此推薦系統(tǒng)設(shè)計目的以及其使用場景。
04
推薦系統(tǒng)測試
1、試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)指標(biāo)
揉捻推薦系統(tǒng)主要功能是根據(jù)不同類型鮮葉狀態(tài)來推薦其揉捻參數(shù)，為了驗(yàn)證推薦揉捻參數(shù)的實(shí)用性，主要選取了茶葉揉捻后的碎茶率、成條率、細(xì)胞破壞率進(jìn)行測定。
(1)碎茶率測定
試驗(yàn)碎茶率測定是通過稱重完成的。在揉捻試驗(yàn)完后，取出茶葉進(jìn)行稱重，稱重后通過網(wǎng)篩進(jìn)行篩選，再將篩除的碎末碎葉進(jìn)行稱重。碎茶重量再除以茶葉總重得到破碎率，具體公式如式4所示。
式中：S為碎茶率;mS為碎茶重量;m為茶葉總重量。
(2)成條率測定
試驗(yàn)成條率測定也是通過稱重完成的。在揉捻試驗(yàn)結(jié)束后，取出茶葉進(jìn)行稱重，挑出成條進(jìn)行稱重。成條率可通過成條葉重量除以茶葉總重，具體公式如式5所示。
式中：C為成條率;mC為成條茶葉重量;m 為茶葉總重。
(3)細(xì)胞破壞率測定
采用計算機(jī)圖像處理技術(shù)來進(jìn)行茶葉細(xì)胞破壞率測定。取揉捻好的茶葉若干，放入100 ℃水浴處理15 min;在當(dāng)前溫度和處理時間下，破碎細(xì)胞外溢，茶多酚氧化形成茶色素并對受損細(xì)胞進(jìn)行染色。將處理過的茶葉展開在白紙上進(jìn)行拍照;將圖片導(dǎo)入電腦、采用Grabcut算法刪除背景;根據(jù)顏色特征計算染色面積與葉片面積比值，得到細(xì)胞破壞率。
2、推薦系統(tǒng)參數(shù)試驗(yàn)
現(xiàn)對一批鮮葉進(jìn)行揉捻參數(shù)推薦，鮮茶產(chǎn)地來源于廣西昭平，鮮葉等級為三級，采用35型茶葉揉捻機(jī)進(jìn)行揉捻，所要制成茶葉種類為紅茶春茶。揉捻參數(shù)推薦系統(tǒng)接收到信息獲取層所傳送的相關(guān)信息，找到鮮葉等級為三級鮮葉、茶葉種類為紅茶春茶、揉捻機(jī)型號為35型、茶葉產(chǎn)地為廣西昭平的數(shù)據(jù)庫。由于當(dāng)前茶葉揉捻機(jī)采用的是固定位置揉捻，所以試驗(yàn)中以下降距離為控制參數(shù)。對數(shù)據(jù)庫里歷史揉捻參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并推薦出茶葉揉捻工藝參數(shù)，揉捻轉(zhuǎn)速35 r/min、空壓揉捻時間為15 min、一次輕壓位置為8 cm處、揉捻時間為11 min、重壓壓力位置為13 cm處、重壓時間10 min、第二次輕壓壓力大小為7 cm處、揉捻時間為13 min。將揉捻工藝參數(shù)應(yīng)用到35型茶葉揉捻機(jī)進(jìn)行揉捻，揉捻結(jié)束后取出部分茶葉，進(jìn)行篩選、稱重，計算破茶率和成條率，并用計算機(jī)圖像處理技術(shù)檢測茶葉揉捻后細(xì)胞破碎率。
查找茶葉揉捻機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)表，可以得出6CR-35型揉捻機(jī)揉捻紅茶，揉捻加工后的作業(yè)性能指標(biāo)應(yīng)滿足成條率≥85%、碎茶率≤4.2%、茶葉細(xì)胞破壞率≥83%。茶葉揉捻機(jī)揉捻結(jié)果如表6所示，試驗(yàn)1是根據(jù)20次揉捻數(shù)據(jù)進(jìn)行推薦，試驗(yàn)2是根據(jù)40次揉捻數(shù)據(jù)進(jìn)行推薦，試驗(yàn)3是根據(jù)60次揉捻數(shù)據(jù)進(jìn)行推薦。從表中試驗(yàn)1、試驗(yàn)2、試驗(yàn)3可以看出隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，揉捻葉的成條率逐漸增加、碎茶率逐漸降低、茶葉細(xì)胞破碎率逐漸增加。由于現(xiàn)有歷史揉捻數(shù)據(jù)量較少，揉捻參數(shù)推薦系統(tǒng)推薦數(shù)據(jù)還不完善。試驗(yàn)4是根據(jù)80次揉捻數(shù)據(jù)進(jìn)行推薦，可以看出揉捻后的碎茶率、成條率以及細(xì)胞破壞率已達(dá)到揉捻機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)。因此，隨著后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)增加，推薦系統(tǒng)不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)優(yōu)化，按照此系統(tǒng)推薦參數(shù)進(jìn)行揉捻，茶葉揉捻品質(zhì)將越來越好。
05
討論
茶葉揉捻品質(zhì)易受制茶師傅主觀因素影響，通過對鮮葉等級、茶葉種類、茶葉產(chǎn)地以及揉捻機(jī)型號來確定揉捻工藝參數(shù)，能夠保證茶葉揉捻品質(zhì)穩(wěn)定。文章將XGBoost算法用于茶葉揉捻參數(shù)推薦，利用真實(shí)揉捻工藝相關(guān)參數(shù)對預(yù)測模型進(jìn)行驗(yàn)證，在參數(shù)推薦過程中展現(xiàn)了較強(qiáng)性能。根據(jù)此算法設(shè)計出茶葉揉捻參數(shù)推薦系統(tǒng)，并對推薦系統(tǒng)推薦參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。從推薦系統(tǒng)參數(shù)試驗(yàn)可以看出揉捻后的碎茶率、成條率以及細(xì)胞破壞率已達(dá)到揉捻機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)，并且隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)增加，推薦系統(tǒng)不斷學(xué)習(xí)優(yōu)化，按照推薦參數(shù)進(jìn)行茶葉揉捻，揉捻品質(zhì)將越來越好。此揉捻推薦系統(tǒng)對當(dāng)前茶葉揉捻設(shè)備發(fā)展具有一定現(xiàn)實(shí)意義。
作者簡介：
陳俠
安徽宿州人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備。
通訊作者：
柳軍
副研究員，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)機(jī)裝備。
來源：中國茶葉加工
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