基于近红外光谱的白酒勾兑方法、分段存储与勾兑系统
阅读说明：本技术 基于近红外光谱的白酒勾兑方法、分段存储与勾兑系统 (Near infrared spectrum-based white spirit blending method and segmented storage and blending system ) 是由 张建华 胡海成 王唱 李祥利 赵岩 高超 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明为一种基于近红外光谱仪的白酒勾兑方法、分段存储与勾兑系统,方法包括第一步、邀请专家品评原酒样本,评价出不同等级的原酒；采集原酒样本的近红外光谱,利用主成分分析法得到各个等级的原酒的近红外光谱权重；将不同批次相同等级的原酒的近红外光谱均值作为该等级对应的原酒的目标近红外光谱；第二步、计算产值最大时勾兑各个等级的原酒体积和勾兑各个等级的原酒时所需各个储酒罐中酒液的体积。系统包括电磁阀一、驱动电机、近红外光谱仪、流量计、原酒输送泵、储酒罐、液位传感器、电磁阀四和一个或两个存放柜。该方法打破了凭借人工经验进行勾兑的模式,对勾兑方法进行量化,实现自动化勾兑,提高了原酒勾兑的准确性和优级酒产量。(The invention relates to a liquor blending method and a segmented storage and blending system based on a near-infrared spectrometer, wherein the method comprises the following steps of inviting experts to evaluate a raw liquor sample, and evaluating raw liquors with different grades; acquiring a near infrared spectrum of a raw wine sample, and obtaining the near infrared spectrum weight of the raw wine of each grade by using a principal component analysis method; taking the near infrared spectrum mean value of the raw wines of different batches and the same grade as the target near infrared spectrum of the raw wine corresponding to the grade; and secondly, calculating the volume of the wine base of each grade blended when the yield value is maximum and the volume of the wine liquid in each wine storage tank required when the wine base of each grade is blended. The system comprises a first electromagnetic valve, a driving motor, a near-infrared spectrometer, a flowmeter, a raw wine delivery pump, a wine storage tank, a liquid level sensor, a fourth electromagnetic valve and one or two storage cabinets. The method breaks through the mode of blending by virtue of manual experience, quantifies the blending method, realizes automatic blending, and improves the accuracy of blending the wine base and the yield of the superior wine.)
技术领域
本发明属于酿酒技术领域，具体是一种基于近红外光谱仪的白酒勾兑方法、分段存储与勾兑系统。
背景技术
白酒的生产步骤包括酒曲制造、原料处理、发酵、蒸馏、陈酿、摘酒及勾兑调味等，其中勾兑调味是将摘取的酒液按照配方进行混合搅拌，得到不同等级的原酒，起到稳定白酒质量及提高优质酒率的作用。
当前传统白酒酿造行业的勾兑方式是将多个甑锅产出的相同酒精度范围内的原酒集中储存在相同的原酒储存罐中，然后由人工按照经验进行勾兑，这种勾兑方式对工人经验要求较高，配方无法量化，容易出现不同的勾兑批次产品质量不稳定的现象，而且生产效率低，无法判断每个甑锅所产原酒的品质。因此，如何降低人工不利因素的影响，将配方量化实现自动化勾兑已经成为白酒酿造行业急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于近红外光谱仪的白酒勾兑方法、分段存储与勾兑系统。
本发明为解决所述技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于近红外光谱的白酒勾兑方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、邀请专家品评原酒样本，评价出不同等级的原酒；采集原酒样本的近红外光谱，利用主成分分析法得到各个等级的原酒的近红外光谱权重；将不同批次相同等级的原酒的近红外光谱均值作为该等级对应的原酒的目标近红外光谱；
第二步、将生产过程中摘取的酒液按照时间序列划分为多段，将每段酒液依次存储在各个储酒罐中，利用式(1)计算各个储酒罐中酒液的近红外光谱；
式(1)中，gj(τ)为第j个储酒罐中酒液的近红外光谱，σ(t)为储酒时刻t流量计测得的瞬时流量，t1为第j个储酒罐开始储酒的时刻，t2为第j个储酒罐停止储酒的时刻，g(τ,t)为近红外光谱仪测得的红外光吸光度与波长τ、储酒时间t的函数关系；
利用所有储酒罐中的酒液勾兑等级i对应的原酒，使勾兑得到的原酒的近红外光谱尽可能接近目标近红外光谱，则得到式(2)的目标函数；
式(2)中，g1(τ)、g2(τ)、…、gj(τ)、…、gJ(τ)分别为各个储酒罐中酒液的近红外光谱，J为储酒罐总数量，分别为勾兑等级i对应的原酒时各个储酒罐的权重，∥∥2表示二范数；fi(τ)等级i对应的原酒的目标近红外光谱，i＝1～p，p表示等级的总数量；μi(τ)为等级i对应的原酒的近红外光谱权重；
对式(2)进行求解，得到勾兑等级i对应的原酒时各个储酒罐的权重 进而得到式(3)的权重矩阵λ；
根据酒厂的生产要求，令ki为等级i对应的原酒单位体积产生的经济价值，以产值K最大为目标，则有式(4)的目标函数；
其中，Vi为产值最大时勾兑等级i对应的原酒体积；
假定产值最大勾兑各个等级的原酒体积为V1、V2、...、Vp，则各个等级的原酒体积满足式(5)和(6)的约束条件；
其中，表示勾兑等级i对应的原酒所需第j个储酒罐中原酒的体积；V1、V2、…、Vj、…、VJ分别为各个储酒罐中酒液的体积；
由式(5)～(6)经过整理，将目标函数的优化问题转化为线性最优解问题，得到式(7)的不等式约束；
将式(4)、(7)转换为矩阵，得到式(8)、(9)：
根据权重矩阵和各个储酒罐中酒液的体积对式(8)、(9)进行求解，得到产值最大时勾兑各个等级的原酒体积；将产值最大时勾兑各个等级的原酒体积代入式(5)得到勾兑各个等级的原酒时所需各个储酒罐中酒液的体积。
按照高度优级酒产量最大为目标进行勾兑，则有k1≠0，k2、k3、…、kp＝0，得到：
K＝k1V1 (10)
高度优级酒的最大体积为满足式(12)。
一种基于近红外光谱的白酒分段存储与勾兑系统，该系统根据上述方法进行勾兑，包括电磁阀一、驱动电机、近红外光谱仪、流量计、原酒输送泵、储酒罐、液位传感器、电磁阀四和一个或两个存放柜；其特征在于，为一个存放柜时，系统的所有零件集成在存放柜中；为两个存放柜时，一个存放柜用于安装动力部件，另一个存放柜用于安装储酒部件，实现多组储酒部件共用一组动力部件；驱动电机和原酒输送泵组成动力部件，多个储酒罐组成储酒部件。
为一个存放柜时，该系统还包括电磁阀三和电磁阀五；外部冷凝器经过电磁阀一与原酒输送泵的下端连接，原酒输送泵的动力端与驱动电机的输出端连接；原酒输送泵的上端经过近红外光谱仪的探头和电磁阀三分别与多个储酒罐连接，原酒输送泵的上端同时经过电磁阀五分别与各个储酒罐连接；多个储酒罐呈矩阵式布置在存放柜内，每个储酒罐上均设有阀门和液位传感器；原酒输送泵的下端还设有流量计，原酒输送泵的下端同时与各个出酒管连接，每个出酒管上均设有电磁阀四。
两个存放柜时，该系统还包括气动三通阀门；外部冷凝器经过电磁阀一与原酒输送泵的下端连接，原酒输送泵的动力端与驱动电机的输出端连接，原酒输送泵的上端依次经过流量计、气动三通阀门和近红外光谱仪的探头分别与多个储酒罐连接；多个储酒罐呈矩阵式布置在相应的存放柜内，每个储酒罐上均设有液位传感器和阀门；气动三通阀门同时经过电磁阀四与出酒管连接，气动三通阀门不通电时与原酒输送泵连通，气动三通阀门通电时与原酒输送泵断开。
所述储酒罐的底部呈锥形，储酒罐上还设有取样阀。
该系统中存储有白酒勾兑程序，白酒勾兑程序按照上述方法计算勾兑各个等级的原酒时所需各个储酒罐中酒液的体积，并控制各个储酒罐上的阀门的启闭时间，使得各个储酒罐流出相应体积的酒液。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的勾兑方法以酒厂的产值最大为目标勾兑不同等级的原酒，打破了传统凭借人工经验进行白酒勾兑的模式，通过近红外光谱仪采集酒液的近红外光谱进行原酒勾兑，有效降低了人为因素引起的误差，对勾兑方法进行量化，有利于实现自动化勾兑，大大提高了原酒勾兑的准确性和优级酒产量。也可以根据生产要求，以不同等级的原酒产量最大为目标进行勾兑，提高了各级原酒的产量。
2.本发明通过专家品评得到不同等级的原酒，将原酒的等级评价标准固定为专家的评判标准，因此不会产生因不同勾兑工人评判标准不同导致的勾兑后酒品质不稳定的问题，酒品稳定性大幅提升。
3.本系统将摘取的酒液储存至多个储酒罐内，可以对摘取的酒液的质量进行更为细致的划分，缓解了各阶段酒液混合导致优级酒率下降的问题。系统的结构形式分为两种，可以根据工厂的实际情况选择不同的结构形式。
附图说明
图1为本发明系统实施例1的结构示意图；
图2为本发明系统实施例2的结构示意图；
图中：1-电磁阀一；2-驱动电机；3-近红外光谱仪的探头；4-流量计；5-原酒输送泵；6-电磁阀二；7-电磁阀三；8-阀门；9-储酒罐；10-液位传感器；11-近红外光谱仪的主机；12-上位机；13-存放柜；14-电磁阀四；15-电磁阀五；16-取样阀；17-气动三通阀门。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图进一步对本发明的技术方案进行详细阐述，但并不以此限定本申请的保护范围。
本发明提供一种基于近红外光谱的白酒勾兑方法(简称方法)，具体包括以下步骤：
第一步、邀请专家品评原酒样本，评价出不同等级的原酒；利用近红外光谱仪采集原酒样本的近红外光谱，然后利用主成分分析法根据光谱波长τ和方差计算各个等级的原酒的近红外光谱在原酒样本的近红外光谱中的权重，即各个等级的原酒的近红外光谱权重；其中，μi(τ)表示等级i对应的原酒的近红外光谱权重，i＝1～p，p表示等级的总数量；本实施例中i＝1～6，分别对应高度优级酒、高度一级酒、高度二级酒、低度优级酒、低度一级酒和低度二级酒；
将不同批次相同等级i对应的原酒样本的近红外光谱均值作为等级i对应的原酒的目标近红外光谱fi(τ)；
第二步、将生产过程中摘取的酒液按照时间序列划分为多段，将每段酒液依次存储在各个储酒罐中，利用式(1)计算各个储酒罐中酒液的近红外光谱；
式(1)中，gj(τ)为第j个储酒罐中酒液的近红外光谱，σ(t)为储酒时刻t流量计测得的瞬时流量，t1为第j个储酒罐开始储酒的时刻，t2为第j个储酒罐停止储酒的时刻，g(τ,t)为近红外光谱仪测得的红外光吸光度与波长τ、储酒时间t的函数关系；
利用所有储酒罐中的酒液勾兑等级i对应的原酒，使勾兑得到的原酒的近红外光谱尽可能接近目标近红外光谱，则得到式(2)的目标函数；
式(2)中，g1(τ)、g2(τ)、…、gj(τ)、…、gJ(τ)分别为各个储酒罐中酒液的近红外光谱，J为储酒罐总数量，分别为勾兑等级i对应的原酒时各个储酒罐的权重，∥∥2表示二范数；
对式(2)进行求解，得到勾兑等级i对应的原酒时各个储酒罐的权重 进而得到式(3)的权重矩阵λ；
根据酒厂的生产要求，令ki为等级i对应的原酒单位体积产生的经济价值，以产值K最大为目标，则有式(4)的目标函数；
其中，Vi为产值最大时勾兑等级i对应的原酒体积；
假定产值最大勾兑各个等级的原酒体积为V1、V2、...、Vp，则各个等级的原酒体积满足式(5)和(6)的约束条件；
其中，表示勾兑等级i对应的原酒所需第j个储酒罐中原酒的体积；V1、V2、…、Vj、…、VJ分别为各个储酒罐中酒液的体积；
由式(5)～(6)经过整理，可将目标函数的优化问题转化为线性最优解问题，得到式(7)的不等式约束；
将式(4)、(7)转换为矩阵，得到式(8)、(9)：
利用Matlab软件根据权重矩阵和各个储酒罐中酒液的体积对式(8)、(9)进行求解，得到产值最大时勾兑各个等级的原酒体积V1、V2、...、Vp；将产值最大时勾兑各个等级的原酒体积V1、V2、...、Vp代入式(5)计算得到勾兑各个等级的原酒时所需各个储酒罐中酒液的体积；
另外也可按照高度优级酒产量最大为目标进行勾兑，即不勾兑其他等级的原酒，则有k1≠0，k2、k3、…、kp＝0，代入式(8)、(6)得到：
k＝k1V1 (10)
高度优级酒的最大体积为：
实施例1
如图1所示，本实施例的基于近红外光谱的白酒分段存储与勾兑系统(简称系统)，包括电磁阀一1、驱动电机2、近红外光谱仪、流量计4、原酒输送泵5、电磁阀二6、电磁阀三7、阀门8、储酒罐9、液位传感器10、上位机12、电磁阀四14、电磁阀五15和一个存放柜13；
外部冷凝器经过电磁阀一1与原酒输送泵5的下端连接，原酒输送泵5的动力端与驱动电机2的输出端连接，驱动电机2用于驱动原酒输送泵5的电机转动；原酒输送泵5的上端经过近红外光谱仪的探头3和电磁阀三7分别与多个储酒罐9连接，原酒输送泵5的上端同时经过电磁阀五15分别与多个储酒罐9连接；每个储酒罐9上均设有阀门8和液位传感器10，储酒罐9用于分段存储冷凝后的酒液；原酒输送泵5的下端还设有流量计4，用于检测原酒输送的流量；原酒输送泵5的下端同时经过电磁阀二6与各个出酒管连接，每个出酒管上均设有电磁阀四14；上位机12分别与电磁阀一1、驱动电机2、近红外光谱仪、流量计4、原酒输送泵5、电磁阀二6、电磁阀三7、阀门8、液位传感器10、电磁阀四14和电磁阀五15电连接，上位机12中存储有白酒勾兑程序，白酒勾兑程序按照上述方法计算勾兑各个等级的原酒时所需各个储酒罐中酒液的体积，并控制各个储酒罐9上的阀门8的启闭时间，使得各个储酒罐流出相应体积的酒液；多个储酒罐9呈矩阵式布置在存放柜13的中部，原酒输送泵5位于存放柜13的下部，上位机12和近红外光谱仪的主机11位于存放柜13的上部，出酒管的出口伸出存放柜13的侧面外。
本实施例的工作原理和工作流程是：
储酒阶段：电磁阀一1、电磁阀三7打开，电磁阀二6、电磁阀四14、电磁阀五15关闭，按顺序开启各个储酒罐9上的阀门8；驱动电机2正转，冷凝后的酒液(除去酒头和酒尾后的中段酒)经原酒输送泵5泵送至各个储酒罐9中，近红外光谱仪的探头3实时获得酒液的近红外光谱，并上传至上位机12；当该储酒罐9上的液位传感器10检测到液位达到预定值时，开启下一个储酒罐9上的阀门8并关闭上一个储酒罐9上的阀门8，直至将冷凝后的酒液按照时序分段存储在各个储酒罐9中，至此储酒阶段结束；
勾兑阶段：电磁阀一1、电磁阀三7关闭，电磁阀二6、电磁阀四14、电磁阀五15打开，上位机12中的白酒勾兑程序根据上述方法计算勾兑各个等级的原酒时所需各个储酒罐中酒液的体积，并控制各个储酒罐9上的阀门8开启，驱动电机2反转，使得各个储酒罐中的酒液通过出酒管流入外部勾兑装置中，当流量计4测得储酒罐9中酒液流出的体积达到勾兑所需的体积时，储酒罐9上的阀门8关闭。
实施例2
如图2所示，本实施例的基于近红外光谱的白酒分段存储与勾兑系统(简称系统)，包括电磁阀一1、驱动电机2、近红外光谱仪、流量计4、原酒输送泵5、阀门8、储酒罐9、液位传感器10、上位机12、电磁阀四14、取样阀16、气动三通阀门17和两个存放柜13；
驱动电机2、流量计4、原酒输送泵5和上位机12均安装在一个存放柜13中，多个储酒罐9呈阵列式布置在另一个存放柜13中，近红外光谱仪的主机11和气动三通阀门17也安装在另一个存放柜13中；通过两个存放柜13将系统的动力部件和储酒部件分开，方便多组储酒部件共用一组动力部件，驱动电机2和原酒输送泵5组成动力部件，多个储酒罐9组成储酒部件；
外部冷凝器经过电磁阀一1与原酒输送泵5的下端连接，原酒输送泵5的动力端与驱动电机2的输出端连接，驱动电机2用于驱动原酒输送泵5的电机转动；原酒输送泵5的上端依次经过流量计4、气动三通阀门17和近红外光谱仪的探头3分别与多个储酒罐9连接；气动三通阀门17同时经过电磁阀四14与出酒管连接，气动三通阀门17不通电时与原酒输送泵5连通，气动三通阀门17通电时与原酒输送泵5断开；每个储酒罐9上均设有液位传感器10、阀门8和取样阀16，阀门8用于控制储酒罐9的开闭；上位机12分别与电磁阀一1、驱动电机2、近红外光谱仪、流量计4、原酒输送泵5、阀门8、液位传感器10、电磁阀四14和气动三通阀门17电连接。
所述存放柜13的底部设有滑轮，方便移动。
所述储酒罐9的底部呈锥形，方便酒液流出。
所述阀门8为电动或气动阀门。
本实施例的工作原理和工作流程是：
储酒阶段：电磁阀一1打开，气动三通阀门17不通电，电磁阀四14关闭；按顺序开启各个储酒罐9上的阀门8；驱动电机2转动，冷凝后的酒液(除去酒头和酒尾后的中段酒)经原酒输送泵5泵送至各个储酒罐9中，近红外光谱仪的探头3实时获得酒液的近红外光谱，并上传至上位机12；当该储酒罐9上的液位传感器10检测到液位达到预定值时，开启下一个储酒罐9上的阀门8并关闭上一个储酒罐9上的阀门8，直至将冷凝后的酒液按照时序分段存储在各个储酒罐9中，至此储酒阶段结束；动力部件和储酒部件相当于模块化结构，当一个储酒部件完成摘酒后，可以将动力部件与另外的储酒部件连接，继续进行摘酒工作，实现多组储酒部件共用一组动力部件。
勾兑阶段：电磁阀一1关闭，气动三通阀门17通电，电磁阀四14打开，驱动电机2不转动；上位机12中的白酒勾兑程序根据上述方法计算勾兑各个等级的原酒时所需各个储酒罐中酒液的体积，并控制各个储酒罐9上的阀门8开启，使得各个储酒罐中的酒液依次经过气动三通阀门17和电磁阀四14依靠重力流入外部勾兑装置中，当液位传感器10测得储酒罐9中酒液减少的体积达到勾兑所需的体积时，储酒罐9上的阀门8关闭。
本发明未述及之处适用于现有技术。
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