基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頸部服裝壓舒適閾值的預(yù)測

吳志明，陳星毅

（江南大學(xué) 經(jīng)編技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 無錫 214122）

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頸部服裝壓舒適閾值的預(yù)測

吳志明，陳星毅

（江南大學(xué) 經(jīng)編技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 無錫 214122）

為研究頸部服裝壓對人體主觀感受的影響，選取15名青年女性為實驗對象，測量其穿著不同領(lǐng)寬的針織高

領(lǐng)衫時的服裝壓值，結(jié)合基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主觀評價的方法，探討人體感覺舒適的壓力閾值.研究認(rèn)為：頸部受壓與穿著舒適度存在顯著的負(fù)相關(guān)性，人體頸部壓力舒適閾值為1.046 kPa，超過1.258 kPa時人體將感覺不適.

服裝壓；頸部；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；舒適閾值

服裝壓力舒適性研究發(fā)展至今，尚鮮見有關(guān)人體頸部穿著壓力的研究報道.事實上，頸部束縛過緊除了影響頸椎的正常活動外，還會誘發(fā)頸動脈竇綜合癥，醫(yī)學(xué)上僅存在頸部著裝過緊可誘發(fā)該臨床現(xiàn)象的說法，但并未從服裝人體工學(xué)的角度對此進(jìn)行研究，更未對壓力進(jìn)行量化分析，進(jìn)而探討頸部服裝壓力的舒適閾值，該領(lǐng)域的研究尚存空白.相關(guān)文獻(xiàn)[1－5]從主觀評價的角度對服裝的壓力舒適性進(jìn)行了研究，其中文獻(xiàn)[1]、[2]運用了模糊數(shù)學(xué)的方法對服裝壓與舒適度之間的關(guān)系進(jìn)行了探討.本文在客觀測試的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主觀評價的方法，探討人體感覺舒適的壓力閾值，以期對指導(dǎo)消費者著裝和產(chǎn)品規(guī)格設(shè)計具有一定的實際意義.

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗對象

挑選300名年齡在21～26周歲、身體健康的青年女性，從中篩選出50名體型相近的學(xué)生，采用德國TechMath非接觸式三維人體掃描儀獲取其體型數(shù)據(jù)，根據(jù)身體條件最終確定15名有高領(lǐng)衫穿著習(xí)慣的女性作為本次著裝實驗的受試者，其身體基本數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)差見表1.

1.2 實驗服裝

1.2.1 面料的選擇

根據(jù)市場上針織高領(lǐng)衫面料的使用情況以及工廠的生產(chǎn)經(jīng)驗，實驗服裝采用常規(guī)面料制作，面料試

表1 實驗對象體型基本數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)差Tab.1 Physical consititutions of subjects

驗數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 織物結(jié)構(gòu)的試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Data of fabric structure test

領(lǐng)子面料緯向拉伸試驗按標(biāo)準(zhǔn)FZ/T70006－2004執(zhí)行，采用HD026NS型電子織物強(qiáng)力儀，試驗尺寸20 cm×5 cm，夾持長度10 cm，拉伸速度50 mm/min，預(yù)加張力1 N，織物拉伸試驗數(shù)據(jù)見表3.

表3 織物拉伸斷裂試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Data of fabric tensile fracture test

1.2.2 服裝的款式與規(guī)格

實驗服裝款式如圖1所示.

服裝款式為普通緊身針織高領(lǐng)衫，由于實驗僅針對人體頸部進(jìn)行研究，為避免實驗誤差，除領(lǐng)上口寬度尺寸分檔差外，服裝其余部位尺寸均設(shè)計一定的放松量并為定尺寸，考慮到實驗?zāi)康募邦I(lǐng)上口寬度尺寸與頭圍尺寸的相關(guān)性[6]，領(lǐng)上口寬度尺寸應(yīng)滿足關(guān)系式（1）：

式中：lH為頭圍尺寸；lN為頸中圍尺寸；L為成品領(lǐng)上口寬度尺寸；E為面料的斷裂伸長率.

根據(jù)織物彈性回復(fù)率和人體穿著預(yù)實驗，成品領(lǐng)上口寬度各檔差按照不同拉伸率分別設(shè)計為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%7個檔，依次標(biāo)記S1到S7，最終確定實驗服裝規(guī)格如表4所示.

表4 實驗服裝規(guī)格Tab.4 Specifications of experimental garment cm

1.3 實驗儀器

客觀壓力測量基于Labview虛擬儀器技術(shù)的壓力系統(tǒng)[7]進(jìn)行，采用美國Tekscan公司的FlexiForceA201壓阻式傳感器，采樣模式為連續(xù)采樣，采樣時間設(shè)定為100 s，系統(tǒng)每秒自動記錄1次數(shù)據(jù).生理數(shù)據(jù)測試選用日本NISSEI的WT－20生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以示波法測定人體心率（heart rate，HR）和血壓（blood pressure，BP），心率測量范圍為 40～160 BPM，血壓測量范圍為 40～250 mmHg（5.32～33.25 kPa）.

1.4 實驗條件

實驗在恒溫恒濕室內(nèi)進(jìn)行，溫度（23±2）℃，相對濕度（65±2）%.

1.5 實驗方法

1.5.1 客觀壓力測試

（1）待測點的選擇.通過三維人體掃描獲得著裝常態(tài)時人體頸部領(lǐng)口處截面圖形，利用Ansys軟件對該截面受力進(jìn)行有限元分析，輸入人體彈性模量0.6×109Pa，泊松比0.1[8]，預(yù)加壓力1 kPa，根據(jù)模型受力后位移程度的大小，確定頸中圍前中心點、頸中圍后中心點、頸中圍左側(cè)點和頸中圍右側(cè)點為待測點，分別記為點F、B、L、R，頸部穿著截面圖形及待測點如圖2所示.

（2）測試方法.所有受試者內(nèi)穿無領(lǐng)內(nèi)衣，依次穿著各件實驗服裝，實驗過程應(yīng)保證每件服裝均有足夠的應(yīng)力恢復(fù)時間，每人共需穿著14件實驗服裝.各位置壓力測量時應(yīng)適當(dāng)扶持，保證傳感器工作區(qū)平整貼身，避免彎折和滑動下垂，導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差.此外，數(shù)據(jù)采集時應(yīng)避免吞咽唾液.

1.5.2 生理指標(biāo)測試

受試者上身穿著統(tǒng)一的運動背心，下身穿著型號、款式相同的寬松褲，于實驗開始前30 min進(jìn)入恒溫恒濕室適應(yīng)實驗環(huán)境.實驗動作采取臺階試驗[9]，臺階高25 cm，上下臺階頻率為30次/min，過程持續(xù)3 min.臺階試驗結(jié)束后，每位實驗對象填寫主觀評價表，其評價方法采用心理學(xué)中的數(shù)量估計法，包括壓迫感和刺癢感，以及反饋于受試者生理可能產(chǎn)生的暈眩感.實驗時首選穿著S7碼服裝，并規(guī)定此時的舒適性最差，以便與其余的服裝作穿著感的對比.主觀問卷中，每位受試者的感覺評價采用數(shù)值評分的形式，按照5段評價法，要求受試者在數(shù)值[-2，2]間，檔差為1的范圍內(nèi)從好到差評定出相應(yīng)的穿著感受，如感覺很好為2；感覺較好為1；感覺一般為0；感覺較差為-1；感覺很差為-2，并規(guī)定分值大于1為感覺舒適，小于0為不舒適.

2 實驗數(shù)據(jù)與分析

2.1 客觀壓力數(shù)據(jù)

人體頸部皮下脂肪沉積狀態(tài)不同，前頸處皮膚最薄，對領(lǐng)口束縛產(chǎn)生的壓力最敏感，在主觀感覺上具有一定的代表性，并且在同一部位的多點測量中，該部位的壓力舒適性主要取決于最大服裝壓的作用點[10]，根據(jù)各被測點平均數(shù)值，最終選取頸中圍前中心點F的壓力值作為頸部的客觀壓力數(shù)據(jù)，各檔差服裝頸中圍前點客觀壓力值如表5所示.

表5 各檔差服裝頸中圍前點客觀壓力值Tab.5 Values of static objective pressure in front of neck middle circumference of different grades kPa

2.2 主觀評價數(shù)據(jù)

受試者在穿著實驗過程中各項主觀感覺因子評價結(jié)果如表6所示.

從表6中可以得出，受試者對暈眩的反應(yīng)較之壓迫感和刺癢感而言并不明顯.服裝壓值與各項主觀感覺因子的相關(guān)關(guān)系用Pearson相關(guān)分析計算，結(jié)果如表7所示.

表6 主觀感覺因子評價Tab.6 Appraisement of subjective sense factors

表7 服裝壓值與主觀感覺因子的相關(guān)性分析Tab.7 Correlation coefficients of pressure values and subjective sense factors

在95%的置信區(qū)間，顯著性水平均為sig.=0，服裝壓值與壓迫、刺癢及暈眩等各項感覺因子呈負(fù)的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)越大，說明服裝壓力越大舒適感就越差；各項感覺因子之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，三者之間關(guān)系緊密.

3 頸部壓力舒適閾值的預(yù)測

3.1 模型的建立

將服裝壓與各項主觀感覺因子分值的關(guān)系模型運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模分析.輸入?yún)?shù)為服裝壓值；采用試錯的方法確定隱含層數(shù)和隱含層神經(jīng)元數(shù)；輸出參數(shù)為各項感覺分值；最終選取1×3×3的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，其中，最大訓(xùn)練次數(shù)為1.0×106，訓(xùn)練最大步數(shù)為25，精度目標(biāo)值為1.0×10-5；動量因子為0.9；學(xué)習(xí)率為0.01.

3.2 模型的訓(xùn)練

按照Matlab的語言規(guī)則，編寫好數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練程序，提交給Matlab應(yīng)用程序進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練.將各項因子分值的實測值與預(yù)測值進(jìn)行模型的驗證，以暈眩感因子實測值與預(yù)測值的驗證為例，如圖3所示.圖3中，橫坐標(biāo)表示目標(biāo)值，縱坐標(biāo)表示網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值，網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值與預(yù)測值擬合程度高，數(shù)據(jù)點均勻分布在直線周圍，說明網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果滿足要求，模型可靠準(zhǔn)確，可用于分析與預(yù)測.

3.3 模型的預(yù)測與分析

依據(jù)上述模型，得出服裝壓與各項感覺因子的擬

圖4中，橫坐標(biāo)表示服裝壓，縱坐標(biāo)表示感覺因子分值.從圖4中可以看出，在運動過程中人體對服裝壓迫最為敏感.各項因子主觀評分均大于1為感覺舒適，此時頸部感覺舒適的壓力范圍在0～1.046 kPa之間；各項因子主觀評分均小于0為感覺不舒適，則頸部受壓超過1.258 kPa人體感覺不舒適.綜上所述，人體頸部壓力舒適閾值為1.046 kPa.

4 結(jié)論

通過主觀評價實驗得出服裝壓與各項感覺因子之間的關(guān)系緊密，各項舒適感覺分值隨著服裝壓的增大而減少，可見在考察服裝壓力舒適性時要深入到穿著者的心理層面作進(jìn)一步的研究.在主觀實驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)受試者的主觀感覺因子分值，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對頸部壓力舒適閾值進(jìn)行預(yù)測，得出人體頸部壓力舒適閾值為1.046 kPa，超過1.258 kPa時人體將感覺不適.

[1]陳東生，劉麗杰.男子西裝的服裝壓對舒適性評價的研究—服裝壓與舒適性的關(guān)系[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，23（增 1）：131－531.

[2]金子敏，羅曉菊，沈加加，等.無縫內(nèi)衣對男子下體靜態(tài)壓力舒適性的影響[J].紡織學(xué)報，2009，30（6）：99－103.

[3]周 晴，徐 軍.運動內(nèi)衣穿著壓力舒適的主觀評定[J].紡織學(xué)報，2004，25（6）：63－65.

[4]徐 軍，周 晴.運動內(nèi)衣壓力分布的主觀評定[J].紡織學(xué)報，2005，26（2）：77－81.

[5]由 芳.服裝穿著壓力舒適的主觀評定 [J].西安工程科技學(xué)院學(xué)報，2002，16（1）：13－16.

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[7]湯 倩，肖居霞，魏取福.運動服動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的構(gòu)建與評價[J].紡織學(xué)報，2009，30（9）：123－126.

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[9]國家體育總局.國民體質(zhì)測定標(biāo)準(zhǔn)手冊[M].北京：人民體育出版社，2003：14－16.

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Subjective assessment of comfort threshold of clothing pressure on human neck based on BP neural networks

WU Zhi－ming，CHEN Xing－yi
（Engineering Research Center of Warp Knitting Technology of Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

In order to study the effects of subjective feeling associated with clothing pressure on human neck，fifteen females were chosen as the experiment subjects.The pressure values of different collar width of high neckline knit shirts were measured.Based on the subjective assessment by individuals with BP neural networks，human pressure comfort threshold was explored.The results show that the pressure on the neck is significantly negative correlated with wearing comfort.It reveals that pressure comfort threshold on human neck is about 1.046 kPa.The experiment subjects claim to be uncomfortable when the pressure exceeds 1.258 kPa.

clothing pressure；human neck；neural networks；comfort threshold

TS 941.17

A

1671－024X（2010）05－0026－04

2010－05－10 基金項目：教育部人文社會科學(xué)研究項目資金資助（09YJA760015）；江蘇省教育廳2009年度高校哲學(xué)社會科學(xué)基金指導(dǎo)項目（09SJD760011）

吳志明（1964—），男，碩士，副教授.

吳志明（1964—），男，碩士，副教授.E－mail：wxwuzm@163.com