一種色紡紗質(zhì)量波動關(guān)鍵因素提取方法

馬創(chuàng)濤，邵景峰

(西安工程大學 管理學院，西安　710048)

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一種色紡紗質(zhì)量波動關(guān)鍵因素提取方法

馬創(chuàng)濤，邵景峰

(西安工程大學 管理學院，西安710048)

為了探究色紡紗過程中質(zhì)量特征值的波動成因，通過對色紡質(zhì)量波動的機理、色紡過程中各類不確定因素對質(zhì)量形成過程的影響行為進行分析，并利用灰關(guān)聯(lián)分析法設(shè)計了影響因素與紡紗質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度函數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出了一種色紡紗關(guān)鍵因素提取方法。結(jié)合試驗和仿真結(jié)果，表明這種關(guān)鍵因素的提取方法能夠精準得出影響紡紗質(zhì)量的關(guān)鍵因素，實現(xiàn)了對色紡紗質(zhì)量特征值波動規(guī)律的分析和各類不確定因素對色紡紗質(zhì)量特征值影響的預警。

色紡紗；質(zhì)量特征；纖維屬性；波動機理；關(guān)鍵因素；預測模型；智能預警

國外學者對色紡紗質(zhì)量預測的研究開始于20世紀90年代初[1-2]。我國的許多學者也從不同的角度探討該問題，并提出了一些質(zhì)量預測模型[3-4]。除此之外，還有學者探討了工藝參數(shù)與色紡紗質(zhì)量關(guān)系的問題。筆者借助色紡紗過程產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，通過紡紗質(zhì)量損失函數(shù)設(shè)計和紡紗質(zhì)量特征值波動的關(guān)鍵影響因素提取兩個方面，重點探究色紡紗過程質(zhì)量損失機理和質(zhì)量特征值波動規(guī)律，從而做到色紡紗質(zhì)量的預測與控制。

1　色紡紗質(zhì)量波動機理問題分析

色紡紗加工過程其實是一個典型的復雜工業(yè)系統(tǒng)[5]，整個系統(tǒng)能采集到的數(shù)據(jù)量巨大、類型復雜、關(guān)系交錯，除正常采集到的工藝設(shè)備、生產(chǎn)過程和運行管理數(shù)據(jù)外，還包括傳統(tǒng)的控制回路數(shù)據(jù)，文本類型的原料、傳感器數(shù)據(jù)，紗織疵圖像數(shù)據(jù)等，進而這些數(shù)據(jù)隨著應(yīng)用精度的提高則呈幾何級遞增，形成了海量紡紗數(shù)據(jù)。由于一些傳統(tǒng)的色紡紗質(zhì)量預測模型(如基于模糊數(shù)學的模型)難以從海量的紡紗數(shù)據(jù)中提取出表達色紡紗質(zhì)量波動的先驗知識，更難以做到色紡紗質(zhì)量的科學分析與預測，最終形成了色紡紗過程“數(shù)據(jù)豐富、知識貧乏”的現(xiàn)狀[6]。因此，如何從這些海量數(shù)據(jù)中提取對表達色紡紗質(zhì)量波動機理和損失的先驗知識，并通過利用質(zhì)量損失函數(shù)實現(xiàn)對紡紗質(zhì)量的科學分析與預測、智能挖掘與學習，是充滿機遇的重要課題。

2　關(guān)鍵因素提取方法設(shè)計

灰關(guān)聯(lián)分析法作為灰色系統(tǒng)理論中的一種分析方法，在分析和確定系統(tǒng)諸因素間的影響程度方面具有優(yōu)勢，為深入探討不確定因素與色紡紗質(zhì)量特征值之間的相關(guān)關(guān)系提供了理論依據(jù)[7]?；驹硎牵焊鶕?jù)對統(tǒng)計序列曲線幾何形狀的相似程度比較來區(qū)分系統(tǒng)中因素間的關(guān)聯(lián)程度，若序列曲線的幾何形狀越接近，則關(guān)聯(lián)程度越大[8]。具體過程如下。

2.1確定參考序列和比較序列

首先，將整個色紡紗質(zhì)量成長過程視為一個灰色系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，各類不確定因素對色紡紗質(zhì)量成長過程的影響行為，需要通過參考序列與比較序列的選擇來分析，而這個選擇源于色紡紗業(yè)務(wù)中所有紡紗數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過程。基于此，對整個色紡數(shù)據(jù)采集過程而言，將數(shù)據(jù)采集點上對應(yīng)的色紡紗質(zhì)量特征值波動幅度定義為{X0(j)}，其中j=1，2，…，N(N為數(shù)據(jù)采集點數(shù))，并將其作為參考序列。同時，將各類不確定因素構(gòu)成的時間序列定義為{Xi(j)}，并將其作為比較序列，其中i=1，2，…，M(M為不確定因素總數(shù))。

根據(jù)色紡紗質(zhì)量成長過程與影響因素之間相互作用機制，利用參考序列與比較序列相關(guān)關(guān)系[9]，以參考序列為行、以比較序列為列構(gòu)造影響色紡紗質(zhì)量成長過程矩陣X，即：

(1)

其中：x0j作為參考序列表示色紡紗質(zhì)量特征值的波動幅度值，xij作為比較序列用來表示影響色紡紗質(zhì)量波動的不確定因素關(guān)聯(lián)程度，且i=1，2，…，M；j =1，2，…，N。

2.2數(shù)據(jù)初始變換

由于在實際應(yīng)用中各序列數(shù)據(jù)的量綱和絕對值的大小不一樣，因此，需對序列的原始數(shù)據(jù)進行變換處理，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)量級大體相近的無量綱數(shù)據(jù)。目前，常用的數(shù)據(jù)變換方法主要有初值化、均值化以及區(qū)間值化。由于色紡紗質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集、處理以區(qū)間數(shù)據(jù)采集點為主，故采取區(qū)間值化處理數(shù)據(jù)，具體的轉(zhuǎn)化公式如下：

(2)

2.3求X′中比較序列與參考序列之間的求差序列

令Δij= |X0j-Xij|

(3)

式(3)中：i=1，2，…，M；j=1，2，…，N。

2.4求兩極最小差和最大差

兩極最小差和最大差計算公式為：

(4)

式(4)中：i=1，2，…，M；j=1，2，…，N。

2.5計算關(guān)聯(lián)系數(shù)Lij

關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式為：

(5)

式(5)中，ρ為分辨系數(shù)，其值范圍為(0，1)，主要用于體現(xiàn)影響因子在整個色紡紗過程中的相互作用過程和關(guān)聯(lián)程度。

2.6計算關(guān)聯(lián)度γi

將色紡紗質(zhì)量各影響因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)相加求平均數(shù)即為各影響因素的關(guān)聯(lián)度。具體計算公式為：

(6)

式(6)中：i=1，2，…，M。

2.7關(guān)聯(lián)度分析

對計算關(guān)聯(lián)度進行排序，并分析比較序列(影響色紡紗質(zhì)量特征值波動的關(guān)鍵因素)與參考序列(紡紗質(zhì)量)之間的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度最大的序列對應(yīng)的影響因素，即為影響色紡紗質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

3　數(shù)據(jù)選取與試驗驗證

3.1數(shù)據(jù)選取

選取陜西某紡織企業(yè)的紡織織造執(zhí)行系統(tǒng)，從中獲取下層各個車間監(jiān)測系統(tǒng)的停機數(shù)據(jù)(主要源于原料、設(shè)備、人為、系統(tǒng)、環(huán)境、工藝方法等6個方面)。在整個色紡質(zhì)量成長過程中，按照前羅拉轉(zhuǎn)速脈沖信號周期，將色紡紗質(zhì)量特征值的形成過程劃分成段，即1個脈沖/段，并且將每個段按照脈沖波峰形成的過程被等分成4個數(shù)據(jù)采集點，且每個數(shù)據(jù)采集點間隔為0.25 s。這樣，對每個數(shù)據(jù)采集點進行3次試驗。同時，為更加凸顯色紡質(zhì)量的質(zhì)量損失，在數(shù)據(jù)采集過程中將沒有產(chǎn)生異常的紡紗質(zhì)量特征值去除，這樣在實時色紡數(shù)據(jù)中可獲得用來分析質(zhì)量損失或質(zhì)量特征值波動的先驗數(shù)據(jù)約為1 000條，并形成如表1所示的結(jié)果。

表1色紡紗質(zhì)量異常數(shù)據(jù)

3.2試驗驗證

基于表1中的3組色紡紗質(zhì)量波動誤差數(shù)據(jù)，從纖維屬性、系統(tǒng)、人為、設(shè)備、工藝方法、溫濕度6個影響因素角度構(gòu)建不確定因素矢量Z，即Z=(Z1，Z2，…Z6)T。根據(jù)矢量Z與5個具體的重特征值(線密度不勻、細節(jié)、粗節(jié)、強度、斷裂伸長)Yi及其相互之間的關(guān)系，得出Zk與Yk在區(qū)間段內(nèi)呈線性關(guān)系，Zk=f(Yk)，其中k=1，2，…，6，可得出色紡紗質(zhì)量特征值的波動過程，結(jié)果如圖1所示。

由圖2可知，對每個數(shù)據(jù)采集點進行3組試驗，發(fā)現(xiàn)各不確定因素對色紡紗質(zhì)量的影響程度均不同。其中，影響質(zhì)量特征值波動最大(關(guān)聯(lián)度最大)的是纖維屬性，而車間溫濕度、設(shè)備及工藝方法對色紡紗質(zhì)量特征值的影響程度(關(guān)聯(lián)度)基本接近，影響程度最小的是人為因素。結(jié)合圖1得出如下所示參考序列和由不確定因素構(gòu)成的時間序列。

X0(j)={0.51,0.68,0.68,0.37}

X1(j)={0.21,0.82,0.83,0.39}

X2(j)={0.11,0.54,0.65,0.23}

X3(j)={0.33,0.23,0.24,0.39}

X4(j)={0.30,0.82,0.58,0.53}

X5(j)={0.56,0.52,0.74,0.26}

由此，以參考序列為行、以比較序列為列構(gòu)造的影響色紡紗質(zhì)量成長過程矩陣Xij如下所示，其中：i=0,1,…,3，j=0,1,…,5。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)公式(5)和(6)，利用Matlab 2014b軟件仿真得出各個不確定因素影響色紡紗質(zhì)量特征值的關(guān)聯(lián)系數(shù)Lij和關(guān)聯(lián)度γi，并按關(guān)聯(lián)度γi進行排序，其結(jié)果如圖3所示。

在選取的3組試驗數(shù)據(jù)中，纖維屬性(Z1)、設(shè)備(Z2)、環(huán)境(Z4)三因素的結(jié)果排序為Z1、Z2、Z4，說明這三者與色紡紗質(zhì)量特征值波動的關(guān)聯(lián)度最大，是影響質(zhì)量波動的主要因素。而且，在三者的相關(guān)關(guān)系中，纖維屬性與環(huán)境因素之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，并且纖維屬性的影響行為最為顯著，環(huán)境因素的影響行為次之，可以確定纖維屬性是影響紡紗質(zhì)量特征值波動的關(guān)鍵因素。設(shè)備因素與纖維屬性、環(huán)境因素間未表現(xiàn)出相關(guān)性。而工藝方法(Z3)、系統(tǒng)(Z5)兩因素間則呈現(xiàn)出一種互補關(guān)系，與纖維屬性(Z1)、設(shè)備(Z2)、環(huán)境(Z4)三因素間無關(guān)聯(lián)；但與色紡紗質(zhì)量特征值的關(guān)聯(lián)度較小，說明工藝方法、系統(tǒng)兩因素對質(zhì)量特征值波動的影響較小，屬于次要因素。相對而言，設(shè)備因素與系統(tǒng)、工藝方法兩因素間呈現(xiàn)一種線性相關(guān)性。人為因素(Z6)在試驗過程中與色紡紗質(zhì)量特征值的關(guān)聯(lián)度最小，說明其對色紡紗質(zhì)量特征值幾乎不產(chǎn)生任何影響，并且與其他五因素間不相關(guān)。

4　結(jié)論

現(xiàn)有的研究成果主要從纖維屬性(纖維長度、馬克隆值及斷裂伸長)視角探討色紡紗質(zhì)量特征值(線密度不勻、細節(jié)、粗節(jié)、斷裂伸長)的波動過程，以及最終的紡織品品質(zhì)；但是對色紡紗質(zhì)量成長過程的另一個重要方面，即影響因素的研究，卻很少有人觸及。其原因有兩個：一是色紡紗質(zhì)量的成長過程應(yīng)是多因素(纖維屬性、系統(tǒng)、人為、設(shè)備、工藝方法、溫濕度)的相互作用過程，而這個過程涉及變量眾多、關(guān)系復雜，故應(yīng)將其納入復雜制造系統(tǒng)來探討；二是現(xiàn)有的模型方法基本是傾向于小樣本集的，在應(yīng)對海量的色紡紗數(shù)據(jù)時顯得無能為力。試驗驗證結(jié)果表明：基于數(shù)據(jù)的色紡紗質(zhì)量預測模型有利于實現(xiàn)

基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的色紡紗質(zhì)量的在線預測與控制，做到對色紡紗質(zhì)量特征值波動行為的分析和各類不確定因素對色紡紗質(zhì)量特征值影響的預警，從而為我國紡織行業(yè)特別是色紡企業(yè)提供智能分析色紡紗質(zhì)量問題和提高資源利用率的理論依據(jù)。

[1] Behera B K,Singh M K.Role of filament cross-section in properties of PET multifilament yarn and fabric.Part II:effect of fiber cross-sectional shapes on fabric hand[J].The Journal of The Textile Institute,2014,105(4):365-376.

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A Way Finding Key Factors with Quality Fluctuation of Color Spinning

MA Chuangtao，SHAO Jingfeng

(The Management School Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

In order to study the fluctuation of quality characteristics in the process of color spinning,the effects of the quality fluctuation and the process of color spinning are analyzed,and the correlation coefficient and correlation function are designed.Combination of experimental and simulation results proves that this method can be used to determine the key factors affecting the quality of the yarn,probing analysis is done of the fluctuation of quality charcteristics in color spinning process can also be used as an alarm of the effect of various factors on the quality of the color-spun yarn.

color spinning;quality characteristics;fiber properties;fluctuation mechanism;key factor;prediction model;intelligent warning

2015-06-04

中國紡織工業(yè)聯(lián)合會應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(J201508)；西安市碑林區(qū)科技局科技計劃項目(GX1510)；陜西省科技計劃項目(2013KRM07)；陜西省社科基金項目(13D026)；陜西省社科界重大理論與現(xiàn)實問題研究項目(2014Z039)；中國紡織工業(yè)協(xié)會指導性計劃項目(2014076,2013068,2011081)

馬創(chuàng)濤(1991—)，男，陜西楊凌人，主要從事紡織生產(chǎn)過程管理方面的研究。

TS103.2

A

1001-9634(2016)01-0014-04