再議器材專件智能化的基礎(chǔ)
——紡織生產(chǎn)流程在線檢測、質(zhì)量數(shù)據(jù)挖掘和工藝參數(shù)優(yōu)化

汪 軍

(東華大學(xué)；中國紡織工程學(xué)會 新型紡紗專業(yè)委員會：上海 201620)

0 引言

近一年來，國內(nèi)紡織智能化的熱點(diǎn)持續(xù)保持，各種論壇會議也將紡織智能化作為主題，包括智能控制、大數(shù)據(jù)、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也頻頻與紡織行業(yè)相關(guān)聯(lián)，那么智能化紡織未來究竟是什么樣子？簡單地說就是未來的紡織制造可以不需要人工操作，只需要人在后臺進(jìn)行監(jiān)控即可，例如汽車智能無人駕駛就屬于這一類，當(dāng)然無人駕駛系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行可能還需要數(shù)年，而紡織智能化的實(shí)現(xiàn)可能比這個智能駕駛的難度只高不低。

紡織智能化究竟需要攻克哪些技術(shù)呢？筆者認(rèn)為大概可以分為3部分：第1部分是紡織學(xué)科以外的包括信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)等，這部分是其他學(xué)科技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用到紡織行業(yè)；第2部分則是紡織學(xué)科本身的發(fā)展，包括纖維材料、成形技術(shù)、纖維剛體耦合作用、纖維流體兩相流作用等，這部分是本學(xué)科需要發(fā)展的；第3部分就是兩者的有機(jī)結(jié)合。

因此，紡織設(shè)備信息、生產(chǎn)工藝信息接口及互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、紡織智能制造信息物理系統(tǒng)(CPS)技術(shù)、紡織智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)等都是需要發(fā)展的，但是這部分工作主要由信息技術(shù)方面的人來主導(dǎo)，紡織專業(yè)人士則是起配合作用。

那么作為紡織行業(yè)的技術(shù)人員在器材專件方面需要做哪些工作呢？在文獻(xiàn)[1]中提及的“智能一般具有感知能力、記憶和思維能力、學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力以及行為決策能力這四個方面的能力”的基礎(chǔ)上，本文提出一些觀點(diǎn)和建議。

1 紡織加工中人的作用

眾所周知，紡織工業(yè)是世界上第一個產(chǎn)業(yè)化的工業(yè)領(lǐng)域，在工業(yè)化之前則是手工作坊式的加工，可以稱為手工業(yè)，歷史源遠(yuǎn)流長。目前一些地方還存在的“土紡?fù)量棥本蛯儆谶@個范疇，其質(zhì)量嚴(yán)重依賴于操作人員的水平。一些特殊的紡織品，比如緙絲、雙面繡的大師稱作為工藝大師，人的作用是巨大的。甚至一些出土文物的紡織品，我們目前還不能仿制，足見人的作用之大。

紡織行業(yè)中，與加工制造相關(guān)的人員一般可以分為兩大類：一類是操作人員，俗稱擋車工；另一類則是技術(shù)人員，包括總工、工藝設(shè)計人員等。通常而言，操作人員處理的工作相對單一，處理生產(chǎn)過程中的各種問題，保持生產(chǎn)的聯(lián)系。技術(shù)人員則站的高度較高，負(fù)責(zé)流程和總體工藝路線、質(zhì)量品質(zhì)、產(chǎn)量等。這兩類人在紡織行業(yè)都很重要，以前因?yàn)槿斯趧恿Τ杀镜?，大量招工是紡織行業(yè)成為勞動密集型行業(yè)的主要原因。而實(shí)現(xiàn)真正智能紡織也就意味著第一類操作人員不需要了、第二類技術(shù)人員也幾乎不需要了，真正需要的是整個智能紡織系統(tǒng)的設(shè)計和維護(hù)人員，可能也僅僅寥寥數(shù)人即可。

目前我國實(shí)施的智能化紡紗，比如說將萬錠用工降低到10人，其實(shí)就是大量減少操作人員，其技術(shù)手段是單機(jī)的設(shè)備自動化程度提高、生產(chǎn)線的連續(xù)化程度提高。這一類的提高畢竟會有一個極限，或者說是瓶頸，就是降低到一定數(shù)量后不能再降了，如工藝設(shè)計人員、設(shè)備維護(hù)人員、細(xì)紗接頭人員等。

從這個意義上講，《紡織機(jī)械行業(yè)“十三五”發(fā)展指導(dǎo)性意見》中關(guān)于紡紗的發(fā)展趨勢是合理的[2]。該意見指出：“十三五”期間，在提高設(shè)備制造質(zhì)量及可靠性水平的基礎(chǔ)上，提高連續(xù)化和智能化水平是紡紗機(jī)械發(fā)展的大趨勢，實(shí)現(xiàn)紡紗車間夜班無人值守；進(jìn)一步減少棉紡成套設(shè)備萬錠用工，使紡紗生產(chǎn)更加高速、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效和節(jié)能；應(yīng)用高新電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成套棉紡設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸、在線檢測與在線控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的連續(xù)化和生產(chǎn)管理的智能化，減少設(shè)備配臺數(shù)量，提高設(shè)備利用效率；提高設(shè)備和專件的可靠性、紡紗的穩(wěn)定性、一致性；提高設(shè)備的紡紗工藝和紡織品種適應(yīng)性，滿足紡織企業(yè)小批量多品種的需求；進(jìn)一步研究電機(jī)、紡織空調(diào)等產(chǎn)品的節(jié)能降耗技術(shù)，降低紡企的噸紗能耗。

未來紡織智能化的進(jìn)展中，如何替代人力(包括體力和腦力)、解放人力實(shí)際是個根本的關(guān)鍵問題。

2 紡織在線檢測發(fā)展與深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用

紡織傳感器得到快速發(fā)展與應(yīng)用，使紡織在線檢測的應(yīng)用在量和質(zhì)方面均得到極大提高。但是，其中一個重要的問題是如何準(zhǔn)確地測試所需要的量，比如牽伸力、梳理力、牽伸區(qū)纖維的變速點(diǎn)等關(guān)系到紡織加工的重要參數(shù)是很難測試的。因此，微型高性能傳感器以及適合紡織加工的傳感器的研發(fā)至關(guān)重要。一方面我們提倡非接觸測試，減少對紡織過程的干預(yù)和影響；另一方面我們希望傳感器小型化，做到器材專件上，使之成為器材專件的一部分，這也許會成為智能化必不可少的一部分。

2016年以AlphaGo挑戰(zhàn)圍棋世界冠軍并取勝為標(biāo)志，使得深度學(xué)習(xí)為世人所知。實(shí)際上深度學(xué)習(xí)的概念源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，屬于機(jī)器學(xué)習(xí)的范疇，目前以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)居多，是機(jī)器學(xué)習(xí)中一種基于對數(shù)據(jù)進(jìn)行表征學(xué)習(xí)的方法。深度學(xué)習(xí)的好處是用非監(jiān)督式或半監(jiān)督式的特征學(xué)習(xí)和分層特征提取高效算法替代手工獲取特征。這對紡織智能有什么啟示呢？應(yīng)該說，紡織既有科學(xué)問題，也有技能問題。在長期的紡織實(shí)踐過程中，相關(guān)人員掌握了特有技術(shù)，從某種意義上講就是“特征”，這個特征有可能是一段口訣，也有可能是一個操作方法，更有可能是技術(shù)人員的一些經(jīng)驗(yàn)。那么如果掌握這些經(jīng)驗(yàn)，特別是“機(jī)器”掌握這些經(jīng)驗(yàn)，就有可能實(shí)現(xiàn)智能紡織。如何將這樣的經(jīng)驗(yàn)變成知識，通常的方法有數(shù)據(jù)挖掘，即通過統(tǒng)計、在線分析處理、情報檢索、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)(依靠過去的經(jīng)驗(yàn)法則)和模式識別等諸多方法來實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。而方興未艾的深度學(xué)習(xí)有可能給我們帶來一把嶄新的金鑰匙。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化與器材專件智能化

紡織加工過程中工藝參數(shù)的優(yōu)化，在未來大數(shù)據(jù)的情況下，應(yīng)該可以通過數(shù)據(jù)挖掘等方式建立關(guān)系，或者用深度學(xué)習(xí)的方法找到特征，工藝參數(shù)自然可以自動智能調(diào)整，并有實(shí)時檢測數(shù)據(jù)監(jiān)控，做到實(shí)時監(jiān)控與自動調(diào)整。這些都基于有效的大數(shù)據(jù)信息以及有效的處理方法。

器材專件的智能化，本文認(rèn)為有兩個方面。

一是器材專件上結(jié)合傳感器或者芯片，在實(shí)現(xiàn)器材專件的本身功能以外，還能實(shí)時參與測試、數(shù)據(jù)傳輸，做到器材就是傳感器，傳感器就是器材。二是專件本身具有智能功能，比如現(xiàn)有細(xì)紗接頭就是一個很大的挑戰(zhàn)，是紡紗連續(xù)化的攔路虎，如何參考轉(zhuǎn)杯紡的自動接頭，設(shè)計研發(fā)細(xì)紗機(jī)的自動接頭裝置是一個重要課題。

細(xì)紗機(jī)自動接頭實(shí)際上是模仿并替代人工接頭，人工接頭是一個很復(fù)雜的動作，涉及眼、力、動作配合等，自動接頭裝置則會涉及到機(jī)器手、運(yùn)動軌跡、精度配合等系列問題，確實(shí)很有挑戰(zhàn)性。

4 結(jié)語

當(dāng)越來越多的人討論“智能紡織”的時候，站在紡織人的角度對智能紡織進(jìn)行分析解讀也是一個重要的環(huán)節(jié)，本文從紡織加工制造中人的作用、傳感器發(fā)展與深度學(xué)習(xí)應(yīng)用、工藝參數(shù)優(yōu)化及器材專件智能化等方面進(jìn)行分析和展望，為紡織智能化提供參考和借鑒。