基于LS-SVM棉針織物軋烘軋蒸染色工藝的預測模型

陶開鑫 俞成丙 劉引烽 梁珊珊

摘要：為優(yōu)化活性染料對棉針織物的軋烘軋蒸染色工藝，基于最小二乘支持向量機（LS-SVM），以氯化鈉質量濃度、碳酸鈉質量濃度、烘干時間和汽蒸時間作為預測模型的輸入變量，染色織物K/S值作為輸出變量，建立了多因素模型并進行預測。結果表明，織物實驗K/S值和模型預測值的相關系數(shù)高達0.999 96，平均相對誤差小于0.5%，說明該模型具有較高的精度，該建模方法可用于染色織物K/S值的預測，可以用于棉針織物軋烘軋蒸染色工藝的預測和優(yōu)化。

關鍵詞：活性染料;軋烘軋蒸工藝;最小二乘支持向量機;多因素模型;棉針織物

中圖分類號：TS193文獻標志碼：A文章編號：1009-265X（2020）01-0071-05Paddrypadsteam Dyeing Prediction Model of

Cotton Knitting Fabric Based on LS-SVM

TAO Kaixin， YU Chengbing， LIU Yinfeng， LIANG Shanshan

Abstract：In order to optimize the paddrypadsteam dyeing process with reactive dyes for cotton knitting fabrics， a multifactor model based on least squares support vector machine （LS-SVM） was built with sodium chloride concentration， sodium carbonate concentration， drying time and steaming time as input variables and K/S value of dyed fabrics as output variable， and prediction was carried out with it. The results show that the correlation coefficient between the experimental K/S value and the predicted values of the model is up to 0.999 96 with a mean relative error less than 0.5%， which indicates that the model is of high precision. The modeling method can be applied to predict K/S value of dyed fabric and to predict and optimize of paddrypadsteam dyeing process for cotton knitted fabric.

Key words：reactive dye; paddrypadsteam process; LS-SVM; multifactor model; cotton knitting fabrics

軋烘軋蒸工藝是一種常用的連續(xù)染色方法，和軋烘焙染色工藝及軋烘蒸染色工藝相比，這種染色方法穩(wěn)定性好，固色率高，非常適用于批量大、顏色深濃條件下的染色，已經廣泛應用于活性染料對棉織物的染色加工中[13]。針對棉織物的活性染料軋蒸理論和染色加工工藝的研究業(yè)已成熟，包括浸軋作用過程，連續(xù)浸軋產生頭尾色差的原因和主要控制措施，預烘引起染料泳移的原因和控制方法，浸軋染液的織物在飽和蒸汽、過熱蒸汽和熱空氣中的固色作用，對織物的固色方式、升溫過程等的研究，已經在相關文獻中作了較全面的綜述[49]。

在軋烘軋蒸工藝中，各種染色條件對棉織物K/S值的影響是非線性的，且較為復雜。最小二乘支持向量機（LS-SVM）是一種數(shù)據(jù)驅動建模方法，它基于統(tǒng)計學習理論和結構風險最小化原理，比標準支持向量機更容易，計算更為簡單;與神經網絡法相比，LS-SVM具有更好的泛化性能[10];LS-SVM建模具有解決非線性問題的優(yōu)點[11]，已被廣泛地應用于很多不同領域中，并取得了不錯的效果[10，12，13]，但在染色工藝中尚無看到有相關應用的報道。

本研究采用雷馬素紅RGB對棉針織物用軋烘軋蒸工藝進行染色，基于Matlab R2017b軟件平臺，通過對染色效果的分析，運用LS-SVM工具箱（1.8版本）進行編程、建模和驗證，建立了氯化鈉質量濃度、碳酸鈉質量濃度、烘干時間和汽蒸時間為因素與響應值染色織物K/S值間的數(shù)學模型，并對染色織物的K/S值進行預測和評價。

1試驗

1.1試驗材料與儀器

試驗材料：純棉14.6 tex雙面棉毛漂白半制品（平方米質量180 g/m2，南通新西爾克針織服裝有限公司）;染料：雷馬素紅RGB（德司達（上海）貿易有限公司）;試劑：無水碳酸鈉、氯化鈉（均為化學純，國藥集團化學試劑有限公司）。

試驗儀器：Color i5型臺式分光測色儀（美國XRite公司）;DP型均勻小軋車（紹興縣威達機械有限公司）;DHG型電熱鼓風烘箱（上海一恒科學儀器有限公司）;DE型微型萬能汽蒸機（瑞士 Mathis）。

1.2試驗方法

工藝流程：浸軋染液（染料20 g/L，二浸二軋，帶液率60%）→預烘（120 ℃熱風，一定時間）→浸軋固色液（氯化鈉x g/L，碳酸鈉y g/L，二浸二軋，帶液率70%）→汽蒸（100～102 ℃，飽和蒸汽，一定時間）→冷水洗→熱水洗→皂洗（標準皂片3 g/L，浴比為1∶50，90℃處理15min）→熱水洗→冷水洗→烘干。

K/S值的測試：織物染色后在XRite I5臺式分光測色儀上測定K/S值，測試前先用白磚、黑鏡和待染棉毛漂白織物進行校驗，然后用D65光源在10°視場下測試染色試樣。每個被測染色試樣折疊成8層，任意選取試樣上8個不同部位進行測試，結果取平均值。

2染色模型的建立和結果分析

2.1LS-SVM染色模型的構筑

選用雷馬素紅RGB進行軋烘軋蒸染色試驗，這種染料屬二氟一氯嘧啶基活性染料，具有中等反應活性。按照軋烘軋蒸染色工藝，雷馬素紅在染色過程中，由于染液中沒有堿劑，染液和浸軋染液后的織物上所帶染料會很穩(wěn)定，不會發(fā)生水解，這樣織物在浸軋固色液后，汽蒸前、后織物顏色基本沒有發(fā)生變化，因而采用這種工藝染色，色相非常穩(wěn)定，可以達到很高的給色量。另外，通過增加染液中染料質量濃度，可以得到色澤很深的織物。

按照紡織色彩學理論，織物顏色的深淺可用其K/S值的大小來判定，反映了某一染色條件下染料在織物的固色率，它們之間有很大的關聯(lián)性，即K/S值越大，染料固色率越高，反之，染料固色率就越低。按照100組實驗方案進行染色實驗后，在最大吸收波長540 nm處測得各個棉針織物試樣的K/S值。

選取軋烘軋蒸工藝過程中4個影響K/S值的主要因素A（氯化鈉質量濃度，g/L），B（碳酸鈉質量濃度，g/L），C（烘干時間，s）和D（汽蒸時間，s）作為LS-SVM預測模型的輸入，染色織物的K/S值作為LS-SVM預測模型的輸出。基于軋烘軋蒸工藝的初步研究，限定了4種K/S值影響因素的取值范圍為：氯化鈉質量濃度125～175 g/L，碳酸鈉質量濃度20～40 g/L，烘干時間40～80 s，汽蒸時間80～140 s。在100組實驗數(shù)據(jù)中，隨機選取了80組實驗數(shù)據(jù)作為預測模型的訓練數(shù)據(jù)，如圖1所示。

使用LS-SVM建模方法，可以很好地解決一些多輸入單輸出的建模問題?；贛atlab R2017b軟件平臺，運用LS-SVM工具箱（1.8版本）進行建模，工具箱內包含以下所有函數(shù)。為了構建LS-SVM模型，第一步是導入訓練數(shù)據(jù)。第二步是輸入命令type=‘function estimation和kernel=‘RBF_kernel，這里的高斯徑向基函數(shù)（RBF）是一個非線性核函數(shù)，廣泛應用于解決非線性問題和作為核函數(shù)來降低訓練模型程序的計算復雜性。第三步是使用‘initlssvm函數(shù)來初始化模型，然后在‘tunelssvm函數(shù)接口中，聯(lián)用‘simplex函數(shù)和‘crossvalidatelssvm函數(shù)兩次，一次得到一組參數(shù)也就是一個預測模型，兩次分別確定了具有最佳組合γ和σ2的兩個預測模型LS-SVM1和LS-SVM2。建立預測模型的關鍵是最佳組合γ和σ2的尋找，上述過程就是這組參數(shù)的尋優(yōu)過程。每次使用‘simplex函數(shù)和‘crossvalidatelssvm函數(shù)時，都會為相同的訓練數(shù)據(jù)確定不同γ和σ2的組合，也就是得到不同的LS-SVM模型。相似地，使用‘gridsearch函數(shù)和‘crossvalidatelssvm函數(shù)兩次，確定了具有最佳組合γ和σ2的另外兩個預測模型LS-SVM3和LS-SVM4。還有另外一個優(yōu)化程序是‘linesearch函數(shù)，但它一般只適用于線性核函數(shù)。再使用‘trainlssvm函數(shù)分別訓練這4個LS-SVM模型，訓練結束后，將圖2中的20組測試數(shù)據(jù)的輸入分別代入到這4個訓練好的LS-SVM模型中，再使用‘simlssvm函數(shù)會分別得到對應的4組作為輸出的預測K/S值。最后，通過比較上述4種LS-SVM模型的預測K/S值來確定一個最佳的LS-SVM預測模型。上述具體的LS-SVM方法在文獻中已全部涉及[1416]。

2.2LS-SVM染色模型的調試與結果分析

從圖1可以得到，80組染色實驗K/S值的變化范圍為12.10～19.54。從圖2中可以得到，20組染色實驗K/S的值變化范圍為7.95～17.01。

使用LS-SVM建模方法，可獲得4個不同的LS-SVM預測模型，它們之間的區(qū)別在于所使用的優(yōu)化程序在建模過程中是不同的。LS-SVM1模型和LS-SVM2模型使用的是‘simplex函數(shù)，而LS-SVM3模型和LS-SVM4模型使用的則是‘gridsearch函數(shù)。不同的優(yōu)化程序產生不同的參數(shù)以影響模型預測的正確性。如表1所示，4個LS-SVM模型有4組不同的參數(shù)。其中γ是正則化參數(shù)，它影響LS-SVM模型的泛化性能;σ2是RBF的寬度，它影響回歸誤差。在LS-SVM建模中，正則化參數(shù)和核函數(shù)及其相應的核參數(shù)的選擇起著至關重要的作用。

將圖2中測試數(shù)據(jù)的輸入分別代入到上述4個LS-SVM模型中，獲得4組預測的K/S值，其預測結果見表2。從圖3（a）中可知，LS-SVM1模型的相對誤差范圍為[-0.49%，1.38%]，平均相對誤差為0.39%，而LS-SVM2模型的相對誤差范圍為[-0.49%，3.27%]，平均相對誤差為0.64%。從圖3（b）中可知，LS-SVM3模型的相對誤差范圍為[-0.77%，7.55%]，平均相對誤差為1.31%，而LS-SVM4模型的相對誤差范圍為[-0.42%，1.13%]，平均相對誤差為0.35%。顯然，LS-SVM1模型的預測性能優(yōu)于LS-SVM2模型，LS-SVM4模型的預測性能優(yōu)于LS-SVM3模型。再比較LS-SVM1模型和LS-SVM4模型的預測性能。從圖3中可知，使用LS-SVM1模型預測K/S值時，在20個樣本中有17個樣本的K/S預測值的相對誤差在[-0.5%，0.5%]范圍中，而使用LS-SVM4模型時有18個樣本的相對誤差在[-0.5%，0.5%]范圍中。因此，LS-SVM4模型的預測性能比LS-SVM1模型略好。

為了進一步比較LS-SVM1模型和LS-SVM4模型，選取多個評價LS-SVM模型預測性能的典型指標如表3所示，其中包括平均相對誤差（ARE），均方根誤差（RMSE），最大相對誤差（Emax），相關系數(shù)（R），判定系數(shù)（R2）和精度（Ep）。

越小的ARE值意味著LS-SVM模型的預測精度越高，并且對于RMSE和Emax也是這樣的。相反，越小的R值意味著LS-SVM模型的預測準確性越差，并且對于R2和EP也是如此[6，11]。從表3可以看出，LS-SVM4模型中ARE，RMSE和Emax這3個評價指標分別小于LS-SVM1模型中對應的評價指標，這意味著LS-SVM4模型預測誤差較小。LS-SVM4模型中ARE，RMSE和Emax這3個評價指標分別為0.35%，0.048和1.13%。同時，LS-SVM4模型中R2和Ep這兩個評價指標分別大于LS-SVM1模型中對應的評價指標，表明LS-SVM4模型擬合效果更好。LS-SVM4模型中R2和Ep的評價指標分別為0.999 92和99.64%，可知LS-SVM4模型中的R為0.999 96，而LS-SVM1模型中的R為0.999 94。以上分析表明，LS-SVM4模型具有很好的精度，可以為棉針織物軋烘軋蒸染色工藝的優(yōu)化和選擇提供依據(jù)。

3結論

a）建立了LS-SVM多因素模型并在棉針織物軋烘軋蒸染色工藝中，使用該模型來預測染色織物的K/S值。

b）預測實驗結果表明，染色織物的K/S實驗值和預測值的相關系數(shù)R為0.999 96，平均相對誤差小于0.5%，說明該模型具有很高的精度，可以用于棉針織物活性染料軋烘軋蒸染色工藝中的預測和優(yōu)化。

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收稿日期：2018-11-07網絡出版日期：2019-03-20

基金項目：國家十三五重大科技專項（2017YFB0309700）

作者簡介：陶開鑫（1995-），男，安徽滁州人，碩士研究生，主要從事先進紡織材料的制備和性能方面的研究。

通信作者：俞成丙，Email： ycb101@shu.edu.cn