對遺傳算法下高溫作業(yè)服裝傳熱的探討

岳榮華

（衡水學(xué)院，河北 衡水 053000）

0 引言

高溫作業(yè)屬于特殊工種，在自動化、智能化系統(tǒng)的支撐下，極大減輕工作人員負(fù)擔(dān)，但部分作業(yè)仍需要工作人員進(jìn)行手工作業(yè)，才可滿足實(shí)際施工需求。從具體施工環(huán)境來看，高溫施工場所產(chǎn)生的溫度影響、輻射影響等，將對工作人員身體造成嚴(yán)重?fù)p害。工人身穿高溫作業(yè)服裝在實(shí)際應(yīng)用過程中可起到一定的隔熱效果，在溫度范疇內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對人體的全過程防護(hù)，其運(yùn)行原理主要是通過服裝材料所具備的隔熱、斷熱性能和阻隔熱量傳遞，提高服裝防護(hù)的針對性。為此，針對高溫作業(yè)服裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須充分考慮到服裝作業(yè)過程中的熱傳遞系數(shù)，利用相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)對服裝傳熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)分析，進(jìn)而提高服裝的實(shí)際隔熱效果。如下試對遺傳算法下高溫作業(yè)服裝傳熱進(jìn)行探討。

1 遺傳算法的相關(guān)概述

遺傳算法是以生物進(jìn)化規(guī)律為雛形所建設(shè)的，在自然選擇、遺傳學(xué)機(jī)理的支撐下，結(jié)合數(shù)據(jù)信息所得出的計(jì)算模型，其在實(shí)際應(yīng)用過程中所達(dá)到的模擬效果，可以形成更為便捷的求算方法，對問題進(jìn)行逐層簡化。與其他類別的優(yōu)化算法相比較，遺傳算法是對信息特征進(jìn)行分析，結(jié)合信息在固有數(shù)據(jù)系統(tǒng)中呈現(xiàn)出的變化趨勢設(shè)定問題串集，以群體替代單體，這樣可有效提高數(shù)據(jù)搜索面積，通過全局擇優(yōu)，規(guī)避個(gè)體求解中的單一搜索問題。同時(shí)，遺傳算法可針對串集中的個(gè)體進(jìn)行分別評估，解決了局部最優(yōu)解的算法問題，強(qiáng)化運(yùn)算并行效果。此外，遺傳算法所具備的不確定性，可令其立足于數(shù)據(jù)模型之上，結(jié)合概率變遷實(shí)現(xiàn)對信息搜索方向的自主優(yōu)化，提高實(shí)際運(yùn)算效果[1]。

2 高溫作業(yè)服裝傳熱模型

高溫作業(yè)具有一定的危險(xiǎn)性，若整體工作環(huán)境持續(xù)性高溫，將令工作人員產(chǎn)生中暑的現(xiàn)象，特別是對相對封閉的工作環(huán)境來講，局部高溫現(xiàn)象將降低實(shí)際工作質(zhì)量，甚至可能使工作人員產(chǎn)生熱射病、熱痙攣或熱衰竭的現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)高溫作業(yè)服裝時(shí)，應(yīng)充分考慮到高溫環(huán)境對人體所造成的影響，以及人們在高溫環(huán)境中所呈現(xiàn)出的心理變化、生理變化等，確定實(shí)際影響范疇，進(jìn)一步將管控措施落實(shí)到各項(xiàng)承受指標(biāo)中。高溫作業(yè)服裝在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，大多是以指標(biāo)衡量為主，保證人體承受值與服裝本體的熱傳導(dǎo)值可達(dá)到熱系數(shù)一致，此類基于主觀與客觀相結(jié)合的服裝設(shè)計(jì)體系并未能真實(shí)地反映出熱量在服裝上傳遞所具備的數(shù)據(jù)特征。本研究以遺傳算法為基礎(chǔ)，建設(shè)高溫服裝在受熱過程中的熱量傳遞模式，并構(gòu)筑數(shù)據(jù)模型，映射出服裝傳熱、隔熱應(yīng)當(dāng)具備的相關(guān)參數(shù)，為高溫作業(yè)服裝設(shè)計(jì)提供詳細(xì)參數(shù)[2]。

2.1 基于非穩(wěn)態(tài)的數(shù)據(jù)導(dǎo)熱模型假設(shè)

非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱主要是指在時(shí)間變動下，溫度與時(shí)間呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，此過程可以看成是物體的導(dǎo)熱過程。通常情況下，在同一個(gè)物體表面上，熱量傳遞是按照實(shí)際位置來劃分的，且每一個(gè)空間點(diǎn)所呈現(xiàn)出的熱量具有唯一性，不同位置熱量傳遞差則可以表明穩(wěn)態(tài)傳熱所具備的差值特征。以此為基礎(chǔ)，可以分析出非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱效果下的動態(tài)模式。遺傳算法在對問題集進(jìn)行處理時(shí)，是針對整個(gè)問題面來分析傳熱效果的，此過程中將熱傳導(dǎo)、熱對流作為問題假設(shè)體，將服裝內(nèi)部人員的溫度值設(shè)為固定。假設(shè)熱量在實(shí)際傳導(dǎo)過程中不會產(chǎn)生耗損現(xiàn)象，且外部環(huán)境所產(chǎn)生的對流熱屬于自然狀態(tài)，不會受到工作環(huán)境的干擾。

2.2 導(dǎo)熱問題分析

通常情況下，高溫作業(yè)服裝結(jié)構(gòu)分為三層，此類材料本身所產(chǎn)生的隔熱效果是按照不同材料層所具有的保溫隔熱性能來決定的。本研究的熱量傳遞效果是垂直于人體皮膚面的，這樣一來便可在外界溫度環(huán)境、人體皮膚系統(tǒng)之間構(gòu)筑一個(gè)維度系統(tǒng)，從而確定出溫度值、熱傳遞、材料層距離之間的所屬關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，人們表體溫度值將隨著傳熱時(shí)間的增長而增加，但受限于人體自身的承熱極限值，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)則呈現(xiàn)出一個(gè)水平點(diǎn)。此時(shí)，可以將與溫度相關(guān)聯(lián)的各類參數(shù)設(shè)定到一個(gè)二維函數(shù)中，然后以人體溫度極限值為穩(wěn)定指數(shù)，進(jìn)一步創(chuàng)建基于非穩(wěn)態(tài)的數(shù)據(jù)導(dǎo)熱模型[3]。

從熱量傳導(dǎo)形式可以看出，熱量傳導(dǎo)、熱源輻射和對流等是熱量產(chǎn)生及傳播的關(guān)鍵點(diǎn)，其中熱源輻射條件要求溫度值高于85℃。為此，在實(shí)際數(shù)據(jù)監(jiān)測中，只需對對流、傳導(dǎo)兩種模式下產(chǎn)生的熱量傳播模式進(jìn)行分析便可。從服裝材料本身呈現(xiàn)出屬性來看，不同材料層之間所產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)模式是界限于材料之間的，但是在與人體表層接觸的第三層材料則存在區(qū)別于材料之間的換熱模式。

2.3 導(dǎo)熱模型建設(shè)

在建設(shè)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型中，應(yīng)針對熱量傳播形式設(shè)定出相對應(yīng)的一維、二維傳播模型。通常情況下，一維傳熱是指物體問題隨著坐標(biāo)方向呈現(xiàn)出的變熱趨勢，二維傳熱則是在二維表面上呈現(xiàn)出的變熱趨勢。本研究的傳熱模式是垂直于表體的，即為單一坐標(biāo)方向的熱量傳播，模型建設(shè)時(shí)則是以一維非穩(wěn)態(tài)傳熱為主。依據(jù)導(dǎo)熱定律可以確定熱量在材料層之間的傳導(dǎo)率、比熱容和密度值，此過程則可以忽略材料邊緣傳熱所產(chǎn)生的相沖問題，將對流換熱模式界定為相對穩(wěn)定的傳熱效果。

為此，在設(shè)計(jì)傳導(dǎo)模型時(shí)，可先將高溫作業(yè)服裝的外層作為坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)，然后設(shè)定服裝垂直傳熱為正坐標(biāo)軸，建設(shè)一維坐標(biāo)系。其中x0為外層與高溫環(huán)境的交點(diǎn)坐標(biāo)，x1、x2、x3分別代表服裝不同材料層的交匯坐標(biāo)，而x4則代表作業(yè)人員身體表層與高溫環(huán)境的交匯處。為此，可設(shè)定方程式如式（1）和式（2）。

其中t 為時(shí)間，T 為傳熱時(shí)間，?為傳熱系數(shù)。

進(jìn)而確定出服裝材料在實(shí)際傳熱過程中的能量傳遞函數(shù)式（3）：

3 高溫作業(yè)服裝的遺傳算法解析

這里所設(shè)定的遺傳算法解析模式，應(yīng)先對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行離散處理，保證數(shù)據(jù)模型在處理過程中呈現(xiàn)出收斂特征，進(jìn)一步確定出不同微元空間中，時(shí)間步長與溫度變化值所產(chǎn)生的關(guān)系。這對于整個(gè)數(shù)據(jù)函數(shù)體系來看，則可分析出邊緣界定區(qū)域下，熱量傳導(dǎo)、對流換熱在某一個(gè)操控方向下呈現(xiàn)出的差分?jǐn)?shù)值。這樣可分析出單一熱傳遞系數(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中的求解屬性。在利用遺傳算法對傳熱模型進(jìn)行解析時(shí)，其問題產(chǎn)生點(diǎn)是以上述提出的假設(shè)條件為基礎(chǔ)的，排除溫度值高于85℃的熱輻射條件，確定數(shù)據(jù)值的集群規(guī)模，然后采取基因交叉指標(biāo)作為空間、時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的突變指標(biāo)，這樣一來，可得出固有模型支撐下的溫度值變化情況，并將其作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的函數(shù)關(guān)系，分析出與之相對應(yīng)的閾值[4]，如式（4）。

其中T1'2為數(shù)據(jù)模型的最終時(shí)間節(jié)點(diǎn)，l 代表在當(dāng)前T 時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的溫度值。

利用遺傳算法進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，由于高溫作業(yè)服裝本身是三層材料結(jié)構(gòu)，外界溫度與第一層材料交匯處產(chǎn)生的換熱系數(shù)為4.832，而第四層（人體皮膚與服裝貼近于人體的第三層為第四換熱層）產(chǎn)生的換熱系數(shù)為0.390，此類數(shù)值呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)變動范疇與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合。

通過數(shù)據(jù)參數(shù)對比，實(shí)際計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍存在一定的差異性，其具體體現(xiàn)為不同傳熱時(shí)間下，溫度值上升趨勢及穩(wěn)定時(shí)間具有偏差。產(chǎn)生此類問題的主要原因是由于實(shí)驗(yàn)假設(shè)狀態(tài)過于理想，而在實(shí)際操作過程中，高溫作業(yè)服裝的材料層之間在溫度傳遞過程中呈現(xiàn)出一定的損耗特點(diǎn)，特別是在不同區(qū)域下，溫度不連續(xù)變化屬性，更是增加實(shí)際溫度調(diào)控的梯度值。同時(shí)，人體表層溫度、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等也存在不可規(guī)避的誤差，造成數(shù)據(jù)離散分析時(shí)精度不足的問題產(chǎn)生。

4 結(jié)語

高溫作業(yè)服裝可隔離外部熱量，為工作人員提供一個(gè)相對穩(wěn)定的工作環(huán)境。服裝在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須針對熱量傳輸模式、材料層之間的傳熱屬性，分析出不同操控視域下，熱量傳遞過程中損耗值以及熱量系數(shù)與人體承受指標(biāo)所產(chǎn)生的關(guān)系，進(jìn)而全面解析出服裝材料應(yīng)當(dāng)具備的屬性值。