基于BP人工神经网络的新型面料热湿舒适性的研究（可编辑）

基于BP人工神经网络的新型面料热湿舒适性的研究（可编辑） 基于BP人工神经网络的新型面料热湿舒适性的研究 独创性声明 一?氏‘ 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 讦捎而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 签字日期:刎。年,月肜日 名瓤刍 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅 和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 导师签名: 学位论文作者签名: 名埘 签字日期: 签字同期:‖年/ 月他日 乒日, ;ד二 ,。“,謦 . ?爷。掣。。.. 《廿:学位论文的主要创新点 一、运用灰色理论的相对关联度分析对出汗热板仪所测得的热 阻、湿阻与常规方法测得的织物热湿舒适性能各项参数进行总体 分 析,确定两者关联度最大的因素,即找出常规方法中同样能够较 好的 反映织物热湿舒适性能的方式,降低实验成本。 二、运用软件中的因子分析,采用主成分分析法对实验所 用的新型再生纤维针织面料的基本性能参数进行分析,得出影响这类 织物制成的内衣面料穿着热湿舒适性的主要因素,对其设计开发、工 艺控制以及消费者成品选购提供了一定的参考。 三、用人工神经网络对织物的热舒适性与湿舒适性分开单独 预测。这样做更能保证预测的准确性。通过研究建立起新型再生纤维 针织内衣面料的热、湿舒适性能预测模型,并具有较理想的预测精度。摘要 自世纪末,随着“绿色环保观念的兴起,人们对服装尤其是贴身穿着 的内衣面料的要求趋向于自然化、舒适化,新型再生纤维以其良好的吸湿透气及 亲肤性成为天然纤维最理想的替代品,因此对于这类新型再生纤维针织内衣面料 的热湿舒适性进行系统很有价值。 论文采用常规方法与 出汗热板仪法分别对新型再生纤维面料进行 热湿舒适性能测试,并用灰色理论的相对关联度对实验结果进行分析,研究二者 在评价织物热湿舒适性能方面的关联度,得出热阻与克罗值的关 联度最大,湿阻 与当量透湿量的关联度最大,说明常规方法测得的克罗值和当量透湿量与用出汗 热板仪测得的热阻和湿阻同样能够较好的反映织物的热湿舒适性能。出汗热板仪 设备庞大、价格昂贵,且操作时间长,做一次测试需要投入大量的人力物力,此 项研究可降低企业成本。 运用软件对新型再生纤维针织面料热湿舒适性的可能影响因素进行因 子分析,提取方法选择主成分分析法。分析得出影响此类贴身内衣面料穿着舒适 性的主要因素为材料的吸湿性能、织物的厚度紧密度及织物组织结构。 运用人工神经网络建立新型再生纤维针织面料舒适性能预测模型,分别 对织物的热、湿舒适性能进行预测。通过研究认为人工神经网络完全能对织物的 热湿舒适性能进行预测,且预测精度比较理想。可以开发成新型再生纤维针织内 衣热湿舒适性能预测专用软件,以提高传统测试速度及精度,节省测试成本。 关键词:热湿舒适性,灰色理论,主成分分析,人上神经网 络?????..一一 ” , ’ , . , , ? ’?. ?, .“”, ”. “ . ,, , ., . , . . , ., . . . ?. , . ., , :? , 目 录 第一章绪论? .再生纤维简介.. ..再生纤维的兴起与发展? ..再生纤维的开发现状.热湿舒适性简介??一 ..热湿舒适性概念? ..热湿舒适性国外研究概况 ..热湿舒适性国内研究概况 . 人工神经网络简介. ..人工神经网络及网络 .. 神经网络结构及算法.. 网络存在的问题和改进方法. ...局部极小问题??. ...学习收敛速度太慢的问题 ...隐层个数和隐单元个数问题??. .. .构作人工神经网络 ...输入和目标. ...建立网络?. ...动练网络??. ...仿真网络?. .本课题研究的目的及意义.本课题的研究内容?.. .本章小结??.. 第二章新型面料热湿舒适性能实验 .实验试样??.. . 平板式保温仪法测试保暖性? . / .透湿杯法测试透湿性.. .出汗热板仪法测试热阻和湿阻?. .热湿舒适性不同测试方法比较 ..热舒适性测试方法比较. ..湿舒适性测试方法比较. . 型中压透气仪测试透气性. ..透气性的单因子分析?...透气性的综合分析??.. .本章小结??一 第三章新型面料热湿舒适性主要影响因素研究? .针织内衣的舒适性要求 ..针织物的特性?. ..内衣舒适性要求. .舒适性影响因素主成分分析? .本章小结??一 第四章人工神经网络对新型面料热湿舒适性的预测. .对热舒适性预测 ..数据分析与处理? ..网络设计一 ..网络练??. ..网络仿真? ..结果讨论一 .对湿舒适性预测 ..数据分析与处理. ..网络设计. ..网络动练??. ..网络仿真? ..结果讨论? .本章小结??一 第五章结论与展望? .工作总结??一 ..热、湿舒适性不同测试方法的比较结论??. ..热湿舒适性主要影响因素的结论??. .. 人工神经网络预测热湿舒适性的结论.工作展望 参考文献??. 发表论文和参加科研情况?.. 附录??.. 致谢??..第一章绪论 第一章绪论 随着社会的发展和进步,人们的生活水平不断提高,人们对服装的舒适性越 来越重视。人总是处在一定的自然和社会环境中,环境对人有着不同的影响作用, 故姨则住人体与环境之间的相互作用中起调节作用。在物理、生理、心理舒适中, 热湿舒适性是服装舒适性能中最基本和最重要的组成部分之一。 服装热湿舒适性是“人体、服装、环境系统内的生物热力学的综合平衡, 是人体生理和环境气候要素之间的动态协调?。服装的热湿舒适性能指的就是其 调节内外热湿传递的能力。对服装来说,纤维原料成分对热湿调节能力有非常大 的决定作用。 再生纤维素纤维是人类开发成功的第一种化学纤维,在服用领域中一直占有 一定的位置。世纪年代以来,国内外陆续研制出一些新型再生纤 维素纤维, 差别化的新产品不断进入市场。此时,这些新型服装材料的热湿舒适性能就成为 一个非常值得关注的研究课题。 本章对课题所涉及到的再生纤维、热湿舒适性及人工神经网络等概念进 行了介绍,阐述了目前国内外相关领域的研究现状,从而引出本课题研究的内容、 目的及意义。 .再生纤维简介 .. 再生纤维的兴起与发展 化学纤维是人类在世纪罩最为重要的科技成果之一,而再生纤维素纤维 正是第一个被开发成功的化纤品种??它的商业化是在上个世纪之交。 年,法国人发明了硝酸纤维,在巴黎博览会上展出,引起 了轰动心。因为生产中所使用的溶剂易爆,纤维质量也较差,所以,硝酸纤维未 能推广不来。 年,英国人用二硫化碳作用于碱纤维素,再经黄酸酯化制成纤维 素溶液,纺出粘胶纤维乜。这种纤维吸湿性好、透气性强、抗静 电、易于纺织加 工,制成的织物花色鲜艳、穿着舒适而且原料丰富,很快成了再生纤维的主要品 种。 年,法国人采用纤维素的铜氨溶液,制成了铜氨纤维瞳。该天津工业大学硕士学位论文 纤维手感柔软,富有光泽,适合做高档衣料,但由于成本较高,未得到充分发展。 随后,以天然纤维素为原料的醋酯纤维问世,但其纤维产品的化学成分已有所改 变,为醋酸纤维素酯,已不能属于再生纤维素纤维。另外,其生产规模也不大。 年,穆勒等发明了一种稀硫酸和硫酸盐组成的凝固浴,实现 了粘胶纤维的工业化生产口。 世纪年代末期,出现了强力粘胶纤维;年代初期,高湿模量粘胶纤 维实现工业化;到了年代初期,粘胶纤维的发展达到了高峰,其产量占化学 纤维总产量的%以上口。 从年代中期起,由于合成纤维的陆续出笼,加之再生纤维素纤维自身性 能的一些局限,粘胶纤维的发展逐渐趋于平缓,其在化纤中的地位也随之下降。 我国的粘胶工业起步较晚。自世纪年代开始发展,随后产量长时间呈 上升趋势,但在世纪年代之后,随着合成纤维工业的发展,粘胶纤维的产 量增长迟缓,几乎处于停滞状态。 年代,阿克苏公司开始研究溶剂法纺丝制造纤维素纤维, 年阿克苏公司将专利授予奥地利兰精公司,随后又将专利授予英国 考陶尔兹公司。考陶尔兹公司经过多年努力,率先推出以溶剂 法纺丝制造出来的纤维素纤维?地。年,纤维被正式定义为 “通过有机溶纺工艺获得的一种纤维素纤维,国内称之为“天丝’’;年, 兰精公司开始发展纤维。这两种纤维除了继承粘胶的优点外,又弥补了 粘胶的缺点,提高了强度、初始模量及尺寸稳定性。 年代初,兰精公司还推出了新一代高湿模量的纤维。与、 纤维一样,纤维也采用溶剂纺技术。 年代中后期,英国阿考迪斯公司又推出了一种新型的再生纤维素 纤维??维劳夫特?。是一种木质纤维素纤维,具有可降解性,属 绿色环保纤维崎。 与此同时,我国白行研发成功了以竹子为原料的再生纤维素纤维??竹纤 维。竹纤维是由上海纺织控股公司组织、上海化纤浆粕总厂和上海月季化学纤维 有限公司合作开发的?。据称,该纤维具有天然抗菌功能,属于绿色纤维。竹纤 维的生产有利于森林资源的保护,也为竹材的合理利用找出了一条较佳的途径。 年, 公司将从玉米中提炼的蛋白质用醇或碱溶解 纺丝制得玉米蛋白纤维,商品名为 ,该纤维比重为.,吸水率为%左右,断裂强度为.?.‖;年,美国西 公司开发了玉米蛋白纤维“’’口。直到年,已经可以批量生产 纤维。之后,美国知名的谷物公司从玉米中生产出非蛋白质聚合物,冠之以商品第一章绪论 名为“,最初的年产量为左右,继之扩产到。 年, 公司看好这种聚乳酸纤维的后期发展,便参与组建 公司,目前正在兴建万吨的聚乳酸纤维原料高分子聚丙交酯的生产工厂。 美国公司采取扩展战略,一是扩大自己的聚乳酸纤维原料生产规 模控制该项技术,另外一个是原料输出并组建新的企业公司,开发新产品。 年与日本的公司合资,由日本钟纺公司开发聚乳酸纤维, 年一年日本岛津制作所与钟纺公司合作进一步开发玉米乳酸纤 维新品种 纤维,又称聚乳酸纤维,并以该纤维制作推出各种服饰。之后 又与台湾远东纺织公司组成策略联盟,并将其聚乳酸纤维技术授权,这是该公司 在亚洲授权的第二个公司,构成亚洲攻势。远东纺织公司授权的聚乳酸纤维的商 品名为“,在亚太地区销售。年,美国公司等对玉米蛋白纤 维的制造过程和纤维性能进行了研究。将玉米蛋白质溶解于溶剂中可进行干法纺 丝口。年,美国公司与钟纺公司合作,联合生产聚乳酸纤维等新品种。 年,美国日本研制了商品名为的大豆蛋白纤维,吸水率%左 右。年,美国通用汽车公司首先从豆粕中提取了大豆纤维,但因达不到纺 丝要求的指标而中断研究口。年月,我国濮阳华康生物化学工程联合集团 公司,河南省遂平华康生物工程有限公司的李官奇先生潜心研究了十年,投资七 千多万元,经历了艰难的研究历程,终于将大豆蛋白纤维试纺成功,并首次成功 地进行了工业化生产。在河南遂平建成了第一条年产吨的大豆蛋白纤维工 业化试验生产线,并且目前在山东、江苏、浙江三省有年产万吨的生产线在建, 同时,正在研制大豆蛋白纤维长丝,开发多品种、功能性纤维田,引。 年,一种用“珍珠纤维”制作的产品当前已在国内上市。它有纤维素 纤维吸湿透气、穿着舒适的特点,还具有珍珠养颜护肤、清火败毒、嫩白肌肤的 功效。月日,由中国纺织工业协会组织的“珍珠共混再生纤维素纤维研制 及其产业化应用项目鉴定会在浙江省诸暨市召开,以中国工程院院士姚穆为首 的专家组在实地考察和审核材料的基础上,认定该项目的整体技术达到了国际先 进水平,是一种新型的功能性纺织材料,尤其适用于内衣、家纺等产品。珍珠共 混再生纤维素纤维简称珍珠纤维采用了高科技手段,在用再生纤维素纤维纺 丝时将超细珍珠粉加入,使纤维内外均匀分布纳米级珍珠微粒。经中科院上海生 化研究所和东华大学测试中心,珍珠纤维含有多种氨基酸和微量元素且经久 耐用。经纺织工业南方科技测试中心和中科院上海物理技术研究所测定,珍珠纤 。 维还有优异的防紫外线和远红外辐射功能 概括地讲,到目前为止,再生纤维素纤维的发展已经经历了三个历史阶段, 形成了三代产品。第一代以世纪末面世的普通粘胶纤维为代表。第二代是天津工业大学硕士学位论文 世纪年代实现工业化生产的高湿模量粘胶。第三代就是世纪年代以 来陆续面市的新型再生纤维素纤维。钔。目前,最具代表性的新型再生纤维主要 有纤维、大豆纤维、竹纤维、聚乳酸纤维、新工艺生产的纤维及 珍珠纤维等。 ..再生纤维的开发现状 天丝的开发成功比较早,到目前为止,已有两种类型的纤维: 一种是型的原纤化 ;另一种是非原纤化的 。非原纤 化是在纺标准型后道,经助剂交联处理而成,不会发生原纤 化。这两种纤维的性能差别不大。 经过近年的研究,纤维的纺丝工艺日趋成熟。随着开发研究的进 兰精绿赛尔超细纤 展,现已开发出以下几个产品系列: 兰精绿赛尔 兰精绿赛尔纤维、 维、 。 纤维等 和纤维代表了纤维素纤维的发展方向,被誉为世纪最具发 展前途的绿色环保纤维。我国也将纤维列入了“十五”国家纺织 工业重 点发展项目。它们在短时期内也许还不能成为纤维素纤维的主导 产品,但可以相 信,其发展潜力无限。 作为高湿模量纤维,具有优于粘胶的机械性能。新型不仅保持 兰 了原有的优点,而且更加环保。目前己开发出的品种有 精莫代尔超细纤维、 兰精莫代尔抗紫外线纤维、 兰精纤维 兰精莫代尔彩色纤维、 等系列产品。 。 已开发出的纤维品种有: 和 是一种手感柔顺的超细纤维,用它制作的织物质轻、超柔软、美 观,更适 用于精细服饰。 竹纤维作为一种新型的再生纤维素纤维,除了原料方面的特殊性外,更重要 的是具有天然抗菌性这一独特优势,这就决定了竹纤维比其它纤维素纤维更适宜 用作内衣、贴身恤衫、衬衣、运动装、袜子等产品。但总的来说,竹纤维的应 用研究还处于纺织产品的工艺开发阶段,但是,据专家预测,竹纤维在纺织行业 中将会有广阔的前景。 聚乳酸纤维作为可完全生物降解的高分子化合物,是以天然生物资源为基础 原料开发成功的新型纤维材料,具有光泽靓丽、舒适、耐用、滑糯、快干等优点, 特别是它所具有的优越生物降解性和适用性受到世界关注,以玉米、大豆、小麦第一章绪论 等淀粉原料经发酵、聚合、纺丝而制成的聚乳酸纤维正迅速产业化,目 前产能已超过.万吨/年,日本钟纺公司开发成功的纤维商品名为 “,己广泛用于服装、产业及医疗卫生用品。并且于年月,欧 盟委员会确认聚乳酸纤维、准许纺织厂商和服装零售商使用“ 来标签含有提炼的聚乳酸纤维成份的服装和面料。此外, 国际产业界也对聚乳酸材料的优异性能产生了浓厚的兴趣,除纺织化学纤维以外 勺虑用也作了很大努力。日本丰田汽车公司报道了用聚乳酸为原料制成汽车内部 装饰材料的动向;德国拜尔公司分公司瓦尔斯罗德公司报道了开发成功聚 乳酸系列的纤维素丙交酯的热塑性材料,将利用其独特的轻质和刚性相结合的特 性和优于聚丙烯的粘合性等优点用于非薄膜制件和汽车的轻质复合材料。 国内的一些企业也正努力进入合作开发行列,并且不少化纤企业和科研单位 开展了对聚乳酸的多方面的实验室探索研究和各项试验工作,聚乳酸在国内正得 到越来越广泛的关注和研究。我国上海东华大学沈新元教授等研究了聚乳酸纤维 制备工艺,上海华源股份有限公司自年开始与美国公司合作,成为国 内第一家实行工业化发展的化纤企业;上棉十七总厂成功开发出“玉米聚乳酸纤 维;仪征化纤公司己试产了聚乳酸长丝和短纤维,并同美国 公司合 作批量生产聚乳酸纤维;并且有机构称在直接聚合、合成高分子量聚乳酸方面已 取得重要成绩。 我国从世纪年代末开始着手研究聚乳酸及其共聚物。据中国非织造布 和产业用纺织品行业协会介绍,在年至年《纺织行业科技发展项目指 南》中,与非织造布和产业用纺织品行业有关的有个项目,其中“聚乳酸纤维 的开发及其应用”的研究内容如下: 高分子量聚乳酸聚合物合成工艺及最佳参数选择; 高分子量聚乳酸聚合物纺丝工艺及加工合成研究; 聚乳酸纤维的结构性能及生物降解性能测试; 。 聚乳酸纤维用于医用、农用、食品、材料的开发 从中国专利数据库年月也可以发现,国内聚乳酸的专利主要 以高校为主,其中申请聚乳酸相关专利的高校主要有:浙江大学、天津大学、武 汉大学、华东理工大学、清华大学、南开大学、东南大学、上海交通大学、重庆 大学、暨南大学等;企业也有一定的申请量,但相比之下,企业的 聚乳酸专利申 请量远少于高校;高校和研究所占%,而企业为%引。 目前我国聚乳酸纤维的研究目标:研制可生物降解的聚乳酸纤维,达到中试 目标。 国内大豆蛋白质纤维的成功开发,引起了我国纺织界的关注,目前我国一些天津工业大学硕士学位论文 企业、研究机构、大专院校都在积极开展技术研究和产品开发工作。苏州大学材 料工程学院对大豆蛋白纤维的针织加工性能、染整技术、产品性能、产品花色品 种等作了初步研究,摸索了大豆纤维与其它纤维混纺交织物的结构与性能,尤其 对纯纺及混纺交织物的针织染整加工技术与产品质量之间的关系,积累了一些基 础研究技术数据与生产实际经验。无锡明丽雅针织时装有限公司、青岛华金集团 股份有限公司、内蒙古鄂尔多斯羊绒集团总公司等单位,开发试生产了一批新型 大豆蛋白纤维及其与绢丝、羊绒、差别化涤纶纤维、锦纶/氨纶混纺交织针织面 料及服装。东华大学对大豆纤维针织物的导湿透气性进行了研究, 并根据大豆纤 维的特性研制开发出一系列针织产品:山东青岛大学对大豆蛋白针织物加工作了 初步研究。大豆蛋白质纤维生产项目已于年被列入国家经贸委新产品试产 计划;年被列入国家科委火炬计划;年列入国家经贸委重点工业品扩 大出口专项规划;年列入河南省高新技术产业化重点项目。国内外资料表 明,国际上一些发达国家如美、日、英等国从事动、植物蛋白纤维的研究有较长 历史,近年来亦有报道。美国一所大学利用大豆蛋白纤维制作塑料、薄膜、包装 材料以及增强材料,但是作为大豆纤维纺织服装面料至今尚未开发成功,因此我 国大豆纤维纺织服装的研制生产在国际上我国尚属首创,也增补了国内空白哺捌。 珍珠纤维现与棉、毛、绢丝、亚麻、苎麻、涤纶、锦纶、腈纶、聚乳酸玉 米纤维及多种再生纤维素纤维如、、粘胶纤维等进行混纺, 纺制成各种用途的混纺纱线,同时也纺制纯纺纱线,制成各种规格的针织面料或 梭织面料;采用珍珠纤维与棉等天然纤维混纺纱织成的细布、薄绒布、针织平布 等,用于婴幼儿装,有利于保护婴幼儿的肌肤健康;与棉、毛、麻、丝、、 等纤维混纺,用于巾被与床上用品,长期使用可以起到护肤和保健作用引。 .热湿舒适性简介 ..热湿舒适性概念 热湿舒适性是指服装调节人体与环境之间的热湿交换,使服装内气候达到舒 适状态的能力。在“人体一服装一环境系统中,人的感觉受人体状态、服装性 能及气候条件的影响。人体代谢产热量和环境气候状态决定着人体与环境之间的 热湿交换倾向,而服装对热湿交换的调控是决定服装气候及人的感觉的关键因 素。 从基本生存的角度讲,合适的体内外温度是生理舒适的第一要素,所以,服 装的热湿舒适性曾被狭义地理解为人体与环境之间合适的热平衡。早期学者杜波 瓦和伯顿曾有过这样的叙述:人是否能够舒适地生活,取决第一 章绪论 于他自身产生的热量和向环境散失的热量之间能量交换的平衡,这个能量平衡必 须保持在人体对冷和热的耐受限度之内啪。 温度舒适固然很重要,但是,如果忽视了气候四要素中的另外三项??湿度、 风速和热辐射,未免有失偏颇。一方面,这三个因素对温度性舒适存在直接的影 响;另一方面,这三个气象要素本身也会分别对人体的生理感觉产生影响,尤其 是湿度。 ..热湿舒适性国外研究概况 世纪末,提出了以圆筒作为人体局部简化模型来研究织物的含湿 量与环境相对湿度对其保暖性能的影响,随后在年美国科学家已经开始使 用热欧姆作为隔热指标来评价服装的保暖性能。 年气候学家和生理学家西泊尔.等人发表了“选评寒冷气候服 装的原则’’一文,从生理学和气候学的角度提出了服装的防寒保暖原则; 年?、和提出综合人体生理参数、心理感觉和环境条件三者 的服装隔热保暖指标??克罗;年和提出了用以衡量织 物或织物层隔热性能的热阻单位年至年期间的研究主要集中在 防寒服装,定量评 价指标也只有克罗值。 年代,化纤工业的发展使得合成纤维的应用越来越广泛,合成纤维的研 制和发展给纺织服装业带来了极大的发展。然而常规合成纤维制品的吸湿性差, 这使得服装的湿闷感成为被关注的现象。因此人们对织物的传湿性和热湿舒适性 的研究也越来越多。为此纺织界的科学家们经过大量艰苦的研究,使服装舒适性 的研究又进一步。年伍德科克乜’..提出了服装的透湿指数 。,作为热气候条件下服装舒适性的评价指标,这项指标的提出具有重要的意义, 但其忽略了辐射热的影响;年美国著名服装生理学家戈德曼.. 把服装的克罗值与透湿指数结合起来,提出了服装的蒸发散热效能指数。 年,丹麦科技大学范格?教授以在美国采暖通工程师协会环 境实验室堪萨斯州立大学环境实验室所做的大量实验为基础,建立了考虑人 体、服装、环境三个方面六个因素的热舒适方程、舒适图和点标尺系统,并在 年成为国际标准。 年代以后,世界范围内关于纺织品和服装舒适性的研究进一步活跃。人 们在前期研究的基础上逐步地认识到人体一服装一环境是一个不可分割的系统, 在这一阶段人们注重和强调对服装穿着舒适功能性要从多角度展开全面的研究, 并出现了模拟人体一服装?环境系统的仪器和各种类型的假人;年 研制了皮肤模型装置并用其测试服用织物的干态导热性与热湿传递性;、天津工业大学硕士学位论文 两年日本相继报道了用于服装微小气候模拟装置和用电子计算机模拟服装热湿 传递性能的研究方法,并提出了用服装内气候作为评价服装舒适性标准的新理 论。在热湿舒适性测试仪器的研究方面,美国和西欧把能够模拟人体各部位功能 的暖体假人和由计算机控制的暖体铜人作为研究的重点,而日本则把研究的重点 放在微气候仪方面。 ..热湿舒适性国内研究概况 我国对服装舒适性与功能的研究起步比较晚。“文革前,只有个别纺织高 校里有少部分人从事相关的研究。他们的研究基本是针对纺织品的服用性能,较 少涉及整个服装系统。世纪年代末,相关研究在纺织院校和研究机构里重 新被启动。虽然比国外晚了很多年,但在过去的二十几年里,也取得了不少科研 成果。 国内早期的研究主要是引进和消化国外的基本成果和相关理论。年, 曹俊周翻译了福特和霍利斯《服装的舒适性与功能》一书。年,欧阳骅编 著了《服装卫生学》一书。这两本书对国内的服装舒适性研究有过重大的影响。 世纪年代,国内的服装舒适性能研究主要在各专业纺织院校展开,各 地的纺织科研院所也有一些研究人员参与。其中,原中国纺织大学现东华大学、 原西北纺织工学院现西安工程科技学院、原天津纺织工学院现天津工业大 学和解放军总后勤部军需装备研究所的研究开展得比较好。 年中国纺织大学对织物的热传递性能进行了研究,并于年研制成 功了服用织物传热透湿装置瞳引。年西北纺院对纺织品热、湿舒 适性测试方 法进行了研究,并研制出织物微气候仪乜引。天津纺织工学院于年开始,根 据西德皮肤模型的原理,开始研制能模拟人体出汗和体温的皮肤模型以及与其配 套的人工气候箱,于年完成心引。该装置可用来测试织物的热阻抗、湿阻抗 及其透湿指数。另外,总后军需装备研究所功效室的研究人员对织物热湿传递性 能的评价方法也做了大量研究,研制成功了衣内微气候测试仪乜,并提出了非显 性蒸发和显汗条件下织物热湿传递性能的评价指标。从而为全面评价织物的热湿 传递性能提供了依据。 目前国内外对服装热湿舒适性的研究主要集中在以下几个方面:一、织物的 热湿传递性能及其对舒适性的影响啪。引;二、对织物动态湿传递性能的研究口删; 三、对运动衣和内衣的热湿舒适性研究及开发口’?;四、对热湿舒适性新的试验 方法的研究和对新的试验装置的研制一。今后的研究重点有趋势转向特殊着装 条件下服装的热湿舒适性与功能研究。?;新型服装材料的热湿舒适性与功能研 究。,这也是本课题的研究方向。第一章绪论 . 人工神经网络简介阻删 ..人工神经网络及网络 在各种人工神经网络模型中,人工神经网络是最具有代表意义的一种人工神 经网络模型,它是当前最流行的人工神经网络模型之一,己获得了广泛的应用。 从结构上看,它是属于典型的前向网络,由输入层、输出层和若干隐含层组成, 相邻两层的神经元之间形成全互连接,同层各神经元互不连接。 算法对人工神经网络的研究起到了很大的作用。可以这么说,算法的 出现开创了多层网络训练算法的历史。同时,它还有很强的数学基础,其连接权 的修改是令人信服的。 .. 神经网络结构及算法 图.为神经网络模型的拓扑结构。神经网络模型是由输入层、输出 层和若干个隐含层组成的前向连接模型。同层各神经元互不连接, 相邻层的神经 元通过权重连接。算法梯度下降法是其常用算法,其特色在于信 息的分布 式存储和并行协同处理。 输出层 隐耆蘑 输入层 图. 神经网络模型的拓扑结构 设‖、西分别是模式下节点/的正确输出与实际输出值, %为联结节点 与节点之间的权重,则误差函数乞可定义为公式: 公式? 乞?乞一。‖ 在模式下任一单元的输入加权和为公式: 天津工业大学硕士学位论文 公式 ?‖ 当采用形函数作为功能函数时,有公式: 公式 %厂删百面巧磊可 不难求得公式: 公式 ’‖一% 网络的权重变化为公式: 公式. 厶?吩。西 式中,/为学习系数,/取值较大时,学习速度较快,但收敛性变差, 通常 由实验来决定刁值的大小。%为节点在模式下的输出误差,当‖为 输出层 节点的输出时,有公式: 公式 %?‖厂’‖ 当‖为隐含层节点的输出时,有公式: 公式. 易’,?%嘞 权重的调整规则为公式: 公式 :, 式中口称动量因子,取值范围为,】,一般可取.。.。 这就是一个网络权系数的自适应,自组织的优化选择过程,经过 多次训练后, 网络具有了对学习样本的记忆。图.为网络学习算法框图。第一 章绪论 图 网络学习算法框图 .. 网络存在的问题和改进方法 算法的理论依据坚实,推导过程严谨,物理概念清楚,通用性强,具有 很强的非线性映射能力。它在许多实际应用中已经起到了很重要的作用。它至今 仍然是多层前向人工神经网络的最主要的学习算法。而且,它的中间层数、各层 的单元数和网络的学习系数等都可根据情况具体设定,灵活性较大。 但是,算法也受到许多问题的困扰,有些问题对网络有着非常大的 影响。下面分别对这些问题进行讨论。 ...局部极小问题 像所有利用导数的优化方法一样,梯度法很容易陷入误差函数的局部极小。 算法采用的是最速下降法,训练是从某一起始点沿误差曲面的斜面逐渐逼近 最小值的。对于复杂的网络来说,其误差函数为高维空间,它是凹凸不平的,其 中分布着许多局部极小点见图.,因而在训练过程中,可能陷入某一这样的 局部极小点。而用原始的算法是很难逃离出来的。这在训练过程中表现出无 法达到要求的精度,而且随着训练次数的增加也无任何进展。然而值得一提的是, 在有些实际问题中,精度要求不是很高,有些局部极小值就能满足要求。这时局 部极小解是可以接受的。天津工业大学硕士学位论文 局部极小赢 垒竭极小点 局部极,、点 图多个极小点的连接权空间 图?中,如果初始条件是从或点出发,则只能达到局部极小点。如 果是从点出发,则能达到全局极小点。所以,适当改变隐含层的神经元个数, 或者给连接权加上很小的随机数,都可使初始位置发生变化,从而有可能避开局 部极小点。 避免局部极小值的方法主要有以下几种: 、在线梯度法 通常的做法是将全部的训练样本都输入到网络中,然后才能对当前的权值? 作一小步调整。而在实际应用中,样本数常常很大,上述做法不够经济。故随机 选取一个样本向量,且每输入一个训练样本向量,马上修改一次当前权值。 、遗传算法 遗传算法是一种通过模拟自然进化过程搜索全局最优解的算法,该算法同时 考虑了搜索空间上的许多点,并使用概率法则来引导其搜索。从而,避免局部极 小的可能性很大。 、加入动量项 动量法使网络在修正其权值时,不仅考虑误差在梯度上的作用,而且考虑在 误差曲面上变化趋势的影响。动量法降低了网络对于误差曲面局部细节的敏感 性,有效地抑制了网络陷于局部极小值。 该方法是在每一个权值的变化上加上一项正比于前次权值变化量的值,并根 据反向传播法来产生新的权值变化。带有附加动量项的权值调节公式.为: 公式? ?嘞以必嘞.,胛, 式中为训练次数,口为动量项,理论上口既可以为下数也可以为负数,但第一章绪论 实际应用中口不可能取负值。通常取为,内正数。 当前一次的校正过量时,动量项与本次误差校正项符号相反,使本次实际校 正量减小,最终使振荡停止。见图?。而当前一次的校正欠量时,动量项与本 次误差校正项符号相同,起到加速校正的作用。见图.。校正次数 校芷次数 图动量法校正过罩时 图.动量法校正欠量时 除以上几种常用方法外,还可以选用牛顿法、共轭梯度法等其他更高级的优 化方法。 ...学习收敛速度太慢的问题 算法最大的弱点是训练很难掌握,所以在网络的调试阶段加强对网络的 监视。算法的训练速度是非常慢的,尤其当网络的训练达到一定次数后,其 收敛速度可能会下降到接近于零。更为不幸的是,当离设定精度还很远时就出现 这种情况,训练有时是发散的。见图。天津工业大学硕士学位论 文 图 网络训练过程中发散的情况 算法本质上是优化计算中的梯度下降法,利用误差对权值、阀值的一阶 导数信息来指导下一步的权值调节方向,以求达到最终误差最小。为保证算法的 收敛性,学习率必须小于某一上限。这就决定了算法的收敛速度不可能很快。 算法执行过程中,权值和阀值每次调整的幅度,均以一个与网络误差函 数或其对权值或阀值的导数大小成正比的项乘以固定的因子。这样在误差曲面较 平坦处,由于这一偏导数值较小,权值和阀值的调整幅度比较小,以至于需要经 过多次调整才能将误差函数曲面降低:而在误差曲面曲率较高处,偏导数值较大, 权值和阀值的调整幅度也比较大,以至于在误差函数最小点附近发生过冲现象, 难以收敛到最小点。 要提高网络的收敛速度,需采取下列措施: 、尽可能使用顺序方式训练网络。顺序方式比批处理方式训练网络更快, 尤其是训练样本集很大且具有重复样本时,这一优点更为突出。然而顺序方式要 求每一周期的训练样本的输入顺序是随即的,这样做是为了尽可能避免使连续输 入的样本属于同一类。 、规一化样本。当训练样本集中的所有输入样本都为正值时,与中间层所 有神经元相连的权值只能同时增加或减小从而导致学习速度很慢。可以通过对样 本进行规一化处理,使所有样本值接近零,来避免这种情况的发生,从而加快网 络的学习速度。第一章绪论 、调整学习步长。适当调整使网络中各神经元的学习速度相差不多。一 般情况下输入端多的人工神经网络其值可适当小些:输出单元的取得比输入 单元的小些,这是因为输出单元的局部梯度比较大的缘故。 、选用奇函数作激励函数。根据经验激励函数为奇函数时,网络的学习 速度要快些。最常用的奇函数是双曲正切函数,如公式一所示。 公式。。 一口 厂,甜口描上 、充分利用先验信息。在学习过程中可以利用未知的输入输出函数的对称 性、方差等有关的先验知识,加快学习速度、改善逼近效果。 ...隐层个数和隐单元个数问题 在实际应用中,确定隐层个数和隐单元个数,一直是确定前馈网络结构的重 点,这也是一个十分复杂的问题。至今,还没有严格的理论依据进行确定,也没 有很好的解析式来表示。可以说隐层个数和隐单元数随着输入输出的条件不同会 有不同的结论。 .隐层数的确定 一般情况下,多于一个隐层的前传网络显然是不必要的,但是,对于某些问 题,更多的隐层有可能使总的单元数减少,从而得到更有效的人工神经网络。当 各节点均采用型函数时,一个隐含层就足以实现任意的判决分类问题,两个隐层 则足以表示输入图形的任意输出函数。这个结论是比较有用的。隐层起抽象的作 用,即它能从输入提取特征。增加隐层可以增强人工神经网络的 处理能力,但势 必使网络训练复杂化、训练样本数目增加和训练时间增长。实验表明,在相同条 件下,具有两个隐层的网络的训练次数和训练时间比一个隐层的网络的训练次数 和训练时间都要多。所以,一般不始设定一个隐含层,然后按需要再增加隐含层 数。 .隐层内单元数的确定 在前传网络的构造中,各层单元数的选择对网络的性能影响很大。所以,层 内节点数需要进行恰当的选择。输入层单元数和输出层单元数一般是由实际问题 本身决定,而隐单元个数的选择则是有讲究的。需要多少个隐单元,这要由网络 的用途来决定,但这并非是唯一确定的,一般来说,隐单元个数越多,对样本集 的学习精度要求就越高,而推广能力将已训练好的网络应用于未经学习的输入 想连向量的能力就越差。因此,对于隐含层单元数的选择是一个十分复杂的问 题。一般在满足适当的样本学习精度的前提下,隐节点个数应该 尽可能少,这一 点对降低网络成本来说也是有益的。可以先确定一个满足精度要求的较大的隐节 点个数,然后逐步减小,直至精度不再满足要求为止。也可先选定一个较小的隐天津工业大学硕士学位论文 节点个数,然后逐步增大,直到满足精度要求。这种动态调节隐含层节点数目的 方法对用硬件完成网络有一定的好处,但是对于结构的选定所花的时间比较长。 .. .构作人工神经网络 国际上许多公司和研究单位都设计了通用的模型库,来计算和实现当 前上百种的模型及相应的算法。环境下的人工神经网络工具箱就是其 重要代表。本论文的研究主要是使用人工神经网络工具箱对网络进行训练和 仿真的。 ...输入和目标 在命令行中输入后,就会出现/ 窗口。 用 定义网络的输入值,进入区,记为;同样进入区用 定义网络的输出值,记为。 ...建立网络 在 窗口中设置输入向量的范围,选择网络类型,指定传 递函数和学习函数,确定输入、输出层神经元个数和隐含层神经元个数。用 建立需要的网络。 ...训练网络 在窗口中选中,将区域选为,将研区域选为。 然后在训练参数栏内,选择训练步数、误差目标等训练参数。按 键,就会在屏幕上出现训练过程窗口。如果误差收敛成功,训练就此结束;如果 误差发散,就要重新初始化后,再进行训练,直到达到误差目标为止。 ...仿真网络 选中,在栏内选或事先输入的检验样本的输入值,按 就能仿真。回到/ 窗口从内可打开仿真输 出值,从内可打开仿真误差。 .本课题研究的目的及意义 自世纪术,随着“绿色环保观念的兴起,人们对服装的追求趋向于自 然化、舒适化,天然纤维受到了人们越来越多的青睐。但天然纤维因受到种植、 养殖面积的限制,无法大量发展,而且成本高、价格贵,因此,一些新型再生纤第一章绪论 维应运而生。对于贴身穿着的内衣面料,再生纤维素纤维以其良好的吸湿透气性 成为天然纤维最理想的替代品。因此,对其热湿舒适性的系统评价很有价值。 织物的特性预测有多种不同的建模方法,如数学建模、经验建模、计算机模 拟建模和人工神经网络建模。通过对这些建模方法的比较,人们发现人工神经网 络是预测织物特性较为有效的方法,而且发现从深刻理解问题本质而发展起来的 一个好的参数模型通常具有较好的性能。因此,神经网络最好用于那些对于我们 的卿钾来说相对有限的复杂问题,以及虽然我们希望将来能够理解它,但神经网 络现在就能帮我们解决的问题。 目前国内外作的与本研究类似的神经网络在纺织上应用用于预测的研究 有: .国内:织物的服装加工性能预测;纺纱技术预报;纤维增强复合材料力 学性能研究;生丝抱合与其结构关系研究;亚麻纤维品质与成纱质量的分析方法; 苎麻织物透气性能预测;苎麻织物接触冷暖感预测等。 .国外:多层机织物弹性模量等的预测;服装成本预测;棉平针针织物项 破强力预测;针织物手感预测;碳纤维增强复合材料累积疲劳损伤预测;纱线性 质与织物性质的关系预测;纵向张力脉冲下纺织产品的截面运动学;环锭纱与转 杯纱的毛羽预测;碳纤维增强复合材料管在轴向和扭转力下失效预测;阴离子水 溶性染料对生物量亲和性的预测;针刺非织造布伸长性预测模型;热塑性共聚物 杨氏模量的预测;荧光染料计算机匹配预测;喷气纺和转杯纺等各种纱线质量和 性质预测;玻璃纤维增强复合材料的疲劳寿命预测;纱线均匀度和强伸性预测; 黑白纤维混合的颜色匹配预测;洗衣机喷水预测;毛织物质量预测;织物手感预 测;混合染料浓度预测;纱线松弛模型;给定纤维性质的纤维可纺 性预测;服装 市场分析预测等。 本研究主要对神经网络求解织物热湿舒适性问题进行深入研究。利用计算机 建立神经网络模型,选择最佳网络参数并对网络进行训练。开发织物热湿舒适性 能预测专用软件。不展这方面的研究,可提高我国在纺织测试领域中的应用水平, 也为节省人力,提高测试速度与精度以及节省购买测试仪器开支提供一条行之有 效的解决途径。目前国内外尚未见此类研究报道。 .本课题的研究内容 .新型再生纤维针织面料基本物理性能的测试包括克重、横纵密、厚度、线 圈长度、回潮率、透气量的测试。 .新型再生纤维针织面料热湿舒适性能的测试分别使用常规方法与天津工业大学硕士学位论文 出汗热板仪法测试,采用灰色理论的相对关联性分析评价二种方法结果的关联 度,找出更为经济合理的方法。 .运用软件对新型再生纤维针织面料热湿舒适性的可能影响因素进行因 子分析,提取方法选择主成分分析法。分析影响此类贴身内衣面料穿着舒适性的 主要因素。 .运用人工神经网络建立新型再生纤维针织面料舒适性能预测模型,分别对 织物的热、湿舒适性能进行预测。 .本章小结 本章分别介绍了课题的相关领域内容,包括:再生纤维的兴起、发展及开发 现状;热湿舒适性的概念及国内外研究现状;人工神经网络的结构、算法、 问题、改进及网络构建。此外,还说明了本课题的研究目的和意义,以及研究的 主要内容。第二章新型面料热湿舒适性能实验 第二章新型面料热湿舒适性能实验 本论文选用了珍珠纤维、莫代尔纤维、大豆纤维、竹纤维、聚乳酸纤维等新 型再生纤维面料及普通棉织物共种针织内衣面料进行对比实验,本章节主要介 绐一’热湿舒适性能的实验过程包括面料热阻、湿阻及透气量的测量及结果分析,首先使用 平板式保温仪法与/ .透湿杯法等常规方 法对试样进行了保暖性与透湿性的测试,分析结果得出各试样的 热湿舒适性能。 其次与 出汗热板仪法测量出的试样热阻湿阻结果进行了比较,分析二 者在评价织物热湿舒适性能方面的关联度。实验均在标准大气条件温度为 士?,相对湿度为士%下进行。最后根据国家标准 ?《织物透 气性实验方法》用型中压透气性仪测试了各试样的透气量。 .实验试样 如表?所示为本论文所测试的种试样的基本物理参数。 试样回潮率根据国家标准/ .《纺织材料含水率和回潮率的测 定烘箱干燥法》,采用型八篮恒温烘箱进行测试;试样厚度根据国家 标准/ ?《纺织品和纺织制品厚度的测定》,采用织物厚度 一 仪进行测试;试样线圈长度和试样的横密纵密根据标准/ 《针织 物线圈密度测量法》进行测试:平方米重是织物物理性质检查的项目之一,即 用单位面积每平方米试样干重来表示。 表.试样的基本物理参数 萼??比。旭/,,絮,乏裹怒焉篆篡 纬 群 .. 珍珠土天丝摹代尔 . 。。。‘ . 平 // 针 纬 . . . . 平 撑珍黟紧鸶曼代尔 // 针 珍珠天丝莫代尔 纬 . 氨纶 . . 平 . 针天津工业大学硕士学位论文 .平板式保温仪法测试保暖性 实验原理 将试样覆盖于试验板上,试验板及底板和周围的保护板均以电热 控制相同的 温度,并以通断电的方式保持恒温,使试验板的热量只能通过试 样的方向散发, 测定试验板在一定时间内保持恒温所需要的加热时间,根据公 式??. 计算试样的保温率、传热系数和克罗值。 公式? 保温率:?/% 式中,:无试样散热量/? :有试样散热量/? 公式? 传热系数:? 式中,:无试样时试验板传热系数/?? :有试样时试验板传热系数/?? 克罗值:在室温为?,相对湿度%以下,气流为无风的条件下, 试穿者静坐不动,其基础代谢为. //?,感觉舒适并维持其体 表平均温度为?时,此时所穿衣服的保温值为克罗值。 /. 公式. .?./ 实验方法第二章新型面料热湿舒适性能实验 实验仪器:型平板式保温仪如图? ? 实验标准: 环境条件:温度:.。,相对湿度% 图? 型平板式保温仪 每份试样分别取尺寸为的块,置于规定的标准大气条件下调 湿,将试验板、保护板、底板温度设定为?,预热时间设定为,循 环次数设为,仪器预热一定时间,等试验板、保护板、底板温度达到设定值, 温度差异稳定在.?以内时,按下“启动”即开始空白试验,空白试验结束, 仪器自动停止,将试样正面向上平铺在试验板上,并将试验板四周全部覆盖,按 下“启动”,开始试验,试验结束时,读取数据。 实验结果及分析 因各织物的厚度不同,织物克罗值不能完全反映材料的保暖性能,将克罗值 除以织物厚度,得到单位厚度克罗值。织物保暖性实验结果如表.所示。 表?织物保暖性实验数据 克罗值 单位厚度克罗值 编号 传热系数’?’ 哆鎏予 / % 存 . . . . 挣 . . . . 稃 . . . . ? . . . . 撑 . . . . ?? . . . . 群 . . . . 天津工业大学硕士学位论文 织物保暖性对比分析如图?所示。 图.织物保暖性对比 实验试样单位厚度克罗值大小顺序为:?撑舟牡撑群撑 挣,单位厚度克罗值越大,保暖性越好,竹纤维、大豆、莫代尔、 棉织物保暖性 较好,聚乳酸织物稍差,珍珠纤维混纺针织物的保暖性能最差。其 中,珍珠纤维 混纺织物随着天丝成分的增加保暖性能有所增强,而棉纤维的加 入使得聚乳酸织 物的保暖性能降低,大豆织物的保暖性能仅次于纯棉织物,竹纤 维保暖性能在 种织物中最好,莫代尔混纺织物次之。 导热系数越小,表示材料的导热性越低,它的热绝缘性越高。对织物面料而 言,织物组织不同,其热阻也不同。例如平纹织物交织点多,织物紧密、厚度小, 透气性好。斜纹织物交织点少,织物松软厚度大,透气性差。织物密度高,透气 性差,空气含量少:织物密度低,透气性好,含有的空气多。从织物保暖性来说, 织物密度不宜太高也不宜太低,增加织物厚度可以提高织物热阻晴。 . / ?透湿杯法测试透湿性 透湿性概念 汽态水的传递主要取决于织物透湿能力的大小,汽态水通过服装的传递主要 分为两方面:第二章新型面料热湿舒适性能实验 、根据扩散理论通过纤维、纱线间的空隙渗透。 、纤维内部分子的吸、放湿。 其中前者在织物的湿汽传递中起主要作用,即水蒸汽要是通过织物纤维和 纱线间的空隙进行传递。 实验原理 / .透湿杯法规定了织物透湿量的测试方法,包括吸湿法和蒸发 法, 本论文中选用蒸发法测量织物的透湿量。 测试原理蒸发法:把盛有水,并封以织物试样的透湿杯放置于规 定温度和湿 度的密封环境中,根据一定时间内透湿杯内质量的减少来 计算透湿量。 铝制透湿杯规格要求:内径为、杯深为。实验条件为:温度为?, 相对湿度为%,气流速度为./,注入水。 图. 转杯透湿仪 本文使用/ .蒸发法实验时要利用其杯内高度进行计算注入的水量。 .一 刖蒸发法杯舱气高度一爵 .?笥枷一一.天津工业大学硕学位论文 向透湿杯内注入.的蒸馏水; 试样放置在试样支架上,用胶带密封; 将实验组合体水平静置于标准大气条件下,经过平衡后,按编号 逐一秤 量,秤量时精确到.。 随后经过实验后,再次按同一顺序秤量。 透湿阻抗测试:参考. .《织物透湿量的测定方法透湿杯》 向透湿杯内注入.的蒸馏水; 试样放置在试样支架上,用胶带密封,保