汪 軍

(東華大學，上海 201620)

0 引言

隨著自動控制技術、計算機技術和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)正發(fā)生著巨大變化，紡織工業(yè)也不例外。德國工業(yè)4.0、美國制造業(yè)再回歸、“中國制造2025”等國家規(guī)劃的出臺，一時間“智能紡織”也成為熱點話題。然而對“智能紡織”的定義，則是智者見智仁者見仁，尚無共識。

中國紡織機械協(xié)會發(fā)布的《紡織機械行業(yè)“十三五”發(fā)展指導性意見》中指出，“十三五”期間，在提高紡織設備制造質量及可靠性水平的基礎上，提高連續(xù)化和智能化水平是紡紗機械發(fā)展的大趨勢，以實現(xiàn)紡紗車間夜班無人值守；進一步減少棉紡成套設備萬錠用工，使紡紗生產(chǎn)更加高速、高產(chǎn)、優(yōu)質、高效和節(jié)能；應用高新電子技術，實現(xiàn)成套棉紡設備的網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)傳輸和在線檢測與在線控制，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的連續(xù)化和生產(chǎn)管理的智能化，減少設備配臺數(shù)量，提高設備利用效率；提高設備、專件的可靠性和紡紗的穩(wěn)定性、一致性；提高設備的紡紗工藝和紡織品品種適應性，滿足紡織企業(yè)小批量、多品種的需求；進一步研究電機、紡織空調等設備的節(jié)能降耗技術，降低紡織企業(yè)的噸紗能耗。

《紡織機械行業(yè)“十三五”發(fā)展指導性意見》中也多次出現(xiàn)“智能化”，那么究竟什么是智能化呢？所謂“智能化”，是指由現(xiàn)代通信與信息技術、計算機網(wǎng)絡技術、行業(yè)技術、智能控制技術匯集而成的針對某方面的應用。從感覺到記憶再到思維這一過程稱為“智慧”，智慧的結果產(chǎn)生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為“能力”，兩者合稱“智能”。智能一般具有感知能力、記憶和思維能力、學習能力和自適應能力以及行為決策能力這4個方面的能力?？梢娨话愕闹悄芑枰邆湟陨?個方面的能力，紡織智能化也不例外。那么我們現(xiàn)在的紡織智能化處于什么階段呢？筆者認為從以上4個能力來分析，我們初步具備了“感知能力(在線和離線檢測)”和“記憶和思維能力(數(shù)據(jù)與信息的儲存與初步處理)”，而在“學習能力和自適應能力(數(shù)據(jù)深度處理與自我學習)”和“行為決策能力(自我診斷自我調整)”方面僅僅處于探索階段。

筆者以紡織器材、專件智能化目標為出發(fā)點，分別闡述如何利用紡織生產(chǎn)流程在線檢測、質量數(shù)據(jù)挖掘和工藝參數(shù)優(yōu)化來逐步實現(xiàn)智能化。

1 紡織加工的屬性特點

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)。至今一些地方還存在的“土紡土織”即屬于這個范疇，其質量優(yōu)劣則依賴于操作人員的水平。工業(yè)化之后，紡織業(yè)迅速發(fā)展，經(jīng)歷了蒸汽時代、電氣化時代和自動化時代，目前正朝智能化時代發(fā)展[1]。

紡織加工的原料一般是纖維，即具有一定長徑比和其他屬性的原料，通過紡紗、織造、印染、服裝加工等工序制成終端紡織品服裝等。紡織加工的核心基礎是纖維集合體與剛體(以金屬為主)、纖維集合體與流體(以氣流為主)、纖維集合體與彈性體(以橡膠為主)的耦合作用，以及纖維間的相互作用。由于纖維材料是一種具有大變形的柔性材料，以上幾種相互作用的精確力學模型建立比較困難，因此本質上紡織加工過程的模型仍然是一種半經(jīng)驗半理論的模型。認識到這一點，是正確理解紡織工業(yè)自動化和智能化水平的基礎。

紡織智能化本質是智能化在紡織工業(yè)上的應用與發(fā)展，當具備了上述的4種能力時才有可能全面實現(xiàn)；而現(xiàn)階段我們尚缺乏后2種能力，如何在現(xiàn)有階段來提高后2種能力是我們所需要思考的問題。

另外，紡織加工中有眾多的專用基礎件，據(jù)不完全統(tǒng)計約為2萬多種。這些專用基礎件中很多是直接與纖維集合體接觸的，對紡織加工質量的影響尤其大。以紡紗為例，從纖維喂入到紗線輸出的整個流程，與纖維、半制品和紗線接觸的均是紡織器材、專件，而紡織器材、專件的設計、制造和選用長期以來是一個需要依靠經(jīng)驗積累的工作。當然，很多紡織科技工作者采用試驗設計、數(shù)據(jù)處理等方式得到一些數(shù)學關系；但是這基本是采用回歸方法得到的回歸方程，其精度仍略顯粗糙。如何進一步提高回歸方程的精度，也是眾多紡織器材、專件制造企業(yè)和紡織企業(yè)所關心的問題。

2 紡織在線檢測與質量數(shù)據(jù)挖掘

隨著傳感器技術的快速發(fā)展與應用，紡織在線檢測的應用在量和質方面均極大提高。以紡紗為例，其在線檢測技術的發(fā)展趨勢是：從半制品指標檢測向過程控制指標檢測發(fā)展，從靜態(tài)指標檢測向動態(tài)指標檢測發(fā)展，從主要指標檢測向全面指標檢測發(fā)展，從宏觀指標檢測向微觀指標檢測發(fā)展[2]。近年在異纖檢測與剔除技術、電子清紗技術和紗線質量檢測技術、自調勻整技術方面的進展，為紡紗自動化提供了條件。與此同時，在線檢測為紡織生產(chǎn)的全流程、全過程檢測提供了海量數(shù)據(jù)，其有效利用為我們從自動化時代跨向智能化時代提供了可能。

在線檢測的目的是通過一定頻率實時監(jiān)控紡織生產(chǎn)過程中半制品或重要參數(shù)的波動，為自動調整工藝參數(shù)提供依據(jù)；而隨著信息技術的發(fā)展，使海量數(shù)據(jù)的挖掘、深度學習成為可能，為我們掌握紡織規(guī)律、建立模型提供了一種新的途徑。

所謂數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining)，是數(shù)據(jù)庫知識發(fā)現(xiàn)(Knowledge-Discovery in Databases)中的一個步驟。數(shù)據(jù)挖掘一般是指從大量的數(shù)據(jù)中通過算法搜索隱藏于其中信息的過程。數(shù)據(jù)挖掘通常與計算機科學有關，并通過統(tǒng)計、在線分析處理、情報檢索、機器學習、專家系統(tǒng)(依靠過去的經(jīng)驗法則)和模式識別等諸多方法來實現(xiàn)上述目標。換言之，就是我們以往使用統(tǒng)計回歸分析的一種升級版，其前提是有大量數(shù)據(jù)，本質是要有合適算法。

紡織工業(yè)中，曾經(jīng)有計算機配棉、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的紗線質量預測等研究和應用。所謂人工神經(jīng)網(wǎng)絡是一種以模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數(shù)學模型。在近20年中，神經(jīng)網(wǎng)絡的紡織應用報道很多，但是由于需要海量數(shù)據(jù)以及機理難以詳細闡述，該技術的發(fā)展一度受到影響。隨著深度學習的提出為我們的數(shù)據(jù)挖掘提供了新的手段，深度學習是機器學習中一種基于對數(shù)據(jù)進行表征學習的方法，該方法源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究，通過組合低層特征形成更加抽象的高層表示屬性類別或特征，以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式特征表示。

我們可以在在線檢測的基礎上獲得海量數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)挖掘技術，給出輸入量和輸出量之間的關系，可視為得到某加工過程的規(guī)律(也可以理解為紡織業(yè)內經(jīng)驗豐富的技術人員的頭腦)，從而為工藝參數(shù)優(yōu)化提供了模型。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化與器材專件智能化

紡織加工過程中，往往需要進行工藝參數(shù)的優(yōu)化，即在現(xiàn)有的條件下選擇合理的器材、專件，優(yōu)化工藝參數(shù)，以期獲得最佳效果，或質量最佳或成本最低等。通過以上的分析，在數(shù)據(jù)挖掘得到規(guī)律的基礎上是可以進行參數(shù)優(yōu)化，得到合適的工藝。那么這和智能化有什么關系呢？紡織器材、專件的智能化，一是紡織器材、專件規(guī)格選擇的智能化；二是紡織器材工作參數(shù)的智能化；三是紡織器材工作狀態(tài)判斷的智能化。

所謂紡織器材、專件規(guī)格選擇的智能化是科學合理地選擇，現(xiàn)在的選擇大致是供應商推薦、用戶廠的經(jīng)驗；如果有大數(shù)據(jù)的支持，可以采用類似聚類分析的方法，給客戶提供一個較為清晰的選擇依據(jù)。

紡織器材工作參數(shù)的智能化，是在規(guī)格選定的基礎上其工作參數(shù)的智能化，這個完全可以依據(jù)以上的深度學習來達到。

紡織器材工作狀態(tài)判斷的智能化，是基于許多紡織器材、專件是易耗件，隨著時間的推移已不適合正常生產(chǎn)了，需要及時更換。如何自動智能判斷其狀態(tài)也是重要的，可以通過監(jiān)控半制品質量或者檢測器件的關鍵參數(shù)來達到。

4 結語

智能紡織的大潮撲面而來，如何在這個大潮中順勢而為是很重要的?！白晕覍W習、自我診斷、自我調整”是智能化判斷的重要依據(jù)。紡織智能化的路還很長，紡織人不僅要學習信息學科、計算機網(wǎng)絡技術等知識，更重要的是要重視紡織學科基本的和關鍵的問題。當前檢測技術的應用已經(jīng)普及，由此產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的處理與分析，以及與紡織加工工藝的關系是需要重點研究的，通過數(shù)據(jù)得到的模型或規(guī)律對指導紡織工藝、未來實現(xiàn)真正智能化紡織是有重要作用的。紡織器材、專件的重要程度已逐漸被紡織人所認識，在當前的時代背景下利用在線檢測、數(shù)據(jù)分析和工藝參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)初步智能化是非常重要的，這是紡織器材、專件發(fā)展的一大趨勢。正確認識智能化紡織，采取務實方式推進紡織器材、專件在智能化紡織中的應用將大有作為。