周萬懷，李浩，梁后軍，徐守東，張若宇，李玉林

(1 安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院，安徽 蚌埠 233030；2 安徽財經(jīng)大學棉花工程研究所，安徽 蚌埠 233030；3 石河子大學機械電氣工程院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，新疆 石河子 832003)

我國是棉花生產(chǎn)大國，2000年以來我國棉花年產(chǎn)量在世界棉花產(chǎn)量的占比始終未低于20%[1]，我國棉花種植多集中于新疆地區(qū)，且以機采棉種植為主[2]。機采棉雜質(zhì)含量高，需要加大雜質(zhì)清理力度，按照相關(guān)標準機采棉鋸齒式加工工藝流程共包含9道工序，盡管多道雜質(zhì)清理工序極大降低了棉花雜質(zhì)含量，但也導致棉花其它品質(zhì)指標的降低，已經(jīng)成為制約我國棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主要原因之一[2]。因此，研究棉花加工損傷和權(quán)衡棉花加工過程中的品質(zhì)變化十分必要。

當前，棉花單項細分品質(zhì)指標在加工過程中變化狀況研究較為成熟，徐紅等[3]研究結(jié)果表明鋸齒式皮棉清理后棉花纖維的可紡性能、棉花色特征得以改善，但纖維內(nèi)在指標有較大的損傷；Delhom等[4-5]研究結(jié)果表明隨著鋸齒皮清機轉(zhuǎn)速的提高導致落棉量增加；謝占林[6]研究結(jié)果表明在加工過程中棉花纖維長度、整齊度和強度均有所下降，短纖維指數(shù)上升；梁后軍等[7]研究結(jié)果表明隨著加工工序的推進，棉花纖維長度和整齊度呈下降趨勢、短纖維指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢；田景山等[8]研究結(jié)果表明加工過程使得棉花纖維長度顯著變短，整齊度顯著降低。

對加工過程中棉花綜合品質(zhì)的變化狀況研究較少，Bourland等[9]分別賦予長度、馬克隆值、整齊度和強度以0.5、0.25、0.15和0.1的權(quán)值，構(gòu)成綜合指標Q-Score，但指標選擇和權(quán)值設(shè)定均缺乏科學依據(jù)；張成梁等[10]以9項品質(zhì)為優(yōu)化目標，利用遺傳算法求解多變量數(shù)據(jù)模型，將雜質(zhì)面積降低了7%，上半部平均長度提高了2%，然而所用指標與棉花貿(mào)易計價指標存在脫節(jié)現(xiàn)象。其主要原因是當前棉花纖維品質(zhì)指標細分較多，指標間的關(guān)系錯綜復雜，且各項指標在加工過程的多個階段互有優(yōu)劣，難以綜合權(quán)衡棉花綜合品質(zhì)的變化狀況。因此，本文研究多種棉花品質(zhì)指標在典型鋸齒加工工藝流程中的變化規(guī)律及各指標之間的關(guān)系，提出基于棉花市場定價規(guī)則和加工過程中棉花重量損失因素構(gòu)造棉花綜合品質(zhì)指標(comprehensive commercial value index of lint,CCVIL)用以綜合評價棉花品質(zhì)，將棉花綜合品質(zhì)評價由多因素問題轉(zhuǎn)化為單因素問題，以實現(xiàn)鋸齒加工過程中棉花綜合品質(zhì)檢測及其變化規(guī)律研究。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

國內(nèi)機采棉種植以新疆地區(qū)最具代表性，因此本文研究試驗所有取樣點均設(shè)置在新疆；考慮時間跨度、地理位置、氣象氣候狀況、生產(chǎn)設(shè)備的完備性和代表性等因素，在新疆地區(qū)選取2017年、2018年8個加工設(shè)備齊全、工藝水平先進的軋花廠(表1)開展研究，因山東天鵝棉業(yè)機械股份有限公司和邯鄲金獅棉機有限公司生產(chǎn)的機采棉加工設(shè)備在新疆地區(qū)的占比超過90%，是當前國內(nèi)機采棉加工設(shè)備的典型代表，故主要選擇以上2個廠家生產(chǎn)的加工設(shè)備；取樣點涵蓋開模、四道籽棉清理、軋花、三道皮棉清理[10-11](圖1)；為滿足HVI檢測和雜質(zhì)分析需求，單個皮棉樣品重量w≥300 g，單個籽棉樣品重量w≥1 kg。

表1 樣本量設(shè)計匯總表

1—棉模；2—第一道籽棉清理后；3—第二道籽棉清理后；4—第三道籽棉清理后；5—第四道籽棉清理后；6—軋花后；7—第一道皮棉清理后；8—第二道皮棉清理后；9—第三道皮棉清理后圖1 機采棉取樣點分布圖

籽棉樣品主要采用XJ114鋸齒試軋機對其試軋(安慶市雙益紡織機械有限公司)；使用USTER?HVI 1000大容量纖維檢測儀(平均測試用時≤1 min)在溫度為(20±2)℃、濕度RH為(65±3)%的環(huán)境下，依據(jù)GB/T 20392—2006《HVI棉花纖維物理性能試驗方法》檢測顏色級、Rd、+b、棉纖維長度、長度整齊度、斷裂比強度和斷裂伸長率等指標；采用YG042(常州市天祥紡織儀器有限公司，測量精度0.01)，按GB/T 6449—2012《原棉含雜率試驗方法》進行雜質(zhì)檢測。

1.2 試驗方法

1.2.1 棉花綜合品質(zhì)指標

結(jié)合市場定價規(guī)則、加工過程中棉花重量損失和棉花纖維品質(zhì)評價體系，將棉花綜合品質(zhì)指標定義如下：

CCVIL=wi×(p+MICi),

(1)

式(1)中，wi是原始重量為w的樣品經(jīng)過i道加工工序后的公定重量，i為加工工序編號、范圍為1～9，p為常數(shù)(本文研究中使用基準品的市場單價作為p值)，MICi為多項纖維品質(zhì)指標對棉花綜合品質(zhì)的貢獻。

加工過程中棉花樣品公定重量的變化十分復雜，既包含因雜質(zhì)清理而造成的重量損失，又包含因落棉造成的加工重量損失，還需根據(jù)雜質(zhì)含量折算公定重量。若假定w為原始樣重量，kj為第j道工序因落棉造成的重量損失比率，trashj為第j道工序后樣品含雜率，基準含雜率按GB1103規(guī)定為2.5%，則由式(2)可求得樣品經(jīng)過i道加工工序后的重量wi：

(2)

我國皮棉交易定價通常按照棉花纖維多項指標在基準價格基礎(chǔ)上進行價格增補或扣減。假設(shè)共根據(jù)m項纖維品質(zhì)指標調(diào)整單價，則應(yīng)至少有m項指標參與構(gòu)建棉花綜合品質(zhì)指標CCVIL，其中第i項指標對CCVIL的貢獻表示為Ci，則由公式(3)可求得各項指標累計對CCVIL的貢獻MICi，

(3)

其中，Ci可根據(jù)實際需求自行設(shè)定，在本文研究中一律參照中國棉花協(xié)會發(fā)布的《鋸齒加工細絨棉質(zhì)量差價表》[11]設(shè)置。

1.2.2 模式識別算法及工具

判別分析(fisher discriminant analysis,FDA)通過數(shù)據(jù)降維技術(shù)找到能夠區(qū)分各個類別變量的線性組合，本質(zhì)即為確定判別函數(shù)f(x)=c1x1+c2x2+……+cnxn，其中ci為待定系數(shù)。假設(shè)2種類別為y1和y2，類別中心分別為y1c和y2c，則類間距離和類內(nèi)距離可以表示為公式(4)和公式(5)：

δA=(y1c-y2c)2，

(4)

(5)

顯然，δA越大、δB越小分類效果越好。

由于Origin集數(shù)據(jù)預(yù)處理、統(tǒng)計分析、回歸分析、大數(shù)據(jù)分析、機器學習和高級制圖等功能于一體，以譜分析和模式識別為專長，還能與多種編程環(huán)境，如Python、Matlab、R語言等軟件無縫連接，因此，本文數(shù)據(jù)分析主要基于OriginPro2018(美國OriginLab公司)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 分項品質(zhì)變化規(guī)律分析

2.1.1 雜質(zhì)相關(guān)指標分析

雜質(zhì)相關(guān)指標包含含雜率、雜質(zhì)顆粒數(shù)和雜質(zhì)面積百分比，三者在加工過程中的總體變化情況如圖2。

A、B、C—各加工環(huán)節(jié)雜質(zhì)相關(guān)指標總體變化趨勢；D、E、F—各取樣點含雜率、雜質(zhì)顆粒數(shù)和雜質(zhì)面積百分比均值之間的回歸模型；G、H、I—各工序全體樣品的含雜率、雜質(zhì)顆粒數(shù)和雜質(zhì)面積百分比之間的回歸模型圖2 棉花含雜率、雜質(zhì)顆粒數(shù)和雜質(zhì)面積百分比之間的關(guān)系

這三項指標在各工序分布情況(圖2 A、B、C)顯示：三項指標在棉花加工過程中整體均為逐漸下降趨勢，不同的是含雜率在6號取樣點(軋花工序)較5號取樣點不降反升。分析其原因主要是軋花過程中產(chǎn)生的次生雜質(zhì)所致，這部分雜質(zhì)以破碎的棉籽為主，典型特征是密度大、數(shù)量少，故對雜質(zhì)顆粒數(shù)和雜質(zhì)面積百分比的影響較小。

各加工環(huán)節(jié)的樣本均值之間的相關(guān)性分析結(jié)果(圖2D、E、F)顯示，其相關(guān)系數(shù)均在0.986 以上。

進一步建立的實測含雜率、雜質(zhì)顆粒數(shù)和雜質(zhì)面積百分比之間的回歸模型(圖2G、H、I)顯示：其線性相關(guān)性有所降低，但相關(guān)系數(shù)仍均在0.76 以上。依據(jù)箱圖的原理，位于各區(qū)間[2.5×Q1-1.5×Q3,2.5×Q3-1.5×Q1](Q1和Q3分別為下、上四分位數(shù))之外的樣品被標記為異常樣本，以此原則累計剔除異常樣本51個，剔除異常樣本后的模型相關(guān)性改善不大。

綜上所述，含雜率、雜質(zhì)顆粒數(shù)、雜質(zhì)面積百分比三者之間存在較強的線性關(guān)系。由于含雜率是計算公定重量的重要參數(shù)且方便與現(xiàn)行評價體系接軌，另外，通常由雜質(zhì)顆粒數(shù)和雜質(zhì)面積百分比回歸計算含雜率，即含雜率綜合反映雜質(zhì)顆粒數(shù)與雜質(zhì)面積百分比，因此，在雜質(zhì)相關(guān)指標中選用含雜率參與構(gòu)造棉花綜合品質(zhì)指標。

2.1.2 顏色級相關(guān)指標分析

棉花顏色特征指標主要包含顏色級、反射率Rd和黃色深度+b。分別依據(jù)S1至S5五級制和細分級別統(tǒng)計各加工環(huán)節(jié)、各顏色級樣品占比，結(jié)果(圖3 A、B)顯示：隨著加工過程的不斷推進，低級別樣品所占比例逐漸減小，高級別樣品所占比例逐漸增大，棉花顏色級整體趨向更優(yōu)的級別。根據(jù)顏色級的定義，棉花顏色級由類別(白棉1，淡點污棉2，淡黃染棉3，黃染棉4)和級別(S1至S5)兩要素構(gòu)成，類別主要由黃色深度+b決定，級別主要由反射率Rd決定。因類別與級別均為離散數(shù)值，故據(jù)此可建立基于反射率Rd和黃色深度+b對兩者的PLS-DA模型，結(jié)果(圖3C、D)顯示：其二次函數(shù)模型判別效果較好，對類別和級別的判別精度分別為96.42%和86.47%。

A、B—各顏色級樣品占比;C、D—反射率Rd、+b與級別和類別之間的DA模型圖3 各取樣點棉花樣品顏色級分布狀況

綜上所述，在加工過程中棉花樣品的顏色級、反射率Rd和黃色深度+b變化明顯，顏色級與反射率Rd和黃色深度+b之間存在較強的組合關(guān)系，即三項指標之間存在較大的信息冗余，而顏色級能夠綜合反映反射率Rd和黃色深度+b。因此，僅選用顏色級參與構(gòu)造棉花綜合品質(zhì)指標。

2.1.3 棉纖維長度相關(guān)指標分析

常用棉花纖維長度相關(guān)指標有長度和長度整齊度，圖4展示了相關(guān)指標在加工過程中的變化狀況。

由圖4 A、B可見：長度主要分布于27～31 mm之間，隨著工序的推進，長度27～28 mm樣品的占比逐漸增大，長度29～31 mm樣品的占比整體呈下降趨勢，即隨著工序的推進長度變短。

由圖4C可見：長度整齊度主要分布于S2和S3級，加工初始階段S2級的占比明顯高于S3級，隨著加工過程的推進直至結(jié)束，S2級的占比顯著下降，而S3級的占比顯著上升，即長度整齊度顯著變差。

纖維長度與長度整齊度在全加工過程中的變化趨勢(圖4D)表明：兩者在多個加工階段變化趨勢截然相反，據(jù)此可判定長度和長度整齊度之間相關(guān)性不強，不存在共線性問題。

綜上所述，在加工過程中長度和長度整齊度均顯著變差，應(yīng)共同參與構(gòu)造棉花綜合品質(zhì)指標。

A、B—不同長度的棉花纖維樣品占比;C—不同長度整齊度的棉花纖維樣品占比；D—長度和長度整齊度變化趨勢比較圖4 棉花纖維長度和長度整齊度的變化狀況

2.1.4 纖維強度相關(guān)指標分析

常用棉花纖維強度指標有斷裂比強度和斷裂伸長率，圖5是兩者在加工過程中的變化趨勢。

由圖5 A可見：斷裂比強度值主要分布在22～34 N/Tex的范圍之內(nèi)，且在加工過程總斷裂強度≥30 N/Tex的樣品占比顯著下降，斷裂比≤28 N/Tex的樣品占比顯著增大，斷裂比強度整體趨向變差。

由圖5B可見：斷裂伸長率變化較為復雜，不同閾值范圍內(nèi)的樣品占比在不同取樣點互有升降；建立的全體樣品斷裂比強度和斷裂伸長率之間的回歸模型相關(guān)系數(shù)為-0.242，為弱相關(guān)。

綜上所述，在加工過程中斷裂比強度與斷裂伸長率指標顯著變差，且兩者之間明顯不存在共線性問題，應(yīng)共同參與構(gòu)造棉花綜合品質(zhì)指標。

A—斷裂比強度變化趨勢；B—維斷裂伸長率變化趨勢圖5 棉花纖維斷裂比強度與斷裂伸長率的變化趨勢

2.1.5 馬克隆值分析

圖6展示了馬克隆值的分布狀況，其中，馬克隆值主要在4.0～5.0，S1級樣品占比在取樣點3占比最大，在取樣點4、5占比顯著下降，盡管在后繼工序有所回升，但未到達取樣點3時的占比，此外在后繼工序中，S5級樣品占比上升顯著，即在加工過程中馬克隆值指標顯著變差。因此，馬克隆值應(yīng)是構(gòu)造棉花綜合品質(zhì)指標之一。

圖6 馬克隆值的變化趨勢

2.2 綜合品質(zhì)變化規(guī)律分析

通過上述分析結(jié)果選擇含雜率、顏色級、長度、長度整齊度、斷裂比強度、斷裂伸長率和馬克隆值共7項指標參與構(gòu)造棉花綜合品質(zhì)指標，其中，含雜率用于計算公定重量，顏色級、長度、長度整齊度、斷裂比強度和馬克隆值作為構(gòu)造棉花綜合品質(zhì)指標的基礎(chǔ)指標。

2.2.1 權(quán)值分配

參與構(gòu)造棉花綜合品質(zhì)指標的各項指標的權(quán)值依據(jù)市場對棉花纖維各項品質(zhì)指標的認可度設(shè)定。中國棉花協(xié)會頒布的鋸齒加工細絨棉質(zhì)量差價表是國內(nèi)棉花貿(mào)易定價的通用參考標準[11]，該差價表反映了紡織品及紡織企業(yè)對棉花纖維品質(zhì)指標的要求，據(jù)此本文研究此差價表為各項參與構(gòu)造棉花纖維各項品質(zhì)指標的賦予的權(quán)值。為方便計算，本文研究每個樣品初始重量均以1 kg計，單價p采用國家目標價格補貼基準18.60元/kg計；同理，因重量單位差異，各指標權(quán)重依次設(shè)定為級別差價的千分之一。根據(jù)以上原則，可以得到各項指標的權(quán)值分配如表2至7所示。

表2 顏色級權(quán)值分配

表3 纖維長度權(quán)值分配

表4 長度整齊度權(quán)值分配

表5 斷裂比強度權(quán)值分配

表6 斷裂伸長率權(quán)值分配

表7 馬克隆值權(quán)值分配

2.2.2 棉花綜合品質(zhì)的變化規(guī)律

根據(jù)表3和公式(3)完成棉花綜合品質(zhì)的平均貢獻Ci，結(jié)果(圖7)顯示：除馬克隆值對棉花綜合品質(zhì)的影響相對較小外，其他指標對棉花綜合品質(zhì)的影響均較為明顯，其中，長度、長度整齊度和斷裂比強度對棉花綜合品質(zhì)貢獻為正，且隨著加工過程的推進，三者的綜合貢獻呈下降趨勢；顏色級對棉花綜合品質(zhì)的影響最為顯著，且對棉花綜合品質(zhì)的貢獻始終為負，但隨著加工過程的不斷推進，顏色級對棉花綜合品質(zhì)的貢獻逐漸增大；綜合6 項指標對棉花綜合品質(zhì)的貢獻MICi在軋花前以負為主，軋花后則轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，且在取樣點8處的綜合貢獻MICi最大，在取樣點9處有所降低。

圖7 各指標對棉花綜合品質(zhì)的貢獻度

除以上6項指標以外，將加工過程中的重量損失引入棉花綜合品質(zhì)，按照式(2)折算樣品在各加工階段的公定重量。由于每階段的實際加工損失除了受加工工藝的影響外，還受樣品本身特性的影響，因此無法獲取針對每個樣本的實際加工損失，本文研究中依據(jù)大量的實踐經(jīng)驗和統(tǒng)計結(jié)果將每道工序的加工損失設(shè)定為2‰。據(jù)此，在各取樣點折算后的樣品公定重量結(jié)果(圖8 A)顯示：每道加工均有損失，但因含雜率的變化而使樣品在部分后置工序折算后的公定重量較前置工序折算后的公定重量有所提高，這有利于提高棉花綜合品質(zhì)。

根據(jù)折算后各加工階段的樣品公定重量和圖7計算各加工階段棉花變價綜合品質(zhì)，結(jié)果(圖8B)顯示：隨著加工過程的推進，棉花綜合品質(zhì)大致呈提高趨勢，但部分工序?qū)е旅藁ňC合品質(zhì)降低，如第4道工序(提凈式籽棉清理)、第6道工序(鋸齒軋花)和第9道工序(鋸齒式皮棉清理)，其中，第4道工序?qū)е旅藁ňC合品質(zhì)下降了0.092 1，第6道工序?qū)е旅藁ňC合品質(zhì)較前道工序下降了0.185 1，第9道工序?qū)е旅藁ňC合品質(zhì)下降了0.285 0。

圖8 根據(jù)含雜率折算后的各取樣點樣品重量(A)和棉花綜合品質(zhì)(B)

針對第4、6和9道工序應(yīng)采取不同的改進措施。綜合圖2、圖7和圖8可見：第4道工序(提凈式籽棉清理)過程中棉花的外觀品質(zhì)有所改善(雜質(zhì)含降低、顏色級提升)，然而棉花纖維內(nèi)在品質(zhì)(長度、長度整齊度、斷裂比強度、斷裂伸長率)變差，尤其是長度和斷裂伸長率下降較為顯著，由于該工序處于加工中段，直接影響后續(xù)加工工序，故不宜直接取消該加工工序，后續(xù)應(yīng)著重研究提凈式籽棉清理過程中的長度和強度保護方法；第6道工序(鋸齒軋花)過程中主要因破碎的棉籽導致含雜率升高，折算后的公定重量顯著下降，進而導致棉花綜合品質(zhì)降低，因此針對軋花工藝的優(yōu)化應(yīng)著重從減少棉籽破損的角度入手；第9道工序(鋸齒式皮棉清理)過程中主要因斷裂比強度和斷裂伸長率降低導致棉花綜合品質(zhì)顯著降低，針對該工序的優(yōu)化有二種基本途徑，一種是由于該工序無后繼加工過程，不會影響其它加工環(huán)節(jié)，故可以直接取消該工序的加工，另一種是優(yōu)化工藝，從而降低纖維強度性能損傷。

3 結(jié)論

(1)本文研究提出的棉花纖維綜合品質(zhì)指標(CCVIL)不僅能夠準確反映棉花樣品的綜合品質(zhì)，更將棉花纖維綜合品質(zhì)評價由多因素優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單因素優(yōu)化問題，可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究棉花綜合品質(zhì)的快速檢測問題。

(2)標準細絨棉加工工藝流程中的第4道(提凈式籽棉清理)、第6道(鋸齒軋花)和第9道(鋸齒式皮棉清理)工序?qū)е旅藁ㄆ焚|(zhì)不同程度損傷。

針對第4道工序后續(xù)應(yīng)著重研究提凈式籽棉清理過程中的長度和強度保護方法，針對第6道工序后續(xù)研究應(yīng)著重從減少棉籽破損的角度入手，針對第9道工序可以直接取消或研究鋸齒式皮棉清理過程中棉花纖維強度保護方法。

致謝：感謝國家纖維檢驗總局和新疆石河子、奎屯、博樂、阿拉爾、庫爾勒和庫車纖檢所給予本文研究的支持。