纺织学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (01): 80-88.doi: 10.13475/j.fzxb.20210805609

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基于非支配排序遗传算法的细纱工艺参数优化

邵景峰(), 石小敏   

  1. 西安工程大学 管理学院, 陕西 西安 710048
  • 收稿日期:2021-08-12 修回日期:2021-11-05 出版日期:2022-01-15 发布日期:2022-01-28
  • 作者简介:邵景峰(1980—),男,教授,博士。主要研究方向为智能信息处理。E-mail: shaojingfeng1980@aliyun.com
  • 基金资助:
    陕西省重点研发计划项目(2020GY-122);陕西省教育厅服务地方科学研究项目(20JC013);西安市科技计划项目(2020KJRC0018)

Multi-objective optimization of spinning process parameters based on nondominated sorting genetic algorithm II

SHAO Jingfeng(), SHI Xiaomin   

  1. School of Management, Xi'an Polytechnic University, Xi'an, Shaanxi 710048, China
  • Received:2021-08-12 Revised:2021-11-05 Published:2022-01-15 Online:2022-01-28

摘要:

为了实现细纱生产工艺参数优化,解决细纱生产过程中高能耗问题,提出了一种基于非支配排序遗传算法的细纱工艺参数多目标优化方法。通过分析细纱生产工艺流程,确定了影响细纱成纱质量与能耗的工艺参数,提取了评价成纱质量的关键质量评价指标,结合灰色关联理论将质量评价指标转化为综合质量指标,利用二阶响应曲面法拟合工艺参数与综合质量指标、碳排放量之间的关联关系,构建了细纱工艺参数多目标优化模型,并采用非支配排序遗传算法对模型进行寻优,得到了最佳工艺参数。结果证明:在优化后的工艺条件下,细纱生产过程中各项质量评价指标值较初始值均得到改善,碳排放量平均减少5.77%。

关键词: 多目标寻优, 工艺优化, 碳排放, 成纱质量, 非支配排序遗传算法

Abstract:

In order to optimize of parameters of the spinning production process and to reduce energy consumption, an nondominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II) algorithm-based multi-objective optimization method was proposed. By analyzing the spinning process, the process parameters that significantly affect the quality and energy consumption of spun yarn were identified, and the key quality evaluation indexes for evaluating the quality of spun yarn were extracted. The quality evaluation indexes were transformed into comprehensive quality indexes by combining the gray correlation theory, while the correlation relationship between the process parameters and comprehensive quality indexes and carbon emission is fitted by using the second-order response surface method, leading to the establishment of the multi-objective optimization model for spinning process parameters. The NSGA-II algorithm was used to optimize the model, and the optimal process parameters were obtained. The results demonstrate that the quality evaluation indexes were improved using the optimized process conditions, with a reduction carbon emission by 5.77% on average compared with the original conditions.

Key words: multi-objective optimization, process optimization, carbon emission, yarn quality, nondominated sorting genetic algorithm II

中图分类号: 

  • TS111.9

表1

JC7.29 tex质量指标"

纱线编号 单强CV值/
%
百米质量
偏差/%
条干CV值/
%
细节/
(个·km-1)
粗节/
(个·km-1)
棉结/
(个·km-1)
毛羽
H
单纱强力/
cN
断裂强度/
(cN·tex-1)
1 9.1 0.7 13.2 6 12 81 2.21 164.9 23.3
2 9.4 0.9 13.1 8 23 125 2.94 155.7 22.5
3 9.2 0.4 15.3 19 69 132 3.02 158.8 22.3
4 10.9 0.8 13.5 7 81 130 3.01 152.8 21.8
20 9.6 0.2 14.3 44 82 77 2.37 164.9 22.4
权重值 0.10 0.09 0.12 0.11 0.11 0.11 0.14 0.08 0.14

图1

细纱工序碳排放计量模型"

图2

基于NSGA-II的细纱工艺参数多目标优化流程图"

表2

细纱质量指标数据信噪比处理"

试验
编号
质量指标数据信噪比处理
条干
CV值
断裂
强度
细节 粗节 棉结 毛羽
H
1 -22.44 27.84 -19.00 -29.00 -35.91 -7.66
2 -22.59 27.78 -19.72 -28.44 -35.59 -9.36
3 -22.69 27.78 -18.98 -28.26 -35.87 -9.23
4 -22.42 27.94 -18.25 -27.28 -35.03 -7.53
62 -22.68 27.74 -19.96 -29.75 -36.73 -8.87

表3

细纱质量指标的权重"

参数
类型
质量指标数据信噪比处理
条干
CV值
断裂
强度
细节 粗节 棉结 毛羽
H
标准差Sj 0.253 0.233 0.228 0.231 0.221 0.202
信息量Cj 0.686 0.482 0.878 0.551 0.544 0.779
权重Wj 0.175 0.123 0.224 0.141 0.139 0.199

表4

灰色关联度"

试验编号 灰色关联系数 Q
条干CV值 断裂强度 细节 粗节 棉结 毛羽H
1 0.684 8 0.656 0.696 7 0.528 29 0.567 4 0.503 0 0.609 5
2 0.733 8 0.914 8 0.800 1 0.780 0 0.808 7 0.513 0.744 0
3 0.498 9 0.720 8 0.966 2 0.975 3 0.905 6 0.410 7 0.736 7
4 0.973 1 0.841 0 0.362 4 0.380 0 0.395 5 1 0.661 9
62 0.568 2 0.624 2 0.517 3 0.471 7 0.490 4 0.481 2 0.522 0

表5

试验因素水平编码变换"

序号 试验因素 水平
-1 0 1
1 锭子速度 12 448 13 106.5 13 765
2 后区牵伸倍数 1.16 1.19 1.23
3 细纱捻系数 337 354.5 372
4 前罗拉速度 115 154.5 194
5 钢领直径 35 38.5 42
6 钳口隔距 2 2.75 3.5
7 前罗拉隔距 17 18 19

表6

部分试验方案及结果"

试验编号 因素 Q 碳排放量/kg
锭子速度 后区牵伸倍数 细纱捻系数 前罗拉速度 钢领直径 钳口隔距 前罗拉隔距
1 0 0 0 -1 1 1 0 0.406 6.536
2 0 1 0 0 1 0 1 0.409 6.415
3 0 1 1 0 0 -1 0 0.586 4.865
4 -1 -1 0 1 0 0 0 0.517 4.890
62 0 0 0 1 -1 1 0 0.399 3.840

图3

Pareto最优解集"

图4

模型拟合性能分析"

表7

回归方程显著性分析"

模型 平方和 均方值 F检验值 P
f1(x) 0.54 0.015 15.56 <0.000 1
f2(x) 44.07 1.692 6 52.89 <0.000 1

表8

工艺参数优化结果"

参数组 锭子速度/(r·min-1) 后区牵伸倍数 捻系数 前罗拉速度/(r·min-1) 钢领直径/mm 钳口隔距/mm 前罗拉隔距/mm
传统参数 13 423 1.23 361 154 38 2.5 19
Pareto最优解1 12 782 1.17 366 194 35 3.5 18
Pareto最优解2 12 862 1.18 366 194 35 3.5 17

表9

评价指标优化前后对比值"

评价指标 初始值 Pareto最优解1 指标改善百分比/% Pareto最优解2 指标改善百分比/%
碳排放Ce/kg 4.42 4.10 7.24 4.23 4.3
条干CV值/% 13.87 13.56 2.24 13.48 2.81
断裂强度z2/(kN·tex-1) 23.1 23.75 2.81 23.69 2.55
细节z3/(个·km-1) 15 12 20 13 13.3
粗节z4/(个·km-1) 37 26 29.7 25 32.4
棉结z5/(个·km-1) 85 74 12.9 73 14.1
毛羽H 3.25 2.9 10.8 2.84 12.6
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