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棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 摘要 棉纺工艺设计目前主要依靠工艺人员的经验来完成，涉及的知识面宽、内容 多、经验性强，工艺参数的确定建立在大量实验的基础之上。传统的棉纺织工艺 设计方法工作量大，工艺变更频繁，工艺让步处理带有盲目性，难以对工艺过程 进行预测和控制，影响了产品的生产效率以及质量的稳定性。而且，设计质量因 人而异，无法对已有的大量工艺进行对比分析，以获取优化方案，极大影响了棉 纺织品加工的质量、成本和效率。 棉纺织品智能工艺设计软件平台正是为了解决这一问题而提出的。本课题以 国家科技支撑计划项目为依托，研究开发一套适合棉纺行业的智能工艺设计软件 平台系统。旨在提高棉纺织品设计效率，缩短设计周期，能够在以往工艺、相关 特征和参数的基础上，产生新工艺，从而获得低耗、优质、高附加值的棉纺织品， 使得棉纺织企业降低生产成本、提高产品质量，进而提升市场竞争力。 本文的主要工作包括： ( 1 ) 概述了本课题的研究背景和意义，并分析了当前棉纺织行业信息化的现状 及发展趋势。 ( 2 ) 介绍了棉纺织生产的工序流程，分析了棉纺织工艺设计的特点，引出了棉 纺织工艺设计的需求。 ( 3 ) 进行系统的总体设计，讨论了数据库设计方案并分析了系统数据模型，提 出了系统的功能框架，讨论了系统的组件化设计模式并提出了系统组件对象的层 次结构。 ( 4 ) 针对数据集市中的关键技术进行了分析，介绍了基于案例推理技术在智能 化的棉纺工艺设计案例推理中的应用，提出了人工神经网络技术在棉纺质量预测 中的应用方法。 ( 5 ) 讨论了智能计算服务和工具集的开发，包括神经网络计算服务、数据库用 户定制工具和棉纺工艺单定制工具等。 ( 6 ) 详细介绍了本系统各个模块和子模块的实现和应用情况。 关键词：棉纺织；工艺设计；可重构；组件；c b r ；砧州； i 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 a bs t r a c t a tp r e s e n t , t h ep r o c e s sd e s i g n i n go fc o t t o nt e x t i l em o s t l yd e p e n d0 1 1s t a f f e r s e x p e r i e n c e , w h i c hr e q u e s tal o to fp r o f e s s i o n a lk n o w l e d g ea n dl o n gt i m ew o r k i n g e x p e r i e n c e ，a n dt h ep a r a m e t e r so fd e s i g n e dp r o c e s so fc o t t o nt e x t i l ei sb a s e do na g r e a td e a lo fe x p e r i m e n t s 硼kt r a d i t i o n a lw o r k i n gs t y l eo fp r o c e s sd e s i g n i n gi sh e a v y , f r e q u e n t l yc h a n g e f u l ，a n dt h et e c h n i cc o m p r o m i s ei so f t e nb l i n d l yh a n d l e dw h i c h b r i n go nt h eh a r d n e s so fp r o c e s sf o r e 虻a s ta n dc o n t r o l ，a n di n f l u e n c et h ee f f i c i e n c ya n d q u a l i t y b e s i d e st h ee f f e c to fp r o c e s sd e s i g n i n gd e p e n d so nt h ep e t s o nd e s i g n i n gi t , c a nn o tm a k eu s eo ft h eh u g ed e s i g n i n gc a s ep i l e di nt h ep a s tt oo p t i m i z et h ep r e s e n t c a s e a l lm a t t e r sm e n t i o n e da b o v eg r e a t l yr e d u c et h eq u a l i t y , c o s ta n de f f i c i e n c yo f c o t t o nt e x t i l em a n u f a c t u r e t h ep r o j e c to fi n t e l l i g e n tp r o c e s sd e s i g n i n gp l a t f o r mf o rc o t t o nt e x t i l e ( i p d p c t f o rs h o r t ) i sa i m e da tt h a tp r o b l e ma b o v e t i l i sp r o j e c ti st od e v e l o pai n t e l l i g e n t p r o c e s sd e s i g n i n gs o f t w a r ep l a t f o r ms y s t e mw h i c hf i tc o t t o nt e x t i l ei n d u s t r yb a s e do n n a t i o n a lt c c h e n o l o g ys u p p o r t i n gp l a n t h ea i mi st oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo f p r o c e s sd e s i g n i n ga n ds h o r t e nt h ed e s i g nc y c l ea n db ea b l et op r o d u c en e wp r o c e s s d e s i g n i n gc a s eb a s e do nt h ed a t ab e f o r et om a n u f a c t u r eg o o dq u a l i t ya n dl o wc o s t p r o d u c t 乃e f o l l o w i n gi st h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l e ： ( 1 ) i n t r o d u c et h er e s e a r c hb a c k g r o u da n dm e a n i n go ft h i sp r o b l e m ，a n da n a l y z e t h ea c t u a l i t ya n dt r e n do fc o t t o nt e x t i l ei n d u s t r yi n f o r m a t i o n ( 2 ) i n t r o d u c et h ep r o c e s so fc o t t o nt e x t i l ep r o d u c t i o n ，a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co f c o t t o nt e x t i l ep r o c e s sd e s i g n , f o l l o w e db yt h er e q u i r e m e n to fc o t t o nt e x t i l ep r o c e s s d e s i g n ( 3 ) p u tu pm a y od e s i g no ft h es y s t e m ，d i s c u s st h ed a t a b a s em o d e la n dd a t am o d e l b r i n gf o r w a r df u n c t i o nf r a m w o r ko fs y s t e m , d i s c u s st h ed e s i g np a t t e r nw i m c o m p o n e n tt e c h n o l o g ya n db r i n gf o r w a r dl a y o u ts t r u t u r eo fc o m p o n e n t0 b jc c t 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 ( 4 ) a n a l y z et h ek e yt e c h n o l o g yo ft h es y s t e m , i n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no f b a s e dr e a s o n i n gi nc o t t o nt e x t i l ep r o c e s sd e s i g na n dt h ea p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r ki nq u a l i t yf o r e c a s t ( 5 ) d i s c u s st h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n c ec a l c u l a t i o ns e r v i c ea n dt o o l b o x i n c l u d i n ga r t i f i c i a ll l e q 1 r a ln e t w o r kc a l c u l a t i o ns e r v i c e ，d a t a b a s ec u s t o m i z i n gt o o la n d p r o c e s sf o r md e s i g nt o o le t c ( 6 ) i n t r o c u c ee a c hm o d u l ea n ds u bm o d u l ei nd e t a i l k e yw o r d s ：c o t t o nt e x t i l e ；p r o c e s sd e s i g n i n g ；r e b u i l d i n g ；c o m p o n e n t ；c b r ；a n n 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 1 2 1研究背景 目前世界纺织产业结构正在经历着深刻的变化，现代高新技术越来越多地融 入到纺织生产中。机电一体化技术在纺织生产领域的广泛应用，带动了纺织产业 逐渐由劳动密集型向知识密集和资金密集型转化，智能化的生产方式正在成为现 代纺织技术的主要特征。近些年来，随着计算机硬件和网络技术的发展，计算机 在纺织领域的应用已从一般性事物处理上升到生产过程的监控和产品的辅助设 计，国外纺织生产过程已经大量采用信息技术。世纪之初，我国纺织工业基本上 完成了经济先导型产业的历史任务，其产业形态开始向市场竞争型产业转变。值 得注意的是，随着国内外发展环境的变化，支持我国纺织国际竞争力的主要因素 已发生了改变，产品档次低、交货周期长、市场应变能力差等矛盾日益突出。尽 管我国纺织服装出口市场份额很大，但实际盈利水平却不高。利用信息资源将企 业的人、财、物等生产要素进行优化配置，这将成为我国纺织企业进一步提高竞 争力的重要手段【1 捌。 随着世界经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，消费者需求日趋主体 化、个体化和多样化，传统的大批量生产模式不再适应新的市场形势的需要。市 场竞争加剧，我国纺织品加工的质量、效率和成本问题更加突出，形势严峻。我 国大多数棉纺织企业，目前基本上靠经验进行工艺设计、靠试加工进行加工参数 优化、靠人工被动检验进行质量控制。传统的工艺设计方法工作量大，工艺变更 频繁，难以对工艺过程进行预测和控制，工艺让步处理带有盲目性，严重影响了 产品的生产效率以及质量的稳定性和交货期。设计质量因人而异，极大影响了纺 织品加工的质量、成本和效率；无法对已有的大量工艺进行对比分析，以获取优 化方案1 4 6 1 。 面对市场的动态变化，传统的靠经验进行工艺设计、靠试加工进行加工参数 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 优化、靠人工被动检验进行质量控制，已很难实现加工的高效率、低消耗和高质 量，并且很难单单依靠企业e r p 等系统实施解决以上问题。 动态变化生产条件下，不同纺织品加工的效率和质量问题，已严重影响我国 纺织品国际竞争力。研究在企业信息化基础上，以智能技术为核心，实现高效率、 低消耗和高质量加工，是纺织行业面临的共性关键问题。 1 2 2研究意义 纺织工业是我国竞争力较强和国际依存度较高的产业，也属于劳动密集型和 具有比较优势的传统产业。目前，化纤、棉纱、棉布、服装等纺织品产量和出口 量均居世界首位。加入世贸组织后，我国纺织行业将在更大范围、更深层次上融 入全球经济。由于我国纺织产业结构落后，纺织科技发展水平与国际先进水平差 距十分明显。纺织企业长期积累的一些诸如技术创新能力薄弱、技术装备水平落 后以及企业生产规模小、结构不合理等深层次的问题，极大地制约了企业竞争力 的提升。因此，顺应世界经济发展潮流，加速提升纺织企业竞争力，使我国从纺 织大国发展为纺织强国的任务十分迫切【5 】。 传统的棉纺织工艺设计方法工作量大，工艺变更频繁，工艺让步处理带有盲 目性，难以对工艺过程进行预测和控制，影响了产品的生产效率以及质量的稳定 性。而且，设计质量因人而异，无法对已有的大量工艺进行对比分析，以获取优 化方案，极大影响了棉纺织品加工的质量、成本和效率。 棉纺织品智能工艺设计软件平台正是为了解决这一问题而提出的。本课题以 国家科技支撑计划项目为依托，研究开发一套适合棉纺行业的智能工艺设计软件 平台系统。旨在提高棉纺织品设计效率，缩短设计周期，能够在以往工艺、相关 特征和参数的基础上，产生新工艺，从而获得低耗、优质、高附加值的棉纺织品， 使得棉纺织企业降低生产成本、提高产品质量，进而提升市场竞争力。 1 2 研究现状和发展趋势 1 2 3我国纺织业信息化现状 我国的棉纺织行业作为传统产业，在信息化建设中目前仅仅处于起步阶段。 2 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 长期以来棉纺织行业处于劳动密集的生产状况和模式，这一情况很容易使人们在 集中精力发展生产的同时，往往忽视了现代信息技术对提高纺织企业竞争力的重 要作用。 我国纺织企业信息技术的应用水平总体较低，多数企业停留在应用的初级阶 段。 中国纺织工业协会2 0 0 1 年对全国2 0 0 多家重点纺织企业进行调查，其中已建 立局域网并着手进行管理信息基础工作的( 建立部分o a 系统，或简单的m i s 系 统) 仅占1 6 ，即使在东部地区，也只能达到2 5 ；对于初步建成企业资源计划 系统的( e r p 系统，或c i m s 系统) 仅为3 ，东部地区随略高，也在5 以下。据 原国家经贸委2 0 0 1 年对全国1 0 0 家重点企业进行调查的结果，上述两个数字在 其他行业已分别达到9 7 和6 5 。就是在纺织、服装行业内部发展也不平衡， 其中棉纺行业的应用水平最低，刚刚达到8 和1 6 t 7 。1 2 】。 目前企业虽然已经配置了大量计算机，但在应用上，多数企业都只能作简单 的信息加工，如文字处理、表格处理、上网查询、电子邮件以及财务记账等。能 够形成信息系统的很少，因此应用范围局限，效益不明显，多数企业停留在应用 的初级阶段。 我国棉纺织企业信息化的应用水平较低，多数企业还没有使用计算机进行企 业管理，这与国内其他行业相比已落后许多，如与日本、韩国、及我国台湾和香 港地区相比差距就更大【7 1 0 】。 我国大多数棉纺企业，目前基本上靠经验进行工艺设计、靠试加工进行加工 参数优化、靠人工被动检验进行质量控制。传统的工艺设计方法工作量大，工艺 变更频繁，难以对工艺过程进行预测和控制，工艺让步处理带有盲目性，严重影 响了产品的生产效率以及质量的稳定性和交货期。设计质量因人而异，极大影响 了纺织品加工的质量、成本和效率；无法对已有的大量工艺进行对比分析，以获 取优化方案。 面对市场的动态变化，传统的靠经验进行工艺设计、靠试加工进行加工参数 优化、靠人工被动检验进行质量控制，已很难实现加工的高效率、低消耗和高质 量，并且很难单单依靠企业e r p 等系统实施解决以上问题。 适合于我国纺织企业、棉纺企业的管理软件目前还很少。国外的管理软件并 3 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 不完全适合国内情况，这些软件或是没有实现本地化，或是实现本地化后技术已 相当落后，因此成功的案例不多，况且其价格极为昂贵，企业难以接受；国内自 主开发的软件真正能满足纺织行业需求的不多，而且实现用户化程度也不够。不 少企业虽经过长期调研反复论证，却很难做出满意的决策。 1 2 4 纺织业信息化的发展趋势 ( 1 ) 工艺设计信息化 目前，大多数纺织企业的生产工艺都依靠工艺设计人员的经验进行手工设计， 工艺设计时间长，工作量大，过去的设计经验和知识没有被充分利用，往往造成 重复设计【1 3 】。工艺设计信息化将过去的设计案例以知识的形式保存起来，根据 设计产品的要求，进行产生式或创成式工艺设计，可大大提高工艺设计效率，减 少重复劳动。 ( 2 ) 生产过程信息化 生产过程信息化在整个纺织生产流程中对产品、设备甚至是人员实施信息化 控制，如机器的操作和维护状况及停台率，空调温湿度对纺织生产的影响等。这 些细小的方面，也可能对产品质量造成很大的影响。现在不少新型设备具备与外 部计算机进行通讯并交换数据的功能，可以直接反映生产过程中的动态信息和设 备的运行情况【1 2 - 1 3 1 。生产过程信息化对这些数据进行动态汇总分析，并实时反馈 给生产人员以调整生产状况，可大幅减少产品的质量波动。 ( 3 ) 生产计划信息化 目前，不少棉纺企业引入了e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g 企业资源计划) 系统。e r p 使各种生产信息由一个个的“信息孤岛变成一个统一的整体，从而 使企业内部的各种资源得到更合理的配置，如原料、成品、库存的合理比例，各 种产品所需要使用的原料数量，机器生产所需要的时间消耗，器材零配件的消耗 等。基于这些信息，就能根据不同的产品，快速做出相应的生产安排和成本核算， 迅速对市的场变化作出反应【1 1 m 】。 4 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 1 3 课题研究目标及研究内容 1 3 1 课题来源和目标 本课题受国家科技支撑计划项目( 项目名称：纺织品工艺智能设计与预测软件 系统，项目编号：2 0 0 6 b a f 0 1 a 4 4 ) 资助。课题目标是开发一套适合棉纺行业的智 能工艺设计软件平台系统，以提高棉纺织品设计效率，缩短设计周期，实现复杂 动态环境下的棉纺生产质量预测，以获得低耗、优质、高附加值的棉纺织品。 课题具体研究目标如下： ( 1 ) 开发具有棉纺行业特色的知识库。 ( 2 ) 开发可重构的软构件、工具集及智能工艺设计平台。 ( 3 ) 实现工艺优化决策。 1 3 2研究内容 ( 1 ) 基于构件的棉纺织品工艺设计软件平台开发 在基于构件的思想基础上，根据客户的实际需要，采用面向对象的方法，对 棉纺织品工艺设计软件平台进行总体设计。研究其与上层企业管理计划系统和下 层生产控制系统的集成方法。研究其构件模型，建立面向棉纺织品；b n - r 的信息集 成框架，研究系统的约束、重构和运行方式。总体上，要使棉纺织品工艺设计软 件平台具有可重构、易维护和易修改的特点。 ( 2 ) 棉纺织品工艺优化决策及虚拟加工技术研究 针对现有棉纺织品工艺设计现状，研究智能推理技术在工艺设计决策中的应 用，实现工艺设计智能化：研究面向棉纺织品的虚拟加工建模技术，并利用虚拟 加工模型实现棉纺织工艺参数的优化。 ( 3 ) 棉纺织品工艺知识库建立与进化 研究面向棉纺织行业的工艺知识库技术，包括知识表达、知识获取、知识存 储和知识重用；研究智能技术在行业软件中的应用，实现工艺设计中的智能计算， 并使知识库具备可进化和可学习的能力。 ( 4 ) 棉纺织品工艺设计方法研究及工具集开发 在棉纺织品工艺知识库的基础上，研究与开发适合棉纺行业工艺设计的多种 与 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 智能化方法和工具，包括产生式或创成式c a p p 设计方法、智能检索、智能客户 端等，开发工艺优化决策工具集，实现棉纺加工的快速响应。 1 3 3本文章节安排 第一章概述了本课题的研究背景和意义，并分析了当前棉纺织行业信息化的 现状及发展趋势，提出了本文的研究目的和研究内容。 第二章介绍了棉纺织生产的工序流程，分析了棉纺织工艺设计的特点，引出 了棉纺织工艺设计的需求。 第三章进行系统的总体设计，讨论了作为系统基石的数据库的设计方案并对 系统所使用的数据模型进行了分析；提出了系统的功能框架，并对其进行了详细 说明；实现可重构性的目标，讨论了系统的组件化设计模式和提出了系统组件对 象的层次结构，并针对可重构性这一目的进行了系统的分析。 第四章针对数据集市中的关键技术进行了分析，包括元数据管理与数据清洗， 及数据存储和粒度划分；介绍了c b r ( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ，基于案例推理) 技术 在智能化的棉纺工艺设计案例推理中的应用，包括案例知识的表达、推理及修正 技术；提出了人工神经网络技术在棉纺质量预测中的应用方法，并给出了一个实 例。 第五章讨论了智能计算服务和工具集的开发，包括：基于m c r ( m a t l a b c o m p o n e n tr u n t i m e ) 和n e tr c m o t i n g 的神经网络计算服务、数据库用户定制工 具开发、基于x s l ( c x t e n s i b l es t y l e s h e c tl a n g u a g e ) 的棉纺工艺单定制工具开发和 基于o f f i c e 信息检索的棉纺织工艺知识检索开发。 第六章详细介绍了本系统各个模块和子模块的实现和应用情况。 6 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 前言 第2 章系统需求分析 棉纺生产工艺设计过程不同于其他工艺的设计，其原料、工序、设备与质量 体系均有其一定特殊性。最终产品的质量情况是评价工艺设计的重要指标，而影 响棉纺织品最终质量的因素纷繁复杂，因而棉纺工艺设计需要考虑各方面的因 素，才能设计出能最终生产出达到质量要求并符合生产实际的棉纺工艺。就棉纺 织品智能工艺设计平台而言，需要针对棉纺工艺设计的生产实际，提炼其共性， 同时还要考虑到其个性要求。本章将对棉纺织品工艺过程和工艺设计特点进行分 析，并引出系统的需求。 2 1 棉纺织品工艺设计概述 2 1 1棉纺织品工艺过程 棉纺织生产是一个十分复杂的工艺过程，涉及到原料、工艺、设备、生产、 环境以及检测等多个方面，对于一般的棉纺产品而言，其总的生产流程如图2 1 所示： 图2 - 1 棉纺工艺过程 ( 1 ) 开清棉 开清棉是纺纱过程的第一道工序。因原棉中含有各种杂质和疵点，并以压紧 的棉包送进本工序，所以，为了保证棉纱质量和满足后道工序的加工要求，开清 棉工序应完成下列任务：开棉；混棉；清棉；成卷。 7 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 棉与化纤混纺时，因两者的形状和工艺要求不同，可在清棉和梳棉两个工序 分别加工成卷和成条，然后在并条机上进行混和；不同种类的化纤进行混纺时， 由于其工艺性能接近，可在开清棉工序直接混和【1 每1 9 1 。 ( 2 ) 梳棉 原棉经开清棉联合机加工成的棉卷或棉层中，纤维多数呈松散棉块、棉束状 态，并含有4 0 , - 5 0 的杂质，其中多数为较小的带纤维或粘附性较强的杂质和 棉结1 9 】。梳棉工序的任务是对棉卷或棉层进行梳理、除杂、均匀混和并制成棉 条，又称生条，以便下道工序的加工。 ( 3 ) 精梳 精梳纺纱系统是在普通纺纱系统中的梳棉和并条工序之间增加精梳工序而组 成【蛤1 9 1 。精梳工序由精梳准备机械和精梳机组成，主要任务是： 排除生条中所含的短绒，提高纤维的长度和整齐度，从而改善成纱的条千 均匀度，提高纱线的强力，减少纱线的毛羽； 清除生产中所含的棉结、杂质和其他疵点，改善成纱的外观质量； 提高纤维的伸直度、平行度和分离度，从而提高成纱的条干均匀度和强力， 增加纱线的光泽； 制成均匀的精梳条，以便后续加工。 生条在进行精梳加工之前需经过精梳准备加工工序。精梳准备工序的任务 是：提高纤维的伸直平行度，以便减少精梳落棉中长纤维的含量，节约用棉， 同时防止精梳加工时纤维和梳针的损伤；制成符合质量要求的小卷，便于精梳 机加工和提高精梳条的质量。 ( 4 ) 并条 由梳棉工序制成的生条，已经成为连续的条状半制品，但是，生条的内部结 构还不够完善，大部分纤维呈弯钩或屈曲状态，存有小棉束，纤维没有得到完全 的分离，以及长片段重量不匀率较高等。如果使用这种生条直接纺纱，其成纱质 量很难达到国家标准【1 6 。1 9 1 。为此，生条需经并条工序制成熟条。并条工序的主要 任务是： 利用并合的方法使条子的粗细相遇，一方面改善长片段均匀度，另一方面 充分混和纤维。一般取6 或8 根条子随机并列，让喂入条子的粗段和细段有机会 8 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 得到反复的并合作用，使得熟条的重量不匀率下降到l 以下。在反复并合过程 中，实现纤维的充分混和。 采用牵伸的方法使条子抽长拉细，以改善内部结构。一般取与并合根数相 同的牵伸倍数，将喂入条子抽长拉细，使输出条子不因并合而变粗。在抽长拉细 过程中，大部分的弯钩和屈曲纤维被伸直，小棉束也获得分离的机会。 卷装成形，便于后道工序的加工。为了适应后道工序加工的不同需要，一 般使熟条制成三种卷装形式，即大条筒、小条筒和条卷，分别供给粗纱机、转杯 纺纱机和超大牵伸细纱机。 ( 5 ) 粗纱 粗纱工序的任务是： 牵伸：将熟条抽长拉细，施以5 1 2 倍的牵伸，并进一步改善纤维的平行 伸长度与分离度； 加捻：将伸长后的须条加上适当的捻度，使粗纱具有一定强度，以承受粗? 纱卷绕和在细纱机上退绕时的张力，防止意外拉长； 卷绕成形：将加捻后的粗纱卷绕在筒管上，制成一定形状和大小的卷装， 便于运输、储存，并适应细纱机的喂入。 旧细纱 细纱是将粗纱条纺成具有一定特数并符合国家质量标准的细纱，供捻线、机 t 织或针织使用【1 每1 9 1 。细纱工序的主要任务是： 牵伸：将喂入的粗纱均匀地抽长拉细成纱所需的特数； 加捻：将牵伸后的须条加上适当的捻度，使细纱具有一定的强度、弹性、 光泽和手感等物理机械性能； 卷绕成形：将纺成的细纱，按一定的成形卷绕在筒管上，便于运输、储存 和继续加工。 仰后加工 后加工工序主要任务是： 改善产品的内在性能； 改善产品的外观质量； 稳定产品的结构状态； 9 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 制成适当的卷装形式。 后加工一般由络筒、并纱、捻线、摇纱和成包等工序组成。 2 1 2 棉纺织品工艺设计特点 纺织是一个对我国国民经济发展有突出贡献的传统行业，又是一个具有大量 鲜明特色的制造行业，其中与棉纺织相关的企业约占整个行业的8 0 以上。大量 的调查分析显示，棉纺织企业用户在生产上一般具有以下特点： ( 1 ) 物料本身的特殊性 棉纺织加工的纤维原料一般以棉纤维为主，也包含一定量的丝、麻、毛、化 纤等纤维。各种纤维具有成分复杂、质量指标多、易受潮、难以准确计量等特点， 这为后续的n t 过程组织、质量控制、产品计量等带来很大挑战。纤维原料制品， 涉及到诸如等级、颜色、纱重、小包等众多属性。因而，棉纺织生产中物料编码、 采购、生产、质量、库存等业务具有与其它行业不同的特殊性。 ( 2 ) 生产过程产生数据的复杂性 棉纺生产工序从清花、梳棉、并条到纺纱、织布各有其自身的生产规律，具 有生产连续化及多机台、多手工操作特点，影响质量的因素众多。生产过程产生 的数据量大、样本维数多，既有客观测量值，也有主观估计值。质量指标和操作 参数之间存在较大的时间滞后。 ( 3 ) 生产工艺的动态性和不确定性 棉纺织企业中大部分产品及在制品，成分难以精确量化，每一批次的产品都 要经过反复试生产及工艺调整。另外，其他各种客观因素( 如加工过程中产生回 丝、各类制品具有吸湿性、加工损失率和生产批量等) 扰动，使得加工工艺具有 动态性和不确定性。 ( 4 ) 生产计划与执行控制的随机性 激烈的竞争环境，要求纺织企业不得不采用多品种、小批量生产方式。棉纺 生产环节多，不同生产阶段的产品计划约束条件、计划目标和有效反馈点存在差 异；纺织生产企业中的大生产和样品生产通常在相同车间完成，打样生产使得生 产中返工、插单现象较多，易造成实际生产进度与计划进度的脱节。 圆质量跟踪的复杂性 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 纺织行业中质量管理的复杂性主要表现在：纤维原料及制品具有较多的质量 指标，重要工序需要控制的质量指标达2 0 多项，质量检验通常需要多部门联合 完成；要求及时跟踪产品和在制品质量情况的环节众多，例如对于细纱等生产环 节，需要对原料来源、纱批、支数等多种指标进行跟踪，生产过程中常伴随着很 多新的需要控制的指标出现；对库存物料及在制品需要加强批号管理，以便对质 量问题来源、去向及生产责任等进行跟踪；另外，纺织行业中的多生产模式、动 态多变的生产工艺、生产计划执行控制的复杂性等因素加剧了纺织行业中质量管 理的复杂性。 上述特点决定了课题的研究与应用是一项十分复杂的系统工程，需要根据用 户生产特点制定切实可行的解决方案。 2 1 3当前棉纺织品工艺设计方法存在问题 我国大多数棉纺企业，生产经营及产品设计方式还比较落后，与先进的工业 化国家存在差距，主要包括以下问题： ( 1 ) 工艺设计过程中，大部分参数为手工查找手册，填工艺单，工艺设计时间 长，工作量大，易出错。 ( 2 ) 大部分工艺依靠工艺设计人员的经验，设计质量因人而异，没有建立在对 以往大量工艺的数据分析及处理的基础上。 ( 3 ) 工艺设计粗糙，没有面向车间实际工况。 ( 4 ) 靠试加工进行参数优化，工艺变更频繁，靠人工被动检验进行质量控制， 质量波动大，难以控制。 ( 5 ) 工艺数据格式不规范，不统一，难以量化和分析，往往以纸质保存，容易 丢失，检索困难，保存不易。 ( 6 ) 各部门信息脱节，数据难以共享，重要信息靠口头转达，反应滞后。 ( 7 ) 动态生产条件下，生产过程难以跟踪。 以上问题大大降低了工艺设计和质量管理的效果和效率，严重影响了企业产 品加工的成本、质量和效率，降低了企业的市场竞争力。因此，开发一套信息完 备，易于使用，面向企业实际生产状况的棉纺织品智能工艺设计平台是提高企业 工艺设计质量、降低生产成本、提高市场竞争力的必然需求。 1 1 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 2 2 棉纺织品工艺设计系统需求 基于棉纺织品工艺设计特点、存在问题的分析，可以确定棉纺织品工艺设计 系统的需求，其中包括功能性需求和平台性需求。 2 2 1功能性需求 功能性需求是企业为了达到工艺设计和管理的优化、提高工艺设计质量、加 快工艺设计速度等目标而具备的系统功能。 ( 1 ) 面向设备的系统需求 设备在棉纺企业实际生产中，占据极为重要的地位，这是因为设备的因素( 含 同类设备不同机台) 对产品加工质量影响极大。本项目研制的棉纺织品工艺设计 系统将建立在以设备为关键数据的模型基础上，工艺设计将重点反映面向实际加 工设备的生产过程及状况，跟踪产品生产的变化，为优化工艺奠定条件。 ( 2 ) 面向质量的系统需求 质量是企业的生命，随着国际市场竞争加剧，棉纺织品的加工质量在产品生 产过程中更加凸显。面向质量的系统需求必须重点反映棉纺织品加工中各种细节 的质量状况。以质量数据为关键数据，建立棉纺织品工艺设计模型。通过棉纺织 品加工质量数据的跟踪，寻找和发现产生质量问题的环节和因素，为提升产品的 质量创造条件。 ( 3 ) 面向知识的系统需求 知识是棉纺织品工艺设计和棉纺织品加工的最重要的因素之一。棉纺织品加 工的优劣，取决于棉纺织品加工知识的采集、处理及应用。目前，棉纺工艺参数 的确定很大程度上依靠工艺设计人员的经验，而工艺参数的优化则依靠试加工摸 索。过去生产中积累的大量工艺设计数据没有经过整理分析，而工艺设计人员的 经验需要长时间工作的积累，一旦该工艺设计人员离开，将造成大量知识的流失。 因此系统需要具备保存过去工艺数据并将其转化为知识的能力，包括可根据产品 的要求检索以往设计案例，并利用智能技术对工艺参数进行优化，以便提高产品 质量，降低生产成本。 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 2 2 2 平台性需求 棉纺织品智能工艺设计系统是面向棉纺行业的工艺设计平台，如何抽象行业 工艺设计的关键需求，反映不同企业棉纺织品工艺设计的特点，是本系统成功开 发的关键。由于各个企业具有不同的生产状况和特色，本系统需要具备一定的柔 性以适合各个不同的企业，而不是让企业去改变以适应本软件。因此本系统应该 具备能适应不同棉纺企业生产状况的能力，即可针对不同的企业生产状况进行快 速定制，同时还需要具备添加企业个性化需求的能力，即具有一定的可重构性和 可扩展性。 ( 1 ) 面向企业生产状况的快速定制 棉纺产品市场干变万化，使企业生产面对极大压力，企业必须适应市场环境， 调整或改变现有的生产系统以适应市场需要。尽管从总体上看，棉纺企业的生产 流程具有相似性，但不同企业具有各具特色的生产工艺及质量控制方法。如，对 相同产品及相同要求的棉纺织品，加工生产的设备、工艺参数、器材配置不同， 质量检测的参数各有侧重点，产品加工存在不同流程( 分支) 等等。棉纺织品智能 工艺设计平台应适应不同企业的实际状况，为企业提供系统快速定制能力，以满 足不同企业需要。 ( 2 ) 面向企业生产状况的可重构性 由于棉纺生产的特点，当企业的实际生产状况与现有平台定制模板差异过大， 而本系统的定制功能不能完全满足用户需要时，就需要对本系统针对用户需要进 行部分的重构。系统可重构性要求系统的组成采用先进的构件化、模块化开发原 则，即通过改进、替换部分平台组成构件，使平台快速满足不同企业的需求。 ( 3 ) 面向企业生产状况的可扩展性 市场的变化，对棉纺织企业生产提出了新的需求，这就要求棉纺织品智能工 艺设计平台具有优良的可扩展性，以适应企业需求的变化。例如，棉纺织品加工 的规模化趋势，使企业通过大规模定制，获得在市场竞争中的优势，生产过程中 关键供应链的建立和相关企业与生产流程的再造对平台提出了新的挑战，平台必 须具备可扩充性，以适应棉纺织品加工的组织演变和技术演变，同时适应信息和 软件开发技术的进步。 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 本章小结 本章介绍了棉纺生产过程中的典型工序流程，并从几个方面分析了棉纺工艺 设计的特点及其复杂性，分析了当前棉纺织品工艺设计方法存在的问题，从而引 出了本系统的需求。 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 前言 第3 章系统总体设计 本章将针对棉纺织品工艺设计平台的基本功能性需求和平台性需求，进行系 统的总体设计。数据库是整个系统的基石，本章将对系统的底层数据库进行设计， 并分析系统中以设备为中心的数据模型。针对系统的功能需求，提出了系统的功 能框架，并对各个功能模块和子模块进行了分析。棉纺织工艺设计平台需要满足 各个企业的总体需求，还要考虑各个企业的个性化需求，因此，系统需要具有一 定的柔性、可重构性和可扩展性。针对系统的平台性需求，本章将从系统的组件 化设计模式和组件对象的层次结构两方面对其进行设计。 3 1 系统数据库设计 棉纺生产过程中所积累的历史数据大部分是以一种所谓“实体关系数据模 型一形式存储的。这种数据模型由于索引数量较少，自由存储空间比例较大，无 关数据较多等原因不大适于棉纺生产过程的数据挖掘。因此需要建立为数据分析 和数据挖掘提供服务的数据集市或数据仓库。数据集市的功能结构与数据仓库相 似，其区别在于数据集市设立的目的是为某个部门或某一领域的用户提供服务， 而数据仓库的目的则在于为企业可能的全体用户提供服务【2 5 】。考虑到目前国内 纺织企业的实际，这里选择以数据集市( 如图3 1 所示) 为基础开发本棉纺织智能 工艺设计平台系统，具有实现快速、投资规模小、易使用等特点。该数据库系统 基本结构由数据源、数据提取与存储、数据集市、应用工具四个组成部分。 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 3 1 1数据源 国圆 应 用 工 具 棉纺工艺数据集市( d a t am a r t ) s q ls e r v e r2 0 0 5 操作性数据存储( o d s ) 数据采集平台( o l t p ) 数 据 提 取 图圈囡圈圈口| | | | 图3 1 纺织工艺数据库总体结构 数据源指在棉纺织品设计、制造与销售过程中各类原始业务系统所产生的数 据，其中包括( 但不限于) 产品规格数据源、原棉配置数据源、上机工艺数据源、 质量检测数据源、生产环境数据源、维护记录数据源、操作记录数据源等。各业 务系统可能是相同的操作系统、数据库系统，也可能为不同的操作系统、数据库 系统。 3 1 2数据提取与存储 各业务系统产生的操作型数据由数据采集平台、联机处理系( o n l i n e t r a n s a c t i o np r o c e s s i n g ，o l t p ) 分时段批处理载入操作型数据库( o p e r a t i o n a ld a t a s t o r e ，o d s ) 作为数据缓存，然后o d s 中的数据经过预处理进入数据仓库。有多 种数据抽取手段可以针对性地采用，如：直接全表卸载，以时间戳为界增量卸载， 使用数据库触发器方式卸载等1 2 6 1 。 1 6 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 3 1 3数据集市 数据集市的功能由数据重整、数据集市创建以及管理组成。其中数据重整负 责数据的清洗、数据的集成与分解、数据的概括与聚集、数据的转换与映射、元 数据的创建等；数据集市的创建主要完成数据模型的建立( 星型模型或雪花模 型) 、业务逻辑( 如数据重整、数据存储、数据查询) 规则、创建数据字典、系统定 义等；数据集市的管理负责数据的安全、归档、备份、维护以及恢复等工作【2 6 1 。 3 1 4应用工具 应用工具主要包括针对工艺决策和质量预测的各种数据分析工具、报表工具、 查询工具、数据挖掘工具。其中数据分析工具主要针对o l a p ( o n l i n ea n a l y s i s p r o c e s s i n g ) 服务器，报表工具、数据挖掘工具既针对数据仓库，同时也针对o l a p 服务器。o l a p 对分析需要的数据按照多维数据模型进行再次重组，以支持用户 多角度、多层次的分析，发现数据趋势。 3 1 5数据集市中的关键技术 ( 1 ) 元数据管理与数据清洗 按照传统的定义，元数据是关于数据的数据口7 l 。在数据仓库系统中，元数据 作为描述数据仓库内数据的结构和建立方法的数据，可以很好地帮助数据仓库管 理员和数据仓库的开发人员方便地找到他们所关心的数据。按用途的不同划分， 棉纺织工艺元数据包括：与棉纺织工艺数据结构有关的静态元数据，如名称、 描述、格式、数据类型、关系、值域、业务规则等；与棉纺织工艺数据的状态 与使用方法有关的动态元数据，如数据的质量、统计信息、状态和处理等；与 棉纺织工艺模型相关的模型元数据，如数据仓库中的关系型数据模型、多维数据 模型、e t l 转换清洗规则元数据以及主题定义等其它元数据。其中，系统的多维 棉纺织工艺数据模型是整个平台的关键元数据。e t l 转换清洗规则元数据则包括 对数据转换的源和目的的定义，转换时触发的动作( 如数据清洗) 定义，数据规范 化处理定义等。系统对除关系型数据模型之外的元数据定义都以x m l 格式文件 存放，同时系统提供对元数据进行管理的统一图形操作界面【2 3 1 。 棉纺织工艺数据仓库高质量的决策必须依赖高质量的数据，棉纺织工艺数据 1 7 棉纺织品智能工艺设计平台的开发与应用 仓库需要对高质量的数据进行一致地集成，数据清洗解决数据仓库集成数据的质 量问题，数据质量的基本要素：正确性( c o r r e c t n e s s ) 、一致性( c o n s i s t e n c y ) 、完整 性( c o m p l e t e n e s s ) 栅靠性( r e l i a b i l i t y ) 【2 9 】。这里把未能达到这些要求的现实世界 的数据统称为是“肮脏 的数据，包括数据类型、命名习惯、实际属性、属性度 量等方面不一致，数据输入错误、重复记录、丢失值、拼写变化、不同的计量单 位，相互矛盾的字段、结构冲突、不一致的汇总、不一致的时间戳、缺少完整性 约束、糟糕的模式设计等等。数据清洗主要分为检测和清洗两个步骤【2 9 l 。解决 数据异常检测的方法主要有：基于契比雪夫定理的统计学方法，数据挖掘中的关 联算法、基于距离的聚类方法等例，本系统使用了数据挖掘中的关联算法。而 数据清洗主要包括填写空缺的值，平滑噪声数据，删除孤立点，解决不一致性， 常用的方法有：分箱、可视化人工交互、n g r a m 滑动窗口算法、回归分析、模 式集成法等等【3 0 l 。 ( 2 ) 数据存储及粒度划分 数据仓库中有许多数据存储方法，最常用的是：简单堆积法、轮转综合法、 简单直接法、连续法【2 5 1 。根据纺织生产的特点，在操作型数据库( o d s ) 中主要采 用前三种形式存储，而在数据仓库或数据集市中主要以采用了轮转综合的形式存 储数据。以纺纱生产过程为例，轮转综合法基本过程是：首先在数据仓库中形成 日间业务流水表，就当日的生产状况( 如产量、纱线规格、设备状态、上机参数 等) ，