基于模糊物元分析的轉(zhuǎn)鼓工藝參數(shù)優(yōu)化

舒服華，吳良超

（1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070；2.武漢大鵬皮革有限責(zé)任公司，湖北武漢430124）

基于模糊物元分析的轉(zhuǎn)鼓工藝參數(shù)優(yōu)化

舒服華1，吳良超2

（1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070；2.武漢大鵬皮革有限責(zé)任公司，湖北武漢430124）

提出了一種正交試驗(yàn)與模糊物元分析法相結(jié)合的轉(zhuǎn)鼓工藝參數(shù)優(yōu)化方法。以正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用模糊物元分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得最佳工藝參數(shù)組合。首先進(jìn)行單一目標(biāo)優(yōu)化，最后進(jìn)行多目標(biāo)綜合優(yōu)化。該方法克服了正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理粗糙分辨率低的問(wèn)題，可有效提高優(yōu)化結(jié)果的精確度。采用比例標(biāo)度法對(duì)傳統(tǒng)的標(biāo)度法確定權(quán)重進(jìn)行了改進(jìn)。試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性。

鞣制機(jī)；工藝參數(shù)；模糊物元；優(yōu)化；聯(lián)系度

皮革鞣制是皮革加工的重要工序，它是借助皮革鞣制設(shè)備及一些化工材料對(duì)皮內(nèi)的膠原蛋白進(jìn)行化學(xué)和物理加工使其發(fā)生變性作用，以獲得牢固、耐磨、柔軟、不易變質(zhì)的皮革。鉻鞣法因其經(jīng)濟(jì)、快速仍然在皮革加工中占據(jù)重要地位。鉻鞣劑與酸皮膠原纖維的結(jié)合率受鉻鞣液濃度、堿度、提堿前后pH、升溫過(guò)程、鞣制時(shí)間以及助劑添加量等工藝參數(shù)的影響，優(yōu)化皮革鞣制工藝參數(shù)對(duì)提高皮革鞣制的效果及生產(chǎn)率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在一定程度上可以減少反復(fù)試驗(yàn)的盲目性，能以較少的試驗(yàn)次數(shù)得到試驗(yàn)范圍內(nèi)較優(yōu)的工藝組合。正交試驗(yàn)是一種高效、快速經(jīng)濟(jì)的方法，但其對(duì)數(shù)據(jù)的處理較為簡(jiǎn)單，當(dāng)因素和水平較多、或者試驗(yàn)結(jié)果比較接近時(shí)，難以作出準(zhǔn)確的判斷。物元分析是研究解決不相容問(wèn)題規(guī)律和方法的新興學(xué)科，帶有很強(qiáng)的人工智能色彩，能化不相容問(wèn)題為相容問(wèn)題，使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化而得到合理解決。利用正交試驗(yàn)和物元分析相結(jié)合優(yōu)化皮革鞣制工藝參數(shù)，能有效提高決策的科學(xué)性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)備：GZGP3-型不銹鋼轉(zhuǎn)鼓鞣制機(jī)；實(shí)驗(yàn)材料：豬皮酸皮（削勻），單層厚度0.6～0.68 mm，面積0.25 m2；化工材料為：NaCl（6%）；C2H5ONa；標(biāo)準(zhǔn)鉻粉（折算 Cr2O30.32%～1.54%）；小蘇打（1.2%）；測(cè)試儀器：MSW－YD4數(shù)字式皮革收縮溫度測(cè)定儀；pHS－25酸度計(jì)，GT－303柔軟度測(cè)試儀；AI-7000S電子拉力機(jī)。試驗(yàn)設(shè)置：H2O，120%；pH=2.8～3.0。優(yōu)化參數(shù)為轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、浴液鉻含量、鞣制時(shí)間、浴液溫度4個(gè)工藝工藝參數(shù)；優(yōu)化目標(biāo)為皮革鞣制后的收縮溫度、Cr2O3吸收率、抗張強(qiáng)度、柔軟度4個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，試驗(yàn)和指標(biāo)測(cè)量方法參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)進(jìn)行[1-2]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

2 轉(zhuǎn)鼓工藝參數(shù)優(yōu)化

表1 皮革鞣制試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 皮革鞣制試驗(yàn)結(jié)果

2.1 模糊物元基本模型

2.1.1 模糊物元與復(fù)合模糊物元

給定事物的名稱M，它關(guān)于特征C有量值為x，以有序三元組R=（M，C，x）作為描述事物的基本元，稱為物元；如果其中量值x具有模糊性，則稱R為模糊物元。如果事物M有n個(gè)特征C1，C2，…，Cn和對(duì)應(yīng)的模糊量值x1，x2，…，xn，稱R為n維模糊物元；m個(gè)事物的n維模糊物元組合在一起便構(gòu)成m個(gè)事物n維復(fù)合模糊物元Rnm，記作[3]：

其中，Rnm表示m個(gè)事物的n維復(fù)合模糊物元，以Mi表示第i個(gè)事物i=1，2，…，n），Cj表示第j個(gè)特征（j=1，2，…，m），xij第j事物的第i特征對(duì)應(yīng)的模糊量值。

關(guān)聯(lián)度分析是物元分析的核心，是研究事物之間相互聯(lián)系程度的主要手段。

2.1.2 隸屬度的確定

各單項(xiàng)指標(biāo)相應(yīng)的模糊量值應(yīng)符合從優(yōu)隸屬度原則，從優(yōu)隸屬度包括兩種情況，即越大越優(yōu)型隸屬度和越小越優(yōu)型隸屬度。

對(duì)于越大越優(yōu)型

對(duì)于越小越優(yōu)型

在皮革鞣制4個(gè)質(zhì)量指標(biāo)中，它們都屬于越大越優(yōu)型，按式（1）計(jì)算的隸屬度如表3。

2.2 權(quán)重的確定

傳統(tǒng)的標(biāo)度法確定權(quán)重粒度比較粗，標(biāo)度值最少相差一個(gè)數(shù)值，容易導(dǎo)致指標(biāo)間權(quán)重相差懸殊，且需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。文中采用比例標(biāo)度法確定權(quán)重，它既能使標(biāo)度值細(xì)化，也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行有效擴(kuò)大，并且不需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便[4]。對(duì)n個(gè)指標(biāo)按照重要程度的不減方式排序，比較相鄰兩個(gè)指標(biāo)的重要性程度得到標(biāo)度值ki，然后按照指標(biāo)重要程度的傳遞性得出判斷矩陣K，見(jiàn)圖1。

其中，ki為指標(biāo)i-1相對(duì)于指標(biāo)i的標(biāo)度值，標(biāo)度值的確定法則如表4。

矩陣K是完全一致的，且最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為：

指標(biāo)的權(quán)重為：

參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，皮革鞣制4個(gè)質(zhì)量指標(biāo)的重要性程度由大到小的排序?yàn)椋菏湛s溫度、Cr2O3吸收率、抗張強(qiáng)度、柔軟度。根據(jù)表1標(biāo)度值確定法則，k1=1.6，k2=1.4，k3=1.2，則判斷矩陣k見(jiàn)圖2。

特征向量為：

指標(biāo)的權(quán)重為：W=（0.357，0.297，0.212，0.134）

2.3 關(guān)聯(lián)度的確定

2.3.1 確定方案的正、負(fù)理想解

正理想解U={u1，u2，…，un}負(fù)理想解V={v1，v2，…，vn}

2.3.2 確定各單項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

各單項(xiàng)指標(biāo)接近uj遠(yuǎn)離vj的聯(lián)系度可按式（5）計(jì)算，結(jié)果如表5。

表3 試驗(yàn)方案的隸屬度

圖1 判斷矩陣K

表4 標(biāo)度值確定法則

圖2 判斷矩陣k

2.3.3 確定各方案的關(guān)聯(lián)度

各方案接近V遠(yuǎn)離V的聯(lián)系度可按式（6計(jì)算），結(jié)果如表5。

2.4 單工藝目標(biāo)聯(lián)系度分析

分別針對(duì)收縮溫度W、Cr2O3吸收率X、抗張強(qiáng)度Y、柔軟度Z進(jìn)行單工藝目標(biāo)的聯(lián)系度分析。

由表5中各單項(xiàng)指標(biāo)不同水平對(duì)應(yīng)的聯(lián)系度求得針對(duì)各工藝目標(biāo)的平均指標(biāo)聯(lián)系度，如表6～9所示。

根據(jù)模糊物元聯(lián)系度的概念，聯(lián)系度均值最大的值組成最優(yōu)的參數(shù)組合。

對(duì)于收縮溫度W，由表6可以看出，推薦的參數(shù)組合為A1B3C3D3，影響由大到小的工藝參數(shù)依次為：鞣制時(shí)間、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、浴液鉻含量、浴液溫度。

對(duì)于Cr2O3吸收率X，由表7可以看出，推薦的參數(shù)組合為A1B2C3D3，影響由大到小的工藝參數(shù)依次為：浴液鉻含量、鞣制時(shí)間、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、浴液溫度。

對(duì)于抗張強(qiáng)度Y，由表8可以看出，推薦的參數(shù)組合為A1B2C3D2，影響由大到小的工藝參數(shù)依次為：鞣制時(shí)間、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、浴液鉻含量、浴液溫度。

對(duì)于柔軟度Z，由表9可以看出，推薦的參數(shù)組合為A1B2C3D2，影響由大到小的工藝參數(shù)依次為：鞣制時(shí)間、浴液鉻含量、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、浴液溫度。

表5 指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和方案的關(guān)聯(lián)度

表6 針對(duì)W的不同水平平均聯(lián)系度

表7 針對(duì)X的不同水平平均聯(lián)系度

表8 針對(duì)Y的不同水平平均聯(lián)系度

表9 針對(duì)Z的不同水平平均聯(lián)系度

表10 工藝參數(shù)各水平平均聯(lián)系度

表11 優(yōu)化組合實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2.5 多工藝目標(biāo)聯(lián)系度分析

針對(duì)收縮溫度W、Cr2O3吸收率X、抗張強(qiáng)度Y、柔軟度Z進(jìn)行多工藝目標(biāo)聯(lián)系度分析分析，分析結(jié)果見(jiàn)表10。

比較各個(gè)水平，聯(lián)系度分析度值最高的水平為對(duì)多工藝目標(biāo)綜合考量時(shí)的最優(yōu)水平。從表10中可知，最優(yōu)參數(shù)組合為A1B2C3D2，即轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速A=10 r/min、浴液鉻含量B=15 g/L、鞣制時(shí)間C=18 h、浴液溫度D=45℃。

對(duì)綜合目標(biāo)影響由大到小的工藝參數(shù)排序?yàn)椋瑚分茣r(shí)間、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、浴液鉻含量、浴液溫度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述模糊物元法的聯(lián)系度分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。即以綜合目標(biāo)優(yōu)化組A1B2C3D2工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并同聯(lián)系度最高組（第3組；聯(lián)系度0.920；工藝參數(shù)組合A1B3C3D3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如表11。

從表10可見(jiàn)，優(yōu)化組與聯(lián)系度最高組相比，收縮溫度提高了 3.1%，Cr2O3吸收率提高了3.0%，抗張強(qiáng)度提高了5.9%，柔軟度提高了3.3%，證明優(yōu)化了結(jié)果的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

皮革鞣制是酸皮與鉻鞣劑結(jié)合生成藍(lán)濕皮的過(guò)程，是影響皮革成品質(zhì)量的重要工序。皮革鞣制效果除了與設(shè)備性能及酸皮的品質(zhì)水平有關(guān)外，工藝參數(shù)的搭配是一個(gè)重要因素。文中以轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、浴液鉻含量、鞣制時(shí)間、浴液溫度4個(gè)主要工藝參數(shù)為優(yōu)化對(duì)象，以鞣制后皮革的收縮溫度、Cr2O3吸收率、抗張強(qiáng)度、柔軟度4個(gè)藍(lán)皮質(zhì)量指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，在進(jìn)行正交試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)樣本的基礎(chǔ)上，利用模糊物元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先對(duì)工藝進(jìn)行單目標(biāo)，然后對(duì)工藝進(jìn)行綜合目標(biāo)優(yōu)化，得到了優(yōu)化工藝參數(shù)組合。本方法解決了正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理精確度低的問(wèn)題，使優(yōu)化結(jié)果更加可靠。采用比例標(biāo)度法確定指標(biāo)的權(quán)重，克服了傳統(tǒng)標(biāo)度法粒度過(guò)大、計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)。試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的有效性。

[1]劉海騰，陳國(guó)平，陳杰，等.皮革鞣制機(jī)的鉻鞣時(shí)間對(duì)皮革性能影響的研究[J].中國(guó)皮革，2015，44（11）：34-37.

[2]陳杰，楊承杰，賈繼章，等.ND鉻鞣技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化[J].中國(guó)皮革，2011，40（23）：12-14.

[3]黃先軍，模糊物元模型在物流服務(wù)商評(píng)價(jià)與選擇中的應(yīng)用[J].統(tǒng)計(jì)與決策，2015，36（12）：80-82.

[4]劉長(zhǎng)良，劉夢(mèng)瓊.基于改進(jìn)TOPSIS法的火電機(jī)組運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)[J].熱力發(fā)電，2015，44（5）：1-6.

Optimization of Process Parameters of the Leather Tanning Machine based on Fuzzy Matter Element Analysis

SHU Fu-hua1,WU Liang-chao2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering of Wuhan University of Technology,Wuhan 430070, China;2.Wuhan Dapeng Leather Limited Liability Company,Wuhan 430124,China)

An optimization method of leather tanning machine process parameters which orthogonal experiment combined with fuzzy matter element analysis was presented.On the basis of orthogonal experiment data,the experimental data was deal with using matter element analysis to get the best process parameter combination.First,single objective optimization was taken,and the final multi-objective comprehensive optimization was taken.This method overcomes the problem of orthogonal experiment the resolution is not high,to improve the precision of the optimization results.Test the effectiveness of the optimization results.

leather tanning machine;process parameter;matter element analysis;optimization;contact degree

TS 531

A

1671-1602（2016）23-0037-04

舒服華（1964-），男，湖北武漢，碩士，副教授，主要從事輕工機(jī)械研究工作。E-mail:cannon777@126.com。