基于遺傳算法的高溫防護(hù)服最優(yōu)厚度求解

吳銘涇

摘 要：高溫環(huán)境專用服裝的設(shè)計(jì)，以及服裝的隔熱效果是一個(gè)十分值得關(guān)注的問題， 較低成本且有效地解決專用服裝的設(shè)計(jì)，對高溫工作環(huán)境的行業(yè)有很大的意義。為實(shí)現(xiàn)專用服裝最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，本文在已知模型的基礎(chǔ)上求解特定層的最優(yōu)厚度。利用遺傳算法，結(jié)將所求材料的定值厚度轉(zhuǎn)化自變量，將假人皮膚外側(cè)溫度轉(zhuǎn)化為因變量，在滿足特定要求的假人皮膚外側(cè)溫度條件下，對所要求的范圍內(nèi)織物材料厚度進(jìn)行特定步長從小變大逐一求解，最終找出符合條件的最優(yōu)化的織物材料厚度。

關(guān)鍵詞：高溫防護(hù)服; 最優(yōu)化;遺傳算法

引言

高溫環(huán)境給工作人員帶來了過量的熱負(fù)荷，是身心健康和生命安全的嚴(yán)重威脅。專用服裝作為高溫防護(hù)的重要手段之一，在高溫工作環(huán)境中的作用備受關(guān)注。因此，專用服裝的設(shè)計(jì)對改善高溫工作環(huán)境有著重大意義。

1. 遺傳算法模型優(yōu)化

本文利用遺傳算法對已知模型進(jìn)行優(yōu)化，求出符合條件的情況下最優(yōu)的材料厚度。

通過轉(zhuǎn)化II層的定值為自變量，并添加目標(biāo)函數(shù)的輸出量。由于遺傳算法要求輸出變量的值為 0，因此將設(shè)置輸出量為溫度分布的最終結(jié)果與 47oC 相減的差值，并利用 MATLAB 中的 optimtool 工具箱進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化。

在滿足假人皮膚外側(cè)溫度不超過 47oC 的條件下，優(yōu)化時(shí)遺傳算法將執(zhí)行循環(huán)流程，程序會(huì)不斷改變自變量，直至遺傳算法檢測至輸出量足夠接近 0，此時(shí)遺傳算法則可以得到，滿足假人皮膚外側(cè)溫度不超過 47oC 的條件下，II 層材料的最優(yōu)厚度。

針對另外一個(gè)假人皮膚外側(cè)溫度條件下，即超過 44oC 的時(shí)間不超過 5 分鐘，由于模型考慮服裝內(nèi)的溫度不會(huì)下降，因此可以將目標(biāo)函數(shù)內(nèi)的時(shí)間參數(shù)值從 60 分鐘改為 55 分鐘，并且要求 55 分鐘時(shí)的溫度不超過 45 度，即不會(huì)超過 45 度的時(shí)間不超過 5 分鐘。

模型求解時(shí)，將第二層厚度作為自變量，算法輸出值為 55分鐘時(shí)皮膚位置的溫度與題目要求溫度（44 度）的溫度差以及 60 分鐘時(shí)皮膚溫度的差值。如果兩者均不超過 0，意味著超過 44度的時(shí)間不超過 5分鐘并且整個(gè)一小時(shí)內(nèi)皮膚溫度均未超過 47 度。

將改進(jìn)的算法作為目標(biāo)函數(shù)，將自變量從最低厚度作為開始值，選取足夠小的步長，不斷輸出結(jié)果并進(jìn)行判斷，第一個(gè)符合條件的值便是滿足要求的材料最小厚度。最終計(jì)算結(jié)果為24.8mm。

2 .多變量最優(yōu)化

通過已知確定輸出量為后，不斷改變自變量，即不斷改變輸入量的值，最終試錯(cuò)成功，達(dá)到所需要求解的定值。本小節(jié)求解與上節(jié)的不同之處在于，上節(jié)所設(shè)定的輸入變量為單一變量， 而本小節(jié)所設(shè)定的輸入變量則為二維變量，MATLAB 的遺傳算法工具箱可以提供解決多為輸入量的情況，因此只需要確認(rèn)輸出量為確定值為 0 的情況下， 輸入值的值則為所要求確定的答案。

邊值條件的選取與上節(jié)相同，對最優(yōu)解的求解過程也類似，但由于有兩個(gè)自變量，所以算法中有兩個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，根據(jù)兩個(gè)循環(huán)先后的不同，會(huì)分別得到兩個(gè)結(jié)果：在第二層厚度盡量小的情況下的最優(yōu)解與在第四層厚度盡量小的最優(yōu)解。在第二層材料厚度盡量小的前提下，最終的計(jì)算結(jié)果分別為 18.3mm和6.2mm。在第四層材料厚度盡量小的前提下，最終計(jì)算結(jié)果分別為18.7mm 和 0.8mm。

結(jié)論：

本文中考慮了 3 層專用服裝及空氣層的非穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)過程，運(yùn)用數(shù)值解法得出了溫度的分布情況，運(yùn)用最優(yōu)化模型求得了最優(yōu)化解， 但在整個(gè)模型中，還有一些可以推廣的部分。本次模型中，只考慮了熱的傳導(dǎo)過程，忽略了對流傳熱、熱輻射能傳熱形式及環(huán)境濕度、風(fēng)速等多方面的影響， 可將模型進(jìn)行推廣，將上述影響都考慮在內(nèi)，使模型結(jié)果更加精確。

參考文獻(xiàn)：

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