技术领域
[0001] 本
发明涉及一种配棉工艺的控制装置，具体涉及一种基于专家系统的手持式配棉装置及其工作流程。
背景技术
[0002] 纺织企业的配棉工作是
纱线生产的前端关键环节，受行业专家知识的限制和配棉工作本身复杂性的影响，导致目前纺织企业的配棉方式主要有两种：一是人工经验配棉；二是计算机自动配棉。前者配棉
质量取决于专家的知识和经验，手工计算量大，
稳定性较差，且难以大面积推广；后者配棉质量整体有所提升，但需要专业的软
硬件平台和专人操作，投资较大。另外，在工厂生产计划和外出采购环节，需要在现场对
指定原棉进行配比，了解配棉品质指标，达到尽可能精确选棉和降低成本的目的，因此，现有的配棉工作无论是在配棉的工作效率、配棉的质量和工作的便捷性方面来说，都存在诸多问题，影响了企业的经济效率和竞争
力。
发明内容
[0003] 发明目的：本发明的目的是在于克服人工配棉的不足和专用配棉平台投资大的缺点，设计一种手持式的配棉装置，方便中小型纺织企业自动配棉的大面积推广，同时也可以作为大型企业在自动配棉工作方面的一种支持辅助手段，为现场的配棉工艺设计和采购活动提供便捷的技术支持，本发明既能指导技术人员对候选棉和库存棉作出更合理的选择，有效降低配棉成本，为配棉的工艺设计提供新的方法和技术参考；同时本发明操作方便，降低使用人员的专业知识要求，还能协助采购人员精准采购原棉，降低原料成本。具有成本低、操作方便、
精度高、适应性强等特点。
[0004] 技术方案：本发明所述的一种基于专家系统的手持式配棉装置，包括：
[0005] 核心处理单元，该单元采用专家系统核心模
块，由嵌入式微
控制器、存储单元及外围
电路组成，并控制USB通信单元、输入输出模块、供电单元和
接口电路；
[0006] USB通信单元，与所述核心处理单元连接，由USB通信芯片及其控制电路组成，运行USB2.0协议，通过USB接口下载外围存储设备中的原棉HVI数据，当经专家系统生成的配棉结果也可通过该USB接口保存在外围存储设备中；
[0007] 输入模块，与所述核心处理单元连接，由矩阵
键盘及其控制电路组成，用来接收配棉权重、配棉的主体成分、混棉品质指标的输入和推理机所涉及
算法相关参数的输入；
[0008] 显示单元，与所述核心处理单元连接，由带汉字字库功能的
液晶显示器及其控制电路组成，用以显示批棉配比和配棉成本以及配棉过程中各输入数据和设定参数的显示；
[0009] 供电单元，与所述核心处理单元连接，同时提供内置锂
电池或外接12V直流电供电，锂电池选用轻薄可充电
聚合物锂电池，容量为3000～4000mAh，可保障装置连续工作12小时的需要，支持系统休眠模式，为本发明
手持设备提供电源。
[0010] 进一步的，所述专家系统包括推理机、
知识库和配棉规则库，其中推理机和配棉规则库都基于知识库而建立，推理机是配棉问题求解的核心执行机构，它是按照配棉模型求解算法和配棉知识进行解释执行的程序，并把计算结果记录到知识库并输出到显示单元；知识库是存放配棉专家的知识，也承担综合
数据库的
角色，用于存储推理机所需的原始数据、中间结果和最终结论；配棉规则库是根据知识库为应对不同配棉要求而事先提取的规则集，用于推理机快速选择推理依据和知识，生成配棉结果。
[0011] 进一步的，所述推理机是利用专家系统的原理，将专家的有效经验和专
门知识，结合配棉工作要求，建立配棉目标函数，然后利用计算机强大的计算功能和
遗传算法的鲁棒性和全局性的特点，对目标函数进行求解，最终得到配棉结果，其中配棉目标函数为：
[0012]
[0013] 上述公式(1)的目标函数采用成本最小函数表达式，式中的Pi为第i种原棉的价格；Xi为第i种原棉在配棉中所占的比重；n为不同批次原棉的种类数；
[0014] 在利用遗传算法进行求解的过程中，为监控种群进化收敛程度，并提高算法的效率，必须设置合适的收敛终止条件，在种群进化过程中,当部分最优个体适应度的变化小于某一确定的临界值e时，通过下式(2)来决定收敛终止：
[0015]
[0016] 上式(2)中：S是精英策略中前10％最优个体的大小；Y为最优个体的适应度；e是这些最优个体收敛的临界值，e的经验取值为[5×10-6，5×10-5]。
[0017] 进一步的，所述知识库包括配棉约束知识库、配棉历史工艺单知识库、配棉失败知识库、对象参数知识库、语义表达知识库库。
[0018] 进一步的，所述配棉规则库由知识库提取而来，包括一次配棉要满足的规则：各批棉占比之和为1，各批棉比重的上限和下限值，混棉主体成分要小于指定值，混棉的各项品质指标包括短绒率、断裂比强度、
马克隆值和黄度要在指定的区间值内。
[0019] 本发明还公开了上述一种基于专家系统的手持式配棉装置的工作流程，包括如下步骤：
[0020] (1)通过USB
通信接口读取候选原棉的HVI基本数据(如短绒率、断裂比强度、马克隆值、黄度、杂质和价格)；
[0021] (2)通过输入模块对本次配棉的对象参数进行初始化，包括设定各批棉混用上限、主体成分、混棉的品质指标及算法参数(本发明配棉模型采用遗传算法进行求解，基本参数有种群大小S、最大遗传代数T、交叉系数Pc、编译系数Pm和收敛临界值e)；
[0022] (3)启动推理机，遵循知识库的规则和配棉规则库的约束条件，进行模型求解，计算批棉配比包数、配棉成本和混棉技术指标，将配棉结果在显示单元上予以显示，并将带有编号的配棉工艺单存储在知识库中；
[0023] (4)由于每次求解时批棉配比包数的初始种群是随机生成的，进行遗传
迭代后，所输出的最优解并不是唯一的(略有差异)，因此，建议进行多次(如5次)求解，按配棉实际技术要求取成本最小值或平均值作为最终配棉工艺数据；
[0024] (5)如果求解失败，则按照配棉失败知识库的提示信息，对批棉权重、主体成分的输入参数进行修正，重复步骤(2)、(3)、(4)，直至有最终计算结果输出。因为不合理的严苛的输入参数约束或不合理的原棉品质都可能导致求解失败，所以要注意输入参数和原棉的合理性。建议在实际操作中参考历史配棉工艺单，在此
基础上进行对比
修改，提高配棉效率；
[0025] (6)配棉计算结果以带有编号的工艺单形式保存在存储单元中，也可以通过UBS接口导出到外存储设备中，为灵活降低库存原棉，或重点考虑混棉的某一质量指标要求，在满足配棉成本的前提下，建议对配棉工艺单进行合理取舍。
[0026] 有益效果：
[0027] (1)该装置克服了人工配棉的不足和专用自动配棉平台投资大的缺点，解决了传统人工配棉速度慢、质量不稳定和成本控制不精确等问题，对操作人员的专业知识要求较低，可有效降低配棉人工成本；
[0028] (2)相关文献和实验已证明，利用基于专家知识的推理机并结合配棉模型及遗传算法能有效完成自动配棉工作，特别适用于中小型纺织企业纱线的小批量、多品种和个性化生产；
[0029] (3)该装置不受其它设备和环境的限制，携带方便，能在现场对用户的混棉质量要求作出较快的响应，也可作为一种购棉的辅助工具，根据生产要求做到精确购棉，具有配棉效果好、成本低、操作方便、便于携带的特点。
附图说明
[0031] 图2为本发明的工作流程示意图；
[0032] 图3为本发明的推理机结构示意图；
[0033] 图4为本发明的知识库结构示意图。
具体实施方式
[0034] 如图1所示的一种基于专家系统的手持式配棉装置，包括：
[0035] 核心处理单元，该单元运行专家系统，由嵌入式
微控制器、存储单元及外围电路组成，并控制USB通信单元、输入输出模块、供电单元和接口电路；专家系统由推理机、知识库和配棉规则库组成，微控制器采用高性能的STM32F103C8T6芯片作为核心处理单元，内置高速存储存储单元(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，存储单元中存有配棉的知识库和推理机。
[0036] 本装置中的推理机结构如图3所示，该推理机是利用专家系统的原理，将专家的有效经验和专门知识，结合配棉工作要求，建立配棉目标函数，然后利用计算机强大的计算功能和遗传算法的鲁棒性和全局性的特点，对目标函数进行求解，最终得到配棉结果。其中配棉的目标函数为：
[0037]
[0038] 目标函数采用成本最小函数表达式，式中的Pi为第i种原棉的价格；Xi为第i种原棉在配棉中所占的比重；n为不同批次原棉的种类数。
[0039] 在利用遗传算法进行求解的过程中，为监控种群进化收敛程度，并提高算法的效率，必须设置合适的收敛终止条件。在种群进化过程中,当部分最优个体适应度的变化小于某一确定的临界值e时，通过下式来决定收敛终止。
[0040]
[0041] 上式中：s是精英策略中前10％最优个体的大小；Y为最优个体的适应度；e是这些最优个体收敛的临界值。我们在工作中经过多次的实验优化发现，e的经验取值推荐为[5×10-6，5×10-5]。
[0042] 本装置中的知识库结构如图4所示：
[0043] 知识库包括批棉约束知识库、历史配棉工艺单知识库、配棉失败知识库、对象参数知识库和语义表达知识库。配棉约束知识库是指批棉所占权重上限和下限值、原棉主体成分约束值、混棉的各项品质指标上限和下限值。历史配棉工艺单知识库是指曾经成功配棉的工艺数据，可供下次配棉参考和借鉴。配棉失败知识库是指某次配棉失败时，所提供的修正建议。对象参数知识库是指原棉HVI(high volume instrument，大容量棉花
纤维测试仪)参数、混棉技术参数和配棉求解过程中配棉模型所需的参数值(本发明采用遗传算法对配棉模型进行求解，参数值主要包括：种群大小、最大遗传代数、交叉系数、变异系数和收敛临界值，取值分别为：50、300、0.8、0.05、5×10-5)，语义表达知识库是利用计算机能接受和处理的符号来表达专家在配棉工作中所获取的知识的知识库。推理机包括配棉模型函数和用于目标函数求解的遗传算法程序，通过对种群的不断进化，找到既满足混棉的价格最低，又满足混棉技术要求的最优个体群，从而完成配棉工作。
[0044] 在启动推理机进行计算前，利用对象参数知识库对混棉要求和算法的基本参数进行设定，也可以利用历史配棉工艺单知识库选择与本次配棉要求接近的历史工艺单数据，快速完成推理机的初始化工作；批棉约束知识库是推理机针对当前问题的条件或已知信息，要反复匹配规则和遵循约束条件的知识库；配棉失败知识库用于针对配棉失败的结果，提示相应的参考信息给工作人员进行修正的知识库；语义表达知识库是利用计算机能接受和处理的符号来表达专家在配棉工作中所获取的知识的知识库。
[0045] USB通信单元，与所述核心处理单元连接，由USB通信芯片及其控制电路组成，运行USB2.0协议，通过USB接口下载外围存储设备中的原棉HVI(high volume instrument，大容量棉花纤维测试仪)数据，当经专家系统生成的配棉结果也可通过该USB接口保存于外围存储设备中；
[0046] 输入模块，与所述核心处理单元连接，由矩阵键盘及其控制电路组成，用来接收配棉权重、配棉的主体成分、混棉品质指标的输入和推理机所涉及算法相关参数的输入；
[0047] 显示单元，与所述核心处理单元连接，由带汉字字库功能的液晶显示器及其控制电路组成，用以显示批棉配比(/包)和配棉成本以及配棉过程中各输入数据和设定参数的显示；
[0048] 供电单元，与所述核心处理单元连接，同时提供内置锂电池或外接12V直流电供电，锂电池选用轻薄可充电聚合物锂电池，容量为3000～4000mAh，可保障装置连续工作12小时的需要，支持系统休眠模式，为本发明手持设备提供电源。
[0049] 上述一种基于专家系统的手持式配棉装置的工作流程如图2所示，包括如下步骤：
[0050] (1)通过USB通信接口读取候选原棉的HVI基本数据(如短绒率、断裂比强度、马克隆值、黄度、杂质和价格)；
[0051] (2)通过输入模块对本次配棉的对象参数进行初始化，包括设定各批棉混用上限、主体成分、混棉的品质指标及算法参数(本发明配棉模型采用遗传算法进行求解，基本参数有种群大小S、最大遗传代数T、交叉系数Pc、编译系数Pm和收敛临界值e)；
[0052] (3)启动推理机，遵循知识库的规则和配棉规则库的约束条件，进行模型求解，计算批棉配比包数、配棉成本和混棉技术指标，将配棉结果在显示单元上予以显示，并将带有编号的配棉工艺单存储在知识库中；
[0053] (4)由于每次求解时批棉配比包数的初始种群是随机生成的，进行遗传迭代后，所输出的最优解并不是唯一的，因此，建议进行多次(如5次)求解，最终的配棉工艺按实际技术要求取成本最小值或平均值作为最终结果；
[0054] (5)如果求解失败，则按照配棉失败知识库的提示信息，对批棉权重、主体成分的输入参数进行修正，重复步骤(2)、(3)、(4)，直至有最终计算结果输出。因为不合理的严苛的输入参数约束或不合理的原棉品质都可能导致求解失败，所以要注意输入参数和原棉的合理性。建议在实际操作中参考历史配棉工艺单，在此基础上进行对比修改，提高配棉效率；
[0055] (6)配棉计算结果以带有编号的工艺单形式保存在存储单元中，也可以通过UBS接口导出到外存储设备中，为灵活降低库存原棉，或重点考虑混棉的某一质量指标要求，在满足配棉成本的前提下，建议对配棉工艺单进行合理取舍。
[0056] 为更全面地理解本发明，举配棉生产的其中一个例子作进一步说明：
[0057] 1)客户对混棉的生产要求。混棉的主要品质指标要求见表1。
[0058] 表1要求生产的混棉的主要品质指标
[0059]
[0060] 备注：候选原棉6种，混用上限分别指1#～6#候选棉的混用上限值。
[0061] 2)原棉的HVI数据见表2。
[0062] 表2原棉HVI基本数据
[0063]
[0064]
[0065] 3)利用本发明装置进行配棉技术方案设计，具体操作如上述工作流程所述，操作后的结果按如表3、表4所示格式分页显示。
[0066] 表3配棉技术方案计算结果
[0067]
[0068] 备注：X1～X6分别代表6种候选棉的配比。
[0069] 表4配棉技术方案对应的混棉品质指标
[0070]
[0071] 上述表3、表4是配棉的一次计算结果，正如前面本发明的工作流程的说明所述，操作人员可以针对本次配棉进行多次计算，在考虑去原棉库存、控制产品质量和混棉价格效益的基础上，对多次的计算结果进行合理取舍，找到本次配棉的相对最优工艺方案。
[0072] 最后该装置提示操作人员是否将本次配棉方案作为新的配棉工艺单保存在“知识库”中，至此整个配棉操作结束。
[0073] 以上所述，仅是本发明的较佳
实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
