顯汗條件下針織面料主觀熱濕舒適性預(yù)測模型的建立

柯寶珠，叢 杉

(上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院，上海 201620)

顯汗條件下針織面料主觀熱濕舒適性預(yù)測模型的建立

柯寶珠，叢 杉

(上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院，上海 201620)

對36種針織面料的動(dòng)態(tài)熱濕舒適性客觀指標(biāo)進(jìn)行測試與分析，再將36種面料制作成服裝，通過人體穿著試驗(yàn)對針織面料的主觀熱濕舒適性感覺進(jìn)行評定。隨機(jī)選取其中28種面料建立了針織面料熱濕舒適性客觀評價(jià)指標(biāo)與主觀評價(jià)指標(biāo)之間的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，并通過該模型對另外8種針織面料進(jìn)行驗(yàn)證和評估，結(jié)果表明，該模型能較好地預(yù)測針織面料的主觀熱濕舒適性。

針織面料；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；熱濕舒適性；預(yù)測

織物主觀熱濕舒適性評價(jià)法是通過人體穿著實(shí)驗(yàn)對織物的悶熱感、潮濕感和粘體感等熱濕舒適性指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)的一種方法，是具有實(shí)際意義的手段和方法。但主觀評價(jià)法也存在許多無法克服的困難，比如試驗(yàn)條件難以控制、個(gè)體的差異等，在一定程度上影響了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。相比較而言，客觀評價(jià)法不受上述因素的影響，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，誤差較小，易于操作和控制，但缺點(diǎn)是測試指標(biāo)不能直觀地反應(yīng)人體的主觀穿著感覺。因而在客觀評價(jià)指標(biāo)與主觀評價(jià)指標(biāo)之間建立相關(guān)性模型是有必要的。這樣只需要對織物的客觀指標(biāo)進(jìn)行測試，就可利用相關(guān)性模型來預(yù)測其主觀穿著感覺值。

織物的熱濕舒適性客觀評價(jià)法主要有靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。靜態(tài)法是對織物的單純熱傳遞或濕傳遞指標(biāo)如熱阻、透氣率、透濕率等進(jìn)行測試的一種方法。為了更好地模擬實(shí)際穿著情形，尤其是人體出汗時(shí)，應(yīng)采用熱濕同時(shí)測定的方法，也就是動(dòng)態(tài)熱濕傳遞測試法。本研究利用自行研制的微氣候測試圓筒儀作為織物的動(dòng)態(tài)熱濕舒適性測試儀器。

在對36種針織面料進(jìn)行客觀實(shí)驗(yàn)和主觀實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了以針織面料動(dòng)態(tài)熱濕舒適性客觀評價(jià)指標(biāo)為輸入?yún)?shù)，以主觀熱濕舒適性評價(jià)指標(biāo)為輸出參數(shù)的預(yù)測模型。從而實(shí)現(xiàn)了快速對針織面料熱濕舒適性主觀感覺值進(jìn)行預(yù)測的目的。

1 實(shí) 驗(yàn)

為了探討人體在大運(yùn)動(dòng)量或高溫條件，也即顯汗情況下針織面料的熱濕傳遞性能，選取的實(shí)驗(yàn)面料均為適合于制作運(yùn)動(dòng)服或夏季休閑穿著的針織面料，除了一些功能性新型面料如Coolmax、Tactel外，還選取了常用的棉、滌綸、羊毛、真絲等面料共36種。

微氣候測試圓筒儀的工作原理、測試方法及各測試指標(biāo)表征的意義參考文獻(xiàn)[1-2]。選取以下5個(gè)客觀指標(biāo)來評價(jià)針織面料的動(dòng)態(tài)熱濕傳遞性能：KTs－出汗開始時(shí)溫度下降的初始斜率(℃/10s)；Tequ－溫度平衡值(℃)；ΔT－平衡溫度與最低溫度的差值(℃)；KTe－出汗結(jié)束后溫度回升時(shí)的初始斜率(℃/10s)；RHequ－濕度平衡值(%)。其中KTs和KTe值越大，織物熱濕舒適性越好；Tequ、ΔT和RHequ值越小，織物熱濕舒適性越好。36種針織面料的5個(gè)動(dòng)態(tài)熱濕舒?zhèn)鬟f性客觀評價(jià)指標(biāo)的測試結(jié)果見表1。

將這36種針織面料做成相同款式服裝各1件，進(jìn)行主觀穿著試驗(yàn)[3-4]。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度28 ℃，相對濕度65 %，氣流速度0.2 m/s。實(shí)驗(yàn)共選取10名女性受試者，受試者要求具備的特征：心理及生理健全，身高(162±3)cm，體重(52±3)kg，年齡18～23歲的大學(xué)生。設(shè)計(jì)主觀舒適性問卷調(diào)查表，對針織面料主觀穿著感覺值如悶熱感、潮濕感、粘體感和運(yùn)動(dòng)后的冷感進(jìn)行評價(jià)。這4個(gè)主觀感覺值能較全面地反映人體從出汗到出汗結(jié)束后織物的熱濕舒適性能。對4個(gè)主觀感覺指標(biāo)用語意差別進(jìn)行描述，采用5級標(biāo)尺，最小值評分值為0，最大值評分值為4，感覺值越大，表明越不舒適。例如對悶熱感評分值為0，表明不冷不熱也不悶，感覺正舒適；評分值為1，表明局部皮膚感覺稍溫?zé)幔聝?nèi)有熱氣；評分值為2，表明大部分皮膚感覺較熱，身體局部出汗，衣內(nèi)熱氣較多；評分值為3，表明人體大量出汗，感覺悶熱，衣內(nèi)熱烘烘，有明顯不舒適感；評分值為4，表明人體大汗淋漓，感覺非常悶熱，煩躁頭暈胸悶。設(shè)計(jì)的調(diào)查問卷如下(其他3個(gè)評價(jià)指標(biāo)類似)：

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前饋式、反向傳播學(xué)習(xí)算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理是將數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)輸入層，輸入層單元接收輸入信號，經(jīng)傳遞函數(shù)向前傳播到隱層節(jié)點(diǎn)，計(jì)算權(quán)重，再把隱層節(jié)點(diǎn)輸出信號傳播到輸出節(jié)點(diǎn)，最后給出輸出結(jié)果[5]。

采用MatLab 6.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)編程，來實(shí)現(xiàn)對BP網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建、訓(xùn)練與仿真。

表1 36種針織面料的動(dòng)態(tài)熱濕舒適性客觀評價(jià)指標(biāo)值和主觀評價(jià)指標(biāo)值Tab.1 The Dynamic Thermal-wet Comfort Objective Evaluation Indexes and Subjective Evaluation Indexes of 36 Kinds of Knitted Fabrics

構(gòu)建BP網(wǎng)絡(luò)模型的第一步是建立網(wǎng)絡(luò)對象并初始化，可用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)newff來建立一個(gè)可訓(xùn)練的單隱層BP網(wǎng)絡(luò)，其語法為：

這里，PR是一個(gè)Rx2的矩陣，以定義R個(gè)輸入向量的最小值和最大值；{TF1 TF2}是包含每層用到的轉(zhuǎn)移函數(shù)名稱的細(xì)胞數(shù)組，取TF1為tansig，TF2為purelin；BTF是用到的訓(xùn)練函數(shù)的名稱，主要采用trainbr函數(shù)；BLF為權(quán)值與閾值的學(xué)習(xí)函數(shù)，采用learngdm，其為帶動(dòng)量項(xiàng)的BP學(xué)習(xí)規(guī)則；PF為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能表征方式，采用最小誤差平方和函數(shù)mse。[S1 S2]是一個(gè)包含每層神經(jīng)元個(gè)數(shù)的數(shù)組，本文的BP網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)為4個(gè)，因此，S2＝4，S1根據(jù)具體情況來取得，有經(jīng)驗(yàn)公式可以利用[6]：

式(1)中：m為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)；S1為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.1 輸入和輸出結(jié)點(diǎn)的確定

織物的熱濕舒適性客觀評價(jià)指標(biāo)有5個(gè)，KTs、Tequ、ΔT、KTe和RHequ，這5個(gè)指標(biāo)作為輸入層參數(shù)。織物的熱濕舒適性主觀評價(jià)指標(biāo)有4個(gè)，悶熱感、粘體感、潮濕感和運(yùn)動(dòng)后的冷感，這4個(gè)指標(biāo)作為輸出層參數(shù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的確定

織物的客觀評價(jià)指標(biāo)和主觀評價(jià)指標(biāo)之間不是簡單的線性關(guān)系，因此對織造建立模型就不能簡單地用一層結(jié)構(gòu)，必須采用多層網(wǎng)絡(luò)。從理論上講三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近所有的函數(shù)。因此建立的模型都采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即輸入層、輸出層和一個(gè)隱層。

2.3 隱層結(jié)點(diǎn)數(shù)的確定

隱層結(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能和預(yù)測結(jié)果有直接影響。隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)參考值可以根據(jù)上述的經(jīng)驗(yàn)式(1)計(jì)算。此外還有許多經(jīng)驗(yàn)公式，不過這些公式大都是依據(jù)具體試驗(yàn)環(huán)境而得來的，普遍性不是很好，所以應(yīng)結(jié)合本文的研究和經(jīng)驗(yàn)公式得到的參考值，進(jìn)行試驗(yàn)得出預(yù)測模型的最佳隱層結(jié)點(diǎn)數(shù)。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練

在36個(gè)樣本中隨機(jī)挑出4、9、17、21、24、27、31、35號8個(gè)樣本的測試數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測檢驗(yàn)樣本，其余28個(gè)樣本的測試數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本，這樣隨機(jī)提取樣本的目的是為了提高預(yù)測精度。經(jīng)大量訓(xùn)練，所采用的最佳網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表2。

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的優(yōu)化參數(shù)Tab.2 The Optimized Parameters of BP Neural Network Prediction Model

圖1是Trainbr函數(shù)訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)的誤差變化曲線圖。SSE為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差平方和，SSW為網(wǎng)絡(luò)權(quán)值與閾值平方和，Parameters為有效的權(quán)值與閾值個(gè)數(shù)。本模型迭代至122步SSE和SSW就達(dá)到恒值，網(wǎng)絡(luò)收斂，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的有效權(quán)值和閾值的個(gè)數(shù)為43.269 5。

圖1 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程曲線Fig.1 The Network Training Process Curve

4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證與分析

建立織物的熱舒適舒適性預(yù)測模型之后，其預(yù)測精度還需進(jìn)一步驗(yàn)證。現(xiàn)對其中的4、9、17、21、24、27、31、35號樣本來做檢驗(yàn)。

根據(jù)上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立了以動(dòng)態(tài)客觀指標(biāo)為輸入?yún)?shù)的織物主觀熱濕舒適性預(yù)測模型，并對8個(gè)預(yù)測檢驗(yàn)樣本作了預(yù)測，結(jié)果如表3所示。

表3 網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測檢驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The Prediction Results of Network Model

從表3可知，網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測值與實(shí)測值非常接近。悶熱感的實(shí)測值與預(yù)測值的絕對誤差最大值為0.302 9，平均絕對誤差為0.185 0；粘體感的實(shí)測值與預(yù)測值的絕對誤差最大值為0.451 2，平均絕對誤差為0.204 5；潮濕感的實(shí)測值與預(yù)測值的絕對誤差最大值為0.378 7，平均絕對誤差為0.160 4；運(yùn)動(dòng)后的冷感的實(shí)測值與預(yù)測值的絕對誤差最大值為0.234 6，平均絕對誤差為0.088 6。最大絕對誤差值及平均絕對誤差值均小于0.5，這樣的預(yù)測精度值是很高的。

本文采用絕對誤差，而非相對誤差來分析預(yù)測精度，主要是因?yàn)?個(gè)主觀感覺值均采用5級標(biāo)尺進(jìn)行評判，評分在0～4之間，每一級標(biāo)尺相差1分，也就是說只要預(yù)測值與實(shí)測值的評分相差不到1分，即表示主觀穿著感覺非常接近，若采用相對誤差來分析預(yù)測精度，反而不能很好說明問題。

從對模型的預(yù)測值與實(shí)測值的對比分析結(jié)果可知，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的以針織面料熱濕舒適性客觀評價(jià)指標(biāo)為輸入?yún)?shù)，以針織面料熱濕舒適性主觀評價(jià)指標(biāo)為輸出參數(shù)的預(yù)測模型精度高，能較好地用來預(yù)測針織面料的主觀熱濕舒適感。

5 結(jié) 論

通過對36種針織運(yùn)動(dòng)面料的動(dòng)態(tài)熱濕舒適性客觀評價(jià)指標(biāo)和主觀評價(jià)指標(biāo)的測試，隨機(jī)選取其中28種針織面料建立了以織物動(dòng)態(tài)熱濕舒適性客觀評價(jià)指標(biāo)為輸入?yún)?shù)，以織物主觀熱濕舒適性評價(jià)指標(biāo)為輸出參數(shù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，通過該模型對另外8種針織面料進(jìn)行驗(yàn)證和評估，結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)模型能較好地用來預(yù)測針織面料的主觀熱濕舒適性。

[1]柯寶珠.新型織物微氣候測試圓筒儀的研制[J].絲綢，2008(8)：40-43．

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Prediction of Knitted Fabric Subjective Thermal-wet Comfort Properties Based on BP Neural Network

KE Bao-zhu, CONG Shan

(College of Fashion Technology, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

In this paper, the dynamic thermal-wet comfort objective evaluation indexes of 36 kinds of knitted fabrics were tested and analyzed. And then the 36 kinds of knitted fabrics were made into clothes of same style. The thermal-wet comfort subjective evaluation indexes of these clothes were assessed by wearing tests.28 kinds of the fabrics were selected to establish the prediction model between the objective and subjective evaluation indexes based on BP neural network. The other 8 kinds of fabrics were used to validate the accuracy of the model. The results showed that the model can effectively predict the subjective thermal-wet comfort properties of fabrics.

Knitted fabric; BP neural network; Thermal-wet comfort; Prediction

TS101.923

A

1001-7003(2010)09-0026-04

2010-05-16；

2010-05-31

上海市科委自然基金項(xiàng)目(10ZR1412800)

柯寶珠(1977－ )，女，講師，博士研究生，主要從事功能性服裝面料的開發(fā)及服裝舒適性研究。