無縫針織內衣機的花型準備系統及數據安全

汝 欣， 史偉民， 彭來湖， 劉宜勝， 向 忠

(浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

無縫針織內衣機的花型準備系統及數據安全

汝 欣， 史偉民， 彭來湖， 劉宜勝， 向 忠

(浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

因進口花型制版系統通過加密壟斷了針織無縫內衣機的工藝制版技術，為滿足國內針織無縫內衣設計生產的需求，設計了一套針對無縫針織內衣機花型及鏈條動作的數據準備系統，并提出了一種文件數據壓縮、加密、解析的算法，以解決數據安全性和大容量問題。花型準備系統分為花型子系統和鏈條動作子系統，花型子系統用類組織意匠位圖表示織物的組織結構，用色彩位圖表達編織過程中紗嘴動作；根據無縫針織內衣機的編織工藝、動作流程，為鏈條動作子系統設計了一系列數據結構表達鏈條動作文件數據。經現場制版驗證，花型設計方便、快捷、高效，花型文件數據小，傳輸安全可靠。

無縫針織內衣機； 數據解析； 壓縮算法； 加密算法

無縫織造技術是依據人體曲線和生理機能，依托電腦輔助編程設計款式，采用智能的數字化加工生產手段，使成品以立體的、整體的造型結構直接生產出來的技術[1]。與傳統的針織生產方式相比，無縫織造技術具有勞動力成本低，一次成型減少了原料浪費，組織機構變化靈活，可織造三維立體組織的優點。

無縫針織內衣機是完全由電腦控制的內衣生產設備[2]，一次編織織物基本成型，下機后稍加裁剪、縫邊及后整理，便可生產出最終產品[3]。在編織時，產品的花型、尺寸、組織結構、密度，機器轉速、哈夫針的進出、喂紗換紗等動作都根據針織產品工藝要求自行設計，再經數據準備系統解析編譯后下載，對織物的編織過程進行控制，可實現自動提花、自動添紗換紗、自動起口、自動扎口、自動檢測與控制等功能[4]，是較為先進的成型設備。

目前從技術、機型種類、銷售量和市場占有率來說，意大利圣東尼公司生產的無縫針織內衣機居全球領先地位。國內無縫內衣生產廠采用的設備大部分來自圣東尼公司。制版系統作為無縫針織內衣機的配套軟件，也基本被國外壟斷。目前國內對無縫針織內衣機制版系統研究較少，主要集中在橫機、圓機等機型制版系統的研究。本文通過對無縫針織內衣機編織工藝的研究，設計了一套針對無縫針織內衣機的包含花型繪制與編輯、動作文件插入編輯等功能的花型及動作文件數據準備系統，該系統結構靈活，通用性較強。

1 系統功能分析及結構設計

圓機的花型準備系統主要由圖形編輯系統負責花型的繪制和編輯，再輔以一定的動作設計工具[5-6]，由于無縫針織內衣機需要控制的動作較多，本文系統單獨設計一個鏈條動作系統用來插入、編輯和編譯鏈條動作。整個無縫針織內衣機花型動作數據準備系統的結構如圖1所示。

花型子系統為用戶提供繪制花型的平臺，內含各種繪圖工具。鑒于針織織物花型設計的特殊要求，除普通的繪圖功能外，本文系統還添加了圖形陣列復制，顏色保護等功能以提高繪制效率。此外，花型子系統可設置配置文件，配置文件設定了花型的可執行顏色以及每種可執行顏色對應的選針器、紗嘴動作。文件編譯功能將根據繪制的花型以及配置文件將文件解析為可執行的選針器驅動文件[7]。對于花型的保存與讀取，可將繪制的花型保存為一種特殊格式，同樣子系統也可導入已繪制好的花型。

鏈條動作子系統為用戶提供編輯動作鏈條文件的平臺，根據工藝要求輸入鏈條動作，也可導入鏈條動作文件進行編輯。此外，還可對編織設備的參數進行設置，以保證動作文件執行過程中的精準性、有效性、安全性。文件編譯功能將鏈條動作文件編譯為控制設備動作的可執行文件。

2 子系統的設計

2.1 花型子系統的設計

花型子系統負責繪制織物提花花型。設計師或者打版師根據預想的圖案，使用鼠標在圖上填充顏色，圖上色點的顏色可以代表紗線的顏色或組織，繪制完畢再根據參數解析花型直接得到上機的數據文件。這種可視化的設計過程直觀、方便、準確性高。本文系統還設計了對照花型針位設置紗嘴動作的功能。與繪制花型類似，只要在紗嘴圖層中根據動作需求填充色點即可，該色點顏色代表了不同的紗嘴動作。系統還為用戶設計了配置文件，指出設備的配置情況以及繪制花型和紗嘴時的可執行顏色及相應動作，用戶可使用標準文件或自行設置。花型子系統允許用戶繪制或從外部輸入花型，并提供完備的花型文件檢查、編譯功能[8]，避免用戶花型出現錯誤。花型子系統的工作流程如圖2所示。

2.2 鏈條動作子系統的設計

無縫針織內衣機除了選針器、紗嘴要根據花型提花編織外，還要進行起口、扎口等一系列復雜的動作[9]，需在鏈條動作子系統中進行設計。本文系統為用戶提供了模板鏈條動作文件，選擇適宜的模板后，只需換上待編織的花型并做微調就可編織不同款式的織物，使內衣的設計變得快捷、方便、容易上手。對于有經驗的工藝師傅，可以根據需求設計編織過程的動作，使內衣設計變得更加靈活。花型子系統的工作流程如圖3所示。

本文系統提供用戶修改設備參數功能，便于在結構相似、尺寸或配置略有不同的無縫針織內衣機上使用該鏈條動作子系統，系統具有一定的可擴展性。同時，在設計完鏈條動作、編譯之前，還設計了檢查工藝的環節。由于無縫針織內衣機編織工藝較為復雜，進行一些常規的工藝檢查也可以保證設備運行過程的安全性、可靠性。

3 花型數據準備

一般的花型準備系統繪制圖型對應的是織物的花型意匠圖[10]。每個像素點代表花型意匠圖的1格，即織物的1個線圈，該像素點的顏色代表織物對應線圈的顏色。而無縫針織內衣機的花型準備系統可以繪制2幅圖，一幅對應織物的結構意匠圖，每個像素點代表結構意匠圖的1格，該點顏色對應相應的織物組織結構；另一幅對應織物的紗嘴動作圖，用來控制無縫針織內衣機的紗嘴動作，每個像素點對應織物編織時的1針，該點顏色對應相應的紗嘴動作。

編譯無縫針織內衣機的花型文件時，一方面要將上述結構意匠圖解析為可執行的二進制選針器信息，控制選針器的出針，編織不同的花型組織；另一方面要將上述紗嘴動作圖解析為可執行的紗嘴動作控制信息，配合選針器完成花型編織。此外，編譯無縫針織內衣機花型文件時可分為2個階段：第1階段將位圖解析為適用于無縫針織內衣機花型準備系統的文件，用于花型的保存、修改、傳播；第2階段將位圖解析為機器可用的二進制文件，用于設備的運行。

3.1 繪圖信息的存儲

在繪制花型前，先進行顏色配置文件設置，該配置文件與設備配置情況一致，包括設備總路數、每路成圈系統的選針器及紗嘴配置情況、在繪制結構意匠圖和紗嘴動作圖時可供使用的顏色及相應的選針器或紗嘴動作。

3.1.1 位圖的分解

圖4示出織物組織結構意匠圖。寬W為8針，高H為8針的花型，顏色數C為4。圖中，B代表黑色(色號為1)，G代表綠色(色號為2)，R代表紅色(色號為3)，Y代表黃色(色號為4)。

用行向量Di來表示結構意匠圖的一行，則Di=[a1,a2,…,aj,…，aW]，其中aj為相應元素的色號。則行向量組可將整個結構意匠圖(見圖4)表示為D=[D1,D2,…,Di,…，DH]T。圖4中的意匠圖可表示為向量組

3.1.2 數據的壓縮與加密

在花型繪制過程中，可能存在一行中連續繪制某個顏色的情況，這種情況下，對應圖形的行向量中會存在大量連續的相同元素，若直接存儲在文件中，這些數據會占用大量的存儲空間，在一定程度上造成了存儲空間的浪費，特別是在資源不富足的工控機或者嵌入式系統里，這個問題顯得尤為突出，所以，文件存儲時對數據進行壓縮，采用行程長度壓縮，即[色號重復次數][色號]2個字節為1個單元的存儲方式，依次存放向量組中每一行向量。

采用這種存儲方式，3個及以上連續色號的顏色存儲都能得到壓縮。采用壓縮存儲方法與不采用壓縮存儲方法的數據占用空間比較見表1。

表1 采用壓縮存儲與不壓縮存儲占用存儲空間比較Tab.1 Data spaces of different storage methods

3個同色的連續色號，采用壓縮存儲方法后，空間占用為不采用壓縮方式的66.67%，最有利情況下，255個同色的連續色號壓縮存儲后空間占用為不采用壓縮方式的0.78%。當圖形中存在2個同色連續色號時，2種存儲方式占用空間相同。當圖形中只有1個連續色號時，壓縮方法反而占用200%的空間，但是由于針織織物的特點，一幅花型中，只存在1個連續色號的總數遠小于連續3個以上點，總體而言還是采用壓縮存儲方式占用的空間更小。按照這種壓縮方式，圖4中D1存儲為0x03 04 02 03 03 04，D2存儲為0x02 04 01 02 02 04 01 02 02 04，依次類推，可得到整個圖4所示意匠圖的壓縮存儲數據。

紗嘴動作圖的存儲方式同上，整個數據文件先存放結構意匠圖壓縮數據，再存放紗嘴動作圖壓縮數據。

數據壓縮完成后，出于安全性考慮，對數據進行加密處理。由于數據最終在無縫針織內衣機電腦控制系統中執行，一般系統處理速度、內存空間有限，因此需要采用一種時間、空間復雜度都不高的加密算法。本文所采用的算法是結合私鑰、隨機數的加密算法。通信兩端設備各擁有同一組私鑰。加密時，由系統產生一組隨機數，使用這組隨機數對文件進行異或運算，并將該組隨機數使用私鑰通過特定算法加密，加密后的數據同文件密文一同傳輸。解密時，先讀取文件中被加密的隨機數，通過本地擁有的私鑰解密后得一組數，這組數即為加密時使用的隨機數。使用這組數對文件進行異或運算，則得到文件明文。這種加密算法占用內存空間小，運算速度快，可以滿足運行環境的要求。

3.2 繪圖信息的解析

在設置顏色配置文件參數時，用戶可根據設備的選針器、紗嘴配置的實際情況進行設置，這使得花型繪制程序具有良好的可拓展性。此外，顏色配置文件中還對在結構意匠圖和紗嘴動作圖中可用的每個顏色進行配置，可設定每個顏色對應若干個選針器及紗嘴的動作。

一般情況下，無縫針織內衣機多為8路，每路最多可配備2個選針器及8個紗嘴。在使用標準顏色配置文件時，結構意匠圖中有黑、綠、紅、黃4種顏色可用。這4種顏色中，每種顏色都包含8路的16個選針器，且每路動作相同，第1、第2選針器的動作分別為：FB=[1 1]T，FG=[1 0]T，FR=[0 1]T，FY=[0 0]T，其中0為出針，1為不出針，第1行為每路的第1選針器，第2行為每路的第2選針器。以上這種顏色與每路選針器動作的關系可以用一個矩陣來表示，即顏色配置矩陣為

編織花型中某一橫列時，與每一針的色號相對應，有4種選針器動作情況。假設4種情況編號分別為S1、S2、S3、S4，分別對應色號1、2、3、4。本文對圖4中的第3行進行選針器動作分析，結果如表2所示。

表2 選針器動作情況表Tab.2 Acutator action

注：表中0表示不屬于這種情況，1表示屬于這種情況。

由表2可看出，每針僅對應一種選針情況，這也與實際相符。每針的選針情況可以用1個4維列向量來表示，Pj=[p1p2p3p4]T，其中當i=色號時，pi=1，否則pi=0。

用pj代替D3中各元素，得到第3行的選針動作情況矩陣：

選針數據用來表示選針循環中針筒每轉過1個針距各個成圈系統的選針動作，而每個成圈系統負責花型中1行的編織，所以對應圖4中第3行圖形的第3路成圈系統的選針數據矩陣可表示為

式中第1行是第1選針器動作，第2行是第2選針器動作。

以此類推，可得到整個花型的選針動作情況矩陣T=[T1,T2,…,TH]T，該矩陣為4H×W維矩陣。最終得到選針數據矩陣A=F×T，為2H×W維度矩陣。每2行對應1路選針器的第1選針器、第2選針器。至此，選針信息解析完畢。

紗嘴動作的解析過程與選針信息的解析過程類似。

4 鏈條動作數據準備

鏈條動作文件包含一系列動作指令，這些指令使設備可以完成不同的編織任務，編織出不同的織物。圖5示出本文所設計的鏈條動作文件結構圖。

根據無縫針織內衣機的設備特點、工藝要求，鏈條動作文件設計可分為2部分：第1部分是文件頭，包含設備的各種基本參數，如機器類型、針筒直徑、總針數、選針級數、哈夫針類型、油路數、加油參數設置、密度電機零位等，可以根據實際設備情況設置；第2部分是動作指令集，包含塊信息、步信息、動作信息三級結構，存儲設備動作指令。

塊信息為鏈條文件的第1層次結構。塊信息包括：功能代碼，用來區分一塊中數據的內容，包括起始塊、設備信息塊、動作信息塊、步分區信息塊等；上級塊信息功能代碼；本塊信息條數；步信息動態鏈表。

步信息為鏈條文件中第2層次結構，1步對應針筒旋轉1周。步信息包括：步號；本條信息的總字節數；一個動作信息動態鏈表，用來存儲一步中的具體指令信息。

動作信息為鏈條文件中最底層的結構，一個動作信息即為一條動作指令。動作信息包括：動作指令的類別標志，動作指令按照功能大體分為13類，包含循環指令、速度指令、氣閥指令、位置指令、紗嘴指令、選針指令、花型指令、功能指令、特殊功能指令等，本條指令執行所必要的參數。

整個鏈條文件先存儲頭文件信息，再由頭文件中指定的鏈條動作正文在文件中的初始地址開始存儲起始塊信息，然后按照整個文件的組織結構依次存儲。

5 結 語

本文根據無縫針織內衣機的工作原理，綜合參考其他的針織花型數據準備系統，設計了無縫針織內衣機花型動作準備系統。從軟件開發的角度分析了花型動作準備系統的功能及軟件結構；從工藝的角度提出了花型解析的數學描述、顏色表示的結構意匠圖、紗嘴動作圖的解析方法；從數據結構的角度描述了鏈條動作文件的存儲方式，從數據安全的角度提出了數據壓縮、加密算法。本文系統生成的花型、鏈條動作文件經上機測試，數據解析速度快、安全可靠，所編織的無縫內衣織物符合工藝要求，與設計預期一致，能夠很好地滿足生產要求。

FZXB

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Pattern preparation system of seamless underwear knitting machine and data security

RU Xin, SHI Weimin, PENG Laihu, LIU Yisheng, XIANG Zhong

(Key Laboratory of Modern Textile Machinery & Technology of Zhejiang Province, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China)

Imported pattern system almost has monopolized the pattern preparation technology of seamless underwear knitting machine through data encryption. In order to meet the requirement of domestic underwear design and manufacture, a system including pattern and action preparation for underwear knitting machine is designed, and a compression algorithm, an encryption algorithm and data analysis are used in this system for solving the problems of data security and space using. The pattern preparation system is divided into a pattern design subsystem and a chain action subsystem. In pattern subsystem, a bitmap similar to structure diagram shows the structure of knitting fabric, and a yarn finger bitmap shows the movement of yarn finger. In chain action subsystem, a series of data structures is designed according to the knitting technology and process of machine actions to express the data of chain action file. It is verified that the system is convenient, fast and efficient for design of underwear knitting. And the data file is space-saving, safe and reliable transmission.

underwear knitting machine; data analysis; compression algorithm； encryption algorithm

10.13475/j.fzxb.20150901306

2015-09-07

2016-08-08

國家自然科學基金青年基金項目(51205362)；國家科技支撐計劃項目(2014BAF06B03，2013BAF05B00)

汝欣(1989—)，女，博士生。主要研究方向為紡織機械CAD、智能紡織裝備技術。彭來湖，通信作者，E-mail：laihup@zstu.edu.cn。

TP 311；TS 184.5

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