基于遺傳算法的高溫防護服最優厚度求解

吳銘涇

摘 要：高溫環境專用服裝的設計，以及服裝的隔熱效果是一個十分值得關注的問題， 較低成本且有效地解決專用服裝的設計，對高溫工作環境的行業有很大的意義。為實現專用服裝最優化的設計，本文在已知模型的基礎上求解特定層的最優厚度。利用遺傳算法，結將所求材料的定值厚度轉化自變量，將假人皮膚外側溫度轉化為因變量，在滿足特定要求的假人皮膚外側溫度條件下，對所要求的范圍內織物材料厚度進行特定步長從小變大逐一求解，最終找出符合條件的最優化的織物材料厚度。

關鍵詞：高溫防護服; 最優化;遺傳算法

引言

高溫環境給工作人員帶來了過量的熱負荷，是身心健康和生命安全的嚴重威脅。專用服裝作為高溫防護的重要手段之一，在高溫工作環境中的作用備受關注。因此，專用服裝的設計對改善高溫工作環境有著重大意義。

1. 遺傳算法模型優化

本文利用遺傳算法對已知模型進行優化，求出符合條件的情況下最優的材料厚度。

通過轉化II層的定值為自變量，并添加目標函數的輸出量。由于遺傳算法要求輸出變量的值為 0，因此將設置輸出量為溫度分布的最終結果與 47oC 相減的差值，并利用 MATLAB 中的 optimtool 工具箱進行遺傳算法優化。

在滿足假人皮膚外側溫度不超過 47oC 的條件下，優化時遺傳算法將執行循環流程，程序會不斷改變自變量，直至遺傳算法檢測至輸出量足夠接近 0，此時遺傳算法則可以得到，滿足假人皮膚外側溫度不超過 47oC 的條件下，II 層材料的最優厚度。

針對另外一個假人皮膚外側溫度條件下，即超過 44oC 的時間不超過 5 分鐘，由于模型考慮服裝內的溫度不會下降，因此可以將目標函數內的時間參數值從 60 分鐘改為 55 分鐘，并且要求 55 分鐘時的溫度不超過 45 度，即不會超過 45 度的時間不超過 5 分鐘。

模型求解時，將第二層厚度作為自變量，算法輸出值為 55分鐘時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度的時間不超過 5分鐘并且整個一小時內皮膚溫度均未超過 47 度。

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

2 .多變量最優化

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，最終試錯成功，達到所需要求解的定值。本小節求解與上節的不同之處在于，上節所設定的輸入變量為單一變量， 而本小節所設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相同，對最優解的求解過程也類似，但由于有兩個自變量，所以算法中有兩個循環結構，根據兩個循環先后的不同，會分別得到兩個結果：在第二層厚度盡量小的情況下的最優解與在第四層厚度盡量小的最優解。在第二層材料厚度盡量小的前提下，最終的計算結果分別為 18.3mm和6.2mm。在第四層材料厚度盡量小的前提下，最終計算結果分別為18.7mm 和 0.8mm。

結論：

本文中考慮了 3 層專用服裝及空氣層的非穩態傳導過程，運用數值解法得出了溫度的分布情況，運用最優化模型求得了最優化解， 但在整個模型中，還有一些可以推廣的部分。本次模型中，只考慮了熱的傳導過程，忽略了對流傳熱、熱輻射能傳熱形式及環境濕度、風速等多方面的影響， 可將模型進行推廣，將上述影響都考慮在內，使模型結果更加精確。

參考文獻：

[1]李紅彥;孫成勛;朱寶余;蘇 云.夏季高溫環境戶外作業服的熱功能設計方法[J].2016.

[2]盧琳珍;徐定華;徐映紅.應用三層熱防護服熱傳遞改進模型的皮膚燒傷度預測[J].2018.