環境濕度向棉包內部傳導特性研究

文/周萬懷 張雪東 梁后軍 劉從九 周 剛

1 引言

棉花是僅次于糧食的大宗農作物，也是重要的紡織原材料，還是重要的戰略物資，關系到國計民生。棉花儲備能夠緩解棉花供需矛盾，穩定棉花市場，對維護民生和保障戰略安全具有重要作用。近年來，我國的棉花庫存始終保持在高位震蕩，其中2010—2014年間，我國棉花庫存高速增長，由400萬噸左右大幅上升至1446萬噸左右，2015年開始國內棉花庫存逐步回落，近兩年維持在800萬噸上下。棉花在長期儲備期間，受外部環境和內部因素的影響時有霉變、陰燃等災害發生，如何預防棉花倉儲災害已經成為亟待解決的問題。

棉花纖維具有吸濕放熱的特性，在潮濕的環境條件下將加速棉花中微生物的生長和繁殖，微生物在生長和繁殖的過程中又不斷地釋放熱量，尤其是在高密度棉包內部本身與外界環境熱量交換不通暢，熱能蓄積、積溫升高，輕則導致單個棉包內部霉變，重則導致棉包陰燃，繼而給整個棉花倉庫帶來災難性后果。盡管棉花在庫存儲期間會有倒垛檢查程序，但因倒垛檢查過程耗時、費力、工作量巨大，通常倒垛頻次較低，這就導致棉包內部品質變異的現象時有發生。

目前，國內外研究的主要焦點在于棉花倉儲火災的預防方面，如：對棉花陰燃熱通量的研究，密度對棉花陰燃溫度的影響研究，樣本大小對陰燃特性的影響，不同濕度棉花熱分解過程的試驗分析和動力學計算，棉花的熱輻射引燃試驗等。以上研究多是針對棉花霉變和火災發生后的檢測研究，而對災害發生前的早期預警機理研究得較少。本文主要以標準I型棉包為研究對象，通過3D立體濕度監測網絡，實時監測樣品棉包所處的環境濕度與棉包內部濕度的變化狀況，初步探索實際存儲環境中環境濕度與棉包內部濕度的傳導特性。為進一步建立存儲環境下棉包內外濕度傳導模型，基于濕度變化實現棉包內部品質變異或陰燃等災害的早期預警提供新思路。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為標準I型棉包，其長、寬、高分別為（1.4±0.03）m、（0.53±0.01）m和（0.70±0.15）m，每個棉包的質量約為（227±10）kg。標準I型棉包使用液壓打包機逐層壓實，再用塑鋼帶、鐵絲等材料捆扎，最后使用純棉布袋、塑料包裝袋或其他材質的外包裝封裝而成，密度接近0.4t/m。為了盡可能反映出不同氣候環境下的棉花長期倉儲時的吸放濕特性，分別在我國棉花的主產區新疆的南疆、北疆地區以及具有典型內陸氣候特征的安徽省淮南市各選一個棉花倉儲庫，在每個庫隨機抽取3個近年生產的棉包進行為期半年的在線跟蹤監測。詳細監測點分布、試驗棉包基本信息見表1。

表1 試驗棉包分布及基本信息

2.2 布點位置選擇

為了能夠反映棉包內部不同位置受環境濕度影響的情況，沿棉包的L（長）、W（寬）和H（高）方向設計了3×2×5的三維立體監測網絡，用于監測棉包內部濕度變化規律，這些傳感器的布局情況如圖1B所示。另外還設置了第31號和第32號傳感器分別用于監測棉包取樣口濕度和外部儲存環境濕度。

圖1 溫濕度傳感器布局圖

其中，Y軸與Z軸構成棉包中切面，X軸為棉包長度方向的一端。沿X軸方向設置0cm和15cm 兩個深度層次，沿Y軸方向設置20cm、45cm和70cm 3個深度層次，沿Z軸方向設置15cm、25cm、35cm、45cm和55cm5個深度層次。根據長方體的對稱特性，按照以上方式布設的監測點能夠廣泛代表棉包內部其它各處的濕度。棉包內部各傳感器的坐標分布詳見表2。

表2 棉包內部溫濕度監測傳感器坐標

2.3 監測系統設計

設計了一種用于保護傳感器的艙體裝置，主艙體長40mm、外徑14mm、內徑9mm，艙體前端帶有的圓錐體，能夠有效降低置入傳感器時所受到的阻力，傳感器置于主艙體內，為了確保濕度順利傳導和交換，主艙體四周環繞設有6行×7列的孔洞，艙體尾部使用密封塞封堵，保護內部電路板不受擠壓；為了便于按指定坐標位置向棉包內部布設傳感器，設計了一套包括定位、旋壓和推進等機構組成的專用傳感器置入裝置。此外，還設計了濕度在線監測與數據傳輸系統，傳感器在單片機的控制下監測濕度，通過RS485總線將數據傳輸到采集器，再通過無線裝置將數據傳輸到服務器，通過Web端可以實時查看服務器上存儲的監測數據。

3 結果與討論

3.1 環境濕度變化趨勢

由于在各監測點的測試棉包均集中堆放，它們所處的環境濕度極為相近，因此在后續分析中將每個監測點的3個樣品棉包的環境濕度視為統一的環境濕度，由各監測點的3個棉包的32號傳感器所監測的濕度取平均求得，據此得出庫爾勒、博樂和淮南3個監測點的環境濕度變化趨勢如圖2所示。

圖2 各監測點環境濕度變化趨勢

由圖2大致可以看出3個監測點的環境濕度均經歷了由低到高、再回落的趨勢。不同的是：首先，3個監測點的環境濕度高低存在顯著差異，位于中東部的淮南監測點環境濕度明顯高于西北內陸的庫爾勒和博樂監測點的環境濕度，即使同在西北內陸的庫爾勒和博樂監測點環境濕度相差也非常巨大；其次，不同監測點的環境濕度在變化趨勢上有一定差異，可以看出位于中東部的淮南監測點環境濕度從10月份開始監測時持續上升，直至次年2月份環境濕度到達高位并保持在高位震蕩，而庫爾勒監測點的環境濕度在1月中旬達到最高，隨后明顯回落。各監測點環境濕度的最大值、最小值、平均值和四分位數等基本統計量見圖3。可以看出3個監測點的環境濕度分布區間呈現高、中、低3個檔次，均無任何超出[Q1-1.5×IQR ，Q3+1.5×IQR]范圍的異常數據（Q3為上四分位數，Q1為下四分位數，IQR=Q3-Q1為四分位間距）。

圖3 環境濕度基本統計量

3.2 棉包內外濕度總體相關性分析

圖4展示了各傳感器監測的濕度與環境濕度的基本變化趨勢。由該趨勢圖可以看出：一方面，對于環境濕度較低的庫爾勒和博樂而言，環境濕度與棉包內部濕度的變化趨勢差異大，而對于環境濕度較高的淮南而言，環境濕度與棉包內部濕度的變化趨勢相似度較高；另一方面，棉包內部各傳感器監測濕度的變化趨勢相似度均較高。對棉包內外濕度相關性分析結果顯示3個監測點環境濕度與棉包內部濕度的平均相關系數r分別為0.083、0.126和0.534，顯然庫爾勒和博樂監測點棉包內外濕度無明顯相關性，淮南監測點棉包內外濕度呈現強線性相關；對棉包內部各傳感器監測濕度相關性分析結果顯示，平均相關系數r分別為0.694、0.872和0.928，均為強線性相關。以上分析結果表明，當環境濕度較低時，棉包以內部濕度平衡和傳導為主，受環境濕度影響較小；而當環境濕度較大時，環境濕度對棉包內部濕度的影響開始顯現，棉包濕度平衡受內部濕度和環境濕度的雙重影響。由于本文主要研究環境濕度對棉包內部濕度的影響，因此后續分析將不再分析庫爾勒和博樂監測數據。

圖4 棉包內部各傳感器監測濕度與環境濕度的變化趨勢

3.3 基于深度的分層變化趨勢

假設濕度在棉包內部沿不同方向傳導特性均相同，則棉包表面或淺層處更容易受環境因素影響，相反棉包內部深處受環境因素影響較小。根據以上假設，首先按照傳感器到棉包表面深度，結合圖1和表2，將傳感器依次歸類到11.5cm、15cm、20cm、25cm和26.5cm5個深度組別，詳細分組情況見表3。

表3 按到棉包表面最小距離的傳感器分組

圖5展示了該分組模式下淮南監測點棉包內外各組別濕度變化趨勢，宏觀上可以看出環境濕度與棉包內部各組別傳感器監測濕度整體趨勢具有一定的相似性，傳感器監測濕度曲線的拐點相較于環境濕度曲線拐點均有一定的時間延遲，這說明環境濕度影響了棉包內部的濕度。

圖5 按距離棉包表面最小距離分層溫度變化趨勢

對環境濕度與各組別傳感器監測棉包內部濕度進行相關性分析，結果如表4所示。可以看出位于11.5cm、15cm和20cm深度的第1、第2和第3組的內部濕度與環境濕度為強相關，位于25cm和26.5cm深度的第4和第5組的內部濕度與環境濕度為中度相關；然而，同時也可以看出第2和第3組的內部濕度與環境濕度的相關性明顯好于第1組內部濕度與環境濕度的相關性。由此可見，上述假設“濕度在棉包內部沿不同方向傳導特性均相同”不成立。分析其原因，主要因為棉花在打包過程中被分層壓實后再使用鐵絲或塑鋼帶等材料捆扎而成，這可能導致濕度在不同方向上的傳導特性產生了差異。因此，后續將從長、寬和高3個方向分析濕度在棉包內部的傳導特性。

表4 按到棉包表面最小距離組棉包內外濕度相關性分析結果

3.4 高（Z軸）方向濕度變化趨勢

以傳感器在Z軸方向上的深度為分組依據，將在Z軸方向上具有相同深度的傳感器歸為一組，每個組別傳感器所構成的平面均垂直于Z軸，按照上述規則可將傳感器分為15cm、25cm、35cm、45cm和55cm5個組別，結合圖2可知它們到棉包表面的最小距離分別為15cm、25cm、35cm、25cm和15cm，具體分組詳情見表5。該分組模式與I型棉包打包的過程相吻合，即沿Z軸方向不斷分組壓實而成。因此在該分組模式下可將棉包視為多個獨立的薄層堆疊而成的長方體，在物理結構上具有明顯的分層特性。

表5 Z軸方向5組傳感器分組

按上述方式對傳感器進行分組，將組內多個傳感器所監測的濕度均值作為相應分組的濕度，得出如圖6所示的棉包內部各組濕度的基本變化趨勢。可以看出：首先，棉包內外濕度的曲線具有大致相似的走勢，兩者具有一定的相關度；其次，棉包內部各組濕度相關性明顯好于環境濕度與棉包內部濕度的相關性；最后，環境棉包內外濕度存在顯著的時差特征，環境濕度曲線的各拐點與棉包內部濕度曲線相對應的拐點之間呈現規律性時滯，延遲一般在10天以內。

表6展示了該分組模式下棉包內外濕度的相關性分析結果。可見，位于Z軸方向15 cm（第1、5組）、25 cm（第2、4組）和35 cm（第3組）3個深度的棉包內部濕度與環境濕度的平均相關系數r分別為0.678、0.473和0.412，平均RMSE分別為4.451、5.724和6.478。這表明在高（Z軸）方向上，棉包內部濕度與環境濕度的相關度隨深度的增加而降低。

圖6 Z軸方向5組棉包內部濕度變化趨勢

表6 Z軸方向5組棉包內外濕度的相關性分析結果

進一步將X軸深度納入分組依據，對表5中所列分組進一步細分，例如：第1組中的1號、11號、21號傳感器和6號、16號、26號傳感器在Z軸上具有相同的深度，但它們在X軸上的深度不同，于是將它們進一步劃分為兩個組別，分別對應為第1和第2組，以此類推將表5中的5個組別拆分成10個組別。按上述分組方式分別計算各組濕度均值，得出了與圖6相似的棉包內部各組濕度的基本變化趨勢，此處不再贅述。相關性分析結果見表7，可以看出位于棉包外側的第1、2、4、6、8、9和10組的濕度與環境濕度的平均相關系數r為0.562、RMSE為5.255，而位于內側的第3、5和7組的濕度與環境濕度的平均相關系數r為0.498、RMSE為5.749。以上分析表明，在Z軸和X軸兩個方向上深度越淺棉包內外濕度相關性越好，反之深度越深棉包內外濕度相關性越差。

表7 X軸與Z軸方向10組棉包內外濕度相關性分析結果

3.5 長（Y軸）方向濕度變化趨勢

以傳感器在Y軸方向上的深度為分組依據，將在Y軸方向上具有相同深度的傳感器歸為一組，每個組別傳感器所構成的平面均垂直于Y軸，按照上述分組規則，可以將傳感器沿Y軸方向劃分為20cm、45cm和70cm3個深度組別，結合圖2可知它們到棉包表面的距離也分別為20cm、45cm和70cm，具體分組詳情見表8。在這個方向上棉花纖維呈現無規律的縱橫交錯，不再具有類似于3.4中的分層特性。

表8 Y軸方向3組傳感器分組

按上述分組方式計算各個組別的傳感器所監測的濕度均值，得出如圖7所示的棉包內外各組濕度變化基本趨勢，可以看出與圖6中的濕度變化趨勢基本類似，此處不再贅述。

圖7 Y軸方向3組濕度變化趨勢

表9展示了該分組模式下棉包內外濕度的相關性分析結果。可見，位于Y軸方向20cm（第1組）、45cm（第2組）和70cm（第3組）三個組別的棉包內外濕度的平均相關系數r分別為0.623、0.497和0.539，平均RMSE分別為4.731、5.944和5.297，顯然位于20cm深處的第1組傳感器監測濕度與環境濕度相關性最高，然而45cm深處的第2組傳感器監測濕度與環境濕度的相關度卻低于70cm深處的第3組傳感器監測濕度與環境濕度的相關度。

表9 Y軸方向3組棉包內外濕度相關性分析結果

進一步將X軸深度納入分組依據，對表8中所列分組進一步細分，如第1～5號傳感器和第6～10號傳感器在Y軸上具有相同的深度，但它們在X軸上的深度不同，于是將它們進一步劃分為兩個組別，分別對應為第1和第2組，以此類推將表8中的3個組別拆分成6個組別。按上述分組方式分別計算各組別濕度均值，得出了與圖7相似的棉包內部各組濕度的基本變化趨勢。相關性分析結果見表10，可以看出位于棉包外側的第2、4和6組的濕度與環境濕度的平均相關系數r為0.558、RMSE為5.255，而位于內側的第1、3和5組的濕度與環境濕度的平均相關系數r為0.541、RMSE為5.452，相關性差異較小。以上分析結果表明在長（Y軸）方向上，在較淺處時棉包內外濕度相關度與深度成反比，但隨著深度的增加，棉包內外濕度相關度受深度的影響逐漸減弱。

表10 Y軸與X軸方向6組棉包內外濕度相關性分析結果

3.6 寬（X軸）方向濕度變化趨勢

以傳感器在X軸方向上的深度為分組依據，將在X軸方向上具有相同深度的傳感器歸為一組，每個組別傳感器所構成的平面均垂直于X軸，按照上述規則可將傳感器分為0 cm和15 cm兩個組別，結合圖2可知它們到棉包表面的距離分別為26.5 cm和11.5 cm，具體分組詳情見表11。

表11 X軸方向3組傳感器分組

圖8展示了在該分組模式下棉包內外濕度變化趨勢。可以看出棉包內部兩組濕度的一致性較3.3～3.5節有所提升，宏觀變化趨勢方面與3.3～3.5節并無顯著差異，此處不再詳細分析。

圖8 X軸方向2組濕度變化趨勢

表12展示了該分組模式下棉包內外濕度的相關性分析結果。可見，位于X軸方向0 cm（第1組）和15 cm（第2組）兩組棉包內部濕度與環境濕度的平均相關系數r分別為0.553和0.561，平均RMSE分別為5.342和5.198，可以看出兩個深度的濕度與環境濕度均屬于強線性相關，且相關性差異非常小，分析其主要原因可能在于棉包沿X軸方向的縱深較淺，且沿X軸方向棉花纖維自然錯落，并不像沿Z軸方向一樣具有明顯的分組特征，從而導致在X軸方向上環境濕度能夠較好地傳導到棉包內部深處。

表12 X軸方向2組棉包內外濕度的相關性分析結果

4 結論

以上研究結果表明：首先，環境濕度較低時，棉包內部濕度受環境濕度影響較小，濕度平衡主要受棉包內部初始濕度的影響，環境濕度較高時，棉包內部濕度受環境濕度的影響得以體現。其次，到棉包表面距離小于20 cm時，環境濕度與棉包內部濕度的相關度較高，到棉包表面距離大于20 cm時，環境濕度對棉包內部濕度的影響逐漸減低。再次，環境濕度對棉包內部傳導具有一定的方向性，在高（Z軸）方向上，棉包內部濕度與環境濕度的相關度隨深度的增加而降低，棉包內外濕度相關度與深度成反比；在長（Y軸）方向上，在較淺處時棉包內外濕度相關度與深度成反比，但隨著深度的增加，棉包內外濕度相關度與深度不再成反比關系；在寬（X軸）方向上，由于整體跨度較小，棉包內部各處濕度均受到環境濕度的顯著影響，且深度對棉包內外濕度相關度的影響不大。本研究初步探索了環境濕度向棉包內部傳導的基本規律，不足之處在于長（Y軸）和寬（X軸）方向上的傳感器分層較少，無法建立環境濕度向棉包內部傳導的數學模型。