基于主成分分析法的聚酯纖維質量綜合評價研究

＊張家源 楊慧芳 李劍鋒* 錢朋超

（1.中國計量大學經濟與管理學院 浙江 310018 2.新鳳鳴集團 研究院 質量管理部 浙江 313021）

近年來，越來越多的學者對聚酯纖維等紡織行業相關的產品質量進行了評價研究，并采取了不同的方法提高產品質量。周玲等[1]基于ELM算法填補了聚酯纖維紡絲聚合過程中產生的缺失數據，實現了數據質量的提高。張明光、于學智等人[2]以紗線條干和單紗強力作為判定滌綸紗質量的指標，并分別探討了加裝鋸齒分梳板和梳針分梳板對棉梳機生產滌綸紗質量的影響。呂雷、劉波等[3]通過聚酯熔體直接紡絲，并采取更換噴絲板、延遲環厚度等工藝優化措施，提高了滌綸短纖維在斷裂強度變異系數、斷裂伸長率變異系數、產品質量均勻性等方面的表現。陳軍、陸雨薇等[4]通過實驗證明生產中粗紗喂入方式不同，通過技術創新解決了兩根須條簽伸過程中重疊的問題。李楨、張勇等[5]將廢舊滌綸短纖維和楊絮纖維共混，然后采用正交試驗探究纖維質量比、滌綸短纖維和纖維氈面密度對纖維氈保溫性能的影響。姚晨筱、陳蘊智等[6]在數字噴墨方式的基礎上，往預處理液中加入T-MFC從而提高織物表面印花效果。陳玉峰等[7]針對清梳聯靜電纏繞和染色織物布面起橫檔疵點兩大典型質量問題，提出了控制纖維油劑含量、充分加濕、開清工序中增加多倉混合、增加并條道數等解決措施。

如上所述，許多學者均致力于研究提高聚酯纖維質量，并從多方面給出了有效建議。然而，對于如何客觀全面的量化評價聚酯纖維產品質量，這一方面仍有空白。因此，本研究針對聚酯纖維企業對產品質量綜合評價存在的問題，以聚酯纖維產品質量的標準為評判基礎，基于主成分分析法構建聚酯纖維綜合質量評價模型，構建一個完整的聚酯纖維綜合質量評價體系。

1.關鍵質量指標分析

（1）關鍵質量指標特征概述。紗線的質量控制[8]是紡織生產當中的重要環節，紗線質量的好壞直接影響后面各道加工工序的進行，進而對最后產品的質量造成影響。根據聚酯纖維的質量要求、企業對聚酯纖維產品質量的評判標準以及關鍵指標對聚酯纖維質量的影響，選取8個具有代表性的質量指標作為處理對象。8個關鍵質量指標體見表1。

表1 聚酯纖維產品關鍵質量指標

（2）關鍵質量指標值特性分析。在做綜合評價時，越大越好的正向指標，稱之為望大目標，越小越好的逆向指標，稱之為望小目標。因此在確定綜合指數的目標值時，必須將目標做趨同化處理。

在對上述8個主要質量指標的特性和實際意義進行分析后可得，若不考慮特殊的質量要求，在一般情況下，X1、X2、X3、X5、X6、X7這6個指標越大，聚酯纖維質量越好，故它們是望大目標；而X4，X8這兩個指標越小，聚酯纖維質量越好，故它們是望小目標。因此在數據分析前，先對數據進行標準化處理，再根據聚酯纖維質量指標是望大目標還是望小目標這一趨勢進行趨同化處理，以提高實驗結果的準確性。

2.質量綜合評價模型構建

（1）數據收集與預處理。①數據收集。本次實驗數據選取了某聚酯纖維企業2020年ZCP05裝置生產的聚酯纖維產品的生產數據，隨機抽取規格為55dtex/144FD的聚酯纖維數據共30條，其中批號ED08003和ED60001的月生產數據各15條，分為兩組。試驗數據如表2，表3所示。

表2 ED08003試驗數據

表3 ED6001試驗數據

②數據預處理及理論分析。利用主成分分析法和數理統計原理[10]，對聚酯纖維的8個關鍵質量指標進行數據處理和分析，首先檢驗各指標之間的相關性，其次通過主成分分析法找出最能反映聚酯纖維產品質量的幾個綜合指標。由于各指標的數據度量不同，為了提高實驗結果的準確性，先對測試數據進行標準化處理。同時也需判斷出指標是望大指標還是望小指標，數據分析過程利用SPSS軟件實現。

③指標間相關性矩陣的確定與分析。韓晟，韓堅舟等[11]將標準化后的數據記為矩陣Y，通過SPSS軟件計算各質量指標間Pearson相關系數，得到相關系數矩陣R。一般認為，相關系數大于0.7則說明兩個變量之間呈強相關，相關系數介于0.7和0.3則說明呈弱相關性，若相關系數小于0.3則可認為彼此是相互獨立的。由計算可知，8個變量之間可以看作是相互獨立的。

（2）聚酯纖維質量評價模型。主成分分析得出的具有關聯性的指標排列組合成新的一組指標模型如下：

式中：Fi為所求得的第i個綜合指標；p為原來的指標個數。為使組合是一切線性組合中方差最大的，系數a1i，a2，,…，api需滿足。

①計算方差貢獻率

運用SPSS軟件分析求出各個主成分的方差貢獻率，前兩個特征值的累積貢獻率已達到88.289%，所以可認為前兩個主成分基本能夠包含所測量指標的信息。

②求出成分矩陣

根據上述分析可以確定兩個主成分。

③確定主成分表達式

由上述分析得各個公因子與標準化的原指標之間的表達式為：

對于第1主成分F1，其中X1、X2、X3、X5、X6，X7的系數較大，即斷裂強度，斷裂伸長率，含油率，網絡度，卷曲收縮率，卷曲穩定度這6個指標起主要作用。聚酯纖維產品的綜合質量情況經過6個指標的綜合考慮，發現聚酯纖維的質量性能集中體現在主成分F1中，可將其稱作質量性能因素；聚酯纖維的質量穩定性能受沸水收縮率和殘余扭矩二次平均值兩個指標影響較大，即第2主成分F2中X4、X8系數較大，可稱為穩定性能因素。

由于在一般情況下，X1、X2、X3、X5、X6、X7這6個指標越大，聚酯纖維質量越好，是望大目標；而X4，X8這兩個指標越小，聚酯纖維質量越好，是望小目標。綜上所述，在本例中，F1越大越好，F2越小越好。

3.模型應用與結果驗證

（1）質量綜合評價模型應用。經分析，聚酯纖維的質量狀況可以由主成分指標F1、F2綜合反映。同時，從聚酯纖維產品的生產原理和聚酯產品的實際使用情況來看，盡可能增加F1，減少F2，可以提高聚酯纖維制品的綜合質量。根據這一結果，本實驗將用F1、F2對隨機抽取的1號、14號、17號、22號聚酯纖維數據樣本進行綜合質量評價。從評價結果可看出，若從紗線的質量性能考慮，樣本質量的高低順序為17號、22號、14號、1號；若從紗線的質量穩定性能考慮，樣本質量的高低順序為17號、22號、14號、1號。盡管其他紗線的質量情況需要根據實際情況綜合考慮，但17號紗線的質量可以認為是最高的在綜合考慮紗線質量和穩定性的情況下。

①樣本實驗結果。經過計算30條樣本的結果即：1～15號樣本為批號ED08003的樣本數據，16～30號樣本為ED60001的樣本數據。②建立聚酯纖維綜合質量評價坐標系。對多個樣本進行綜合質量評定時，先分別計算出F1和F2的值并描點。取規格相同，兩個批號不同的數據各15條，1～15號樣本為批號ED08003的樣本數據，16～30號樣本為ED60001的樣本數據，記30個編號的坐標表示為（x,y）=（F1,F2）。結果如圖1所示。

圖1 聚酯纖維綜合質量評價坐標系

由圖1可知，16～30號數據的橫坐標F1較大，縱坐標F2更小。整體上，相較于ED08003的15條樣本數據，批號ED60001的綜合質量更好一些。其中，15號樣本數據明顯偏離樣本群，其主成分F2的數值偏高，說明15號樣本的質量性能較差一些。若對每條樣本數據都進行評價，則根據坐標系可得，在30條樣本數據中，17號和22號樣本的綜合質量最好，15號最差。

當紗線樣本較多時，整個評定工作的智能化和便捷化可以通過模型計算來實現F1和F2的計算、坐標系的建立、紗線編號的標定以及評價結果分析。

（2）結果驗證。為驗證實驗的準確性，采用企業后期采集的M率作為驗證依據。染色M率（合格率）是提高產品質量的關鍵因素，主要反映聚酯纖維的染色均勻度[12]，是檢驗聚酯纖維質量的最重要指標之一，染色M率越高，說明聚酯纖維產品的質量越好。隨機抽取的批號為ED08003的15條數據中，無M率為100%的樣本數據，且存在多條M率為95.61%、96.83%的樣本，數值相較于其他樣本偏低。在隨機抽取的批號為ED60001的15條數據中，有8條樣本的M率為100%。ED08003的M率平均值為98.46%，ED60001的M率平均值為99.28%，所以從側面可以驗證，在質量合格的基礎上，ED6001的綜合質量更好一些。

4.結論

本文對聚酯纖維產品進行綜合質量評價，運用相關分析方法研究其主要質量指標的相互關系，指導企業優化生產工藝，并加以完善，最終提高企業生產效益。