本發(fā)明涉及一種配棉工藝的控制裝置，具體涉及一種基于專家系統(tǒng)的手持式配棉裝置及其工作流程。

背景技術(shù)：

紡織企業(yè)的配棉工作是紗線生產(chǎn)的前端關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受行業(yè)專家知識的限制和配棉工作本身復雜性的影響，導致目前紡織企業(yè)的配棉方式主要有兩種：一是人工經(jīng)驗配棉；二是計算機自動配棉。前者配棉質(zhì)量取決于專家的知識和經(jīng)驗，手工計算量大，穩(wěn)定性較差，且難以大面積推廣；后者配棉質(zhì)量整體有所提升，但需要專業(yè)的軟硬件平臺和專人操作，投資較大。另外，在工廠生產(chǎn)計劃和外出采購環(huán)節(jié)，需要在現(xiàn)場對指定原棉進行配比，了解配棉品質(zhì)指標，達到盡可能精確選棉和降低成本的目的，因此，現(xiàn)有的配棉工作無論是在配棉的工作效率、配棉的質(zhì)量和工作的便捷性方面來說，都存在諸多問題，影響了企業(yè)的經(jīng)濟效率和競爭力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是在于克服人工配棉的不足和專用配棉平臺投資大的缺點，設計一種手持式的配棉裝置，方便中小型紡織企業(yè)自動配棉的大面積推廣，同時也可以作為大型企業(yè)在自動配棉工作方面的一種支持輔助手段，為現(xiàn)場的配棉工藝設計和采購活動提供便捷的技術(shù)支持，本發(fā)明既能指導技術(shù)人員對候選棉和庫存棉作出更合理的選擇，有效降低配棉成本，為配棉的工藝設計提供新的方法和技術(shù)參考；同時本發(fā)明操作方便，降低使用人員的專業(yè)知識要求，還能協(xié)助采購人員精準采購原棉，降低原料成本。具有成本低、操作方便、精度高、適應性強等特點。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種基于專家系統(tǒng)的手持式配棉裝置，包括：

核心處理單元，該單元采用專家系統(tǒng)核心模塊，由嵌入式微控制器、存儲單元及外圍電路組成，并控制usb通信單元、輸入輸出模塊、供電單元和接口電路；

usb通信單元，與所述核心處理單元連接，由usb通信芯片及其控制電路組成，運行usb2.0協(xié)議，通過usb接口下載外圍存儲設備中的原棉hvi數(shù)據(jù)，當經(jīng)專家系統(tǒng)生成的配棉結(jié)果也可通過該usb接口保存在外圍存儲設備中；

輸入模塊，與所述核心處理單元連接，由矩陣鍵盤及其控制電路組成，用來接收配棉權(quán)重、配棉的主體成分、混棉品質(zhì)指標的輸入和推理機所涉及算法相關(guān)參數(shù)的輸入；

顯示單元，與所述核心處理單元連接，由帶漢字字庫功能的液晶顯示器及其控制電路組成，用以顯示批棉配比和配棉成本以及配棉過程中各輸入數(shù)據(jù)和設定參數(shù)的顯示；

供電單元，與所述核心處理單元連接，同時提供內(nèi)置鋰電池或外接12v直流電供電，鋰電池選用輕薄可充電聚合物鋰電池，容量為3000～4000mah，可保障裝置連續(xù)工作12小時的需要，支持系統(tǒng)休眠模式，為本發(fā)明手持設備提供電源。

進一步的，所述專家系統(tǒng)包括推理機、知識庫和配棉規(guī)則庫，其中推理機和配棉規(guī)則庫都基于知識庫而建立，推理機是配棉問題求解的核心執(zhí)行機構(gòu)，它是按照配棉模型求解算法和配棉知識進行解釋執(zhí)行的程序，并把計算結(jié)果記錄到知識庫并輸出到顯示單元；知識庫是存放配棉專家的知識，也承擔綜合數(shù)據(jù)庫的角色，用于存儲推理機所需的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)論；配棉規(guī)則庫是根據(jù)知識庫為應對不同配棉要求而事先提取的規(guī)則集，用于推理機快速選擇推理依據(jù)和知識，生成配棉結(jié)果。

進一步的，所述推理機是利用專家系統(tǒng)的原理，將專家的有效經(jīng)驗和專門知識，結(jié)合配棉工作要求，建立配棉目標函數(shù)，然后利用計算機強大的計算功能和遺傳算法的魯棒性和全局性的特點，對目標函數(shù)進行求解，最終得到配棉結(jié)果，其中配棉目標函數(shù)為：

上述公式(1)的目標函數(shù)采用成本最小函數(shù)表達式，式中的pi為第i種原棉的價格；xi為第i種原棉在配棉中所占的比重；n為不同批次原棉的種類數(shù)；

在利用遺傳算法進行求解的過程中，為監(jiān)控種群進化收斂程度，并提高算法的效率，必須設置合適的收斂終止條件，在種群進化過程中,當部分最優(yōu)個體適應度的變化小于某一確定的臨界值e時，通過下式(2)來決定收斂終止：

上式(2)中：s是精英策略中前10％最優(yōu)個體的大??；y為最優(yōu)個體的適應度；e是這些最優(yōu)個體收斂的臨界值，e的經(jīng)驗取值為[5×10^-6，5×10^-5]。

進一步的，所述知識庫包括配棉約束知識庫、配棉歷史工藝單知識庫、配棉失敗知識庫、對象參數(shù)知識庫、語義表達知識庫庫。

進一步的，所述配棉規(guī)則庫由知識庫提取而來，包括一次配棉要滿足的規(guī)則：各批棉占比之和為1，各批棉比重的上限和下限值，混棉主體成分要小于指定值，混棉的各項品質(zhì)指標包括短絨率、斷裂比強度、馬克隆值和黃度要在指定的區(qū)間值內(nèi)。

本發(fā)明還公開了上述一種基于專家系統(tǒng)的手持式配棉裝置的工作流程，包括如下步驟：

(1)通過usb通信接口讀取候選原棉的hvi基本數(shù)據(jù)(如短絨率、斷裂比強度、馬克隆值、黃度、雜質(zhì)和價格)；

(2)通過輸入模塊對本次配棉的對象參數(shù)進行初始化，包括設定各批棉混用上限、主體成分、混棉的品質(zhì)指標及算法參數(shù)(本發(fā)明配棉模型采用遺傳算法進行求解，基本參數(shù)有種群大小s、最大遺傳代數(shù)t、交叉系數(shù)pc、編譯系數(shù)pm和收斂臨界值e)；

(3)啟動推理機，遵循知識庫的規(guī)則和配棉規(guī)則庫的約束條件，進行模型求解，計算批棉配比包數(shù)、配棉成本和混棉技術(shù)指標，將配棉結(jié)果在顯示單元上予以顯示，并將帶有編號的配棉工藝單存儲在知識庫中；

(4)由于每次求解時批棉配比包數(shù)的初始種群是隨機生成的，進行遺傳迭代后，所輸出的最優(yōu)解并不是唯一的(略有差異)，因此，建議進行多次(如5次)求解，按配棉實際技術(shù)要求取成本最小值或平均值作為最終配棉工藝數(shù)據(jù)；

(5)如果求解失敗，則按照配棉失敗知識庫的提示信息，對批棉權(quán)重、主體成分的輸入?yún)?shù)進行修正，重復步驟(2)、(3)、(4)，直至有最終計算結(jié)果輸出。因為不合理的嚴苛的輸入?yún)?shù)約束或不合理的原棉品質(zhì)都可能導致求解失敗，所以要注意輸入?yún)?shù)和原棉的合理性。建議在實際操作中參考歷史配棉工藝單，在此基礎上進行對比修改，提高配棉效率；

(6)配棉計算結(jié)果以帶有編號的工藝單形式保存在存儲單元中，也可以通過ubs接口導出到外存儲設備中，為靈活降低庫存原棉，或重點考慮混棉的某一質(zhì)量指標要求，在滿足配棉成本的前提下，建議對配棉工藝單進行合理取舍。

有益效果：

(1)該裝置克服了人工配棉的不足和專用自動配棉平臺投資大的缺點，解決了傳統(tǒng)人工配棉速度慢、質(zhì)量不穩(wěn)定和成本控制不精確等問題，對操作人員的專業(yè)知識要求較低，可有效降低配棉人工成本；

(2)相關(guān)文獻和實驗已證明，利用基于專家知識的推理機并結(jié)合配棉模型及遺傳算法能有效完成自動配棉工作，特別適用于中小型紡織企業(yè)紗線的小批量、多品種和個性化生產(chǎn)；

(3)該裝置不受其它設備和環(huán)境的限制，攜帶方便，能在現(xiàn)場對用戶的混棉質(zhì)量要求作出較快的響應，也可作為一種購棉的輔助工具，根據(jù)生產(chǎn)要求做到精確購棉，具有配棉效果好、成本低、操作方便、便于攜帶的特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的總體框架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的工作流程示意圖；

圖3為本發(fā)明的推理機結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的知識庫結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示的一種基于專家系統(tǒng)的手持式配棉裝置，包括：

核心處理單元，該單元運行專家系統(tǒng)，由嵌入式微控制器、存儲單元及外圍電路組成，并控制usb通信單元、輸入輸出模塊、供電單元和接口電路；專家系統(tǒng)由推理機、知識庫和配棉規(guī)則庫組成，微控制器采用高性能的stm32f103c8t6芯片作為核心處理單元，內(nèi)置高速存儲存儲單元(高達128k字節(jié)的閃存和20k字節(jié)的sram)，存儲單元中存有配棉的知識庫和推理機。

本裝置中的推理機結(jié)構(gòu)如圖3所示，該推理機是利用專家系統(tǒng)的原理，將專家的有效經(jīng)驗和專門知識，結(jié)合配棉工作要求，建立配棉目標函數(shù)，然后利用計算機強大的計算功能和遺傳算法的魯棒性和全局性的特點，對目標函數(shù)進行求解，最終得到配棉結(jié)果。其中配棉的目標函數(shù)為：

目標函數(shù)采用成本最小函數(shù)表達式，式中的pi為第i種原棉的價格；xi為第i種原棉在配棉中所占的比重；n為不同批次原棉的種類數(shù)。

在利用遺傳算法進行求解的過程中，為監(jiān)控種群進化收斂程度，并提高算法的效率，必須設置合適的收斂終止條件。在種群進化過程中,當部分最優(yōu)個體適應度的變化小于某一確定的臨界值e時，通過下式來決定收斂終止。

上式中：s是精英策略中前10％最優(yōu)個體的大小；y為最優(yōu)個體的適應度；e是這些最優(yōu)個體收斂的臨界值。我們在工作中經(jīng)過多次的實驗優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，e的經(jīng)驗取值推薦為[5×10^-6，5×10^-5]。

本裝置中的知識庫結(jié)構(gòu)如圖4所示：

知識庫包括批棉約束知識庫、歷史配棉工藝單知識庫、配棉失敗知識庫、對象參數(shù)知識庫和語義表達知識庫。配棉約束知識庫是指批棉所占權(quán)重上限和下限值、原棉主體成分約束值、混棉的各項品質(zhì)指標上限和下限值。歷史配棉工藝單知識庫是指曾經(jīng)成功配棉的工藝數(shù)據(jù)，可供下次配棉參考和借鑒。配棉失敗知識庫是指某次配棉失敗時，所提供的修正建議。對象參數(shù)知識庫是指原棉hvi(highvolumeinstrument，大容量棉花纖維測試儀)參數(shù)、混棉技術(shù)參數(shù)和配棉求解過程中配棉模型所需的參數(shù)值(本發(fā)明采用遺傳算法對配棉模型進行求解，參數(shù)值主要包括：種群大小、最大遺傳代數(shù)、交叉系數(shù)、變異系數(shù)和收斂臨界值，取值分別為：50、300、0.8、0.05、5×10^-5)，語義表達知識庫是利用計算機能接受和處理的符號來表達專家在配棉工作中所獲取的知識的知識庫。推理機包括配棉模型函數(shù)和用于目標函數(shù)求解的遺傳算法程序，通過對種群的不斷進化，找到既滿足混棉的價格最低，又滿足混棉技術(shù)要求的最優(yōu)個體群，從而完成配棉工作。

在啟動推理機進行計算前，利用對象參數(shù)知識庫對混棉要求和算法的基本參數(shù)進行設定，也可以利用歷史配棉工藝單知識庫選擇與本次配棉要求接近的歷史工藝單數(shù)據(jù)，快速完成推理機的初始化工作；批棉約束知識庫是推理機針對當前問題的條件或已知信息，要反復匹配規(guī)則和遵循約束條件的知識庫；配棉失敗知識庫用于針對配棉失敗的結(jié)果，提示相應的參考信息給工作人員進行修正的知識庫；語義表達知識庫是利用計算機能接受和處理的符號來表達專家在配棉工作中所獲取的知識的知識庫。

usb通信單元，與所述核心處理單元連接，由usb通信芯片及其控制電路組成，運行usb2.0協(xié)議，通過usb接口下載外圍存儲設備中的原棉hvi(highvolumeinstrument，大容量棉花纖維測試儀)數(shù)據(jù)，當經(jīng)專家系統(tǒng)生成的配棉結(jié)果也可通過該usb接口保存于外圍存儲設備中；

輸入模塊，與所述核心處理單元連接，由矩陣鍵盤及其控制電路組成，用來接收配棉權(quán)重、配棉的主體成分、混棉品質(zhì)指標的輸入和推理機所涉及算法相關(guān)參數(shù)的輸入；

顯示單元，與所述核心處理單元連接，由帶漢字字庫功能的液晶顯示器及其控制電路組成，用以顯示批棉配比(/包)和配棉成本以及配棉過程中各輸入數(shù)據(jù)和設定參數(shù)的顯示；

供電單元，與所述核心處理單元連接，同時提供內(nèi)置鋰電池或外接12v直流電供電，鋰電池選用輕薄可充電聚合物鋰電池，容量為3000～4000mah，可保障裝置連續(xù)工作12小時的需要，支持系統(tǒng)休眠模式，為本發(fā)明手持設備提供電源。

上述一種基于專家系統(tǒng)的手持式配棉裝置的工作流程如圖2所示，包括如下步驟：

(1)通過usb通信接口讀取候選原棉的hvi基本數(shù)據(jù)(如短絨率、斷裂比強度、馬克隆值、黃度、雜質(zhì)和價格)；

(2)通過輸入模塊對本次配棉的對象參數(shù)進行初始化，包括設定各批棉混用上限、主體成分、混棉的品質(zhì)指標及算法參數(shù)(本發(fā)明配棉模型采用遺傳算法進行求解，基本參數(shù)有種群大小s、最大遺傳代數(shù)t、交叉系數(shù)pc、編譯系數(shù)pm和收斂臨界值e)；

(3)啟動推理機，遵循知識庫的規(guī)則和配棉規(guī)則庫的約束條件，進行模型求解，計算批棉配比包數(shù)、配棉成本和混棉技術(shù)指標，將配棉結(jié)果在顯示單元上予以顯示，并將帶有編號的配棉工藝單存儲在知識庫中；

(4)由于每次求解時批棉配比包數(shù)的初始種群是隨機生成的，進行遺傳迭代后，所輸出的最優(yōu)解并不是唯一的，因此，建議進行多次(如5次)求解，最終的配棉工藝按實際技術(shù)要求取成本最小值或平均值作為最終結(jié)果；

(5)如果求解失敗，則按照配棉失敗知識庫的提示信息，對批棉權(quán)重、主體成分的輸入?yún)?shù)進行修正，重復步驟(2)、(3)、(4)，直至有最終計算結(jié)果輸出。因為不合理的嚴苛的輸入?yún)?shù)約束或不合理的原棉品質(zhì)都可能導致求解失敗，所以要注意輸入?yún)?shù)和原棉的合理性。建議在實際操作中參考歷史配棉工藝單，在此基礎上進行對比修改，提高配棉效率；

(6)配棉計算結(jié)果以帶有編號的工藝單形式保存在存儲單元中，也可以通過ubs接口導出到外存儲設備中，為靈活降低庫存原棉，或重點考慮混棉的某一質(zhì)量指標要求，在滿足配棉成本的前提下，建議對配棉工藝單進行合理取舍。

為更全面地理解本發(fā)明，舉配棉生產(chǎn)的其中一個例子作進一步說明：

1)客戶對混棉的生產(chǎn)要求?；烀薜闹饕焚|(zhì)指標要求見表1。

表1要求生產(chǎn)的混棉的主要品質(zhì)指標

備注：候選原棉6種，混用上限分別指1#～6#候選棉的混用上限值。

2)原棉的hvi數(shù)據(jù)見表2。

表2原棉hvi基本數(shù)據(jù)

3)利用本發(fā)明裝置進行配棉技術(shù)方案設計，具體操作如上述工作流程所述，操作后的結(jié)果按如表3、表4所示格式分頁顯示。

表3配棉技術(shù)方案計算結(jié)果

備注：x1～x6分別代表6種候選棉的配比。

表4配棉技術(shù)方案對應的混棉品質(zhì)指標

上述表3、表4是配棉的一次計算結(jié)果，正如前面本發(fā)明的工作流程的說明所述，操作人員可以針對本次配棉進行多次計算，在考慮去原棉庫存、控制產(chǎn)品質(zhì)量和混棉價格效益的基礎上，對多次的計算結(jié)果進行合理取舍，找到本次配棉的相對最優(yōu)工藝方案。

最后該裝置提示操作人員是否將本次配棉方案作為新的配棉工藝單保存在“知識庫”中，至此整個配棉操作結(jié)束。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。