李曉峰，郁崇文

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620)

采用路徑分析方法定量分析影響棉紗強(qiáng)度的指標(biāo)

李曉峰，郁崇文

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620)

采用基于結(jié)構(gòu)方程模型的路徑分析方法，對(duì)棉紗強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行定量分析.研究了一定取值范圍內(nèi)棉纖維主體長(zhǎng)度、斷裂強(qiáng)度、線密度、馬克隆值、短絨率、基數(shù)這6項(xiàng)纖維性能指標(biāo)以及紗線線密度、捻度2項(xiàng)工藝指標(biāo)對(duì)紗線強(qiáng)度的綜合影響、直接影響及間接影響.通過分析發(fā)現(xiàn)，8個(gè)因素對(duì)棉紗強(qiáng)度影響的相關(guān)性都與定性分析所得結(jié)論一致.與定性分析相比，路徑分析對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)棉紗強(qiáng)度的直接與間接影響都給予了綜合的定量表達(dá)，可以從中發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)成紗強(qiáng)度直接與間接影響程度的高低，對(duì)成紗前配棉纖維性能以及相關(guān)工藝指標(biāo)的選取具有參考作用.

棉紗強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)方程模型；路徑分析；路徑系數(shù)；相關(guān)性分析

紗線強(qiáng)度是成紗質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，直接決定了紡紗效率、紗線和織物的后整理工序以及織物的耐用性能，以及織造工序的順利進(jìn)行.紗線強(qiáng)度涉及的因素眾多，受到包含纖維性能、紡紗工藝和紡紗方法等多方面的制約[1].到目前為止，研究棉纖維各項(xiàng)性能與環(huán)錠紗強(qiáng)度之間關(guān)系的報(bào)導(dǎo)很多，其大多采用單嘜試紡方法，選擇各項(xiàng)性能基本接近、只有一項(xiàng)性能有明顯差異的幾種棉纖維，然后進(jìn)行相同工藝條件下單嘜試紡，研究具有差異的這項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)成紗強(qiáng)度的影響[1-2].部分文獻(xiàn)選取少數(shù)幾種不同取值范圍的棉纖維性能指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)定性分析其對(duì)紗線強(qiáng)度的影響[2-5].利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法研究多元變量之間的關(guān)系非常有效，然而在實(shí)際應(yīng)用中由于涉及的影響因素眾多，變量間又常常受到彼此的制約及共線性的影響，導(dǎo)致所建回歸模型的準(zhǔn)確度降低.在多元回歸分析方法中,只有在自變量彼此之間完全獨(dú)立的情況下,多元方程才能根據(jù)自變量的每單位變動(dòng)對(duì)因變量的凈影響作出可靠的估計(jì).為了減少自變量間高度相關(guān)性帶來的影響,本文利用結(jié)構(gòu)方程模型建立路徑分析,將各因素對(duì)紗線強(qiáng)度的影響分解為總影響、直接影響和間接影響，從而更清晰準(zhǔn)確地對(duì)各因素與紗線強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析.

1 影響紗線強(qiáng)度的因素

1.1 紗線強(qiáng)度的構(gòu)成

根據(jù)現(xiàn)有理論可知，紗線強(qiáng)度由兩部分構(gòu)成,一部分是斷裂纖維的強(qiáng)力之和,另一部分是滑脫纖維的滑動(dòng)摩擦力之和[1-3],即

P=Q+F

(1)

其中：P為紗線強(qiáng)度；Q為全部斷裂纖維所構(gòu)成可利用部分的強(qiáng)力；F為全部滑脫纖維所構(gòu)成的滑動(dòng)摩擦力.

1.2 成紗強(qiáng)度的影響因素

由式(1)可知,要提高紗線強(qiáng)度,需要同時(shí)考慮增加Q和F兩個(gè)不同性質(zhì)的受力，其中以增加Q為主.可以通過選取纖維的幾個(gè)相關(guān)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)Q的控制,主要包含以下幾點(diǎn)[1-3]：(1)棉纖維斷裂強(qiáng)度越高,成紗強(qiáng)度越高；(2)原棉短絨率越低、主體長(zhǎng)度越長(zhǎng)、基數(shù)(長(zhǎng)度整齊度)越大,成紗強(qiáng)度越高；(3)纖維越細(xì)，紗線截面纖維根數(shù)越多，纖維斷裂總根數(shù)增加，同時(shí)纖維間摩擦力也隨之變大，紗線強(qiáng)度越高；(4)馬克隆值過小、過大會(huì)通過影響纖維強(qiáng)力及紡紗性能,進(jìn)而影響到紗線的強(qiáng)度；(5)加捻捻度控制紗線同時(shí)斷裂纖維的根數(shù)以及纖維強(qiáng)力利用率高低.

2 基于結(jié)構(gòu)方程模型的路徑分析

2.1 結(jié)構(gòu)方程模型中的路徑分析與傳統(tǒng)復(fù)回歸分析

結(jié)構(gòu)方程模型中的路徑分析可以直接觀察分析變量間的因果關(guān)系以及變量間的相關(guān)關(guān)系.傳統(tǒng)的復(fù)回歸分析是單相關(guān)分析，只描述變量間的相關(guān)程度,不考慮變量間的因果關(guān)系.與復(fù)回歸分析相比，路徑分析除了可以同時(shí)處理多組回歸方程式的估計(jì)外，更重要的是對(duì)變量間的處理更加彈性.傳統(tǒng)的復(fù)回歸只探究路徑系數(shù)的影響是否達(dá)到顯著，無法就路徑分析的假設(shè)模型做整體契合度的檢驗(yàn)，也無法給出單個(gè)因子在多個(gè)影響因素共同作用下影響因變量程度的大小，并且無法確定這種判斷的合理性.基于結(jié)構(gòu)方程模型的路徑分析在一定程度上解決了這個(gè)問題[6].

2.2 路徑分析模型

路徑分析中，自變量對(duì)因變量的作用包含直接效果與間接效果,兩者之和稱為自變量對(duì)因變量影響的總效果.

標(biāo)準(zhǔn)化回歸分析模型如式(2)所示.

(2)

(i=1,2,…,p)

(3)

(4)

3 路徑分析在棉紗強(qiáng)度分析中的應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析工具

本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本來自邯鄲某廠，包括9.7，14.6，18.2，29.2和36.4tex這5種不同線密度的普梳紗線共100組數(shù)據(jù).每種試樣分別由多批纖維單項(xiàng)性能指標(biāo)在一定范圍內(nèi)變化的原棉紡成，并在一定范圍內(nèi)變動(dòng)捻度大小,各指標(biāo)取值范圍如表1所示.根據(jù)前文分析，選擇纖維的斷裂強(qiáng)度(A)、線密度(B)、主體長(zhǎng)度(C)、短絨率(D)、馬克隆值(E)、基數(shù)(F)6個(gè)原棉指標(biāo)以及紗線線密度(G)和捻度(H)2個(gè)工藝指標(biāo)共8個(gè)參數(shù)作為模型的自變量，紗線強(qiáng)度作為因變量.同時(shí)，根據(jù)路徑分析模型中的因果分析，將紗線線密度和捻度同時(shí)作為因變量與自變量存入路徑分析模型中.這是由于一方面紗線線密度以及捻度受到纖維性能的影響，另一方面又直接影響了紗線的斷裂強(qiáng)度.

表1 8種參數(shù)的取值范圍Table 1 Value range of 8parameters

本文使用統(tǒng)計(jì)軟件AMOS 17.0，在CPU為 2.3 GHz、內(nèi)存為2 GB、硬盤為32 GB、Windows XP操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行路徑圖的建立、分析與驗(yàn)證.

3.2 各影響因子對(duì)紗線強(qiáng)度影響的路徑分析

路徑分析的實(shí)現(xiàn)工具是路徑圖，路徑圖中采用一條帶箭頭的連線連接兩個(gè)變量，確定兩個(gè)變量間預(yù)先設(shè)定的關(guān)系，單箭頭連線表示兩個(gè)變量間存在因果關(guān)系，雙箭頭連線表示兩個(gè)變量間存在相關(guān)關(guān)系，雙箭頭表明變量間具有相關(guān)性，單箭頭代表變量間因果關(guān)系發(fā)生的方向，箭頭為果、箭尾為因.

AMOS操作系統(tǒng)可直接作出變量間的路徑圖，通過增列描繪或刪除箭頭符號(hào)可對(duì)路徑圖進(jìn)行修正.全部以圖標(biāo)來描繪路徑圖的假設(shè)模型并進(jìn)行參數(shù)估計(jì)是AMOS的一大特點(diǎn).在分析過程中，主要根據(jù)模型擬合程度的驗(yàn)證性指標(biāo)χ2值和顯著性水平P值對(duì)路徑分析模型進(jìn)行反復(fù)調(diào)試和檢驗(yàn)，只有當(dāng)χ2值盡量小，并且P>0.05時(shí)，模型的擬合效果才能達(dá)到一定的可信程度.

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)過不斷驗(yàn)證和重復(fù)試驗(yàn)，得到與實(shí)際情況相符合并且通過擬合度檢驗(yàn)的路徑圖如圖1所示.模型得出的χ2=13.228,P=0.153>0.05,說明該模型可信.在結(jié)構(gòu)方程模型檢驗(yàn)中，研究者所期望獲得的結(jié)果是“接受虛無假設(shè)”(不要拒絕虛無假設(shè))，因?yàn)橐粋€(gè)不顯著的檢驗(yàn)結(jié)果，表示虛無假設(shè)不應(yīng)被拒絕，則理論模型愈能契合實(shí)際數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，模型的適配度愈佳[6].

圖1 棉紗強(qiáng)度路徑分析圖Fig.1 Diagram of path analysis for cotton yarn intensity

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，棉纖維6個(gè)性能指標(biāo)之間用雙箭頭連接，表明其兩兩相關(guān)，但影響有強(qiáng)有弱，可以通過路徑圖直接觀察連線旁的相關(guān)系數(shù)大小得知.這同時(shí)也表明，棉纖維性能指標(biāo)之間只存在相關(guān)或互為因果關(guān)系，不具有單向因果關(guān)系.

作為自變量的短絨率(D)、馬克隆值(E)，同時(shí)作為自變量和因變量的紗線線密度(G)與捻度(H)以及因變量棉紗斷裂強(qiáng)度(I)都含有單箭頭的連接線，線上的數(shù)據(jù)是自變量與因變量之間的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，即路徑系數(shù)，定量表示了自變量排除其他因素干擾后對(duì)因變量的直接影響程度.中間變量及因變量右上方的數(shù)據(jù)表明該變量被其他有關(guān)變量所能解釋的方差，即決定系數(shù)R2.紗線線密度、捻度以及紗線強(qiáng)度的決定系數(shù)都接近1，說明路徑圖所提供的指標(biāo)變量及其關(guān)系足夠決定紗線強(qiáng)度的大小，模型較合理.

路徑圖的結(jié)構(gòu)方程組如下所示:

G=pDGD+pEGE+pe2Ge2

(5)

H=pFHF+pGHG+pe3He3=

pFHF+pGHpDGD+pGHpEGE+

pGHpe2Ge2+pe3He3

(6)

(7)

其中：pi j(i=A,B,…,I;j=A,B,…,I;i≠j)為變量i與j之間的路徑系數(shù).D、E和殘差項(xiàng)e2共同決定G；F、G和殘差項(xiàng)e3決定H；A～H和殘差項(xiàng)e1共同影響I；殘差項(xiàng)之間獨(dú)立.

通過對(duì)原因變量和結(jié)果變量相關(guān)系數(shù)的分解，可以清楚地看出造成相關(guān)關(guān)系的各種原因.相關(guān)系數(shù)可由AMOS軟件直接計(jì)算得出,本文樣本變量間相關(guān)系數(shù)如表2所示.以纖維短絨率(D)與紗線線密度(G)之間的相關(guān)系數(shù)rDG及短絨率(D)與捻度(H)之間的相關(guān)系數(shù)rDH為例，對(duì)原因變量和結(jié)果變量的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分解，如式(8)和(9)所示.由于各變量均經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理,所以D和G的相關(guān)系數(shù)rDG等于D和G乘積的期望值.另外，由于AMOS軟件設(shè)置,路徑圖上所顯示數(shù)據(jù)僅保留小數(shù)點(diǎn)后兩位,為了減小誤差,相關(guān)系數(shù)的分解計(jì)算采用更加精確的數(shù)值.

表2 樣本變量間的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of the samples

(8)

(9)

由式(8)和(9)可以看出，D與G的相關(guān)系數(shù)可以分解為兩部分：短絨率對(duì)紗線線密度的直接影響pDG，以及由于D和E具有相關(guān)性rDE,從而D間接引入了E對(duì)紗線線密度G的直接作用pEG,rDEpEG由此產(chǎn)生.從因果分析的角度，rDEpEG并未得到分解，既不是直接作用，也不是間接作用，而是由于原因變量之間的相關(guān)而引入的一項(xiàng)，一般稱該項(xiàng)為未析部分，不出現(xiàn)在因變量對(duì)自變量的間接影響表格中.rDH中pGHpDG是短絨率(D)通過中間變量紗線線密度(G)對(duì)捻度(H)的間接影響.由表2可知，樣本相關(guān)系數(shù)rDG和rDH分別為0.353和-0.305，與相關(guān)系數(shù)的分解計(jì)算出來的數(shù)值略有差異，主要是因?yàn)橛^察數(shù)據(jù)與假設(shè)模型很少存在完美適配的狀況，二者之間總是存在某種程度的差異，假設(shè)模型與原數(shù)據(jù)擬合得越好，數(shù)值間的差異就越小.

自變量A,F,E,B,C,D對(duì)中間因變量G和H以及目標(biāo)因變量I的總影響效果、直接影響效果以及間接影響效果分別如表3～5所示.從表3可以看出，纖維線密度(B)、馬克隆值(E)、纖維主體長(zhǎng)度(C)、纖維強(qiáng)度(A)、紗線線密度(G)、短絨率(D)、紗線捻度(H)、纖維基數(shù)(F)對(duì)紗線強(qiáng)度的影響依次減小，其中A，F(xiàn)，B，C，G和H的影響呈正相關(guān)，E和D的影響呈負(fù)相關(guān)，與實(shí)際生產(chǎn)中的情況一致.即短絨率越高，紗線強(qiáng)度越低；馬克隆值過大，纖維過于成熟，紡紗性能差，紗線強(qiáng)度越低.綜合各定量指標(biāo)，可以為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考.如當(dāng)限定原料性能指標(biāo)在一定取值范圍內(nèi)，生產(chǎn)某線密度的普梳紗線時(shí)，選取較大的纖維強(qiáng)度(A)、基數(shù)(F)、線密度(B)、主體長(zhǎng)度(C)和紗線捻度(H)，以及較小的馬克隆值(E)和短絨率(D)，可得到強(qiáng)度較優(yōu)的紗線，其中，以減小纖維線密度(B)為主，即增加紗線中纖維根數(shù)最為有效.

對(duì)比表3和4可以發(fā)現(xiàn),各自變量對(duì)因變量的直接影響效果較總影響效果有波動(dòng).這是由于表4呈現(xiàn)的各項(xiàng)指標(biāo)是排除其他變量干擾后對(duì)棉紗強(qiáng)度的直接作用，反映了單因素比較真實(shí)的影響情況.由表4可以看出，單因素對(duì)棉紗強(qiáng)度的影響為馬克隆值(E)最大，其后依次為纖維線密度(B)、紗線線密度(G)、纖維主體長(zhǎng)度(C)、纖維強(qiáng)度(A)、紗線捻度(H)、短絨率(D)、纖維基數(shù)(F).自變量對(duì)因變量的直接影響可以用來定量分析纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)紗線強(qiáng)度的實(shí)際影響，去除了纖維指標(biāo)間由于相關(guān)性產(chǎn)生的抵消作用，而這種負(fù)作用即表現(xiàn)為各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)棉紗強(qiáng)度的間接影響，影響效果如表5所示.其中，馬克隆值(E)的間接影響比較明顯,由于對(duì)棉紗強(qiáng)度間接影響的存在，其對(duì)棉紗強(qiáng)度的實(shí)際影響減弱.

表3 標(biāo)準(zhǔn)化后各自變量對(duì)因變量影響的總效果Table 3 Standardized total effects of each independent on dependent variables

表4 標(biāo)準(zhǔn)化后各自變量對(duì)因變量影響的直接效果Table 4 Standardized direct effects of each independent on dependent variables

表5 標(biāo)準(zhǔn)化后各自變量對(duì)因變量影響的間接效果Table 5 Standardized indirect effects of each independent on dependent variables

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用路徑分析方法，對(duì)棉紗強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行定量分析,研究結(jié)果與傳統(tǒng)的定性相關(guān)分析一致.路徑分析假設(shè)模型將棉纖維主體長(zhǎng)度、斷裂強(qiáng)度、線密度、馬克隆值、短絨率、基數(shù)這6項(xiàng)纖維性能指標(biāo)以及紗線線密度、捻度2項(xiàng)工藝指標(biāo)對(duì)棉紗強(qiáng)度的影響分解為直接效應(yīng)和間接效應(yīng),可以明顯地發(fā)現(xiàn)多個(gè)因素間彼此信息受到掩蓋的程度，揭示各指標(biāo)直接作用于紗線強(qiáng)度的具體情況,從而為配棉及工藝設(shè)計(jì)中更有針對(duì)性地對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行關(guān)注提供參考.

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Quantitative Analysis of Indices Influencing on Cotton Yarn Intensity Based on Path Analysis

LIXiao-feng,YUChong-wen

(College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Path analysis based on structural equation modeling was adopted for quantitative analysis to the factors which have an influence on cotton yarn intensity.Data of6 fiber performance,such as main length,breaking strength,fineness,micronaire value,short fiber content,length uniformity in a certain range of fiber,and 2 technology index,including yarn linear density and twist,were changed,then,total effect,direct effect and indirect effect of them on the yarn intensity were discussed.The research result showed that the influence of 8factors on the yarn intensity was in accord with the result of qualitative analysis.Path analysis provides a comprehensive quantitative express about direct and indirect effect of each index to yarn intensity,moreover,the degree of influence is observed from it,which is helpful to the selection of cotton fiber performance and the value of correlative technology before the yarn is produced.

cotton yarn intensity；structural equation modeling；path analysis；path coefficient；correlation analysis

1671-0444(2015)01-0032-05

2014-04-11

李曉峰(1980—),女,黑龍江大慶人,博士研究生,研究方向?yàn)橹悄芩惴ㄔ诿藜徬到y(tǒng)上的應(yīng)用．E-mail:lxf_8022@mail.dhu.edu.cn

郁崇文(聯(lián)系人),男,教授,E-mail:yucw@dhu.edu.cn

TS 101.2

A