張?zhí)K道 薛文良

（1.東華大學，上海，201620；2.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海，201620）

1 智能紡紗的發(fā)展

回顧紡紗技術(shù)的發(fā)展史，環(huán)錠紡作為工藝流程最成熟、使用最多的紡紗技術(shù)，自1828年誕生以來，不斷進行著技術(shù)變革，直至20世紀末紡紗成紗機理的革命進入了一個停滯的時期。進入21世紀，部分制造業(yè)已經(jīng)隨著世界工業(yè)技術(shù)發(fā)展帶來的革命技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)方式的自動化，并逐漸跨入智能工廠時代。紡織產(chǎn)業(yè)需要汲取其他工業(yè)新技術(shù)的靈感，實現(xiàn)新的突破，紡紗技術(shù)正朝著連續(xù)化、信息化、生產(chǎn)過程數(shù)字化的方向不斷探索、普及、發(fā)展。

從棉紡行業(yè)變化的角度看智能紡紗的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)已成為紡紗行業(yè)發(fā)展的方向。目前總體上我國棉紡行業(yè)依舊屬于勞動密集型的傳統(tǒng)制造業(yè)，面臨著與其他發(fā)展中國家相比人口紅利逐漸消失、生產(chǎn)要素成本不斷提高，與技術(shù)實力更高一籌的發(fā)達國家再工業(yè)化同臺競技的雙重壓力。第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，2020年我國16歲～59歲勞動年齡人口總規(guī)模比2010年減少了4 000多萬人，勞動年齡人口數(shù)量和比例雙雙下降，人口老齡化逐步加速。同時，勞動年齡人口素質(zhì)顯著提高。勞動力結(jié)構(gòu)的變化表明棉紡行業(yè)車間智能化、無人化將是亟待實現(xiàn)的場景。在《中國制造2025》中，紡織業(yè)作為被重點推進智能化改造的傳統(tǒng)行業(yè)，企業(yè)間紡紗設(shè)備自動化、連續(xù)化、信息化程度參差不齊，實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)薄弱，企業(yè)需要切實可行的智能化路徑指導(dǎo)性建議。

2 智能紡紗的現(xiàn)狀及趨勢

2.1 紡紗裝備的智能化現(xiàn)狀及趨勢

紡紗行業(yè)完整成熟的產(chǎn)品體系，使得數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用落地更容易被激發(fā)出增長潛力。紡紗工序具有多工序、長流程的特點，為了實現(xiàn)紡紗裝備的智能化必須先完成紡紗流程的連續(xù)化，這種連續(xù)化包含兩個部分，一是單工序的內(nèi)部連續(xù)化，二是多工序間的物流運輸連續(xù)化。

對于單工序的內(nèi)部連續(xù)化，比如精梳系統(tǒng)，精梳自動輸送和換卷系統(tǒng)重點實現(xiàn)了精梳工序的內(nèi)部連續(xù)化［1］，緩解了精梳生產(chǎn)的壓力；粗紗、細紗和絡(luò)筒是紡紗工序中用工占比最多、勞動強度最大的工序，自動落紗技術(shù)能夠減少一半用工，但由于不同企業(yè)的裝備和工序特點不同，自動落紗系統(tǒng)的改造進度存在差異，粗紗機自動落紗的配套改造遠遠落后于細紗工序；對于細紗單工序內(nèi)的斷頭問題，品特裕華紡織科技有限公司和經(jīng)緯紡織機械股份有限公司聯(lián)合展出了國內(nèi)首臺細紗自動接頭機，不過該技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性問題有待實操驗證，同時也面臨著市場化的難題。

對于多工序間的物流運輸?shù)倪B續(xù)化［2］，前紡已經(jīng)實現(xiàn)了清梳工序生產(chǎn)連續(xù)化；后紡粗細聯(lián)、細絡(luò)聯(lián)、絡(luò)筒與打包，通過軌道連接、電子系統(tǒng)控制的方式實現(xiàn)了生產(chǎn)連續(xù)化；由于梳棉和并條產(chǎn)量不匹配、喂入方式差異，梳棉、并條和粗紗工序間物料運輸連續(xù)化依然存在斷點，使得紡紗全流程還沒有實現(xiàn)完全的物料運輸一體化。影響連續(xù)化的關(guān)鍵工序自動化研究還處在“卡脖子”困境，需新技術(shù)打開局面。

2.2 紡紗工藝及供需管理的智能化現(xiàn)狀及趨勢

相對于紡紗裝備的硬件系統(tǒng)，紡紗工藝及供應(yīng)鏈管理屬于有序高效的軟件系統(tǒng)，二者在智能紡紗上相輔相成。針對梳并工序的連續(xù)問題，目前可以做到采用AGV小車自動運輸，基于多重信息的組合已實現(xiàn)條筒倉儲的優(yōu)化管理［3］；對于成品筒紗，基于多重機械手已實現(xiàn)其自動輸送、包裝和存儲，青島雙清智能科技公司的系列包裝機已實現(xiàn)每小時1.2 t～1.8 t的打包產(chǎn)量，用工僅1人；通過在線檢測可以實現(xiàn)筒紗按質(zhì)量分類，可根據(jù)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的由于設(shè)備狀況、原料批次等導(dǎo)致的質(zhì)量參差情況，分等級處理筒紗，很好地實現(xiàn)了產(chǎn)品的精細化管理［4］；智能立體倉儲系統(tǒng)，在生產(chǎn)信息基礎(chǔ)上融入了客戶信息、訂單信息，在按質(zhì)量倉儲的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了按需出庫，逐漸超越連續(xù)化，邁向數(shù)字化。

紗線質(zhì)量是評判生產(chǎn)的首要標準，紡紗生產(chǎn)線的品控壓力巨大。傳統(tǒng)棉紡車間依靠實驗室的離線檢測保證半制品、成品紗質(zhì)量的穩(wěn)定性，現(xiàn)在一些監(jiān)測裝置，比如并條自調(diào)勻整系統(tǒng)、細紗單錠檢測裝置、絡(luò)筒電子清紗器，這些智能化設(shè)備不僅能夠控制質(zhì)量，還能輔助更快發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，及時止損。目前監(jiān)測系統(tǒng)還沒有完全覆蓋紡紗全流程的質(zhì)量控制，而智能化的工藝管理需要實現(xiàn)全流程的質(zhì)量實時監(jiān)測，通過監(jiān)測環(huán)境溫濕度、設(shè)備電流脈沖變化、回轉(zhuǎn)部件速度、須條直徑變化、環(huán)錠紡紗段氣圈形態(tài)變化等，采用多傳感器多維監(jiān)測和控制，以實現(xiàn)全流程質(zhì)量控制的目標。目前存在監(jiān)測裝置從發(fā)現(xiàn)異常到處理故障有一定時間滯后的問題，因此在智能化的工藝管理過程中，需要實現(xiàn)實時控制和預(yù)測性維護，這就需要對所采集的數(shù)據(jù)進行有效分析，通過積累大量數(shù)據(jù)經(jīng)驗，訓(xùn)練數(shù)據(jù)分析模型，必要時結(jié)合理論模型對訓(xùn)練結(jié)果進行修正，追溯生產(chǎn)過程中的工藝故障、設(shè)備故障、原料缺陷，進一步監(jiān)測紡紗狀態(tài)的變化，預(yù)測各類故障、優(yōu)化工藝、控制質(zhì)量，建立無斷點紡紗工藝過程控制系統(tǒng)。

個性化定制服務(wù)、精準營銷、產(chǎn)品全生命周期管理、客戶參與設(shè)計等現(xiàn)代企業(yè)運營方式對制造業(yè)提出了“快速響應(yīng)”的要求。面對著市場提出的“小批量，多品種”生產(chǎn)模式的考驗，傳統(tǒng)紡紗生產(chǎn)線工藝切換依靠人工調(diào)整，甚至通過大量試驗才能確定生產(chǎn)工藝的模式，難以適應(yīng)快速變化的市場需求，因而在實現(xiàn)工藝智能化的基礎(chǔ)上，更大的挑戰(zhàn)是生產(chǎn)線與供應(yīng)鏈的協(xié)同管理。要具備快速調(diào)整生產(chǎn)工藝、快速響應(yīng)市場需求的能力，柔性制造是紡紗企業(yè)管理模式智能化改造的主要趨勢。

2.3 智能紡紗信息物理系統(tǒng)

智能化的最終目標是形成一個萬物互聯(lián)的信息物理系統(tǒng)，連續(xù)化、信息化、數(shù)字化是智能化的基礎(chǔ)，棉紡企業(yè)在發(fā)展智能化時應(yīng)該對自身具備的基礎(chǔ)條件有一個清醒的認識。首先，連續(xù)化是將整條生產(chǎn)線串聯(lián)起來，無斷點，目前我們還沒有完全實現(xiàn)從成條到成紗的全流程連續(xù)。其次，信息化、數(shù)字化是紡紗智能化的基礎(chǔ)，三者之間存在遞進的關(guān)系，信息化主要依靠一些通信技術(shù)、控制技術(shù)實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程在計算機上的固化，使紡紗設(shè)備能夠大規(guī)模統(tǒng)一作業(yè)，各部門協(xié)同作業(yè)。而數(shù)字化是信息化的延續(xù)，可以將信息化階段積累的數(shù)據(jù)通過分析轉(zhuǎn)化為知識，需要建立數(shù)據(jù)中臺以對數(shù)據(jù)進行存儲、清洗、分析、判斷等操作，從信息化到數(shù)字化是將數(shù)據(jù)變?yōu)橹R的過程。如何將這些知識串聯(lián)起來，幫助甚至代替人們做出管理和決策是智能化要解決的問題。智能化系統(tǒng)必須具有自學習能力、再創(chuàng)造能力，取代人做出管理和決策，從數(shù)字化到智能化就是一個將知識串聯(lián)起來并用于產(chǎn)業(yè)鏈賦能的過程。

智能紡紗信息物理系統(tǒng)就是工業(yè)4.0信息集成概念的顯化模型。比如細紗工序可以形成自學習自調(diào)節(jié)的小系統(tǒng)，擴展到一個車間、每一個工序都能夠?qū)崿F(xiàn)單工序連續(xù)化，所有工序之間也是不斷點連接的，這就初步形成了一個智能紡紗企業(yè)，這個智能紡紗企業(yè)相當于一個數(shù)據(jù)島，整個集團、甚至全行業(yè)所有企業(yè)都有一個自己的數(shù)據(jù)島或數(shù)據(jù)群島，通過紡紗生產(chǎn)的價值鏈將這些數(shù)據(jù)島進行鏈接，形成行業(yè)的云平臺。基于這個互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)可以從任何一個點尋找與之相關(guān)的裝備工藝信息，進行優(yōu)化整理、擴充合作。顯然云平臺的搭建不是一蹴而就的，其中蘊含著錯綜復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系和信息分類問題，并且對于市場化的企業(yè)發(fā)展來說，會涉及商業(yè)秘密，但是集團內(nèi)部、企業(yè)內(nèi)部完全可以建立這樣的云平臺，對于企業(yè)自身的管理決策和可持續(xù)發(fā)展也是有利的。

3 我國傳統(tǒng)棉紡企業(yè)智能化改造的建議

目前我國大部分棉紡企業(yè)仍處于工業(yè)3.0的發(fā)展階段，部分企業(yè)配備了自動化的紡紗設(shè)備，個別自動化程度高的企業(yè)實現(xiàn)了局部流程的智能調(diào)度、倉儲管理，在企業(yè)管理模塊使用ERP系統(tǒng)升級傳統(tǒng)業(yè)務(wù)流程。智能化改造必須在具備連續(xù)化、數(shù)字化基礎(chǔ)的企業(yè)開展，對于我國大部分棉紡企業(yè)來說并不具備這樣的基礎(chǔ)和能力，為此我們需要提出智能化改造的具體路徑。

智能化改造路徑框架如圖1所示。以細紗工序為例，從底層的原料和設(shè)備到頂層的智能管理是一個信息物理系統(tǒng)，在基礎(chǔ)的紡紗設(shè)備上配備相應(yīng)的監(jiān)測裝置，進行生產(chǎn)過程多維數(shù)據(jù)采集，將采集到的設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境情況、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)向上傳遞，對這些來源不同、形式各異的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行融合分析，利用模式識別、搜索策略、案例推理等方法實現(xiàn)生產(chǎn)的智能管理，如設(shè)備的預(yù)測性運維、智能調(diào)度、生產(chǎn)管理和決策。

圖1 我國棉紡企業(yè)智能化改造路徑框架

3.1 紡紗生產(chǎn)工藝和供需管理系統(tǒng)

具備完備功能的紗線生產(chǎn)工藝和供需管理系統(tǒng)，能夠幫助企業(yè)完成生產(chǎn)工藝的自動生成及供應(yīng)鏈的統(tǒng)籌規(guī)劃，進而實現(xiàn)對于市場的快速響應(yīng)和企業(yè)的成本優(yōu)化。對于一個紡紗企業(yè)來說，存在對內(nèi)和對外兩條管理路線。

對內(nèi)為生產(chǎn)管理，目前企業(yè)面對的主要難題是提高管理效率，使生產(chǎn)管理能夠適應(yīng)“小批量，多品種”的市場需求。為此，每個企業(yè)可以根據(jù)自己的歷史訂單積累建立產(chǎn)品案例庫，啟用智能工藝推薦算法，每當有新的訂單或者產(chǎn)品開發(fā)需求時，先將產(chǎn)品描述、原料指標輸入算法，算法在案例庫中搜尋匹配相似的歷史訂單，輸出初步的生產(chǎn)方案；再根據(jù)實際情況對算法輸出方案進行修正，通過設(shè)置的工藝參數(shù)預(yù)測紗線產(chǎn)品的質(zhì)量，判定修正方案所指導(dǎo)的紗線產(chǎn)品質(zhì)量合格后，自動生成新的工藝單下發(fā)至生產(chǎn)部門，新的工藝單作為一個案例存入案例庫，紡紗生產(chǎn)工藝和供需管理系統(tǒng)流程圖如圖2所示。紗線生產(chǎn)管理系統(tǒng)配合數(shù)字化的生產(chǎn)設(shè)備，能夠自動識別訂單、自動生成工藝單、自動調(diào)整設(shè)備參數(shù)應(yīng)對要求各異的新訂單。

圖2 紡紗生產(chǎn)工藝和供需管理系統(tǒng)流程圖

對外管理具體分為供應(yīng)商管理和客戶管理。關(guān)于供應(yīng)商管理，產(chǎn)品單一的企業(yè)，原料需求特點是數(shù)量龐大，企業(yè)更注重原料的一致性，如果對接的原料供應(yīng)商比較單一，就需要找到能夠保證持續(xù)供應(yīng)的商家；對于產(chǎn)品種類較多的企業(yè)，供應(yīng)與排產(chǎn)的步調(diào)協(xié)調(diào)性直接決定企業(yè)運轉(zhuǎn)效率。因此，專門的供應(yīng)管理模塊可以整理供應(yīng)商的信息，在原料投產(chǎn)之前進行供應(yīng)鏈評估來保證棉紡企業(yè)自身利益。關(guān)于客戶管理，迄今行業(yè)內(nèi)缺少對于不同用途紗線的細化標準，易出現(xiàn)“質(zhì)量過?！钡膯栴}。例如14.5 tex棉紗，行業(yè)內(nèi)普遍采用國家標準或參考USTER公報，用到家紡、牛仔外套或者襯衫等不同產(chǎn)品時，對于紗線質(zhì)量的要求有所差異，不是各項指標都必須達到標準，完全達標反而造成了資源的浪費?？蛻艄芾淼淖饔迷谟冢髽I(yè)可以根據(jù)不同客戶的不同需求，生產(chǎn)與其標準相匹配的產(chǎn)品，反饋到生產(chǎn)工藝，進行精益化的生產(chǎn)管理，從而實現(xiàn)成本優(yōu)化。

關(guān)于紡紗生產(chǎn)工藝和供需管理系統(tǒng)的案例，每個企業(yè)都可以將歷史訂單、產(chǎn)品工藝單、供應(yīng)商信息集中，建立企業(yè)的工藝庫、原料庫、客戶庫、資源庫，無論是自動化程度較高的企業(yè)還是設(shè)備和管理都較為傳統(tǒng)的企業(yè)，都可以即刻建立。棉紡企業(yè)首先實現(xiàn)經(jīng)驗的知識化，為智能化做好基礎(chǔ)工作，其次通過算法利用數(shù)據(jù)知識實現(xiàn)自主判斷和決策，最終配合自動化設(shè)備將算法得出的決策指令傳達到設(shè)備，實現(xiàn)生產(chǎn)的柔性管理。

3.2 細紗工序斷頭接頭路徑優(yōu)化系統(tǒng)

細紗斷頭接頭路徑優(yōu)化系統(tǒng)能夠幫助細紗車間減少用工和降低成本。細紗工序用工占整個紡部的60%，細紗擋車工80%的時間用于巡回接頭，細紗斷頭問題是困擾細紗生產(chǎn)效率提升的關(guān)鍵因素，可以通過優(yōu)化擋車工接頭路徑的方法來降低斷頭的損失。細紗傳統(tǒng)的接頭方式是S形巡回，擋車工按照自己管理的車弄進行周期性的S形巡回接頭，而優(yōu)化系統(tǒng)可根據(jù)目標有選擇性地進行接頭，類似于送外賣任務(wù)規(guī)劃，面對管轄區(qū)域內(nèi)同時出現(xiàn)的斷頭，可以通過路徑優(yōu)化找到更快完成接頭的路線，簡化模型如圖3所示。經(jīng)計算，算法優(yōu)化的接頭路徑比傳統(tǒng)S形巡回路徑可以提升6.7%的接頭速率。

圖3 細紗工序斷頭接頭路徑優(yōu)化模型

實際上，本課題組采集某棉紡企業(yè)車間真實斷頭數(shù)據(jù)，經(jīng)過加入初始規(guī)則的遺傳算法進行路徑優(yōu)化，對于不同的斷頭分布拓撲結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)S形巡回接頭，優(yōu)化路徑巡回接頭速率可提升15%～60%。

斷頭問題不能簡單地視為一個路徑規(guī)劃問題，實際生產(chǎn)中造成細紗斷頭的原因不同，斷頭的后果有很多種，斷頭存在不同分類，例如笛管堵塞造成區(qū)域性斷頭、個別壞錠造成重復(fù)斷頭、弱捻對于最終產(chǎn)品影響更為嚴重，如果優(yōu)化系統(tǒng)中可以識別不同類型的斷頭，指導(dǎo)擋車工優(yōu)先處理危害更大的斷頭，可進一步提升生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定進行。進一步講，優(yōu)化的目標除“總斷頭時間最少”以外，可根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)計劃、企業(yè)成本核算側(cè)重點、產(chǎn)品適應(yīng)性、生產(chǎn)特點進行靈活定制，如成本最低、能耗最小或者利潤最大等不同的接頭規(guī)則。目前該功能的實現(xiàn)是需要單錠檢測技術(shù)的支持，很多傳統(tǒng)棉紡企業(yè)沒有配備單錠檢測裝置同樣能夠?qū)崿F(xiàn)，硬件部分批量購買市面上普通的光電傳感器，無需高額購置費，一般的光電傳感器都可以達到檢測紗線斷頭的效果，即使初步不考慮不同屬性斷頭的優(yōu)先級，單純路徑優(yōu)化，接頭速率提升的效果也是顯著的。

3.3 細紗機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

細紗機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能夠從設(shè)備、環(huán)境、工藝、須條的角度實時監(jiān)控紡紗狀態(tài)，通過細紗機的自愈調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定生產(chǎn)、精益生產(chǎn)的效果。細紗斷頭的處理方式可分為兩種。一種方式是采取提高接頭速率的方法降低斷頭的損失，如斷頭接頭路徑優(yōu)化。另一種方式是在斷頭發(fā)生前及時調(diào)整運行參數(shù)，通過預(yù)測和控制避免斷頭發(fā)生。如給細紗機加裝一些監(jiān)控配件，比如市場上已經(jīng)成熟的單錠檢測裝置、導(dǎo)紗鉤處壓力檢測裝置、紡紗段的須條檢測裝置、氣圈檢測裝置、車間溫濕度監(jiān)測裝置等，這些傳感器采集到的信號能夠從不同的角度反映紡紗狀態(tài)，或者說是細紗機運行狀態(tài)，對采集到的不同來源、不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采用機器學習的方法進行融合分析，實時判斷紡紗狀態(tài)，對檢測到的異常情況做出調(diào)控，實現(xiàn)細紗工序的穩(wěn)定生產(chǎn)。

正常紡紗的信號應(yīng)該是在一定的閾值范圍內(nèi)波動的，斷頭可能就發(fā)生在某一次超過閾值的突變，通過對監(jiān)測系統(tǒng)表達的大量案例學習，掌握突變發(fā)生的規(guī)律，在算法測算出突變發(fā)生的概率達到標準的時候，對機器運行發(fā)出相應(yīng)的調(diào)整指令，預(yù)防可能發(fā)生的突變。除了上述的實時調(diào)整，可以根據(jù)信號的周期性特征做出故障診斷，紡織機械的回轉(zhuǎn)部件數(shù)量較多，采用波譜分析法得出的周期性特征可幫助精確定位故障發(fā)生點。上述多維度、單工序、全過程的檢測相對來說實現(xiàn)周期較長，企業(yè)現(xiàn)階段可以將重點放在基礎(chǔ)部分，即故障庫的建立方面，對紡紗過程中細紗機經(jīng)常發(fā)生的機械故障、工藝故障進行系統(tǒng)整理和分類，輸入機器學習，使得采集到的數(shù)據(jù)有明確的分析目標，是實現(xiàn)細紗機自愈調(diào)節(jié)智能紡紗系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。

4 結(jié)束語

從棉紡織技術(shù)發(fā)展的角度來看，智能化發(fā)展是棉紡行業(yè)產(chǎn)生革命性變革的關(guān)鍵。從紡織品市場政策的角度來看，智能化發(fā)展是應(yīng)對科技為上、產(chǎn)品定制化、生產(chǎn)現(xiàn)場無人化行業(yè)發(fā)展要求的唯一路徑。《紡織行業(yè)“十四五”發(fā)展綱要》中強調(diào)了紡織行業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展的目標。經(jīng)過前期探索，行業(yè)內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)取得了明顯效果。但總體來看，距離全流程智能化還有很長的一段距離，而智能化是所有棉紡企業(yè)需要共同面對的機遇。新舊產(chǎn)能的替換需要較長的周期，但企業(yè)可以在連續(xù)化、自動化、信息化逐步實現(xiàn)的過程中進行智能化基礎(chǔ)改造，從建立資源庫到購置簡單的傳感設(shè)備，從開發(fā)纖維、紗線的新工藝管理到貫穿纖維原料和紗線產(chǎn)品全供應(yīng)鏈管理，這種改造將長期伴隨我國的棉紡企業(yè)。