基于神經(jīng)網(wǎng)絡的熱防護服裝模型優(yōu)化*

韓如冰

(蘭州財經(jīng)大學隴橋?qū)W院,甘肅蘭州 730101)

1 Chitrphiromsri的熱防護服裝模型

當人們處于高溫工作環(huán)境時,必須穿著熱防護服裝以避免灼傷。專用熱防護服裝一般由三層織物材料構(gòu)成,其中第一層為外界環(huán)境接觸層,第二層為主要隔熱層,第三層為皮膚接觸層,同時它與皮膚之間的空隙我們可記為第四層[1]。基于此服裝材料結(jié)構(gòu),人們在建立傳統(tǒng)高溫作業(yè)專用服裝數(shù)學模型時,大多數(shù)應用Chitrphiromsri的熱防護服裝模型,Chitrphiromsri模型如下[3]:

但由于材料的密度、比熱、熱傳導率、環(huán)境溫度、服裝層厚度,工作時間等均為影響熱防護服裝性能的重要因素,且這些因素之間除了常見線性關系外,更多的存在著復雜的非線性關系,因此,用數(shù)學、物理等傳統(tǒng)方法對這一問題進行研究就有了一定的限制性。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的模型優(yōu)化

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡

人工神經(jīng)網(wǎng)絡模擬人腦的結(jié)構(gòu)和智能特點,由大量簡單神經(jīng)元構(gòu)成,解決問題時不需要事先確定對象之間的映射精確模型,僅通過大量原始數(shù)據(jù)的訓練,挖掘出對象內(nèi)在的變化規(guī)則[4],最終在給定輸入值時、得到最接近期望值的輸出描述。BP神經(jīng)網(wǎng)絡是一種按誤差反向傳播訓練的多層前饋網(wǎng)絡[5],被較為廣泛地應用在紡織工業(yè)研發(fā)中。

2.2 模型優(yōu)化

結(jié)合Chitrphiromsri的熱傳遞模型,通過對比(1)和(2)兩個模型,我們發(fā)現(xiàn),這兩個模型的各項條件除了輻射項之外其它都相同,因此我們在數(shù)值模擬中將采用相同的初邊值條件。

在得到的模型優(yōu)化中,我們根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡多層多神經(jīng)元的網(wǎng)絡特征,設定輸入層分為7個神經(jīng)單元,分別為時間、分層、密度、比熱、熱傳導率、厚度人的體表溫度;輸出層為3個神經(jīng)單元,為服裝的熱傳遞性能參數(shù),分別為克羅值、單位厚度克羅值、保暖率;隱含層設計為單層6-18個神經(jīng)單元[2]。

在整體樣本集中,我們隨機抽取1000個樣本,作為訓練樣本,使用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱中的Levenberg-Marquardt優(yōu)化方法,對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練。再隨機抽取剩余樣本中的150個樣本,作為檢驗樣本,最終找出不同的服裝層參數(shù)與時間、假人皮膚外側(cè)溫度之間的映射關系,描述出高熱環(huán)境下熱防護服裝的熱傳遞規(guī)律(圖1)。

3 基于BP的三層熱防護服裝熱傳遞模型建立及問題求解

我們根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡訓練得出的不同服裝層參數(shù)與時間、假人皮膚外側(cè)溫度之間的映射關系,及高熱環(huán)境下熱防護服裝的熱傳遞規(guī)律,建立基于BP的三層熱防護服裝熱傳遞模型。專用熱防護服裝一般由三層織物材料構(gòu)成,其中第一層為外界環(huán)境接觸層,在這里我們假設該熱防護服裝內(nèi)部兩層只存在熱傳導。由此,基于BP的三層熱防護服裝熱傳遞模型可以寫成:

這里,CAshl,CAmsr,CAlin分別是第Ⅰ層,第Ⅱ?qū)雍偷冖髮拥娘@熱容;T是溫度;t是時間;x是水平坐標;kshl,kmsr,klin分別是是第Ⅰ層,第Ⅱ?qū)雍偷冖髮拥臒醾鲗?Fl,Fr分別是向左和向右的輻射量;Ωi表示關于x取值范圍,i=1,2,3,4,5,其中Ω1=(0,Lshl),Ω2=(Lshl,Lshl+Lmsr),Ω3=(Lshl+Lmsr,Lfab),Lfab=Lshl+Lmsr+Llin,texp是暴露在閃火環(huán)境中的時間。

熱輻射量滿足:

第Ⅱ?qū)拥淖筮吔鐥l件:

Ⅰ層與Ⅱ?qū)又g的接觸面:

Ⅱ?qū)优cⅢ層之間的接觸面:

Ⅳ層的右邊界條件:

圖1 基于附件二的BP模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of BP model based on Annex 2

其中,q_(air，rad)是來自層背面的熱輻射;k_air是空氣的熱傳導率。

輻射和對流的熱通量可以描述成:

其中,qconv是到Ⅰ的熱對流密度;qrad是到Ⅰ的熱輻射密度;hc,fl是和Ⅰ表面之間的熱對流系數(shù);Tg是火焰溫度。

最后,我們根據(jù)傅里葉熱流定律,得到一維平面熱傳導速率方程:

綜合考慮以上模型和數(shù)據(jù)擬合方程,利用MATLAB仿真得到最終的溫度區(qū)域分布圖(圖2)。

4 模型的優(yōu)點

(1)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡找出不同的服裝層參數(shù)與時間、假人皮膚外側(cè)溫度之間的映射關系,以描述高熱環(huán)境下熱防護服裝的熱傳遞規(guī)律,對Chitrphiromsri的模型進行優(yōu)化,建立了基于BP的三層熱防護服裝熱傳遞模型。

(2)我們結(jié)合給定服裝材料的物理參數(shù)和幾何參數(shù),如熱傳導率、密度、比熱等,以及外界環(huán)境的溫度和相對濕度的組合,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型前向有反饋的無環(huán)模型特征[3],僅需通過參數(shù)的調(diào)整,即可計算出不同環(huán)境溫度,工作時長條件下服裝層厚度。降低研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期。

圖2 溫度區(qū)域分布圖Fig.2 Temperature distribution map

5 模型的缺點及改進

本文所建立的高溫作業(yè)服裝－空氣層－假人皮膚的系統(tǒng),在各個環(huán)節(jié)尚有許多需要完善的地方。該基于BP的三層熱防護服裝熱傳遞模型在建立時,忽略了濕傳遞這一在高溫條件下往往具有重要影響的因素。今后,將考慮濕傳遞對熱防護服裝的影響,進一步對該模型進行優(yōu)化。