（服装设计与工程专业论文）基于人工神经网络的针织内衣面料热湿舒适性评价及预测.pdf

e v a l u a t i o na n dp r e d i c t i o nf o rk n i ti n n e rw e a rc o m f o r tp r o p e r t yb a s e do i l a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e sf i r s t l yt h ep r i n c i p l eo fp r o c e d u r ew h e nh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r f r o mb o d yt oo u t s i d et h r o u g hc l o t h e sb a s e do nc l o t h i n gc o r n f o r td e f i n i t i o n f r o mc l o t h i n g m a t e r i a l ，t h eb a s i cc o n s t r u c t i o na n dp r o p e r t yo fy a r na n df a b r i ci n f l u e n c eh e a ta n dm o i s t u r e t r a n s f e r r i n g i l o wt oi n f l u e n c ei sa n a l y z e d i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c hh o wt oe v a l u a t et h ec l o t h i n gc o m f o r t g e n e r a l l y e v a l u a t i o nm e t h o dc a nj n c l u d ee x p e r i m e n tm e a s u r i n g ，h u m a nb o d yt e s t a n da l lk i n d so fd a t a p r o c e s s i n g a st h et e c h n o l o g yd e v e l o p ，a l lk i n d so fe v a l u a t i o na l s oi m p r o v e a c c o r d i n gt oc o m p a r ea l lk i n d so fe v a l u a t i o n ，w ei n t r o d u c ean e wd a t ep r o c e s s i n g m e | h o d a r t i f i c i a ln e u r a in e t w o r k t h i si sd e v e l o p e dl a t e l ya n da d v a n c e dt e c h n o l o g yw i t h m a n ys u b j c c tm i x e d i tc a ns i m u l a t eh u m a nb r a i na n di n c l u d eal o to fn e r v ec e t l i tc a l ls o l v e p r o b l e mw i t ho n l yal o to fo r i g i n a ld a t ea n de x a c tm o d e li sn o tn e e d e d a n da l s oj tc a nl e a r n i t s e l fa n da d j u s tc o n t i n u a l l y a te n d ，i tg e tt h ee s s e n c ea m o n gt h ea p p e a r a n c e sa n dd e s c r i b e a st h ei n e x a c t l yi n p u ta n do u t p u t i tf e a t u r e ss e l f - a d j u s t e d ，t o l e r a n c e s ，i m a g i n a t i o na n d r e m e m b e r i n g a r t i f i c i a ln e u r a ln e “v o r ks h o wb i g g e rp r e d i c t i o na b i l i t yt h a no t h e rt r a d i t i o n a l d a t ap r o c e s s i n gm e t h o d i n n e rw e a rt o u c hh u m a ns k i nd i r e c t l y p e o p l er e a l i z et h ei m p o r t a n c eg r a d u a l l y + t h e s e t h e s e sr e s e a r c hh o wt ou s ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt op r e d i c ta n de v a l u a t ec l o t h i n gc o m f o r t p r o p e r t ya c c o r d i n g t ok n i ti n n e rw e a r ， 2 0k i n d so fk n i ta r ec h o s e nt ot e s tt h eb a s i cc o n s t r u c t i o na n dh e a t m o i s t u r ep r o p e r t y t h e yi n c l u d eb a s i ci n d e x e s ( f a b r i cd e n s i t y ，d r ya n dw e tw e i g h t ，t h i c k n e s s ，l o o pl e n g t h ) ，b a s i c h e a t - m o i s t u r ep r o p e r t y ( h e a tc o n d u c t i v i t y , m o i s t u r er e g a i n ) a n dh e a t m o i s t u r ep r o p e r t y ( h e a t r e t e n t i o nr a t i o ，s e n s a t i o no fc o l d ，m o i s t u r et r a n s f e ru n d e ro b v i o u ss w e a tc o n d i t i o n ，a v e r a g ew i c kh e i g h t ， a i rp e r m e a b i l i t yi m p e d a n c e ) ，w et a k et h eb a s i cc o n s t r u c t i o na n dh e a t m o i s t u r ep r o p e r t ya st h e i n p u tp a r a m e t e ra n dt a k et h eh e a t m o i s t u r ea st h eo u t p u tp a r a m e t e r , a n dt h e nam o d e li s e s t a b l i s h e d a t i e rt r a i n i n gi np e r i o do ft i m e t h e nw ec a nu s et h i sm o d e lt op r e d i c ta n d e v a l u a t e r e s u l ts h o wt h a tt e s tv a l u em a t c hp r e d i c t i o nv a l u ea n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kc a l l b ea v a i l a b l et op r e d i c ta n de v a l u a t et h ec l o t h i n gh e a t m o i s t u r ec o r n f o r t k e y w o r d s ：k n i ti n n e rw e a r ；c o m f o r tp r o p e r t y ；e v a l u a t e ；p r e d i c t ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k g r a d u a t es t u d e n t ：w a n gl i n y u ( d e p a r t m e n to fc l o t h i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s orw a n gl i b i n g 第一章绪论 第一章绪论 服装市场竞争愈来愈激烈，服装流行周期的一再缩短，使得服装企业如何高效地 生产出高质量的服装显得异常重要。随着人们生活水平的提高，舒适性在评价服装质 量上突显出越来越高的比重。现代的测试仪器为服装及其面料的舒适性测试提供了一 个有效手段。人工神经网络工具可以通过面料基本结构参数咀及材料的基本性能来实 现对热湿舒适性能的预测。 人工神经网络是最近发展起来的多学科交叉的前沿技术，神经网络模拟人脑结构和 智能特点，由大量简单神经元构成，解决问题时不需要对象的精确模型，仅需要大量 的原始数据，通过其强大的自学能力和结构的可变性，逐步适应外界环境各因素的作 用，并挖掘出对象内在的因果关系，最终以一种不很精确的输入、输出值描述出来。 它具有突出的学习自适应能力、容错能力、联想记忆能力等特征。人工神经网络在许 多方面比传统的回归方法具有更强大的预测能力，已经成功的运用到信号处理，金融 预测等各个领域并显示出良好的前景。目前已在纺织服装的研究中得到同益广泛的应 用。 影响服装面料热湿舒适性能的因素有纤维的性质、纱线结构与性质以及织物的结 构和性能。这些因素共同影响服装的热湿舒适性能，并与热湿舒适性之问存在复杂的 非线性关系。再加上人体透过服装的热湿传递是耦合现象，用传统的数学模型来描述 存在着很大的困难，而神经网络很好地适应了这一特点，可以根据输入来调整自身的 结构最终达到对热湿舒适性的模糊评判，因而神经网络技术也可用来研究服装的热湿 舒适性能。 内衣是直接接触人体的服装。随着现代生活水平的提高，人们的内衣穿着观念有 了很大的改变。不再只是注重内衣的款式，而且对其服用舒适性也提出了较高的要求。 内衣面料的舒适性也包括三个方面：瞬时接触冷暖舒适性，热温舒适性以及形变舒适 性。由于内衣为贴身穿着，其面料较理想的原料为吸湿，透气性良好的天然纤维和再 生纤维素纤维。内衣相当于人的第二皮肤，要随着人体的运动而产生形变。针织物的 成形是通过纱线的成圈圈套，缠绕而成，其特殊的结构使得针织物具有良好的拉伸， 起拱，剪切等性能。尽管随着纺织科技的不断发展，新型弹性纤维的不断出现，针织 物良好的形变性能仍然在内衣织物的织造中具有巨大的应用前景。在服装穿着中，其 中对舒适性要求比较高的是针织物内衣的舒适性。所以本课题就是根据针织物内衣的 结构参数和基本性能进行热湿舒适性的预测评判。 在充分把握针织内衣热湿舒适性评价及测试方法并理解人工神经网络工作原理的 基础上，运用m a t l a b 中的神经网络工具箱，依据实验所测得的针织物内衣的基本结构 青岛大学硕士学位论文 及物理性能，对针织物内衣进行热湿舒适性的预测，将预测结果与实测结果对比并进 行探讨。 在课题研究的过程中，主要解决以下问题： 1 根据人工神经网络的工作原理，在一定的随机性和广泛性原则下选取针织物内衣 面料试样2 0 种。通过各种常规试验方法和仪器，测试出各种影响针织内衣面料热湿舒 适性的基本结构参数以及基本的物理性能。 2 利用k e s f - - t l i 型精密热物性仪，对上述针织内衣面料在普通室温条件下进行 热学性能测试以及传湿性能测试。为人工神经网络模型的预测提供了目标值。 3 通过人工神经网络模型的构建原则，以上述所测的各种影响针织内衣面料热湿舒 适性的基本结构参数以及基本物理性能作为输入值，以k e s f - - t l i i 型精密热物性仪 所测的织物热学性能以及传湿性能作为输出值，建立两者之间的映射。热、湿舒适性 人工神经网络模型皆采用反向传播网络模型( 简称b p 神经网络) 。通过网络预测，分 别对热、湿舒适性能的预测值与实测值进行比较并进行探讨。 第二章服装舒适性的基本理论 第二章服装舒适性的基本理论 要利用人工神经网络对针织内衣的舒适性进行预测，必须对服装舒适性的内容进行 大致的了解。本章将从舒适性的定义出发，介绍服装热湿传递的机理和传递途径，并 总结影响针织内衣舒适性的各种因素，为下文利用人工神经网络这个工具对舒适性进 行预测作了铺垫。 1 舒适性的基本概念 舒适性是一个含义复杂的概念，它的涉及面十分广泛，与人体、服装及服装的穿着 环境都有关系。专家给出的舒适性定义基本可以归结为人与环境之间在生理、物理和 心理方面相互协调的一种令人愉悦的状态。舒适性的正面描述显得有点模糊，如果从 反面、即不舒适的感觉来描述，可以使之更加清晰。有专家对舒适性做了如下定义： 无痛、无不舒适感觉的一种中性状态。从卫生学角度讲，舒适性主要分为以f 几种： 1 服装的热、湿传递平衡。在不同的气候环境下，人体穿着衣服后，身体与环境 之m 叵处于能量交换之中，热湿舒适性是指服装调节人体与环境之间的热湿交换，使 服装内气候达到舒适状态的能力。在“人体一服装一环境”系统中，人的感觉受人体 状态、服装性能及气候条件的影响，服装对热湿的调节是一个复杂的动态过程。人体 代谢产生热量、环境气候状态决定着人体与环境之间的热湿交换倾向，而服装对热湿 交换的调控是决定服装气候及人的感觉的关键因素。在温度较高的环境中，或者由于 体力劳动或作剧烈运动，人体即产生大量的热量，这时人体的体温调节中枢可以通过 两个机制增加散热的速度。在寒冷环境中，人体交感中枢会使血管发生收缩作用，阻 止热量从身体内部大量传导到皮肤。下丘脑的体温调节中枢使出汗停止，即使蒸发散 热停i r ，这时人体的服装如不足以取暖，来自皮肤和脊髓的冷信号会刺激下丘脑后部 的寒战运动中枢，引起全身骨骼发生非节律性的颤动，使人体总产热量增加。虽然可 以通过上述机制调节体温，但人体总是不会感到舒适的，必须借助服装加以调节。 2 接触( 或触觉) 舒适性。服装在与人体皮肤接触时，服装织物的触感舒适程度， 包括由皮肤触觉神经末梢感觉的力学触觉舒适如软硬、粗糙、刺痛、静电和瞬时接触 的冷暖感等。 3 形变舒适性。人体在改换姿势或进行运动时，不可避免的会引起服装的变形。 这种变形不管是永久还是暂时现象，都将影响穿着者的舒适程度。 2 服装的热湿传递机理 穿上服装后，能使人感到舒服的最靠近身体躯干部空气层的气候是几乎处于很稳定 青岛大学硕士学位论文 的状态，即温度为3 2 。c l 右，湿度约为5 0 e 右”1 。但是，在日常生活中，要维持这 样的一个微气候环境，必须借助服装进行调节 2 1 服装的热传递机理 服装的热传递的客观形式是部分通过纤维传导：一部分通过织物中纤维问空气 的微弱对流进行传递；还有一部分热量是通过纤维与纤维表面的辐射进行传递。当人 体表面存在汗液蒸发时，人体散热还包括由于汗液蒸发、热量扩散的热量传递皿“。 温度性舒适的最基本条件是维持人体的热平衡，使人体热平衡差( q 。) 等于零。按照 热平衡方程式汁算： q ；= q 。q ，q 。q f - q 。2 ( 1 ) 如果考虑人体活动做功，则： q 。= q o q ，q 。q ，一q o - q 。2 ( 2 ) 式中：q 。一代谢产热量； q 。一辐射传热量； q 。一对流传热量； q ，一传导散热量； q 。一蒸发散热量： q ，一做功消耗的热能。 人体产热靠的是内脏等器官的代谢，是化学过程；散热靠的是传导、对流、辐射 和水分蒸发，属物理过程。体热平衡的理想状态是蓄热量s 等于零，这样才能保证体 温恒定。 传导、对流和辐射的驱动力是温度梯度，其传递方向决定于温度梯度的方向，传 导散热量k 、对流散热量c 、辐射散热量r 为正时，表示热量由人体向外传递，体温 降低；反之，表示人体吸收外界热量，体温升高。蒸发散热是单向的，只能由人体向 外传递。当外界气温高于体温时( 一般指3 5 以上) ，水分蒸发是散失体热的唯一途径。 2 2 服装的湿传递机理 人体散热有时必须依靠发汗才能获得人体产热和散热的热平衡，如果汗汽大量积 聚在服装与皮肤间的微气候中而不能及时扩散或传递到环境中去，人体将会感到很不 第二章服装舒适性的基本理论 舒适。因此，服装的湿传递性能是服装热湿舒适性中的重要内容。 人体皮肤表面水分的散失可以分为无感出汗( 无感蒸发、非显汗或潜汗) 和有感 出汗( 或显汗) 两种方式。如图2 1 ( a ) 所示，当皮肤表面无感出汗时，汗液在汗腺 孔附近或在汗腺孔内蒸发成水汽，皮肤表面上看不到液态的汗液，而是汽态的汗汽。 汗汽可以通过微气候区和织物内部孔隙扩散到环境中去，汗汽也可能在织物中凝结成 液态水，通过纤维内孔洞或纤维问孔隙的毛细管传输到织物外表面，在蒸发成水汽扩 散到环境中去。当皮肤表面有感出汗时，汗液分布在皮肤表面上，这时，通过织物的 湿传递是液态水，通过纤维的吸湿和毛细作用，汗液运输到织物外表面，再蒸发成水 汽并扩散到外界空间。如图2 1 ( b ) 所示，在有感出汗时，汗汽也可能与汗液同时存 在，汗汽也将以扩散或在织物中凝结成液态水后传输到织物外表面，蒸发后扩散到外 界环境中去。因此，织物的吸湿性和透气性都与织物的湿传递性能关系密切。 扩散 扩散扩散扩散 气水气水气水气水气 b “散凝结毛纠传输毛细传输蒸发 r 散 l 水气液态液态液态水气水气 皮肤内空织物内织物 表面气层表面 织物外边界空外空问 表面气层 ( a ) 无感出汗时服装织物传湿过程 三敞航 扩厂瓶差 青岛人学硕士学位论文 厂釉一獭一汗液一桷一托 # | 一汗液 扩敞扩散扩散扩敞 扩散 l 蒸发厂水气一水气一水气一水气一水气 h r输输蒸发扩散 l 一汗渍汗液汗液水气水气 皮肤内空织物内织物 织物外边界空外空间 表面气层表面表而气层 ( b ) 出显汗时服装织物传湿过程 图2 1 服装的传湿过程 3 1 针织物的特性 3 针织内衣舒适性的要求 与机织物相比，针织物具有优良的伸缩性、贴身性、多孔性以及成形的可能性。 伸缩性大是针织物最明显的特性。经编针织物与纬编针织物相比，纬编的伸缩性 更大。服装织物的伸缩性与穿着舒适性有关，通常具有2 5 3 5 伸长率的衣料，对 一般的人体运动不会产生妨碍，能够满足人体的运动舒适性要求。 针织物柔软，冈此贴身性较好，这就使其可用于制作柔软舒适的内衣产品。和经 编针织物相比，纬编针织物的这个特性更加显著。 针织物中纱线的状态是自由的，因此纤维之问的空隙率比同原料的机织物要大。 当外界无风时，由于纤维空隙之间静止空气的隔热作用，针织物的保暖性比同厚度的 机织物要好；不过，一般环境条件下，针织物的多孔性会使其保暖性下降。因此，在 寒冷的冬天，针织物不适宜作外套。 针织物除具有上述机织物所没有的优良特性外，还存在一些不足之处。比如，由 于其伸缩性大，因此保形性和尺寸稳定性差；由于其柔软、贴身性好，因此挺括性较 差；止l # i - ，针织物机械强度较低、易起毛起球、易勾丝，而且还具有脱散性与卷边性 第二章服装舒适性的基本理论 等。针织物的这些特点就决定了其适于用作柔软舒适的贴身衣物。 3 2 内衣的舒适性要求 内衣在整个服饰体系中最贴近人体皮肤，素有“第二肌肤”之称。随着社会的进 步和发展，人们对内衣的要求也逐渐提高， 越来越为消费者所重视。 内衣直接包覆在人体的皮肤上，因此， 远高于外衣。主要表现在以下几个方面。 除了对内衣的色彩、款式要求，舒适性也 从卫生学的角度来考虑，对内衣的要求远 1 内衣应具有较好的热湿调节能力( 内衣应具备良好的热湿舒适性) 要使人体处于热湿舒适状态，只能通过服装来调节。这种气候调节取决于服装材 料的性能、服装面料的组织结构、服装的类型及其相互配合，故作为贴身穿着的内衣 应具有良好的保温性、隔热性、透气性以及吸湿性等调节服装内气候的作用。当外界 气温较高时，人体皮肤经常不断有水分蒸发，作为内衣必须具有较好的吸汗、吸水性， 否则，便产生不舒服的感觉。根据这一要求，针织内衣可采用双层或多层结构，不同 层次纤维原料之间的亲水程度不同，这样可使贴身内衣具有吸汗、快干的舒适性能， 能更好地调节高温、高出汗量条件下的服装内气候，使人体保持舒适的热平衡状态。 当外界气温较低时，保暖性则成了内衣第一位的要求。人体对温度变化是比较敏 感的，但是，在着装情况下，外界气温对人体的影响取决于衣服的性能，因为服装的 隔热性决定了皮肤表面的空气温度。因此在寒冷环境下，内衣的保暖性能就显得尤为 重要。 无论在高温或低温条件下，经皮肤蒸发的水分和新陈代谢所产生的二氧化碳气体 都需要通过内衣不断排出，并与空气进行交换，不让废气在内衣的皮层积蓄，否则将 使皮肤产生不适感和闷热感。因此，贴身内衣还应具有适当的透气性。 2 内衣面料应具有一定的柔软度和肌肤触感。( 内衣应具备良好的接触舒适性) 因为皮肤列外界的刺激会产生反应，皮肤上分别有各自的感觉点，如触觉点、压 觉点、冷觉点、热觉点和痛觉点。在全身，触、压觉点5 0 万个，冷觉点2 5 万个，热觉 点3 万个，痛觉点2 0 0 万个”1 。共达好几百万的感觉点分布全身，为人体对服装柔软舒适 度的判断提供了感受器，内衣紧贴人体皮肤穿着，面料的柔软性对皮肤也是十分重要 的，否则当刺激的程度不可忍耐时就可能产生病态。此外，内衣材料应具有保护皮肤 的功能。即内衣面料既不积聚皮肤又能吸附污垢，吸汗防菌，柔软易洗。 3 内衣应具有较好的弹性，以适应人体活动自如的要求。( 内衣应具备良好的形 7 青岛大学硕士学位论文 变舒适性) 内衣在穿着和穿脱过程中，应始终与人体的活动或各部位皮肤表面的扩张和收缩 相适应，给人以合体舒适的感觉，这对内衣的伸缩性和材料的弹性提出了很高的要求。 因为没有弹性的内衣会妨碍身体的运动，束缚过紧会对人体产生压力从而影响人的呼 吸和血液循环，并会使人产生疲倦，降低工作效率。可见，弹性和伸缩性是对内衣的 一个极为重要的要求。通过对上述针织物特点的描述，其独特的结构而导致的高伸缩 率无疑使得针织面料是内衣首选的面料。 4 影响针织内衣热湿舒适性的要素 在相同的外界环境条件下，影响针织内衣舒适性的因素主要来自织物本身的性质， 主要包括织物的自身结构与物理性能。综合以上关于服装对热湿传递影l i 向机理的分析 以及针织物的特性，我们可以得出以下分析。 从织物的结构来说，织物的厚度是影响针织内衣热湿舒适眭的重要因素，通常织 物的厚度与其保暖性能成良好的线形相关，织物越厚，针织内衣的保暖性能越好；厚 度越大，则会阻碍水汽从织物中地扩散。在具体指标上我们将其表现为厚度以及平方 米重量。织物的密度也影响到针织内衣热湿舒适性的因素之一。织物的密度与纵物隔 热性之间也存在着一定的关系，在具体指标上我们将其表现为织物的面密度，织物的 纵密、横密，织物的体积重量。孔隙率越大，水汽将更多地经过织物中孔隙扩散到空 气中。在具体指标上我们将其表现为织物的未充满系数。织物的弹性和表面粗糙度f 蓬 松度) 也l 影响服装的隔热性，弹性好，隔热能力保挣叵定，在具体指标上我们将其表现 为织物的弹性回复率。表面粗糙度( 莲松度) 大，衣服与人体问形成较大的空气层， 隔热作用加强，在指标上我们将其表现为织物的线圈长度。 从织物的物理性能来说，纤维的导热系数或热阻大则保暖效果好，在很大程度上 影响了服装的热湿舒适性。在具体指标上我们表现为纤维的导热系数。在高湿条件下 或织物结构较紧密时，水汽的传递不再只是依靠织物结构因素( 例如，孔隙) ，也就是 说透气性。当纤维的吸湿性好时，也可由纤维自身进行传递。一方面纤维自身吸湿产 生膨胀，依靠孔隙扩敞传湿作用减小，但另一方而在紧密织物中毛细管产生的芯吸作 用得到了加强。因此织物原材料本身的吸湿性对热湿舒适性的影响也很大。在具体指 标上我们将其表现为纤维的回潮率。 综上所述，影响针织内衣热湿舒适性的因素大致为织物的厚度以及平方米重量， 织物的面密度、纵密、横密，织物的体积重量，未充满系数，弹性回复率，线圈长度， 纤维的导热系数及回潮率。 第三章舒适性的研究方法概述 第三章舒适性的研究方法概述 人工神经网络作为预测评价服装舒适性的一个新型的智能化工具，因此有必要了解 其他有关服装舒适性评价及其的方法。本章从仪器试验测试、人体试验测试两个方面 阐述了评价服装的舒适性试验方法，并总结了在试验方法所获取数据以后可采用的各 种可用于舒适性评价的数据处理方法。 1 服装舒适性评价的研究状况 二战期间，参战国备受严寒打击引发了学者的注意，丌始重视对服装舒适性的研 究。1 9 4 1 年g a g g e 和b u r t o n 提出了服装隔热保温综合行指标c i o 值【9 l 。之后，1 9 6 2 年， w o o d c o c k 考虑了人体水分蒸发引起的热量的损耗，从而为服装舒适性的研究引入了透 湿指数的概念1 1 “”j 。1 9 6 5 年，美国纳迪克( n a t i c k ) 研究所的著名学者高德曼 ( r f g o l d m a n ) 将服装的克罗值与透湿指数结合起来，提出了服装的蒸发散热效能指 数1 1 2 j 。h e n r y 提出热湿在服装问的传递作用是耦合的。2 0 【丛纪9 0 年代初，日本的原田 隆司博士提出了衣内微气候理论，把服装与皮肤间微小空间内的温度、湿度和风速作 为评估服装热湿舒适性能的重要指标【1 3 】。 2 0 世纪7 0 年代末，相关研究在国内的纺织院校和研究机构里重新被启动。国内早 期的研究主要是引进和消化国外的基本成果和相关理论。1 9 8 4 年，曹俊周翻译了福特 和霍利斯服装的舒适性与功能一书。1 9 8 5 年，欧阳骅编著了服装卫生学一书。 这两本书对国内的服装舒适性研究有过较为重大的影响。 2 0 世纪7 0 年代以后，世界范围内关于纺织品和服装舒适性的研究进一步活跃起 来。在前期研究的基础上，人们认识到，“人体一服装一环境”是一个不可分割的系统。 在这一阶段，人们比较注重对服装穿着舒适和功能性的全面研究，借助于相关学 科的发展，在测试手段和服装穿着状态的模拟方面有了很大的提高，出现了许多模拟 “人体一服装一环境”系统的仪器和各种类型的假人以及可以测试人体微气候内热湿 动态传递的织物微气候仪。早期的假人以测试服装及人体热舒适的暖体假人为主，后 来出现了出汗装置和出汗假人，可阻分别测试热、湿传递状态【1 “。长期以来，大量的服 装或织物的热湿舒适性研究主要集中在稳态条件下进行，分别用热阻和湿阻来衡量服 装或织物的热湿舒适性。2 0 世纪8 0 年代起，许多学者研制了微气候仪，致力于在人体 热湿状态和环境气候状态变化的情况下对织物热湿舒适性的研究【1 5 】。 进入2 0 世纪8 0 年代，人体生理学、心理学开始在服装领域得到应用。同时，人 工气候实验室的完善，使得人体穿着试验方法应用于服装舒适性的研究中。 青岛大学硕士学位论文 同时，学者们还意识到，仅仅凭借实验所测得的数据来对舒适性进行分析在某些 方面是不全面的，数理统计学中的回归分析及因子分析曾被应用于舒适性的评价中， 随着数学领域的开拓，模糊数学中的灰色聚类也被用来综合评价服装的舒适性。近年 来，计算机软件技术的开发，m a l l a b 矩阵处理软件中的人二 神经网路工具箱电为舒适 性的预测与评价提供了一个智能工具，目前此项技术正处于研究探讨阶段。 此外，各国学者还利用数学和物理方法对热湿传递性能做了大量的研究，并采用 计算机模拟技术，使人、服装和环境之间复杂的热湿交换过程得到了精确计算。 2 实验仪器客观评定法 2 1 传统仪器测试法 传热测试法 其测试指标最常用的有热阻( 克罗值) ，导热系数，导温率，蒸发散热效能等。 测试方法最常用的为恒温法，冷却速率法，平板法及热脉冲法m 1 。 恒温法：( 由美因的歇菲尔提出，后来作为a s t m 标准。) 等温热体的一面放置测 试织物，热体其它个面均为良好的隔热材料，测定保持热体恒温时所需的热量。 冷却速率法：用织物将热体包覆，将其加热到定温度后自然冷却，用热体的冷 却速度表示织物的隔热性能。 平板法( 热流计法) ：将织物夹在热板与恒温冷板之间，用圆形平板热流传感器测 定同过织物的热流量。 热脉冲法：( 该方法与单脉冲测量技术有关，而它又与核爆炸热脉冲测量有重要关 系) 由温度梯度引起的一系列热波通过样品，根据热波的衰减来计算热流。 传湿测试法 其测湿指标有湿阻，透湿率，回潮率，透湿指数，汽相缓冲系数。其中透湿指数 最能反映热湿问的相互作用，汽相缓冲系数为衡量织物对皮肤表面的汗汽的吸收与输 送能力的评判标准。其原理是特定时问水汽重量的减少来进行分析的。 传统方法简单易操作，包括以下两种陋1 6 , ”】： 湿法：在一定的温湿度情况下，将织物试样覆盖在装有吸湿剂( 例如，无水c a c 0 3 ) 的密闭干燥器的面积为a 瓶口上，在规定时间t 测得吸湿剂增重的重量g 。可计算织 物透湿指标u ；6 0 g 。 坍 蒸发法：在一定的温湿度环境中，将试样覆盖在装有定体积g o 蒸馏水的容器上端， 第三章舒适性的研究方法概述 经过一定时i n q ，测得液体质量的减少g ，可测得透湿率口= ；x 1 0 0 。蒸发法分为正 杯法与倒杯法，正杯法适宜于高阻抗材料，倒杯法适宜于低阻抗材料。 传统方法虽简单易行，但耗时较长。目前国际上采用的比较先进的方法有以下几 种【1 8 1 ： r 管法：在一封闭系统内，- f l u 为湿源，一侧为湿气吸收器，中间为织物。达到 稳定时，通过f i c k 扩散定律求得湿阻。 d n d 法：将织物试样夹持在两层四氟乙烯之间，一侧为干燥空气，一侧作为水杯 底部托住水。液态水和干燥空气都不能通过p t f e 薄膜，但水汽可以透过。通过测量 透湿杯的湿重来求得湿阻。 c t r l 法：装置中有两个小室，一个为相对湿度为1 0 0 的聚乙烯板制成的湿室， 一个为铝制成的干室，织物处在两室连接处。打开两室之间的隔板，一定时间后，测 量干室中靠近织物处的相对湿度的大小。 d s c 法：利用差示扫描量热计与热分析仪的连接装置来测量透湿杯的热流变化并 计算试样的蒸发透湿率。 2 2 暖体假人实验方法 假人本体是一个在形态、区段划分、体表温度分布和皮肤辐射系数等方面都符合 人体生理解剖特点的假人。暖体假人为在超出人体极限的测试环境进行实验研究提供 了可能，它还可以消除人体测试时心理因素的干扰，提供更加客观公正的测试结果。 自2 0 世纪4 0 年代起，各发达国家纷纷展开了对暖体假人的研制，最开始暖体假 人为干热暖体假人，只可以测试服装的热性能，且仅为一只假人胳膊、手臂等人体的 部分形态，直至今天暖体假人不仅有静态，而且还可以作出各种姿势，模拟人体运动。 f | 本和芬兰等国家相继研制出可以出汗的暖体假人，其特点是可以模拟人体出气态汗 的状态，主要在冷环境或舒适环境下对职业防护服装的热湿传递性能进行测试【”1 。东 华大学已经研制出暖体出汗假人，不仅可以研究服装的热学性能，还可以通过由水恒 温系统，供水增压限流系统以及出汗管路组成的出汗模拟系统来实现对传湿的测试。 该假人已经用于某国家重点任务中航天服热学性能实验1 2 0 i 。此外，还有可呼吸暖体假 人，可浸水暖体假人等。总体上看目前主要的暖体假人仍然是干热暖体假人和出汗暖 体假人，且以干热暖体假人的研究技术比较成熟。 一般的假人至少是由假人本体和计算机智能测控系统组成，其材质也分为铜质、 铝质、： 程塑料类等多种。干性暖体假人，主要是测定服装的热阻。变温法除测定服 青岛大学硕士学位论文 装热阻夕卜，还可以给出近似真人群体实验的生理数据。“出汗”假人则主要用于热环 境服装散热排汗等舒适性的实验评价。如图所示的假人全身划分1 6 个独立区段，即： 头颈部、胸部、背部、腹臀部、左右上臂、左右前臂、左右手、左右大腿、左右小腿 和左右足，假人各个区段温度可独立控制，其上敷设有加热电路和许多测温传感元件， 这就是干性暖体假人。如果是能模仿人“出汗”的，那还要加上“出汗”机构。这些 电路、机构，通过电缆和管道与控制系统一计算机、外部设备通道相联接，此外 还要有一个可以调节气温、风速、温度的环境，这些环境参数的传感元件，也要与控 制系统联接。实验是在控制系统的自动控制下，由原来编好输入的程序控制运行，一 般多采用周期性不间断的实时在线反馈控制，就是每经过若干秒( 一个周期) 将各个有 关数据巡回检测一遍，然后按予定的数学模型逐一计算出各项参数和反馈量，并输出 到假人本体。这样反复控调，最后使假人与环境间的热交换状态，趋于稳定平衡，并 维持一定时间之后，计算打印，输出实验结果【媳2 i j 。 图3 1 暖体似人 2 3 织物微气候仪 随着研究的深入，许多学者开始注意到服装内微气候的重要影响，分别设计了不 同的类型的微气候测试仪，通过模拟在外界环境中，检测模拟皮肤与试样间的微气候 变化情况及热湿传递的动态情况。其测试原理为：通过检测人体热量和汗汽通过织物 内空气层、织物及织物外空气层与环境进行能量交换、质量交换的全过程，用温度梯 度和湿度梯度法测试出织物能量交换和质量交换的状态变化，从而反应织物对能量流 和质量流的阻力。 原田隆司博士于1 9 8 2 年在总结前人工作的基础上，设计制作了微气候仪。 f a m w o r t h 则设计了动态传热传湿仪。龚文忠，严灏景1 2 2 】等在f a m w o r t h 设计的微气候 第三章舒适性的研究方法概述 仪基础上研制了织物透湿性测试装置，在其仪器下方有一个与水室相连的毛细管刻度 管，动态显示透过织物水汽量的大小。姚穆，施楣梧| 23 j 等研制的织物微气候仪，仪器 核心区域设置的同步跟踪内水杯的外水槽，保证内水杯的温度始终保持一致。与内杯 相连的毛细管测出透过织物的透湿率。 周小红，王善元【2 4 】等研制的低温下织物热湿传递特性的试验装置，也称“低温织 物微气候试验仪”，由计算机控制，操作方便，实验时间短。微气候仪的人体出汗皮肤 利用精确控温的热板加热润湿的滤纸来模拟，热板的内置铂电阻温度传感器和高分子 薄膜电容式湿度传感器来测量微气候的温湿度变化。结构如图3 2 所示，由三部分组成， 上部是半导体制冷装置模拟的低温环境，温度设计可降至4 0 。c ，下部是恒温水浴模拟 人体的出汗生理现象，恒温水浴设计6 0 m m ，这二部分的温度采用p i d 控制。中间是 试验区，被测试织物两侧的试样夹上安装温度和湿度传感器，每层设置3 只温度传感 器f p t l o o ) 和1 只湿度传感器( h i h 3 6 1 0 ) ，如图所示，试样夹厚度为1 0 m m 。采集的信号 通过变送器转换，把非标准信号转换成标准信号，再传给数据采集模块，由数据采集 模块进行a d 转换，通过通讯口与计算机进行通讯，定制软件检测到通讯口传输过来 的信号时，进行翻译转换，实时显示在计算机显示器上，并由计+ 算机记录、分析。 半导体 制冷装置 试样夹 织物 模拟皮肤 图3 2 低温织物微气候试验仪结构图 尼龙 织物试样 温度传感 相对湿度传感 微气候仪的研制逐渐从测透湿单项向多功能方向，计算机控制智能方向发展。人 体并不总是处于稳态状态下，织物微气候仪为动态测试织物热湿传递提供有效的实验 手段。 青岛大学硕士学位论文 此外，微观物理技术的发展使得对热湿传递的研究更加微观和具体，其中有测试 湿传递的中子示踪法【2 5 1 。将中子束射向正在进行热湿传递过程的织物层，用象素为1 0 2 4 1 0 2 4 的c c d c a m e r a 成像系统来对射出的中子进行拍摄，由于中子遇氢分散，由此 可得水分子的散播图像。目前开发出的还有磁共振图像法等。 3 人体试验方法 人体着装实验要选定一定的温湿度条件或处于人工气候仓中，对受试者有一定的 要求，应该是具有一定专业知识的人，或经过一定的专业培训，能够准确地表达在着 装以后的心理感觉。其身体状况也应具有一定的代表性，不能过于敏感办不能过于迟 钝，以确保实验结果的有效性及可比性。人体着装实验可以测试受试者的生理物理参 数也可阻测量受试者的心理感受汹2 7 - 2 町。 3 1 生理实验测试 服装生理学评价方法是通过测试人体在特定的活动水平和环境下，以穿着不同种 类服装对生理参数的变化来评价服装舒适性的种客观方法，是服装功效学的主要手 段之一，服装生理学的评价指标有：体核温度( 一般用直肠温度) 、平均皮肤温度、平 均体温、代谢热量、热平衡差、热损率、心率、血压、服装各层的水分含量、服装小 气候的相对湿度、服装小气候的温度、出汗面积、出汗速度等。尽管人体的生理指标 因人而异，但其变化是有规律的。从统计学的观点来看，人体皮肤的表面温度和出汗 潮湿面积比例变化是在一条生理曲线带内，在着装状态下，人体可以通过生理调节使 得人体皮肤表面温度和出汗潮湿面积比例都能满足产热和散热平衡的要求，但使人体 感到舒适的度肤表面温度和出汗潮湿比例只有一个很小的范围。 3 2 心理实验测试 因为没有物理仪器能客观地测量着装者的感受，因此把舒适性主观感知以何种形 式表达出来成为进一步分析的关键环节。因此许多研究者就把心理学标尺技术应用于 服装舒适性的研究，心理学标尺是一种由指定“数字”组成而赋予物体或事件特征的 测量，依据反映某方面真实性的原则进行。在社会学及市场研究中，已广泛地使用心 理学标尺获得消费者的观点并研究其态度和偏好。这里术语录“数”并不一定对应于 靠物理工具( 仪器) 获得的客观测量值的真实数字。通常研究者先找出描述服装舒适 性的两个极端情况，然后在这两端之间的区l 刈划分间隔( 分级) ，分别以不同的术语对 处于这几级的热湿舒适性状态进行描述。在发展人体服装感觉研究的方法论中，h o l l i e s 使用了许多不同类标尺获得被测者的感觉，其中包括四级、五级标尺法，见表3 1 和表 1 4 第三章舒适性的研究方法概述 3 2 。其实验方法是预先设计好问卷调查表格，让受试者通过穿着试验，根据自己个人 的心理感觉对穿着服装的舒适感觉指标( 如闷热感、粘体感等) 进行舒适感觉评分。 表3 1h o l l i e s 的四级标尺 4 局部地 3 适度地 2 明确地 1全部地 表3 2h o l l i e s 的五级标尺 1 完全不舒服 2 i 3 4 5 完全舒服 服装的舒适性评价是很复杂的，它不仅涉及到组成织物本身的物理机械性能包括纤 维性能，织物组织结果、性能，以及后整理加工等，还与人们的心理、生理影响有关。 因此，舒适性感觉研究中，数据分析是极为重要的。传统方法采用非变量统计工具如 方差分析和相关分析进行。在过去的1 0 年中，随着计算机技术的发展，使得对复杂技 术的处理能力也大大增加，使得多元分析成为可能。 4 数据处理方法 统计方法是一种最传统，最基本的数据处理方法。在科学研究中，经过统计方法 处理过的数据可以获取更准确、更全面的信息。 4 1 回归分析 回归分析是一种传统的统计方法。回归分析就是把隐藏在随机实验数据中的规律找 出来。由微积分知识可知，任一一函数都可分段用多项式接近。回归分析研究的数学模 型主要是线形回归和多项式回归模型，而后者可以转化为前者。因此，要建立影响舒 适性各因素与舒适性之问的关系，在理论上是完全可以通过线形回归模型来实现的。 回归关系不同于函数关系就是其不完全确定性。由于在测量影响服装舒适性的面料的 基本结构及性能时的实验仪器操作误差、随机性误差以及人体实验中评定各主观感知 因素等级时存在的主观性误差，得到的回归方程都是在一定的置信水平下才能成立。 一般求出的单个回归方程的适用范围较窄，当影响舒适性各因素指标的数值距离建 立方程时所用的测得值较远时，对总体舒适性的评价误差就会增大。 青岛大学硕士学位论文 传统的统计方法经过了较长时间在各个领域的应用，其稳定性和可行性己得到检 验。由于舒适性是一个模糊的状态概念，用其进行评价存在一定的弊端，大多用于单 项舒适性指标的评价。 4 2 因子分析法 影响舒适性的因素有很多，且这些因素之间存在着一定的相关性，因子分析方法 可以把众多的因素用较少的变量即主因子来代替，这些主因子尽可能达到众多因素描 述舒适性的效果。主因子分析再现原始变量与因子之间的关系有两种形式：或用因子 结构反应变量与因子的相关关系，或用因子模型以回归方程的形式将变量表示为因子 的线性组合。 w o n g 2 9 l 等人通过主因子分析，针对一组自行车赛服的主观感觉测定值进行数 据处理，找出感知主因子并得出各感知主因子方差的百分比并将其作为各因子的权值， 最终得出舒适性与各主因子的线形模型，证明计算评定值与实测值之间有较高的相关 性。 4 3 灰色聚类 人体穿着服装的舒适性实际上是人们的一种感觉状态，我们很难找到一个明确的 量来划分舒适与不舒适的范围，用精确数学的方法来描述存在很大的困难。模糊集合 论不是用一个简单的“是”或“不是”或者“属于”或者“不属于”来描述，而是通 过“属于的程度”( 隶属度) 来刻画。在评价舒适性方面，主要有排序法和聚类分析这 两种方法。 灰色聚类较前两种方法应用得更多一些，传递闭包法与直接聚类法只是对服装的 舒适性能的简单分类。而灰色聚类则提供了聚类灰数，即灰类，可以将舒适性分为从 好到差三个、四个或更多个灰类。将n 种服装与影响其舒适性的m 项各因素指标构造 n x m 矩阵，m 项因素指标须与舒适性是正相关关系，否则取其倒数。在本文中，将针 j 织内衣的热湿舒