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博主课外兴趣：中西方哲学，送予读者：
做科研，涉及到一个深在的思想系统，需要科研者逻辑缜密，踏实认真，但是不能只是努力，很多时候借力比努力更重要，然后还要有仰望星空的创新点和启发点。当哲学课上老师问你什么是科学，什么是电的时候，不要觉得这些问题搞笑，哲学就是追究终极问题，寻找那些不言自明只有小孩子会问的但是你却回答不出来的问题。在我这个专栏记录我有空时的一些哲学思考和科研笔记：科研和哲思。建议读者按目录次序逐一浏览，免得骤然跌入幽暗的迷宫找不到来时的路，它不足为你揭示全部问题的答案，但若能让人胸中升起一朵朵疑云，也未尝不会酿成晚霞斑斓的别一番景致，万一它居然给你带来了一场精神世界的苦雨，那就借机洗刷一下原来存放在那儿的“真理”上的尘埃吧。
或许，雨过云收，神驰的天地更清朗.......
本文目录如下：⛳️⛳️⛳️
目录
1 文字总概述
2 阅读全文及代码展示
3 全文总结
1 文字总概述
插层熔喷非织造材料的性能控制研究
摘要
熔喷非织造技术因工艺流程短、生产效率高等特点在纺织品产业中扮演着非常重要的角色。但熔喷非织造材料存在压缩回弹性差等问题，为改进其性能，有学者提出插层熔喷法。本文主要研究熔喷插层法对材料的工艺参数、结构变量和产品性能的影响，及材料的工艺参数、结构变量和产品性能的交叉影响和自身内部参数的交互影响以及性能最优化问题。本文主要通过建立相关性模型、预测模型和目标优化模型等对该问题进行深入研究。
针对问题一 针对插层结构变量、产品性能的变化规律，建立熵增微增率模型通过python进行可视化分析。然后再基于皮尔逊相关系数法对结构变量及产品性能插层前后的对比数据进行具体的变量相关性分析；针对插层率对于这些变化的影响，由于变量过多且数据较杂，相较于皮尔逊相关系数法，斯皮尔曼相关系数法对参数异常值包容度高，其相关系数不易异常值受影响。故对多变量相关性分析建立斯皮尔曼相关性模型，最后计算结果可由以热图形式呈现便于分析。
针对问题二 这是一个预测问题，首先，基于已知数据利用多元非线性回归方程求解工艺参数与结构变量的预测模型。其次，考虑到出现比较多的变量和模型残差问题，本文利用孤立随机森林预测法对该预测模型进行对比。最后，将所预测出的结果进行比较分析，将所得出的预测结果填于表中。两种算法的比较结果显示它们的数据值差距很小甚至几乎相等，该预测模型的预测性能优良，预测值较为精确。
针对问题三 对于结构变量和产品性能多变量的关系，首先对两者影响程度的关系建立典型相关性模型。其次对两者的数学关系建立非线性回归拟合模型。对于结构变量之间、产品性能之间的关系，对变量建立肯德尔相关模型。对于求解过滤效率最高，该问题为优化问题，以过滤效率最大为目标函数，以工艺参数、结构变量为约束条件，考虑到产品性能之间也有相关性，需把过滤阻力和透气性也作为约束条件。建立单目标多约束优化模型，对于典型相关性模型利用SPSS进行求解，对于单目标优化模型，采用收敛速度快且精度高的启发式搜索算法混合粒子群的混沌蝴蝶优化算法对该模型求得最优解，当接受距离为21.09694cm，热空气速度为810.32506r/min时，过滤效率最高为89.81246%。
针对问题四 相较问题三的单目标优化，该优化问题为双目标优化。设过滤效率最大同时过滤阻力最小为双目标函数；根据题设要求将工艺参数、结构变量设为约束条件，考虑产品性能之间存在相关性，并将透气性也作为约束条件。由于双目标优化较复杂，为了找到全局最优解，本文采用多元宇宙优化算法对该双目标优化模型进行求解并用matlab画出最优前沿解集。最终得到：当接受距离为36.2051cm，热空气速度为817.303r/min时，过滤效率最高为52.0768%，且过滤阻力最小为：18.7408Pa。
关键词： 熵增微增率法 斯皮尔曼相关系数法 孤立随机森林预测模型 混合粒子群的混沌蝴蝶优化算法 多元宇宙优化算法 二元非线性回归拟合模型
一 问题重述
1.1问题背景
近几年由于新冠疫情的爆发，我们国家的口罩需求量在不断增长，口罩几乎成为了我们日常生活中必不可少的东西。所以我们对其质量也有一定的要求，这样才能有效保护我们的健康。口罩生产过程中一个很重要的原材料是熔喷非织造材料，因其具有很好的过滤性能，并且及其容易制造、成本低、质量轻等特点，受到了很多国内外口罩制造商的青睐。但是其也存在一个缺点，由于熔喷非织造材料的纤维特别细，所以导致口罩生产过程中的压缩回弹性得不到保证，因此有科学家们提出插层熔喷法，即通过在聚丙烯（PP）熔喷制备过程中将涤纶（PET）短纤等纤 维插入熔喷纤维流，制备出了“Z型”结构的插层熔喷非织造材料。然后在实际生产过程中，该方法涉及的工艺参数较多，并且他们之间相互影响，还存在插层气流等一系列复杂的问题，因此，如何构建一个工艺参数与结构变量、结构变量和产品性能之间的关系模型，已经成为研究的一个重要课题。
1.2 问题提出（题目重述）
熔喷非织造材料是口罩生产的重要原材料，具有很好的过滤性能，其生产工艺简单、 成本低、质量轻等特点，受到国内外企业的广泛关注。但是，由于熔喷非织造材料纤维 非常细，在使用过程中经常因为压缩回弹性差而导致其性能得不到保障。因此，科学家 们创造出插层熔喷法，即通过在聚丙烯（PP）熔喷制备过程中将涤纶（PET）短纤等纤 维插入熔喷纤维流，制备出了“Z型”结构的插层熔喷非织造材料。
插层熔喷非织造材料制备工艺参数较多，参数之间还存在交互影响，加上插层气流 之后更为复杂，因此，通过工艺参数（接收距离和热空气速度）决定结构变量（厚度、 孔隙率、压缩回弹性），而由结构变量决定最终产品性能（过滤阻力、过滤效率、透气 性）的研究也变得较为复杂。如果能分别建立工艺参数与结构变量、结构变量和产品性 能之间的关系模型，则有助于为产品性能调控机制的建立提供一定的理论基础。 请查阅相关文献，了解专业背景，研究题目数据，回答下列问题。
问题1：请研究插层后结构变量、产品性能的变化规律，并分析插层率对于这些变化是否有影响？
问题2：请研究工艺参数与结构变量之间的关系。表1给了8个工艺参数组合，请将预测的结构变量数据填入表1将图画为表格形式中。
表1 问题2的结果
| 接收距离（cm） | 热风速度 （r/min） | 厚度mm | 孔隙率（%） | 压缩回弹率（%） |
| 38 | 850 | |||
| 33 | 950 | |||
| 28 | 1150 | |||
| 23 | 1250 | |||
| 38 | 1250 | |||
| 33 | 1150 | |||
| 28 | 950 | |||
| 23 | 850 |
问题3：请研究结构变量与产品性能的关系，以及结构变量之间、产品性能之间的关系。 结合第二问，研究当工艺参数为多少时，产品的过滤效率将会达到最高？
问题4：实际上，产品生产需要兼顾各方面的条件和要求。如接收距离不大可能大于100cm，热空气速度也不大可能大于2000 r/min。按照应用的要求，厚度尽量不要超过3mm， 压缩回弹性率尽量不要低于85%。另外，为了防止熔喷非织造过滤材料因过滤阻力大使 得大量颗粒堵塞孔隙而致使过滤效率迅速下降的现象发生，产品是需要同时追求过滤效率高和过滤阻力小的目标的。请问工艺参数为多少时，能够使得过滤效率尽量的高的同时力求过滤阻力尽量的小？
二 问题分析
2.1问题一分析
针对插层前后的结构变量、产品性能的变化规律。首先需处理原始数据组，在原始数据中提取出插层前和插层后的对比数据组，并根据熵增微增率模型计算出每个参数的变化率，最后通过在python画出结构变量、产品性能的变化规律图形，对数据进行分析，若大多数样本熵增大于0，则可初步判断插层熔喷法可改善结构或提升性能，反之，则判断插层熔喷法会破坏结构或降低性能，若图形非常接近0，则判断该方法对结构和性能无影响。其次，利用皮尔逊相关系数法对结构变量及产品性能插层前后的对比数据进行具体的单变量相关性分析。若皮尔逊相关系数r>0，则插层前后呈现正相关，即可表示插层熔喷法可改善材料结构和提升产品性能，且当r越接近1相关效果越好。反之，则呈现出负相关，即插层熔喷法会破坏材料结构，降低产品性能，当r=0时，表示插层前后的参数不相关，即插层对结构变量、产品性能无影响。最后结合熵增微增率及皮尔逊相关系数分析结果得出最终结论。
针对插层率对于这些变化是否有影响的问题。既可采用多向方差分析法检验插层率对这些参数变化值是否有显著影响。又可先计算出数据中各参数的差值，以其结果作为变化值。并采用斯皮尔曼相关性系数对变化量进行多变量相关性分析。由于斯皮尔曼对参数的要求并不严格，拟采用斯皮尔曼相关系数法衡量插层率对参数变化值的影响。且由于变量较多，计算结果可由以热图形式呈现便于分析。
2.2问题二分析
针对已知工艺参数预测结构变量的问题，这是一个基于已知数据的预测问题，考虑采用非线性回归预测法。首先要得到工艺参数和结构变量的关系模型，对表1已知的功率参数和结构变量数据建立二元非线性回归拟合模型，得出基于功率参数的结构变量预测模型，并对预测模型进行残差分析判断其预测可行性。最后利用matlab对该模型求解得到相关参数预测值。再者，可利用已知的功率参数和结构变量，通过孤立随机森林预测法进行模型验证，佐证模型的优良性能。
2.3 问题三分析
针对结构变量与产品性能的关系、结构变量之间、产品性能之间的关系。
在相关性方面，首先考虑利用SPSS工具对结构变量、产品性能做典型相关性分析来衡量两者之间的关系，通过对两者标准化典型相关性系数、非标准化典型相关系数和方差比例进行分析得出结论。结构变量之间、产品性能之间的相关性则利用SPSS工具进行多变量肯德尔相关系数分析。
在模型方面，考虑结合第二问中的工艺参数与结构变量的关系，可通过对结构变量和产品性能建立非线性回归拟合模型，得出产品性能和结构变量的的关系模型。
针对求解产品的过滤效果最高问题。该问题为优化问题。以过滤效果最大为目标函数，以工艺参数、结构变量为约束，考虑到产品性能之间也有相关性，需把过滤阻力和透气性也作为约束，建立单目标优化模型，本文拟采用收敛速度快且精度高的启发式搜索算法混合粒子群的混沌蝴蝶优化算法对该模型求最优解。
2.4问题四分析
可运用问题三的产品性能和结构变量的关系模型建立思想，利用多元线性回归拟合法求出与工艺参数、结构变量和透气性等参数的过滤效率和过滤阻力的数学模型。以过滤效率最大、过滤阻力最小为双目标函数，以工艺参数、结构变量和透气性为约束条件，建立双目标优化模型。多元宇宙优化算法具有求解精度高，不易陷入局部最优等良好性能，拟采用该算法对双目标优化模型进行求解。
2 阅读全文及代码展示
3 全文总结
九 总结
针对工艺参数、结构变量和产品性能之间的影响及各自内部之间的影响，本文通过建立熵增微增率模型、相关性模型（皮尔逊相关性模型、斯皮尔曼模型、典型相关性模型和肯德尔相关性模型）分析变量间的影响程度。
针对工艺参数、结构变量和产品性能之间的预测问题，本文通过建立多元非线性回归预测模型、多元线性回归预测模型和孤立随机森林预测模型得到各变量之间的关系，并以关系数学模型解决预测问题。
针对产品性能最优问题，本文通过建立单目标优化模型和双目标优化模型，通过混合粒子群的混沌蝴蝶算法、多元宇宙优化算法对模型进行求解，得出全局最优解。
由以上全部模型求解结果可知，工艺参数、结构变量和产品性能之间不仅交叉影响，它们本身的内部参数也存在交互影响，比如结构变量之间的厚度、 孔隙率、压缩回弹性，当厚度增加时，对于孔隙率和压缩回弹也是有影响的。插层熔喷法对熔喷非织造材料的结构变量、产品性能都有一定程度的正向影响。但并非插层率越高越好，插层率对每个参数的相关性是不一样的，例如对厚度呈正相关，对孔隙率呈负相关。根据产品性能需求建立多目标优化模型，确定我们的目标函数和相应的约束条件，比如最后一问在接受距离不大于100Cm,热空气速度不大于2000rmin，厚度尽量不要超过3mm， 压缩回弹性率尽量不要低于85%等等，才有助于产品性能调控机制的建立。
