无缝针织内衣机的花型准备系统及数据安全

汝 欣， 史伟民， 彭来湖， 刘宜胜， 向 忠

(浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室， 浙江 杭州 310018)

无缝针织内衣机的花型准备系统及数据安全

汝 欣， 史伟民， 彭来湖， 刘宜胜， 向 忠

(浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室， 浙江 杭州 310018)

因进口花型制版系统通过加密垄断了针织无缝内衣机的工艺制版技术，为满足国内针织无缝内衣设计生产的需求，设计了一套针对无缝针织内衣机花型及链条动作的数据准备系统，并提出了一种文件数据压缩、加密、解析的算法，以解决数据安全性和大容量问题。花型准备系统分为花型子系统和链条动作子系统，花型子系统用类组织意匠位图表示织物的组织结构，用色彩位图表达编织过程中纱嘴动作；根据无缝针织内衣机的编织工艺、动作流程，为链条动作子系统设计了一系列数据结构表达链条动作文件数据。经现场制版验证，花型设计方便、快捷、高效，花型文件数据小，传输安全可靠。

无缝针织内衣机； 数据解析； 压缩算法； 加密算法

无缝织造技术是依据人体曲线和生理机能，依托电脑辅助编程设计款式，采用智能的数字化加工生产手段，使成品以立体的、整体的造型结构直接生产出来的技术[1]。与传统的针织生产方式相比，无缝织造技术具有劳动力成本低，一次成型减少了原料浪费，组织机构变化灵活，可织造三维立体组织的优点。

无缝针织内衣机是完全由电脑控制的内衣生产设备[2]，一次编织织物基本成型，下机后稍加裁剪、缝边及后整理，便可生产出最终产品[3]。在编织时，产品的花型、尺寸、组织结构、密度，机器转速、哈夫针的进出、喂纱换纱等动作都根据针织产品工艺要求自行设计，再经数据准备系统解析编译后下载，对织物的编织过程进行控制，可实现自动提花、自动添纱换纱、自动起口、自动扎口、自动检测与控制等功能[4]，是较为先进的成型设备。

目前从技术、机型种类、销售量和市场占有率来说，意大利圣东尼公司生产的无缝针织内衣机居全球领先地位。国内无缝内衣生产厂采用的设备大部分来自圣东尼公司。制版系统作为无缝针织内衣机的配套软件，也基本被国外垄断。目前国内对无缝针织内衣机制版系统研究较少，主要集中在横机、圆机等机型制版系统的研究。本文通过对无缝针织内衣机编织工艺的研究，设计了一套针对无缝针织内衣机的包含花型绘制与编辑、动作文件插入编辑等功能的花型及动作文件数据准备系统，该系统结构灵活，通用性较强。

1 系统功能分析及结构设计

圆机的花型准备系统主要由图形编辑系统负责花型的绘制和编辑，再辅以一定的动作设计工具[5-6]，由于无缝针织内衣机需要控制的动作较多，本文系统单独设计一个链条动作系统用来插入、编辑和编译链条动作。整个无缝针织内衣机花型动作数据准备系统的结构如图1所示。

花型子系统为用户提供绘制花型的平台，内含各种绘图工具。鉴于针织织物花型设计的特殊要求，除普通的绘图功能外，本文系统还添加了图形阵列复制，颜色保护等功能以提高绘制效率。此外，花型子系统可设置配置文件，配置文件设定了花型的可执行颜色以及每种可执行颜色对应的选针器、纱嘴动作。文件编译功能将根据绘制的花型以及配置文件将文件解析为可执行的选针器驱动文件[7]。对于花型的保存与读取，可将绘制的花型保存为一种特殊格式，同样子系统也可导入已绘制好的花型。

链条动作子系统为用户提供编辑动作链条文件的平台，根据工艺要求输入链条动作，也可导入链条动作文件进行编辑。此外，还可对编织设备的参数进行设置，以保证动作文件执行过程中的精准性、有效性、安全性。文件编译功能将链条动作文件编译为控制设备动作的可执行文件。

2 子系统的设计

2.1 花型子系统的设计

花型子系统负责绘制织物提花花型。设计师或者打版师根据预想的图案，使用鼠标在图上填充颜色，图上色点的颜色可以代表纱线的颜色或组织，绘制完毕再根据参数解析花型直接得到上机的数据文件。这种可视化的设计过程直观、方便、准确性高。本文系统还设计了对照花型针位设置纱嘴动作的功能。与绘制花型类似，只要在纱嘴图层中根据动作需求填充色点即可，该色点颜色代表了不同的纱嘴动作。系统还为用户设计了配置文件，指出设备的配置情况以及绘制花型和纱嘴时的可执行颜色及相应动作，用户可使用标准文件或自行设置。花型子系统允许用户绘制或从外部输入花型，并提供完备的花型文件检查、编译功能[8]，避免用户花型出现错误。花型子系统的工作流程如图2所示。

2.2 链条动作子系统的设计

无缝针织内衣机除了选针器、纱嘴要根据花型提花编织外，还要进行起口、扎口等一系列复杂的动作[9]，需在链条动作子系统中进行设计。本文系统为用户提供了模板链条动作文件，选择适宜的模板后，只需换上待编织的花型并做微调就可编织不同款式的织物，使内衣的设计变得快捷、方便、容易上手。对于有经验的工艺师傅，可以根据需求设计编织过程的动作，使内衣设计变得更加灵活。花型子系统的工作流程如图3所示。

本文系统提供用户修改设备参数功能，便于在结构相似、尺寸或配置略有不同的无缝针织内衣机上使用该链条动作子系统，系统具有一定的可扩展性。同时，在设计完链条动作、编译之前，还设计了检查工艺的环节。由于无缝针织内衣机编织工艺较为复杂，进行一些常规的工艺检查也可以保证设备运行过程的安全性、可靠性。

3 花型数据准备

一般的花型准备系统绘制图型对应的是织物的花型意匠图[10]。每个像素点代表花型意匠图的1格，即织物的1个线圈，该像素点的颜色代表织物对应线圈的颜色。而无缝针织内衣机的花型准备系统可以绘制2幅图，一幅对应织物的结构意匠图，每个像素点代表结构意匠图的1格，该点颜色对应相应的织物组织结构；另一幅对应织物的纱嘴动作图，用来控制无缝针织内衣机的纱嘴动作，每个像素点对应织物编织时的1针，该点颜色对应相应的纱嘴动作。

编译无缝针织内衣机的花型文件时，一方面要将上述结构意匠图解析为可执行的二进制选针器信息，控制选针器的出针，编织不同的花型组织；另一方面要将上述纱嘴动作图解析为可执行的纱嘴动作控制信息，配合选针器完成花型编织。此外，编译无缝针织内衣机花型文件时可分为2个阶段：第1阶段将位图解析为适用于无缝针织内衣机花型准备系统的文件，用于花型的保存、修改、传播；第2阶段将位图解析为机器可用的二进制文件，用于设备的运行。

3.1 绘图信息的存储

在绘制花型前，先进行颜色配置文件设置，该配置文件与设备配置情况一致，包括设备总路数、每路成圈系统的选针器及纱嘴配置情况、在绘制结构意匠图和纱嘴动作图时可供使用的颜色及相应的选针器或纱嘴动作。

3.1.1 位图的分解

图4示出织物组织结构意匠图。宽W为8针，高H为8针的花型，颜色数C为4。图中，B代表黑色(色号为1)，G代表绿色(色号为2)，R代表红色(色号为3)，Y代表黄色(色号为4)。

用行向量Di来表示结构意匠图的一行，则Di=[a1,a2,…,aj,…，aW]，其中aj为相应元素的色号。则行向量组可将整个结构意匠图(见图4)表示为D=[D1,D2,…,Di,…，DH]T。图4中的意匠图可表示为向量组

3.1.2 数据的压缩与加密

在花型绘制过程中，可能存在一行中连续绘制某个颜色的情况，这种情况下，对应图形的行向量中会存在大量连续的相同元素，若直接存储在文件中，这些数据会占用大量的存储空间，在一定程度上造成了存储空间的浪费，特别是在资源不富足的工控机或者嵌入式系统里，这个问题显得尤为突出，所以，文件存储时对数据进行压缩，采用行程长度压缩，即[色号重复次数][色号]2个字节为1个单元的存储方式，依次存放向量组中每一行向量。

采用这种存储方式，3个及以上连续色号的颜色存储都能得到压缩。采用压缩存储方法与不采用压缩存储方法的数据占用空间比较见表1。

表1 采用压缩存储与不压缩存储占用存储空间比较Tab.1 Data spaces of different storage methods

3个同色的连续色号，采用压缩存储方法后，空间占用为不采用压缩方式的66.67%，最有利情况下，255个同色的连续色号压缩存储后空间占用为不采用压缩方式的0.78%。当图形中存在2个同色连续色号时，2种存储方式占用空间相同。当图形中只有1个连续色号时，压缩方法反而占用200%的空间，但是由于针织织物的特点，一幅花型中，只存在1个连续色号的总数远小于连续3个以上点，总体而言还是采用压缩存储方式占用的空间更小。按照这种压缩方式，图4中D1存储为0x03 04 02 03 03 04，D2存储为0x02 04 01 02 02 04 01 02 02 04，依次类推，可得到整个图4所示意匠图的压缩存储数据。

纱嘴动作图的存储方式同上，整个数据文件先存放结构意匠图压缩数据，再存放纱嘴动作图压缩数据。

数据压缩完成后，出于安全性考虑，对数据进行加密处理。由于数据最终在无缝针织内衣机电脑控制系统中执行，一般系统处理速度、内存空间有限，因此需要采用一种时间、空间复杂度都不高的加密算法。本文所采用的算法是结合私钥、随机数的加密算法。通信两端设备各拥有同一组私钥。加密时，由系统产生一组随机数，使用这组随机数对文件进行异或运算，并将该组随机数使用私钥通过特定算法加密，加密后的数据同文件密文一同传输。解密时，先读取文件中被加密的随机数，通过本地拥有的私钥解密后得一组数，这组数即为加密时使用的随机数。使用这组数对文件进行异或运算，则得到文件明文。这种加密算法占用内存空间小，运算速度快，可以满足运行环境的要求。

3.2 绘图信息的解析

在设置颜色配置文件参数时，用户可根据设备的选针器、纱嘴配置的实际情况进行设置，这使得花型绘制程序具有良好的可拓展性。此外，颜色配置文件中还对在结构意匠图和纱嘴动作图中可用的每个颜色进行配置，可设定每个颜色对应若干个选针器及纱嘴的动作。

一般情况下，无缝针织内衣机多为8路，每路最多可配备2个选针器及8个纱嘴。在使用标准颜色配置文件时，结构意匠图中有黑、绿、红、黄4种颜色可用。这4种颜色中，每种颜色都包含8路的16个选针器，且每路动作相同，第1、第2选针器的动作分别为：FB=[1 1]T，FG=[1 0]T，FR=[0 1]T，FY=[0 0]T，其中0为出针，1为不出针，第1行为每路的第1选针器，第2行为每路的第2选针器。以上这种颜色与每路选针器动作的关系可以用一个矩阵来表示，即颜色配置矩阵为

编织花型中某一横列时，与每一针的色号相对应，有4种选针器动作情况。假设4种情况编号分别为S1、S2、S3、S4，分别对应色号1、2、3、4。本文对图4中的第3行进行选针器动作分析，结果如表2所示。

表2 选针器动作情况表Tab.2 Acutator action

注：表中0表示不属于这种情况，1表示属于这种情况。

由表2可看出，每针仅对应一种选针情况，这也与实际相符。每针的选针情况可以用1个4维列向量来表示，Pj=[p1p2p3p4]T，其中当i=色号时，pi=1，否则pi=0。

用pj代替D3中各元素，得到第3行的选针动作情况矩阵：

选针数据用来表示选针循环中针筒每转过1个针距各个成圈系统的选针动作，而每个成圈系统负责花型中1行的编织，所以对应图4中第3行图形的第3路成圈系统的选针数据矩阵可表示为

式中第1行是第1选针器动作，第2行是第2选针器动作。

以此类推，可得到整个花型的选针动作情况矩阵T=[T1,T2,…,TH]T，该矩阵为4H×W维矩阵。最终得到选针数据矩阵A=F×T，为2H×W维度矩阵。每2行对应1路选针器的第1选针器、第2选针器。至此，选针信息解析完毕。

纱嘴动作的解析过程与选针信息的解析过程类似。

4 链条动作数据准备

链条动作文件包含一系列动作指令，这些指令使设备可以完成不同的编织任务，编织出不同的织物。图5示出本文所设计的链条动作文件结构图。

根据无缝针织内衣机的设备特点、工艺要求，链条动作文件设计可分为2部分：第1部分是文件头，包含设备的各种基本参数，如机器类型、针筒直径、总针数、选针级数、哈夫针类型、油路数、加油参数设置、密度电机零位等，可以根据实际设备情况设置；第2部分是动作指令集，包含块信息、步信息、动作信息三级结构，存储设备动作指令。

块信息为链条文件的第1层次结构。块信息包括：功能代码，用来区分一块中数据的内容，包括起始块、设备信息块、动作信息块、步分区信息块等；上级块信息功能代码；本块信息条数；步信息动态链表。

步信息为链条文件中第2层次结构，1步对应针筒旋转1周。步信息包括：步号；本条信息的总字节数；一个动作信息动态链表，用来存储一步中的具体指令信息。

动作信息为链条文件中最底层的结构，一个动作信息即为一条动作指令。动作信息包括：动作指令的类别标志，动作指令按照功能大体分为13类，包含循环指令、速度指令、气阀指令、位置指令、纱嘴指令、选针指令、花型指令、功能指令、特殊功能指令等，本条指令执行所必要的参数。

整个链条文件先存储头文件信息，再由头文件中指定的链条动作正文在文件中的初始地址开始存储起始块信息，然后按照整个文件的组织结构依次存储。

5 结 语

本文根据无缝针织内衣机的工作原理，综合参考其他的针织花型数据准备系统，设计了无缝针织内衣机花型动作准备系统。从软件开发的角度分析了花型动作准备系统的功能及软件结构；从工艺的角度提出了花型解析的数学描述、颜色表示的结构意匠图、纱嘴动作图的解析方法；从数据结构的角度描述了链条动作文件的存储方式，从数据安全的角度提出了数据压缩、加密算法。本文系统生成的花型、链条动作文件经上机测试，数据解析速度快、安全可靠，所编织的无缝内衣织物符合工艺要求，与设计预期一致，能够很好地满足生产要求。

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Pattern preparation system of seamless underwear knitting machine and data security

RU Xin, SHI Weimin, PENG Laihu, LIU Yisheng, XIANG Zhong

(Key Laboratory of Modern Textile Machinery & Technology of Zhejiang Province, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China)

Imported pattern system almost has monopolized the pattern preparation technology of seamless underwear knitting machine through data encryption. In order to meet the requirement of domestic underwear design and manufacture, a system including pattern and action preparation for underwear knitting machine is designed, and a compression algorithm, an encryption algorithm and data analysis are used in this system for solving the problems of data security and space using. The pattern preparation system is divided into a pattern design subsystem and a chain action subsystem. In pattern subsystem, a bitmap similar to structure diagram shows the structure of knitting fabric, and a yarn finger bitmap shows the movement of yarn finger. In chain action subsystem, a series of data structures is designed according to the knitting technology and process of machine actions to express the data of chain action file. It is verified that the system is convenient, fast and efficient for design of underwear knitting. And the data file is space-saving, safe and reliable transmission.

underwear knitting machine; data analysis; compression algorithm； encryption algorithm

10.13475/j.fzxb.20150901306

2015-09-07

2016-08-08

国家自然科学基金青年基金项目(51205362)；国家科技支撑计划项目(2014BAF06B03，2013BAF05B00)

汝欣(1989—)，女，博士生。主要研究方向为纺织机械CAD、智能纺织装备技术。彭来湖，通信作者，E-mail：laihup@zstu.edu.cn。

TP 311；TS 184.5

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