利用半导体激光二极管实现可持续皮革切割过程中减排的控制策略的机器学习超参数优化

《Journal of Cleaner Production》：Machine learning hyperparameters optimization of control strategies for emission reduction in sustainable leather cutting using semiconductor laser diode

皮革加工中采用半导体激光二极管结合随机森林优化SOD和PWM控制策略，减少碳排放并提升制造可持续性。

　　皮革行业作为全球发展最快的产业之一，其市场价值预计将在2028年达到3941.2亿美元（Castro et al., 2024a）。皮革因其耐用性和多用途性，广泛应用于鞋类、箱包、服装和汽车行业。随着皮革需求的不断增长，传统的切割方式已经无法满足现代工业对效率和精度的要求。传统方法通常依赖于刀具和剪刀，这不仅导致材料的浪费，还会造成边缘毛边、材料碎屑和切割质量不一致等问题。手工操作在处理复杂图案和高产量生产时显得不够精确且耗时，因此，采用非传统切割技术，如CNC刀具切割、水射流切割和激光切割，已成为行业发展的必然趋势。

激光切割技术以其高精度、低材料损耗和对环境影响较小的优势，逐渐成为替代传统切割方式的首选。然而，激光切割过程中仍会产生有害气体和化学物质，如烟雾、颗粒物和挥发性有机化合物（VOCs），这些物质不仅对操作人员健康构成威胁，还可能对环境造成污染。因此，如何有效控制激光切割过程中的排放，成为实现可持续制造的重要课题。本研究通过半导体激光二极管技术优化皮革切割过程，重点探讨如何利用随机森林（Random Forest）算法进行超参数调优，以减少排放并提高切割效率。

在实验研究中，采用了20W半导体激光二极管，结合固定控制和自适应控制策略，包括Standoff Distance（SOD）控制、Pulse Width Modulation（PWM）控制以及自适应SOD和PWM联合控制。这些控制策略的实施显著改善了切割过程中的内部排放情况。为了实时监测和分析碳基排放，研究中使用了SCD30传感器，确保符合环境和健康标准。此外，研究还开发了先进的控制方法，通过集成排放控制单元，有效减少了切割过程中有害物质的排放，从而推动可持续制造，并与联合国可持续发展目标（UN SDG）中的SDG-7（可负担和清洁能源）和SDG-13（气候行动）相契合。

半导体激光二极管技术因其非接触式加工特性，特别适用于现代制造中的精细雕刻和复杂形状切割。与传统的CO?激光系统相比，半导体激光二极管在切割过程中产生的热影响较小，且能够提供更精确的材料去除率（MRR）。这种技术的优势在于其能量聚焦和稳定性，使得切割过程中的边缘更加平滑，表面质量更高。同时，半导体激光二极管在脉冲模式下可以以短时可控的能量释放进行切割，从而减少热影响区域，提高切割精度。

本研究中，采用了随机森林算法进行优化，以处理激光切割过程中存在的非线性关系和不确定性。随机森林是一种基于决策树的集成学习算法，通过多个决策树的组合预测，能够有效应对复杂的非线性问题。该算法在处理皮革切割过程中因厚度变化而产生的非线性相互作用方面表现出色。皮革样品的厚度变化直接影响其可塑性和切割质量，而这种变化通常伴随着复杂的非线性响应。通过随机森林优化，可以动态调整激光与材料之间的相互作用，从而实现精确和均匀的切割结果。

此外，研究还探讨了SOD和PWM控制策略的联合应用。SOD控制涉及激光与材料之间的距离调整，而PWM控制则通过调整脉冲宽度来优化切割过程。传统的SOD和PWM控制往往是独立进行的，而本研究则引入了一种统一的自适应控制机制，该机制能够在实时条件下动态调整这两个参数，从而提高激光切割的效率和精度。这种自适应控制策略不仅优化了激光能量的传递，还有效减少了切割过程中产生的有害排放，提高了资源利用效率。

为了验证这些控制策略的效果，研究中进行了系统的实验和数据采集。通过数字游标卡尺对皮革样品的厚度进行多点测量，确保数据的准确性和可靠性。同时，研究还分析了不同切割参数对排放水平的影响，包括切割速度、激光强度和碳化程度。这些数据的分析结果表明，通过随机森林优化，可以更精确地预测和控制排放，从而实现更环保的切割过程。

在实际应用中，激光切割技术的优化不仅有助于提高切割精度和效率，还能够显著减少材料浪费和环境污染。这种技术的应用符合可持续发展的核心理念，即在满足工业需求的同时，最大限度地减少对环境的负面影响。通过结合机器学习和自适应控制策略，研究为皮革行业提供了一种更加环保和高效的切割解决方案。

综上所述，本研究通过半导体激光二极管技术优化皮革切割过程，重点探讨了如何利用随机森林算法进行超参数调优，以减少排放并提高切割效率。研究结果表明，采用自适应控制策略能够有效降低切割过程中的有害排放，提高资源利用效率，并推动可持续制造。这些发现不仅为皮革行业提供了新的技术方向，也为其他工业领域的环保实践提供了参考。未来的研究应进一步探索这种技术在更广泛工业应用中的潜力，以促进经济多元化和增长，并进一步优化排放控制技术。