国产棉纤维测试仪数据可靠性分析

摘要：为科学有效评估国产棉纤维测试仪与进口仪器之间的检测水平差异，分析国产仪器取代进口仪器的可行性，使用1台国产仪器XJ128PRO与2台进口仪器HVI1000进行棉纤维数据测试，利用统计学中的单因素方差分析（Bonferroni法多重比较）和非参数检验对数据进行分析。结果表明在马克隆值、反射率和上半部平均长度检测方面，国产仪器具有较强可靠性；而在黄色深度、长度整齐度指数、断裂比强度检测上，国产仪器存在进一步优化空间。

关键词：单因素方差分析；棉纤维测试仪；纤维检验；纤维品质；统计；数据分析

我国的纺织品在国际贸易中占重要地位。棉纤维作为纺织工业的重要原料，其品质数据不仅关系优良品种的培育及其应用，而且影响全国棉纤维品质的调控[1]。如今，在棉纤维测试仪大量依赖进口的背景下，棉纤维测试结果都是以进口仪器测试数据为基准。在之前的研究中，笔者曾运用配对t检验评估了国产棉纤维测试仪与进口仪器之间的数据差异，得出了统计结论，也指出了研究存在的不足，即缺乏对不同进口仪器测试数据的差异性分析[2]。为弥补之前研究的不足，更加科学地评估国产棉纤维测试仪的检测数据准确度，本研究使用1台国产快速棉纤维性能测试仪（XJ128PRO）与2台进口大容量棉花测试仪（HVI1000）对棉花样品的马克隆值、反射率（Rd）、黄色深度（简称为“黄度”、＋b）、上半部平均长度、长度整齐度指数以及断裂比强度进行测试，加入2台进口仪器之间的数据对比，运用专业统计软件SPSS中的单因素方差分析方法分析统计学差异。

1 材料与方法

1.1 数据获取

现有中储棉德州公司直属库棉花仪器化公检业务样品1 978套，随机抽取其中的45套，每套样品多点取样约200 g，混匀后随机分成3组，每组15个样品。根据国家标准GB/T 20392－2006《HVI棉纤维物理性能试验方法》[3]的规定，测试前，所有棉样保持最少48 h环境平衡，3台仪器均进行调试并通过校准和验收测试。仪器必须在标准恒温恒湿环境[（20±2） ℃和相对湿度（65±3）%）]下进行操作。第1组样品使用1台进口仪器（记为43号）测试，第2组样品在另一台进口仪器（记为44号）上测试，第3组样品在1台国产仪器（记为128号）上进行测试。2台进口仪器均来自乌斯特公司，型号为HVI1000；1台国产仪器来自陕西长岭纺电科技有限公司，型号为XJ128PRO。试验由1名经验丰富的检验员进行3次测试，根据各指标正常范围去除显著异常值后取平均得到最终测试数据。

1.2 数据处理与分析方法

本研究使用SPSS软件（版本号：22.0.0.0，64位）進行数据统计分析。首先，对每个指标的数据，以仪器为因素进行数据分组，进行Shapiro-Wilk正态性检验和Levenes方差齐性检验。然后，对于满足方差分析适用条件的指标数据，直接采用单因素方差分析方法和Bonferroni法多重比较进行统计分析；对于不满足方差分析适用条件的，由于学界对使用非参数检验方法（Kruskal-Wallis秩和检验）或是方差分析方法统计分析还存在争议，所以为保证试验结果的严谨性，本研究使用单因素方差分析和Kruskal-Wallis秩和检验2种方法分别进行统计分析，相互印证[4]。

2 结果与分析

2.1 适用条件分析

方差分析的适用条件如下：（1）独立性。模型要求样本数据之间相互独立，显然本研究数据是满足该条件的。（2）正态性。使用最常用的Shapiro-Wilk检验（取α＝0.05）对各组检验数据进行正态性检验，结果见表1。其中，Rd和黄度（＋b）指标数据不满足正态性分布的要求，概率（P值）小于0.05，使用单因素方差分析和Kruskal-Wallis秩和检验2种方法分别对Rd和＋b数据做统计分析。（3）方差齐性。模型要求每个指标内各分组间的方差是一致的。本研究使用Levenes方差齐性检验来检验方差齐性的假设，检验结果见表2。Levenes检验的概率均大于0.05，表示6个指标的数据均满足方差齐性的假设。

2.2 方差分析与多重比较

第1种情况：数据不满足正态假设，仍然使用方差分析方法分析数据。对表1中6个品质指标数据的单因素方差分析（取α＝0.05）[5]结果见表3。

从检验概率（P）可以看出，马克隆值、Rd和上半部平均长度这3个指标的P值均大于给定的显著性水平α＝0.05，因此接受原假设H0：μ1＝μ2＝μ3，认为在马克隆值、Rd和上半部平均长度3个指标的检测数据上，这3台测试仪之间没有显著性差异，说明国产棉纤维测试仪XJ128PRO对以上3个指标的测试结果跟进口仪器测试数据十分接近。

另外，从＋b、长度整齐度指数以及断裂比强度的检验结果来看，它们的P值均小于0.05，因此只能拒绝原假设H1：μ1、μ2、μ3，接受备择假设，认为这3台测试仪在＋b、长度整齐度指数以及断裂比强度的检测结果上存在统计学差异。为确定到底哪2台仪器之间存在差异，使用比较常用的Bonferroni法对以上3个指标数据进行多重比较（α＝0.05），结果见表4。

从表4结果可以看出：对于＋b，128号仪器与43号仪器存在显著性差异，2台进口仪器之间也有显著差异，但128号仪器与44号仪器没有显著性差异；从长度整齐度指数来看，128号仪器与2台进口仪器均没有显著性差异，但2台进口仪器此指标数据差异显著；对于断裂比强度，128号仪器与43号仪器存在显著性差异，但与44号仪器没有显著性差异，同时2台进口仪器之间也没有显著性差异。

2.3 非参数检验与成对比较

第2种情况：Rd、＋b数据没有通过正态性检验，因此使用非参数检验方法——Kruskal-Wallis秩和检验（α＝0.05）对这2组样本数据进行对比分析和成对比较，结果见表5、表6。

结果（表5）显示：对于Rd数据，给出了接受原假设的结论，认为3台测试仪器差异不显著；而对于＋b的结论为拒绝原假设，认为3台仪器存在显著差异。再由成对比较结果（表6）可以看出，对于＋b，128号仪器与44号仪器无显著差异，而与43号仪器存在显著差异，并且2台进口仪器之间差异也显著。可以看出，Kruskal-Wallis秩和检验与单因素方差分析和多重比较的结果相比较，得到的结论相同。因此，对非正态数据使用参数检验方法和非参数检验方法分析，得到了相同的统计结果，进一步说明了结论的可靠性。

3 结论与建议

运用单因素方差分析的方法分析发现，国产快速棉纤维性能测试仪（XJ128PRO）与2台进口大容量棉花测试仪（HVI1000）在一些指标检测结果上存在统计学差异。在马克隆值、Rd和上半部平均长度上，XJ128PRO的检验结果已经达到了进口仪器的检验水平，具有较强的可靠性。从＋b检验结果来看，不仅XJ128PRO与43号进口仪器存在显著差异，而且2台进口仪器之间也具有统计学差异，因此XJ128PRO的＋b检测结果与进口仪器出现差异似乎也可以接受。从长度整齐度指数的结果来看，XJ128PRO与2台进口仪器均无显著差异，而2台进口仪器存在较大差异，XJ128PRO的检测结果处于2台进口仪器之间。从断裂比强度来看，XJ128PRO与43号进口仪器存在显著差异，而与44号进口仪器没有显著差异，2台进口仪器之间也没有显著差异，且XJ128PRO与2台进口仪器相比较，其平均值偏高。从出现显著差异的3个指标数据来看，XJ128PRO的测试数据比较接近于44号进口仪器，而与43号进口仪器的差异较大，至于为什么会有这样的结果，还需进一步的研究。此外，本研究也存在一些不足，比如存在不满足正态性的样本数据、样本量不大、難以保证3台仪器的运行状态完全相同等，这些问题都是后期试验中可以考虑的优化方向。

建议国内仪器厂商对快速棉纤维性能测试仪的＋b、长度整齐度指数、断裂比强度等指标，尤其是断裂比强度的测试性能进一步优化，以消除进口仪器与国产仪器之间的统计学差异，推进棉纤维测试仪的国产化进程。

参考文献：

[1] 吴文宁. 大容量棉花纤维测试仪HVI应用的探讨[J]. 江苏纺织，2010（5）：59-60.

[2] 于忠萧. 配对t检验在评估棉纤维测试仪中的应用[J]. 中国纤检，2022（8）：81-85.

[3] 中国纤维检验局. HVI棉纤维物理性能试验方法：GB/T 20392－2006[S]. 北京：中国标准出版社，2006

[4] 薛毅. 统计建模与R软件[M]. 北京：清华大学出版社，2007.

[5] 张文彤，董伟. SPSS统计分析高级教程[M]. 北京：高等教育出版社，2013.

（责任编辑：杨子山 责任校对：付毓）