基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的化工材料生產(chǎn)工藝模型優(yōu)化

胡軼然 鄭奮

摘 要：

針對(duì)傳統(tǒng)化工材料生產(chǎn)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工藝參數(shù)求解及精度要求的問(wèn)題，結(jié)合人工智能技術(shù)，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相結(jié)合的非線性函數(shù)極值尋優(yōu)方法，將其應(yīng)用于羥基磷灰石復(fù)合材料制備的感應(yīng)熱沉積工藝中，進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的最優(yōu)涂層總量求解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)遺傳算法結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在以電流頻率、沉積溫度和沉積時(shí)間作為輸入時(shí)，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)涂層沉積質(zhì)量。由此得出，構(gòu)建的感應(yīng)熱沉積工藝的模型的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值誤差較小，可滿(mǎn)足該材料制備工藝的精度需求。

關(guān)鍵詞：化工材料制備；工藝優(yōu)化；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；遺傳算法；感應(yīng)熱沉積

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9；TQ015.9???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）11-0084-04

Optimization of chemical material production process model based on BP neural network technology

HU Yiran，ZHENG Fen

（PLA Naval Military Medical University，Shanghai 200433，China

）

Abstract：In view of the problems that the traditional chemical material production process can not achieve the optimal process parameters and accuracy requirements，in combination with artificial intelligence technology，a nonlinear function extreme optimization method based on combination of neural network and genetic algorithm was proposed .T method was applied to the induced thermal deposition process of the hydroxyapatite composite material preparation，and the neural network model optimized by genetic algorithm was used to solve the optimal totalcoating.The experimental results showed that the genetic algorithm combined with BP neural network could accurately predict the coating deposition quality when current frequency，deposition temperature and deposition time were taken as inputs.It has been demostrated that the error between the actual and predicted values of the induced thermal deposition model is small，which can meet the accuracy requirements of the material preparation process.

Key words：preparation of chemical materials;process optimization;BP neural network;genetic algorithm;induced heat deposition

目前，化工材料制備中的工藝優(yōu)化主要通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)積累進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的復(fù)雜化工材料制備的工藝優(yōu)化需求。近年來(lái)，人們嘗試通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式實(shí)現(xiàn)最佳工藝參數(shù)獲取。劉晉［1］等為實(shí)現(xiàn)芳綸纖維化學(xué)鍍鎳的化工工藝優(yōu)化，提出基于支持向量機(jī)構(gòu)建了一個(gè)化工工藝安全評(píng)價(jià)模型，并通過(guò)此模型對(duì)該化工材料進(jìn)行工藝參數(shù)求解。巢淑娟［2］等提出以RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)模型，將其應(yīng)用到齒輪軸熱鍛成形工藝中進(jìn)行模型構(gòu)建，通過(guò)此模型實(shí)現(xiàn)了工藝優(yōu)化。薛茂遠(yuǎn)［3］等以注塑件成型工藝為研究對(duì)象，提出了在GA-ELM算法的基礎(chǔ)上，加入遺傳算法進(jìn)行工藝優(yōu)化。以上研究雖然取得了一定的應(yīng)用成果，但其依舊無(wú)法實(shí)現(xiàn)化工材料制備的最優(yōu)工藝參數(shù)求解。基于此，結(jié)合以上研究經(jīng)驗(yàn)，以羥基磷灰石-C/C復(fù)合材料表面制備的感應(yīng)熱沉積工藝為研究對(duì)象，將人工智能中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法進(jìn)行融合，充分發(fā)揮兩種算法優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)熱沉積工藝建模和最優(yōu)參數(shù)求解。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于深度學(xué)習(xí)中的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)，也是一種多層次的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的工作特性是進(jìn)行誤差反向?qū)W習(xí)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要分為三個(gè)部分，分別為輸入層、隱含層和輸出層［4］。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

隱含層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)主要分為L(zhǎng)ogsig函數(shù)和Tansig函數(shù)，2種函數(shù)的具體表達(dá)式為：

a=11+e-n（1）

a=en-e-nen+e-n （2）

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)性能學(xué)習(xí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能指數(shù)為均方誤差。若所有目標(biāo)出現(xiàn)的概率相同，則均方誤差與全部Q個(gè)目標(biāo)的平方誤差之和為正相關(guān)關(guān)系［5］。具體表達(dá)式為：

Fx=∑Qq=1tq-aqTtq-aq=∑Qq=1eqTeq=∑Qq=1∑SMj=1ej，q2=∑Ni=1vi2 （3）

式中：ej，q表示第q輸入的誤差的第j個(gè)元素；x表示網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閥值。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)目標(biāo)可找到可使F（x）最小化的x。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作信號(hào)向前傳播，誤差信號(hào)反向傳播。其含有大量映射關(guān)系，通常利用標(biāo)準(zhǔn)梯度下降算法對(duì)誤差進(jìn)行反向?qū)W習(xí)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的權(quán)值和閾值進(jìn)行調(diào)整，從而使得網(wǎng)絡(luò)誤差平方和降到最低值。該算法的具體表達(dá)式為：

xk+1=xk+akgk （4）

式中，xk和xk+1分別為當(dāng)前權(quán)值、閥值 下一次迭代生成的權(quán)值、閥值；gk和ak分別為梯度和學(xué)習(xí)速率［6］。

2 遺傳算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合設(shè)計(jì)

2.1 遺傳算法

該算法是當(dāng)前人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的優(yōu)化算法。遺傳操作主要包括變異算子、交叉算子和選擇算子。遺傳算法基本流程如圖2所示。

適應(yīng)度函數(shù)是遺傳算法中的重點(diǎn)，它可以根據(jù)適應(yīng)度值來(lái)判斷優(yōu)劣，篩選數(shù)據(jù)。特征向量運(yùn)用二進(jìn)制方法編碼，懲罰因子與σ運(yùn)用十進(jìn)制方法編碼。根據(jù)GA的原理，通常以適應(yīng)度值作為信息篩選的依據(jù)，適應(yīng)度值越寬松，可容納的實(shí)驗(yàn)個(gè)體越多。選擇遺傳算法中的賭論法進(jìn)行信號(hào)篩選。

假設(shè)N為種群總數(shù)，Xi表示個(gè)體，其適應(yīng)度值表示為fXi，被選擇成為下一代的概率為：

PXi=N×fXi∑Nj=1fXi （5）

若α表示參數(shù)，根據(jù)單點(diǎn)交叉確定交叉算子表達(dá)式為：

XA=αXB+1-αXAXB=αXA+1-αXB（6）

特征向量采用多位置替換變異，懲罰因子和σ采用均勻變異，表達(dá)式為：

Xj=Xi+βXmax-XiXj=Xi-βXi-Xmin（7）

2.2 基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域可取得較好的應(yīng)用效果，但其對(duì)于化工制備工藝優(yōu)化方面存在經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性強(qiáng)和盲目性的問(wèn)題。其無(wú)法通過(guò)有效的方式選取隱含層和隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閥值隨機(jī)性過(guò)強(qiáng)，極易陷入局部最小值，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速收斂。遺傳算法則可有效解決以上問(wèn)題。因此，提出將兩種算法進(jìn)行融合即可實(shí)現(xiàn)全局搜索和快速收斂。

2.3 非線性函數(shù)極值尋優(yōu)技術(shù)

化工材料制備的工藝優(yōu)化可理解為非線性函數(shù)極值尋優(yōu)，即實(shí)現(xiàn)化工材料最優(yōu)參數(shù)選擇和工藝優(yōu)化。因此，提出采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合的非線性函數(shù)極值尋優(yōu)技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性函數(shù)模型構(gòu)建，然后將其作為遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)，以快速找到最佳極值點(diǎn)。具體尋優(yōu)流程如圖3 所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證方法的尋優(yōu)性能，實(shí)驗(yàn)以羥基磷灰石涂層-碳碳復(fù)合材料的制備工藝作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)提出的方法探索此材料制備過(guò)程的最佳工藝。

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

3.1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)選擇羥基磷灰石涂層-碳碳（C/C）復(fù)合材料的工藝參數(shù)主要包括C/C基體溫度，沉積時(shí)間，高頻感應(yīng)電流頻率3個(gè)部分。其中，C/C基體溫度的各涂層質(zhì)量水平分別為378、388、398、408 K；沉積時(shí)間分別為2 、5 、10 、15、25 min；高頻感應(yīng)電流頻率分別為289、319、381 kHz。為便于后續(xù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和驗(yàn)證，將以上300個(gè)數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。其中，訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的數(shù)量分別為250組和50組。

為避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)出現(xiàn)量綱不一致線性和收斂速度慢的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)將對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行歸一化。具體表達(dá)式為：

u=u0-uminumax-umin （8）

式中：u0和u分別為變量的原始值和歸一化后的值；umin和umax表示變量的最小值和最大值［14］。

3.1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定

實(shí)驗(yàn)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)感應(yīng)熱沉積工藝建模，輸入層有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層有 1個(gè)節(jié)點(diǎn)。多次試驗(yàn)后可知，BP模型結(jié)構(gòu)為3-9-4-1。其中，第1個(gè)和第2個(gè)隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)分別為9個(gè)和4個(gè)。感應(yīng)熱沉積工藝的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估

為更加客觀的對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評(píng)估，實(shí)驗(yàn)通過(guò)誤差平方和函數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)性能。具體表達(dá)式為：

MSE=1N∑Ni=1yi-yio2 （9）

式中：yi和yio分別表示目標(biāo)值與網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值；N表示樣本數(shù)量。通常認(rèn)為，均方誤差MSE取值為0.000 1時(shí)，訓(xùn)練樣本充分完成學(xué)習(xí)［15］。

為評(píng)估BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)性能，選用均方根誤差函數(shù)（RMSE）和平均絕對(duì)誤差函數(shù)（MAPE）進(jìn)行評(píng)估。具體表達(dá)式為：

RMSE=1N∑Ni=1yi-yio2（10）

MAPE=1N∑Ni=1yi-yi0yi×100% （11）

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真輸出

實(shí)驗(yàn)以50組驗(yàn)證樣本為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，可得到驗(yàn)證集的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值關(guān)系，具體如圖5所示。

由圖5可知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值間的誤差較小，二者間的RMSE值和MAPE值分別為0.054 9、0.017 6，且線性擬合系數(shù)均高于0.99。由此說(shuō)明，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)能力較好，可滿(mǎn)足感應(yīng)熱沉積工藝模型構(gòu)建要求，模型具備可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，提出的方法具備可行性和有效性，此方法提升了傳統(tǒng)化工材料制備工藝的優(yōu)化效果、實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)工藝參數(shù)求解。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到感應(yīng)熱沉積工藝中進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建后，可確定最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。將確定的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)作為遺傳算法的輸入進(jìn)行編碼、選擇、交叉和變異等遺傳操作后，可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)熱沉積工藝參數(shù)的最優(yōu)求解，從而得到最佳工藝條件。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)

行感應(yīng)熱沉積工藝預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)與真實(shí)值十分接近，說(shuō)明此模型的預(yù)測(cè)效果較好。且通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)后準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了樣本輸出，并構(gòu)建了相應(yīng)的感應(yīng)熱沉積工藝參數(shù)知識(shí)庫(kù)。最后通過(guò)遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)值對(duì)仿真函數(shù)進(jìn)行了極值尋優(yōu)，獲得了感應(yīng)熱沉積工藝中最佳工藝參數(shù)值。

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收稿日期：2023-06-06；修回日期：2023-09-26

作者簡(jiǎn)介：胡軼然（1996-），女，碩士，助教，研究方向：信息化管理；E-mail： cxrmyyzhw@163.com。

通訊作者：鄭 奮（1996-），男，碩士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)與仿真技術(shù)；E-mail：15000687536@163.com。

引文格式：胡軼然，鄭 奮.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的化工材料生產(chǎn)工藝模型優(yōu)化［J］.粘接，2023，50（11）：84-86.