鋼材力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)的研發(fā)

李楊

遼寧廣播電視大學(xué)（沈陽 110034）

鋼材力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)的研發(fā)

李楊

遼寧廣播電視大學(xué)（沈陽 110034）

根據(jù)鋼材化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測力學(xué)性能，是鋼鐵制造企業(yè)多年來的研究目標(biāo)。由于鋼鐵材料的組成元素較多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，通過對加工過程中各種冶金現(xiàn)象純粹的定量計(jì)算來精確預(yù)報(bào)材料性能非常困難。本文根據(jù)鋼材力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)的需求分析，設(shè)計(jì)了鋼材力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)。

鋼材力學(xué)性能、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，近幾年熱軋薄板的需求呈現(xiàn)出高速增長態(tài)勢。優(yōu)化軋制工藝、研究熱連軋過程組織性能演變，進(jìn)而在軋制過程中調(diào)控鋼材的組織和力學(xué)性能，可以有效的提高鋼坯質(zhì)量。如何更好地在軋制和軋后的冷卻過程中控制鋼材的組織和性能，是目前我國軋鋼工作面臨的課題。本文是以某鋼廠生產(chǎn)的Q235鋼種數(shù)據(jù)為研究對象，建立鋼材力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)，研究該鋼種的化學(xué)成分以及軋制工藝等對成品力學(xué)性能的影響，建立了現(xiàn)場離線性能預(yù)報(bào)系統(tǒng)，為實(shí)際生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步完善提供參考。該研究在節(jié)省投資、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義。

1 系統(tǒng)需求分析

鋼材力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)是建立在已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集上，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋼材料設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合計(jì)算，智能地選出能達(dá)到預(yù)期鋼材性能要求的設(shè)計(jì)方案，這將對后期的實(shí)驗(yàn)測定有很大的幫助，不僅節(jié)省了人力物力，還節(jié)省了時(shí)間和金錢，對鋼材組織性能研究的發(fā)展也能起到推動(dòng)作用。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)鋼材組織性能智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流與控制流如圖1所示。

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，表示用戶設(shè)計(jì)的鋼材化學(xué)組成元素、加工工藝參數(shù)等對鋼材力學(xué)性能產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)。預(yù)測性能，表示使用人工智能技術(shù)(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能的預(yù)測。選擇，表示用戶根據(jù)需要的性能和預(yù)測性能進(jìn)行比較，進(jìn)而選擇得到滿足性能要求的鋼材設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖1 預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流及控制流示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求分析與基本設(shè)計(jì)步驟，本系統(tǒng)由如下三大功能模塊組成：

2.1 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合計(jì)算的數(shù)據(jù)來源、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)數(shù)據(jù)及預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)等的存儲(chǔ)容器，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了數(shù)據(jù)支持和存儲(chǔ)倉庫。同時(shí)該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了用戶管理功能，不同用戶擁有不同的權(quán)限。鋼坯數(shù)據(jù)庫需要具備對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)操作的瀏覽、查詢、分析及常用維護(hù)等基本功能。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊是鋼材力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)的核心技術(shù)模塊。該系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練是屬于獨(dú)立的模塊，只有管理員用戶才擁有設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的權(quán)利，在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，要選用合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)，導(dǎo)入指定文件中的訓(xùn)練樣本、訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)主控制臺(tái)，以得到更好用戶操作效果。主控制臺(tái)用于完成鋼材力學(xué)性能預(yù)測及對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。

2.3 人機(jī)交互界面

用戶通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)批量導(dǎo)入導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫、對數(shù)據(jù)庫內(nèi)現(xiàn)有數(shù)據(jù)執(zhí)行數(shù)據(jù)維護(hù)操作、選擇網(wǎng)絡(luò)類型、觸發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練、查看神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程、預(yù)測結(jié)果、以圖表形式對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及用戶人員管理等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

本系統(tǒng)所基于的開發(fā)環(huán)境是Microsoft公司的Windows XP系列的操作系統(tǒng)，該系列的操作系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)、安全、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域做了改進(jìn)，使它的可靠性更高，安全性更好，界面簡潔友好，易于使用。根據(jù)用戶需求和系統(tǒng)分析，考慮到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化、可擴(kuò)充、易移植和易維護(hù)性，并為用戶提供一個(gè)友好易于操作的用戶界面，衡量各種設(shè)計(jì)語言的利弊，選用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Visual C++6.0作為開發(fā)該數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的編程工具，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用Oracle 10g。

圖2 鋼材力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)庫中規(guī)范化表的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。在執(zhí)行性能預(yù)測的時(shí)候，關(guān)注的是原始的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果，與此同時(shí)需要關(guān)注整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出誤差的收斂程度，以便調(diào)整一些網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能處于較佳狀態(tài)，因此，除了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表和預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)表以外，還需建立收斂誤差數(shù)據(jù)表記錄整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程。

本系統(tǒng)的知識(shí)分為兩個(gè)部分：樣本集，系統(tǒng)知識(shí)集。樣本集：本系統(tǒng)采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程，就是輸入以往軋鋼現(xiàn)場收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為更好的訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，將其學(xué)習(xí)樣本存入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以便模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時(shí)調(diào)用。系統(tǒng)知識(shí)集：在樣本輸入后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值矩陣和閥值向量，當(dāng)誤差減到要求的范圍內(nèi)，系統(tǒng)停止學(xué)習(xí)，此時(shí)的權(quán)值矩陣與閥值向量固定下來，成為系統(tǒng)內(nèi)部知識(shí)。這些知識(shí)主要表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值、節(jié)點(diǎn)閥值及運(yùn)算函數(shù)上。對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的這些知識(shí)正是它本身的內(nèi)在“規(guī)則”，系統(tǒng)通過這些“規(guī)則”實(shí)現(xiàn)對事物的判斷推理且不能人為修改。若要對其進(jìn)行更改，需要通過系統(tǒng)再訓(xùn)練來實(shí)現(xiàn)。用戶信息表用來記錄系統(tǒng)使用人員的信息，如：用戶名、密碼、各種權(quán)限、真實(shí)姓名、地址電話、登錄時(shí)間等。用戶根據(jù)自己的權(quán)限進(jìn)入系統(tǒng)，不同權(quán)限的用戶對系統(tǒng)具有不同的操作級別，普通用戶一般只能對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢操作；系統(tǒng)用戶可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢、修改、錄入數(shù)據(jù)等多種操作，還可以維護(hù)學(xué)習(xí)樣本，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，管理用戶等操作。

圖3 預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

理論上單隱層BP網(wǎng)絡(luò)可以任意精度逼近任意非線性曲線，因此本系統(tǒng)采用了單隱層BP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)輸入為鋼材的化學(xué)成分和工藝參數(shù)。鋼材化學(xué)成分包括：碳、硅、錳、磷、硫等15個(gè)成分參數(shù)。工藝參數(shù)選用F4-F6三道次參數(shù)[1]、終軋溫度、卷曲溫度、上冷卻水溫度、下冷卻水溫度、中間坯厚度等參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)候選輸入?yún)?shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用單輸出層，分別為：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率。

圖4 BP網(wǎng)絡(luò)示意圖

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是有導(dǎo)師類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用誤差梯度下降規(guī)則訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度慢且易陷入局部極值。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇尚無完整的理論指導(dǎo)，初始權(quán)值閾值的選取和隱層節(jié)點(diǎn)的確定等都存在一定的盲目性，因此網(wǎng)絡(luò)預(yù)測能力與訓(xùn)練能力的矛盾，易出現(xiàn)“過擬合”現(xiàn)象。為了加速收斂和防止震蕩以及改善網(wǎng)絡(luò)泛化能力，該系統(tǒng)采用經(jīng)過粒子群算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，動(dòng)態(tài)顯示訓(xùn)練誤差曲線，獲得鋼材化學(xué)成分及工藝參數(shù)等因素對鋼材力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過主控制臺(tái)界面，實(shí)現(xiàn)對鋼材力學(xué)性能的預(yù)測及新鋼種力學(xué)性能的設(shè)計(jì)等功能。

圖5 智能預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作功能圖

5 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)可視化[2](Data Visualization)技術(shù)指的是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)換為圖形或圖像，在屏幕上顯示出來并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。鋼材力學(xué)性能預(yù)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫人機(jī)界面，作為溝通用戶和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的載體，在系統(tǒng)的人機(jī)交互中起著重要的作用。人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接關(guān)系到用戶對軟件系統(tǒng)的操作和控制。利用Virsual C++6.0作為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)良好的界面功能。以圖形界面進(jìn)行人機(jī)交互，以菜單形式選擇命令，以圖形圖表形式展現(xiàn)數(shù)據(jù)參數(shù)。在設(shè)計(jì)過程中使用ADO完成Virsual C++6.0與Oracle 10g數(shù)據(jù)庫的通信。開發(fā)工作包括設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)的功能模塊，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接，設(shè)計(jì)并開發(fā)瀏覽、查詢和維護(hù)界面，編寫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)后臺(tái)支持應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)操作功能圖如圖5所示。

6 結(jié)語

通過對鋼材力學(xué)性能預(yù)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)分析，利用Oracle 10g建立了數(shù)據(jù)庫及力學(xué)性能預(yù)報(bào)管理系統(tǒng)，采用VC++6.0編程開發(fā)了鋼材力學(xué)性能預(yù)報(bào)系統(tǒng)的相應(yīng)程序，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)鋼材化學(xué)成分、帶鋼軋制工藝參數(shù)等預(yù)報(bào)鋼材的力學(xué)性能。

[1]劉維群，李元臣.BP網(wǎng)絡(luò)中隱層節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的研究[D].洛陽:洛陽師范學(xué)院,2000.

[2]戴起勛，趙玉濤.材料科學(xué)研究方法[M]，北京：國防出版社，2004.

（責(zé)任編輯：文婷）