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专利号: 202210575087X
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于搜索空间变动的水泥粉磨过程多目标优化方法,其特征在于包括以下步骤:步骤S1、获取数据集:通过GBDT从水泥粉磨系统历史数据中选取与水泥成品比表面积、电耗、产量相关的决策变量;

选取训练集T={(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)},迭代次数M和损失函数,初始化弱分类器:计算近似残差:对于m=1,2,……,M,执行以下步骤:对i=1,2,……,n,计算近似残差:

对近似残差rim拟合一棵回归树,得到第m棵树的叶节点域Rjm,j=1,2,……,Jm,即一棵由J个叶节点组成的树;

计算最佳拟合值:对j=1,2,……,Jm,计算最佳拟合值:更新分类器:

其中,

得到最终的强学习器:

通过GBDT挑选决策变量,最终选取12个变量用于预测水泥成品比表面积,4个变量用于预测电耗,9个变量用于预测产量;用于预测水泥成品比表面积的变量有:球磨出口压力x1、辊压机固端开度反馈x2、循环风机变频反馈x3、出磨斗提电流反馈x4、定辊电流反馈x5、动辊电流反馈x6、循环风机挡板开度x7、主机电流x8、入库提升机电流反馈x9、辊压机仓重反馈x10、选粉机转速反馈x11、选粉机进口压力x12;

用于预测电耗的变量有:定辊电流反馈x5、动辊电流反馈x6、循环风机挡板开度x7、主机电流x8;

用于预测产量的变量有:循环风机挡板开度x7、主机电流x8、入库提升机电流反馈x9、辊压机仓重反馈x10、选粉机转速反馈x11、选粉机进口压力x12,辊压机开端开度反馈x13、磨机回粉量x14、喂料斗提电流反馈x15;

步骤S2、构建预测模型:分别构建水泥成品比表面积、电耗、产量的时间卷积网络预测模型并使用处理好的数据进行训练;构建时间卷积网络对水泥成品比表面积、电耗、产量进行实时预测,具体步骤包括:构建因果卷积网络引入扩张卷积层和残差卷积层;构建包含因果卷积层以及所述扩张卷积层、残差层的时间卷积网络;输入筛选出的各指标的决策变量,训练所述时间卷积网络模型,将待预测的数据输入到训练好的时间卷积网络模型中,得到各指标的预测结果;

构建各指标的时间卷积网络预测模型具体包括:

构建因果卷积网络:假设时间序列数据X=(x1,x2,…,xN),滤波器为F=(f1,S2,…,fK),则在xt的因果卷积为式中:k为卷积核大小;

引入扩张卷积层:假设时间序列数据X=(x1,x2,…,xN),滤波器为F=(f1,f2,…,fK),则当扩张因子为d时,xt处的扩张卷积表达式子为:其中K为滤波器大小,t‑(K‑k)d为指示过去的方向,扩张因子d为两个相邻的滤波器之间间隔的步长;

引入残差卷积层:残差卷积层即构建残差块,残差块的定义为:y=F(x,wi)+x       (12)

其中,wi为第i层的权重系数,F(x,wt)是时间卷积网络需要学习的残差映射,y是要预测的输出向量;

ReLU激活函数为:

(1) (2)

式中,W ,W 为对应输入的权重矩阵,V和e为残差网络的权重和偏置项,S(i,j)为第j块(j.l)第i层的激活函数,St 表示t时刻扩张卷积后引入残差后的结果;

当残差输入的数据维度与残差输出数据维度不相同时,引入一个1*1卷积确保二者数据维度保持一致;

根据 对时间t的各指标进行预测,预测得到的 为:其中, 为权重矩阵,q为偏置项;

所述的构建各指标的TCN预测模型经过超参数分析后,模型的最优参数为:卷积核大小为3,卷积核的个数为64,扩张系数为{1,2,4,8,16,32,64},训练次数为200,优化函数为adam,损失函数为MSE;步骤S3、构建目标函数:应用训练好的预测模型构建目标函数;

通过水泥成品比表面积、电耗和产量预测模型搭建两个目标函数,建立的水泥粉磨过程多目标优化模型具体如下:2

式中,J1表示水泥成品比表面积,越接近其标准值350m/kg越好;

J2表示最大限度降低水泥粉磨过程中的能产比,即电耗与产量的比值;

X1表示在水泥粉磨过程中与水泥成品比表面积Q(X1)相关的12个变量;

X2表示在水泥粉磨过程中与电耗E(X2)相关的4个变量;

X3表示在水泥粉磨过程中与产量Y(X3)相关的9个变量;

X4表示在水泥粉磨过程中与能产比R(X4)相关的11个变量;

Q(X1)表示水泥成品比表面积,其需满足质量要求;

xi表示各决策变量,其需满足各设备的运行条件;

步骤S4、多目标优化模型求解:应用NSGA‑II算法对水泥粉磨过程多目标优化模型进行求解;

步骤S5、进行稳定性阈值判断:得到pareto前沿解后,启动稳定性策略,判断Pareto前沿解的稳定性是否达到阈值;达到阈值的解多于一个,则选取比表面积合格且产能比最低的解作为优化解;

步骤S6、启动搜索空间变动策略:若不存在达到稳定性阈值的解,则启动搜索空间改变策略,并重新进行优化,指导得到满足稳定性阈值的解;

步骤S7、进行滚动优化:进行时域滚动优化,得到动态条件下水泥粉磨过程优化结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于搜索空间变动的水泥粉磨过程多目标优化方法,其特征在于:步骤S4具体包括:步骤S41:参数设置:设置初始约束条件、决策变量个数、种群规模n、算法迭代次数p、时域滚动次数m;

步骤S42:种群初始化:根据各决策变量的上下限随机生成大小为n的初始种群;

步骤S43:非支配排序和拥挤度计算;

步骤S44:交叉和变异操作;对父代种群进行交叉变异操作生成子代种群,将父代种群和子代种群合并为新种群;

步骤S45:对新种群进行非支配排序,计算拥挤度;

步骤S46:通过拥挤度排序选取出新的父代种群;

步骤S47判断是否到达算法迭代次数,若到迭代次数,则停止算法并得到pareto前沿解集。

3.根据权利要求1所述的一种基于搜索空间变动的水泥粉磨过程多目标优化方法,其特征在于:所述步骤S4,得到的pareto前沿解集为:XF={x|x∈Rank1}

式中XF为pareto最优解集,Rank1为分支配排序后的第一级非支配层。

4.根据权利要求1所述的一种基于搜索空间变动的水泥粉磨过程多目标优化方法,其特征在于:所述步骤S5,稳定性指标设计为:式中,xq为Pareto前沿中某个解的第q个决策变量值;

为决策变量当前值;

和 是决策变量xq的最大值和最小值;

cq表示为第q个决策变量的权重;

N为决策变量个数。

5.根据权利要求1所述的一种基于搜索空间变动的水泥粉磨过程多目标优化方法,其特征在于:所述步骤S6,改变搜索空间策略应用公式如下所示:式中,b、a分别为决策变量当前约束边界上、下限;

为决策变量当前设定值;

b′、a′分别为决策变量变约束后的约束边界上、下限;

r为常数且r大于等于1。

6.根据权利要求1所述的一种基于搜索空间变动的水泥粉磨过程多目标优化方法,其特征在于:所述步骤S7具体方式为,每次优化时域定义为T分钟,从t0时刻开始,根据t0到t0+th的数据预测得到t0+th到t0+th+tr的数据,通过优化算法对水泥粉磨多目标优化模型进行求解,得到从t0+th到t0+th+tr时刻决策变量优化解,通过优化解对各设备进行调度,下一次优化从t0+tr时刻开始,根据t0+tr到t0+tr+th时刻的数据预测得到t0+tr+th到t0+2tr+th的数据,通过求解后得到t0+tr+th到t0+2tr+th的运行指标优化值,由此循环往复。