基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本控制方法及系统与流程

本发明涉及炼钢技术领域，更为具体地，涉及一种基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法及系统。

背景技术：

目前钢铁行业进入低谷、行业利润被无限压缩，只有降低自身成本才能寻求发展。所以钢铁行业的降本增效是所有钢厂不懈的追求。而钢铁生产过程高温、高危、高成本，无法进行大规模现场。

其中，实验碱性氧气转炉炼钢法是一种将铁水炼成钢水的炼钢过程。通过向熔池供氧，发生氧化反应降低熔池中钢液含碳量，此炼钢法又称为转炉炼钢。通过虚拟炼钢模拟实际冶炼过程，可为现场生产提供降本增效的可行性方案和指导性意见，具有重大意义和经济效益。

炉子的分类较多，较为普遍分类是顶吹转炉、底吹转炉和顶底复合吹转炉。在转炉炼钢过程中，系统配料、操作过程等均会对炼钢的成本有着重要的作用，为进一步改进加入原料配方、优化生产过程等生产参数，得到一个最为经济理想的冶炼过程，为企业提供优化思路，节省成本。

综上所述，为解决上述问题，基于虚拟炼钢模拟实际冶炼的思想，本发明提出了一种基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法及系统，能够解决转炉炼钢成本高的问题。

本发明提供一种基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法，包括：根据转炉炼钢的工艺选择影响成本的控制参数；

利用模拟转炉炼钢平台采集不同控制参数的成本，构建建模样本集；

将构建的建模样本集进行归一化处理，获得归一化样本集；

根据所述归一化样本集构建三层的BP神经网络算法；

采用所述BP神经网络算法对通过模拟转炉炼钢实验所得数据进行建模，获取神经网络参数；

利用遗传算法对BP神经网络算法所构建的模型进行优化，获取所构建模型的最值，并根据所构建模型的最值确定最优控制参数；

根据所述最优控制参数获取最优控制参数成本值；

根据所述最优控制参数成本值与所述建模样本集中的最小成本值的对比结果，确定转炉炼钢工艺的最小成本值。

本发明还提供一种基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制系统，包括控制参数选择单元，用于根据转炉炼钢的工艺选择影响成本的控制参数；

建模样本集构建单元，用于利用模拟转炉炼钢平台采集不同控制参数的成本，构建建模样本集；

归一化样本集获取单元，用于将构建的建模样本集进行归一化处理，获得归一化样本集；

BP神经网络算法构建单元，用于根据所述归一化样本集构建三层的BP神经网络算法；

神经网络参数获取单元，用于采用所述BP神经网络算法对通过模拟转炉炼钢实验所得数据进行建模，获取神经网络参数；

最优控制参数获取单元，用于利用遗传算法对所述BP神经网络算法所构建的模型进行优化，获取所构建模型的最值，并根据所构建模型的最值确定最优控制参数；

最优控制参数成本值获取单元，用于根据所述最优控制参数获取最优控制参数成本值；

最小成本值获取单元，用于根据所述最优控制参数成本值与所述建模样本集中的最小成本值的对比结果，确定转炉炼钢工艺的最小成本值。

从上面的技术方案可知，本发明提供的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法及系统，在冶炼过程中的生产操作参数为信息载体，利用BP神经网络方法挖掘原料配方、操作参数与炼钢成本之间的关系；并通 过智能优化算法利获取最低成本下的操作参数，为实际生产最优生产提供指导，解决转炉炼钢成本较高的问题。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法流程示意图；

图2为根据本发明实施例的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制系统逻辑结构示意图；

图3为根据本发明实施例的BP神经网络模型结构示意图；

图4为根据本发明实施例的所构建模型的训练样本效果图；

图5为根据本发明实施例的所构建模型的测试样本预测精度效果图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。

针对前述提出的目前钢铁行业成本过高的问题，本发明提出了基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法及系统，其中，本发明提出以冶炼过程中的生产操作参数为信息载体，利用BP神经网络方法挖掘原料配方、操作参数与炼钢成本之间的潜在规律；并通过智能优化算法利用该规律获取最低成本下的操作参数，为企业的实际生产最优生产提供指导。

其中，需要说明的是，BP(Back Propagation)神经网络是一种按误差反向传播算法训练的多层前馈网络，是目前应用最广泛的神经网络模型之一。BP神经网络算法拓扑结构包括输入层(input)、隐含层(hidden layer)和输出层(output layer)。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

为了说明本发明提供的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法，图1示出了根据本发明实施例的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法流程。

如图1所示，本发明提供的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法包括：S110：根据转炉炼钢的工艺选择影响成本的控制参数；

S120：利用模拟转炉炼钢平台采集不同控制参数的成本，构建建模样本集；

S130：将构建的建模样本集进行归一化处理，获得归一化样本集；

S140：根据所述归一化样本集构建三层的BP神经网络算法；

S150：采用所述BP神经网络算法对通过模拟转炉炼钢实验所得数据进行建模，获取神经网络参数；

S160：利用遗传算法对BP神经网络算法所构建的模型进行优化，获取所构建模型的最值，并根据所构建模型的最值确定最优控制参数；

S170：根据所述最优控制参数获取最优控制参数成本值；

S180：根据所述最优控制参数成本值与所述建模样本集中的最小成本值的对比结果，确定转炉炼钢工艺的最小成本值。

上述为本发明的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法的流程，在步骤S110中，实际转炉炼钢工艺过程中，为了降低成本在保证热量足够的情况下，加入废钢、铁矿石等提高出钢量；同时通过造渣材料的加入量、入炉铁水的温度、出钢温度等条件的控制实现成本的降低。为此本发明采用铁水量、废钢量、造渣材料加入量、入炉铁水的温度、出钢温度、白云石加入量、石灰石加入量、铁矿石加入量、氧气消耗量、氧枪位置等作为影响成本的控制参数；其中，影响成本的控制参数如表1所示：

表1参数及符号表

在步骤S120中，样本采集；利用模拟转炉炼钢平台采集不同的控制参数下的成本，构建建模样本集[X；Y]；其中，X＝[x₁,x₂,…,x₉]^T；Y＝y^T。采集到数据如表2所示：

表2数据采集样本部分数据

在步骤S130中，数据预处理。利用神经网络建模过程中，其隐含层节点函数为S型函数，其值域为[-1,1]；为提高建模过程精度，故而将所有的采集的样本进行归一化处理。即：将样本集的参量值利用线性归一化方法映射到[-1,1]范围内，得到归一化的样本集

在步骤S140中，构建三层BP神经网络算法。设置BP神经网络隐含层 节点数为l，隐含层节点函数为S型函数tansig，输出层节点数与输出变量个数一致，设置输出成节点函数为线性函数purelin。输入层到隐层的权值为w₁，隐层节点阈值为b₁，隐层至输出层的权值为w₂，输出层节点阈值为b₂，其中，图3示出了三层BP神经网络算法的结构。

在步骤S150中，神经网络参数w₁、b₁、w₂、b₂的确定。

(1)初始化神经网络的权值w₁、w₂阈值b₁、b₂。

(2)利用初始化的网络参数采用如下公式计算此时估计所有输入量对应的输出值

其中，表示预测值；

W₁、W₂分别表示神经网络参数的权值；

b₁、b₂分别表示神经网络参数的阈值，表示经归一化的输入样本。

(3)计算此时实际样本输出与预测值之间系统对N个训练样本的总误差，总误差e准则函数如下：

其中，e表示误差性能指标函数；表示BP网络输出；表示实际输出。

(4)修正神经网络的权值、阈值，根据神经网络的预测的误差e更新网络的权值、阈值。

其中，w1_ij表示隐含层与输入层的连接权值；η表示学习速率； 表示隐含层输出；x(i)表示输入样本；w_jk表示输出层与隐含层权值；

其中，w2_jk表示输出层与隐含层的连接权值；

其中，表示隐含层阈值；表示隐含层输出；w_jk表输出层与隐含层权值；

b₂＝b₂+ηe

其中，i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,l；k＝1,2,…,N；N为样本量；

(5)利用更新得到的权值阈值重新估计重复(2)～(4)过程，直到总误差小于设定值结束训练过程。

具体地，在步骤S150中，输入层到隐层的权值w1(20×10)：

隐层神经元阈值b1(20×1)：

隐层到输出层权值w2(1×20)：

w₂＝[-0.59 -0.23 0.62…-0.45]

输出层阈值b2(1×1)：

b₂＝0.5894

因此，图4和图5分别示出了所构建模型的训练样本效果以及测试样本预测精度效果图，由模型的相对误差可知，建模效果较好，随着样本的不断训练，模型精度越来越高，符合动态建模的特性。

在步骤S160中，利用遗传算法优化步骤S150所得神经网络算法的最值，其过程如下：

(1)构建遗传算法优化的适应度函数，采用步骤S150所得神经网络算法作为适应度函数，适应度函数公式如下：

其中，w₁、b₁、w₂、b₂为步骤S150所求值。

(2)设置决策变量的变化区间，即x_i,min≤x_i≤x_i,max；并设置遗传算法的种群P数量K，迭代次数GEN，初始化种群P，并作为第一代父代P₁；其中，表3示出了决策变量区间值。

表3决策变量区间表

(3)确定优化计算的趋势方向(最大或者最小)，使得成本最低，即：最小化计算优化。

(4)计算P₁中所有个体的适应度函数值，将最优个体(即适应度函数值最小)输出作为一代最优个体。

(5)将P₁中个体进行选择、交叉、变异等第一次遗传迭代操作，得到第一代子群Q1，并作为第二代父群P₂。

(6)重复(3)～(5)操作，直到遗传迭代次数等于GEN，将最后一次迭代所得种群P_GEN的最优个体作为优化所得最佳控制参数组合；其中，表4示出了最优参数组合。

表4最优参数组合

在步骤S170和步骤S180中，将所得最优控制参数组合带入转炉模型平台中进行测试，得到实际的控制成本值，比较最优控制参数的成本值与采集样本的最小值成本值进行比较，若计算的最优控制成本值小于采集样本的最小成本值，则说明计算结果有效，否则重复上述所有过程；其中，表5示出了成本的最优值和模拟值。

表5成本数据比较

由所得优化值进行模拟炼钢实验，在模拟过程中根据计算结果取符合实际操作值并反复实验，其最优操作得到最小成本为220.72($/t)，说明优化所得操作参数有效，吨钢成本减少，系统效率得到了提高。达到了降低成本的目的，因此可以说明基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法有 效。

与上述方法相对应，本发明还提供一种基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制系统，图2示出了根据本发明实施例的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制系统逻辑结构。

如图2所示，本发明提供的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制系统200包括控制参数选择单元210、建模样本集构建单元220、归一化样本集获取单元230、BP神经网络算法构建单元240、神经网络参数获取单元250、最优控制参数获取单元260、最优控制参数成本值获取单元270和最小成本值获取单元280。

具体地，控制参数选择单元210，用于根据转炉炼钢的工艺选择影响成本的控制参数；

建模样本集构建单元220，用于利用模拟转炉炼钢平台采集不同控制参数的成本，构建建模样本集；

归一化样本集获取单元230，用于将构建的建模样本集进行归一化处理，获得归一化样本集；

BP神经网络算法构建单元240，用于根据所述归一化样本集构建三层的BP神经网络算法；

神经网络参数获取单元250，用于采用所述BP神经网络算法对通过模拟转炉炼钢实验所得数据进行建模，获取神经网络参数；

最优控制参数获取单元260，利用遗传算法对BP神经网络算法所建的模型进行优化，获取所构建模型的最值，并根据所构建模型的最值确定最优控制参数；

最优控制参数成本值获取单元270，用于根据所述最优控制参数获取最优控制参数成本值；

最小成本值获取单元280，用于根据所述最优控制参数成本值与所述建模样本集中的最小成本值的对比结果，确定转炉炼钢工艺的最小成本值。

其中，控制参数选择单元210的控制参数包括铁水量、废钢量、造渣材料加入量、入炉铁水的温度、出钢温度、白云石加入量、石灰石加入量、铁矿石加入量、氧气消耗量、氧枪位置。

其中，在本发明的实施例中，BP神经网络算法构建单元220在根据归一化样本集构建三层的BP神经网络算法的过程中，设置所述BP神经网络模型的隐含层节点数为l，隐含层节点函数为S型函数tansig，输出层节点数与输出变量个数一致；设置输出层节点函数为线性函数purelin，输入层到隐含层的权值为w₁，隐含层节点阈值为b₁，隐含层至输出层的权值为w₂，输出层节点阈值为b₂。

其中，神经网络参数获取单元250在采用BP神经网络算法对通过模拟转炉炼钢实验所得数据进行建模，获取神经网络参数的过程中，

第一步：初始化神经网络参数的权值w₁、w₂以及阈值b₁、b₂；

第二步：初始化的网络参数采用如下公式计算此时输入量对应的输出值

其中，e表示误差性能指标函数；表示BP网络输出；

表示实际输出。

第三步：计算此时实际样本输出与预测值之间系统对N个训练样本的总误差，总误差e准则函数如下：

第四步：修正神经网络参数的权值和阈值，具体公式如下：

其中，w1_ij表示隐含层与输入层的连接权值；η表示学习速率；表示隐含层输出；x(i)表示输入样本；w_jk表示输出层与隐含层权值；

其中，w2_jk表示输出层与隐含层的连接权值；

其中，表示隐含层阈值；表示隐含层输出；w_jk表输出层与隐含层权值；

b₂＝b₂+ηe

其中，i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,l；k＝1,2,…,N；N为样本量；

第五步：利用更新得到的神经网络参数的权值和阈值重新估计重复第二步至第四步的过程，直到总误差小于设定值。

其中，最优控制参数获取单元260在利用遗传算法对BP神经网络算法所构建的模型进行优化，获取所构建模型的最值，并根据所构建模型的最值确定最优控制参数的过程中，

第一步：构建遗传算法优化的适应度函数；

第二步：设置决策变量的变化区间，并设置遗传算法的种群P数量K，迭代次数GEN，初始化种群P，并作为第一代父代P₁，其中，所述变化区间为x_i,min≤x_i≤x_i,max；

第三步：确定优化计算的最小化；

第四步：计算所述第一代父代中所有个体的适应度函数值，将适应度函数值最小输出作为一代最优个体；

第五步：将所述第一代父代中个体进行选择、交叉、变异第一次遗传迭代操作，得到第一代子群Q1，并作为第二代父群P2；

第六步：重复第三步到第五步的操作，直到遗传迭代次数等于GEN，将最后一次迭代所得种群P_GEN的最优个体作为优化所得最佳控制参数组合。

通过上述实施方式可以看出，本发明提供的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法及系统，在冶炼过程中的生产操作参数为信息载体，利用BP神经网络方法挖掘原料配方、操作参数与炼钢成本之间的关系；并通过智能优化算法利获取最低成本下的操作参数，为实际生产最优生产提供指导，解决转炉炼钢成本较高的问题。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法及系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于BP神经网络的转炉炼钢工艺成本优化控制方法及系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。