基于Fuzzy綜合集成算法的鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)研究

甘小芳，戴小平，張宜力，劉艷嬌

（安徽工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

基于Fuzzy綜合集成算法的鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)研究

甘小芳，戴小平，張宜力，劉艷嬌

（安徽工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

質(zhì)量判定系統(tǒng)是MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的一個重要組成部分，一直以來都是鋼鐵行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。以鑄坯質(zhì)量判定為背景，在Fuzzy綜合集成算法的基礎(chǔ)上研究和開發(fā)了鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)需要動態(tài)改變影響鑄坯質(zhì)量的因素，以及根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)鑄坯質(zhì)量的各個因素的安全指標(biāo)和安全標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了從多個角度多個層次對鑄坯質(zhì)量做出比較準(zhǔn)確全面的判定。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)在現(xiàn)場生產(chǎn)中表現(xiàn)良好，通過對專家數(shù)據(jù)庫及各因素權(quán)重的不斷完善，可以較好地判定鑄坯質(zhì)量等級，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值。

質(zhì)量判定；Fuzzy綜合集成算法；MES系統(tǒng)

1 引言

鋼鐵生產(chǎn)中，生產(chǎn)技術(shù)以及一些其他的因素都會影響鑄坯的質(zhì)量，因此要綜合各個方面的因素對鑄坯的質(zhì)量進(jìn)行判斷。這樣不僅能夠保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量，更最重要的是可以保證生產(chǎn)的連續(xù)性。近些年來，已經(jīng)有很多專家學(xué)者專注于鑄坯質(zhì)量判定理論[1]和模型方面的研究。國內(nèi)外比較成功的判定系統(tǒng)有:寶鋼的板坯品質(zhì)異常把握模型和漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及馬西克、達(dá)涅利、奧鋼聯(lián)開發(fā)的相關(guān)鑄坯質(zhì)量系統(tǒng)[2-4]。

隨著鋼鐵企業(yè)的發(fā)展，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。為了確保生產(chǎn)的持續(xù)性、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及能夠及時調(diào)整生產(chǎn)方式，實(shí)時高效的鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)已成為迫切需要。

2 質(zhì)量判定算法

2.1 Fuzzy語言場描述

若C=＜D,I,N,≤N＞滿足下面的條件：（1）D為R上基礎(chǔ)變量論域中交叉區(qū)間的集合;（2）N≠為Fuzzy語言值 (辭)的有限集；（3）≤N為N上全序關(guān)系；（4）I:N→D為標(biāo)準(zhǔn)值映射，并且滿足保序性，滿足以上條件則稱C為Fuzzy語言場。在Fuzzy語言變量相應(yīng)的論域（基礎(chǔ)變量論域）中，標(biāo)準(zhǔn)樣本點(diǎn)指每個被劃分的交叉子區(qū)間的中點(diǎn)（θ）連同ε領(lǐng)域（通常為允許誤差值）內(nèi)的點(diǎn)，其取值區(qū)間為（θ-ε,θ+ε），落在該區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)視為標(biāo)準(zhǔn)值；其余的點(diǎn)被視為非標(biāo)準(zhǔn)樣本點(diǎn)；標(biāo)準(zhǔn)樣本點(diǎn)和非標(biāo)準(zhǔn)樣本點(diǎn)分別構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)樣本空間和非標(biāo)準(zhǔn)樣本空間，兩者之并稱為一般樣本空間。對于其它定義及定理,請參考文獻(xiàn)[5]。在Fuzzy算法中有一個概念叫做危險度，它是用來表示危險性差異之間存在的中間過渡的表征。在研究中危險度就表示鑄坯的質(zhì)量屬性，可視為Fuzzy語言變量，可采用的語言值為：優(yōu)（很不危險），良（不危險），中（危險），差（很危險）等。每一個Fuzzy語言值均對應(yīng)一個Fuzzy子集。在有限與離散的狀態(tài)下它又可以對應(yīng)一個向量。

根據(jù)Fuzzy語言場的概念及相關(guān)定理可確定各質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)向量，假如設(shè)K=5，則各質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)量為：

其中ai，bi，ci，di，ei（i=1,2,3,4,5）的具體數(shù)值可由自然數(shù)集{1,2,3,4,5}的“大”或者“小”之一對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)向量，利用Fuzzy算子的運(yùn)算法則求出。影響鑄坯質(zhì)量（危險度）的因素有很多，各個因素之間又有主次之分，因此這里采用分層次研究，同時對每一層又根據(jù)權(quán)重來區(qū)分主次關(guān)系。

2.2 鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)的模型體系結(jié)構(gòu)

所謂鑄坯質(zhì)量是指得到合格的鑄坯產(chǎn)品所允許的缺陷的嚴(yán)重程度[6]。質(zhì)量判定系統(tǒng)可以針對不同的產(chǎn)品類型設(shè)定不同的判定標(biāo)準(zhǔn)。例如其中一個判定標(biāo)準(zhǔn)考慮以下四個方面的影響因素：純凈度、表面質(zhì)量、機(jī)械性能、內(nèi)部質(zhì)量。

影響質(zhì)量的因素有很多方面，但是不同鋼廠和不同類型的產(chǎn)品要考慮的因素可能不同。因此需要根據(jù)產(chǎn)品的要求去制定判斷標(biāo)準(zhǔn)，一種產(chǎn)品對應(yīng)一種判定標(biāo)準(zhǔn)，每個判定標(biāo)準(zhǔn)又需考慮不同的方面或不同的權(quán)重，以及各個方面所包含的不同子因素或權(quán)重。

為了對鑄坯質(zhì)量做出盡可能正確、可信的判定，根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)的要求以及上面介紹的影響鑄坯質(zhì)量的因素，可以構(gòu)建多級Fuzzy判定體系。圖1所示的是一個鑄坯質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)。頂層級從四個方面對鑄坯質(zhì)量做出整體的評估，為進(jìn)一步細(xì)化判定指標(biāo)，將影響每一因素的子因素列出，這樣就形成了底層級的子因素。這些子因素又存在主次的差別，可以通過權(quán)重的分配來區(qū)分。權(quán)重的分配需要綜合考慮各個方面的因素，例如產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)需求等。各種類型的質(zhì)量因素都有與之對應(yīng)的權(quán)重體系，這樣就能結(jié)合多級Fuzzy判定，從多個角度多個層次對鑄坯質(zhì)量做出比較準(zhǔn)確全面的判定。

圖1 模型體系結(jié)構(gòu)

2.3 判定算法的研究（Fuzzy綜合集成算法）

②陸游從乾道六年(1170，46歲)閏五月十八日離山陰赴夔州通判，到淳熙五年(1178，54歲)春別蜀東歸。期間于乾道八年三月到興元府，同年十一月二日啟程赴成都。實(shí)際在梁益時間不足八年。但陸游談到這段經(jīng)歷，常自云九年或十年，如《遣興》云“西州落魄九年余”，《新灘舟中作》云“九年行半九州島地”，《南烹》云“十年流落憶南烹”等等。陸游的梁益地區(qū)書寫，研究論文頗多，此處不一一列舉。

利用Fuzzy綜合集成算法進(jìn)行鑄坯的質(zhì)量判定，具體的方法步驟如下[7-8]

（1）確定評價因素集。根據(jù)模型體系結(jié)構(gòu)可以用到的因素有：U={純凈度；表面質(zhì)量；機(jī)械性能；內(nèi)部質(zhì)量}。當(dāng)然現(xiàn)在每個因素還可能有子因素，例如U（純凈度）={Al2O3含量，SiO2含量，MnS含量}三個子因素。

（2）對鑄坯質(zhì)量的某一方面的性能作一級判定：

首先要確定質(zhì)量的等級標(biāo)準(zhǔn)向量，依據(jù)Fuzzy語言場概念和dis-同構(gòu)定理，確定各質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)向量（設(shè)K=4）分別為:

其中 ai，bi，ci，di（i=1,2,3,4）的具體數(shù)值可以通過自然數(shù)集{1,2,3,4}中的“大”或者“小”之一對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)向量經(jīng)過Fuzzy運(yùn)算法則一一得到。

建立權(quán)重集。每個層次都對應(yīng)相應(yīng)的權(quán)重集，權(quán)重的分配需要各個方面的綜合考慮，所以建立權(quán)重集是質(zhì)量判定準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵部分。確定各質(zhì)量因素的權(quán)重公式如下：

建立評價矩陣M，建立評價矩陣是Fuzzy綜合算法的核心部分。矩陣M中對應(yīng)的行向量的確定方法如下：

1）每個底層級因素的區(qū)域劃分成交叉子區(qū)間，再根據(jù)各個因素的要求確定各區(qū)間對應(yīng)的 “語言值”（優(yōu)、良、中、差）。

2）各個因素的實(shí)際數(shù)據(jù)錄入，將錄入的數(shù)據(jù)和劃分的區(qū)間進(jìn)行比較若為標(biāo)準(zhǔn)向量，則將相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)向量寫入評價矩陣M中。例如，如果SiO2含量在優(yōu)區(qū)間中，那么M（純凈度）的第一行就是L優(yōu)。

3）各因素的實(shí)際數(shù)據(jù)為非標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)時，用插值法獲得相對應(yīng)的向量，再將獲得的向量寫入判定矩陣M中。這樣做的好處就是可以更加準(zhǔn)確的判斷每個因素的情況，降低高級判定的誤差度。

插值公式：

其中At表示第i個區(qū)間對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)向量；A領(lǐng)表示依t的落點(diǎn)而定的左鄰或右鄰區(qū)間對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)向量；ti表示表示第i個區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)樣本實(shí)際數(shù)據(jù)；Li表示第i個區(qū)間的長度(若t落在首尾區(qū)間，計(jì)算時將Li改為2Li)。基于以上步驟可得到一級判定結(jié)果向量Ti=A0M（合成運(yùn)算“0”可視具體而定,一般取“”）。

（3）對影響鑄坯某一方面的性能作二級判定是在一級判定的基礎(chǔ)上根據(jù)一級判定結(jié)果向量得到二級判定的判定矩陣M''，根據(jù)當(dāng)前層次的權(quán)重向量A'，經(jīng)過運(yùn)算可以得到二級判定結(jié)果向量T=A'0M'（假如模型結(jié)構(gòu)有多層每一層可以用下一層的判定結(jié)果向量得到本層的判定矩陣）。

（4）最后對鑄坯質(zhì)量做出整體綜合評定：

按照上面的步驟，經(jīng)過三級判定后得到一個判定結(jié)果向量T，然后對T進(jìn)行聚類分析。對于質(zhì)量等級為優(yōu)、良、中、差的每個等級，選擇它們各自所對應(yīng)的質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)向量作為聚類中心。標(biāo)準(zhǔn)向量分別記作T0、T1、T2、T3按照如下的公式分別計(jì)算T與聚類中心T0、T1、T2、T3的距離：

依據(jù)就近原則，對T而言，計(jì)算它與T0、T1、T2、T3之間的距離，將得到的距離進(jìn)行比較，哪個最小，鑄坯質(zhì)量就從屬哪個等級，從而得到鑄坯的Fuzzy綜合判定結(jié)果。算法的具體流程如圖2所示：

圖2 Fuzzy綜合集成算法流程

3 鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)

鑄坯質(zhì)量判定其實(shí)就是對影響鑄坯質(zhì)量的各個因素等級進(jìn)行綜合評定。基于Fuzzy[9]語言場和Fuzzy綜合集成算法[10]，建立鑄坯質(zhì)量判定模型，設(shè)計(jì)和開發(fā)鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)，同時可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求增加或刪除影響鑄坯質(zhì)量的因素。系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)收集(自動或手動)到的生產(chǎn)過程(煉鋼、二次精煉和連鑄)數(shù)據(jù)以及化驗(yàn)數(shù)據(jù)，與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)中獲得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，及時檢測和判斷鑄坯的質(zhì)量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

質(zhì)量判定系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)可以分為，數(shù)據(jù)采集，質(zhì)量判定和查詢操作三大功能模塊，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集模塊主要是獲取模型體系結(jié)構(gòu)中影響鑄坯質(zhì)量的各個因素的實(shí)際數(shù)據(jù)。一些數(shù)據(jù)是通過人工輸入獲得，一些是通過PLC實(shí)時采集以及檢化驗(yàn)結(jié)果得到。

質(zhì)量判定模塊是通過接收質(zhì)量數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，利用Fuzzy綜合集成算法來進(jìn)行質(zhì)量判定,得出質(zhì)量等級。質(zhì)量判定分為兩種不同的情況：一種是抽檢，另一種是全檢。不管哪種檢測又可分為對鑄坯純凈度、表面質(zhì)量、機(jī)械性能、內(nèi)部質(zhì)量的判定。

查詢操作模塊主要是查詢和顯示鑄坯質(zhì)量判定結(jié)果，并導(dǎo)出或打印判定結(jié)果。為確保鑄坯生產(chǎn)的持續(xù)性、提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及調(diào)整生產(chǎn)方式提供依據(jù)。

4 結(jié)論

鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)建立的判定算法是以基于Fuzzy語言場的Fuzzy綜合集成算法為理論基礎(chǔ)。在功能上，鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)庫知識實(shí)現(xiàn)了根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要調(diào)整影響鑄坯質(zhì)量因素的層次和每個層次的底層因素。鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)初步建立以來，在現(xiàn)場生產(chǎn)中表現(xiàn)良好。可以對鑄坯判定系統(tǒng)的專家數(shù)據(jù)庫（標(biāo)準(zhǔn)值）以及各個因素的權(quán)重進(jìn)行不斷地更新完善，使得鑄坯判定評級標(biāo)準(zhǔn)越來越準(zhǔn)確。擴(kuò)大影響鑄坯質(zhì)量的因素可以增加判定缺陷的種類，同時也能提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及調(diào)整更有效的生產(chǎn)方式。

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[責(zé)任編輯：桂傳友]

TP18

A

1674-1104(2014)03-0022-03

10.13420/j.cnki.jczu.2014.03.006

2013-11-07

甘小芳(1988-),女,安徽池州人,安徽工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院碩士研究生,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)，信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫。