混凝土配合比的非線性優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混凝土配合比的非線性優(yōu)化方法，按如下步驟進(jìn)行：步驟一：建立混凝土性能預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；步驟二：確定配合比優(yōu)化模型的目標(biāo)、約束條件；步驟三：采用粒子群算法，建立配合比優(yōu)化模型；步驟四：粒子還原，將計(jì)算所得的最優(yōu)適應(yīng)度值及其位置分別還原為最低成本值及相應(yīng)的混凝土配合比，結(jié)束。本發(fā)明：(1)建立了混凝土性能的非線性預(yù)測(cè)模型、配合比的非線性優(yōu)化模型；(2)解決了混凝土性能非線性預(yù)測(cè)中的過擬合控制問題；(3)實(shí)現(xiàn)了混凝土配合比的全局優(yōu)化，且優(yōu)化效率較高。
【專利說明】混凝±配合比的非線性優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于混凝±生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】，主要應(yīng)用于規(guī)?；炷郎a(chǎn)中（如商品混凝 ±公司、預(yù)拌混凝±廠）的配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化，特別是多元膠凝材料混凝±的配合比優(yōu)化。

【背景技術(shù)】
[0002] 混凝±是由水泥、水、砂、石子W及慘合料、外加劑組成的無機(jī)非金屬復(fù)合材料，是 現(xiàn)代基本建設(shè)工程中用量最為廣泛的建筑材料之一。在混凝±材料的生產(chǎn)中，配合比設(shè)計(jì) 作為"配方"，直接影響甚至決定了混凝±的性能。從混凝±材料產(chǎn)生的那一刻開始，配合比 設(shè)計(jì)問題就成為一個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)問題。傳統(tǒng)的四組分混凝±(僅由水泥、水、砂和石子拌 合而成）符合灰水比-強(qiáng)度的保羅米公式，其配合比設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。近年來，隨著粉煤灰、粒 化高爐礦渣磨細(xì)粉、娃灰等慘合料及減水劑、緩凝劑等外加劑的慘入，W及混凝±性能向高 強(qiáng)、高性能方向發(fā)展，保羅米公式已難W滿足設(shè)計(jì)要求，必須尋求新的途徑。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范 (JG巧5-2011)及國(guó)際上類似規(guī)范多采取對(duì)保羅米公式進(jìn)行修正的方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，除 精度、效率相對(duì)較低外，還存在無法進(jìn)行配合比優(yōu)化的缺點(diǎn)。北京工業(yè)大學(xué)教授陳建奎提出 的全計(jì)算法，是高性能混凝±配合比設(shè)計(jì)方法上的一個(gè)突破，但計(jì)算工作量相對(duì)較大，且未 考慮實(shí)施配合比的成本優(yōu)化。
[0003] 有關(guān)混凝±配合比優(yōu)化方法，最早由Cannon等人于1970年代提出，其使用的是線 性規(guī)劃的單純形法?？紤]到原材料與混凝±性能之間存在一定的非線性，其后各國(guó)專家采 用不同的非線性算法進(jìn)行改進(jìn)，相關(guān)代表性工作見諸于W下文獻(xiàn)：
[0004] [1]李榮湘，李岳軍.混凝±配合比多目標(biāo)優(yōu)化實(shí)時(shí)控制[J].水利學(xué)報(bào)，1996(4): :34-39.
[0005] [2]YEH I-Chen.Design of high-performance concrete mixtureusing neural networks and nonli near programming[J]. Journal of Computing in Civil Engineering, 1999, 13(1) :36-42.
[0006] [3]王繼宗，梁曉穎.基于Matl油語言的高性能混凝±配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工業(yè) 建筑，2005(1) :67-68.
[0007] [4]劉國(guó)華，陳斌，汪樹玉等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Monte-Carlo法的混凝±配合 比優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2003(4) :45-53.
[0008] [引陳斌，李富強(qiáng).混凝±配合比的非線性多目標(biāo)優(yōu)化算法研究[J].浙江大學(xué)學(xué) 報(bào)（工學(xué)版），2005, 39 (1) : 16-19.
[000引 [6]陳曉東，陳斌，劉國(guó)華.基于BP ANN-GA混合型算法的混凝±配合比優(yōu)化設(shè)計(jì) 研究[J].水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2007 (5) :59-63,52.
[0010] 歸納W上文獻(xiàn)，混凝±性能預(yù)測(cè)無外乎兩種方法，即多項(xiàng)式回歸和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ANNs)法；優(yōu)化方法包括復(fù)形法、Monte-Carlo法和遺傳算法佑A)等。
[0011] 前述現(xiàn)有技術(shù)，采用線性規(guī)劃方法的，未能考慮原材料-混凝±性能間的非線性 關(guān)系；采用Monte-Carlo法優(yōu)化，效率較低、耗時(shí)較長(zhǎng)；采用遺傳算法的，參數(shù)選取存在諸多 不確定性，因此都還不夠完善。此外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過擬合控制相對(duì)困難，使方法在實(shí)際 應(yīng)用中受到一定局限，仍有需要改進(jìn)的地方。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 為實(shí)現(xiàn)配合比優(yōu)化，本發(fā)明將單位體積混凝±的材料成本最低作為優(yōu)化目標(biāo)，W 提高混凝±生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，提出了一種新的混凝±配合比的非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
[0013] 本發(fā)明采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了混凝±性能（包括強(qiáng)度、和易性、耐久性）預(yù) 測(cè)模型；基于前述建立的混凝±性能預(yù)測(cè)模型，采用粒子群算法（PSO)，建立了混凝±配合 比優(yōu)化模型。
[0014] 本發(fā)明；（1)建立了混凝±性能的非線性預(yù)測(cè)模型、配合比的非線性優(yōu)化模型； (2)解決了混凝±性能非線性預(yù)測(cè)中的過擬合控制問題；（3)實(shí)現(xiàn)了混凝±配合比的全局 優(yōu)化，且優(yōu)化效率較高。
[0015] 本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：
[0016] 混凝±配合比的非線性優(yōu)化方法，其按如下步驟進(jìn)行：
[0017] 步驟一；建立混凝±性能預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。采用H層BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò) 輸入層為混凝±原材料的質(zhì)量指標(biāo)及用量；輸出層為擬優(yōu)化配合比的性能要求，主要包括 混凝±不同齡期的強(qiáng)度、巧落度，W及電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等耐久性指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采 用"誤差跟蹤策略"?？蛇x的輸入單元見表1。
[001引表1常用的BP網(wǎng)絡(luò)輸入單元
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 混凝土配合比的非線性優(yōu)化方法，其特征是按如下步驟進(jìn)行： 步驟一：以各混凝土原材料的用量及質(zhì)量指標(biāo)為自變量，混凝土強(qiáng)度、和易性和/或耐 久性指標(biāo)為因變量，建立混凝土性能預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型； 步驟二：根據(jù)給定的配合比設(shè)計(jì)要求，確定配合比優(yōu)化模型的目標(biāo)、約束條件； 步驟三：采用粒子群算法，建立配合比優(yōu)化模型： (1) 初始化種群，即按隨機(jī)規(guī)則產(chǎn)生η個(gè)初始配合比，該η個(gè)配合比均滿足約束條件； (2) 計(jì)算、更新粒子速度和位置，即更新配合比； (3) 更新 pbesh 和 gbest ; (4) 判斷、終止：如果已經(jīng)滿足停止準(zhǔn)則，即終止計(jì)算；否則跳轉(zhuǎn)到步驟三之（2); 步驟四：粒子還原：將計(jì)算所得的最優(yōu)適應(yīng)度值及其位置分別還原為最低成本值及相 應(yīng)的混凝土配合比，結(jié)束。
2. 如權(quán)利要求1所述的混凝土配合比的非線性優(yōu)化方法，其特征是：步驟一中，采用三 層BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸入層為混凝土原材料的質(zhì)量指標(biāo)及用量；輸出層為擬優(yōu)化配合 比的性能要求，包括混凝土不同齡期的強(qiáng)度、坍落度、電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的混凝土配合比的非線性優(yōu)化方法，其特征是：步驟一中，網(wǎng)絡(luò)輸 入層的輸入單元包括水泥用量、細(xì)骨料用量、粗骨料用量、水用量、粉煤灰用量、礦粉用量、 減水率，以及上述原材料的相應(yīng)關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)。
4. 如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的混凝土配合比的非線性優(yōu)化方法，其特征是：步驟二 中，默認(rèn)的優(yōu)化目標(biāo)為單位體積混凝土的生產(chǎn)成本最低，按式（1)計(jì)算： Cc〇st = Cw · Ww+Cc . ffc+Cs . ffs+Cg . ffg+Cf . fff+Csl . ffsl+Caa . ffaa+Cpl . ffpl (1) 式⑴中，c。。st、cw、cs、cg、c f、csl、caa和cpl分別表示水、水泥、砂、石子、粉煤灰、礦粉、其 它摻合料及外加劑的單位價(jià)格，W w、ws、wg、wf、wsl、w aa和wpl相應(yīng)地為各原材料的單位用量； 配合比設(shè)計(jì)的約束函數(shù)，除強(qiáng)度、工作性及耐久性指標(biāo)外，還包括各種經(jīng)驗(yàn)比率限制及 混凝土總重量限制，如式（2)?式（7)所示： S：r>f：. ⑵ s，>f， (3) S:hmp>Sltmp (4) Rr < Ιν< i(iv +Wf+ Wsl +Waa)< ΚΓ (5) RT +W\^)<R'm\ (6) RT < K +K+ wr + ws, + Waa +Ws+Wg+ Wpl < i?fax ( 7 ) 〇
5. 如權(quán)利要求4所述的混凝土配合比的非線性優(yōu)化方法，其特征是：步驟三中，記 pbesti和Pi = (pn，pypiD)T分別為粒子i曾經(jīng)達(dá)到的最佳適應(yīng)度值及其對(duì)應(yīng)于D維空間 中的位置，(p gl，pg2，…，pgD)T分別為群體中所有粒子曾經(jīng)達(dá)到的最佳適應(yīng)度 值及其對(duì)應(yīng)位置；粒子群算法采用的進(jìn)化方程為： vid (t+1) = vid (t) +(? (t) (pid (t) -xid (t)) +C2r2 (t) (pgd (t) -xid (t)) i = 1，…N (8) xid(t+l) = xid(t)+vid(t+l) i = 1, *··Ν (9) 式（8)、（9)中，下標(biāo)i表示第i個(gè)粒子，d表示粒子的第d維，t表示第t代，Q，C2為學(xué) 習(xí)常數(shù)，分別稱為認(rèn)知參數(shù)和社會(huì)參數(shù)，通常在〇?2間取值，ri?U (0，1)和r2?U (0，1) 為兩個(gè)相互獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)； 設(shè)定種群數(shù)為一整數(shù)，即在給定的各混凝土原材料用量范圍內(nèi)，按隨機(jī)規(guī)則產(chǎn)生整數(shù) 組配合比；原材料種類數(shù)及粒子維數(shù)，其用量即粒子的空間坐標(biāo)；計(jì)算各粒子的位置和速 度，計(jì)算每個(gè)粒子在當(dāng)前位置處的適應(yīng)度值： fitnessj = f (Xj) (10) 相應(yīng)地初始化pbesh和gbest : pbestj = fitnessj (11) gbest = minOHnesSufitnesSa --?fitnessN) (12)。
6. 如權(quán)利要求5所述的混凝土配合比的非線性優(yōu)化方法，其特征是：步驟三中，在每次 迭代過程中，各粒子按（8)、（9)式更新自己的位置和速度，即更新混凝土配合比，使之朝成 本下降方向搜索前進(jìn)； 如果 ν;ι/ > ν(Γ，取a = νΓ ;如果 < -νΓ 取?=-νΓ · 同樣，當(dāng)求得?> χ?；?lt; -χΓ，分別取·％ = χΓ或?=-。
7. 如權(quán)利要求6所述的混凝土配合比的非線性優(yōu)化方法，其特征是：步驟三中，對(duì)每個(gè) 粒子，將其適應(yīng)度值與所經(jīng)歷過的最好的適應(yīng)度值進(jìn)行比較，如果更低，則將它作為該粒子 的個(gè)體歷史最優(yōu)值pbesti，用當(dāng)前位置更新個(gè)體歷史最好位置Py即用當(dāng)前配合比更新本 粒子所代表的最優(yōu)配合比； 對(duì)群體中各個(gè)粒子，將其歷史最優(yōu)適應(yīng)度值與群體內(nèi)或鄰域內(nèi)所經(jīng)歷的最好位置的適 應(yīng)度值進(jìn)行比較，如果更好，則更新gbest;并將其作為當(dāng)前的全局最好位置Pg，即將其作為 當(dāng)前的全局最優(yōu)配合比。
8. 如權(quán)利要求2或3所述的混凝土配合比的非線性優(yōu)化方法，其特征是：步驟一中，在 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合過程中采用"誤差跟蹤策略"，即：首先進(jìn)行第一次網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和預(yù)測(cè)，以其 預(yù)測(cè)誤差作為最優(yōu)誤差的初始值；而后網(wǎng)絡(luò)每訓(xùn)練一次，立即對(duì)預(yù)測(cè)樣本組進(jìn)行預(yù)測(cè)，若預(yù) 測(cè)誤差小于初始值，則取其為最優(yōu)值并記錄發(fā)生位置，如此不斷重復(fù)計(jì)算，直至網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤 差或訓(xùn)練次數(shù)達(dá)到預(yù)定值為止。
【文檔編號(hào)】G06N3/02GK104261742SQ201410487356
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】陳斌, 陳曉東, 黃靈娟 申請(qǐng)人:浙江水利水電學(xué)院