■陳 嘯 孔丹丹 方 鵬 王紅英
(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083)
現(xiàn)代顆粒飼料加工工業(yè)中,粉碎、調(diào)質(zhì)、制粒、冷卻[1]等工段中所使用的各加工參數(shù)如粉碎粒度[2-3]、調(diào)質(zhì)蒸汽量及壓力、制粒成型參數(shù)[2,4-5]、調(diào)質(zhì)溫度參數(shù)[6-7]等,對顆粒飼料產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)能力及動物飼喂效果都有顯著的影響,因此針對顆粒飼料加工參數(shù)的優(yōu)化可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)飼料行業(yè)高效低耗生產(chǎn),對本行業(yè)的發(fā)展是很有必要且極有現(xiàn)實(shí)意義的。
關(guān)于加工參數(shù)的優(yōu)化,相關(guān)學(xué)者近年來開展了廣泛研究:如國內(nèi)學(xué)者采用的回歸正交組合設(shè)計(jì)方法、響應(yīng)面優(yōu)化法等數(shù)學(xué)規(guī)劃法對水產(chǎn)沉性顆粒飼料擠壓蒸煮工藝[8]、秸稈壓塊成型工藝[9-11]、擠壓膨化工藝[12-13]等加工過程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究;而國外相關(guān)研究領(lǐng)域偏向于人工智能與優(yōu)化算法相結(jié)合的方向,Witek-Krowiak A等使用響應(yīng)面參數(shù)優(yōu)化與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對生物質(zhì)吸附過程進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化[14],顯著降低了進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)帶來的成本;經(jīng)過與數(shù)學(xué)回歸方法的比較,Pappu Sharon Mano J等[15]結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法,對生物質(zhì)木糖發(fā)酵加工過程進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化,應(yīng)用結(jié)果顯示該方法具有優(yōu)秀的預(yù)測精度和優(yōu)化效果;而在飼料加工領(lǐng)域中,Sudha L等[16]使用BP模型建立固定配方條件下加工參數(shù)與生產(chǎn)率的仿真模擬模型,通過這一模型進(jìn)行反演尋找最優(yōu)加工參數(shù),結(jié)果顯示在粉碎粒度1.5 mm、調(diào)質(zhì)蒸汽溫度80℃、喂料速率16 t/h、調(diào)質(zhì)時間32 s情況下可以獲得最優(yōu)生產(chǎn)率(13.82 t/h)。但此類研究中,或是模型效率不高,或是只考慮單一目標(biāo),無法滿足顆粒飼料實(shí)際生產(chǎn)過程中需對多目標(biāo)進(jìn)行全局尋優(yōu)的要求。
本文基于以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心的加工參數(shù)與顆粒飼料質(zhì)量、生產(chǎn)能力等指標(biāo)間的近似模型,采用多學(xué)科優(yōu)化軟件iSIGHT,實(shí)現(xiàn)基于改進(jìn)非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-II)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì);根據(jù)目標(biāo)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求,面向顆粒飼料主要加工過程參數(shù),提出一種經(jīng)濟(jì)高效且高度針對性的顆粒飼料加工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,得到能夠達(dá)到不同目標(biāo)需求的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,為顆粒飼料產(chǎn)品質(zhì)量的提高和高效低耗生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實(shí)用工具。
大多數(shù)工程和應(yīng)用環(huán)境都是多目標(biāo)優(yōu)化問題,存在多個彼此沖突的目標(biāo);面對多目標(biāo)問題,傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃法常將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題并以組合權(quán)重法解決,這往往忽視了目標(biāo)之間的相互制約和相互聯(lián)系;而現(xiàn)代智能仿生算法則可綜合考慮各目標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系以逼近全局最優(yōu)。
隨著優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展和深入,各具特點(diǎn)的多目標(biāo)優(yōu)化方法已應(yīng)用到農(nóng)業(yè)的各個領(lǐng)域,取得了良好的優(yōu)化效果。劉世豪等[17]使用一種集質(zhì)量功能展開、模糊線性回歸和目標(biāo)規(guī)劃優(yōu)點(diǎn)于一體的多目標(biāo)優(yōu)選法,通過應(yīng)用實(shí)例證明該方法可有效解決搭建智能制造平臺時遇到的數(shù)控機(jī)床選型問題;通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的近似模型;趙斌娟等[18]以多目標(biāo)遺傳算法為尋優(yōu)算法,結(jié)合高精度流固耦合計(jì)算,設(shè)計(jì)了離心泵專用的多目標(biāo)多學(xué)科遺傳尋優(yōu)策略;王云等[19]針對柔性作業(yè)車間的多目標(biāo)調(diào)度問題,提出基于密集距離排序的自適應(yīng)多目標(biāo)粒子群算法,引入小概率變異機(jī)制以增強(qiáng)解的多樣性和算法全局尋優(yōu)能力,應(yīng)用仿真結(jié)果證明該方法的有效性與適用性。
近似模型是通過數(shù)學(xué)物理模型逼近一組輸入變量與響應(yīng)變量的方法[20];通過建立滿足精度要求的近似模型,可以模擬目標(biāo)生產(chǎn)加工過程。陳嘯等[21]使用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)對應(yīng)用廣泛的一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),back-propagation neural network,BPNN)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化,建立的顆粒飼料質(zhì)量預(yù)測模型具有較高精度,可對顆粒飼料加工過程進(jìn)行近似模擬;因此本文以該模型為基礎(chǔ),根據(jù)使用者由自身要求建立的顆粒飼料加工參數(shù)-質(zhì)量指標(biāo)體系,進(jìn)行近似模型的構(gòu)建。
改進(jìn)非支配排序遺傳算法[22]采用簡潔明晰的極值非優(yōu)超排序法,在初代算法基礎(chǔ)上引入快速非支配排序策略、虛擬擁擠度距離計(jì)算及精英保留策略3項(xiàng)技術(shù),使算法具有逼近Pareto最優(yōu)前沿的能力,并采用排擠極值法保證得到的最優(yōu)解具有良好的分布特性,是迄今為止最優(yōu)秀的進(jìn)化多目標(biāo)優(yōu)化算法之一[23]。
目前該算法已應(yīng)用到農(nóng)業(yè)工程和農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的許多方面:陳鴻海等[24]以NSGA-II算法為基礎(chǔ),提出近親變異法優(yōu)化其交叉變異策略,通過對某機(jī)械加工車間的調(diào)度實(shí)例證明改進(jìn)算法的有效性與可行性;基于農(nóng)田水量平衡模擬模型和作物產(chǎn)量計(jì)算模型,郄志紅等[25]以改進(jìn)NSGA-II算法為核心建立了能夠同時對灌水日期和灌溉水量進(jìn)行優(yōu)化的多目標(biāo)優(yōu)化模型,計(jì)算分析結(jié)果顯示相對產(chǎn)量和用水量都得到了可觀的優(yōu)化;以徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建高比速混流泵工作過程近似模型,王春林等[26]使用NSGA-II算法對葉片軸面流線速度矩分布規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化,改善了葉輪的水力特性。
NSGA-II算法根據(jù)多目標(biāo)函數(shù)值確定個體之間相應(yīng)的支配關(guān)系,由此將競爭能力相同或相似的個體分為一個部分,使競爭能力更強(qiáng)的非支配個體群有更高概率被選入下一代,并以更快的速度收斂到最優(yōu)區(qū)域。關(guān)鍵運(yùn)算分為以下4部分:
①快速非支配排序策略
設(shè)目標(biāo)函數(shù)數(shù)目為M,種群規(guī)模為N,根據(jù)個體間支配關(guān)系對種群進(jìn)行排序:由適應(yīng)度函數(shù)值確定不同個體的支配關(guān)系,若xj并不優(yōu)于xn,則xj為非支配個體,循環(huán)運(yùn)算直至找到所有非支配個體;定義以上所有非支配個體等級irank為1,并將這些個體從種群中移除,繼續(xù)在剩余子種群中運(yùn)行上述循環(huán),并同理定義為irank為2的個體,直至所有個體都被賦予相應(yīng)的irank。
②虛擬擁擠度距離計(jì)算
為了保持種群多樣性,防止迭代早熟,引入虛擬擁擠度概念,指解i與同級相鄰兩解i+1和i-1間的擁擠距離。對含有r個目標(biāo)優(yōu)化問題個體i的擁擠距離的計(jì)算公式可表示為式(1),式中L[i]d為第i個個體的第d個目標(biāo)函數(shù)值,fk為目標(biāo)優(yōu)化問題。
③遺傳操作:選擇、交叉及變異
個體選擇、交叉及變異運(yùn)算是算法的核心步驟,其作用相當(dāng)于構(gòu)造梯度向量以保證迭代方向指向Pareto最優(yōu)解,并采用遺傳思想對群體進(jìn)行迭代:基于上文建立的排序irank和虛擬擁擠度距離,當(dāng)irank<jrank或irank=jrank且 L[i]d>L[j]d,則稱個體 i優(yōu)于個體 j;亦即優(yōu)先選擇irank小的個體,若兩個體非支配排序相同,則選擇id較大即在解空間中周圍較稀疏的個體。
算法迭代時,每次從群體中隨機(jī)選擇兩個個體x1、x2,采用模擬二進(jìn)制交叉算子產(chǎn)生兩個新的個體y1、y2,交叉子代計(jì)算公式如式(2)、(3):
式中:α為交叉概率,表達(dá)種群發(fā)生交叉操作的可能性大小,βi由式(4)確定,其中u為隨機(jī)數(shù),ηc為交叉分布指數(shù)。
變異過程則根據(jù)均值為0的多項(xiàng)式概率分布在父代x的附近產(chǎn)生子代y;對于第i個變量,變異計(jì)算公式如式(5):
④精英保留策略
這一技術(shù)的應(yīng)用主要目的為保留父代中的優(yōu)良個體以使其直接進(jìn)入下一階段迭代;由此可防止最優(yōu)個體被遺漏,有利于提高算法的收斂速度并保持種群的多樣性[27];NSGA-II算法運(yùn)行流程如圖1。
本文使用MATLAB 2014b軟件進(jìn)行編程,構(gòu)建BPNN模型并實(shí)現(xiàn)PSO網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化;使用多學(xué)科優(yōu)化軟件iSIGHT設(shè)置NSGA-II算法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化,其可集成多種應(yīng)用分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算,形成易操作、自動可視的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺;使用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
圖1 NSGA-II優(yōu)化算法流程
根據(jù)模型構(gòu)建要求及應(yīng)用企業(yè)實(shí)際需求,選取待優(yōu)化的顆粒飼料加工參數(shù)組為錘片粉碎機(jī)篩片孔徑、調(diào)質(zhì)溫度、環(huán)模長徑比及??字睆剑毁|(zhì)量指標(biāo)確定為顆粒耐久度(pellet durability index,PDI)、硬度(hardness,H)及生產(chǎn)率(productivity,P),分別從顆粒產(chǎn)品抵抗外力破壞能力[1]、成型質(zhì)量及加工效率進(jìn)行考量。由此構(gòu)建的近似模型指標(biāo)體系結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 BPNN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化指標(biāo)體系,顆粒飼料加工參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可描述為式(7)。式中MSSB、MSSS、CT、LDR、DDO分別代表錘片粉碎機(jī)大小篩片孔徑(mash size of screen big/small)、調(diào)質(zhì)溫度(condition-ing temperature)、環(huán)模長徑比(length-diameter ratio of ring die)、??字睆?diameter of die orifice);PDI的約束條件依據(jù)為顆粒飼料通用技術(shù)條件[28],各加工參數(shù)約束條件則根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況確定。
根據(jù)軟件推薦值及文獻(xiàn)參考,確定NSGA-II算法參數(shù)如下:交叉概率0.9;交叉分布指數(shù)10.0;變異分布指數(shù)20.0;最大失敗運(yùn)行次數(shù)5次;初始種群規(guī)模12;遺傳代數(shù)20。優(yōu)化過程完成后,使用Graph Builder、Scatter Plots功能對結(jié)果進(jìn)行后處理,生成EDM曲線、Pareto前沿圖等以分析優(yōu)化結(jié)果。
為訓(xùn)練和測試近似模型,根據(jù)上文構(gòu)建的優(yōu)化參數(shù)-質(zhì)量指標(biāo)體系,于2016年4月在北京通州某飼料生產(chǎn)企業(yè)(即應(yīng)用企業(yè))采集顆粒飼料生產(chǎn)數(shù)據(jù)共91組。生產(chǎn)數(shù)據(jù)基于某仔豬料配方(表1),各參數(shù)如錘片粉碎機(jī)篩片孔徑、模孔直徑及環(huán)模長徑比在實(shí)際生產(chǎn)前獲得,調(diào)質(zhì)溫度及各優(yōu)化指標(biāo)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過程中測定,測定方法見陳嘯等(2016)[21],顆粒飼料硬度值則使用谷物硬度計(jì)測定(GWJ-1,托普儀器有限公司)。
表1 試驗(yàn)用仔豬顆粒料產(chǎn)品配方
2.3.1 近似模型的驗(yàn)證
使用2.2節(jié)采集的91組實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù),隨機(jī)取出其中的81組對近似模型進(jìn)行了訓(xùn)練,并使用其余10組對訓(xùn)練完成的模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示三項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)際值與近似值擬合曲線系數(shù)項(xiàng)接近于1而常數(shù)項(xiàng)接近于0,與y=x重合度較好;同時決定系數(shù)R2較高,均值達(dá)到0.94以上,表明近似值與實(shí)際值間的接近程度較高;同時近似模型驗(yàn)證誤差指標(biāo)如表2,表中數(shù)據(jù)顯示該近似模型達(dá)到較高精度,與陳嘯等(2016)[21]中各模型相比具有同等精度或一定優(yōu)勢,可以滿足顆粒飼料加工過程近似要求,為后文加工參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性奠定基礎(chǔ)。
表2 PSO-BPNN近似模型誤差指標(biāo)
2.3.2 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析及方案決策
經(jīng)過NSGA-II算法對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后,使用iSIGHT后處理功能對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析,根據(jù)分析結(jié)果在Pareto非劣解中由實(shí)際要求選擇合適的折衷解,形成全局優(yōu)化方案。
設(shè)計(jì)可能性歷史圖(見圖3)顯示,大多數(shù)樣本點(diǎn)設(shè)計(jì)可能性為位置7,紅色點(diǎn)標(biāo)示的劣解樣本點(diǎn)可行性為位置1,個別點(diǎn)可行性為位置8和位置9,說明在選取優(yōu)化結(jié)果時應(yīng)考慮幾個優(yōu)化目標(biāo)綜合選取,避免選擇可行性為1的樣本點(diǎn)的同時也應(yīng)考慮實(shí)際情況。
通過Pareto最優(yōu)解集后處理工具可以獲得變量變化和優(yōu)化目標(biāo)的響應(yīng),顯示優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)及相關(guān)指標(biāo)對應(yīng)關(guān)系,其中調(diào)質(zhì)溫度影響較為明顯,在實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。由于多目標(biāo)間的相互制約關(guān)系,一般不存在絕對最優(yōu)解,所有可能的解稱為非劣解即Pareto解[29];本文所使用的三個優(yōu)化目標(biāo)之間同樣存在相互制約的關(guān)系,可通過表現(xiàn)該制約關(guān)系的Pareto前沿來進(jìn)行觀察,從而結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行決策。根據(jù)Pareto前沿可以得到各目標(biāo)兩兩之間的Pareto關(guān)系式(8)、(9)、(10):
Pareto前沿分析結(jié)果顯示,大部分非劣解都集中在所擬合曲線的右半支,總體上指標(biāo)間近似呈正比增長關(guān)系,劣解群規(guī)劃出最優(yōu)方案選取建議范圍。其中,由于PDI、生產(chǎn)率優(yōu)化方向?yàn)樽畲蠡?,而硬度根?jù)不同飼料特點(diǎn)有一定期望值,因此在根據(jù)Pareto前沿進(jìn)行決策時應(yīng)考慮實(shí)際需求及優(yōu)化方向。
圖3 設(shè)計(jì)可能性歷史圖
綜上所述,結(jié)合iSIGHT數(shù)值分析結(jié)果,給出考慮優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)值優(yōu)化方案即各加工參數(shù)優(yōu)化結(jié)果:環(huán)模長徑比為1∶7,模孔直徑為3.0 mm、錘片粉碎機(jī)篩片孔徑分別為2.0 mm、1.5 mm,調(diào)質(zhì)溫度為76.2℃;各指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果結(jié)合驗(yàn)證情況見表3。
2.3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證
由上文可知,解集中的每個點(diǎn)之間都是非占優(yōu)關(guān)系,應(yīng)用時需根據(jù)實(shí)際對目標(biāo)間的重要性和偏重進(jìn)行決策,以選取合適的優(yōu)化結(jié)果;根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)、近似模型及NSGA-II算法優(yōu)化設(shè)計(jì)思路完成優(yōu)化驗(yàn)證如表3。
表3 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證
由驗(yàn)證結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)率目標(biāo)優(yōu)化幅度達(dá)到22.04%,PDI目標(biāo)優(yōu)化幅度達(dá)到6.04%,效果顯著;顆粒飼料硬度則可根據(jù)實(shí)際要求從獲得的優(yōu)化方案中進(jìn)行選擇。
為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性和實(shí)用性,于北京密云某飼料生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用本文構(gòu)建的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,在該應(yīng)用條件下(相應(yīng)加工參數(shù)組的選擇及優(yōu)化結(jié)果為:環(huán)模長徑比1∶9,模孔直徑3.0 mm,錘片粉碎機(jī)篩片孔徑為2.5、3.0 mm,調(diào)質(zhì)溫度80.37℃,油脂添加量5%,質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果如表4。
表4 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)用性驗(yàn)證
由表中數(shù)據(jù)可知,在該企業(yè)應(yīng)用條件下,使用本文優(yōu)化設(shè)計(jì)方法后PDI指標(biāo)優(yōu)化幅度為4.03%,生產(chǎn)率、含粉率指標(biāo)優(yōu)化幅度分別達(dá)到了33.93%和28.49%,優(yōu)化效果較為明顯,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法在其他飼料企業(yè)的有效性和實(shí)用性。
①面向顆粒成型加工參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)能力等指標(biāo),以一種優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型為基礎(chǔ),建立了基于改進(jìn)非支配排序遺傳算法的顆粒飼料加工參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,整合多學(xué)科優(yōu)化軟件iSIGHT及編程軟件實(shí)現(xiàn)模型及算法,使用相關(guān)功能完成優(yōu)化結(jié)果的后處理。
②通過應(yīng)用實(shí)例分析,基于應(yīng)用企業(yè)要求構(gòu)建的優(yōu)化參數(shù)-質(zhì)量指標(biāo)體系,使用實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對近似模型進(jìn)行了訓(xùn)練和驗(yàn)證,結(jié)果顯示實(shí)際值與近似值呈顯著正相關(guān),決定系數(shù)R2平均值達(dá)0.94以上,綜合誤差指標(biāo)可知該模型滿足優(yōu)化使用要求;基于改進(jìn)非支配排序遺傳算法完成多目標(biāo)優(yōu)化,對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行后處理及分析,給出優(yōu)化加工參數(shù)方案:環(huán)模長徑比為1∶7,模孔直徑為3.0 mm,錘片粉碎機(jī)篩片孔徑分別為2.0、1.5 mm,調(diào)質(zhì)溫度76.2℃,驗(yàn)證結(jié)果顯示生產(chǎn)率、PDI等目標(biāo)的優(yōu)化幅度達(dá)到了22.04%和6.04%,顯示出本文方法的顯著優(yōu)化效果;進(jìn)一步在其他生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了實(shí)用性驗(yàn)證,PDI、生產(chǎn)率、含粉率等質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)化幅度分別達(dá)到了4.03%、33.93%和28.49%,可證明本文優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在不同飼料企業(yè)的有效性和實(shí)用性。
③飼料生產(chǎn)企業(yè)在應(yīng)用本文方法時,應(yīng)基于本企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求構(gòu)建針對性優(yōu)化參數(shù)-質(zhì)量指標(biāo)體系,并使用實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對近似模型進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證,獲得可近似模擬本企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)關(guān)系的、具有滿意精度的近似模型后,應(yīng)用iSIGHT軟件實(shí)現(xiàn)NSGA-II算法多目標(biāo)優(yōu)化,從而使優(yōu)化結(jié)果可以針對性適用于目標(biāo)飼料企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況,達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量及高效低耗生產(chǎn)的目的。