[發(fā)明專利]一種玻璃光纖拉絲設(shè)備優(yōu)化生產(chǎn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310560642.2
• 申請(qǐng)日: 2013-11-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103613272A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王春林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C03B37/07
• 分類(lèi)號(hào): C03B37/07
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

1.一種玻璃光纖拉絲機(jī)優(yōu)化生產(chǎn)方法，其特征在于該方法的步驟包括：

步驟(1)針對(duì)給定的玻璃光纖拉絲設(shè)備及光纖直徑的要求，設(shè)定分為N級(jí)拉伸最終達(dá)到光纖產(chǎn)品的直徑要求,每一級(jí)的拉出光纖直徑為d_i∈(d_imin,d_imax),i=1,2…N,N≥1，其中d_imin為第i級(jí)拉出光纖直徑允許最小值,d_imax為第i級(jí)拉出光纖直徑允許最大值；

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設(shè)定產(chǎn)品光纖拉絲速度允許的范圍：V∈(V_min,V_max)，其中V為光纖拉絲速度，V_min為允許光纖拉絲最小速度,V_max為允許光纖拉絲最大速度；設(shè)定加熱爐加熱溫度的允許范圍T∈(T_min,T_max)及預(yù)制棒的饋送速度允許范圍V_y∈(V_ymin,V_ymax)，其中T為加熱爐加熱溫度，T_min為允許加熱爐最低加熱溫度,T_max為允許加熱爐最高加熱溫度，V_y為光纖預(yù)制棒饋送速度，V_ymin為允許光纖預(yù)制棒最小饋送速度,V_ymax為允許光纖預(yù)制棒最大饋送速度；以上所述：光纖拉伸級(jí)數(shù)(N),每級(jí)對(duì)應(yīng)的光纖拉出直徑(di)，光纖拉絲速度(V)，加熱爐加熱溫度(T)及光纖預(yù)制棒饋送速度(Vy)為玻璃光纖生產(chǎn)操作參數(shù)；在參數(shù)允許速度范圍內(nèi)，將各參數(shù)的允許范圍均勻分為M個(gè)區(qū)間,M≥1，各參數(shù)允許范圍內(nèi)每個(gè)區(qū)間取一個(gè)數(shù)據(jù)作為代表，做不同拉絲速度、不同加熱爐的加熱溫度和不同預(yù)制棒的饋送速度的組合試驗(yàn)，并記錄相應(yīng)參數(shù)組合下光纖產(chǎn)品品質(zhì)，所述光纖產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)包括：芯包比(α)、同心率(β)、折射率分布(γ)、直徑比(δ)；將以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集入試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中備用；

步驟(2)采集玻璃光纖拉絲設(shè)備生產(chǎn)操作參數(shù)及相關(guān)的表征光纖產(chǎn)品品質(zhì)的指標(biāo)，建立生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；具體的玻璃光纖拉絲設(shè)備生產(chǎn)操作參數(shù)和產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)，通過(guò)玻璃光纖拉絲設(shè)備運(yùn)行數(shù)控系統(tǒng)獲取，或直接通過(guò)儀器測(cè)量采集，將以上生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中備用；

步驟(3)建模數(shù)據(jù)選擇，針對(duì)給定的玻璃光纖拉絲設(shè)備，選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中全部數(shù)據(jù)，另外，再在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)量的2倍到5倍的數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)要包括步驟(1)和步驟(2)中所述的生產(chǎn)操作參數(shù)及光纖產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)的情況；

步驟(4)采用多目標(biāo)支持向量機(jī)方法針對(duì)建模數(shù)據(jù)建模，建立玻璃光纖的產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)與生產(chǎn)操作參數(shù)間的模型；具體建模方法如下：

用于建模樣本的輸入?yún)?shù)及輸出參數(shù)表示為其中x_i表示第i組作為輸入數(shù)據(jù)向量的玻璃光纖拉絲設(shè)備生產(chǎn)操作參數(shù)，y_i表示第i組作為輸出參數(shù)向量的玻璃光纖產(chǎn)品品質(zhì)的指標(biāo)，N為樣本數(shù)量，以建模數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立各玻璃光纖拉絲設(shè)備的產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)與各生產(chǎn)操作參數(shù)間的關(guān)系模型；

采用支持向量機(jī)方法建模，支持向量機(jī)核函數(shù)選為徑向基函數(shù)

K(xi,xj)=φ(xi)·φ(xj)=exp|(||xi-xj||22σ2)|]]>

其中，參數(shù)“σ”為徑向基函數(shù)的寬度，φ(x)為映射函數(shù)，設(shè)所求的目標(biāo)函數(shù)為：f(x_i)＝w·φ(x_i)+b，f(x_i)為模型輸出的向量值，w為權(quán)重系數(shù)向量，b為截距向量；引入松弛因子ξ^*_i≥0和ξ_i≥0和允許擬合誤差ε，模型可以通過(guò)在約束：

yi-w·φ(xi)-b≤ϵ+ξiw·φ(xi)+b-yi≤ϵ+ξi*ξi≥0ξi*≥0i=1,...,N,]]>條件下，最小化：

minR(w,ξ,ξ*)=12w·w+CΣi=1kξ+ξ*]]>

獲得，其中常數(shù)C>0為懲罰系數(shù)，k為預(yù)測(cè)超出允許擬合誤差點(diǎn)的數(shù)量0≤k＜N；該最小化問(wèn)題為一個(gè)凸二次規(guī)劃問(wèn)題，引入拉格朗日函數(shù)：

L(w,b,ξ,ξ*,α,α*,γ,γ*)=12w·w+CΣi=1N(ξ+ξ*)-Σi=1Nαi[yi-(ξi+ϵ+f(xi))]-Σi=1Nαi*[ξi*+ϵ+f(xi)-yi]-Σi=1N(γiξi+γi*ξi*)]]>

其中：為拉格朗日乘數(shù)；

在鞍點(diǎn)處，函數(shù)L是關(guān)于w,b,ξ_i,ξ_i^*的極小點(diǎn)，也是極大點(diǎn)，最小化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求其對(duì)偶問(wèn)題的最大化問(wèn)題；

拉格朗日函數(shù)L在鞍點(diǎn)處是關(guān)于w,b,ξ_i,ξ_i^*極小點(diǎn)，得：

∂∂wL=0→w=Σi=1N(αi-αi*)φ(xi)∂∂bL=0→Σi=1N(αi-αi*)=0∂∂ξiL=0→C-αi-γi=0∂∂ξi*L=0→C-αi*-γi*=0]]>

可得拉格朗日函數(shù)的對(duì)偶函數(shù)：

此時(shí)，

w=Σi=1N(αi-αi*)φ(xi)]]>

f(x)=Σi=1N(αi-αi*)K(x,xi)+b]]>

按照庫(kù)恩-塔克(KKT)條件定理，在鞍點(diǎn)有下式成立：

αi[ϵ+ξi-yi+f(xi)]=0αi*[ϵ+ξi+yi-f(xi)]=0i=1,...,N]]>

由上式可見(jiàn)，α_i和都不會(huì)同時(shí)為非零，可得：

ξiγi=0ξi*γi*=0i=1,...,N]]>

從上式可求出向量b，獲得模型；

步驟(5)利用粒子群優(yōu)化算法，結(jié)合以上步驟(4)所建各玻璃光纖拉絲設(shè)備的產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)與各生產(chǎn)操作參數(shù)間的關(guān)系模型，進(jìn)行各生產(chǎn)任務(wù)的優(yōu)化，具體步驟如下：

a.定義粒子群算法初始群體x向量的各維分量，分別為各玻璃光纖拉絲設(shè)備的生產(chǎn)操作參數(shù)；

b.設(shè)定粒子群算法的搜索目標(biāo)和迭代次數(shù)，搜索目標(biāo)為各玻璃光纖產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)的設(shè)定值；

c.初始化群體向量x，其中各生產(chǎn)操作參數(shù)的優(yōu)化范圍均為相應(yīng)允許范圍；結(jié)合步驟(4)所建模型，根據(jù)初始群體中各生產(chǎn)操作參數(shù)的初始化值，獲得各光纖產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo)初始值，然后根據(jù)上一步設(shè)定的搜索目標(biāo)，用粒子群算法進(jìn)行迭代計(jì)算，搜索最優(yōu)生產(chǎn)生產(chǎn)操作參數(shù)配置情況；

d.當(dāng)粒子群算法完成迭代次數(shù)或找到設(shè)定要求的最優(yōu)時(shí)，停止計(jì)算獲得相應(yīng)最優(yōu)的群體向量，即獲得最優(yōu)的各玻璃光纖生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)操作參數(shù)及最優(yōu)的光纖產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)；依據(jù)該優(yōu)化結(jié)果可以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，獲得最優(yōu)的產(chǎn)品品質(zhì)。