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灰关联分析和神经网络在烧结矿强度分析及预测中的应用

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第 2 期

总 第 14期  7

冶  金

丛  刊 

Su . 7   m 14

NO.   2

20 0 8 年 4 月      

M ETAL LURGI CAL COLLECTI   ONS  

Ap i  2 0 0 8 rl     

灰 关 联 分 析 和神 经 网络在 烧 结 矿 强度 分 析  及 预 测 中 的 应 用 
肖 纯 。 徐 卫 *  刘  卫 。 张 念 炳 。 杜  东         
(. 1 贵州师范大学材料与建筑 工程学院 ;. 2 贵州师 范大学机 电工程学 院 ;. 3 水城 钢铁集 团有限责任公 司炼铁厂 )  
摘 要 采用灰关联方法分析 了烧结矿强度 与原燃料 因素 的关 系 , 立 了预测烧结 矿强度 的人工神经 网络模型 。 建  

研 究 结 果 表 明 , 关 联 分 析 是 一 种 新 的 烧 结 强 度数 据处 理方 法 , 据 灰 关 联 度 的计 算 , 出原 燃 料 配 比中 对 烧 结 矿  灰 根 得

强 度 的影 响 程 度 由 强 到 弱 的顺 序 为水 分 、 料 、 元 碱 度 、 F 、i: M O。该 网络 对 烧 结 矿 强 度 的 预测 结 果 与 实 测  燃 二 T eS 、 g O 值 吻 合 , 明利 用 所 建 立 的 神 经 网络 模 型 能有 效 地 预测 烧 结 矿 强 度 。 表   关键词 烧 结 矿 ; 度 ; 关 联 分 析 ;人 工神 经 网络  强 灰
文献标识码 :  A 文 章 编 号 :6 1 3 1 ( o 8 0 0 1 0  17 — 8 8 2 o )2— 0 4— 4 中图 分 类 号 :P 8 ;F 4  T 13 T 06

PREDI CT  AND  ANALYS S O F S NTER  TRENGTH  I    I S UNDER    THE  O NDI ON  F RAW   C  TI o   FUAL 
)io Ch n 【a   u   Xu W ep n 2 L u W e  Zh n   a b n   Du Do g    i i g  i   i a g Nin i g   n3

( . co l f tr l a dCv  n ier g G i h uN r l nvri ; . co l f l tca dM c ieE — 1 Sh o o  e a  n   i l g ei , u  o  oma U iesy 2 Sh o o  e r  n  a h   n    Ma i s iE n n Z   t   E c i n g er g G i h uN r l nvri ; .rnm kn  ln,h i e gI na dSel ru  o , t.  i e n , u Z o  oma U iesy 3 I ? a igPa tS uc n  o n  t   o pC . Ld ) n i     t o h r eG
Absr c   Th   eai n b t e   i tro e sr n t  n  a f e  s a a y e   y g a   eain a a y i. ta t e r lto   e we n sn e  r  te gh a d r w u lwa   n lz d b   r y r lto   n lss 
T   ri ca  u a  ewo k m o lwa  e    o p e itt e sr n t  f sn e   r . Th   e u t  h we   he a t i lne r ln t r   de  s s tup t  r d c h   te gh o   it ro e i f e r s ls s o d

t a  r y r lto a  n lss wa     e d t  r c s i g meh d f r p e itn   te gh o  i t ro e Ac  h tg e   eai n la ay i  sa n w  a a p o e sn   t o  o   r d ci g sr n   fsn e   r . t —
c r i g t h   o p tn  e ul,T  n u n ig f co sfo sr n  o we k we e mosu e c n e t u l  o d n  o t e c m u i g rs t he if e cn  a tr r m  to g t  a   r   it r  o t n ,f e , l

R,TFe,S O2 a d Mg i   n   O. Th  p e itd S r n h wa   o sse t wi  e p rme t lr s l . T   e ul e r d ce   te g   s c n it n  t x e t h i n a  e u t s he r s t   s o dta  h we  h tANN  de  o d prditt   te g h o   it ro e e e tv l . mo lc ul  e c he sr n t  fsn e   r   f c iey  Ke   r s sn e   r y wo d   it ro e;sr n h;ge   eai n a ay i ;a i ca  e r lnewo k te g t r y r lto   n lss r f i ln u a  t r   ti

1 前 言   
烧 结 矿生 产 是一 个 很复 杂 的 过程 , 控 制对 象  其 是一个 复 杂的多 因 素体 系 , 有 不 确定 、 耦 合 、 具 强 大  滞后、 非线性 、 状态 不完 全可 测等特 性 0对于 冶炼企 
业 的烧 结矿 生产 , 强度 直 接 影 响 到下 道 工 序炼 铁  其

人 工神 经 网络 ( N A N)作 为一种 智 能化建模 方 法 , 能  通 过若 干简单 非 线 性处 理 单元 的复 合 映射 , 得复  获 杂 的非 线性 处理 能力  , 已成 功 用 于 各领 域 的预  测研究 "  “。由 于烧 结 时各 参 数 之 间是 相 互 联 系  的 , 中某一 因素 的变 化 会 影 响到 其 它 因 素 。 因此  其

生产 的稳 定性 和效 率 的提高 。 因此 有必 要采用 一种  有效 的方 法 建立 模 型预 测强 度 与 各 相 关 参 数 的关  系 , 时 、 确地 了解 烧 结生 产 时 的工作 状 态 , 整  及 准 调 工 作制度 , 烧结生 产始终 处 于最佳 工作 状态 , 使 从而  提高烧结 矿 的强度 , 改善烧 结矿 的性 能 。   用 于 复杂 工业 生 产过 程 的 建模 方 法很 多 , 中 其  

很 难 区分 每个 因素单独 作用 的效果 。我们 对 贵州水  城 钢铁 公 司 ( 以下 简 称 水 钢 ) 烧结 工 序 在 生 产 工艺  和设备 不变 时 , 影 响烧结 矿强 度 ( 鼓 指数 ) 原  对 转 的 燃 料配 比因素 ( 加 了 生石 灰 的 使 用 ) 正 交 试 验  增 作 并 进行关 联 分析 , 并根 据 实 验数 据 对 烧 结 矿 强度 进 
行 人工 神经 网络预 测 。  

作 者 简 介 :肖 纯 (9 7一)女 。 教 授 , 要 从 事 冶 金 工程 类 的教 学 与 科 研 工 作    16 。 副 主

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第 2期 

肖 纯 等 :灰 关 联 分 析 和 神 经 网络 在 烧 结 矿 强 度 分 析 及 预 测 中 的应 用   

。l ‘ 5 

2 灰 关联 分 析 
灰 关联 分析 的基本 思想是 根 据参 数几 何 曲线 的 

第 i 色 系统 中每一 方案 与该 系 统 中 的最佳 方  灰
案 的关 联度 为 :  
1  

N 

相似程 度来 判 断 其联 系 的密 切 程 度 n  

。 曲线 的 

r  =

亩∑ 居 ‘  (  ’ k )
= l  

(  6 )

形状越 接 * , 相应 序 列 之 间 的关 联 度 就 越 大 ; 之 , 反  

则越小 。相 似程 度 用关 联 系 数 和关 联度 来描 述 , 关 
联度描 述 了各个 因素对 结果 的影 响程 度 。关 联度越  大 , 响程度 越 大。对 一个 实 际系统 进行 分 析时 , 影 首 

若 r >r 则认 为 r 对 y 。   ,   0的关 联 程 度 大 于  对  y 的关 联 程度 。 n   2 2 影 响烧 结矿 强度 的灰关联 分 析  . 

先要 确定 系统行 为特征 的数 据序 列 。本研 究 选择烧 
结矿 强度作 为 系统 的行 为 特征 , 即母 因素 。此外 , 需  确定 影 响系统行 为特 征 的有效 因素 , 即子 因素 。   2 1 关联 度的计 算  .  设 有 m个 子 因 素 ( , , , ) 母 因素 y  。   …   与 0   有关 联作用 , 它们 有 Ⅳ组数 据 。   母 序 列 :r ( ), o居 k=l 2 , ,… , ; N   子序列 : i居 k l 2 …, i l 2 …, 。 X (), = , , Ⅳ; = , , m  由于评判 指标相互 问 通常 具有 不 同的量 纲 和数  量级 , 能直接 进行 比校 , 不 因此 须对 原始 指标 进行 规 
范化 处理 。  

利用上述 模型对水钢 的烧结矿强度进行 分 析 , 选 
择混合料 中 T e i  F 、SO 、Mg 二元碱度 、 O、 燃料 、 分作  水 为主要 因素进行关 联分析 , 烧结矿强 度的总 体性 能评  价问题可视 为 n个不 同层次 组成的独立系统 。   见表 l ~表 4 根据表 中数据分 析表 明 , 因素对  , 各

烧结矿强度 均有一定 的影响 , 其影 响的强弱顺 序依 次 
为 : 分配 比、 料配 比、 水 燃 二元碱度 、F 、i  M O   T e SO 、 g 。
表 1 烧 结 矿 配 料 参 数 对 强 度 的 影 响  单 位 :   %

对 于 越大越 好 的评价 因素 :  
㈩  

对 于越小越 好 的评价 因素 :  

对 于区间 型指标 的评 价 因素 :  
-一  

C ( )= l  k    
-一  

盅 丽  
() 3 
表 2 初 始 处 理结 果 

() 中 3 式   l 2 …m; =l2 …n s, ] ,, k , , ;[ls 为  2 指标 m 的最佳 区间 。   利 用式 ( ) ( ) ( ) 将 ( ) 中 的原 始 指标  1 、2 、3 可 1式 值换成 无量 纲值 C , 转换后 得 矩阵 C   经 。

C=  

() 4 

最佳 指标 的关 联系 数为 :  
m“ nI0 )一 j )I    i  (   y(   pmx     a   I0   y()I   ()一       

)   =  t

两   可
() 5 

式中 p —— 分辨 系数 ,  0 1 通 常取 P=0 5  PE( , ) .。

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?

1   6?

冶 金 丛 刊 

总 第 1 4期  7

表 3 子 因 素 对母 因 素 的关 联 系数 数 列 

只 有一个 隐含层 , 含元 较 少 的 网 络具 有 更 强大 的  隐
功 能 , 以处 理大 型 复 杂 的 问题 , 行 处 理 能 力 强 , 可 并  

网 络精度 高 , 泛化 能 力 强 , 鲁棒 性 强 , 即使 其 中 的少  部分 神经 元 坏死 , 网络 仍能正 常工 作 。  
3 2 基 于 神 经 网 络 的 强 度 预 测 模 型  .

预测 烧结 矿 强 度 时 采用 3层 B P网 络模 型 , 其  中 , 1层 为输 入层 , 第 中间层 为隐 含层 , 3层 为 输  第 出层 。各层 次 间 的神 经 元 之间 形 成 全互 连 连 接 , 各  层 次 内 的神经 元之 间没有 连接 。输入 层 的节点 数为 
输 入 向量 的分量 数 , 这里 为 6个 ; 出层 的节 点数 为  输

输 出 向量 的分量 数 , 这里 为 1 , 个 即烧 结矿强度 。隐  含 层 的节 点 数 根 据 网 络 训 练 拟 合 情 况 选 取 。对 于  B P模 型 的输入层 神 经 元 , 输 出 与输 入 相 同 , O 其 即   =i 中间 隐含层 和输 出层 的神经元 操作 特性 为 :   。  

nt =∑ wO 0i f  t  e。 P j  P= A e. , np j )
式 中 : — — 当前 的输入样 本 ; p  
表 4 灰 色 关 联 度 
— —

从 神 经元 i 到神 经元 _的连接权 值 ; 『  

0 —— 神 经元  的 当前输 入 ;   i   0— — 神 经元 _的 当前输 出;   , 『  
非线 性 可 微 非 递 减 函 数 , 般 采 用 一   Sg od i i函数 , : ( m 即    )=1 ( +e ) , /1    

3 烧 结矿 的强 度 预 测 
3 1 人工神 经 网络学 *  . 





人 工神 经 网络 目前 已在许 多 领域 得到成 功 的应  用, 已形成一 门具有 广 泛用途 的前 沿科 学 , 如何 构建 


详 细推 导参 见文 献   。 "   为有 效 提高 网络训 练的速 度 , 高训 练精 度 , 提 避  免 落入局 部极 小点 , 通过采 用初 始权 重优 化 、 *率  学 自适 应调 整 和附加 动量 项 等措 施 对 B P算 法 进行 优 
化 。利用 Ma e t b软件 对 表 1的 数据 进行 学 *训 练 , l   结果 表 明 , 当隐含层 为 8和 网络 结构 为 6—8—1时 ,  

个 具有 实用 价值 的神 经 网 络 模 型 乃 是 问题 的关 

键 。烧结过 程 的复 杂 性 和 系 统 的灰 色 性 , 定 了不  决 能用 准确 的数学模 型描 述现象 与 过程 。神经 网络具 
有 自学 * 性 , 自组 织 性 , 自适 应 性 和 鲁 棒 性 , 化  泛

( 推广 ) 能强 , 报精 度 高 , 性 预 可用 于烧 结 的过 程控 
制 与指标 预 报 。  
对 于烧 结生产 这种影 响 因素 多、 程机理复 杂 、 过  

经 2万 次 迭代 , 可使 系统误 差小于 1 0~。B P神 经 网  络模 型输 出拟合 曲线见 图 1 。用 相 同工 艺 设 备 条件  生产 的数 据 作 待 预 测 样 本 ( 表 6 的 结果 进 行 预  见 )

滞 后性 大 的系统 , 采用 神 经 网络技 术对 其 进行 建模  和预 报 , 提前 采取 调 整措 施 , 到优 化 控 制 的 目的 , 达  
具 有 重要 的现实 意义 。既然影 响烧 结矿 强度 的因素 

测, 预测结 果见 图 2   。
训练 后的 B P网络模 型输 出拟合 曲线 

众多 , 有的 因素 变化极小 其作 用不 大 , 以我们 从 中  所 选 取 了 T e、 i: g 二元 碱 度 、 料 配 比、 分  F SO 、M O、 燃 水 配 比等 6个 变量 作 为 网络 输 入 , 结矿 强 度作 为 网  烧 络 输 出。   根 据神 经 网络 理论 , 入层 与 输 出层 的节 点个  输 数 由问题 本 身决定 。三层前 向神经 网络 即可作 为万  能* , 以 以任 意精度 逼 *任 意函 数¨ 可  川 。隐 

含 层 的层 数 与隐含 单 元个 数 的 设 计 , 目前 还 没有 形 
成 确定 的理论 , 但是 国 内外各 领 域 的实践证 明, 具有 

两 个 以上 的 隐含 层及 隐含单 元个 数 多的神 经 网络 比 

图 1 学 *结 果 

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第 2期 

肖 纯 等 :灰 关 联 分 析 和 神 经 网 络 在 烧 结 矿 强 度 分 析 及 预 测 中 的应 用   
表 6 待 预 测 样 本  单位 : % 

?l ? 7 

从 以上 结果 可 以 看 出 , 工 神 经 网 络 在烧 结 矿  人 强 度预 测 中的应 用是 可行 的 , 有较 高 的预测精 度 , 具   为解决烧 结 矿强 度 预 测 提供 了一 条新 途 径 , 有 推  具 广 价值 。  

4 结 论   
B P网络模 型输 出预测曲线 

通 过灰 关联 分析解 析 烧结原 燃料 配 比的改 变对  其 强度 的影 响 , 色 绝对关 联度 的计算 结果 表 明 , 灰 各  因素均 对强 度有 一定 的影 响 ,其影 响 的强 弱顺 序 依 

妊  搭  啦 

次 为 : 分 配 比、 料 配 比、 元 碱 度 、 F 、 i:  水 燃 二 T e SO 、 Mg 通 过原燃 料 的配 比可 改变烧 结矿 的强度 。 O,  
运 用 神 经 网络 知 识 , 以原 燃 料配 比参数 作 为输 

入 指标 , 建立 了烧 结 矿强度 的预测 模 型 , 为解 决不 同 

原 燃料配 比下 的强 度预 测 提 供 了 一条 新 途 径 , 具有 
输 入样本点 

较 高 的预测 精度 。  

图 2 预 测 输 出与 实 际 输 出 比较 图 

参  考  文  献 
[ ] MA IO   , H   Sf a  r ut f  dlgadS uao    t isSi c[ .C m uaoa Ma r s cec, 03 2 19 9. 1 LN VS S A W. ow r Po c o Moen   i li i Ma r l c neJ] o ptin   t a   i e 20 , 8: —18 t e d s r i n m tn n e a  e t l el S n i 7   [ ] V N A E H V,R K H .A Nerl e okA poc    l a dT m eaueC e 2  E K T S   AC   J   ua N t r p raht Ee t   e p rtr  r p—f i eLf rdci [ ] nent n  oma o    w   o ve e ag  i P itn J .Itrai a Ju l f tu e e o ol  
F t e 9 9 1( ) 2 5— 3 . ai ,1 9 ,2 3 : 2 2 4  u g

[ ] P E N   ,C P A 0 K 3 L U E T HO R     .Us gA t c  e r  ew rst P dc teF tu  i f a o n  o i  rf i N ua N tok   r i   ai eLf o C r nadLw—al  tes[] ula nier n i a i l l o e th g e   b lySel J .N c r E g e- o e n  
iga d D s n 2 0 1 7 ( —2 :1一l . n  n   ei , 0 0, 9 1 ) g 2 

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[ ] 沈 5   清 , 德文 , 胡 时 春 .神 经 网络 应 用 技 术 [ M].长 沙 : 防科 技 大学 出版 社 ,9 3 国 19 .  

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s n S i c ,1 9 , 1 1 ) 0 1— 0 0  i   ce e 9 9 4 ( 0 :2 0 2 3 . o n

[ ] PN O   Q E P     d  I C N OT, t .A t ca N u l e okMoei  f m shr   ors ni  eMIA  r et J .Cr 8 IT SS, U IO N V, eR N O     e a rf i  er   t r   1 i l a N w   dl go Atop e cC r i  nt   C TPo c [ ] o. i n i oo h j  
rs n S i c , 0 0, 2 1 :3 o i   ce e 2 0 4 ( ) 5—5 . o n 2 

[ ] LC N   N A I G   .A ica N u l w  ̄s  o  r inadR n fP dci  th lt cl J .C tn , 0 3 5 ( ) 8  9 IZ ARP, E R N M A rfil e r  ti   a Nm o   SiEo o n  u o  r i o a tePo S a f o l s e tn     e[] a a 2 0 , 1 2 : 9 e
l 4  1.

[0 蒋 大 军 . 于人 工 神 经 网络 的烧 结 矿 F O预 报 系 统 [ ] 烧 结 球 团 ,0 5 3 ( ) 3 3 . 1] 基 e J, 20 ,0 3 :0— 4 
[ 1  1] 肖伸* , 吴 敏 , 代 飞 . 于 小 波 神经 网 络 的高 炉铁 水 含 硅 预 报 [] 有 色 金 属 ,0 5 5 ( ) 16—10 刘 基 J, 20 ,7 2 :0 1.  

[2 邓 聚 龙.灰 理 论 基 础 [ 1] M].武汉 : 中科 技 大 学 出版 社 ,0 2  华 20 .

[ 3  肖新 * .关 于 灰 色关 联 度量 化 模 型 的理 论 研 究 和 评 论 [ 1] J].系统 工 程 理 论与 实 践 ,9 7,7 8 7 8 . 19 1 ( ):6— 1  
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[9  阎 * 凡 , 长水 .人 工 神 经 网 络 与 模 拟 进 化 计 算 [ 1] 张 M].北 京 : 华 大学 出版 社 .0 0  清 20 .



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