CN111790762B - 一种基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于随机森林的热连轧精轧轧制力设定方法,涉及热轧板带钢生产过程控制技术领域。本发明将SIMS轧制力模型的计算值作为模型的输入之一,即将其作为所有基决策树的备选特征之一,采用此种方式将SIMS模型随机与某些基决策树进行组合,通过有放回地采样得到采样训练集,基于采样训练集训练若干棵决策树进而组成随机森林,随机森林模型预测的轧制力为所有基决策树预测结果的平均,能有效改善单一机理模型预测精度与泛化能力不足的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种热轧带钢轧制力设定方法,特别涉及一种基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法。
背景技术
轧制力是热连轧精轧机组过程控制模型设定的核心参数。轧制力的设定值直接关系着辊缝控制精度,从而影响着带钢厚度控制精度、穿带过程的稳定性和板形的质量,历来是重要的研究对象。
对于轧制力的计算,基于理论分析的机理建模方法一般以SIMS公式应用最为广泛,其中涉及到金属的变形抗力模型和一系列力学、化学因素,由于金属本身的特性和轧制条件的影响,带钢的加工过程是一个多变量耦合的非线性时变系统,针对这种系统建立一个精确的解析模型十分困难。SIMS轧制力模型在进行简化并针对特定的轧制条件进行参数修正后能基本符合生产要求,但其预测精度仍有提升空间。
随机森林是Bagging方法的代表性算法。Bagging(bootstrap aggregating,自举汇聚法)是通过结合几个模型降低泛化误差的技术,是并行式集成学习方法的代表。将SIMS轧制力模型与若干个决策树模型进行组合得到基于随机森林的轧制力模型能有效提高轧制力模型的设定精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法。
本发明采用了如下技术方案:
一种基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、根据SIMS轧制力公式计算出热轧板带钢的轧制力计算值,SIMS轧制力公式为:
F=w·ld·km·Qp (1)
式中:
F——轧制压力,
w——带钢宽度,
ld——压扁弧长,
km——轧件的变形抗力;
Qp——外摩擦应力状态系数;
S2、将机理模型的计算值与带钢的其他轧制特征一同作为模型的输入,构建并训练随机森林,步骤S2包括如下步骤:
S2-1、确定训练数据集D={(x1,y1),(x2,y2),…(xN,yN)},x与y分别为模型的输入和输出变量,并且y是连续变量,确定样本特征维度C,假设初始状态时将输入空间划分为M个单元R1,R2,…RM,并且在每个单元Rm上有一个固定的输出值cm;
S2-2、从训练集D中有放回地采样N次(每次随机选择一个样本),得到的新训练集D′作为基决策树的训练样本;
S2-3、对于基决策树的分裂结点,从该结点的特征集合中随机选择一个包含k个特征的子集,其中k值由式(2)决定;
k=log2C (2)
以这k个特征作为基决策树的特征,采用启发式方法对输入空间进行划分,选择第j个特征x(j)作为切分特征,将x(j)对应的取值s作为切分点,于是得到两个区域:
R1(j,s)={x|x(j)≤s} (3)
R2(j,s)={x|x(j)>s} (4)
然后采用平方误差最小准则寻找最优切分特征j和最优切分点s,即:
S2-4、对于基决策树重复步骤S23直至不能再分裂;
S2-5、重复S21~S24构建n_estimators棵决策树,预测结果输出为n_estimators棵树预测结果的平均;
S3、采用网格搜索对模型进行调优,确定网格搜索的所有模型参数及其可能的取值集合,参数包括但不限于:基决策树的数量、基决策树的最大深度,计算在有限取值集合中参数的组合数n_sets,重复S1~S2直至遍历完所有参数组合,从预测精度和速度两方面对比各个参数组合下的模型性能,选择最优模型。
进一步,本发明的基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,还具有这样的特征:样本特征维度包括:入口厚度、出口厚度、轧制温度、带钢宽度、入口张力、出口张力、轧辊直径、C元素的质量百分比w(C)%、Si元素的质量百分比w(Si)%、Mn元素的质量百分比w(Mn)%、P元素的质量百分比w(P)%、S元素的质量百分比w(S)%、Cu元素的质量百分比w(Cu)%、Ni元素的质量百分比w(Ni)%、Cr元素的质量百分比w(Cr)%、As元素的质量百分比w(As)%w、Sn元素的质量百分比w(Sn)%、Nb元素的质量百分比w(Nb)%、V元素的质量百分比w(V)%、Al元素的质量百分比w(Al)%、Ti元素的质量百分比w(Ti)%、Mo元素的质量百分比w(Mo)%、B元素的质量百分比w(B)%、W元素的质量百分比w(W)%、Ca元素的质量百分比w(Ca)%、H元素的质量百分比w(H)%、O元素的质量百分比w(O)%、N元素的质量百分比w(N)%和酸溶铝的质量百分比w(SOLAl)%。
进一步本发明的基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,还具有这样的特征:树的最大深度的层数范围是5-17层。
进一步本发明的基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,还具有这样的特征:决策树的数量是30-200棵。
进一步本发明的基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,还具有这样的特征:步骤S3中,通过制作模型的预测精度与评估时间的散点图对预测精度和速度两方面对比各个参数组合下的模型性能。
发明的有益效果:一种基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,基于集成学习中的随机森林算法利用轧钢生产实际数据训练轧制力模型,有效提高轧制力模型的设定精度。
附图说明
图1是为本发明的基于随机森林的热连轧轧制力设定方法流程图。
图2为实施例对基决策树的最大深度进行调整时随机森林模型精度变化图。
图3为实施例对基决策树的数量进行调整时随机森林模型精度变化图。
图4为实施例随机森林模型部分参数的网格搜索结果。其中,图4a是模型精度与评估时间散点图,图4b是评估时间的热度图,图4c是模型精度的热度图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1所示,本发明的步骤如下:
S1、根据SIMS轧制力公式计算出热轧板带钢的轧制力计算值,SIMS
轧制力公式为:F=w·ld·km·Qp (1)
其中:
F——轧制压力;
w——带钢宽度;
ld——压扁弧长;
km——轧件的变形抗力;
Qp——外摩擦应力状态系数。
S2、将SIMS的轧制力计算值与带钢的其他轧制特征一同作为模型的输入,构建并训练随机森林;轧制特征参见表1。
S21,确定训练数据集D={(x1,y1),(x2,y2),…(xN,yN)},x与y分别为模型的输入和输出变量,并且y是连续变量,确定样本特征维度C,假设初始状态时将输入空间划分为M个单元R1,R2,…RM,并且在每个单元Rm上有一个固定的输出值cm;
S22,从训练集D中有放回地采样N次(每次随机选择一个样本),得到的新训练集Dt′作为第t棵基决策树的训练样本;
S23,对于基决策树的分裂结点,从该结点的特征集合中随机选择一个包含k个特征的子集,其中k值由式(2)决定;
k=log2C (2)
以这k个特征作为基决策树的特征,采用启发式方法对输入空间进行划分,选择第j个特征x(j)作为切分特征,将x(j)对应的取值s作为切分点,于是得到两个区域:
R1(j,s)={x|x(j)≤s} (3)
R2(j,s)={x|x(j)>s} (4)
然后采用平方误差最小准则寻找最优切分特征j和最优切分点s,即:
S24,对于基决策树重复S23直至不能再分裂;
S25,重复S22~S24构建n_estimators棵决策树,预测结果输出n_estimators棵树预测结果的平均;
S3、采用网格搜索对模型进行调优,确定网格搜索的所有模型参数及其取值集合,参数包括但不限于:基决策树的数量、基决策树的最大深度,计算在有限取值集合中参数的组合数n_sets,重复S1~S2直至遍历完所有参数组合,从预测精度和速度两方面对比各个参数组合下的模型性能,选择最优模型;
树的大小每增长一个级别,填充树所需的样本数量都将加倍,通过对树的最大深度的调整,降低模型过拟合的风险,决策树的数量在理论上越大越好,但计算时间也会随之变长,并且在树的数量达到一定程度后模型精度也不再显著提高。
启发式方法是相对于最优化算法提出的,最优算法的目的是给出问题每一个实例的最优解,而启发式方法则是给出问题每一个实例的可行解。
网格搜索是一种调参手段,是一种穷举搜索,即在候选参数组合构成的有限集合中,通过循环遍历,尝试每一种可能性,表现最好的参数就是最终搜索结果。以有两个参数的模型为例,两个参数的所有组合可表示成一个二维网格,其循环过程就是在每个网格里遍历,故称之为网格搜索。
基决策树的最大深度是指分叉的总层级。
下面通过一个具体的计算例来进一步进行说明。
实施例1
从某钢厂1880热连轧精轧机组生产现场采集了F1~F7机架共276507组数据样本,本实施方式中每组样本包含30维特征(模型输入变量),其它实施方式中可以根据数据来源所包含的特征数量来确定维度。其中有8项轧制参数和22种带钢中包含的化学成分,各特征的统计量分布如表1所示。
表1轧制力各项特征分布
表中SOLALl表示酸溶铝。钢中的铝,分酸溶铝和酸不溶铝。测定铝含量时,用化学分析是用酸溶解,金属铝、氮化铝、硫化铝一般能溶于酸中,称为酸溶铝,而氧化铝及尖晶石等常不溶于酸称为酸不溶铝。平时测量的铝通常为酸溶铝。
图2和图3为随机森林模型初步调参过程中的精度变化,图中主要针对基决策树的最大深度和基决策树的数目进行了联合调参的对比实验,从图中可以看到:(1)随着树的最大深度的增加,模型精度逐渐提升,在树的最大深度达到17层时,模型精度变化趋于平稳;(2)当树的最大深度只有3层时,可以明显看到树的数量在到达200棵以后模型精度变化趋于平稳而且有稍微下降的趋势;(3)当树的最大深度大于5层时,随着树的数量的增加,模型精度变化不明显。
由此说明当样本量足够多时,只要基决策树的深度足够深,那么树的数量的变化对模型精度的影响将不再明显。但不论是增加树的深度还是增加树的数量都会增加额外的计算成本。为平衡计算成本与模型精度,寻求最优的参数组合,对56组参数下的模型的计算速度进行对比分析,得到如图4所示的交叉验证下的网格搜索结果(其中验证集样本量为6190组,评估时间的单位为:秒)。
图4a)为模型的预测精度与评估时间的散点图,图中每个圆点都代表一组参数下的随机森林模型,点上的数字为参数组合对应的编号。图4b)为56组参数(树的最大深度、树的数量)对应模型的评估时间的热度图,评估时间越长对应的方框颜色越偏向深色。图4c)为56组参数对应模型的预测精度的热度图,模型精度越高对应的方框颜色越偏向深色。从图4可以看到:(1)热度图的颜色变化趋势与图2和图3的曲线图一致,即随着树的深度和树的数目的增加,精度越来越高但计算消耗也随之增大;(2)散点图中的点越靠近坐标轴右下方,精度越高、评估时间越短,意味着其对应的模型越符合期望,最优模型为第43组参数,其评估时间为0.0402s,模型精度为0.8908。最优的随机森林中决策树的数目为50,决策树的最大深度为15。
表2为SIMS轧制力设定方法与随机森林轧制力设定方法在测试集7737组样本上的精度对比。
表2随机森林轧制力设定方法的预测精度比较
从表2可以看到,相比于传统的SIMS轧制力设定方法:(1)随机森林轧制力设定方法的均方根误差、平均绝对百分比误差、相对误差的标准差都取得了明显的下降,模型预测精度得到了较大提升;(2)本发明的轧制力设定方法对测试集样本进行预测时,相对误差在±5%的样本占比增多了8.5%,模型的整体预测精度明显提升。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明的目的,而并非用作对本发明的限定,只要在本发明的实质范围内,对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (5)
1.一种基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、根据SIMS轧制力公式计算出热轧板带钢的轧制力计算值,SIMS轧制力公式为:
F=w·ld·km·Qp (1)
其中:
F——轧制压力,
w——带钢宽度,
ld——压扁弧长,
km——轧件的变形抗力,
Qp——外摩擦应力状态系数;
S2、将机理模型的计算值与带钢的其他轧制特征一同作为模型的输入,构建并训练随机森林,步骤S2包括如下步骤:
S2-1、确定训练数据集D={(x1,y1),(x2,y2),…(xN,yN)},x与y分别为模型的输入和输出变量,并且y是连续变量,确定样本特征维度C,假设初始状态时将输入空间划分为M个单元R1,R2,…RM,并且在每个单元Rm上有一个固定的输出值cm;
S2-2、从训练集D中有放回地采样N次,每次随机选择一个样本,得到的新训练集D′作为基决策树的训练样本;
S2-3、对于基决策树的分裂结点,从该结点的特征集合中随机选择一个包含k个特征的子集,其中k值由式(2)决定;
k=log2C (2)
以这k个特征作为基决策树的特征,采用启发式方法对输入空间进行划分,选择第j个特征x(j)作为切分特征,将x(j)对应的取值s作为切分点,于是得到两个区域:
R1(j,s)={x|x(j)≤s} (3)
R2(j,s)={x|x(j)>s} (4)
然后采用平方误差最小准则寻找最优切分特征j和最优切分点s,即:
S2-4、对于基决策树重复步骤S2-3直至不能再分裂;
S2-5、重复S2-1~S2-4,预测结果输出为n_estimators棵树预测结果的平均;
S3、采用网格搜索对模型进行调优,确定网格搜索的所有模型参数及其可能的取值集合,参数包括但不限于:基决策树的数量、基决策树的最大深度,计算在有限取值集合中参数的组合数n_sets,重复S1~S2直至遍历完所有参数组合,从预测精度和速度两方面对比各个参数组合下的模型性能,选择最优模型。
2.如权利要求1所述的基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,其特征在于:
样本特征维度包括:入口厚度、出口厚度、轧制温度、带钢宽度、入口张力、出口张力、轧辊直径、C元素的质量百分比w(C)%、Si元素的质量百分比w(Si)%、Mn元素的质量百分比w(Mn)%、P元素的质量百分比w(P)%、S元素的质量百分比w(S)%、Cu元素的质量百分比w(Cu)%、Ni元素的质量百分比w(Ni)%、Cr元素的质量百分比w(Cr)%、As元素的质量百分比w(As)%w、Sn元素的质量百分比w(Sn)%、Nb元素的质量百分比w(Nb)%、V元素的质量百分比w(V)%、Al元素的质量百分比w(Al)%、Ti元素的质量百分比w(Ti)%、Mo元素的质量百分比w(Mo)%、B元素的质量百分比w(B)%、W元素的质量百分比w(W)%、Ca元素的质量百分比w(Ca)%、H元素的质量百分比w(H)%、O元素的质量百分比w(O)%、N元素的质量百分比w(N)%和酸溶铝的质量百分比w(SOLAl)%。
3.如权利要求1所述的基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,其特征在于:
树的最大深度的层数范围是5-17层。
4.如权利要求1所述的基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,其特征在于:
决策树的数量是30-200棵。
5.如权利要求1所述的基于随机森林的热轧带钢轧制力设定方法,其特征在于:
步骤S3中,通过制作模型的预测精度与评估时间的散点图对预测精度和速度两方面对比各个参数组合下的模型性能。
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CN111790762A (zh) | 2020-10-20 |
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Application publication date: 20201020 Assignee: Wuhan langlichi Technology Co.,Ltd. Assignor: WUHAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2024980004065 Denomination of invention: A Method for Setting Rolling Force of Hot Rolled Strip Steel Based on Random Forest Granted publication date: 20220215 License type: Common License Record date: 20240408 |