灰铸铁微量元素协同配比的主动寻优设计方法及系统与流程

本发明涉及灰铸铁熔炼工艺参数优化，具体为灰铸铁微量元素协同配比的主动寻优设计方法及系统。

背景技术：

1、灰铸铁的力学性能在很大程度上取决于熔炼过程中碳、硅、锰等微量元素的配比关系。微量元素的配比设计是一项多因素耦合的复杂决策问题，各元素之间存在着非线性的交互作用，单独调整某一元素含量难以获得综合力学性能的最优解。现有的灰铸铁微量元素配比设计主要依赖工艺人员的经验积累和反复试错，依据若干已知的牌号规范给出大致的配比范围，然后通过小批量炉次试验对配比方案进行验证和微调。

2、这种经验驱动式的配比设计方式难以系统性地探索多元素组合的全域空间，配比方案的生成效率低下。有限的历史生产数据中隐含的元素配比与力学性能之间的复杂映射关系未能得到充分挖掘和定量表达，导致配比调整缺乏精确的数值依据。当面对新型号灰铸铁或多性能指标并存的协同优化需求时，经验规则容易陷入局部可行解的附近，难以找到全局范围内综合力学性能最优的元素组合。现有的一些正交试验或简单响应面方法虽然能够将配比与性能的关系形式化，但其考察的配比组合数量有限，无法覆盖元素间复杂的交互效应区域，生成的配比方案在优化深度和覆盖广度上均存在明显不足。

3、针对上述问题，需要解决的第一个问题是如何在有限的初始方案基础上打破经验空间的束缚，生成覆盖更广、多样性更高的候选配比群体，以便为后续寻优提供丰富的基础材料。需要解决的第二个问题是如何在迭代寻优过程中根据种群的实际分布状态自动调整搜索策略，平衡对未知区域的探索和对已知优质区域的开发，避免过早陷入局部极值。

技术实现思路

1、本发明提供一种灰铸铁微量元素协同配比的主动寻优设计方法及系统，旨在解决现有经验驱动式配比设计中候选方案多样性不足以及迭代搜索过程中寻优策略固定僵化的问题。通过引入混沌映射的动态扩增机制，在初始配比方案基础上系统性地生成数量充足且分布广泛的候选解，突破人工经验对方案空间的限制。同时建立基于种群密度感知的自适应迭代寻优机制，根据个体在搜索空间中的疏密分布主动调整扰动幅度，实现对配比方案空间的高效探测和精细定位。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：为解决灰铸铁熔炼过程中微量元素配比凭经验调整导致的力学性能难以统筹兼顾、寻优效率低下的问题，本发明提供一种灰铸铁微量元素协同配比的主动寻优设计方法及系统。

3、本发明公开了一种灰铸铁微量元素协同配比的主动寻优设计方法，包括：获取灰铸铁熔炼过程的多个微量元素初始配比方案，构建初始配比方案集合；基于每个微量元素初始配比方案对灰铸铁力学性能的响应关系，建立多维协同配比评价模型；采用混沌映射序列对所述初始配比方案集合进行扰动扩增，生成第一代寻优种群；对所述第一代寻优种群中的每个个体进行协同配比可行性校验，滤除不可行个体后得到有效寻优种群；以所述有效寻优种群为起始代，执行基于邻域竞争的自适应迭代寻优过程，直至满足收敛条件后输出最优微量元素配比方案。该方法将混沌映射的遍历性与启发性迭代寻优相结合，在确保工艺可行的前提下，基于多维协同评价模型主动寻找综合力学性能最优的配比，显著提升了寻优效率与全局搜索能力。

4、作为本发明的一个优选技术方案，建立多维协同配比评价模型的过程具体为：收集包含抗拉强度、硬度和伸长率实测值的灰铸铁历史生产数据；分别以微量元素配比值为自变量，对应地拟合出关于抗拉强度的第一响应曲面函数、关于硬度的第二响应曲面函数和关于伸长率的第三响应曲面函数；将三个响应曲面函数进行加权求和，构建出能够综合评价多力学性能指标的多维协同配比评价模型。优选的，加权求和的系数采用层次分析法，根据各力学性能在特定铸件中的工艺重要度进行科学赋值，使得评价模型能自适应不同的工况需求。

5、作为本发明的一个优选技术方案，生成第一代寻优种群的过程具体为：提取初始配比方案的微量元素组成向量，其维度包含碳当量、硅碳比和合金元素质量百分数；以组成向量的每一维度作为一个独立的混沌映射通道，利用逻辑斯蒂混沌映射公式迭代生成维度数量相同的混沌扰动序列；将混沌扰动序列与对应的初始微量元素组成向量进行向量加法融合，获得多个具有多样性与遍历性的扰动后配比方案；合并所有初始配比方案及其扰动后方案，构成第一代寻优种群。该过程充分利用混沌序列的伪随机性和空间填充能力，有效扩增了初始种群的多样性。

6、进一步的，生成混沌扰动序列时，为微量元素组成向量的每一维度分别设置一个互不相同的混沌初始值，并对每一维度独立执行逻辑斯蒂混沌映射的迭代计算；将连续多次迭代生成的状态值排列构成该维度的混沌扰动子序列，再将各维度子序列组合成完整的混沌扰动序列。优选的，每个维度的混沌初始值，直接由该维度对应微量元素的归一化配比值映射得到，使得扰动幅度与初始方案自身属性相关联，扰动更具针对性。

7、作为本发明的一个优选技术方案，协同配比可行性校验的过程具体为：逐一提取第一代寻优种群中的待校验个体，将其中各微量元素的配比值与该元素预设的工艺容许下限值和上限值进行比对，若任一配比值超出区间范围，直接判定为不可行个体；对于所有单元素值均达标的个体，进一步计算其微量元素之间的协同配比约束值，并将该约束值与预设的协同容许范围进行比较，超出范围则同样判定为不可行个体；遍历整个种群后，保留所有未被判定的可行个体，构成有效寻优种群。这一双重校验机制杜绝了单元素合格但元素间协同作用不良的配比方案进入寻优流程，保障了寻优过程始终在冶金工艺窗口内进行。

8、进一步的，计算协同配比约束值时，从待校验个体中提取碳、硅、锰元素的配比值，计算碳硅比和碳锰积，将其共同作为协同配比约束值。这组约束值精准反映了灰铸铁中主要元素的协同影响规律。

9、作为本发明的一个优选技术方案，执行基于邻域竞争的自适应迭代寻优过程具体为：以当前代有效种群为父代，为每个个体分配一个初始为基准半径的邻域半径；以每个目标个体为中心构建其邻域空间，统计内部其他个体的数量作为邻域密度；根据邻域密度，将个体划分为密度低于预设阈值的稀疏个体集合和密度高于预设上限的密集个体集合；对稀疏个体执行局部精细扰动操作生成第一子代个体，以在潜在优解附近进行深度发掘；对密集个体执行全局粗放扰动操作生成第二子代个体，以开阔探索新的解空间区域；合并两类子代作为新一代种群，完成一次迭代。此机制根据种群分布的疏密程度，自适应地平衡了局部搜索与全局探索能力。

10、进一步的，局部精细扰动操作具体为：获取稀疏集合中待扰动个体各微量元素的当前配比值，以该值为中心，按照该元素预设的精细扰动步长范围随机生成一个扰动偏移量，并将偏移量叠加到当前值上获得新配比值，组合所有新配比值形成一个高精度的第一子代个体。

11、进一步的，全局粗放扰动操作具体为：获取密集集合中待扰动个体所在当前代种群的种群中心点，即各维度配比值的算术平均值；计算待扰动个体与种群中心点的欧几里得距离，并以此距离正相关地确定一个全局扰动幅度；在各个维度上，以种群中心点的值为中心、以全局扰动幅度为半径，随机生成一个候选配比值，组合所有候选值形成一个探索性的第二子代个体。

12、作为本发明的一个优选技术方案，收敛条件的判定和最优方案输出的过程具体为：每次迭代后，计算当前代有效种群的配比向量均值，及其与上一代配比向量均值之间的绝对差值；将绝对差值与预设的收敛精度阈值比较，若小于阈值则累加连续稳定计数值，否则清零；当连续稳定计数值达到预设的最大稳定次数时，判定种群已趋于收敛，此时从当前代有效种群中选取适应度值最高的个体作为最优微量元素配比方案输出。该输出方案即为在当前多维目标评价体系下，全局范围内力学性能协同最优的工艺配比。

13、本发明还包括了一种灰铸铁微量元素协同配比的主动寻优设计系统，该系统包括存储器、处理器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述一种灰铸铁微量元素协同配比的主动寻优设计方法的所有步骤。系统能够自动执行从初始方案获取、模型构建、混沌扩增、可行性校验到自适应迭代寻优的全过程，为工艺人员提供即时、可靠的最优配比方案，有效提升了灰铸铁熔炼工艺设计的科学性和效率。

14、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

15、采用混沌映射序列对初始配比方案集合进行扰动扩增时，将每个初始配比方案的微量元素组成向量作为独立信息载体，为其各维度分配互不相同的混沌初始值，并利用逻辑斯蒂混沌映射的遍历性和伪随机性在各维度上独立迭代生成混沌扰动序列。通过将生成的混沌扰动序列与原始配比向量进行向量加法融合，能够获得大量位于原方案邻域但不完全重叠的扰动后配比方案。混沌映射对初始条件的敏感依赖性使得微小差异的初始配比值在迭代后产生显著不同的扰动方向和幅度，由此形成的扰动方案群体在配比空间中呈现出拓扑分布特性，既保持与原方案的关联性又具备广泛的覆盖广度。这一扩增过程不依赖于随机数生成器的简单均匀采样，而是利用确定性非线性动力系统的内在特性产生具有空间填充能力的方案集合，有效扩充了后续寻优过程可探索的候选区域，避免了传统方法中单纯依靠经验微调或正交试验设计所带来的方案空间覆盖不足的问题。

16、在执行基于邻域竞争的自适应迭代寻优过程中，为父代种群中的每个个体分配初始基准半径的邻域空间，通过统计落入各邻域空间内的个体数量获得每个个体的邻域密度指标，据此将种群划分为稀疏个体集合和密集个体集合两类分别处理。对位于稀疏区域的个体执行以当前配比值为中心、以精细扰动步长范围为基础的局部精细扰动操作，使其在邻近空间内进行小幅度偏移以精细探寻潜在的优质解；对位于密集区域的个体则以种群中心点为参照，根据该个体与种群中心点的欧几里得距离确定全局扰动幅度，在朝向种群外围的方向上执行大跨度的全局粗放扰动操作。这种基于个体局部种群密度差异化施以不同扰动策略的机制，使得寻优过程在密集区域主动跳出聚集陷阱、向未充分探索的配比领域扩散，同时在稀疏区域保持必要的搜索粒度以保证收敛精度。整个迭代过程中搜索行为随种群分布状态动态演进，无需预先设定固定的搜索步长或调度策略，在维持种群多样性与加速收敛之间形成自组织平衡，从而获得满足多力学性能指标综合最优的微量元素协同配比方案。