（轮机工程专业论文）基于bp神经网络的油轮货油加热经济性分析.pdf

中文摘曼 摘要 随着我国国民经济的快速发展，我国对石油的需求也快速的增长。几年前， 我国就已经成为仅次于美国的世界第二大石油消费国。而国内石油产量的增长却 十分缓慢，远远满足不了消费增长的需要。石油的供需缺口只能通过进口予以弥 补。我国目l j i 油轮船队正承担起进口原油运输的任务。努力控制运输成本是每个 运营公司都要考虑的重点。因此，对油轮货油运输过程的经济性分析是十分必要 的。众所周知，在油轮货油运输过程中，由于货油粘度大，倾点一般较高，导致 在运输过程中不易卸油。因此，原油油船在装卸货时，通常要对液货进行加温， 以满足卸货的要求。 本文采用m a t l a b 软件中的b p 人工神经网络技术来研究货油的最佳加热时 间。本文分析了人工神经网络技术在该领城的应用可行性，然后通过对输入的试 验样本进行学习、训练、检验，建立了油轮货油加热时间的神经网络计算模型。 运用该模型就可以实现对油轮货油加热时间的预测，其结果比较满意。此方法是 运用数学方法来研究货油加热时间的，这就大大减少了以往运用物理方法来研究 时对加热过程的简化所带来的误差。因此在实际应用中就更加简单、实用。 本文最后设计了正交试验，运用方差分析的方法对影响货油加热时间的各个 因素分别对加热时间影响的显著性进行了分析计算，明确了哪些是主要因素，那 些是次要因素。 关键词：油船；加热时间；正交试验：b p 人工神经网络；预测 英文摘耍 t h ea n a l y s i so f t h ec r u d eo i l sh e a t i n ge c o n o m yf o ro i lt a n k e ro n t h eb a s i so fb pn e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y ，t h ed e m a n df o ro i l i n c r e a s e d s e v e r a ly e a r sa g o ，c h i n ah a sb e c o m et h es e c o n do i lc o n s u m p t i o nc o u n t r yi n t h ew o r l dw h i c ho n l yi n f e r i o rt ot h eu s a b u tt h es l o wi n c r e a s eo fd o m e s t i co i lo u t p u t c o u l d n tm e e tt h en e e d sf o ro i lc o n s u m p t i o n s o ，t h eg a pb e t w e e no i ls u p p l ya n do i l d e m a n dc a no n l yb ec l o s e db yi m p o r t a t i o n n o w a d a y ，c h i n e s et a n k e rf l e e t sa r e u n d e r t a k i n gt h em i s s i o no fo i li m p o r ts h i p p i n g t h ec o s tc o n t r o ls h o u l db ec a r e f b l l y c o n s i d e r e db ye a c ht r a d ec o m p a n y s o ，i t sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ee c o n o m yi nt h e p r o c e s so fo i lt r a n s p o r t a t i o n a sw ea l lk n o w nt h a t , i nt h ep r o c e s so fo i lt r a n s p o r t a t i o n , t h eh i g hv i s e i d i t yo f c r u d eo i lc a l lr e s u l ti nt h ed i f f i c u l t yt ou n l o a dt h eo i l s o ，t h ec a r g o o i lm u s tb eh e a t e dt os o m et e m p e r a t u r ei no r d e rt og u a r a n t e eu n l o a dt h ec a r g oo i l s u c c e s s f u l l yw h e ns h i pa r r i v e st h eg o a lp o r t t h eb pn e t w o r kt e e l m o l o g y , b a s e do nm a t l a bt o o l b o 】，w a su s e di nt h i sp a p e r t os 衄d yt h eo i l so p t i m a lh e a t i n gt i m e f i r s t l y , t h ef e a s i b i l i t yo fn e u r a ln e t w o r kw a s a n a l y z e d s e c o n d l y , t h en e u r a ln e t w o r km o d e lo fo i lh e a t i n gt i m ew a se s t a b l i s h e d t h r o u g hs t u d y i n g t r a i n i n ga n dt e s t i n gt h es a m p l e s f i n a l l y , ar a t h e rs a t i s f i e dr e s l l l tw a s o b t a i n e db ys o l v i n gt h em o d e l t h em e t h o dw h i c ha d o p t e dm a t h e m a t i ct o o l si nt h i s p a p e rb r o u g h tl e s se l t a rt h a nt h ep h y s i c a lm e t h o dw h i c hs i m p l i f i e dt h er e a l i t yp r o c e s s g r e a t l y s o ，i np r a c t i c ea p p l i c a t i o n , t h i sm e t h o di sm u c hm o l - es i m p l ea n du t i l i t y b yd e s i g n i n ga n dt a k i n gas e r i e so f p e r p e n d i c u l a re x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c td e g r e eo f f a c t o r st h a ti n f l u e n c e dt h eo i l sh e a t i n gt i m ew e r ef o u n d f i n a l l y p r i m a r yf a c t o r sa n d s e c o n d a r yf a c t o r s 惴d i s t i n g u i s h e di nt h i sp a p e r k e yw o r d ：o i lt a n k e r ；h e a t i n gt i m e ；b pa r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ； p e r p e n d i c u l a re x p e r i m e n t s ；f o r e c a s t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文銎鲁蜱冬监匣壹鱼照篮左蚴堕垒出唪蜱。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公刀：发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：删碲铆- 7 年弓月埘日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 敝储鹳。站眷毵嚼 毕十b p 神绛州络的油轮货油加热绛济件分析 第1 章绪论 1 1 选题背景 随着国民经济的快速发展和能源储备战略的实旌，中国对石油的需求大增。 近几年，我国已经成为仅次于美国的世界第二大石油消费国，原油对外依赖度也 接近4 0 ，是继1 3 本之后的世界第二大石油进口国。原油供应作为能源安全战略 的一部分，与国际政治、经济、军事有很大关系i l j 。 我国所需石油9 0 依靠海上运输，油轮船队就承担起原油运输的主要任务。 但是，我国9 0 的进口石油依赖于国际油船，这就急需发展我国自己的油轮船队。 因此，我国已制定了初步的发展规划，2 0 1 0 年建成运输7 5 0 0 万吨进口原油的船队， 2 0 2 0 建成运输1 3 亿吨进口原油的船队。为了提高我国油轮运输船队的竞争力， 原油运输的安全与经济就成为各大运输公司需要重点考虑的问题l ”i 。 为了降低运营成本，各运营公司都采取了许多措施。其中，对为了把货油顺 利卸出而对货油进行加热的加热时间的控制引起了广泛的重视。所以许多人对油 轮油舱货油加热的各种问题都进行了讨论和研究在油轮货油加热方面，当今油 轮加热的方式大都是蒸汽加热，从经济性方面考虑，加热过早或过高，船舶运营 经济性差，加温过晚或不足，卸货困难。如何选择适当的加温时间，使货油能在 最短的时间内，达到所需油温，对节约能源、控制运营成本具有重要的现实意义1 4 】。 因此为了能求得适当的加热时间，对油轮加热时间进行模拟与预测是十分必 要的，本论文正是在这种背景下提出的。 1 2 国内外研究现状 目前，在国外，挪威的n o r c o n t r o l 公司已经开始并且部分完成了对油轮油舱 内液货的流场模拟，包括原油洗舱、残渣分布等。但是实现这种模拟成本昂贵， 难以适合中国的国情。s u h a r a j 利用实验的方法测量了3 3 0 0 0 d w t 油轮加热过 程中的热损失。在容积为1 2 0 0 m 的n o 5 货油舱侧壁布置了7 0 个测温点和1 1 个 热流量测量点，并将所得试验结果与理论值进行了比较，取得了较好的效果i ，j 。 第1 章绪论 a k a g i s 研究了利用蒸汽盘管升温的油轮加热过程中的传热计算，得出了蒸汽盘 管的加热效率和舱壁的热损失【“。c h e r t ，b i l lc m ( g u l f i n t e r s t a t ee n g i n e e r i n gc o ) 研 究了容量为3 0 0 0 0 0 d w t 的f s o 储油罐高粘度原油的储存和装卸问题，计算了保 温、加热和卸油过程中的热损失，得到了简单而有效的计算方法。计算了燃油的 消耗量和锅炉的热负荷，讨论了加热油与不加热油对管道输送能力的影响【”。 在国内，目f ；i 也有一些科研单位正在做这方面的研究。大连海事大学殷佩海 教授将油轮加热系统节能技术用于确定运输原油的油轮的货油最佳加热方式，计 算最短的加热时问和控制货油的加热温度。用计算机计算加热时间，进而控制加 热温度是该项研究的主要成果。该研究成果确立了用大蒸汽量短时快速加热是货 油加热最佳节能方式，编制了用计算机准确计算加热时间及控制加热温度的计算 程序和原油油轮货油自然冷却平均温降表和加热时间表，建立了用数值方法计算 油轮货油舱温度场方程式。只要在计算中输入给定的变量参数就可计算出所需加 热时间和锅炉燃油耗量i s 。大连海事大学史际昌教授等为求得油轮货油舱温度场， 在简化原油的热物性参数和边界条件的基础上建立了一个二维模拟“阻容”网络。 根据该网络，用“节点电位法”写出一组温度的差分方程，用微型计算机计算，其结果 以表格和曲线的形式给出。计算的温度场变化情况与实测的基本相符1 9 l 。大连海 事大学研究生陈良为了求得油舱货油温度场，在简化原油的热物性参数和边界条 件的基础上把油舱货油内部换热按导热处理，采用有限单元法理论得到了油舱内 原油温度场分布三维图，得出了舱内液货的温度梯度主要集中在边界附近和内热 源附近，而在舱中间区域温度梯度几乎为零的结论i ”i 。大连海事大学的岳丹婷教 授于大连远洋运输公司合作，针对不同油轮、不同型号原油、不同海域进行油轮 货油加热经济性分析的理论和实验研究。其研究成果是建立油轮油舱传热模型、 对油轮油舱各种加热方式进行经济性分析、研制油轮油舱加热实用操作手册、研 制油轮油舱加热计算软件、研制油轮油舱加热过程模拟软件1 。大连海事大学研 究生金志辉采用f l u e n t 软件对油轮加热、保温过程进行流场模拟，通过对流场 幕于b p 神纤刚络的油轮货油加热绎济竹分析 变化规律的分析，来探讨加热、保温过程中的传热机理。这些对在运输过程中 控制原油加热温度都具有一定的参考价值。 1 3 背景知识介绍 1 3 1 油船的发展 油船是随着油类货物水路运输的不断需求而由普通的货船改装，继而专门设 计，建造出现的一种专用液货船。人们早在几千年前，便在地浅表矿床发现了“石 油”，并认识到燃烧它可以发光、发热，同时产生巨大的能量。随着工业革命的 不断深化，石油工业也得到了迅速的发展，使石油得到了广泛的应用。当中东发 现了大量的地下原油后，一些石油垄断集团和石油进1 3 国纷纷在中东投资开发油 田，使全球原油产量大增，由此也刺激了油船船队的发展。从6 0 年代以来，由于 中东石油的大量开采和输出，以及世界各地发达国家的经济迅猛发展对石油能源 的依赖，促进了油船运输业和制造业的发展。油船的设计和建造也向大型化和超 大型化迈进，从几万吨到十几万吨，甚至几十万吨。同时，各国的船级社对新型 油轮的建造规范也制定了许多新的要求和标准。 现代油船发展的主要标志是j ： ( i ) 将驾驶台建在船尾的尾机型油船，油船甲板形状均采用中高型甲板。 ( 2 ) 绞缆机、锚机都随船体的日趋增大而增大，操纵也显得笨重，所以改进为 液力推动和自动调节张力装置，以减少由潮汐、吃水变化而频繁进行的收放缆作 业。 ( 3 ) 采用当代最先进的导航仪器和通信设备，船内改用袖珍高频对讲机，使用 和操作非常方便。 ( 4 ) 货油泵和货油装卸系统不断改进。一般货油泵的泵油量可达每小时2 0 0 0 3 0 0 0 m 3 ，此外还采用了集中控制室远距离遥控操作阀的开关，减少劳动强度。 ( 5 ) 为保证油船运输和作业安全设置了惰性气体系统。降低舱室中的氧气含量， 使其达到不会燃烧的状态。 ( 6 ) 为了保护自然环境，船体结构都采用双层壳的结构，并利用两船壳板问作 第1 帚绪论 为专用压载舱使用，保证压载水中不含油。 ( 7 ) 为了减少油船石油蒸发气污染大气，现代油船已丌始装备了专门的回收蒸 发气系统，以便在港口装卸时，将石油蒸发气回收到码头的回收装置里。 根据目前的经济和油轮发展状况，其研究重点是提高船舶运输的安全性、经 济性和防止海洋污染和大气污染等问题。本文作者主要侧重从其经济性来研究， 利用人工神经网络的拟合与预测功能，分析影响加热时问的主要因素，这些都为 确定油轮运输过程中所需的最短加热时问提供理论依据，这样既能保证货油能及 时泵出，又能保证加热所需能量最少，实现经济性。 1 3 2 油船油舱结构与布局l j s - 1 6 l 众所周知，现代双层壳油船在货油舱的两边设有专用压载舱，使得压载水和 所装载的油类物质分隔。同时，保证船舶在发生轻度搁浅和碰撞事件中不会发生 油污染事故。有时为了增加稳定性，在油舱的中间还设置了纵舱壁，把油舱分为 左右两个舱。一般油船还设有惰性气体系统，以保证航行和货油操作时的安全性。 为了保证船舶到达目的港后，能够把货油顺利地卸出，油舱在舱底还设有加温管 系，通常加热介质为蒸汽。在舱顶还设有洗舱机，按照洗舱的目的进行洗舱操作。 图1 i 为加热盘管在油舱中的具体分布情况。 l 玺i1 i油舱中加热盘管的分布图 皋于b p 种纤m 络的油轮货油加热纤济竹分析 1 3 3 现行的油轮加热装置| 1 7 - 1 5 i 货油加热是用锅炉的蒸汽经固定的管系送至货舱舱底设置的加热盘管来进行 的。加热盘管内蒸汽凝结放出大量的热，经盘管壁传递给货油，从而达n 1 1 热货 油的目的。 ( 1 ) 加温盘管的类型与材料 货油舱加温盘管有两种：即蛇形盘管和螺旋形盘管。过去，蛇形盘管是铸铁 制造的，这种盘管在造价、传热和安装等方面都不如钢制的蛇形盘管，尽管检修 更换方便，但要经常驻机构检修。螺旋形加热盘管，在用法上有两种：一种是用 在货油吸入口处，另一种是在货油舱内设几个大的螺旋盘管，利用对流的方法来 进行货油加温。 用于制作加热盘管的材料一般为钢管、铸铁管、黄铜管和铝合金管等，目前 所造的油舱、甲板上的管系，大都是用钢管，有的进行渗铝处理，使之抗蚀、防 锈。钢管的抗蚀性较差，但价格较低，传热性能比铸铁的好，使用较可靠。黄铜 管和铝合金管重量轻，传热性能好，抗蚀性能强，但造价太高，一般用于舱内。 铸铁管重量重，传熟性能差，抗震性能差，价格又不低于钢管且铸铁加热盘管一 般是用法兰连接的，在使用过程中必须经常检修，换法兰垫片。 ( 2 ) 货油加温装置 蒸汽从锅炉引出后，经过一个压力调节器，然后送到甲板管系，一般在甲板 管系的开始端部装有一个总阀，然后经蒸汽主干管路依次送至名油舱。然后蒸汽 凝结成水，再经回汽管回到机舱的回水柜内。 每个货油舱的加温管，均各自成组，每组各有其独立的迸气管和排气管的控 制阀和回水阀，排汽管的控制要采用截止止回阀，以防止排汽总管的水倒流。为 了有效利用蒸汽热量使蒸汽全部凝结成水，则每组的排汽管都设有一只阻汽器， 或者在排汽总管凝水检油箱之前装设一个总的阻汽器，但因离阻汽器较近的货油 舱排汽进入总管顺利，压力较大；而对较远的货油管由于管路阻力大，排汽压力 较小，使凝水不能及时返回冷凝水检油箱，因此，必须把甲板排汽阀箱的水阀打 开，将管内的凝水全部放掉后，蒸汽才能顺利通过货油舱加温管进行加热。因此， 导致了凝水不能全部回至锅炉，对锅炉的性能和使用寿命也有一定的影响。无论 第1 帝绪论 如何，阻汽器的设置必须考虑有足够的排量，以免影响加温的效果。 排汽总管的凝水，应设一个凝水检油箱，以监视各货油舱内加热盘管的紧密 性和完整性。凝水检油箱内有油时，说明货油舱内加热盘管损坏，货油进入管内， 其结果将影响传热性能，降低加热效率，同时应特鄢注意的是混进油类凝水，不 得进入锅炉，防止发生危险。如果发现这种情况，要立即修理后方可使用。 在货油舱内，加热盘管在旌工允许的情况下，尽可能靠近船底，如果距离船 底太高，可能会造成舱底硬化，油层加热困难。一般油船加温管距舱底的高度都 在1 5 2 0 c m 左右。 加温管住舱内布置的特点是，在吸油喇叭口装设有螺旋盘管以便使货油能顺利流进吸 入管内。除此而外，整个货油舱加温管的布置从宏观上来看是蛇形盘管铺在舱底，整个加温 盘管在油舱内蛇型分布。 1 3 4 货油加温保温过程介绍 何时开始加温，取决于航线的长短、航区水温和气温变化情况以及卸货港或 租船人的要求。大副在开始决定加温后，即通知有关人员，如驾助、三管轮和泵 浦员。一般情况下，加温作业按以下程序进行 1 9 - 2 2 l ： ( 1 ) 使用机舱的废气进行。暖管”，即使用压力很低的蒸汽将加温管系中的 剩余残水顶出。步骤是：先将甲板放残水阀打开，放尽残水，然后把各舱的主阀 打开，放残水阀都打开，把甲板上主干管系的放残阀关闭，然后，再依次将各舱 每组管系中的残水放干净，直到喷出蒸汽时为止。当出现蒸汽时，即说明该组管 系中的残水已放尽，可以进入正常加温阶段，此时把该放残阀关闭，下舱蒸汽阀 打开。依次类推，直至所有油舱加温管系中的永全放尽，即放残阀都出现蒸汽， 便告暖管工作结束。 ( 2 ) 三管轮启动锅炉，锅炉正常后开始向货油舱送蒸汽，但开始的压力一定 要小，不能急剧地向加温管系通入蒸汽，以避免任何水击作用造成膨胀接头、加 温管或阀门等受到损伤，这可通过调整蒸汽总管压力调节阀控制，另一方面也要 在甲板总阀处控制。 ( 3 ) 当加温管系都充满蒸汽，不出现任何水击声音，一切j 下常后通知机舱慢 草十b p 种纤州络的油轮货油加热绛济忤分析 慢加压，开始正常加温，加温总管压力表一般在6 k g m 8 k g m2 。 ( 4 ) 在加温过程中，确认阀门的丌度符合加温的要求。要定期测量各舱的温 升情况，若出现不平衡时，应加以调整。 ( 5 ) 一般油船，在加温管系组数相同的情况下，油舱越小，其加热面积越大， 而温升越快。因此，这类油舱( 如s o l p 舱和边舱) 可稍缓时日j 加温，先进行中 舱的加温。 ( 6 ) 观察加温管系的工作情况必要时可打开回水阀( 放残阀) 检查有无油类 混入。 ( 7 ) 运输合同中规定要保温承运时，应根据具体的情况达到保温要求的温度， 并做好记录。但一般情况要避免锅炉负荷大幅度的变化。 ( 8 ) 冬季或大风浪天气时，应注意提前开好加温或增大锅炉负荷。 在石油运输中，是否需要在卸货前进行加温，取决于该货油凝点的高低。某 些石油，燃料油和润滑油的凝固点较高，因此在卸货之前，必须对其进行一定程 度的加温，才能将货卸至岸罐内。例如大庆原油，凝固点为3 2 ( 2 ，装船时3 2 1 2 3 8 ，在卸货前要达到4 0 c 4 5 c 以上才能进行卸货。而且由于其含有较多的蜡 和沥青成分，在卸货的最后阶段必须达到5 0 c 5 2 c ，才能迅速进行扫舱作业， 将货油干净地卸出。 在通常运输中因凝固点高需加温的除大庆原油外，还有胜利原油，凝固点为 2 8 ，辽河原油总凝固点为1 7 c ；苏门答腊轻油( 米纳斯) ，凝固点为3 2 5 1 2 ； 卡塔尔为3 7 5 c 。有很多原油，凝固点很低，卸货时无需进行加温。如阿拉伯轻、 中、重油，凝固点都在1 5 1 2 以下；科威特原油，伊朗原油，凝固点在- 3 5 。c 以下， 中东原油的凝固点都很低i “。 对于高凝固点的石油，在航行途中加热到较高的温度，对卸货是有益的，然 而，这并非意味着可以无限制性地加温。加温过高，危害之处有四点：一是油温 过高会使泵壳迅速变热，而泵浦为防止油温过高，一般都有保护装置，当达到6 5 c 7 0 c 时，该装置即接通泵浦自动停止运转；二是货油温度过高不利于卸货， 因蒸发汽体较多，因此会更多地产生汽蚀现象；三是浪费燃料。在当今能源昂贵 的时代，应尽可能节约每一吨燃料。四是油温过高，轻质成分蒸发过多时对油质 第1 审绪论 有影响。因此，从上述四点，尤其从节约能源的角度考虑，应准确地计算加温时 数，根据本船设备和货载情况，摸索出一套安全、易操作、省时、省燃料的加温 规律，有着十分重要的意义。 1 。4 本论文所做得主要工作 l ； 面所提到的对油轮货油加热经济性的研究，所采用的无论是集总参数法， 还是运用流体力学的方法进行流场模拟，都是一种物理研究方法，都对模型进行 了一定的简化处理。例如。在货油加热过程中，会发生各种换热，过程非常复杂， 所以，运用集总参数法【”2 5 1 通常把油舱中货油看作一个整体而且相对静止，忽略 了油内的导热热阻，各热力学参数也取平均值等简化。而用流场仿真时 2 6 - 2 7 】，通 常由于实际卸货时各舱液货温差不大，而忽略了货舱间的纵向传热，认为舱内纵 向温度分布均匀，所以只对横向二维流场进行计算；对计算区域进行简化，假设 油舱为矩形：假设热量由舱底供给，而忽略原油内部物理化学因素产生的内热源， 且热流密度为恒定值；忽略温度升降引起货油的体积变化；原油热力学参数变化 取温度变化范围内的平均值。这些简化虽然会大大简化了计算过程，但总会带来 一定的误差。而且，上述计算往往只是针对某一船型、某一油品、某一航线而进 行的计算，覆盖性小，这都制约了其推广应用。 本文采用的b p 人工神经网络是一种数学研究方法，因此不必考虑复杂的加 热过程。他只需将实测数据作为网络模型的学习训练样本和检验样本输入网络， 神经网络就会根据输入的参数自动训练一个新的网络，用这个训练好的网络就可 以预测货油的加热时间。正交实验的设计也是一种行之有效的分析有交互作用的 多因素对结果的影响的显著性大小的方法。 本文所作的工作主要有： ( 1 ) 收集数据。通过大连远洋运输公司，收集了大量的油船航班的航行数据。 从这些数据中筛选出神经网络的训练样本和检验样本。 ( 2 ) 建立网络模型。包括确定激活函数、联接方式、网络层数的选择及隐层 神经元数目的确定、训练函数的选择。 ( 3 ) 对网络进行训练与检验。通过网络自身的“模式顺传播”与“误差逆 犟十b p 神弊叫络的油轮货油加热纤济分析 传播”的反复交替进行网络“记忆训练”过程，以实现网络的学习和训练过程。 为网络的预测作准备。 ( 4 ) 对货油加热时日j 进行预测。用训练好的网络可以精确的对货油加热时 日j 进行预测。 ( 5 ) 各主要因素对货油加热时日j 影响规律分析。在油轮加热、保温过程中， 影响传热效果的因素很多，这些因素对传热效果的影响规律是最经济的加热方式 确定的依据。 ( 6 ) 设计j 下交试验，运用方差分析的方法进行分析与计算，找出影响货油 加热时日j 的主要因素、次要因素。 第2 节人丁种昴m 络膀! 埋简介 第2 章人工神经网络原理简介 2 1m a t l a b 及其工具箱简介1 2 | - 堋 m a t l a b 语言是一种非常强大的工程语言，它诞生于2 0 世纪7 0 年代，是c l e v e m o l e r 博士和他的同事编写的。当时，c l e v em o l e r 博士与他的同事丌发了e i s p a c k 和l i i n s p a c k 的f o r t r a n 子程序库，主要用来求解线形方程。后来，c l e v em o l e r 编写了e i s p a c k 和l i i n s p a c k 的接口程序，命名为m a t l a b ，意为矩阵实验 室，它是一种以矩阵作为基本数据单元的程序设计语言。提供了数掘分析、算 法实现与应用开发的交互式开发环境。m a t l a b 的核心是一个基于矩阵运算的快 速解释程序，它以交互式接受用户输入的各项指令，输出计算。 m a t l a b 分为总包和若干个工具箱，随着版本的不断升级，它具有越来越强 大的数值计算功能、更为卓越的数据可视化能力及良好的符号计算功能，逐步发 展成为各学科、多种工作平台下功能强大的大型软件。一方面，m a t l a b 可以方 便实现数值分析、优化分析、数据处理、自动控制、信号处理等领域的数学计算。 另一方面，也可以快捷实现计算可视化、图形绘制、场景创建和渲染，图像处理、 虚拟现实和地图制作等分析处理工作。在欧美许多高校，m a t l a b 已成为线性代 数、自动控制理论、概率论、数理统计、数字信号处理、时间顺序分析、动态系 统仿真等课程的基本教学工具。 m a t l a b 工具箱为不同领域内的研究人员提供了快捷方式。内容涉及信号处 理、自动控制、图像处理等领域。这些工具箱大致可分为两类：功能型工具箱和 领域型工具箱。功能型工具箱主要用来扩充m a t l a b 的符号计算功能、图形建模 仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。面领域型工具箱根据不同的 专业而设计，主要有：通讯工具箱、信号处理工具箱等。 具体的说，m a t l a b 主要包括四大工具箱和近3 0 个附属工具箱。四大工具 箱除m a t l a b 本身，还有s i m u l i n l s t a t of l o w 和r e a l - t i m ew o r k s h o p ( r t w ) ，四 大工具箱的合作可以缩短整个产品生产的设计开发时间，减少设计所需要的成本。 四大工具之间的关系如图所示： 幕于b p 神绎络的油轮货油期l 热弊济什分析 图2 1 四大- 【具之间的关系 应用于不同学科的附属工具箱有：通讯工具箱、控制系统工具箱、图像处理 工具箱、分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、信号处理工具箱、 小波工具箱、系统辨识工具箱等。 综上所述，m a t l a b 的功能和各种各样的工具箱，使它具有如下特点： ( i ) 开放式的体系结构； ( 2 ) 先进的界面技术； ( 3 ) 丰富的技术支持； ( 4 ) 集成了许多领域专家的智慧。 2 2 人工神经网络1 3 0 - 3 2 2 2 1 神经网络模型 神经网络的基本单元是神经元。连接机制结构的基本处理单元与神经生物模 拟称为神经元，每个构造起网络的神经元模型模拟一个生物神经元。人工神经元 是对生物神经元的简化和模拟。神经网络是由大量的神经元广泛互联而成的网络。 神经网络模型可分为三大类，即前向网络( f d f o r w a r dn n s l 、回馈网络( f e e d b a c k n n s ) 和自组织网络( s e l f - o r g a n i z i n g n n s ) 。 2 2 2 神经网络的应用 神经网络在人工智能、自动控制、计算机科学、信息处理、机器人、模式识 别等方面都有重大的应用实例。下面列出一些主要的应用领域。 第2 帝人t 神鲐刚络j 泉理简介 ( 1 ) 模式识别和图像处理：语音识别、签字识别、人脸识别、人体病理分析、 目标检测与识别等。 ( 2 ) 控制和优化：化工过程控制、机器人运动控制、家电控制、石油精炼优 化控制和超大规模集成电路御线设计等。 ( 3 ) 预报和智能信息管理：股票市场预测、地震预报、有价证券管理、i c 卡 管理和交通管理。 ( 4 ) 通讯：自适应均衡、回波抵消、a t m 网络中的呼叫接纳识别及控制等。 ( 5 ) 空阃科学：空间交会对接控制、导航信息智能管理，飞行器制导和飞行 程序优化管理等。 2 2 3 人工神经网络的特性 人工神经网络具有如下特性： ( 1 ) 并行分布处理，因而能够有较好的耐故障能力和较快的总体处理能力。 特别适用于实时控制和动态控制。 ( 2 ) 非线性映射。 ( 3 ) 通过训练进行学习。神经网络是通过研究系统过去的数据记录进行训练 的。一个经过适当训练的神经网络具有归纳全部数据的能力。 ( 4 ) 适应于集成。神经网络能够适应在线运行，并同时进行定量和定性操作 神经网络的强适应和信息熔合能力使得网络过程可以通过入大量不同的控制信 号，解决输入信息间的互补和冗余问题，并实现信息集成和融和处理。 ( 5 ) 硬件实现。神经网络不仅能够通过软件而且可以借助软件实现并行处理。 2 2 4 神经网络的学习方法 通过向环境学习获取知识并改进自身性能是神经网络的一个重要特点。在一 般情况下，性能的改善是按某种预定的度量通过调节自身参数( 如权值) 逐步达 到的。学习方法有三种： ( 1 ) 监督学习 如图所示，这种学习方式需要外界存在一个“教师”，它可对给定一组输入 提供应有的输出结果，这组已知的输入一输出数据成为训练样本集，学习系统( 神 经网络) 可根据已知输出与实际输出之| 日j 的差值( 误差信号) 来调节系统参数。 幕干b p 神绎两络的油轮货油加热绎济什分析 图2 2 监督学习框图 ( 2 ) 非监督学习 如图所示，非监督学习时不存在外部教师，学习系统完全按照环境提供数据 的某些统计规律来调节自身参数或结构( 这是一种自组织过程) ，以表示出外界 输入的某种固有特性( 如聚类或某种统计上的分布特性) 。 图2 3 非监督学习框图 ( 3 ) 再励学习 如图所示，这种学习介于上述两种情况之间，外部环境对系统输出结果给出 评价信息，而不是给出正确答案。学习系统通过强化那些受奖的动作来改善自身 的性能。 图2 4 再励学习框图 第2 章人丁神铧刚络原理简介 2 3 神经网络工具箱( n e u r a ln e t w o r kt o o l b o x ) 神经网络工具箱是在m a t l a b 环境下所丌发出来的工具箱之一，它是以人工 神经网络理论为基础，用m a t l a b 语言构造出典型神经网络的启动函数，如s 型、 线性、竞争层、饱和线性等激活函数，使设计者对所选定网络输出的计算变成对 激活函数的调用。另外，根据各种典型的修正网络权值的规则，加上网络的训练 过程，用m a t l a b 编写各种网络设计与训练的子程序，网络的设计者可以根据需 要去调用工具箱中有关神经网络设计与训练的子程序，使自己能够从繁琐的编程 中解脱出来，从而提高效率和解题质量。 神经网络模型主要有： 夺感知器 夺线性网络 夺b p 网络 径向基函数网络 自组织网络 夺回归网络 2 4 b p 网络( b a c k - p r o p a g a t i o nn e t w o r k ) 1 3 ”1 目前，在人工神经网络的实际应用中，绝大部分的神经网络模型是采用b p 网 络和它的变化形式，它也是前向网络的核心部分，并体现了人工神经网络最精华 的部分。b p 网络是采用w i d r o w - h o f f 学习算法和非线性可微转移函数的多层网 络。一个典型的b p 网络采用的是梯度下降算法。逆传播指的就是非线性多层网络 计算梯度的方法。一个经过训练的b p 网络能够根据输入得出合适的结果，虽然这 个输入并没有被训练过。这个特性使得b p 网络很适合采用输入目标对进行训练， 而且并不需要把所有可能的输入，目标对都训练过。 b p 网络主要应用于： ( 1 ) 函数逼近：用输入向量和相应的输出向量训练一个网络逼近一个函数。 ( 2 ) 模式识别：用一个特定的输出向量将它与输入向量联系起来。 ( 3 ) 分类：把输入向量以所定义的合适方式进行分类。 ( 4 ) 数据压缩：减少输出向量维数以便于传输或存储。 幕十b p 冲纤m 络的油轮货油加热绎济忤分析 2 4 1b p 网络结构 多层b p 网络不仅有输入节点、输出节点、而且有一层或多层隐节点。如图所 示： 图2 5l i p 网络模型结构 传递函数一般为( o ，1 ) s 型函数 巾) = 专 误差函数：对第p 个样本误差计算公式为 一) 印= 二- 式甲0 ，0 刍分别为期望输出和网络的计算输出 输出层 隐层 输入层 ( 2 1 ) 2 4 2b p 网络学习公式推导 网络学习公式推导的指导思想是，对网络权值( ，毛) 的修正与阙值( o ) 的修正，使误差函数( e ) 沿负梯度方向下降，b p 网络三层节点表示为，输入节 点，隐节点只，输出节点0 l 。 输入节点与隐节点间的网络权值为，隐节点与输出节点间的网络权值为毛， 当输出节点的期望输出为 时，b p 模型的计算公式如下： 第2 章人t 神绛叫络胤j 坐简介 ( 1 ) 隐节点的输出： 只= 厂( _ 一只) = 厂( ”e ) 其中力e = w , s x _ ，- o , 。 j ( 2 ) 输出节点的计算输出： 其中甩p - - e 毛只一6 i ( 2 3 ) q = ，( 矗咒一6 ) = f ( n e t i ) ( 2 4 ) e = i 1 ( 一q ) 2 = ( r - f ( e t , , y , 一日) ) 2 。二。 二 ( 2 5 ) = i 1 “一厂( 瓦厂( 一q ) 一日) ) 2 ( 4 ) 对输出节点的公式推导 堡；一a e a o , 堕堕 识舞锨谒鲍 e 是多个q 的函数，但只有一个0 ，与瓦有关，各q 间相互独立。其中 则 设输出节点误差 则 酉o e = 圭摹之纯吲鼍咄吲 等= 盟i 5 矿n e t i f ( n e t l ) i g n e t ， j ， 瓦矾2 j ， 署= 吨- d f ) f ( n e t l ) y 4 = “一0 i ) f ( n e t l ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 幕于b p 神绎网络的油轮货油加热绎济件分析 等函m a 毛 p ( 5 ) 对隐节点的公式推导 一a e ：f f 堕塑盟 硼q 8 0 | 印。枞， ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 。足多个q 豳裂，针舸呆j 、，珂比一个只，他亍所伺q 伺天，具甲 着= 圭军之瓴一o k ) 酉a o , = 飞- o ) 等= 鼍等= ( 删百a n e t t ；巾引乃( 2 1 2 )枷一= ，i h 1 一；，i 仃p f i i 上， a ) ，t a m | l a ， i、“a y l 、。“ 熹：黑等：，( 珊t ) 。w ha a w | | 、“i 则 焉一军辑一o ) f ( n e t l ) z , f ( n e t , ) x j 一莩4 耵( n e t , ) d r j ( 2 1 3 ) - d 障节占误善 则 = ( 嘲) 4 毛 一 鼍一6 x ( 6 ) 权值的修正 由于权值的修正毛正比于误差函数沿梯度下降，贝有 牛1 署稍只 4 = ( - b ) f ( n e t t ) 毗：叩詈：r 如 w | l = mi 一= 6 。x 叽 。 = ，( 玎e t ) 观 ( 7 ) 阙倌的修诈 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第2 审人t 砷绛蚵络腺理简介 由于 阙值0 也是一个变化值，在修正权值的同时也修正它，原理同权值的修正一样。 1 ) 对输出节点的公式推导 等：堕鲁：一q d f ) f ( n e 6 ) ( 一1 ) ：4 (217)00a 谚, a 品 “ 、7 晔叩筹嘲d m 贝 岛( k + 1 ) = 岛( i ) + ，7 4 2 ) 对隐节点的公式推导 丝：v 堕塑盟 粥争o o , 靓粥 = 一( f 一o i ) f ( 州) 疋一厂( 加) = 4 r 。f ( 朋t ) = 则 由于 ( 8 ) 传递函数，( j ) 的导数公式 函数( 力= 了_ 三j ，存在关系，( 功= ，( 功( 1 一，( 砌 j + e 4 。 则 f ( 月吒) = 厂( 行p t ) ( 1 - f ( n e t k ) ) 对输出节点 q = f ( n e t t ) f 。( 嘲) = q ( 1 一( q ) ) 对隐节点 只= f ( n e t ，) 厂( 抛t ) = 儿( 1 一“) ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 皤m 岛 皋十b p 神并嘲络的油轮货油加热鲐济件分析 2 4 3b p 模型计算公式汇总 ( 1 ) 输出节点q 计算公式 1 ) 输入节点的输入： 2 ) 隐节点的输出： 3 ) 输出节点输出： 只：f 髟一只1 0 ，= ，悻l 卫一另) ( 2 ) 输出层( 隐节点到输出节点间) 的修正公式 1 ) 输出节点的期望输出：f ， 2 ) 误差控制 所有样本误差： p 点= e k 局= 马 r i r s r 1 2 r 蜀 r 1 6 r ， 说明对实验指标( 货油加热时间) 来说，各因素的影响由主到次依次为：因素4 ( c 货油终温) ，因素2 和3 ( 货油初温和蒸气压力于初温的交互作用) ，因素l ( 蒸汽压力) ，因素5 ( a c ) ，因素1 2 ( c d ) ，因素8 ( 海水温度) ，因素9 ( 蒸汽压 力于海水温度的交互作用) ，因素l o ( 货油初温于海水温度的交互作用) ，因素 6 ( 货油初温于终温的交互作用) 。 表5 6 正交试验的方差分析表 d e v i a t i o na n a l y s i so f o r t h o d o x ye x p e r i m e n t 方差来源， 平方和g自由度乃均方和m s = g ，乃f = m s j m s , 因素a1 3 6 0 7 5l1 3 6 0 7 5 7 1 4 6 l 因素b 1 3 2 7 5l1 3 2 7 56 9 7 1 5 因素c 1 5 3 0 311 5 3 0 3 8 9 3 6 5 3 因素d2 2 6 1 5i2 2 6 1 5 1 1 8 7 7 因素a b 1 3 2 7 5l1 3 2 7 56 9 7 1 5 因素a c 3 5 3 4 2 2l3 5 3 4 2 21 8 5 6 因素a d 2 0 9 1 3 8l2 0 9 1 3 81 0 9 8 3 因素b c1 7 4 2 6l 1 7 4 2 6o 9 1 5 l 因素b d】7 4 6 8 l1 7 4 6 8o 9 1 7 3 第5 市方差分析 冈素c d2 2 ，6 1 5 41 2 2 6 1