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基于宽度学习的注塑产品质量预测方法

林江豪 吴宗泽 李嘉俊 谢胜利

林江豪, 吴宗泽, 李嘉俊, 谢胜利. 基于宽度学习的注塑产品质量预测方法[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(5): 1581-1590. doi: 10.11999/JEIT211414
引用本文: 林江豪, 吴宗泽, 李嘉俊, 谢胜利. 基于宽度学习的注塑产品质量预测方法[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(5): 1581-1590. doi: 10.11999/JEIT211414
LIN Jianghao, WU Zongze, LI Jiajun, XIE Shengli. Quality Prediction for Injection Molding Product Based on Broad Learning System[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(5): 1581-1590. doi: 10.11999/JEIT211414
Citation: LIN Jianghao, WU Zongze, LI Jiajun, XIE Shengli. Quality Prediction for Injection Molding Product Based on Broad Learning System[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(5): 1581-1590. doi: 10.11999/JEIT211414

基于宽度学习的注塑产品质量预测方法

doi: 10.11999/JEIT211414
基金项目: 国家自然科学基金 (62073088, U1911401),科技创新2030-“新一代人工智能”重大项目(2020AAA0108300),广东省重点领域研发计划 (2021B0101200005),广东省基础与应用基础研究基金 (2019A1515011606)
详细信息
    作者简介:

    林江豪:男,1985年生,助理研究员,博士生,研究方向为宽度学习、智能制造

    吴宗泽:男,1975年生,教授,博士生导师,研究方向为能制造、物联网、人工智能

    李嘉俊:男,1995年生,硕士生,研究方向为宽度学习、智能制造

    谢胜利:男,1956年生,教授,博士生导师,研究方向为自适应信号处理、物联网、人工智能

    通讯作者:

    吴宗泽 zzwu@gdut.edu.cn

  • 1) https://www.industrial-bigdata.com/Home2) https://github.com/chuangwang1991/VirtualMeasurement molding
  • 中图分类号: TP273

Quality Prediction for Injection Molding Product Based on Broad Learning System

Funds: The National Natural Science Foundation of China(62073088, U1911401), The National Key R&D Program of China (2020AAA0108300), The Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province (2021B0101200005), The Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2019A1515011606)
  • 摘要: 在注塑成型工业中,产品质量自动监测一直是注塑工业智能化发展的核心问题。高品质和大规模的产品质量数据采集成本高昂,导致数据样本量少、不同类别样本数据不平衡,为注塑产品质量预测提出了更高的挑战。为此,该文提出一种基于宽度学习方法的注塑产品质量预测模型,以产品的3维尺寸为预测目标,在普通的宽度学习系统(BLS)中加入最小p范数来改进得到模型p范数宽度学习系统(pN-BLS),解决小样本和不平衡数据的问题,提高模型对离群点的检测性能。在第4届工业大数据竞赛任务2《注塑成型工艺的虚拟量测和调机优化》数据集中,将192个参数特征与预测目标进行相关分析,提取相关性高的基础特征17个,衍生特征4个和调机参数2个作为模型的输入。将16600条数据平均分为训练集和测试集各8300条,与支持向量机 (SVM)、最近邻算法 (KNN)、多层感知机 (MLP)和BLS进行对比实验,实验结果显示pN-BLS具有更快速和更准确的预测效果。在实际缺陷检测应用中,pN-BLS能更准确地预测异常数据,具有更高的鲁棒性。
  • 图  1  特征提取过程

    图  2  宽度学习网络结构

    图  3  注塑产品异常尺寸预测结果

    表  1  特征选择结果

    特征名 (单位)特征类型特征描述size1size2size3
    EL_CYC_TIME (s)基础特征周期时间
    EL_IV_END_PRESS (MPa)基础特征切换压力
    EL_PLST_BP_0 (MPa)基础特征第1段溶胶背压
    EL_PLST_BP_1 (MPa)基础特征第2段溶胶背压
    EL_PP_STG_POS_1 (mm)基础特征第2段保压终点位置
    EL_PP_TIME (s)基础特征保压时间
    ext_mold_temp_flt_3 (°C)基础特征模具温度中热水温度
    MouldTemp10_mean (°C)基础特征模仁实际温度中公模温度传感器2的均值
    MouldTemp11_mean (°C)基础特征模仁实际温度中公模温度传感器3的均值
    MouldTemp13_mean (°C)基础特征模仁实际温度中母模温度传感器2的均值
    MouldTemp14_mean (°C)基础特征模仁实际温度中母模温度传感器3的均值
    MouldTemp2_mean (°C)基础特征模温机的实际温度传感器中的恒温2温度
    MouldTemp4_mean (°C)基础特征模温机的实际温度传感器中的热水温度
    Sensor1_mean (MPa)基础特征模内压力传感器1的均值
    Sensor2_mean (MPa)基础特征模内压力传感器2的均值
    Sensor8_mean (L/h)基础特征模温机水流流量计实际流量
    inj_speed_4 (mm/s)基础特征第5段注塑速度
    mdt_sp_0 (°C)调机特征机台参数的模具恒温温度
    IJ_mean (MPa)调机特征喷嘴头的射出压力均值
    size_set_Id_median (mm)衍生特征调机段中所有模次的size中位数×
    Id_diff_ratio衍生特征表示当前模次的Id处在对应调机段的比率××
    Id_len衍生特征表示对应调机段的长度,即经历了多少模次产品××
    set_Id衍生特征该模次所处的调机段
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    表  2  基于BLS的产品尺寸预测模型训练

     for $ i=1;i\le k $ do
       随机产生特征层的参数矩阵$ {\boldsymbol{W}}_{zi} $, $ {\boldsymbol{\beta }}_{zi} $
       计算$ {\boldsymbol{Z}}_{i}=\sigma \left(\boldsymbol{X}{\cdot \boldsymbol{W}}_{zi}+{\boldsymbol{\beta }}_{zi}\right) $
     end
     获得$ {\boldsymbol{Z}}^{k}=[{\boldsymbol{Z}}_{1},{\boldsymbol{Z}}_{2},\cdots ,{\boldsymbol{Z}}_{k}] $
     for $ j=1;j\le m $ do
       随机产生增强层的参数矩阵$ {\boldsymbol{W}}_{ej} $, $ {\boldsymbol{\beta }}_{ej} $
       计算$ {\boldsymbol{E}}_{j}=\tau \left({\boldsymbol{Z}}^{k}\cdot {\boldsymbol{W}}_{ej}+{\boldsymbol{\beta }}_{ej}\right) $
     end
     获得 $ {\boldsymbol{E}}^{m}= $[$ {\boldsymbol{E}}_{1},{\boldsymbol{E}}_{2},{\cdots ,\boldsymbol{E}}_{m} $]
     令$ \boldsymbol{A}=\left[{\boldsymbol{Z}}^{k},{\boldsymbol{E}}^{m}\right] $
     基于式(6)计算$ {\boldsymbol{A}}^{+} $
     计算并输出$ \boldsymbol{W}={\boldsymbol{A}}^{+}Y $
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    表  3  基于pN-BLS的产品尺寸预测模型训练

     for $ i=1;i\le k $ do
       随机产生特征层的参数矩阵$ {\boldsymbol{W}}_{zi} $, $ {\boldsymbol{\beta }}_{zi} $
       计算$ {\boldsymbol{Z}}_{i}=\sigma \left(\boldsymbol{X}{\cdot \boldsymbol{W}}_{zi}+{\boldsymbol{\beta }}_{zi}\right) $
     end
     获得$ {\boldsymbol{Z}}^{k}=[{\boldsymbol{Z}}_{1},{\boldsymbol{Z}}_{2},\cdots ,{\boldsymbol{Z}}_{k}] $
     for $ j=1;j\le m $ do
       随机产生增强层的参数矩阵$ {\boldsymbol{W}}_{ej} $, $ {\boldsymbol{\beta }}_{ej} $
       计算$ {\boldsymbol{E}}_{j}=\tau \left({\boldsymbol{Z}}^{k}\cdot {\boldsymbol{W}}_{ej}+{\boldsymbol{\beta }}_{ej}\right) $
     end
     获得 $ {\boldsymbol{E}}^{m}= $[$ {\boldsymbol{E}}_{1},{\boldsymbol{E}}_{2},{\cdots ,\boldsymbol{E}}_{m} $]
     令$ \boldsymbol{A}=\left[{\boldsymbol{Z}}^{k},{\boldsymbol{E}}^{m}\right] $
     随机产生初始矩阵$ \boldsymbol{W}\left(0\right) $
     计算 $ \widehat{Y}\left(0\right)=\boldsymbol{A}\cdot \boldsymbol{W}\left(0\right) $
     for $ t=1;t\le h $ do
       计算$ \mathrm{\delta }=Y-\widehat{Y}(t-1) $
       计算${\boldsymbol{\varLambda } }_{{\boldsymbol{W}}}={\rm{diag}}[{\left|{e}_{1}\right|}^{p-2},{\left|{e}_{2}\right|}^{p-2},\cdots ,{\left|{e}_{N}\right|}^{p-2}]$
       根据式(13)计算$ \boldsymbol{W}\left(t\right) $
       计算$ \widehat{Y}\left(t\right)=\boldsymbol{A}\cdot \boldsymbol{W}\left(t\right) $
     end
     输出$ \boldsymbol{W} $
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    表  4  预测结果

    模型size1size2size3
    参数MSE参数MSE参数MSE
    SVM(kernel=poly, degree=3)0.044997(kernel=poly, degree=3)0.012554(kernel=poly, degree=3)0.011086
    KNN(n-neighbors=99)0.040116(n-neighbors=99)0.011213(n-neighbors=99)0.005682
    MLP(N1=71, N2=5)0.025351(N1=83, N2=21)0.0179505(N1=43, N2=55)0.020355
    BLS(q=8, k=10, r=97)0.000548(q=10, k=10, r=95)0.010706(q=9, k=8, r=93)0.000385
    pN-BLS(p=0.1, q=10, k=10, r=83)0.000196(p=0.1, q=10, k=9, r=91)0.010217(p=0.1, q=10, k=7, r=45)0.000187
    (p=0.5, q=10, k=10, r=89)0.000194(p=0.5, q=2, k=10, r=17)0.009877(p=0.5, q=10, k=5, r=87)0.000183
    (p=1.0, q=10, k=5, r=93)0.000191(p=1.0, q=6, k=5, r=49)0.008491(p=1.0, q=10, k=6, r=59)0.000181
    (p=1.5, q=10, k=5, r=93)0.000187(p=1.5, q=6, k=10, r=69)0.008483(p=1.5, q=10, k=2, r=89)0.000178
    (p=2.0, q=10, k=10, r=91)0.000191(p=2.0, q=9, k=9, r=81)0.008762(p=2.0, q=10, k=4, r=41)0.000179
    (p=2.5, q=10, k=5, r=95)0.0002(p=2.5, q=3, k=7, r=69)0.009113(p=2.5, q=10, k=3, r=47)0.000179
    (p=3.0, q=6, k=10, r=79)0.000229(p=3.0, q=4, k=10, r=97)0.009526(p=3.0, q=10, k=4, r=89)0.00018
    (p=3.5, q=2, k=7, r=81)0.00041(p=3.5, q=2, k=9, r=97)0.009588(p=3.5, q=7, k=8, r=99)0.00025
    (p=4.0, q=6, k=4, r=7)0.000512(p=4.0, q=2, k=10, r=85)0.011126(p=4.0, q=10, k=3, r=93)0.000382
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    表  5  预测时间(s)

    模型size1size2size3
    SVM0.168571.133880.415923
    KNN2.5662212.9655673.000962
    MLP0.0049680.0069440.008956
    BLS0.0019530.0019960.001956
    pN-BLS0.0000740.0000960.000081
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-01
  • 修回日期:  2022-03-31
  • 网络出版日期:  2022-04-12
  • 刊出日期:  2022-05-25

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