基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的船用反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的船用反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]船用反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化主要任務(wù)是在保證劑量安全的條件下找到體積小重量輕且屏蔽效果佳的屏蔽方案。在過(guò)去的實(shí)際工程中，船用反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)都是計(jì)算許多方案后再?gòu)闹羞M(jìn)行篩選，將花費(fèi)大量的機(jī)器時(shí)間和工作準(zhǔn)備時(shí)間，但是這卻往往找不到既滿足輻射安全、經(jīng)濟(jì)和材料特性等因素最優(yōu)的屏蔽方案。因此，針對(duì)船用反應(yīng)堆屏蔽優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是核工程界的熱點(diǎn)和挑戰(zhàn)。
[0003]國(guó)際上對(duì)于船用反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)分析主要有數(shù)值計(jì)算法、半經(jīng)驗(yàn)修正的計(jì)算模型和智能優(yōu)化方法三大類(lèi)。在上個(gè)世紀(jì)80年代由于計(jì)算機(jī)方面的限制，反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化主要集中在數(shù)值計(jì)算方法上，文獻(xiàn)主要有:線性規(guī)劃、變分法、綜合法、梯度法、拉格朗日乘子法和最速下降法等數(shù)值方法。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，為規(guī)避數(shù)值計(jì)算方法的一些問(wèn)題，國(guó)際上相繼開(kāi)展了基于蒙特卡洛程序在反應(yīng)堆屏蔽計(jì)算和利用一些智能算法來(lái)對(duì)反應(yīng)堆屏蔽參數(shù)進(jìn)行估算和優(yōu)化。
[0004]對(duì)于船用反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化，數(shù)值計(jì)算方法主要存在計(jì)算模型簡(jiǎn)單、精度低和計(jì)算復(fù)雜等缺點(diǎn)；蒙特卡洛程序則存在計(jì)算機(jī)模擬耗時(shí)長(zhǎng)和效率低下的缺點(diǎn)。而本發(fā)明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的船用反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以有效解決以上的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的船用反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，計(jì)算簡(jiǎn)單、耗時(shí)少、精度高。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的船用反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，按照以下步驟進(jìn)行:
[0007]步驟1，利用蒙特卡洛方法模擬計(jì)算反應(yīng)堆中子和光子輸運(yùn)過(guò)程，采用MCNP程序?qū)Υ梅磻?yīng)堆分層屏蔽模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到反應(yīng)堆屏蔽后的中子和光子通量，并計(jì)算出總的當(dāng)量劑量；
[0008]步驟2，根據(jù)樣本的輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)njP輸出參數(shù)個(gè)數(shù)η 2來(lái)確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0009]步驟3，根據(jù)反應(yīng)堆屏蔽問(wèn)題目標(biāo)確定遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)有以下推薦類(lèi)型:
[0010](a)約束型
[0011]Fittness = Weight，Dose ^ D0
[0012]Fittness為適應(yīng)度值；Weight為反應(yīng)堆屏蔽層質(zhì)量！Dc!為劑量限值。
[0013](b)權(quán)重型
[0014]Fittness = W1^ffeight' +W2^Dose'
[0015]Fittness為適應(yīng)度值;WeighC和Dose'分別為歸一化的質(zhì)量和劑量況和胃2分別為兩者之間的權(quán)重，默認(rèn)均為I ;
[0016]選擇上述推薦的適應(yīng)度函數(shù)，利用遺傳算法強(qiáng)尋優(yōu)能力，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相互耦合找到最佳的屏蔽參數(shù)。
[0017]進(jìn)一步的，步驟2中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有以下原則:
[0018](a)對(duì)于復(fù)雜工程問(wèn)題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層采用雙層神經(jīng)元
[0019](b)在單層的隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元個(gè)數(shù)結(jié)構(gòu)為:
[0020]叫―2ni ± I — n2
[0021](c)在雙層的隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元個(gè)數(shù)結(jié)構(gòu)為:
[0022]叫―1.5n 丨―2n 丨 ± I — n2
[0023]對(duì)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)，有以下推薦:
[0024](a)節(jié)點(diǎn)傳遞函數(shù)
[0025]正切S型傳遞函數(shù)tansig
[0026](b)訓(xùn)練函數(shù)
[0027]BP算法訓(xùn)練函數(shù)trainlm
[0028](c)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)函數(shù)
[0029]梯度下降動(dòng)量函數(shù)Iearngdm
[0030]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極強(qiáng)的非線性擬合能力對(duì)上述的劑量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，直到達(dá)到誤差小于2%的預(yù)測(cè)精度來(lái)替換MCNP程序計(jì)算的過(guò)程。
[0031]本發(fā)明的有益效果是:
[0032]1.利用遺傳算法很好的尋優(yōu)能力，能夠在很少的迭代步驟中找到最優(yōu)屏蔽參數(shù)。
[0033]2.利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極強(qiáng)的擬合能力減少了 MCNP程序在粒子輸運(yùn)計(jì)算過(guò)程的時(shí)間消耗。
[0034]3.利用整個(gè)算法流程搭建了一個(gè)GUI可視化界面，降低了設(shè)計(jì)人員的編程難度，使整個(gè)反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)工作更加直觀、高效。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1是方法流程圖；
[0036]圖2是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的回歸曲線圖，a、b、c、d分別訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集和全部數(shù)據(jù)的回歸圖；
[0037]圖3是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程的誤差變化圖；
[0038]圖4是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)效果對(duì)比圖；
[0039]圖5是遺傳算法的尋優(yōu)過(guò)程。
【具體實(shí)施方式】
[0040]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的船用反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，方法流程如圖1所示，其中具體步驟包括:
[0041](I)利用蒙特卡洛(MC)方法模擬計(jì)算反應(yīng)堆中子和光子輸運(yùn)過(guò)程，采用反應(yīng)堆常用的MCNP程序?qū)Υ梅磻?yīng)堆分層屏蔽模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到反應(yīng)堆屏蔽后的中子和光子通量，并計(jì)算出總的當(dāng)量劑量。
[0042](2)根據(jù)樣本的輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)njP輸出參數(shù)個(gè)數(shù)η 2來(lái)確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。考慮到實(shí)際屏蔽問(wèn)題的復(fù)雜性，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有以下指導(dǎo)原則:
[0043](a)對(duì)于復(fù)雜工程問(wèn)題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層盡量采用雙層神經(jīng)元
[0044](b)在單層的隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元個(gè)數(shù)結(jié)構(gòu)推薦為:
[0045]2n i ± I — n2
[0046](c)在雙層的隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元個(gè)數(shù)結(jié)構(gòu)推薦為:
[0047]1.5n 2n i ± I — n2
[0048]對(duì)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)，有以下推薦:
[0049](a)節(jié)點(diǎn)傳遞函數(shù)
[0050]正切S型傳遞函數(shù)tansig
[0051](b)訓(xùn)練函數(shù)
[0052]BP算法訓(xùn)練函數(shù)trainlm
[0053](c)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)函數(shù)
[0054]梯度下降動(dòng)量函數(shù)Iearngdm
[0055]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極強(qiáng)的非線性擬合能力對(duì)上述的劑量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，直到達(dá)到誤差小于2%的預(yù)測(cè)精度來(lái)替換MCNP程序計(jì)算的過(guò)程。
[0056](3)根據(jù)反應(yīng)堆屏蔽問(wèn)題目標(biāo)確定遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)有以下推薦類(lèi)型:
[0057](a)約束型
[0058]Fittness = Weight, Dose D0
[0059]Fittness為適應(yīng)度值；Weight為反應(yīng)堆屏蔽層質(zhì)量；D(!為劑量限值；
[0060](b)權(quán)重型
[0061]Fittness = W1^ffeight' +W2^Dose'
[0062]Fittness為適應(yīng)度值；WeighC和Dose'分別為歸一化的質(zhì)量和劑量；
[0063]WjP W 2分別為兩者之間的權(quán)重，默認(rèn)均為I ;
[0064]選擇上述推薦的適應(yīng)度函數(shù)，利用遺傳算法很強(qiáng)的尋優(yōu)能力，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相互耦合找到最佳的屏蔽參數(shù)(本例中指各個(gè)屏蔽層厚度)。
[0065](4)利用Matlab程序設(shè)計(jì)上述整個(gè)流程的⑶I界面，編譯成一個(gè)操作簡(jiǎn)單、效率高的人機(jī)交互軟件。
[0066]本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)是:在遺傳算法中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替換MCNP來(lái)計(jì)算反應(yīng)堆屏蔽后的劑量并快速找到反應(yīng)堆屏蔽最佳參數(shù)。
[0067]涉及此方法的理論及軟件介紹:
[0068]1.MCNP