3-73  材料性能细菌捕食仿生优化

夏伯才  郭永锋  姚向东  董  杰  王永强

E. Coli菌类捕食时要设法使单位时间内摄取的能量最大。进行非梯度优化时，可将目标J(q)视为吸引剂和排斥剂产生的综合效应，则q =[q₁,…, q_p]^T∈Â^p就对应于细菌位置，用P (j, k, l)={q ⁱ(j, k, l)| i=1, 2,…, S }表示菌群数为S中的第i个菌体在第j趋化步、k复制步和l次消除－驱散事件中的位置，J(i, j, k, l)表示在第i个菌体处于q ⁱ( j, k, l)的代价。令N_c为细菌的寿命长度，用生命期内的趋化步数来度量。用C(i)，i=1, 2,…, S，表示基本趋化步长，则一次抖动后的位置为q ⁱ( j+1, k, l )= q ⁱ( j, k, l )+ C(i) F(j)。如果q ⁱ( j+1, k, l )处的代价J( i, j+1, k, l )优(小)于q ⁱ( j, k, l )，则再沿相同方向前进一个步长C(i)，如此继续，只要能连续地减小代价，游动持续到最大步骤N_s。用J_cc^I[q , q ⁱ (j , k , l )]，表示第i个菌体发出的信号，令d_attract为菌体发出的吸引剂散发的深度，用w_attract为吸引剂作用的宽度，令h_repellant(=d_attract)、w_repellan分别为排斥效应作用高度和宽度，则可用

表示菌体之间的吸引和排斥作用，q ⁱ_m为第i个菌体在q ⁱ位置的第m个分量。经N_c个趋化步骤之后，进行一次总数为N_re的复制步骤。然后让S_r(=S/2)个最不健康菌体死亡，其余S_r个最健康菌体一分为二，并置于同样位置。令N_ed为消除驱散事件数，在每次消除驱散事件中，菌群中的每个个体均以概率p_ed经历消除和驱散。

    为优化Al-Si-Cu系A319合金固溶处理后性能，用480~540℃之间固溶2~24 h后的实验数据，分别建立固溶温度、加热时间与抗拉强度、屈服强度和伸长率d₅之间ANFIS (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 的关系模型。然后，以质量指标最大为目标，用前述优化算法确定固溶处理温度、加热时间，经4代后即得到与遗传算法相近结果，各代菌体的运动轨迹，在优化工艺下得到的典型组织见图1。

 可见，根据E.Coli菌类捕食过程的生物学和物理学原理，通过模拟菌群的趋化、集群、复制、消除和驱散等行为，可解决基于ANFIS模型的材料多性能非梯度优化问题。上述方法还成功用于A356铸造铝合金成分、灰铁成分及其熔炼工艺等其他材料性能的优化，具有一定的通用价值。