基于人工神经网络的矿井瓦斯涌出预测模型及其应用-矿业114网 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
基于人工神经网络的矿井瓦斯涌出预测模型及其应用
2011-11-03
阐述了矿井瓦斯涌出及其预测对安全生产的重要性,指出传统的预测方法的不足之处。应用人工神 经网络建立了时间序列的瓦斯涌出量预测模型,克服了传统预测方法必须事先设定变化规律的缺陷,提高了 瓦斯涌出预测的准确性。实际应用表明该预测模型的预测精度较高,具有较广阔的应用前景。
第 19 卷 第 1 期 矿 冶 工 程 MINING AND METALL URGICAL ENGINEERING Vol. 19 № 1 March 1999 1 999 年 3 月 基 于 人 工 神 经 网 络 的 矿 井 瓦 斯 涌 出 预 测 模 型 及 其 应 用 ­ ① 施 式 亮 刘 宝 琛 ( 湘 潭 工 学 院 ,湘 潭 ,411201) ① (长 沙 矿 冶 研 究 院 ,长 沙 ,410012) 摘 要 阐 述 了 矿 井 瓦 斯 涌 出 及 其 预 测 对 安 全 生 产 的 重 要 性 ,指 出 传 统 的 预 测 方 法 的 不 足 之 处 。 应 用 人 工 神 经 网 络 建 立 了 时 间 序 列 的 瓦 斯 涌 出 量 预 测 模 型 ,克 服 了 传 统 预 测 方 法 必 须 事 先 设 定 变 化 规 律 的 缺 陷 ,提 高 了 瓦 斯 涌 出 预 测 的 准 确 性 。 实 际 应 用 表 明 该 预 测 模 型 的 预 测 精 度 较 高 ,具 有 较 广 阔 的 应 用 前 景 。 Ξ 关 键 词 神 经 网 络 预 测 模 型 矿 井 瓦 斯 涌 出 预 测   瓦 斯 是 矿 井 生 产 过 程 中 的 不 安 全 因 素 之 一 ,是 矿 [1 ] 井 事 故 的 主 要 诱 发 源 。 决 定 煤 矿 通 风 安 全 技 术 和 管 理 工 作 的 关 键 因 素 是 瓦 斯 涌 出 量 ,所 以 预 测 结 果 的 准 确 与 否 ,直 接 影 响 矿 井 的 经 济 技 术 指 标 。 特 别 是 对 大 型 的 高 瓦 斯 矿 井 ,如 果 预 测 的 涌 出 量 偏 低 ,投 产 不 久 就 需 要 进 行 通 风 改 造 ,否 则 会 被 迫 降 低 产 量 。 相 反 ,如 [ 2 ] 果 预 测 涌 出 量 偏 大 ,势 必 造 成 投 资 的 巨 大 浪 费 此 ,准 确 的 预 测 是 安 全 生 产 的 前 提 。 。 因 图 1 时 间 序 列 预 测 的 神 经 网 络 预 测 模 型 预 测 模 型 的 建 立 方 法 有 以 下 二 种 : (1) 揭 示 支 配 客 观 事 物 发 生 、发 展 和 消 亡 的 动 力 系 统 的 维 理 方 法 。 很 显 然 ,事 物 发 展 规 律 的 彻 底 揭 示 需 要 人 们 对 其 动 力 WWW.KY114 .CN 学 机 理 等 基 础 的 彻 底 了 解 ,这 是 人 类 最 盼 望 得 到 的 结 果 ; (2) 从 现 象 寻 求 本 质 规 律 的 维 象 方 法 。 人 们 对 事 物 的 认 识 仅 局 限 于 所 观 测 到 的 数 据 ,只 能 利 用 现 存 的 历 史 数 据 去 构 造 模 型 ,进 而 去 推 测 未 来 的 发 展 趋 势 ,它 是 一 种 对 历 史 数 据 变 化 规 律 的 一 种 探 索 ,属 于 时 间 序 点 为 1~ 5 ,当 前 点 为 0 ,而 下 一 个 点 作 为 训 练 样 本 的 输 出 。 在 时 间 序 列 中 ,每 7 个 相 邻 的 点 都 可 以 作 为 训 练 样 本 。 1 12   数 据 输 入 格 式 及 其 预 处 理 1211 对 数 据 间 隔 的 要 求 时 间 序 列 是 在 相 等 间 隔 1 内 的 一 系 列 实 测 值 ,其 间 隔 为 时 间 (如 月 、日 、小 时 等 ) , 且 这 些 实 测 值 的 测 量 必 须 有 相 同 的 间 隔 。 [ 3 ] 11212 对 有 明 显 的 趋 向 或 季 节 性 变 化 数 据 的 处 理 时 间 序 列 中 ,对 有 明 显 的 趋 向 或 季 节 性 变 化 数 据 的 处 理 比 较 复 杂 ,可 按 以 下 步 骤 进 行 处 理 : 列 分 析 范 畴 。 由 于 人 工 神 经 网 络 具 有 极 强 的 非 线 性 逼 近 能 力 ,所 以 在 时 间 序 列 分 析 问 题 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 传 统 的 瓦 斯 涌 出 预 测 方 法 采 用 的 是 完 全 的 线 性 求 解 ,事 先 设 定 了 瓦 斯 涌 出 的 变 化 规 律 ,其 预 测 的 局 限 性 是 显 而 易 见 的 。 因 此 ,作 者 针 对 矿 井 瓦 斯 涌 出 的 预 测 问 题 ,建 立 神 经 网 络 预 测 模 型 ,并 进 行 实 例 分 析 。 ( 1) 设 X 是 样 本 点 的 顺 序 数 字 , Y 是 X 对 应 点 上 的 值 。序 列 中 共 有 n 个 点 , X 的 值 取 0 ,1 , ⋯ , n - 1 ,每 一 个 Xi 值 都 有 一 个 Yi 值 与 之 对 应 。 ( 2) 设 时 间 序 列 中 线 性 趋 向 的 直 线 方 程 为 : 1 预 测 神 经 网 络 的 构 造 y = m x + b (1) 1 11   基 本 模 型 理 论 上 讲 ,任 何 一 个 网 络 ,只 要 能 接 受 实 际 矢 量 为 根 据 时 间 序 列 数 据 ,用 线 性 回 归 方 法 ,求 出 m 和 b 之 值 ,使 方 程 (1) 中 ,所 有 点 的 x 预 测 值 与 时 间 序 列 中 定 义 的 y 值 的 方 差 和 最 小 。 输 入 ,并 且 能 产 生 实 际 输 出 ,都 可 以 用 于 时 间 序 列 的 预 测 。 如 果 预 测 单 个 时 间 序 列 的 未 来 的 一 个 点 ,其 网 络 的 结 构 如 图 1 所 示 。 图 1 中 ,用 一 个 时 间 序 列 中 6 个 相 邻 点 来 预 测 下 一 个 点 。 可 以 用 一 个 时 间 序 列 产 生 出 大 量 的 单 个 训 练 样 本 ,每 个 样 本 都 有 7 个 点 ,历 史 数 据 ( 3) 去 除 时 间 序 列 中 的 线 性 趋 向 ,按 式 (2) 从 每 一 个 点 中 减 去 上 述 直 线 的 影 响 : yi = yi - ( m xi + b) (3)   (4) 用 式 (3) 计 算 的 时 间 序 列 值 去 训 练 网 络 。 Ξ 收 稿 日 期 1998212210 第 一 作 者 男 副 教 授 现 为 中 南 工 业 大 学 博 士 研 究 生 ­ 煤 炭 高 校 优 秀 青 年 科 学 基 金 资 助 (编 号 : 96 - 081) 2 2 矿 冶 工 程 第 19 卷 ( 5) 将 去 除 趋 向 的 网 络 预 测 值 转 换 为 原 时 间 序 列 β ——— 学 习 速 率 ; 的 值 ,如 式 (4) 。 f ( I) ——— 此 单 元 的 输 入 。 yi = yi + ( m xi + b) (4) 输 出 层 单 元 的 误 差 返 回 到 中 间 层 单 元 ,要 考 虑 第 步 计 算 时 采 用 的 权 重 。 每 个 中 间 层 单 元 的 净 误 差 为 1 2 神 经 网 络 预 测 模 型 从 每 个 输 出 层 单 元 得 到 的 误 差 的 权 重 和 ,用 式 (9) 计 2 11   神 经 网 络 结 构 采 用 后 传 播 (Back Propagation , BP) 网 络 进 行 预 算 : output Ej = tj - Oj (8) (9) [ 4 ] middle d f ( I i ) m 测 。 目 前 有 80 %的 神 经 网 络 课 题 应 用 BP 模 型 ,且 middle Ej output ) = j∑= 1 ( W ij 方 Ej 是 首 选 的 神 经 网 络 模 型 ,采 用 三 层 结 构 网 络 ,神 经 网 络 结 果 如 图 1 所 示 , d I 式 中 上 标 output 为 输 出 单 元 ; middle 为 中 间 单 元 ; tj 为 输 出 层 j 单 元 实 际 输 出 值 ; Oj 为 输 出 层 j 单 元 应 有 的 输 出 ; j 为 输 出 层 任 一 单 元 ; i 为 中 间 层 任 一 单 元 ; W ij 2 12   BP 网 络 学 习 方 法 和 步 骤 后 传 播 网 络 依 照 Adline 网 络 所 采 用 的 最 小 误 差 学 习 方 法 ,应 用 修 正 的 Delta 学 习 规 则 ,且 适 用 于 多 层 为 从 中 间 层 i 单 元 到 输 出 层 j 单 元 间 的 权 重 。 (3) 网 络 修 正 。 为 了 减 少 网 络 训 练 时 间 ,在 广 义 的 Delta 规 则 中 加 入 一 动 量 值 ,可 以 使 网 络 在 训 练 时 摆 脱 停 留 在 局 部 误 差 最 小 值 ,而 不 继 续 下 降 的 情 况 。 权 重 的 增 量 修 正 为 : 网 络 。 在 训 练 过 程 中 ,后 传 播 的 网 络 采 用 以 下 的 训 练 方 法 和 步 骤 : ( 1) 将 输 入 数 据 输 入 网 络 输 入 层 (图 1) 。 输 入 层 单 元 接 收 到 输 入 信 号 ,计 算 权 重 之 和 ,然 后 然 后 根 据 单 元 的 传 递 函 数 将 信 号 送 给 中 间 层 ,中 间 层 将 输 出 信 号 Δ W ij ( t + 1) = β EXi = αΔ W ij ( t) (10) 式 中 β 为 学 习 速 率 ; E 为 此 单 元 的 误 差 ; Xi 为 沿 此 权 重 连 接 传 来 的 输 入 值 ;α 为 动 量 系 数 ,其 值 在 0~ 1 之 间 。 从 式 (10) 可 以 看 出 ,一 旦 第 1 项 为 0 ,权 重 依 然 有 变 化 ,相 当 于 动 量 与 原 权 重 的 乘 积 。 这 就 意 味 着 矢 量 [ 5 ] 送 给 输 出 层 ,数 学 描 述 如 式 (5) 、(6) 所 示 Netinput j = ij = 。 ∑ W jiOi (5) 1 + exp ( - ij) WWW.KY114 .CN Netoutput j = Oj = f ( ij) = (6) 1 仍 然 继 续 沿 前 一 次 改 变 的 方 向 移 动 ,犹 如 物 理 学 中 的 动 量 一 样 ,保 持 权 重 沿 着 原 先 的 方 向 变 动 ,除 非 用 其 他 参 数 来 改 变 它 。 因 此 ,权 重 矢 量 就 容 易 摆 脱 隐 入 局 部 误 差 最 小 值 的“ 陷 阱 ”。 式 中 f ( ij) ——— 传 递 函 数 ,为 S 型 (Sigmoid function) 函 数 。 ( 2) 网 络 的 实 际 输 出 与 应 有 的 输 出 进 行 比 较 。 如 果 误 差 超 过 给 定 值 ,则 将 误 差 向 后 传 播 ,即 从 输 出 层 到 输 入 层 。 在 误 差 后 传 的 过 程 中 ,相 应 地 修 改 单 元 之 间 地 连 接 权 重 。 权 重 改 变 量 为 : 3 实 例 分 析 图 2 所 示 为 淮 北 芦 岭 矿 3 个 月 中 每 天 相 对 瓦 斯 涌 Δ W ij = β Ef ( I) 式 中 E ——— 单 元 的 误 差 ; (7) 出 量 q 实 测 数 据 经 计 算 机 处 理 后 的 结 果 ,从 而 构 造 出 9 0 (0~ 89) 个 时 序 数 。 图 2 矿 井 瓦 斯 涌 出 的 时 序 数 据 变 化 图 形 第 1 期 施 式 亮 等 : 基 于 人 工 神 经 网 络 的 矿 井 瓦 斯 涌 出 预 测 模 型 及 其 应 用 23 图 3 神 经 网 络 预 测 结 果 与 实 测 值 对 比 1 ——— 预 测 值 ; 2 ——— 实 测 值   将 这 些 样 本 点 根 据 文 中 所 提 出 的 方 法 和 模 型 进 行 测 、火 灾 预 测 预 报 以 及 矿 井 涌 水 预 测 等 领 域 ,具 有 较 广 建 模 和 训 练 。 建 立 模 型 后 ,对 第 90~ 96 (即 后 续 的 7 d 内 ) 时 间 序 列 进 行 预 测 。 其 预 测 结 果 与 实 测 值 的 比 较 如 图 3 所 示 。 由 图 3 可 知 ,应 用 神 经 网 络 对 矿 井 瓦 斯 涌 出 量 进 行 预 测 ,具 有 较 高 的 准 确 率 ,这 主 要 是 因 为 神 经 网 络 具 有 很 强 的 非 线 性 拟 合 能 力 。 阔 的 应 用 前 景 。 参 考 文 献 1 2 3 吴 中 立 . 矿 井 通 风 与 安 全 . 徐 州 :中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ,1992 施 式 亮 . 煤 炭 工 程 师 ,1992 ,(6) Daubechies I. The wavelet transform , time2frequency localization and signal analysis. IEEE Trans on Information Theory , 1990 , 30 (5) 徐 庐 生 . 微 机 神 经 网 络 . 北 京 :中 国 医 药 科 技 出 版 社 ,1996 张 际 先 ,等 . 神 经 网 络 及 其 在 工 程 中 的 应 用 . 北 京 :机 械 工 业 出 版 4 结 语 4 5 将 神 经 网 络 应 用 到 时 间 序 列 预 测 ,比 传 统 的 分 析 方 法 具 有 更 大 的 优 越 性 ,而 且 可 以 推 广 到 矿 井 产 量 预 社 ,1996 WWW.KY114 .CN A PREDICTING MODEL OF MINE GAS GUSHING BASED ON NEURAL NETWORK AND ITS APPLICATION ① Shi Shiliang Liu Baochen ( Xiangtan Polytechnic U niversity , Xiangtan , 411201) ① ( Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy , Changsha , 410012) ABSTRACTThe importance of mine gas gushing and its prediction to safe production in coal mines is described , and the shortcomings of the traditional prediction methods are discussed in this paper. For the reasons above , the pre2 dicting model of mine gas gushing concerned the time series was established based on the neural network. The model in the paper can overcome the shortages of the traditional predicting methods that have to pre2set certain function , and increase the predicting veracity of the mine gas gushing. KEY WORDS Neural network , Prediction model , Prediction of mine gas gushing
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  5
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号