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论文中文题名:

 基于GA-MK-SVM的煤自燃危险程度预测方法研究    

姓名:

 成倬    

学号:

 18220089033    

保密级别:

 保密(2年后开放)    

论文语种:

 chi    

学科代码:

 083700    

学科名称:

 工学 - 安全科学与工程    

学生类型:

 硕士    

学位级别:

 工学硕士    

学位年度:

 2021    

培养单位:

 西安科技大学    

院系:

 安全科学与工程学院    

专业:

 安全科学与工程    

研究方向:

 煤火灾害防治    

第一导师姓名:

 翟小伟    

第一导师单位:

  西安科技大学    

论文提交日期:

 2021-06-15    

论文答辩日期:

 2021-06-01    

论文外文题名:

 Research on the Prediction Method of the Dangerous Degree of Coal Spontaneous Combustion Based on GA-MK-SVM    

论文中文关键词:

 煤自燃 ; 危险程度预测 ; 支持向量机 ; 混合核函数 ; 参数优化    

论文外文关键词:

 Coal spontaneous combustion ; Risk prediction ; Support vector machine ; Mixed kernel function ; Parameter optimization    

论文中文摘要:

煤自燃灾害是影响煤矿安全生产的重要因素之一。本文针对传统的煤自燃危险程度预测方法在指标选取、权重赋值方面的特点和存在的问题,考虑煤自燃过程中温度和气体的非线性关系,根据机器学习相关理论构建了基于GA-MK-SVM的煤自燃危险程度预测方法。

通过分析柴家沟矿煤自然发火实验过程中煤温和气体浓度的变化规律发现,柴家沟矿煤样实验最短自然发火期近似为31天。基于煤自燃特性参数分析,确定柴家沟矿煤样临界温度为70℃,干裂温度为100℃。根据升温过程中各气体的变化情况,将CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、CO/CO2比值、C2H4/C2H6比值、C2H6/CH4比值、O2/(CO+CO2)比值作为煤自燃危险程度的表征指标。基于主成分分析法(PCA)建立了以各表征指标为自变量、以煤温为因变量的煤自燃危险程度预测指标体系。

根据支持向量机(SVM)相关理论,构建了单核函数SVM模型(Poly-SVM和RBF-SVM)和基于多项式核函数和径向基核函数线性组合的混合核函数SVM模型(MK-SVM)。并以柴家沟矿煤自然发火实验为基础,对比各模型的预测效果发现,在未进行参数优化的情况下,MK-SVM模型的预测效果略优于单核函数SVM模型,但预测精度有待进一步提升。

利用粒子群优化算法(PSO)、网格搜索算法(GS)、遗传算法(GA)分别对单核函数SVM模型和MK-SVM模型进行超参数寻优。经参数优化后,各模型的预测精度均有明显提升。其中,GA-MK-SVM模型的预测效果最佳,对应的预测误差温度小于1℃。通过与分类回归树(CART)、随机森林(RF)、多元线性回归(MLR)的横向对比发现,GA-MK-SVM模型的预测精度仍最高,因此确定以GA-MK-SVM模型为煤自燃危险程度预测最优模型。最后,将基于GA-MK-SVM的煤自燃危险程度预测方法应用于大佛寺矿煤自然发火实验数据和采空区现场观测数据,对应的预测误差温度均小于1℃,验证了预测方法具有良好的应用性和普适性。

论文外文摘要:

Coal spontaneous combustion disaster is an important factor affecting coal mine safety. Based on the characteristics and existing problems of index selection and weight assignment of traditional coal spontaneous combustion risk prediction methods, this paper considers the non-linear relationship between temperature and gas in the process of coal spontaneous combustion. The GA-MK-SVM prediction method of the risk of coal spontaneous combustion is constructed according to the related theory of machine learning.

According to the law of temperature and gas concentration in the coal spontaneous combustion experiment, it is found that the shortest spontaneous ignition period of the coal sample in Chaijiagou Mine is approximately 31 days. Based on the analysis of coal spontaneous combustion characteristics, the critical temperature of the Chaijiagou coal sample is 70℃, and the dry cracking temperature is 100℃. According to the changes of each gas during the heating process, CO, CO2, CH4, C2H6, C2H4, CO/CO2 ratio, C2H4/C2H6 ratio, C2H6/CH4 ratio, O2/(CO+CO2) ratio are regarded as the risk of coal spontaneous combustion characterization index. Based on the Principal Component Analysis (PCA), an index system for predicting the risk of coal spontaneous combustion is established, which takes each indicator as an independent variable and coal temperature as a dependent variable.

According to the related theories of Support Vector Machine (SVM), single-kernel SVM models (Poly-SVM and RBF-SVM) and mixed-kernel SVM model (MK-SVM) which based on the linear combination of polynomial kernel function and radial basis kernel function are constructed. By comparing the effects of the model in predicting the risk of spontaneous combustion of coal in Chaijiagou Mine, it can be concluded that without parameter optimization, the prediction accuracy of the MK-SVM model is better than that of the single-kernel SVM model. However, the prediction accuracy yet to be further improved.

The Particle Swarm Optimization Algorithm (PSO), the Grid Search Algorithm (GS), and the Genetic Algorithm (GA) are respectively used to optimize the hyperparameters of the single-kernel SVM models and the MK-SVM model. The results show that after parameter optimization, the accuracy of each prediction model has been considerably improved. Among them, the GA-MK-SVM model has the highest prediction accuracy, and the corresponding prediction error temperature is less than 1°C. Through horizontal comparison with Classification and Regression Tree (CART), Random Forest (RF), and Multiple Linear Regression (MLR), it is found that the prediction accuracy of GA-MK-SVM model is still highest. Therefore, the GA-MK-SVM model is determined as the optimal model for predicting the risk of coal spontaneous combustion. Finally, applied the coal spontaneous combustion risk prediction method based on the GA-MK-SVM model to the experimental data and field observation data of Dafosi Mine. The results show that the corresponding prediction error temperatures are all less than 1℃, which verifies that the prediction method has good applicability and universality.

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中图分类号:

 TD752.2    

开放日期:

 2023-06-16    

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