论文中文题名: | 基于改进Transformer的综采工作面矿压预测研究 |
姓名: | |
学号: | 20208223044 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085400 |
学科名称: | 工学 - 电子信息 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2023 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 矿压预测 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2023-06-25 |
论文答辩日期: | 2023-06-06 |
论文外文题名: | Research on Ore Pressure Prediction of Fully Mechanized Mining face based on improved Transformer |
论文中文关键词: | 矿压预测 ; 周期分解 ; Transformer模型 ; 时空预测 ; 非线性时序依赖 |
论文外文关键词: | Mine pressure prediction ; Period decomposition ; Transformer model ; Spatio-temporal prediction ; Nonlinear time series dependence |
论文中文摘要: |
煤炭作为我国能源的主要来源之一,对维持我国经济的稳定发展起着关键作用。随着我国矿山开采深度的加深,因矿压隐患造成的安全事故不断增加,极大的威胁着井下矿工的人身安全,影响矿井的正常生产。为准确捕捉工作面的矿压变化规律,提高矿压预测精度,减少煤矿顶板事故的发生,本文分别提出了基于周期分解Transformer的矿压预测方法和基于特征融合-Transformer的综采工作面矿压时空预测方法。其主要的研究内容如下: (1)矿压周期性对矿压序列预测影响的研究。为了能够在复杂的时间序列中学习长期依赖信息,提出了基于周期分解Transformer的矿压预测方法。首先,对矿压原始数据进行预处理;其次,将周期分解模块嵌入到Transformer结构中作为内部操作算子构建周期分解Transformer预测模型,可以逐步从预测的隐藏变量中分离出长期趋势信息;最后,利用优化算法进行参数优化,并采用均方误差损失函数进行模型训练,从而实现综采工作面上矿压的预测。实验结果表明,相较于基于BP神经网络、GRU、LSTM以及Transformer模型的矿压预测方法,本文所提的基于周期分解Transformer模型的矿压预测方法在平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)性能指标方面分别减少了17.8%和24.5%,因此该方法具有更高的准确性。 (2)多支架矿压时空特性对矿压序列预测影响的研究。在采煤机推进的过程中,岩层的空间结构不断变化,使得支架压力采集器监测到的多条矿压序列数据在空间上存在相关性。为了充分挖掘矿压序列的潜在特征,提升预测准确率,本文提出了一种基于特征融合-Transformer模型的综采工作面矿压时空预测方法。该方法对多个矿压序列之间的空间关联关系进行灰色关联度分析,选取强关联度序列组;然后,对工作面矿压序列的数值信息、时间信息和空间位置信息进行特征嵌入并融合得到特征向量,Transformer模型接收矿压序列的特征向量,并挖掘矿压序列的非线性时序依赖关系;最后,通过全连接网络构成的预测层,实现综采工作面矿压的时空预测。实验结果表明,相较于基于堆叠LSTM、堆叠GRU和Transformer模型的矿压预测方法,本文所提的基于特征融合-Transformer模型的综采工作面矿压时空预测方法在平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)性能指标方面分别减少了22.3%和25.1%,可以有效提高矿压预测精度。 综上所述,基于周期分解Transformer的矿压预测方法通过对工作面矿压时间序列进行周期性分解,有效捕捉到序列中的长期趋势信息,从而提高了矿压预测精度。此外,基于特征融合-Transformer模型的综采工作面矿压时空预测方法充分挖掘多个矿压序列间的数值信息、时间信息和空间位置信息,可以提高对目标支架序列的矿压预测准确度。上述方法的研究可以有效缓解煤矿井下综采工作面矿压灾害的发生,为保障煤矿安全生产提供理论支撑。 |
论文外文摘要: |
As one of the main sources of energy in China, coal plays a key role in maintaining the stable development of China's economy. With the deepening of mining depth in China, safety accidents caused by potential mine pressure have been increasing, which greatly threaten the personal safety of underground miners and affect the normal production of mines. In order to accurately capture the mine pressure change pattern at the working face, improve the accuracy of mine pressure prediction, and reduce the occurrence of coal mine roof accidents, this thesis proposes the mine pressure prediction method based on Periodic Decomposition Transformer and the spatio-temporal prediction method of mine pressure at the comprehensive mining working face based on Feature Fusion-Transformer, respectively. Its main research contents are as follows: (1) The study of the influence of mine pressure periodicity on the prediction of mine pressure sequences. In order to be able to learn long-term dependence information in complex time series, the method of mine pressure prediction based on the period decomposition Transformer is proposed. First, the raw mine pressure data is preprocessed; second, the period decomposition module is embedded into the Transformer structure as an internal operation operator to construct the period decomposition Transformer prediction model, which can gradually separate the long-term trend information from the predicted hidden variables; finally, the optimization algorithm is used to optimize the parameters and the mean square error loss function is used to train the model. Thus, the prediction of mine pressure on the comprehensive mining face is realized. The experimental results show that compared with the BP neural network, GRU, LSTM and Transformer model-based mining pressure prediction methods, the proposed period decomposition Transformer model-based mining pressure prediction method has a 17.8% and 24.5% reduction in the mean absolute error (MAE) and root mean square error (RMSE) performance indexes, respectively. The method has higher accuracy. (2) Study on the influence of spatial and temporal characteristics of multi-stent mine pressure on the prediction of mine pressure sequences. In the process of coal miner advancing, the spatial structure of rock strata keeps changing, which makes the data of multiple mine pressure sequences monitored by the holder pressure collector correlate in space. In order to fully exploit the potential features of mine pressure sequences and improve the prediction accuracy, this thesis proposes a spatio-temporal prediction method of mine pressure at the comprehensive mining working face based on the feature fusion-Transformer model. The method performs gray correlation analysis on the spatial correlations among multiple mine pressure sequences and selects a strong correlation sequence group; then, the numerical information, temporal information and spatial location information of mine pressure sequences at the working face are feature-embedded and fused to obtain feature vectors, and the Transformer model receives the feature vectors of mine pressure sequences and mines the nonlinear temporal dependencies of mine pressure sequences; finally, the The spatio-temporal prediction of mine pressure at the heaving workface is achieved by the prediction layer composed of fully connected network. The experimental results show that compared with the stacked LSTM, stacked GRU and Transformer models, the proposed feature fusion-Transformer model-based spatio-temporal prediction method for mine pressure at the heaving workface reduces the mean absolute error (MAE) and root mean square error (RMSE) performance indexes by 22.3% and 25.1%, which can effectively improve the accuracy of mine pressure prediction. In summary, the mine pressure prediction method based on periodical decomposition Transformer effectively captures the long-term trend information in the sequence by periodically decomposing the workface mine pressure time series, thus improving the mine pressure prediction accuracy. In addition, the spatio-temporal mining pressure prediction method based on feature fusion-Transformer model for comprehensive mining working face fully exploits the numerical information, temporal information and spatial location information among multiple mining pressure sequences, which can improve the accuracy of mining pressure prediction for the target bracket sequence. The research of the above method can effectively alleviate the occurrence of mine pressure disasters in underground coal mine comprehensive mining working face, and provide theoretical support to ensure the safe production of coal mines. |
参考文献: |
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中图分类号: | TP391 |
开放日期: | 2023-06-25 |