论文中文题名: | 基于ARIMA-LSTM混合模型的云边端框架下甲烷传感器伪数据识别 |
姓名: | |
学号: | 20206043040 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 0811 |
学科名称: | 工学 - 控制科学与工程 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2023 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 矿山设备检测与故障诊断 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2023-06-14 |
论文答辩日期: | 2023-06-02 |
论文外文题名: | False-data Identification of Methane Sensor in Cloud-edge-end Frame Based on ARIMA-LSTM Hybrid Model |
论文中文关键词: | 甲烷传感器 ; 伪数据 ; 灰色关联分析法 ; ARIMA-LSTM ; 云边端 |
论文外文关键词: | Methane sensor ; False data ; Grey relational analysis ; ARIMA-LSTM ; Cloud-edge-end |
论文中文摘要: |
瓦斯事故长期以来制约着我国煤炭行业的可持续发展,因此瓦斯浓度监测是煤炭安全监控的重要一环。由于煤矿井下复杂的环境和传感器自身设计的缺陷,可能导致煤矿井下甲烷传感器产生伪数据。伪数据是指与现场实际情况不相符合的监测数据,这些数据会影响煤矿安全监控系统的控制与决策。且随着煤矿监控系统升级,每日都会接收到大量的数据,如何确保算法模型能及时有效的处理分析数据,是当前研究热点。因此本文展开提升甲烷传感器伪数据识别模型性能的研究。主要的研究工作如下: (1)为建立实验数据样本,本文以宁夏某煤矿综采工作面甲烷传感器监测数据为研究对象。首先通过灰色关联分析法寻找工作面甲烷浓度关联因素;其次基于改进的小波阈值法去除传感器监测过程中存在的噪声干扰;再次运用支持向量机识别伪数据中的异常数据,识别率高达98.5%;然后使用三次平滑指数插补缺失数据;最后通过心跳传输机制压缩甲烷传感器数据,减少数据量。上述数据预处理工作,为提高模型预测精度奠定基础。 (2)为识别因传感器精度漂移而产生的伪数据以长短期记忆神经网络为甲烷浓度预测主网络,将长短期记忆神经网络预测的残差通过差分整合移动平均自回归模型进一步提高网络预测精度,将预测后得到的均方根误差作为伪数据识别的参考指标,最后分析实验结果得出ARIMA-LSTM混合模型可以识别出精度偏移10%以上的伪数据,填补了对甲烷传感器精度漂移伪数据识别的空缺。 (3)为进一步提升伪数据识别的速度,依托云边端框架将伪数据识别任务分层完成,云层主要负责模型算法训练,边层主要负责通过ARIMA-LSTM混合模型识别精度漂移数据和监测数据传输,端层主要负责区域边缘范围内环境数据的采集、数据预处理和传输。为加快混合神经网络模型的运行速度,提出一种基于Spark的分布式甲烷传感器伪数据识别模型的训练方法,结果证明通过分布式计算方法ARIMA-LSTM混合模型运行速度提升4.2倍,伪数据识别模型运行的速度得到提升。 本文是依托综采工作面展开的伪数据识别方法的研究,通过云边端框架实现分层完成伪数据识别任务,使得在不减少采集数据量的情况下减轻边缘服务器负荷,减少事故误报警和漏报警的情况,并降低事故处置的延迟,且在边缘服务器处有效识别出精度漂移伪数据,还加快模型的更新速度,这对后续传感器的标校和协助监控系统控制决策具有较大意义。 |
论文外文摘要: |
Methane concentration monitoring is a crucial component of coal safety supervision since gas mishaps have long been a barrier to the sustainable development of coalmine in China. The methane sensor in underground coal mine may produce false data because of the complicated environment in underground coal mines and flaws in sensor design. The data from methane sensors may not accurately reflect the true concentration , which will affect the control and decision-making of the coal mine safety monitoring system. The control and decision-making of the coal mine safety supervision system may be impacted by this false data. The current research focus on making sure that the algorithm can timely and efficiently analyze data. As coal mine supervision systems are improved, a considerable volume of data is received every day. Therefore, the goal of this work is to improve the performance of the false data recognition model of methane sensor. The main research work is as follows: (1)This paper uses methane sensor monitoring data from a fully automated coal mining face in Ningxia as the research object to create experimental data samples. First, the parameters influencing the concentration of methane in the mining face are discovered using the grey relational analysis. Second, the noise interference in the sensor monitoring is removed by an improved wavelet threshold method. Third, the support vector machine is utilized to detect anomalous data in fake data, with an accuracy rate of up to 98.5%. The triple exponential smoothing approach is then applied to interpolate the missing data. Finally, The heartbeat transmission mechanism is used to compress the data from the methane sensor and reduce the data volume. The above data preprocessing work lays a foundation for improving the accuracy of model prediction. (2)In order to recognize false data brought, a long short-term memory neural network is utilized as the primary network for predicting methane concentration by sensor accuracy drift. The autoregressive integrated moving average model is used to further enhance the residual predicted by the long short-term memory neural network, which can increase the accuracy of the network's prediction. As a reference index for false data recognition, We adopt the root mean square error as the evaluation criterion of the prediction. Finally, the experimental findings demonstrate that the ARIMA-LSTM hybrid model has an accuracy offset of more than 10% for detecting bogus data. It fills the gap of false data identification of methane sensor accuracy drift. (3)A cloud-edge-end framework is utilized to carry out the task in a hierarchical fashion in order to speed up the recognition of false data. The end layer is primarily in charge of gathering, preprocessing, and transmitting environmental data within the regional edge range, while the cloud layer trains the model. The edge layer is primarily in charge of identifying accuracy drift data and monitoring data transmission through the ARIMA-LSTM hybrid model. A distributed training strategy based on Spark is suggested in order to accelerate the performance of the hybrid neural network model. The results show that the ARIMA-LSTM speed of hybrid model operation is increased by 4.2 times through distributed computing methods, which improves the running speed of the false data identification model. The method of recognizing false data presented in this paper is based on a comprehensive excavation face, and the task of identifying false data is carried out in layers using a cloud-edge-end frame. By minimizing the stress on the edge server and the number of false alarms and missed alarms while maintaining the same volume of collected data, this approach shortens the training time taken to handle an accident. The proposed technique successfully locates precision drift false data on the edge server and quickens the model updating rate. Future developments on sensor calibrating and assisting the control decision of supervision system will be significantly impacted by this research. |
参考文献: |
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中图分类号: | TD712;TP391.4 |
开放日期: | 2024-07-03 |