一種基于bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤塵潤濕接觸角估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于煤塵潤濕接觸角估算技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 煤塵潤濕接觸角估算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國經(jīng)濟(jì)的高速增長是建立在能源高消耗基礎(chǔ)上的。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國能源 消耗呈線性增長，2005年我國原煤消耗量為22.68億噸，2013年煤炭消耗總量達(dá)到39億多 噸。我國一次能源消費(fèi)中煤炭約占能源消耗總量的70%，其中約90%的煤炭來自地下開采。 據(jù)中國工程院預(yù)測，2050年我國煤炭消耗量仍將占能源消耗總量的50%左右。隨著礦井及 綜掘工作面朝著大型化和機(jī)械自動化方向發(fā)展，采煤各斷面煤塵產(chǎn)生量越來越大，礦井作 業(yè)環(huán)境持續(xù)惡化。有資料顯示，煤炭采掘過程中若不采取有效防塵控塵措施，采掘工作面煤 塵濃度最高可達(dá)1000~3000mg/m 3，其中呼吸性粉塵所占比例達(dá)20 %~40 %。
[0003] 煤礦企業(yè)通常采用通風(fēng)排塵、濕法噴霧降塵和干法控塵除塵等措施以降低煤炭開 采過程產(chǎn)生的煤塵濃度，而我國90%以上的礦井采用濕法噴霧降塵技術(shù)。該技術(shù)利用具有 一定壓力的水在噴嘴嘴部噴氣作用下，高速運(yùn)動的水流與空氣發(fā)生碰撞并不斷破裂而形成 微細(xì)水霧，空氣中運(yùn)動的顆粒物與微細(xì)霧滴發(fā)生碰撞或因攔截作用使顆粒增重而沉降。有 資料表明，采用噴霧降塵裝置可使作業(yè)環(huán)境中煤塵量減少85%~95%;但也有大量資料表 明，礦井煤塵總降塵率不足50%，特別是細(xì)小顆粒降塵效率不足30%。煤質(zhì)組成及其結(jié)構(gòu)直 接影響了煤塵顆粒與液體的潤濕性能，液體-固體潤濕性差是導(dǎo)致噴霧降塵效率低的主要 因素。也就是說，潤濕性能差的煤塵采用濕法噴霧降塵是一種選擇不當(dāng)?shù)目貕m除塵措施。進(jìn) 行煤塵潤濕性能的有效判斷是控塵降塵措施選擇的依據(jù)，礦井控塵除塵措施選擇得當(dāng)將大 大降低綜掘工作面煤塵濃度。
[0004] 目前，煤塵潤濕性是通過實驗測定煤塵與液體接觸角來表征的，接觸角越大，煤塵 潤濕性能越差，接觸角越小，潤濕性能越好。研究表明，當(dāng)煤塵潤濕接觸角超過76°時，采用 濕法噴霧控塵除塵措施，礦井煤塵濃度將可能嚴(yán)重超過國家規(guī)定的濃度限值要求。煤塵潤 濕接觸角的實驗測定過程較為復(fù)雜，涉及煤樣粉碎、加壓成型、樣品浸泡和接觸角測定儀測 定等過程，接觸角測定涉及多種專用儀器，耗時較長且測定費(fèi)用較高。國內(nèi)現(xiàn)有資源無法滿 足企業(yè)在礦井設(shè)計階段前完成接觸角的測定。因此，亟待開發(fā)出一種有效估算煤塵潤濕接 觸角的方法，估算結(jié)果用于指導(dǎo)煤礦井選擇有效的防塵控塵措施，對降低綜掘工作面煤塵 濃度以改善綜掘工作面的空氣品質(zhì)具有重要的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤塵潤濕接觸 角估算方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤塵潤濕接觸角估算方法，包括以下工藝步驟：
[0007] (1)選擇影響煤塵潤濕接觸角的主要因素作為BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量；
[0008] (2)采集輸入變量的樣本數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸一化處理，使所有樣本數(shù)據(jù)在[0，1]范圍 內(nèi)；
[0009] (3)構(gòu)建煤塵潤濕接觸角的ΒΡ人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
[0010] (4)利用MATLAB編譯程序?qū)λ鶚?gòu)建的煤塵潤濕接觸角的ΒΡ人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò) 訓(xùn)練，得到不同隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)和激勵函數(shù)條件下的誤差均值和誤差標(biāo)準(zhǔn)差，確定最佳隱含 層節(jié)點(diǎn)數(shù)和激勵函數(shù)；
[0011] (5)利用MATLAB編譯程序確定煤塵潤濕接觸角的ΒΡ人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層與隱含 層、隱含層與輸出層的連接權(quán)重，并獲得目標(biāo)煤塵潤濕接觸角的估算值；
[0012] (6)比較煤塵潤濕接觸角的估算結(jié)果和實測結(jié)果的誤差，驗證所構(gòu)建的BP人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的估算精度。
[0013] 煤塵潤濕接觸角主要受到煤質(zhì)化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的影響。煤質(zhì)化學(xué)組成包括工業(yè)分 析中的固定碳(FCad)、揮發(fā)分(Vad)、灰分(Aad)、水分(Mad)和元素分析中的碳元素(Cdaf)、 氧元素(Odaf)、氫元素(Hdaf)、氮元素(Ndaf)和硫元素(Sdaf)含量，結(jié)構(gòu)參數(shù)包括煤孔隙平 均孔徑、比孔容、0/C比、H/C比，因此輸入變量涉及13個因素，輸出目標(biāo)為煤塵潤濕接觸角。 [0014]所述步驟(1)的輸入變量為煤塵中固定碳含量、揮發(fā)分含量、灰分含量、水分含量、 碳含量、氧含量、氫含量、氮含量、硫含量、平均孔徑、比孔容、0/C比和H/C比。
[0015] 所述步驟(2)采集輸入變量的樣本數(shù)據(jù)涉及的煤礦種類為褐煤、黏煤、長焰煤、氣 煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤、無煙煤。
[0016] 所述步驟(2)的樣本數(shù)據(jù)歸一化處理采用的公式為： λ·- minjx! …
[0017] >· =----- [1]* max J.vj - mm j.v}^
[0018]公式[1]中X表示輸入變量的樣本數(shù)據(jù)，min{x}表示輸入變量的最小值，max{x}表 不輸入變量的最大值，y表不歸一化后輸入變量的輸出數(shù)據(jù)。
[0019] 所述步驟(3)煤塵潤濕接觸角的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為:輸入層，隱含層和輸出 層，其中輸入層的節(jié)點(diǎn)個數(shù)為13,輸出層的節(jié)點(diǎn)個數(shù)為1。
[0020] 所述步驟(4)煤塵潤濕接觸角的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程是將線性函數(shù)與 對數(shù)S形轉(zhuǎn)移函數(shù)組合、兩層對數(shù)S形轉(zhuǎn)移函數(shù)、兩層雙曲正切S形函數(shù)這三種組合方法并采 用十折交叉驗證的尋參方式，采用誤差梯度下降式反向傳播算法調(diào)整隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)和激勵 函數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差收斂至0.00001，最終確定的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為20~22個，最佳隱含層 節(jié)點(diǎn)數(shù)為21個，激勵函數(shù)采用兩層對數(shù)S形轉(zhuǎn)移函數(shù)，所述對數(shù)S形轉(zhuǎn)移函數(shù)為：
[0021] = , 0</〇')<!, [2], 1+e，
[0022]公式[2]中y表示歸一化后輸入變量的輸出數(shù)據(jù)，a為對數(shù)S形轉(zhuǎn)移函數(shù)的斜率參 數(shù)，f(y)為激勵函數(shù)。
[0023]所述步驟(5)是在步驟(4)所得隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為20~22、激勵函數(shù)采用兩層對數(shù)S 形轉(zhuǎn)移函數(shù)的基礎(chǔ)上，重新采集煤礦煤質(zhì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸一化處理，將歸一化處理后的數(shù)據(jù) 輸入MATLAB編譯程序中，得出輸入層與隱含層、隱含層與輸出層連接權(quán)重，并獲得目標(biāo)煤塵 潤濕接觸角的估算值，所述煤礦涉及褐煤、黏煤、長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤、無煙 煤。
[0024] 所述步驟(6)煤塵潤濕接觸角的估算結(jié)果和實測結(jié)果的誤差范圍在-10.778%~ 8.492 % 之間。
[0025] 本發(fā)明的有益效果為：
[0026]本發(fā)明首次提出一種基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤塵潤濕接觸角估算方法，利用影響 煤塵潤濕性能的煤質(zhì)化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)參數(shù)共13個參量作為煤塵潤濕接觸角估算的輸入量， 構(gòu)建的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對煤塵潤濕接觸角的估算誤差在-10.778 %~8.492 %之間，可有效 估算煤塵潤濕接觸角，進(jìn)而指導(dǎo)煤礦井選擇有效的防塵控塵措施。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明實施例1的基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤塵潤濕接觸角估算方法的流程 圖。
[0028]圖2為本發(fā)明實施例1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，其中：w(1)ik(l = l，2，. . .，13;k = 1，2,. . .，22)為輸入層與隱含層之間的連接權(quán)重;w(2)k3(k=l，2,. . .，22)為隱含層與輸出層 之間的連接權(quán)重。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種實施例作進(jìn)一步說明。
[0030] 本發(fā)明實施例中，采集數(shù)據(jù)所涉及的煤礦種類包括褐煤、黏煤、長焰煤、氣煤、肥 煤、焦煤、瘦煤、貧煤、無煙煤，涵蓋了我國煤工業(yè)領(lǐng)域中主要煤種。
[0031] 本發(fā)明實施例的基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤塵潤濕接觸角估算方法，工藝流程圖如 圖1所示，包括以下步驟：
[0032] (1)選擇煤塵中固定碳含量、揮發(fā)分含量、灰分含量、水分含量、碳含量、氧含量、氫 含量、氮含量、硫含量、平均孔徑、比孔容、0/C比和H/C比13個因素作為BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸 入變量，輸出目標(biāo)為煤塵潤濕接觸角；
[0033] (2)在全國范圍內(nèi)40多家煤礦企業(yè)共采集200個煤樣本，按照GB/T212-2008測量這 些樣本的固定碳含量、揮發(fā)分含量、灰分含量、水分含量；按照GB/T476-2001和GB/T476-2008測量這些樣本的碳含量、氧含量、氫含量、氮含量、硫含量；
[0034]平均孔徑