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基于改进的SSA−BP神经网络的矿井突水水源识别模型研究

刘伟韬 李蓓蓓 杜衍辉 韩梦珂 赵吉园

刘伟韬,李蓓蓓,杜衍辉,等. 基于改进的SSA−BP神经网络的矿井突水水源识别模型研究[J]. 工矿自动化,2024,50(2):98-105, 115.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070101
引用本文: 刘伟韬,李蓓蓓,杜衍辉,等. 基于改进的SSA−BP神经网络的矿井突水水源识别模型研究[J]. 工矿自动化,2024,50(2):98-105, 115.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070101
LIU Weitao, LI Beibei, DU Yanhui, et al. Research on the recognition model of mine water inrush source based on improved SSA-BP neural network[J]. Journal of Mine Automation,2024,50(2):98-105, 115.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070101
Citation: LIU Weitao, LI Beibei, DU Yanhui, et al. Research on the recognition model of mine water inrush source based on improved SSA-BP neural network[J]. Journal of Mine Automation,2024,50(2):98-105, 115.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070101

基于改进的SSA−BP神经网络的矿井突水水源识别模型研究

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070101
基金项目: 山东省自然科学基金资助项目(ZR2023ME002)。
详细信息
    作者简介:

    刘伟韬(1970—),男,山东东明人,教授,博士,博士研究生导师,研究方向为矿井水害防治等,E-mail:skdlwt@126.com

    通讯作者:

    李蓓蓓(1999—),女,山东济宁人,硕士研究生,研究方向为矿井水害防治,E-mail:lieeb1999@163.com

  • 中图分类号: TD745

Research on the recognition model of mine water inrush source based on improved SSA-BP neural network

  • 摘要: 机器学习与寻优算法的结合在矿井突水水源识别上得到广泛应用,但突水水样数据具有随机性且寻优算法易陷入局部最优,提高模型泛化能力和跳出局部最优需进一步研究。针对上述问题,提出了一种改进的麻雀搜索算法(SSA)优化BP神经网络模型,用于对矿井突水水源进行定量辨识。以鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿为研究对象,通过常规离子浓度分析、Piper三线图对该煤矿水样的水化学特征进行分析,初步判断矿井水来源于奥灰含水层和三灰含水层,并确定Na++K+浓度、Ca2+浓度、Mg2+浓度、${\mathrm{HCO}}_3^- $浓度、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $浓度、Cl浓度、矿化度、总硬度、pH值作为突水水源识别指标;建立基于改进SSA−BP神经网络的矿井突水水源识别模型:首先进行SSA参数设置,引入Sine混沌映射使麻雀种群均匀分布,然后通过计算适应度值进行麻雀种群的更新,引入随机游走策略扰动当前最优个体,如果满足终止条件,则获得最优BP神经网络权重和阈值,最后基于构建的BP神经网络,输出识别结果。研究结果表明:① 改进的SSA−BP模型在训练集上的识别准确率达95.6%,在测试集上的识别准确率达100%。② 改进的SSA−BP神经网络模型与BP神经网络模型、SSA−BP神经网络模型对比结果:BP神经网络模型误判率为5/18,SSA−BP神经网络模型的误判率为2/18,改进的SSA−BP神经网络模型误判率为0,迭代10次后趋于稳定,且与设定的目标误差相差最小,初始适应度值最优,识别结果可信度高。③ 将阳城煤矿5组矿井水水样数据作为输入层数据输入到训练好的模型中,矿井水水样的主要来源为奥灰含水层、三灰含水层和山西组含水层,模型识别结果与水化学特征分析的结论相互印证,实现了精准区分。

     

  • 图  1  研究区主要含水层

    Figure  1.  Main aquifers in the study area

    图  2  研究区水样Piper三线图

    Figure  2.  Piper three-line diagram of water samples in the study area

    图  3  改进的SSA−BP神经网络模型建立流程

    Figure  3.  Process of improved the SSA−BP neural network model

    图  4  改进的SSA−BP神经网络模型训练集识别准确率

    Figure  4.  Training set recognition accuracy of improved SSA-BP neural network model

    图  5  改进的SSA−BP神经网络模型测试集识别准确率

    Figure  5.  Testing set recognition accuracy of improved SSA-BP neural network model

    图  6  各模型准确率预测结果

    Figure  6.  The accuracy prediction results of each model

    图  7  各模型均方误差变化曲线

    Figure  7.  Mean square error change curves of each model

    图  8  适应度值变化曲线

    Figure  8.  Adaptability change curves

    表  1  水化学特征参数统计结果

    Table  1.   Statistical results of hydrochemical characteristic parameters

    类别 评价指标 Ca2+/(mg·L-1) Mg2+/(mg·L-1) Na++K+/(mg·L-1) Cl/(mg·L-1) $ \mathrm{SO}_4^{2-}/(\mathrm{mg\cdot L}^{-1}) $ HCO3/(mg·L-1) TH/(mg·L-1) TDS/(mg·L-1) pH
    奥灰含水层 最大值 1294.90 337.36 2436.35 5192.60 2346.10 644.44 529.00 615.59 8.19
    最小值 22.08 5.33 355.10 511.77 2.71 14.20 145.60 212.00 5.43
    平均值 701.12 166.15 1354.98 2527.31 1512.41 203.66 167.66 390.06 7.36
    标准差 335.52 87.68 807.54 1664.17 626.53 160.47 136.80 124.15 0.66
    变异系数 0.48 0.53 0.60 0.66 0.41 0.79 0.82 0.32 0.09
    三灰含水层 最大值 583.20 306.04 3077.03 4804.09 1368.57 630.18 517.00 768.00 8.20
    最小值 21.86 13.58 1076.94 1386.83 1.10 161.64 132.56 168.00 6.60
    平均值 267.39 124.90 2063.29 3583.85 359.03 310.83 253.86 338.14 7.40
    标准差 196.03 90.00 415.58 915.46 456.63 137.36 116.07 134.90 0.41
    变异系数 0.73 0.72 0.20 0.26 1.27 0.44 0.46 0.40 0.05
    山西组含水层 最大值 216.67 68.09 2279.30 3009.71 1295.72 581.32 775.61 1325.00 8.30
    最小值 9.88 6.74 399.51 387.96 42.81 238.77 196.81 602.20 7.50
    平均值 62.31 23.17 1149.90 1354.40 527.71 395.81 457.31 942.78 8.02
    标准差 71.89 21.68 572.59 817.09 385.72 113.93 125.96 189.58 0.26
    变异系数 1.15 0.94 0.50 0.60 0.73 0.29 0.35 0.20 0.03
    第四系含水层 最大值 1531.58 716.69 1414.34 944.77 503.01 1815.30 1489.00 2304.00 8.84
    最小值 7.06 2.12 45.71 36.04 0.85 50.89 57.3 111.18 7.37
    平均值 488.83 158.42 506.90 250.58 203.78 722.59 606.91 634.74 7.98
    标准差 431.65 172.46 415.19 231.44 144.85 530.09 443.54 541.94 0.47
    变异系数 0.88 1.09 0.82 0.92 0.71 0.73 0.73 0.85 0.06
    矿井水 最大值 954.15 230.72 2405.52 4518.95 2030.21 484.84 425.49 1040.23 8
    最小值 31.40 8.19 355.10 958.15 523.56 106.36 153.56 212.00 7.00
    平均值 562.54 159.21 1233.30 2153.93 1270.25 231.47 92.67 473.44 7.48
    标准差 375.44 88.79 741.83 1439.99 682.29 146.47 168.13 329.12 0.43
    变异系数 0.67 0.57 0.60 0.67 0.54 0.63 0.66 0.70 0.06
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    表  2  改进的SSA−BP神经网络识别结果

    Table  2.   Improved SSA-BP neural network recognition results

    水样 得分 识别结果
    奥灰含水层 三灰含水层 山西组含水层 第四系含水层
    1 0.9281 0.1216 0.0015 0.0041 奥灰含水层
    2 0.9901 0.0020 0.3143 0.0160 奥灰含水层
    3 0.8701 0.3224 0.0015 0.0067 奥灰含水层
    4 0.4085 0.7123 0.0021 −0.0025 三灰含水层
    5 0.0016 0.2619 0.5394 0.0277 山西含水层
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-04
  • 修回日期:  2023-12-25
  • 网络出版日期:  2024-03-01

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