基于参数优化支持向量机的煤泥输送管道压力预测 .pdf

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1、煤炭工程 2 0 1 3年 第 1 2期 d o i ： 1 01 1 7 9 9 c e 2 01 3 1 2 03 9 基于参数优 化支持 向量机 的 煤泥输送管道压 力预测 杨 学存 ，侯媛彬 ，洪卫林 ，王鑫 照 ( 1 西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 黄陵煤矸石热电有限公司，陕西 黄陵7 2 7 3 0 7 ) 摘要：针对煤矸石热电厂煤泥输送管道堵塞问题，通过对实际现场的分析，确定煤泥输送 系 统浓料泵主缸压力预测是进行管道堵塞预测的必要前提，提 出了基于网格法的支持 向量机( G S V M) 的浓料泵主缸压力预测模型，将网格搜索法用于支

2、持向量机的参数优化。仿真结果表明 ，该 G S V M 预测模型参数寻优时间为6 5 5 s ，预测模型稳定，且相对误差在3 以内，能满足 实际工程要求。与 基于遗传算法的支持向量机( G AS V M) 预测模型相比较，G S V M预测模型在寻优时间和搜索稳定 性方面优 于 G AS V M预测模型，能够应用于煤泥输送系统实时压力预测 系统。 关键词 ：煤泥输送管道 ；堵塞；参数优化 ；支持 向量机 ；网格搜 索法 中图分类号 ：T M6 1 4 文献标识码 ：A 文章编号：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 1 1 2 - 0 4 Pr e s s ur

3、e Pr e di c t i o n o f S l i me Tr a ns po r t a t i o n Pi pe l i ne Ba s e d o n Pa r a me t e r Opt i mi z e d S up po r t Ve c t o r M a c hi n e YANG Xuec unI，HOU Yua nbi n ， HONG W e il i n ， WANG Xi nz h a o ( 1 S c h o o l o f E l e c t ri c a n d C o n t r o l E n g i n e e ri n g ，X i h n

4、 U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，X i a n 7 1 0 0 5 4，C h i n a ； 2 Hu a n g l i n g C o a l R e j e c t s F ir e d T h e r ma l a n d E l e c t ri c P o w e r C o m p a n y L i m i t e d ，H u a n g l i n g 7 2 7 3 0 7 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A c c o r d i n g t

5、 o t h e b l o c k a g e p r o b l e m s o f t h e s l i m e t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e a p p l i e d i n t h e c o a l r e j e c t s f i r e d t h e r m a l a n d e l e c t r i c p o we r p l a n t ，wi t h t h e a c t u a l s i t e a n a l y s i s ，t h e p a p e r d e fi n e d t h

6、a t t h e p r e s s u r e p r e d i c t i o n o f t h e ma s t e r c y l i n d e r i n t he t hi c k ma t e r i a l pu mp o f t h e s l i me t r a n s po rta t i o n s y s t e m wo ul d be t he ne c e s s a r y p r e mi s e t o p r e d i c t t h e pi pe l i n e b l o c k a g e T h e p a p e r p r o

7、v i d e d t h e p r e s s u r e p r e d i c t i o n mo d e l o f t h e ma s t e r c y l i n d e r i n t h e t h i c k ma t e ri a l p u mp o f t h e s u p p o r t v e c t o r ma c h i n e b a s e d o n t h e g r i d me t h o d a n d t h e g r i d s e a r c h me t h o d wa s a p p l i e d t o t h e p

8、 a r a me t e r o p t i mi z a t i o n o f t h e s u p p o rt v e c t o r ma c h i n e Th e s i mul a t i o n r e s u l t s s h o we d t ha t t h e pa r a me t e r s e a r c h o pt i mi z e d t i me o f t h e s up p o rt v e c t o r ma c h i n e p r e d i c t i o n mo d e l w a s 6 5 5 s Th e p r e

9、d i c t i o n mo d e l w a s s t a b l e a n d t h e r e l a t i v e e r r o r w a s w i t h i n 3 a n d c o u l d me e t t h e a c t u a l e n g i n e e ri n g r e q u i r e me n t s I n c o mp a r i s o n wi t h t h e p r e d i c t i o n mo d e l o f t h e s u p p o rt v e c t o r ma c h i n e b a

10、 s e d o n t h e g e n e t i c a l g o r i t h m ， t h e G S VM p r e d i c t i o n mo d e l w o u l d b e b e t t e r t h a n t h e GA S VM p r e d i c t i o n mo d e l i n t h e o p t i mi z a t i o n t i me s e a r c h a n d t h e s t a b i l i t y s e a r c h a n d c o u l d b e a p p l i e d t

11、o t h e r e a l t i me p r e s s u r e p r e d i c t i o n s y s t e m o f t h e s l i me t r a n s p o rta t i o n s ys t e m Ke ywo r ds： s l i me t r a ns p o r t a t i o n p i pe l i ne；bl o c k a g e； p a r a me t e r o pt i mi z a t i o n； s u pp o r t v e c t o r ma c h i n e 煤泥是选煤 厂 的副 产品 ，是

12、一 种高 浓度 、高 粘度的 粘 稠物料。我国煤炭行业现年产煤泥 已超过 7 0 0 0万 t 。作为 煤炭废料，煤泥被很多洗煤厂就近堆放，遇水流失，遇风 飞扬，对环境造成极大的污染。将煤泥作为燃料在循环流 化床锅炉内掺烧，既能充分利用低质能源 ，又能处理煤泥， 防止污染，对煤矿企业有很好的经济效益和社会效益。 煤泥采用湿 法 输送 技术 通过 铺设 管 道进 行 煤 泥输 送 ， 可解决煤泥输送 过程 中造成 的二次 污染 。北 京 中矿 机 电 _ 程技术研究所研制的 M N S煤泥管道输送系统解决了由于煤 泥 自身特性造成 的难于远 距离输 送 的问题 。该 系统具有 输送压力高、输送流

13、量大、输送距离远、输送量无级调节、 远程控制、无污染 和管路 布置灵 活等优 点。其输送 距离 最 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 21 9 基金项目：陕西省 自然科学基金资助项目( 2 0 0 9 J M8 0 0 2 ) ；陕西省教育厅专项资助项 目( 0 9 J K 7 1 2 ) 作者简介：杨学存( 1 9 7 9一) ，女，河南平顶山人，讲师，在读博士，主要从事故障诊断方面的研究工作。 1 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m2 0 1 3年第 1 2期 煤炭工程 远可达到 1 0 0 0 m，输送高度可达到 2 0 0 m。煤泥输送系统将 煤泥以

14、高压的方式泵入输送管道和多功能给料器而进入到 锅炉内燃烧。但是煤泥颗粒细、黏度大、持水性强，管路 中进 入大块 杂物时 ，在 管道 输送 过程 中经常 会 出现管道 煤 泥堵塞。如果堵塞程度较轻，可以通过高压冲水或者反泵 法来疏通，但是如果堵塞严重 ，则通常需要将堵塞点对应 管道用 电锯锯开 ，然后疏 通管 道 ，最后 再用 电焊将 锯开 位 置焊上。这样不仅损坏管道，降低生产效率 ，而且会影响 循环流化床锅炉的正常与安全运行，甚至影响电厂的稳定 运 行。 目前，国内外对煤泥输送管道堵塞预测的研究较少。 大多数 的研 究集 中在 对煤 泥 的利用 、输 送系 统和煤 泥输 送 管 道压 力分布

15、的研究。美国的 Y a n g等则 以匹兹堡的某个 选 煤厂为实验 基地 ，进 行 了煤泥 的脱 水研 究 J 。N i k i t i n ， I N ， 4 认为煤泥在 洁净 电厂的有效 利用是必要 的，其技 术 集中在大粒煤泥开发，并提出了电厂应用方案。杭州电子 科技大学自动化研究所的江爱朋博士等 以煤泥输送流变 特性 、煤 泥发热 量特性 以及 流化床 锅炉燃 烧发 电热 力过 程 为基础 ，建立了煤泥湿法管道输送以及锅炉热利用模型， 通过非线性优化计算得到了电厂煤泥输送最佳含水量。赵 学 义 ，陈洁等 通 过煤泥 的 系统测 试 ，确 定 了煤 泥的 流 变类 型，得 出了煤泥 的流

16、变 方程 ，对 管道 输送 特性也 进行 了研究，为煤泥管道输送设备的优化设计提供了基本参数。 吴淼等 考虑泵送阻力损失是剪切应力和摩擦阻力共同作 用的结果 ，建立了沿管线压力分布的数学模型。 综上所述 ，如果 能在 管道发生严重堵 塞之前发 现问题 ， 采用反泵法或者高压冲水方法提前排除故障，这将避免煤 泥输送停机时间过长，减少管道的损坏 ，并且也能节省堵 塞处理 时间，对 锅炉安 全稳 定运 行具有 重要 意义 。所 以进 行煤泥输送管道堵塞预测研究 ，是十分必要的。 l 煤泥输送系统压力分析 本课题 以黄 陵煤 矸石 热 电厂 的煤 泥输 送车 间为实 验平 台。其煤泥输送系统采用的是北

17、京中矿环保科技股份有限 公 司的 MN S煤 泥 管道 输 送 系统 。系统 包 括煤 泥 成 浆、存 储 、搅拌 、输送 、给料等环节 。系统 工艺流 程如 图 1所 示 。 外部给料设备 煤泥撮合机 上料螺旋 浓料泵 H 预测螺旋H搅拌缓冲仓 煤泥输送管道 H多功能给料器 H循环流化床锅炉 图 1 煤 泥输送系统工艺流程图 将煤泥经过撮合、搅拌、过滤后，使煤泥的含水量达 到 3 0 左右，杂物颗粒基本在 5 0 m m以下。然后煤泥经过 预压螺旋具有一定的预压力后 ，再经过浓料泵使煤泥具有 较高的压力，被泵入到输送管道内，煤泥沿着输送管道移 动 ，最终进入 锅炉 的给 料入 口。浓料 泵

18、型号 为 N B $ 2 0 1 8 ， 泵送流量为 2 0 m h ，出口压力为 1 8 MP a 。 在正常使用过程 中，如果突然出现煤泥输送系统正常 工作，但在出料端 口没有物料输 出时，应首先判断发生堵 管事故，具体表现为系统压力较大。堵塞点位置管道压力 明显增大，堵塞点后管道压力明显减小。所以本课题将煤 泥输送管道压力作 为故 障预测 和判断 的依 据。但是 由于 系 统压力较大，正常工作时在71 1 MP a 之间，所以如果在管 道中安装压力传感器或流量传感器，这些传感器很容易损 坏，所以在煤泥输送车间并没有安装压力传感器和流量传 感器，这样就对堵塞的预测带来了一定的难度。 本课题

19、考虑利用浓 料泵 的主缸压 力测 点来 进行堵 塞预 测。通过对浓料泵主缸压力数据进行时间序列分析，进行 浓料泵主缸压力预测，该压力预测是堵塞预测的前提，本 文主要 介绍煤泥输送系统浓料泵主缸压力预测方法。 2 基于网格法优化 S V M( G S V M) 模型的预测方法 支持向量机( S V M) ” 是 V a p n i k等提出的一类新型机 器学习方法 ，支持向量机形式上类似于一个神经网络，输 出是中间节点的线性组合，每个中间节点对应于一个支持 向量 。其预测模 型结构示 意图如图 2所示 。 图 2支持 向量机预测模型 结构 示意图 所以，回归拟合函数可以表示为： y ( ) ：o

20、 Jj ( ， ) + b ( 1 ) 其中，a 为支持向量 ，b为偏差，k ( ， ) 为核 函数。 这里采用最 常用 的径 向基核 函数 ( R B F ) ： k ( ， Y )=e x p ( 一g 一Y ) ， g0 ( 2 ) 式( 2 ) 中参数 g是核函数 中的重要参数 ，影响着 S V M 回归算法 的复杂程度 。 非线性支持 向量 机 回归的基 本思想 是利 用将输 入样 本 空 间通过非线性 映射 将数据 映射到 高维特 征空 间 F，并 在这个高维空间中进行线性回归。最终得到输入与输出变 量间的非线性关系 。设给定的输入样本 为 n维 向量 ，1 个 样本及其输 出值可

21、表示为( ，Y ) ，( ，Y ： ) ，( ， Y z )R “ R 。 )=W ( )+b ( ： R F， W E F ) ( 3 ) 式中，b 为阈值，_厂 () 在特征空间中表示为一个线性 函数。为了增加 回归 的鲁棒 性 ，V a p n i k提 出 了 灵 敏损失 11 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m煤炭工程 2 0 1 3年第 1 2期 函数，其特点是忽略小于 s的拟合误差。最佳回归函数以 转化为如下的约束优化问题。 1 m i n o ( W ， ， )=m i n lI W l l + c ( + ) ( 4 ) 式 中，c 为惩罚 因

22、子 ； 、 为松 弛变量 的上下 限。约 束条件为： ， ( )一Y +占 ， i=1 ， l Y 一 _厂 ( ) +s ， i=1 ， Z ， 0 ， i=1 ， l ( 5 ) 综上所述 ，惩罚因子 c和核 函数参数 g是影 响 S V M 性 能的关键参数，所以文中以( c ，g ) 作为寻优变量。 基 于网 格法 的支 持 向量 机 ( G S V M) 预 测 是 将 网格 法 ( G r i d S e a r c h ) 和支持向量机 ( S u p p o r t V e c t o r Ma c h i n e ，S V M) 结合在一起的建模方法。网格搜索法是将待搜索参数

23、在一 定的空间范围中划分成 网格 ，通过 遍历 网格 中所 有 的点 来 寻找最优参数。这种方法在寻优区间足够大且步距足够小 的情 况下可以找出全局最优解 。先采用大 步距 大范 围粗搜 ， 初步确定 一个最 优参数 区 间，之后 在此 区间 内进 行小 步距 精搜 ，这样就 大幅度地减少 了参数寻优时间。 基于 G S V M的浓料泵主缸压力预测模型的建模可以分 为以下几个步骤 ： 1 )首先对煤泥输送系统浓料泵主缸压力原始数据进行 归一化处理，将其归一化到 1 ，2 ，将数据集分为训练集 和测试集 。 2 )选择核函数 ，本 文使用径 向基核 函数 ( R B F ) 。 3 )对浓料泵主

24、缸压力训练集利用网格搜索法选择 S V M 中最好的惩罚因子 C和径 向基核 函数参数 g 。 4 )用网格法优化的参数 C和g在整个训练集合上进行 训练 ，得 出压 力预测模 型。 5 )用压力样本测试集测试 G S V M预测模型。 3 GS V M 模型的实例验证与比较 本文以黄陵煤矸石热 电厂 的煤 泥输送车 间 2 0 1 2年 5月 2 6 5月 3 0日的浓料泵出口压力、煤泥的输送量、煤泥水 分含量、主泵电流和泵送次数的实测数据作为数据样本( 系 统实时采集 ，每小 时 记 录一 次数 据 ) ，基 于支 持 向量 机理 论 ，建立 G S V M浓料泵主缸压力预测模 型 ，对

25、5月 3 1日的 浓料泵主缸压力进行预测。为了提高预测模型的泛化能力， 文中对 5月3 1日的采集数据进行了随机排列。 考虑到煤泥作为循环流化床锅炉的燃料，其输送量不 会发生突变，即煤泥输送系统某一时刻的压力不仅与当前 的一些参数有关 ，还与其上一时刻的压力有关，所以将上 一时刻的压力输 出也作为当前的时刻的输人参数。利用 5 月 2 6 5月 3 0日的浓料泵出 口压力原始样本，并将其在 1 ，2 内进行归一化数据。 将归一化后样本作为训练和测试数据 ，利用网格法优 1 1 4 化 S V M参数进行压力预测模型建模，利用 M a t l a b进行了计 算机仿真 。先采用大步距大范围进行粗

26、略搜索，初步确 定一个最优参数区间。粗略搜索时，设置 c ，g的范 围为 2 ，2 ，步距 c s t e p和 g s t e p均设置为 1 。然后在 2 一， 2 区间内进行小步距精搜，步距 c s t e p和 g s t e p均设置为 0 5 。精确搜 索等 高线 图和 3 D 图分 别如 图 3和 图 4所示 ， 搜索结果 C = 5 6 5 6 9 ，g= 0 0 6 2 5 。 ： 、 一 广、 乏 垂 三三三 三 三 、 、冀 ； l 、 - 、 董 、 _ I 之 ： 一4 3 2 1 0 1 2 3 4 l o g 2 c O 8 6 4 2 0 4 图3 网格法参数选

27、择等高线图( 精选) 图 4网格 法参数选择结果 3 D 图( 精选 ) 当确定好惩罚因子 C和核函数参数 g后，便可以获得 如图2所示的支持向量机模型，其核函数为径向基函数： k ( x ， )：e x p ( 一0 0 6 2 5 l l Y l l ) ( 6 ) 用建好 的 G S V M模型 进行煤 泥输送 系统浓 料泵 主缸压 力进行预测。其预测结果如图5所示。 0 5 l O l 5 2 0 25 时间 l 1 图 5 GS V M 预测模型原始数据与预测数据的比较 从 G S V M预测模型的仿真结果可以得知，2 0 1 2年 5月 3 1日主缸压力原始数据与 G S V M预

28、测 值之 间的最大正 绝对 误差为 0 0 6 9 4，最 大负绝 对误差 为 一 0 2 6 ，绝对 误差 平方 和为 0 3 7 4 2 。最大正相 对误差 为 0 0 0 8 7 ，最 大负相对 误差 4 3 2 O 0 4 0 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O R 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m2 0 1 3年第 1 2期 煤炭工程 为 一0 0 2 6 ，相对误差平方和为 0 0 0 4 0 。参数寻优时间为 6 5 5 s ，且搜索 、预测结果稳定 。 从 图 5的仿 真结果 可 以看 出，基 于 G s V M 的预测 模 型 对压力进行预测

29、 的相对误差 在 3 以内 ，能满足 实际工程 要 求 ，为 了进一 步验 证 G S V M 的性 能 ，下 面将 G S V M预 测模 型与基于遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m，G A) 优化支持向量机 的( G AS V M) 预测模型进行 比较。将遗传算法用于惩 罚因子 c 和核函数参数 g的优化，建立 G AS V M的预测模 型。选择进化代数为 2 0 0，种群规模为 2 0，交叉变异概率 分别为 0 4和 0 0 1 ，以均方根误差 MS E作为适应度函数。 仿真结果如 图 6所示 ，适应度 曲线如 图 7所示 。 0 5 1 O l

30、5 2 O 2 5 时间 h 图 6 GA S V M 预 测模 型原 始数据与预测数据 比较 进化代数 图 7 遗传算法适应度 曲线 从 图 6的仿 真结果可 以看出 ，G AS V M 预测模 型预测 精度也在 3 以内，能满足预测精度要求。然而 ，虽然遗传 算法有时也能得到较好的优化参数，但参数寻优时间较长， 为 3 6 6 6 s 。若用在浓料 泵 主缸压 力实 时预测 中。采样 时 间 应选在 2 0 s以 内，该 方法 就不 能 满足工 程要 求 。另外 ，遗 传算法寻优容易过早收敛，出现局部最优，且搜索结果随 机性较大，需要多次训练才能得到较好结果。 4结论 1 )针对煤泥输送管

31、道堵塞 问题 ，提 出了浓料 泵主缸压 力 G S V M预测模型，将网格搜索法用于支持 向量机的参数 优化 ，并给 出了其预测步骤 。 2 )通过实例仿真证明，G S V M预测模型能快速准确的 预测出煤泥输送系统浓料泵的主缸压力，满足实际工程 需 要 。 3 )为了验证 G S V M预测模型的有效性，将其与基于遗 传算法的 G A S V M模型进行了比较。如果用在实时煤泥输 送系统浓料泵压力预测系统中，若采样时间取 2 0 s ，显然前 者能保证实时性和稳定性要求，而后者则不能满足要求 ， 并且由于遗传算法的初值随机选取 ，易过早收敛，出现局 部最优 ，且搜索结果随机性较大 ，需要多次

32、训练才能得到 较好结果 。因此 ，G S V M 预测 模 型在用 于煤 泥输 送 系统 浓 料泵压力预测时，优于 G A S V M模型。 参 考文献 路鹏 ，段瑞玲 MN S煤泥 管道输送 系统设计 研究 J 新技术新工艺 ，2 0 0 6 ，( 1 O) ：3 94 1 Ya n g，J Wa n g，X H，e t a 1 I mp r o v e d Te c h n i q u e s f o r Hy p e r b a r i c F i l t r a t i o n o f F i n e Co a l S l u r r y，I n t e r n a t i o n a

33、 l J o u r n a l o f C o a l P r e p a r a t i o n a n d U t i l i z a t i o n ，2 0 1 0，3 0 ( 7 ) ：3 2 4 3 Ni k i t i n， I N， L e v a n d o v i c h， e t a 1 T e c h n o l o g y for c o n c e n t r a - t i n g t h e c o a l s l i me J K o k s i K h i mi y a ，2 0 0 3，( 1 O) ：l 5 1 7 Ni k i t i n， I N，

34、 Ma t s a k， e t a 1 P r o c e s s i n g t h e c o a l s l i me s i n s e d i me n t a r y c e n t r i f u g e J K o k s i K h i mi y a ，2 0 0 3 ， ( 8) ： 57 江爱朋流化床锅 炉煤 泥湿法输 送系统 建模与 优化 J 化工学报 ，2 0 1 0 ，6 1 ( 8 ) ：1 8 8 21 8 8 7 唐 晓 明 高浓 度 粘 稠 物料 的泵 送 及 流变 特 性 试验 研 究 D 杭州 ：浙江大学，2 0 0 7 赵学义煤泥的流变特性实验研究

35、J 中国矿业 大学学 报 ，2 0 0 6 ，3 5 ( 1 ) ：7 57 8 赵学义高浓度粘 稠物料可 输送性分类 与管道输送 特性 的 实验研究 D 北京 ：中国矿业大学( 北京 ) ，2 0 0 5 陈洁高浓度粘稠物料管 道输 送流变 特性 及摩 阻损失研 究 D 北京 ：中国矿业大学 ( 北京) ，2 0 0 7 吴 淼，潘 越 ，赵 国瑞 ，等煤泥 输送 管 道压 力分 布 J 煤炭学报，2 0 0 9 ， 3 4 ( 2 ) ： 2 6 7 2 7 0 马星民，李宁煤泥输送技术 在黄陵煤矸 石热 电厂的应 用 J 煤炭工程 ，2 0 1 0 ，( 6) ：4 74 7 张华 ，曾

36、 杰基 于支 持 向量机 的风 速预 测模 型研 究 J 太 阳能学报 ，2 0 1 0 ，3 1 ( 7 )：9 2 8 9 3 2 孙斌 ，姚 海涛基 于 P S O优化 L S S V M 的短期风 速 预测 J 电力系统保护与控制 ，2 0 1 2 ，4 0 ( 5 ) ：8 5 8 9 MA T L A B 中文 论 坛 MA T L AB神 经 网络 3 O个 案 例 分 析 M 北京 ：北京航空航天大学出版社 ，2 0 1 0 王春林 ，周吴基于支持 向量 机与遗传算 法的灰熔 点预 测 J 中国电机工程学报，2 0 0 7，3 ( 7) ：l 1 l 5 郝雪弟 ，张鹏程 ，郭吉 昌，等煤 泥管道输送 压力损 失特 性 的试验研究 J 煤炭工程 ，2 0 0 9，( 1 2 ) ：8 6 8 8 郝雪递 ，荣庆 ，张鹏程 ，等煤 泥管道输送 含水率确定 的实验研究 J 煤炭工程 ，2 0 0 9，( 9 ) ：1 0 61 0 8 ( 责任编辑赵巧芝) 1 1 5 l I l二 m “ rrr【rL O 5 O 5 O 5 O 9 9 8 8 7 B d 要 趟塔州 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m