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改进Adam优化器在瓦斯涌出量预测中的应用研究

刘海东 李星诚 张文豪

刘海东,李星诚,张文豪. 改进Adam优化器在瓦斯涌出量预测中的应用研究[J]. 工矿自动化,2023,49(12):25-32.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060034
引用本文: 刘海东,李星诚,张文豪. 改进Adam优化器在瓦斯涌出量预测中的应用研究[J]. 工矿自动化,2023,49(12):25-32.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060034
LIU Haidong, LI Xingcheng, ZHANG Wenhao. Research on the application of improved Adam training optimizer in gas emission prediction[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(12):25-32.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060034
Citation: LIU Haidong, LI Xingcheng, ZHANG Wenhao. Research on the application of improved Adam training optimizer in gas emission prediction[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(12):25-32.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060034

改进Adam优化器在瓦斯涌出量预测中的应用研究

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060034
基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC0808101)。
详细信息
    作者简介:

    刘海东(1972—),男,山西榆社人,高级工程师,主要从事采煤安全技术研究工作,E-mail:2091993208@qq.com

    通讯作者:

    李星诚(1999—),男,江苏南京人,博士研究生,主要研究方向为多孔介质传热传质、煤矿安全生产,E-mail:li.x@stu.pku.edu.cn

  • 中图分类号: TD712

Research on the application of improved Adam training optimizer in gas emission prediction

  • 摘要:

    目前对基于神经网络的瓦斯涌出量预测模型的研究主要集中在瓦斯涌出问题上的表现,对模型训练中优化器性质的关注与改进较少。基于神经网络的瓦斯涌出量预测模型的训练常采用Adam算法,但Adam算法的不收敛性易造成预测模型的最佳超参数丢失,导致预测效果不佳。针对上述问题,对Adam优化器进行改进,在Adam算法中引入一种随迭代更新的矩估计参数,在保证收敛速率的同时获得更强的收敛性。以山西焦煤西山煤电集团马兰矿某回采工作面为例,在相同的循环神经网络(RNN)预测模型下测试了改进的Adam优化器在瓦斯涌出量预测中的训练效率、模型收敛性与预测准确度。测试结果表明:① 当隐藏层数为2和3时,改进的Adam算法较Adam算法的运行时间分别缩短了18.83,13.72 s。当隐藏层数为2时,Adam算法达到最大迭代数但仍没有收敛,而改进的Adam算法达到了收敛。② 在不同隐藏层节点数量下,Adam算法都没有在最大迭代步长内收敛,而改进的Adam算法均达到了收敛,且CPU运行时间较Adam算法分别缩短16.17,188.83,22.15 s。改进的Adam算法预测趋势的正确性更高。③ 使用tanh函数时,改进的Adam算法的运行时间较Adam算法分别缩短了22.15,41.03 s,使用ReLU函数时,改进的Adam算法与Adam算法运行时间相差不大。④ 使用改进后的Adam算法做遍历网格搜索,得到最佳的模型超参数为{3,20,tanh},均方误差、归一化的均方误差、运行时间分别为0.078 5,0.000 101和32.59 s。改进的Adam算法给出的最优模型对于待预测范围内出现的几个低谷及峰值趋势判断均正确,在训练集上的拟合程度适当,未见明显的过拟合现象。

     

  • 图  1  瓦斯涌出变量的LASSO回归轨迹

    Figure  1.  LASSO regression trajectory of gas emission variables

    图  2  RNN原理

    Figure  2.  RNN principle

    图  3  不同隐藏层数下Adam算法与改进的Adam算法的训练及预测结果

    Figure  3.  Training and prediction results of Adam algorithm and improved Adam algorithm under different numbers of hidden layers

    图  4  不同隐藏层节点数下Adam算法与改进的Adam算法的训练及预测结果

    Figure  4.  Training and prediction results of Adam algorithm and improved Adam algorithm under the number of nodes of different hidden layers

    图  5  不同激活函数下Adam算法与改进的Adam算法的训练及预测结果

    Figure  5.  Training and prediction results of Adam algorithm and improved Adam algorithm under different activation functions

    图  6  最优参数下的模型预测结果

    Figure  6.  Model prediction results under optimal parameters

    表  1  $ \mathrm{\lambda }={10}^{-6} $时LASSO回归系数

    Table  1.   LASSO regression coefficients at $ \mathrm{\lambda }={10}^{-6} $

    影响因素 回归系数 影响因素 回归系数
    回风量 0.43 温度 0.034
    平均埋深 0.43 日进尺 0.031
    初始瓦斯含量 −0.42 进风量 −0.009
    邻近煤层瓦斯含量 0.30 煤体硬度 0
    本煤层倾角 0.22 邻近煤层标高 0
    预抽瓦斯总量 0.21 邻近煤层厚度 0
    卸压瓦斯总量 0.19 邻近煤层倾角 0
    本煤层厚度 −0.060 煤层间距 0
    工作面标高 −0.060 采掘点与陷落柱距离 0
    初始瓦斯压力 0.039
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    表  2  不同隐藏层数下运行结果比较

    Table  2.   Comparison of results under different hidden layers

    算法隐藏层数MSENMSE趋势正确性CPU运行时间/s
    Adam10.224 70.000 282正确29.11
    20.174 10.000 236不正确52.69
    30.287 30.000 414基本正确51.31
    改进的Adam10.218 60.000 257正确29.72
    20.080 40.000 094正确33.86
    30.28 520.000 101基本正确37.59
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    表  3  不同隐藏层节点数下运行结果比较

    Table  3.   Comparison of results with different number of hidden layer nodes

    算法 隐藏层节点数 MSE NMSE 趋势正确性 CPU运行时间/s
    Adam 15 0.156 0 0.000 201 基本正确 55.51
    20 0.174 1 0.000 236 不正确 52.69
    25 1.2330 0.002 250 基本正确 53.53
    改进的
    Adam
    15 0.507 6 0.000 339 正确 39.34
    20 0.080 4 0.000 094 正确 33.86
    25 0.092 0 0.000 105 基本正确 31.38
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    表  4  不同激活函数下运行结果比较

    Table  4.   Comparison of results under different activation functions

    算法 激活
    函数
    层数与
    节点数
    MSE NMSE 趋势正确性 CPU运行
    时间/s
    Adam tanh 2, 25 1.233 0 0.002 30 基本正确 53.53
    3, 15 0.388 3 0.000 42 正确 79.19
    ReLU 2, 25 0.164 7 0.000 22 不正确 54.23
    3, 15 0.131 9 0.000 18 基本正确 86.89
    改进的Adam tanh 2, 25 0.092 0 0.000 11 正确 31.38
    3, 15 0.430 8 0.000 46 基本正确 38.16
    ReLU 2, 25 0.174 9 0.000 20 基本正确 58.18
    3, 15 0.142 2 0.000 19 不正确 92.02
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-11
  • 修回日期:  2023-12-03
  • 网络出版日期:  2023-12-18

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