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基于随机森林回归算法的回采工作面瓦斯涌出量预测

张增辉 马文伟

张增辉,马文伟. 基于随机森林回归算法的回采工作面瓦斯涌出量预测[J]. 工矿自动化,2023,49(12):33-39.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023020006
引用本文: 张增辉,马文伟. 基于随机森林回归算法的回采工作面瓦斯涌出量预测[J]. 工矿自动化,2023,49(12):33-39.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023020006
ZHANG Zenghui, MA Wenwei. Prediction of gas emission in mining face based on random forest regression algorithm[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(12):33-39.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023020006
Citation: ZHANG Zenghui, MA Wenwei. Prediction of gas emission in mining face based on random forest regression algorithm[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(12):33-39.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023020006

基于随机森林回归算法的回采工作面瓦斯涌出量预测

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023020006
基金项目: 国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045-004-001)。
详细信息
    作者简介:

    张增辉(1987—),男,河南西华人,工程师,硕士,研究方向为井工煤矿灾害治理,E-mail:544396324@qq.com

  • 中图分类号: TD712

Prediction of gas emission in mining face based on random forest regression algorithm

  • 摘要:

    回采工作面是矿井瓦斯涌出的主要场所,精准预测回采工作面的瓦斯涌出量,进而有针对性地提出防治措施,对保证矿井安全生产具有重要意义。提出了基于随机森林回归算法的回采工作面瓦斯涌出量预测方法。以工作面实测瓦斯涌出量数据为原始样本,利用Bootstrap抽样方法进行随机抽样,以袋外数据(OOB)评估分数oob_score作为随机森林回归模型调参、特征变量重要性的评判指标,计算得出模型的最佳参数、特征变量重要性占比。对各特征变量的重要性占比进行排序,并按排序进行随机森林回归模型性能分析,结果表明:随着特征变量数的增加,模型性能不会呈现规律性的变化;当特征变量数较少时,可能存在过拟合的情况。测试结果表明,所创建的随机森林回归模型预测值与实测值的平均绝对误差、平均相对误差随着特征变量数的增加呈下降趋势,特征变量数的增加可在一定程度上提高模型的预测效果。针对同一组数据,与主成分回归分析法相比,随机森林回归模型平均相对误差降低了14.29%,预测效果更好,且原理更简单、调参更容易、计算速度更快,能够为矿井回采工作面瓦斯涌出量预测提供有力的理论支撑。

     

  • 图  1  随机森林回归算法原理

    Figure  1.  Principle of random forest regression algorithm

    图  2  随机森林回归模型参数关系热力图

    Figure  2.  Thermodynamic diagram of random forest regression model parameter relationship

    图  3  n_estimators与obb_score的关系曲线

    Figure  3.  The relationship curves of n_estimators and obb_score

    图  4  特征变量重要性占比

    Figure  4.  The proportion of importance of characteristic variables

    图  5  特征变量数与oob_score关系

    Figure  5.  The relationship between the number of characteristic variables and oob_score

    图  6  特征变量数与误差平均值关系曲线

    Figure  6.  The relationship between the number of characteristic variables and mean value of error

    表  1  回采工作面瓦斯涌出量特征样本数据

    Table  1.   Sample data of gas emission characteristics in the mining face

    序号 X1/(m³·t−1 X2/m X3/m X4/(°) X5/m X6/m X7/m X8 X9/t X10 X11/(m³·t−1 X12/m X13/m X14 Y/(m³·min−1
    1 1.92 408 2.0 10 2.0 4.42 155 0.96 1825 1 2.02 1.5 20 5.03 3.34
    2 2.15 411 2.0 8 2.0 4.16 140 0.95 1527 1 2.1 1.21 22 4.87 2.97
    3 2.14 420 1.8 11 1.8 4.13 175 0.95 1751 1 2.64 1.62 19 4.75 3.56
    4 2.58 432 2.3 10 2.3 4.67 145 0.95 2078 1 2.4 1.48 17 4.91 3.62
    5 2.40 456 2.2 15 2.2 4.51 160 0.94 2104 1 2.55 1.75 20 4.63 4.17
    6 3.22 516 2.8 13 2.8 3.45 180 0.93 2242 1 2.21 1.72 12 4.78 4.6
    7 2.80 527 2.5 17 2.5 3.28 180 0.94 1979 1 2.81 1.81 11 4.51 4.92
    8 3.35 531 2.9 9 2.9 3.68 165 0.93 2288 1 1.88 1.42 13 4.82 4.78
    9 3.61 550 2.9 12 2.9 4.02 155 0.92 2352 1 2.12 1.6 14 4.83 5.23
    10 3.68 563 3.0 11 3.0 3.53 175 0.94 2410 1 3.11 1.46 12 4.53 5.56
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    表  2  随机森林回归模型主要待调参数

    Table  2.   The main parameters to be adjusted in the random forest regression model

    序号参数参数说明
    1n_estimators随机森林中决策树的数量
    2criterion回归树衡量回归质量的指标
    3random_state生成的森林模式
    4max_features最佳分支时的特征个数
    5max_depth决策树剪枝参数,防止模型过拟合。本次
    原始样本数量较少,不进行剪枝
    Min_sample_leaf
    Min_sample_spit
    Min_impurity_decrease
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    表  3  随机森林回归模型调参结果

    Table  3.   Parameter adjustment results of random forest regression model

    criterionn_estimatorsmax_
    features
    random_state最大obb_score
    mse23111650.91575566
    mae2014700.92116429
    friedman_mse3414340.91395423
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    表  4  随机森林回归模型预测误差

    Table  4.   Prediction error of random forest regression model

    特征变量个数平均绝对误差/(m³·min−1平均相对误差/%
    30.2285.030
    40.1743.72
    50.1093.21
    60.0912.36
    70.0902.32
    80.1473.38
    90.1243.05
    100.0832.15
    110.0531.72
    120.1092.73
    130.0261.28
    140.0050.77
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    表  5  不同预测模型预测结果对比

    Table  5.   Comparison of prediction results of different prediction models

    实测值/
    (m³·min−1
    随机森林回归模型 主成分回归分析法
    预测值/
    (m³·min−1
    绝对误差/
    (m³·min−1
    相对误差/% 预测值/
    (m³·min−1
    绝对误差/
    (m³·min−1
    相对误差/%
    4.06 3.85 −0.21 5.17 4.01 −0.05 1.23
    4.92 4.84 −0.08 1.63 5.30 0.38 7.72
    8.04 7.56 −0.48 5.97 7.56 −0.48 5.97
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-22
  • 修回日期:  2023-12-10
  • 网络出版日期:  2024-01-03

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