基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤矸石電廠煙氣脫硫效果評(píng)價(jià)

薛寶華,郭 凱(.北京萬(wàn)方創(chuàng)杰科技有限公司 ,北京00083;2.河南科技大學(xué)管理學(xué)院,河南洛陽(yáng)47003;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全學(xué)院,北京00083)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,對(duì)煤炭資源的需求不斷增加。這就必然要求在保證現(xiàn)有礦井產(chǎn)量下,加大新型礦井的建設(shè)活動(dòng)以滿(mǎn)足這種需求?？墒?煤炭資源的不斷的開(kāi)發(fā),伴隨著大量煤矸石的產(chǎn)生。目前,煤矸石已經(jīng)成為我國(guó)累計(jì)堆存量最大的工業(yè)固體廢物。大量的煤矸石,不但侵占了大量的農(nóng)田,如果不能有效處理,還會(huì)造成大氣、土壤水和水體污染[1],極大改變和破壞了礦區(qū)周?chē)淖匀画h(huán)境、社會(huì)生存環(huán)境和地質(zhì)條件,成為礦區(qū)的主要污染源。解決這個(gè)問(wèn)題,已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。用煤矸石來(lái)發(fā)電,已經(jīng)成為資源綜合利用的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的途徑之一。作為低熱值燃料,煤矸石具有高灰份、高硫份的特點(diǎn),在燃燒發(fā)電的同時(shí)產(chǎn)生大量的二氧化硫 (SO2)污染物。作為一種刺激性氣體,SO2對(duì)人和環(huán)境的危害極大它在空氣中的日均值濃度只要達(dá)到一定濃度,就會(huì)危及人體健康,引起葉片組織的局部損壞,造成植物枯萎甚至死亡。此外,SO2形成的酸雨,會(huì)造成土壤酸化和貧瘠化,對(duì)森林、文物古跡與水生生物等造成嚴(yán)重的破壞。因此,控制和治理煤矸石電廠SO2污染,已經(jīng)成為緊迫的環(huán)保任務(wù)之一。為控制二氧化硫排放,我國(guó)已制訂了相關(guān)政策法規(guī),積極推動(dòng)煤矸石電廠安裝脫硫裝置。本文將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到煤矸石電廠煙氣脫硫效果的評(píng)價(jià)中,根據(jù)其自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和非線性處理等優(yōu)點(diǎn),對(duì)各個(gè)煤矸石電廠的脫硫效果進(jìn)行評(píng)價(jià),促進(jìn)電廠改進(jìn)技術(shù),為生態(tài)環(huán)境的平衡與和諧提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理

1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最廣泛也是最成功的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之一。它是基于誤差反向傳播 (Backp ropagation)算法的多層前饋網(wǎng)絡(luò) (M ultip le layer feed forward network),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般由輸入層、輸出層以及一個(gè)或多個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)互連而成的一種多層網(wǎng)絡(luò)。

它的計(jì)算過(guò)程由信息正向傳播和誤差反向傳播兩個(gè)過(guò)程組成。輸入層各神經(jīng)元負(fù)責(zé)接收外界的輸入信息,并傳遞給中間層的神經(jīng)元;中間層是內(nèi)部信息處理層,負(fù)責(zé)信息變換,中間層可以設(shè)計(jì)為單隱層或者多隱層結(jié)構(gòu);最后隱層傳遞到輸出層各神經(jīng)元的信息,經(jīng)進(jìn)一步處理后,完成一次學(xué)習(xí)的正向傳播處理過(guò)程,由輸出層向外界輸出信息處理結(jié)果。當(dāng)實(shí)際輸出與期望輸出不符時(shí),進(jìn)入誤差的反向傳播階段。誤差通過(guò)輸出層,按誤差梯度下降的方式修正各層權(quán)值,向隱層、輸入層逐層反傳。周而復(fù)始的信息正向傳播和誤差反向傳播過(guò)程,一直進(jìn)行到網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差減少到可以接受的程度,或者預(yù)先設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止,最后得出輸出結(jié)果。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算過(guò)程

2) 正向計(jì)算 o′j,o′k:

計(jì)算輸出層各節(jié)點(diǎn)輸出:

計(jì)算輸出層節(jié)點(diǎn)k的δ:

計(jì)算隱層節(jié)點(diǎn) j的δ:

4)調(diào)整權(quán)值。按下式調(diào)整權(quán)值,進(jìn)行修正:

其中:η,α是 [0,1]間的系數(shù)。

5)轉(zhuǎn)向步驟 (2)。 (2)～ (4)完成一輪訓(xùn)練。不斷重復(fù)這一過(guò)程,直到實(shí)際輸出與期望的樣本輸出誤差足夠小為止。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤矸石電廠煙氣脫硫效果的評(píng)價(jià)

2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

電廠脫硫效果評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),因此只有構(gòu)建了科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,才能做出科學(xué)公正的評(píng)價(jià)結(jié)論。評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立,必須要遵循一定的原則,否則所建指標(biāo)體系將雜亂無(wú)章,無(wú)法對(duì)電廠的脫硫效果進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。這些原則主要包括:

1)重要性原則。應(yīng)該按照對(duì)脫硫工藝效果影響的貢獻(xiàn)程度來(lái)取舍指標(biāo),嚴(yán)格區(qū)分主次,不能一概而論。

2)針對(duì)性原則。評(píng)價(jià)中,一定要注意考慮電廠的具體情況,所選取的指標(biāo)應(yīng)該有體現(xiàn)電廠具體情況適應(yīng)性的指標(biāo),不能泛泛而論。

3)可比性原則。選取的指標(biāo)要能具有同行業(yè)間的可比性和歷史可比性。

4)定性與定量相結(jié)合原則。電廠脫硫效果評(píng)價(jià),不但要涉及脫硫效率、鈣硫比與總投資等量化指標(biāo),還要涉及對(duì)環(huán)境的污染情況等難以量化的定性指標(biāo),做到定性與定量相結(jié)合。

按照以上評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇的原則,本文向多位從事電廠脫硫研究的專(zhuān)家進(jìn)行調(diào)查咨詢(xún),并參考有關(guān)研究資料,經(jīng)過(guò)分析,從技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面建立了煤矸石電廠煙氣脫硫效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如圖1所示。

圖1 煤矸石電廠煙氣脫硫效果的評(píng)價(jià)體系

2.2 煤矸石電廠煙氣脫硫效果的評(píng)價(jià)模型的設(shè)計(jì)

建立一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并完成訓(xùn)練和學(xué)習(xí),需要合理的確定網(wǎng)絡(luò)層數(shù)與各層的神經(jīng)元數(shù)。本文根據(jù)前人的研究成果,設(shè)計(jì)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下:

1)輸入層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)。根據(jù)前文建立的指標(biāo)體系,確認(rèn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為12個(gè),即上述12個(gè)脫硫效果評(píng)價(jià)指標(biāo),每個(gè)指標(biāo)依次用字母 ZB11、ZB12、ZB13、ZB14、ZB21、ZB22、ZB23、ZB24、ZB31、ZB32、ZB33和 ZB34表示。

2)輸出層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)。在本文中,選取了7個(gè)采用石灰石—石膏濕法脫硫工藝的煤矸石電廠,每一個(gè)電廠對(duì)應(yīng)一個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果,其高低代表煙氣脫硫效果的情況,越高就代表煙氣脫硫效果越佳。因此,輸出層神經(jīng)元數(shù)設(shè)定為1。已知7個(gè)樣本電廠的脫硫效果評(píng)價(jià)情況分別為 0.6017、0.5212、0.5838、0.5193、0.6108、0.5481、0.6189。

3)隱層數(shù)和隱層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)。經(jīng)過(guò)研究證明,單隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),如果隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)足夠多的話,那么它就能以任意精度去逼近一個(gè)非線性函數(shù)。所以,本文確定隱含層數(shù)為1。

關(guān)于隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定,是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題。一般參考以下公式進(jìn)行試驗(yàn):式中,m為輸出神經(jīng)元數(shù);n為輸入神經(jīng)元數(shù),a為0～10間的常數(shù)。因此,經(jīng)過(guò)試驗(yàn),a取5,則隱含層的神經(jīng)元數(shù)數(shù)為9個(gè)。

2.3 煤矸石電廠煙氣脫硫效果評(píng)價(jià)模型的訓(xùn)練和檢測(cè)

選取7個(gè)已完成煙氣脫硫效果評(píng)價(jià)的煤矸石電廠的指標(biāo)數(shù)據(jù),作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本和檢測(cè)樣本,其中5個(gè)作為訓(xùn)練樣本,2個(gè)作為檢測(cè)樣本。將5個(gè)作為訓(xùn)練樣本輸入網(wǎng)絡(luò)模型,進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,樣本輸入數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練和檢測(cè)樣本

使用Matlab的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(yàn),直到誤差滿(mǎn)足預(yù)先設(shè)定的要求時(shí),停止學(xué)習(xí),此時(shí)權(quán)值矩陣和閥值向量固定下來(lái),成為模型的內(nèi)部知識(shí)。本文設(shè)定的學(xué)習(xí)步長(zhǎng)為500步,學(xué)習(xí)速率為0.1,誤差限制在0.0001[3]。

程序執(zhí)行后,該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了學(xué)習(xí),在第105步模型達(dá)到收斂,總體誤差也滿(mǎn)足要求,如圖2所示。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)煤矸石電廠煙氣脫硫效果的評(píng)價(jià)模型收斂圖

將2個(gè)檢測(cè)電廠的數(shù)據(jù)輸入已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 ,進(jìn)行模擬。模擬的結(jié)果為0.5475、0.6223,與6號(hào)和7號(hào)電廠的已知的煙氣脫硫效果評(píng)價(jià) (0.5481、0.6189)基本吻合。所以,用于煤矸石電廠煙氣脫硫效果的評(píng)價(jià)已經(jīng)訓(xùn)練成功,可以對(duì)煙氣脫硫效果做出科學(xué)評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

用煤矸石來(lái)發(fā)電,在燃燒發(fā)電的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫,對(duì)環(huán)境造成污染,因此對(duì)煤矸石電廠的煙氣脫硫效果進(jìn)行評(píng)價(jià)就顯得非常有必要。本文使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了煤矸石電廠煙氣脫硫效果的評(píng)價(jià)模型,用已知數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了訓(xùn)練、仿真、檢驗(yàn)以及應(yīng)用。該模型不但具有很強(qiáng)的適應(yīng)和自學(xué)能力,使結(jié)果更加有效和直觀,避免了主觀因素造成的評(píng)估失真,而且可以利用相關(guān)工具,使計(jì)算過(guò)程更加簡(jiǎn)單可靠。所以,其能夠?qū)肥姀S煙氣脫硫效果狀況進(jìn)行有效地評(píng)價(jià)。

[1] 林國(guó)棟.煤矸石電廠煙氣脫硫方案的選擇與評(píng)價(jià) [J].氮肥技術(shù),2007,28(4):51.

[2] 徐君.礦井安全生產(chǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià) [J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2005(24):28-29.

[3] 葛哲學(xué),孫志強(qiáng).神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與 MatlabR2007實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:288.