面向煤矸識(shí)別的近紅外反射光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

丁震， 常博深

(1.國(guó)家能源集團(tuán) 煤炭運(yùn)輸部， 北京 100013；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

高效精準(zhǔn)的煤矸識(shí)別是煤炭開(kāi)采領(lǐng)域公認(rèn)的難題，是實(shí)現(xiàn)煤炭無(wú)人化、智能化開(kāi)采的關(guān)鍵[1]。眾多學(xué)者提出了多種煤矸識(shí)別方法，如天然射線探測(cè)法[2]、聲波探測(cè)法[3]、熱紅外分析法[4]、圖像分析法[5]和振動(dòng)探測(cè)法[6]等，但上述方法因適用環(huán)境約束問(wèn)題沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。近紅外反射光譜技術(shù)是一種針對(duì)原位物質(zhì)的光譜分析技術(shù)[7-8]，其識(shí)別機(jī)理是被測(cè)物質(zhì)的特定化學(xué)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)在特定波長(zhǎng)處存在光譜反射吸收特性，因此可根據(jù)該特性對(duì)煤矸屬性進(jìn)行反演。楊恩等[9]針對(duì)煤矸反射光譜特征，建立了基于支持向量機(jī)的煤矸識(shí)別方法。韋任等[10]利用煤矸反射光譜數(shù)據(jù)在2 130～2 250 nm波段的吸收特征，采用隨機(jī)森林和支持向量機(jī)算法進(jìn)行煤矸識(shí)別。然而，在利用近紅外反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行煤矸定性分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于工作面煤矸的形狀不規(guī)則且堆積高度不確定，即使光譜采集裝置固定，裝置距工作面的探測(cè)距離仍不斷變化，會(huì)導(dǎo)致近紅外反射光譜數(shù)據(jù)變化[11]，且在粉塵干擾的工況條件下采集的近紅外反射光譜數(shù)據(jù)含有大量無(wú)關(guān)信息，所以，對(duì)近紅外反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理尤為重要。筆者從某礦井綜采工作面頂?shù)装逄幨占送庥^相近的無(wú)煙煤和矸石樣本共計(jì)100個(gè)(煤樣75個(gè)，矸石樣本25個(gè))，在實(shí)驗(yàn)室采集了不同探測(cè)距離和粉塵濃度下的煤矸近紅外反射光譜，分別使用微分、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換和多項(xiàng)式平滑3種方法對(duì)近紅外反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從而確定最佳的近紅外反射光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。

1 煤矸近紅外反射光譜采集

使用透明PVC板材組成密閉空間，密閉空間內(nèi)煤矸近紅外反射光譜采集裝置布置如圖1所示。

(a) 實(shí)物

(b) 原理圖1 煤矸近紅外反射光譜采集裝置Fig.1 Coal and gangue near-infrared reflectance spectrum acquisition device

準(zhǔn)直鏡(視場(chǎng)角θ=0.12°，鏡頭直徑d=2.5 cm)和鹵素?zé)舨⒘蟹胖?；?zhǔn)直鏡與NeoSpectra近紅外光譜儀(波長(zhǎng)范圍為1 000～2 500 nm，分辨率為8 nm)之間使用石英光纖連接；計(jì)算機(jī)通過(guò)USB3.0與近紅外光譜儀連接，實(shí)時(shí)顯示煤矸樣本近紅外反射光譜曲線。為減小被測(cè)煤矸樣本雙向反射特性的影響，使用100 W的鹵素?zé)粢载Q直方向照射樣本表面中心，形成光照度約為20 000 lx的圓形光斑。使用近紅外光譜儀進(jìn)行光譜采集，采集每條光譜曲線耗時(shí)約為50 ms。為限制光譜采集時(shí)光的散射現(xiàn)象，使用準(zhǔn)直鏡對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直鏡使其軸線垂直對(duì)準(zhǔn)樣本表面的光斑中心，準(zhǔn)直鏡與光斑中心之間的距離為L(zhǎng)。近紅外光譜儀所采集光譜的范圍為準(zhǔn)直鏡視場(chǎng)角在樣本表面所形成圓面，底面圓的直徑D、面積S分別為

(1)

(2)

設(shè)置準(zhǔn)直鏡與煤矸樣本之間的距離分別為1.2，1.5，1.8 m，粉塵濃度分別為200，500，800 mg/m3。同一煤矸樣本在不同探測(cè)距離和粉塵濃度下的近紅外反射光譜曲線如圖2所示。

(b) 煤樣近紅外反射光譜曲線圖2 不同探測(cè)距離和粉塵濃度下煤矸樣本近紅外反射光譜曲線Fig.2 Near-infrared reflectance spectra of coal and gangue samples under different detection distances and dust concentrations

從圖2可看出，矸石近紅外反射光譜曲線在整個(gè)波段存在較為明顯的波動(dòng)，特別是在1 400，1 900，2 500 nm附近出現(xiàn)了明顯的吸收谷；煤樣近紅外反射光譜反射率較低且變化較為平緩，且在1 400，1 900 nm附近存在微弱吸收谷；隨著探測(cè)距離和粉塵濃度增大，煤矸近紅外反射光譜的反射率減小，但光譜特征吸收波長(zhǎng)點(diǎn)不受影響。

2 煤矸近紅外光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地自然光強(qiáng)度不斷變化，且不能及時(shí)使用定標(biāo)白板進(jìn)行背景反射光譜標(biāo)定，所以會(huì)存在背景偏移現(xiàn)象，且煤和矸石均富含多種化學(xué)成分，其成分的差異性和不均勻性會(huì)形成光的散射，使得采集的煤矸近紅外反射光譜數(shù)據(jù)存在大量噪聲。為增強(qiáng)煤矸近紅外反射光譜吸收特征，消除探測(cè)距離和粉塵濃度變化對(duì)光譜反射率的影響，利用微分、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換和多項(xiàng)式平滑3種方法對(duì)煤矸近紅外反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[12-15]。3種預(yù)處理方法的核心求解算法如下。

(1) 一階微分和二階微分：

(3)

(4)

式中：yfir,ysec分別為經(jīng)一階微分、二階微分處理后的反射率；yj為第j個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的反射率；λ為波長(zhǎng)間隔。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換：

(5)

(6)

(3) 多項(xiàng)式平滑：

y=Y·A+E

(7)

式中：y為經(jīng)多項(xiàng)式平滑處理后的反射率；Y為以波長(zhǎng)點(diǎn)m為中心的反射率矩陣，Y=[ym-2λym-λymym+λym+2λ]；A為擬合矩陣；E為平滑矩陣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為比較3種預(yù)處理方法的效果，將經(jīng)過(guò)不同方法預(yù)處理后的煤矸近紅外反射光譜曲線以3:1的比例劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，并輸入粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行煤矸識(shí)別。粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)設(shè)置：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱藏層數(shù)為3，損失函數(shù)為MSE，學(xué)習(xí)因子為2，學(xué)習(xí)率為0.001。

以整體煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，不同預(yù)處理方法下煤矸識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可看出：經(jīng)微分預(yù)處理后的煤矸識(shí)別效果最佳，僅在探測(cè)距離為1.8 m、粉塵濃度為800 mg/m3情況下煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率為88%，其他條件下識(shí)別準(zhǔn)確率均在90%以上，整體煤矸識(shí)別正確率約為98%；經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換預(yù)處理后，僅在探測(cè)距離為1.8 m、粉塵濃度大于200 mg/m3情況下煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率低于90%，整體煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率約為95%，這是由于該方法最突出的作用是修正樣本個(gè)體物質(zhì)差異造成的光譜數(shù)據(jù)突變，但不能有效優(yōu)化探測(cè)距離和粉塵濃度對(duì)光譜數(shù)據(jù)的影響；經(jīng)多項(xiàng)式平滑預(yù)處理后的煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率最低，約為89%，這是由于該方法在剔除光譜數(shù)據(jù)突變的噪聲點(diǎn)時(shí)，探測(cè)距離和粉塵濃度變化使得光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生的波動(dòng)及因煤矸本身特性產(chǎn)生的吸收谷特征被過(guò)濾掉，造成特定選擇的煤矸光譜波段的特征信息部分丟失。

表1 不同預(yù)處理方法下煤矸識(shí)別結(jié)果Table 1 Identification results of coal and gangue under different pretreatment methods

4 結(jié)論

(1) 探測(cè)距離和粉塵濃度的變化對(duì)煤矸近紅外反射光譜曲線波形和吸收谷位置無(wú)明顯影響，即探測(cè)距離和粉塵濃度的變化不會(huì)影響煤矸特定光譜特征吸收波長(zhǎng)點(diǎn)；但對(duì)煤矸近紅外反射光譜的反射率產(chǎn)生明顯影響，即光譜反射率隨著探測(cè)距離和粉塵濃度的增大而減小，存在煤矸近紅外反射光譜漂移現(xiàn)象。

(2) 與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換和多項(xiàng)式平滑預(yù)處理方法相比，微分預(yù)處理方法對(duì)探測(cè)距離和粉塵濃度變化下采集的煤矸近紅外反射光譜數(shù)據(jù)的優(yōu)化效果最佳，可有效消除探測(cè)距離和粉塵濃度變化對(duì)光譜數(shù)據(jù)的影響。