基于自适应免疫遗传算法的神经网络矿井通风系统评价模型

1.引言

遗传算法已成为人们研究非线性现象和复杂系统的新的三大方法之一,并于神经网络一起成为人们研究认知过程的重要工具.已成功地应用于如:模式识别,图象处理,语音识别,智能控制,虚拟现实,优化计算,人工智能等众多领域。

近几年来全国地下矿山发生多起因通风系统不完善的重特大安全世故,引起党和国家领导人的高度重视.,矿井通风系统的评价,在矿井通风管理工作中,是必不可少的,唯有对矿井通风系统的状况作出准确的评价,才能对系统的调节作出正确的决策。在矿井通风系统评价中,有限的时空监测数据所能提供的信息是不完全的和非确知的,且受多方面因素的影响。因此,评价矿井通风系统是个复杂的非结构性问题。

矿井通风系统的评价,国内的专家、学者提出了许多评价方法,大致可分为:单指标法、多指标列举法和综合评判方法。但是,这些评价方法有的过于简单,难以全面地反映矿井通风系统的品质好坏;有的过于繁琐,无可比性,不能形成综合的、明确的概念;有的方法是计算过程复杂,数据处理量大,不利于推广使用。文献[1]把迅速发展起来的人工神经网络应用于矿井通风系统评价是一个很大的进步,但其中的神经网络采用的是BP 神经网络,这一算法很容易使问题陷入局部极小同时也使搜索时间过长,而遗传算法则是一种全局搜索算法,把神经网络和遗传算法相结合可以克服上述缺点,本文欲用一种自适应免疫遗传算法代替BP 算法对基于人工神经网络的矿井通风系统评价模型的加以改进。

2.自适应免疫遗传算法—————S I GA

[2]

2.1SIGA 算法描述

在SIGA 算法中,抗体群体中所有个体均采用二进制编码,交叉操作选择单点和双点交叉两种方式,目的是既可以保持种群进化的多样性,又不会因为多点交叉破坏个体中较好的模式[7]。其中交叉点的选取是通过自适应交叉率Pc 获取的,变异操作是对每个基因座以自适应变异率Pm 进行变异。算法的主要步骤如下:

1)确定种群大小N 和种群个体长度L ,随机生成种群,并将种群中的个体二进制编码,同时将种群分为P 个子群体以实现小生境隔离[7]

2)对求解问题进行分析从中提炼出最基本的特征信息,即疫苗;

3)从第一代个体(n=1)开始,对P 个子群体进行自适应交叉和变异操作;

4)采用文献[8]提出的方法对种群个体进行浓度控制及激励值计算。

5)对经过复制的个体进行免疫操作。免疫选择采用2.3节提出的基于相似性矢量距离的免疫选择算法。

6)如果满足算法终止条件则结束计算,否则n:=n+1转第3)步骤。2.2自适应交叉和变异算子

(a)自适应交叉率为:p i

c =

p i-1c -

(p i c -p i-1

c )(f'-f avg )

f max -f avg

f'>f avg p i-1

c

f'

!

###"###$

其中i=2,…n,p i c 表示第i 代两个进行交叉操作个体的交叉率,fmax 是当前种群中最大的适应度函数值,favg 是每代群体的平均适应度函数值,f ′表示进行交叉的两个个体中较大的适应度函数值。

(b)自适应变异率为:

p i

m =

p i-1m -

(p i m -p i-1

m )(f max -f)

f m ax -f avg

f ≥f av

g p i-1

m

f

!

###"###$

其中,p i

m 表示第i 代变异个体的变异率,f 是要变异个体的适应度函数值。

通过使用自适应交叉和变异算子可以提高交叉和变异操作的效率,加快收敛速度。

2.3基于相似性矢量距离的免疫选择算法

选择概率通常与个体适应度成正比,这样很容易使种群中具有相似适应度的个体迅速增加,从而导致算法未成熟收敛。为了克服传统算法的不足,借鉴文献[4]提出的改进免疫遗传算法的思想,提出了基于相似性矢量距离的免疫选择算法。本文采用抗体编码Manhattan 距离来度量抗体之间的相似性,即求取抗体X={x 1,x2,…,x n}与Y={y 1,y 2,yn}之间的相似度为:d=

n

i =1

&x i -y i

’

d 越大,两个抗体之间的相似度越低;如果d=0,则两个抗体完全相同。

于是,抗体X 的浓度定义为ρi =D(X)N

其中,函数D(X)表示与抗体X 相似度小于δ的抗体数目;δ表示一个给定的抑制阈值。

抗体X 的矢量距离定义为:S(x i )=n

j =1

&f(x i )-f(x j )

其中,x i 表示所求问题的优化解,f(x)为抗体适应度函数,j=1,2,…,N,N 表示抗体的数目。

基于抗体矢量距离的免疫选择概率为:

ps(x i)=

αS(x i )

n

i =1

&S(x i

)

+(1-α)e

-ρ

i

其中α为常数调节因子,且0≤α≤1。由上式可以发现,选择概率既与抗体的适应度有关又与抗体的相似度有关。这样选择的抗体群在一定程度上可以克服抗体陷入局部最优,保持抗体的多样性。常数调节因子α可以改变选择概率每部分的权值。由此可知,在抗体浓度一定的条件下,抗体矢量距离越大选择概率越大;在抗体矢量距离一定的条件下,抗体浓度越大选择概率越小。这样能有效地防止某些个体控制选择过程,有助于抑制群体中所有的个体都陷于同一极值而停止进化的个体早熟现象,增强了局部搜索能力[4]。

图矿井通风系统评价网络模型

基于自适应免疫遗传算法的神经网络矿井通风系统评价模型

史明霞

(河南轻工业职工大学河南

郑州450002)

【摘要】通过分析BP 神经网络的缺点,和自适应免疫遗传算法的优点,给出了基于自适应免疫遗传算法的神经网络矿井通风系统评价模

型。

【

关键词】自适应免疫遗传算法;神经网络;矿井通风系统;

系统评价3198

(上接第344页)T ea ching,O xf ord:Oxford University Press .

[2]Warsc hauer,M.&Healey,D .

(1998).Computer and language learning:An

overvie w [Electronic version].Language Teaching,31,57-71

[3]戴炜栋,从网络环境角度整合英语报刊阅读教学策略,外语电化教学,2005年第4期.

[4]董剑桥,ICT 与外语课堂教学整合,浙江大学学报,2002年第4期.[5]桂诗春,语言学研究方法,外语教学与研究,1997年第3期.

[6]田海龙,计算机辅助英语写作教学:活动与优势,外语电化教学,2001年第2

期.

作者简介:孙广平,硕士,讲师,浙江大学宁波理工学院,研究方向:英语教学、语义学。

※本论文受2007年浙江省外文协会专题研究项目资金支持。

[责任编辑:汤静]

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样本

序号

期望等级

检验结果

T1

T2T3等级检验

样本

1

合格0.9720.0450.008合

格

2合

格

0.0130.8990.037基本合格3

待整改

0.010

0.143

0.960

待整改

3.基于自适应免疫遗传算法的神经网络矿井通风系统评价模型

3.1网络结构设计

[1]

建立如图1所示矿井通风系统评价网络模型,其网络检验流程如

图2所示。与文献[1]中相同该模型的隐含层神经元数也取32个。神经网络中的学习算法采用本文2节所述的自适应免疫遗传算法,其中α取0.6,δ取25

图2

网络流程检验

3.2网络训练

3.2.1训练样本的准备

论文中学习样本的采取文献[1]中的表1。如果某矿的各项指标值

都为Ⅰ(合格),则矿井通风系统评的价结果为Ⅰ(合格);如果都为Ⅱ(基本合格),则评价结果为Ⅱ(基本合格);如果都为Ⅲ(待整改),则评价结果为Ⅲ(待整改)。基于这种假设,每种情况下都随机选取5个样本共15个作为学习样本,每种情况下都随机选取1个样本共3个作为检验样本,学习样本、检验样本详如文献[1]的表1所示。

3.2.2训练过程及结果

使用文献[1]中的表1中的样本数据进行

训练,迭代8123次,网络收敛;矿井通风系统网络验算过程框图如图2所示。然后将校验样本输入到已经训练好的网络中进行评价,其输出结果如表2所示,根据最大隶属度原则进行比较,与期望结果相符。这说明所建立的矿井通风系统评价网络模型及训练结果可靠,可以投入使用,所用时间比前面的算法明显减少,且一定可以得到最优解。

表2

矿井通风系统评价网络检验结果

4.结论

采用该评价模型对实际生产矿井的通风系统进行了评价,评价结果与实际相符。本文的研究结果表明:基于自适应免疫遗传算法的神经网络矿井通风系统评价方法符合矿井通风系统的非线性特征,事实表明所确定的矿井通风系统评价指标体系可以反映矿井通风系统的状况,可操作性强、效果较好,提高了矿井通风系统安全评价的实用性和科学性,可以在一般煤矿企业的安全评价中应用,是一种可以用于矿井通风系统评价的良好模型。【参考文献】

[1]程磊等:基于人工神经网络的矿井通风系统评价研究[J ].中国安全科学学报2005,(5)88~91.

[2]乔少杰等.S IG A:一种新的自适应免疫遗传算法[J ].中山大学学报2008,5

(3)6~9.

[3]刘友英,杨胜来.矿井通风系统可靠性及其评价[J ].山西矿业学院学报,1993,11(1):24～31.[4]段玉波,任伟建,霍凤财,等.一种新的免疫遗传算法及其应用[J ].控制与决策,2005,20(10):1185-1188.

[5]景国勋,姚嵘,张甫仁.矿井通风系统合理性的灰色综合评判[J ].中国安全科学学报,2001,11(4):65～68.

[6]罗四维.人工神经网络建造[M].北京:中国铁道出版社,1998.1～14,65～132.[7]周明,孙树栋.遗传算法原理及应用[M ].北京:国防工业出版社,1999:32-78.

[8]罗小平,韦巍.一种基于生物免疫遗传学的新优化方法[J ].电子学报,2003,31(1):59-62.

作者简介:史明霞,生于1967年,河南辉县人,副教授,计算机软件与应用硕士,研究方向为运筹学和人工智能。

[责任编辑:张新雷

]

(上接第377页)6.3减少锅炉产汽量:

供暖系统使用汽水热交换方式供暖时,每个供暖季对工业区及宿舍区供蒸汽89280吨,应用循环水供暖后,直接利用汽轮机凝汽器冷

却循环水的余热供暖,不再消耗蒸汽。汽轮机在同等负荷情况下减少了进汽量,节省锅炉产汽量折合标煤量为:52024×3315/29271=5891.8(吨)。

综上所述:矿区供暖系统应用循环水供暖后,每个供暖期节省标煤量为:

299.36+11231.32+5891.8=17422.48(吨),按协庄煤矿原煤销售单价500元/吨计算,每年节省供暖费用为:17422.48×500=871.12(万元)。

社会效益分析

7.1降低了电厂能源消耗及对大气的烟尘污染和热污染,既节能

又环保。

7.2避免了冷却塔循环水的蒸发散失,每年可节水51840吨,有效保护了矿区水资源。

7.3有效解决了热用户冷热不均的问题,使用户室温合格率达到98%以上,提高了供暖质量。

7.4简化了供暖系统,降低了供暖管理难度和供暖成本。作者简介:范同军(1962—),山东新泰人,高级工程师,1986年毕业于山东科技大学矿业机械专业,现从事机电工程工作,多次获科技成果奖和发表多篇论文。

[责任编辑张新雷]

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37.:99