遗传算法与BP神经网络的结合在瓦斯突出风险预测中的应用

摘要：本文针对煤与瓦斯突出风险预测问题，利用BP神经网络建立预测模型，通过遗传算法对神经网络的权值和阈值优化，提高网络预测的精度。利用采集的前10组数据对网络进行训练，利用11～20组数据对预测模型进行检验，并且将检验结果与自适应 BP 神经网络的预测结果进行比较。结果表明：遗传算法与网络预测模型结合后的的预测值跟实测值的绝对误差由原来的-0.0119～0.2000缩小到-0.0013～0.0611，提高了预测精度。

关键词：遗传算法 神经网络 瓦斯突出 预测

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

预测煤层中的瓦斯含量是进行煤与瓦斯突出风险研究的重要一环，由于影响瓦斯含量的地质因素复杂多样，以及各因素间存在着复杂的非线性关系，迄今为止，对瓦斯突出的预测主要使用回归分析方法，预测的结果往往跟实际的情况差别较大，因此需要使用新的方法建立预测模型来实现对瓦斯突出高精度的预测。

1 利用遗传算法改进的神经网络建立瓦斯突出预测模型

（1）网络输入参数的确定：经查阅相关文献和咨询得知瓦斯突出的主要影响因素有：煤层底板标高、煤层到断层距离、煤层到最近剥蚀面距离、顶板砂岩比、统计单元中有无断层、基岩厚度、煤厚。

（2）网络输出参数的确定：选择二进制数0和1分别表征瓦斯不突出和突出。

（3）网络的构造： 一般地可以用一个三层神经网络实现预测功能，此神经网络的输入层有n个神经元，根据经验公式选取隐含层有（2n+1）个神经元，输出层有m个神经元，因此本模型中的神经网络可以采用3层神经网络。

（4）网络的训练：训练样本取自唐山开滦多个矿井具有代表性的10个突出点，利用突出点的数据训练神经网络，得到预测模型。

（5）网络的精确度验证： 利用已完成的人工神经网络对实际问题进行试验研究。把在开滦矿井采取的11～20组数据的瓦斯突出指标输入已经训练的网络中，验证人工神经网络的预测结果与实际突出情况的吻合度，如果吻合度低，就需要对网络进行改动，直至达到满意的吻合度。

（6）利用遗传算法对神经网络的权值和阈值进行优化

个体的编码：将神经网络各层之间可能存在的连接权值和阈值编码成实数码串或者进行二进制码串，每条码串中包含着网络中的所有权值、阈值其排列顺序可以随意定义，不受限制，组成一个染色体。

产生初始种群：随机生成一定数量的码串个体作为一个初始种群。

计算适应度：设网络有K个训练样本，让所有的训练样本依次通过解码后生成的神经网络，计算所有训练样本一次通过的平均总误差作为每条染色体的适应度， 其中， 为瓦斯含量的实测值， 为网络的输出值。

④将网络的所有连接权值和阈值进行实数编码，构成一个染色体，每条染色体代表一个神经网络模型的权值和阈值。设定初始种群规模为20，进化代数为220，交叉概率0.2 ，变异概率为0.1，为了防止遗传算法的早熟现象，变异概率先定义为0.1，然后在逐渐递增。算法运行到158代时获得最佳的连接权值，网络平均总误差为0.001。

2 实例分析及算例求解

选取唐山开滦煤矿为例，对该地进行瓦斯含量预测研究。对影响瓦斯含量的主要因素进行分析，归纳确定了神经网络的输入层神经元个数为7，对应为7个输入变量即7个影响瓦斯含量的因素。其中对输入变量中的顶板砂岩比、统计单元中有无断层、顶板基岩厚度、煤层厚度四个影响因素采用二变量比值法将其定量化。处理方法的划分条件如表1所示，输出层神经元个数是1。在开滦集团获得的相关数据如表2所示，其中1～10作为网络训练样本，11～20作为网络检验样本，用来检验模型的预测精度。

利用前10组数分别训练自适应的BP神经网络和与遗传算法结合改进的网络得到瓦斯突出预测模型，如图1和2所示。然后利用11～20组的样本对网络性能进行检验，并将检验结果和实测值的数据进行对比，对比后的结果如表3所示。 由图1、2可知用遗传算法改进的神经网络收敛速度更快，由表3可知用遗传算法改进后的神经网络预测的值跟实际的值更加的逼近即预测精度高。

3 结论

本文采用遗传算法与神经网络相结合的方法，通过优化神经网络的权值和阈值，使得预测的绝对误差从-0.0119～0.2000缩小到-0.0013～0.0611，提高了预测的精度，加快了收敛速度。对煤矿安全发展具有一定的意义。

参考文献

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