[发明专利]一种基于主导因素结合偏最小二乘法的煤质特性分析方法

摘要

一种基于主导因素结合偏最小二乘法的煤质特性分析方法，属于原子发射光谱测量技术领域。该方法基于煤质特性的物理背景进行建模，包含了两步偏最小二乘法拟合过程，第一步偏最小二乘法拟合过程利用光谱中与煤质特性相关的特征谱线作为输入，建立非线性的主导因素模型来描述煤质特性与激光诱导击穿光谱之间的物理关系，第二步偏最小二乘法拟合利用光谱的全部谱线强度信息对主导因素的残差进行修正。本发明比起传统的偏最小二乘法模型，提高了模型的定标和预测精度。

主权项

1.一种基于主导因素结合偏最小二乘法的煤质特性分析方法，其特征是该方法包括如下步骤：1)首先使用煤的各种煤质特性已知的一组煤炭样品作为定标样品，利用安装在输煤皮带上方的激光诱导击穿光谱系统对每个定标样品分别进行检测：以脉冲激光器（1）为激发光源，从激光器出射的激光经过聚焦透镜（2）聚焦后作用于定标样品（3）表面，在聚焦点产生等离子体，等离子体在保护气体的氛围中进行冷却，产生的辐射光信号通过采集透镜（4）进入光纤（5），并经过光谱仪（6）处理后转化成电信号被计算机（7）采集，得到一组定标样品的特征光谱，从每个定标样品的特征光谱中得到各种元素的特征谱线强度；2）以一组定标样品的某一种煤质特性作为目标特性，利用偏最小二乘法对定标样品的目标特性进行建模：首先以一组定标样品的目标特性的数值构成因变量矩阵F₀，然后确定与目标特性相关的k种元素；从特征光谱中对每一种元素选出若干条特征谱线，利用所选出的特征谱线的谱线强度构建自变量矩阵E₀；自变量矩阵E₀的构建过程如下所述：对于第i种元素可以得到特征光谱的谱线强度矩阵：其中，I_ijl表示第j种定标样品中第i种元素的第l条特征谱线对应的谱线强度，i=1,2,…,k；j=1,2,…,n；l=1,2,…,m令E=[E₁  E₂  E₃  …  E_k]将矩阵E的每一个元素取二次方后得到矩阵E²，同时将E中每一个元素取三次方后得到矩阵E³，最后将所有矩阵合并成为自变量矩阵E₀：E₀=[E  E²  E³]确定自变量矩阵E₀和因变量矩阵F₀后，利用偏最小二乘方法建立F₀关于E₀的定标模型：从自变量矩阵E₀中提取主成分使其代表数据变异信息，同时使得主成分与目标特性相关程度达到最大；根据交叉有效性，共提取g个主成分t₁，…，t_g；实施F₀在t₁，…，t_g上的回归，得：F^0=t1r1+···+tgrg]]>r₁，…，r_g为相对应的回归系数；为因变量矩阵F₀的估计值；由于t₁，…，t_g均是E₀的线性组合，因此记E₀中第i种元素的第l条特征谱线对应的强度为I_il，以C₁表示因此目标特性的偏最小二乘回归方程写成：C1=Σi=1kΣl=1mcilIi,l+Σi=1kΣl=1mdilIi,l2+Σi=1kΣl=1meilIi,l3]]>目标特性的偏最小二乘回归方程即为目标特性的主导因素模型的表达式,c_il、d_il、e_il为拟合得到的系数；3）以一组定标样品中已知的目标特性的数值减去通过目标特性的主导因素模型计算得到的C₁，得到主导因素的残差F₀′，然后对F₀′进行偏最小二乘修正：以一组定标样品的激光诱导击穿光谱的全部谱线强度构成自变量矩阵E′，以残差F₀′为因变量矩阵，采用步骤2）中提到的偏最小二乘方法拟合得到F₀′关于E′的定标模型；记自变量矩阵E′中的元素为I_f,其中f=1,2,...p,以C₂表示F₀＇的估计值，因此拟合行到的主导因素残差修正的回归方程写成：C2=Σf=1pbfIf+b0]]>b_f为拟合得到的系数，b₀为拟合得到的常数；最终建立的目标特性的基于主导因素的偏最小二乘定标模型的公式为：C=C1+C2=Σi=1kΣl=1mcilIi,l+Σi=1kΣl=1mdilIi,l2+Σi=1kΣl=1meilIi,l3+Σf=1pbfIf+b0]]>4）对于目标特性未知的煤流中的待测样品进行在线检测，使用激光诱导击穿光谱系统检测得到煤流中的待测样品的特征光谱，即得到煤流中待测样品中全部谱线强度I_f，从待测样品的特征光谱中找出与定标样品相同的k种元素以及与每种元素对应的特征谱线强度，以步骤3）所述的方法构建自变量矩阵E₀，E₀中第i种元素的第l条特征谱线对应的强度为I_il，将I_il和I_f代入目标特性的基于主导因素的偏最小二乘定标模型中，即计算得到待测样品中目标特性的数值。