中国安全科学学报 ›› 2025, Vol. 35 ›› Issue (7): 40-47.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2025.07.1486
秦跃平(
), 唐飞**(
), 王海蓉, 王鹏, 郭铭彦, 王世斌
收稿日期:2025-03-10
修回日期:2025-05-16
出版日期:2025-07-28
通信作者:
作者简介:秦跃平 (1964—),男,山西夏县人,博士,教授,主要从事矿井火灾及瓦斯灾害防治、矿井热害防治以及数值模拟方法等方面的研究。E-mail: qyp@cumtb.edu.cn。
基金资助:
QIN Yueping(
), TANG Fei**(
), WANG Hairong, WANG Peng, GUO Mingyan, WANG Shibin
Received:2025-03-10
Revised:2025-05-16
Published:2025-07-28
摘要:
为提高矿井淋水井筒风温预测的准确性、稳定性及模型的可解释性,首先,通过皮尔逊相关性系数分析特征变量;其次,采用开普勒优化算法(KOA)优化双向长短期记忆网络(BiLSTM)模型,建立基于KOA-BiLSTM的矿井淋水井筒风温预测模型;然后,在相同样本条件下,与反向传播(BP)、随机森林(RF)、最小二乘增强(LSBoost)和支持向量机(SVM)算法进行综合对比;最后,利用沙普利可加性特征解释算法(SHAP)进行可解释性分析及实例验证。研究结果表明:KOA-BiLSTM模型的绝对误差范围为-1.24 ~0.5 ℃,比优化前模型的预测精度提高3.98%;与另外4个模型相比,该模型的平均绝对误差(MAE)、平均绝对百分比误差(MAPE)和均方误差(MSE)等均为最佳,表明该模型具有最优的预测效果和泛化能力;SHAP分析表明:井口风流温度对预测结果影响最大,而地面压力影响最小;KOA-BiLSTM模型实例验证的绝对误差范围为-0.49 ~0.38 ℃,预测精度可满足实际工作需要。
中图分类号:
秦跃平, 唐飞, 王海蓉, 王鹏, 郭铭彦, 王世斌. 基于KOA-BiLSTM的矿井淋水井筒风温预测模型及可解释性分析[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(7): 40-47.
QIN Yueping, TANG Fei, WANG Hairong, WANG Peng, GUO Mingyan, WANG Shibin. Prediction model and interpretability analysis of wind temperature in mine water-drenched shaft based on KOA-BiLSTM[J]. China Safety Science Journal, 2025, 35(7): 40-47.
表1
样本数据
| 序号 | 井口风 温/℃ | 井口风流相 对湿度/% | 地面大气 压力/Pa | 井筒深 度/m | 井底风 温/℃ |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 26 | 91 | 100 380 | 476.35 | 25.6 |
| 2 | 26.6 | 81.7 | 100 240 | 476.35 | 25.8 |
| 3 | 26.4 | 85.4 | 100 339 | 476.35 | 25.5 |
| 4 | 29.8 | 63 | 100 520 | 518.78 | 28.6 |
| 5 | 28.8 | 62.6 | 100 880 | 518.78 | 27.6 |
| ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ |
| 58 | 26.8 | 79 | 99 965 | 673.20 | 26.8 |
| 59 | 28.1 | 80 | 99 868 | 673.20 | 27.9 |
| 60 | 15.7 | 67.3 | 100 350 | 482.02 | 16.6 |
表2
5种模型预测结果及误差 Table 2 5 Model prediction results and errors
| 序 号 | 实际 风温/ ℃ | BP模型 | RF模型 | LSBoost模型 | SVM模型 | KOA-BiLSTM模型 | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 预测 值/ ℃ | 绝对 误差/ ℃ | 相对 误差/ % | 预测 值/ ℃ | 绝对 误差/ ℃ | 相对 误差/ % | 预测 值/ ℃ | 绝对 误差/ ℃ | 相对 误差/ % | 预测 值/ ℃ | 绝对 误差/ ℃ | 相对 误差/ % | 预测 值/ ℃ | 绝对 误差/ ℃ | 相对 误差/ % | ||
| 1 | 16.0 | 16.57 | 0.57 | 3.54 | 16.62 | 0.62 | 3.90 | 14.99 | -1.01 | -6.33 | 15.35 | -0.65 | -4.06 | 15.76 | -0.24 | -1.50 |
| 2 | 26.9 | 26.60 | -0.30 | -1.12 | 25.58 | -1.32 | -4.93 | 25.76 | -1.14 | -4.25 | 26.63 | -0.27 | -0.99 | 26.67 | -0.23 | -0.87 |
| 3 | 23.2 | 23.21 | 0.01 | 0.05 | 23.55 | 0.35 | 1.52 | 22.67 | -0.53 | -2.29 | 23.45 | 0.25 | 1.07 | 23.19 | -0.01 | -0.03 |
| 4 | 29.1 | 30.65 | 1.55 | 5.32 | 27.03 | -2.07 | -7.11 | 27.27 | -1.83 | -6.29 | 28.44 | -0.66 | -2.28 | 28.67 | -0.43 | -1.46 |
| 5 | 27.4 | 27.52 | 0.12 | 0.42 | 25.30 | -2.10 | -7.67 | 26.20 | -1.20 | -4.37 | 26.74 | -0.66 | -2.41 | 26.79 | -0.61 | -2.23 |
| 6 | 26.5 | 26.42 | -0.08 | -0.31 | 26.35 | -0.15 | -0.57 | 26.77 | 0.27 | 1.00 | 26.16 | -0.34 | -1.30 | 26.43 | -0.07 | -0.26 |
| 7 | 27.8 | 27.27 | -0.53 | -1.90 | 26.75 | -1.05 | -3.79 | 26.49 | -1.31 | -4.70 | 26.85 | -0.95 | -3.42 | 27.05 | -0.75 | -2.69 |
| 8 | 21.9 | 19.59 | -2.31 | -10.54 | 20.18 | -1.72 | -7.85 | 19.25 | -2.65 | -12.08 | 20.40 | -1.50 | -6.84 | 20.66 | -1.24 | -5.66 |
| 9 | 27.0 | 26.85 | -0.15 | -0.56 | 25.92 | -1.08 | -4.00 | 26.10 | -0.90 | -3.34 | 26.72 | -0.28 | -1.03 | 26.87 | -0.13 | -0.50 |
| 10 | 26.8 | 25.70 | -1.10 | -4.11 | 26.51 | -0.29 | -1.09 | 27.45 | 0.65 | 2.42 | 26.51 | -0.29 | -1.09 | 26.68 | -0.12 | -0.43 |
| 11 | 27.9 | 27.82 | -0.08 | -0.30 | 27.78 | -0.12 | -0.42 | 28.85 | 0.95 | 3.42 | 27.56 | -0.34 | -1.24 | 27.69 | -0.21 | -0.75 |
| 12 | 16.6 | 16.61 | 0.01 | 0.08 | 16.97 | 0.37 | 2.24 | 16.28 | -0.32 | -1.93 | 16.94 | 0.34 | 2.08 | 17.10 | 0.50 | 3.00 |
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