[发明专利]一种基于高斯过程的近红外光谱煤全水分快速检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤碳工业化验领域以及近红外光谱技术分析领域，具体涉 及一种基于高斯过程的近红外光谱煤全水分快速检测方法。

背景技术

煤的水分，是一项重要的煤质指标，对煤的加工利用、贸易、运输和 储存都有很大的影响。一般说来，水分高要影响煤的质量。在煤的利用中 首先遇到的是煤的破碎问题，水分高的煤就难以破碎；在锅炉燃烧中，水 分高就影响燃烧稳定性和热传导；在炼焦时，水分高会降低焦产率；而且 由于水分大量蒸发带走热量而延长焦化周期；在煤炭贸易中，水分也是一 个定质和定量的主要指标，故在签订销煤合同时，用户一般都会提出煤中 水分的限值。由于水分易蒸发，因此，它的快速检测对于煤的生产、销 售和应用等均具有重要的意义。

煤的水分简单地说分为：全水分、内在水分、外在水分、结晶水和分 解水，在实际测定中只能测煤的全水分、内在水分、外在水分和最高内在 水分，而不测定结晶水和分解水。其中，煤中全水分，是指煤中全部的游 离水分，即煤中外在水分和内在水分之和。测定煤中全水分的方法主要有 通氨干燥法和空气干燥法，其中通氨干燥法适用于所有煤种，空气干燥法 仅适用于烟煤和无烟煤。此外，微波干燥法适用于褐煤和烟煤水分的快速 测定，而在仲裁分析中多用通氨干燥法测定一般分析试验煤样的水分。目 前，煤质全水分的工业检测方法基本按照国家标准人工采样，实验室化验， 主要采用通氨干燥法进行检测。这种检测方法从采样到化验结束操作过程 复杂繁琐，需要消耗大量的人力物力，获得一个样本的各煤质参数分析值 需要数小时。另外，现有的基于X射线荧光中子活化的分析方法虽然能够 实现在线分析的目的，但需要用到放射源，这在使用与管理中都具有一定 的安全风险，不易实际推广应用。近红外光谱的分析可以实现全自动，在 线，安全，快捷的多参数在线实时分析。

可用于近红外光谱建模分析的方法有多种，如偏最小二乘回归 (PLSR)、多元线性回归等线性回归算法，以及人工神经网络(ANN)、 支持向量机(SVM)等非线性回归算法。前者对于建模对象的线性要求比 较高，在解决一些非线性问题时效果不够理想；后者则存在模型复杂、计 算成本高、需要比较繁琐的调参过程等不足。高斯过程作为非参数学习方 法，理论上能够对任意输入的函数进行逼近，因此具有泛化能力强等特点， 并且能够同时适应线性和非线性预测的要求，非常适合小样本、高维度特 征数据的建模。同时，基于高斯过程可以预测未知样本的概率分布，能够 对预测值的非确定性进行量化。这在煤质成分预测及指标控制方面非常有 实用价值。本发明意在利用近红外光谱数据并基于高斯过程建模，实现对 精煤全水分的安全、在线、快速的检测。

发明内容

本发明主要是解决现有煤全水分检测方法过程繁琐、实时性差、存在 安全风险等技术问题，通过自动采样、预处理煤样本并用近红外光谱仪进 行实时光谱数据获取，光谱数据传入计算机经过基于高斯过程的模型计算 得到具体的煤全水分参数。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于高斯过程的近红外光谱 煤全水分快速检测方法，包括用于实时采集分析样本的煤样采样模块，用 于处理原始煤样本至符合近红外光谱分析条件的煤样预处理模块，用于获 取煤样光谱数据的光谱采集模块以及进行煤样全水分值预测分析的建模 分析模块。

所述的采样模块主要包括采样设备，由机械化采样系统构成，可以是 二级采样或者三级采样设备，实现定时采样和缩分。固定时间间隔地从煤 碳生产线或运输线上上采集煤样并进行充分混合与缩分，采样设备的采样 时间间隔与采样量可进行调整，保证检测传送带上的煤样不间断。

所述的煤样预处理模块主要包括破碎设备、传送带装置和匀料器。破 碎设备由不同的破碎机组成，可以是不同级别的破碎机组成多级破碎，将 由采样机得到的缩分煤样进行充分破碎至合适的颗粒大小。传送带装置由 传送带和驱动传送带运行的电机组成的，破碎得到的煤样落入传送带中， 要求能够平稳慢速地运输，保证光谱采集时稳定不振动。传送带采用皮带 式，通过驱动电机带动，将传送带维持在运行状态，要求传送带能够低速 平稳运行，可以配以合适的差速器和变频器来对电机进行速度控制。匀料 器由若干平板叶片轮与驱动叶轮的电机组成，叶轮安装于传送带上方，破 碎设备出料口后方，通过旋转把煤样表面摊平，保证在光谱采集时表面煤 样本表面较为平整。同时要求叶轮高度可调，以得到适于光谱扫描分析的 煤层厚度。