基于支持向量機(jī)的沼氣中CH4濃度預(yù)測(cè)

　　基于不同工作原理，現(xiàn)有的CH4濃度檢測(cè)方法主要有：奧式氣體檢測(cè)法、催化燃燒法、紅外光譜檢測(cè)法。目前沼氣中CH4濃度預(yù)測(cè)較多地采用紅外多波長(zhǎng)法。但該方法也會(huì)帶來新的問題。例如：當(dāng)檢測(cè)沼氣中CH4濃度時(shí)，沼氣中較多的CO2會(huì)對(duì)CH4通道和參考通道的輸出帶來影響，從而影響CH4的預(yù)測(cè)精度，所以本文討論利用數(shù)據(jù)處理的方法提高CH1濃度預(yù)測(cè)精度。

　　目前，常用的CH4濃度預(yù)測(cè)算法有線性插值法、多元回歸法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(Neural Network，NN)。其中，線性插值法與多元回歸法為傳統(tǒng)算法，精度低;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的樣本才能擬合出較好的模型，且容易陷入局部極小值點(diǎn)。本文所探討的支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)專門解決小樣本問題，以結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化為原則尋找全局最優(yōu)解。

　　在預(yù)測(cè)沼氣中CH4濃度時(shí)，本文首次嘗試把溫度作為影響探測(cè)器輸出的重要因素，引入溫箱控制探測(cè)器的環(huán)境溫度，以獲取不同溫度下的693個(gè)樣本，把溫度和探測(cè)器的輸出作為SVM的輸入，建立CH4預(yù)測(cè)模型，得到理想的預(yù)測(cè)精度。

　　1 支持向量機(jī)簡(jiǎn)介

　　SVM是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則，大大提高了學(xué)習(xí)機(jī)的泛化能力，它將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解一個(gè)凸二次規(guī)劃的問題，二次規(guī)劃所得的解是惟一的且為全局最優(yōu)解，這樣就不存在一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部極值問題。

　　回歸型支持向量機(jī)(SVR)是支持向量機(jī)在回歸學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，其基本思想是：對(duì)于給定的訓(xùn)練樣本點(diǎn){(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)}通過SVR訓(xùn)練回歸出一個(gè)函數(shù)f(x)，使由該函數(shù)求出的每個(gè)輸入樣本的輸出值和輸入樣本對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值相差不超過誤差e，同時(shí)使回歸出的函數(shù)盡量平滑，能克服傳統(tǒng)的線性插值法、多元回歸法預(yù)測(cè)精度低的缺點(diǎn)，解決高濃度CO2對(duì)CH4通道和參考通道的輸出帶來的影響，且較NN有更好的推廣能力。另外，溫度對(duì)氣體探測(cè)器的輸出有一定的影響，本文研究了將溫度作為模型的輸入之一，同時(shí)將多通道探測(cè)器的電壓輸出作為SVM的輸入，實(shí)現(xiàn)CH4濃度預(yù)測(cè)。

　　2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取

　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與紅外多波長(zhǎng)探測(cè)簡(jiǎn)介

　　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋼瓶里的高壓標(biāo)準(zhǔn)氣CH4經(jīng)過減壓閥減壓后，通過氣體管道流向配氣箱里的流量計(jì)1，配氣箱經(jīng)自帶的電腦軟件進(jìn)一步控制并計(jì)量流量計(jì)1內(nèi)氣體的流速，流出配氣箱以后，與經(jīng)過流量計(jì)2，3的CO2，N2(稀釋作用，非異核分子，對(duì)CH4通道影響小)進(jìn)行定比混合，再進(jìn)入溫箱，溫箱里的沼氣檢測(cè)電路板包括多通道探測(cè)器(CH4，CO2)，參考端)和相應(yīng)的信號(hào)處理電路，氣體經(jīng)過檢測(cè)氣室以后，排到通風(fēng)櫥。

上述沼氣檢測(cè)基于紅外吸收原理，如圖2所示。

　　異核分子結(jié)構(gòu)(由不同種類化學(xué)原子構(gòu)成的分子)的氣體對(duì)中紅外波段的紅外線具有選擇吸收特性，CH4特征吸收峰值波長(zhǎng)為3，32μm，CO2為4.24μm。探測(cè)器的CH4，CO2通道前端分別裝有CH4，CO2特征吸收光的濾光片，探測(cè)器接收到紅外輻射后有電壓輸出。探測(cè)時(shí)氣體濃度越大，對(duì)其特征波長(zhǎng)的紅外光吸收越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)探測(cè)電壓越小。參考端濾光片能通過的紅外光子幾乎不被氣體吸收，最能體現(xiàn)光源信息和氣室污染情況。實(shí)踐中探測(cè)器的濾光片受工藝的限制，它透射光譜的裙部不可能完全避開兩種氣體吸收區(qū)的交叉敏感區(qū)域，所以當(dāng)氣體濃度較高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干擾問題，例如圖2中CH4的特征吸收峰值波長(zhǎng)為3.32μm，但在4.2～4.4μm之間也有吸收。本文就是采用SVM來解決這種交叉干擾問題的。