[發明專利]基于SVM級聯模型的混合種類飛灰未燃碳含量LIBS測量方法

有效

• 申請號: 201911403910.3
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111060497B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 王珍珍;榮凱;劉人瑋;周王崢;陳鵬
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N21/71
• 分類號: G01N21/71;G06K9/62
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.基于SVM級聯模型的混合種類飛灰未燃碳含量LIBS測量方法，其特征在于，具體步驟如下：

(1)飛灰樣品光譜數據的采集：選取來源于不同電廠不同含碳量的多個飛灰樣品作為定標樣品，將定標樣品分為訓練集樣品和測試集樣品，并假設測試集樣品中的飛灰為未知種類和含碳量，用于測試所構建SVM級聯模型的精度，利用LIBS設備檢測所有飛灰樣品，獲得每個飛灰樣品的激光誘導等離子體發射光譜；

(2)確定相關的特征譜線：從每個飛灰樣品的光譜數據中選取P條相關種類和含碳量的特征譜線，P1，構成P維向量，訓練集所有飛灰樣品多次重復測量得到的P維向量，共同構成訓練集信號集合I₀；

建立C-SVM分類模型：

(3)C-SVM分類模型輸出量：根據訓練集樣品飛灰基體成份的不同或飛灰來源的不同，將訓練集樣品飛灰分成X個種類，分別定義其標簽為：＂m(1)＂，＂m(2)＂，＂…＂，＂m(X)＂，作為C-SVM分類模型訓練的輸出量；

(4)訓練C-SVM分類模型：以步驟(2)中訓練集信號集合I₀為模型訓練的輸入量，步驟(3)中確定的飛灰種類標簽為模型訓練的輸出量，對C-SVM分類模型進行訓練；C-SVM分類模型引入的目標函數為：其中ξ是松弛因子，允許錯分樣本的存在，C是約束錯誤范圍的正常數，稱為懲罰因子，||ω||是分類間距倒數的2倍，N是訓練集樣品數；目標函數通過拉格朗日乘子法變化得到如下形式：

x_i是訓練集中樣品i的P維向量，x_j是訓練集中樣品j的P維向量，y_i訓練集樣品i對應的種類標簽，y_j是訓練集樣品j對應的種類標簽，α_i，α_j是對應訓練集樣品i，j訓練確定的參數，K是核函數，由于LIBS測量結果多是非線性的，需要在非線性函數空間中轉換，考慮到信號強度與元素含量成正相關，使用核函數的形式為q次多項式函數：K(x_i,x_j)＝(γ(x_i^T,x_j)+r)^q，q是多項式函數的次數，γ是輸入向量線性內積的系數，r是多項式函數的非齊次常數；通過訓練確定最佳參數α后，最終得到訓練后的C-SVM分類模型；

建立各種類飛灰的ε-SVM定量模型：

(5)各種類飛灰的ε-SVM定量模型訓練的輸入和輸出量：將訓練集信號集合I₀按步驟(3)中飛灰種類的不同分為：＂I₀(1)＂,＂I₀(2)＂,＂…＂，＂I₀(X)＂，分別作為對應飛灰種類模型訓練的輸入量，同種類飛灰獨立訓練ε-SVM定量模型；訓練集中同種類飛灰樣品的未燃碳含量作為訓練該種類飛灰ε-SVM定量模型的輸出量；

(6)訓練各種類飛灰的ε-SVM定量模型：以訓練集樣品中同種類飛灰樣品的P條特征譜線強度信號集合I₀(x)為模型訓練的輸入量，同種類飛灰樣品的未燃碳含量作為模型訓練的輸出量，訓練對應種類的ε-SVM定量模型；ε-SVM定量模型的核函數為q次多項式函數：K(x_i,x_j)＝(γ(x_i^T,x_j)+r)^q與C-SVM分類模型一致，并且ε-SVM定量模型的具體訓練過程與C-SVM分類模型相同；由于ε-SVM定量模型中需要一個允許的損失參數，其目標函數與C-SVM分類模型目標函數的區別在于懲罰因子C的邊界條件s.t.改為損失因子的形式：n_x是訓練集中飛灰種類x的樣品數，是訓練過程中ε-SVM定量模型計算的訓練集樣品i的未燃碳含量，y_i是訓練集樣品i對應的未燃碳含量，ε是松弛變量；同樣通過拉格朗日乘子法轉變目標函數形式后，通過訓練確定最佳參數α，得到ε-SVM定量模型；根據步驟(3)確定飛灰樣品的種類，最終會訓練X個ε-SVM定量模型；

C-SVM分類模型與ε-SVM定量模型的級聯：

(7)C-SVM分類模型與ε-SVM定量模型的級聯：首先使用步驟(4)訓練后的C-SVM分類模型進行飛灰種類識別，然后使用步驟(6)訓練后的對應種類的ε-SVM定量模型進行未燃碳含量預測，這樣結合兩種模型得到SVM級聯模型；待測樣品測量的P維的光譜信號向量首先作為C-SVM分類模型的輸入量，C-SVM分類模型的輸出是飛灰種類判斷標簽，根據C-SVM分類模型輸出樣品種類標簽；P維的光譜信號向量再作為對應的ε-SVM定量模型的輸入量，得到碳含量預測值；從模型整體來看，由于已經實現了數據的內部傳遞，兩種模型被封裝起來，只需要單次輸入待測樣品測量的P維的光譜信號向量，便能得到該飛灰的種類和未燃碳含量。