基于支持向量机的沼气中CH4浓度预测

摘要：组建了沼气检测的实验系统，采用国家标准混合气获取大量的浓度标定数据，分析了目前广泛应用的甲烷浓度预测算法及影响预测结果的因素，讨论了支持向量机在CH4浓度预测中的应用，在此基础上研究了将多通道探测器的电压输出及环境温度共同作为支持向量机的输入，实现CH4浓度的预测。将该方法与线性插值法、多项式回归法、神经网络法等多种方法进行比较，预测结果的平均绝对误差减小了0.44％～1.99％。初步试验结果表明该方法在CH4浓度检测中具有一定的应用前景。
关键词：沼气；CH4；浓度预测；SVM

0 引言
沼气是一种优质、高效、绿色、环保的燃料。沼气由50％～80％甲烷(CH4)、20％～40％二氧化碳(CO2)、0％～5％氮气(N2)、0．1％～3％硫化氢(H2S)等气体组成。当较多的沼气泄露在生活环境中时，有可能令人窒息；沼气使用中，CH4浓度在5％～15％之间时，会有爆炸的危险；CH4浓度低于50％，就不能正常燃烧。因此，对沼气中CH4浓度预测进行研究，显得非常必要。
基于不同工作原理，现有的CH4浓度检测方法主要有：奥式气体检测法、催化燃烧法、红外光谱检测法。目前沼气中CH4浓度预测较多地采用红外多波长法。但该方法也会带来新的问题。例如：当检测沼气中CH4浓度时，沼气中较多的CO2会对CH4通道和参考通道的输出带来影响，从而影响CH4的预测精度，所以本文讨论利用数据处理的方法提高CH1浓度预测精度。
目前，常用的CH4浓度预测算法有线性插值法、多元回归法、神经网络法(Neural Network，NN)。其中，线性插值法与多元回归法为传统算法，精度低；神经网络需要大量的样本才能拟合出较好的模型，且容易陷入局部极小值点。本文所探讨的支持向量机(Support Vector Machine，SVM)专门解决小样本问题，以结构风险最小化为原则寻找全局最优解。
在预测沼气中CH4浓度时，本文首次尝试把温度作为影响探测器输出的重要因素，引入温箱控制探测器的环境温度，以获取不同温度下的693个样本，把温度和探测器的输出作为SVM的输入，建立CH4预测模型，得到理想的预测精度。

1 支持向量机简介
SVM是一种机器学习方法，根据结构风险最小化原则，大大提高了学习机的泛化能力，它将优化问题转化为求解一个凸二次规划的问题，二次规划所得的解是惟一的且为全局最优解，这样就不存在一般神经网络的局部极值问题。
回归型支持向量机(SVR)是支持向量机在回归学习中的应用，其基本思想是：对于给定的训练样本点{(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)}通过SVR训练回归出一个函数f(x)，使由该函数求出的每个输入样本的输出值和输入样本对应的目标值相差不超过误差e，同时使回归出的函数尽量平滑，能克服传统的线性插值法、多元回归法预测精度低的缺点，解决高浓度CO2对CH4通道和参考通道的输出带来的影响，且较NN有更好的推广能力。另外，温度对气体探测器的输出有一定的影响，本文研究了将温度作为模型的输入之一，同时将多通道探测器的电压输出作为SVM的输入，实现CH4浓度预测。

2 实验数据的获取
2．1 系统结构与红外多波长探测简介
硬件系统结构如图1所示。钢瓶里的高压标准气CH4经过减压阀减压后，通过气体管道流向配气箱里的流量计1，配气箱经自带的电脑软件进一步控制并计量流量计1内气体的流速，流出配气箱以后，与经过流量计2，3的CO2，N2(稀释作用，非异核分子，对CH4通道影响小)进行定比混合，再进入温箱，温箱里的沼气检测电路板包括多通道探测器(CH4，CO2)，参考端)和相应的信号处理电路，气体经过检测气室以后，排到通风橱。