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基于近红外-X射线融合光谱与非线性残差校正的大粒度煤热值PLS-AE-RR预测模型OA

PLS-AE-RR prediction model for calorific value of large-particle-size coal based on NIRS-XRF spectral fusion and nonlinear residual correction

中文摘要英文摘要

针对工业现场大粒径煤样难以研磨所导致的基体效应增强与光谱非线性响应加剧的问题,提出一种基于近红外光谱(Near-Infrared Spectroscopy,NIRS)与X射线荧光光谱(X-ray Fluorescence,XRF)融合的PLS-AE-RR混合预测模型,旨在提升对煤炭热值的在线分析精度.该方法构建了"线性基线+非线性特征提取+残差校正"三级混合架构:先采用偏最小二乘回归(Partial Least Squares,PLS)建立光谱与热值间的全局线性关系,再利用自编码器(Autoencoder,AE)从融合光谱中提取PLS难以捕获的低维非线性表征,最后通过岭回归(Ridge Regression,RR)对非线性偏差进行残差校正.实验结果表明,该方法在大粒度煤样热值预测上取得突破进展,褐煤和烟煤的测试集决定系数R²分别达到0.974和0.938,平均绝对误差分别为0.233 MJ/kg和0.216 MJ/kg,性能显著优于单一PLS及其他非线性校正模型,验证了岭回归在残差拟合中的泛化优势.本文为燃煤电厂提供了免研磨、高精度的原煤热值在线分析手段,为燃料精细化管理与优化运行提供了关键技术支撑.

To address the enhanced matrix effects and intensified nonlinear spectral responses caused by the difficulty of grinding large-particle coal in industrial settings,this study proposes a hybrid PLS-AE-RR predictive model based on the fusion of near-infrared spectroscopy(NIRS)and X-ray fluorescence(XRF)spectra,aimed at improving the accuracy of on-line calorific-value analysis.The method implements a three-stage hybrid framework--linear baseline+nonlinear feature extraction+residual correction--where partial least squares regression(PLS)first models the global linear relationship between the fused spectra and calorific value;an autoencoder(AE)then extracts low-dimensional nonlinear representations that PLS cannot capture;and finally ridge regression(RR)fits and corrects the nonlinear residuals.Exper-imental validation using 153 blended coal samples from power plants demonstrates breakthrough perfor-mance in calorific value prediction for large-particle-size coal.On the test set,determination coefficients(R²)for lignite and bituminous coal reached 0.974 and 0.938,respectively,with mean absolute errors of 0.233 MJ/kg and 0.216 MJ/kg.The proposed method significantly outperforms standalone PLS and al-ternative nonlinear correction models,confirming the generalization advantage of ridge regression in residu-al fitting.Consequently,this achievement provides a grinding-free,high-precision online analysis solution for raw coal calorific value in coal-fired power plants,offering critical technical support for refined fuel man-agement and operational optimization.

乔一帆;刘若楠;李斌;高睿;李佳轩;马维光;张雷

山西大学 光量子技术与器件全国重点实验室 激光光谱所,山西 太原 030006||山西大学 极端光学协同创新中心,山西 太原 030006山西大学 光量子技术与器件全国重点实验室 激光光谱所,山西 太原 030006||山西大学 极端光学协同创新中心,山西 太原 030006新疆维吾尔自治区地质局 乌鲁木齐地质大队,新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830000山西大学 光量子技术与器件全国重点实验室 激光光谱所,山西 太原 030006||山西大学 极端光学协同创新中心,山西 太原 030006山西大学 计算机与信息技术学院,山西 太原 030006山西大学 光量子技术与器件全国重点实验室 激光光谱所,山西 太原 030006||山西大学 极端光学协同创新中心,山西 太原 030006山西大学 光量子技术与器件全国重点实验室 激光光谱所,山西 太原 030006||山西大学 极端光学协同创新中心,山西 太原 030006

数理科学

光谱分析近红外光谱X射线荧光光谱热值预测大粒度煤样非线性校正自编码器

spectral analysisNIRS spectraXRF spectracalorific value predictionlarge-particle coal samplesnonlinear correctionautoencoder

《光学精密工程》 2026 (3)

365-375,11

国家自然科学基金资助项目(No.12374377,No.627010407,No.12504483)长江学者和创新团队发展计划(No.IRT_17R70)高等学校学科创新引智计划(No.D18001)山西省研究生教育创新计划支持(No.2025SJ063)

10.37188/OPE.20263403.0365

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