李申龙1，王振平2，卢国群1，徐修立1，李宗山1，初昊1，肖旸2
(1.陕西未来能源化工有限公司金鸡滩煤矿，陕西省榆林市，719000；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西省榆林市，710054)
(1)
f(…)、g(…)——待估函数；
{ζ}——观测噪声。
BP神经网络(BPNN)是一种按误差反向传播训练的多层前馈网络，主要包括输入层、隐藏层和输出层3部分，3部分之间主要依靠权值和阈值连接[13]，结构如图1所示。基本的BPNN是通过不断进行信号的正向传播和误差的反向反馈这2个过程来反复修正各单元权值和阈值，从而缩短预测值与目标值的差距。本研究输入层神经元个数为3，代表输入的影响因素；隐含层神经元个数为7，与输入层神经元个数n为2n+1的关系；输出层神经元个数为1，代表输出的尘肺病病例数。训练次数选择1000次，训练目标选为0.0001，学习速率选为0.01。
图1BPNN结构
GA-BPNN的要素主要包括5部分，首先通过编码现有的权值和阈值从而得到一个初始的种群，而编码的权值和阈值一般采用区间[-0.5，0.5]内的随机数[14]。个体编码使用二进制编码，主要包括输入层和隐藏层之间权值、隐藏层与输出层之间权值、隐藏层本身阈值、输出层本身阈值4部分，通过十位的二进制编码，将所有阈值和权值的编码连接起来形成个体的编码；之后为找出最优个体需要计算种群适应度值，其中obj作为目标函数的输出；最后进行变异操作，用随机方法选出发生变异的基因，如果所选的基因编码是1，则需要将其变为0，如果所选的基因编码是0则需要变为1。遗传算法运行参数包括群体范围T、遗传代数G、交叉概率Pe和变异概率Ph。在本研究中遗传代数选用100，交叉概率0.7，变异概率0.01。GA-BPNN算法流程如图2所示。
图2GA-BPNN算法流程
本次预测模型选取数据来自于国家统计局官网、国家卫建委官网以及部分文献[15]。为预测2024-2030年尘肺病的发展方向，首先对1998-2020年煤炭行业从业人员和煤炭年产量2个变量进行统计，部分统计曲线如图3所示[16]。
图31998-2020年煤矿从业人员、煤炭年产量及尘肺病病例数
由图3可知，煤炭年产量自1998年以来，除个别年份外，基本呈现稳步上涨趋势，说明煤炭依然是我国的能源主体；1998-2001年，煤矿井下作业人数呈现下降趋势，2001年以后又呈现上升趋势，2014年以后呈现大幅下降趋势，这一方面与国家发布政策有关，另一方面与现阶段全国煤矿实现智能化矿井有关；尘肺病病例数在2017年之前呈现上涨趋势，而近几年尘肺病病例数在不断下降。
表12024-2030年煤矿从业人员和煤炭年产量预测值
年份煤矿从业人员/万人煤炭年产量/亿t2024256.8548.992025257.0450.542026253.2252.082027250.4153.632028248.6155.182029249.7856.732030246.9758.28
由表1可以看出，煤炭年产量逐年递增，呈现稳步增长状态。现阶段国家大力发展智能化矿井，采掘速度和运输速度方面在不断提升，加之国家能源的主体依旧是煤炭，人们对煤炭的需求量不断加大，因此煤炭年产量有稳定增长的趋势，预测结果符合时代的发展和人们的需求。煤矿从业人数预测在2024年将达到256.85万人，在之后的几年会呈现微型波动的趋势，这种趋势取决于人们对煤炭产能的需求。而随着智能化矿井的推进，井下工作面工人数量将会实现部分缩减，但由于操作系统及设备的维护更换等仍需部分高科技作业人员，其趋势依旧为小幅度下降。
分析2021—2022年我国煤炭产业经济形势研究报告[17]和2022—2023年我国煤炭产业经济形势研究报告[1]得出，2021年我国煤炭年产量40.7亿t，煤矿从业人数261.2万人，2022年我国煤炭年产量45.0亿t，煤矿从业人数259.7万人。通过上述预测模型计算得出，2021年煤矿从业人数为263.29万人，煤炭年产量为41.34亿t；2022年煤矿从业人数为260.48万人，煤炭年产量为45.89亿t。通过对比报告真实结果与预测模型的预测结果可以看出，二者趋势相同。
将统计的1998-2020年全国煤矿从业人员和煤炭年产量数据分为23组，首先构建标准BP神经网络模型，训练样本随机抽取18组，其余5组数据作为测试样本，采用R2、标准均方根误差检验值(NRMSE)、平均绝对百分误差(MAPE)以及相对误差作为判断拟合程度的评价指标，预测值如图4所示。
图42种模型下的预测值和相对误差
由图4可以看出，5组测试集中除了第二组和第四组数据有较大偏离外，其余3组预测值与真实值较为接近；由误差曲线可以清楚看出，第一组和第三组预测值与真实值最为接近。再将2021年和2022年煤矿从业人员和煤炭年产量值以及SPSS软件模拟的2024-2030年煤矿从业人员和煤炭年产量预测值以及年份作为神经网络预测阶段的输入变量，预测结果见表2。
表22024-2030年尘肺病病例数预测值
年份BPNN预测值/人GABPNN预测值/人202412750996120251270897772026186529595202728311941620282513592392029162619065203087678892
通过分析预测值和真实值之间的关系，发现BPNN采用煤炭年产量、煤矿作业人员数量以及年份对尘肺病病例数进行预测是可行的，但是由于BPNN本身的局限性，它的预测精度未能达到预期效果。结合评价指标值可以看出BPNN中决定系数R2值为0.811，这表明BPNN的拟合效果欠佳，还需要进一步优化。
为提高BPNN的预测精度，采用GA优化后的BPNN模型。通过采用GA-BPNN模型对上述BPNN模型相同的训练集和测试集进行训练和测试，其测试集的预测值如图4所示。从图4可以看出，经GA优化后的BPNN模型相较之标准BPNN而言，其预测精度有了明显的提升；通过误差曲线也可以看出，经GA优化后BPNN相较标准BPNN而言误差有明显的下降。
BPNN和GA-BPNN的评价指标值如图5所示。由图5可以看出，经GA优化后的BPNN决定系数R2与BPNN相比有了明显的提高，而NRMSE、MAPE则是有明显的下降。当R2越接近于1，说明该模型的预测值越接近真实值；当NRMSE、MAPE越小，预测值越精准。
图5两种模型下的评价指标值
采用同样方法，将2021年和2022年煤矿从业人员和煤炭年产量值以及SPSS软件模拟得出的2024-2030年煤矿从业人员和煤炭年产量预测值以及年份作为神经网络预测阶段的输入变量代入到经GA优化后的BP神经网络模型后，2024-2030年尘肺病病例数预测结果见表2。通过对比BPNN和GA-BPNN的预测值可以得出，BPNN的预测值在8700～29000之间，预测值左右偏离较大。而GA-BPNN预测值在8800-10000之间，预测值浮动不大，这表明GA-BPNN模型更加稳定，由此可得经GA优化后的BPNN提高了预测精度和模型的稳定性。
(2)根据尘肺病病例的预测结果可以清楚发现BPNN预测出的尘肺病病例数与真实值之间相差不大，表明通过BPNN建立从业人员数、煤炭年产量以及尘肺病患病人数的预测模型具有一定的科学依据，并且有一定的可行性。
(3)经GA优化后的BPNN预测结果明显优于BPNN的预测结果，表明GA对标准BPNN模型的权值和阈值进行了优化得到最佳的权值和阈值，相较之只使用标准BP神经网络模型而言，经GA优化后的BP神经网络模型避免了局部最优解，使得模型更收敛，预测结果更加精确。
(4)通过不断增加尘肺病预测模型的输入变量个数，不断优化神经网络模型，可有望建立一个普遍适用的预测尘肺病患病人数模型，从而可以尽早提出相应的预防措施，不断完善职业病管理机制。
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LIShenlong1,WANGZhenping2,LUGuoqun1,XUXiuli1,LIZongshan1,CHUHao1,XIAOYang2
(1.JinjitanCoalMine,ShaanxiFutureEnergyandChemicalsCo.,Ltd.,Yulin,Shaanxi719000,China;2.SchoolofSafetyScienceandEngineering,Xi'anUniversityofScienceandTechnology,Xi'an,Shaanxi710054,China)
Keywordspneumoconiosis;timeseriespredictionmethod;GA-BPNN;coalproduction;numberofcoalmineemployees;numberofpneumoconiosispatients
中图分类号TD782.1
文献标志码A
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LIShenlong，WANGZhenping，LUGuoqun，etal.Researchonpredictingthedevelopmenttrendofpneumoconiosisbasedontimeseriesandmachinelearning[J].ChinaCoal，2023，49(10)：68-73.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.10.010
作者简介：李申龙(1980-)，男，山东枣庄人，高级工程师，主要从事煤炭开采技术管理、超大采高特厚煤层开采装备与技术及水害、火灾、粉尘防治研究。E-mail：ykmzylsl@163.com