TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 10, Octobe r 20 14, pp. 7361  ~ 736 8   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.528 9          7361     Re cei v ed  De cem ber 5, 20 13; Re vised  June 30, 20 14;  Accept ed Jul y  20, 201 4   Combine Multi-predictor of Gas Concentration  Prediction Based on Wavelet  Transforms      Wu Xiang* 1 , 2 Qian Jian -Sheng 1   1 School of Infor m ation a nd El e c trical Eng i ne e r ing, Ch ina U n i v ersit y  Mi nin g   T e chnol og y,   Xuz h o u , Jian g s u 221 11 6, Chi n a   2 School of Med i cal Informatics , Xuzh ou Me di cal Col l e ge, Xu zhou, Jia ngs u 221 11 6, Chin a   Email: dmsh xz mc@163.c o m       A b st r a ct  A meth od of co mb in e multi-pr edictor is pr op os ed b a se d on  w a velet transform to i m pr ove  the  pred iction  prec ision  of co al  mine  gas c onc e n tration  ti me s e ries. F i rstly, the pr op osed   mo de l e m p l oy   Mallat a l g o rith m to d e co mp o s e an d reco nstruct the  gas co ncentrati on ti me series to is ol ate the low - freque ncy  and  hi gh-freq ue nc y infor m ation.   T hen, AR MA  mo de is   b u ilt for  the pre d icti on of  h i gh- freque ncy info rmati on a nd rectifies dev iati ons of t he predicte d  valu es  by Markov bi as correctio n   meth od  w h il e t he SVM   mo del  is  use d  to  fit the  pre d ictio n   o f  the l o w - frequ ency  infor m ati on. At  last,   these  pred icte d val ues  are  su peri m p o se d to  obtai n the   pr ed icted v a lu es of  the ori g i nal  seq uenc e. T h i s   m e tho d   ma ke s a n  e ffe cti v e  sep a r a t io n  o f  th e   fe a t u r e  in fo rm ati o n  o f  ga s co nce n t ra ti on  tim e  se ri e s  and  takes full adv antag e of the  featur es of different pre d i c tion mod e ls  to achiev e co mp le me ntary  adva n tag e s. T he c o mpar iso n  exp e ri me nt w i th the   sin g l e -pred i ctor  mo d e ls (BP, SVM)  an d si ngl e- pred ictor  mo de ls bas ed  on w a vel e t dec o m p o sitio n   (W -BP, W - SVM)show  that the  prop o s ed  meth od   improves the o v erall pr edicti o n pr ecisi on. T he results show  that  meth od ha s high prec isio n and stron g   practica bil i ty.    Ke y w ords wavelet transforms, m u lti-predictor, co mb in e pr edicti on, dev iat i on corr ection     Co p y rig h t   ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Coal  mine  ga con c e n trati on ex cee ded   discha rge  sta ndard i s   one   of the m o st i m porta nt  factors  of co a l mine se curit y   in  produ ctio n. The  accu rate predi ct ion  and  re al-tim e monito ring   and   control of coa l mine ga s co nce n tration a r e import ant m easure s  to prevent gas ex plosi on and g a outburst [1]. Since  safety monitori ng sy stem ha be en install ed i n  most coal  mine, there i s  a  large  numb e r of coal min e  safety data. Therefore,  it is sig n ifica n t to take adva n tage of the s histori c al to  make a n  accurate an d effective trend predi ction the  of mine gas  con c e n tration .   In re cent  ye ars,  several   method s a r e  rep o rte d  in   the literatu r e  for  ga con c entration  predi ction. P apers [2 -4] show th at  the  gas  co ncentration sequ en ce i s  chaoti c   time se rie s . In [2],  predi ction model wa s constructe by   an addin g -w eight o ne-ran k  lo cal - region  method  in t h e   recon s tru c tio n  pha se spa c e. In [3], a predictio n mod e l wa s built u s ing time  seri es an d ada ptive   fuzzy  rea s o n i ng ne ural sy stem. In [4], it pr op osed a  max Lyapu n o v index mo del. In LS-S VM  ca se, the  sp arsene ss a n d  ro bu stne ss may lo se, a nd the  estim a tion of the   sup port val u es i s   optimal only i n  the case o  f a Gau ssi an  distrib u tion of  the error va ri able s . In [5], it propo se d the   weig hted LS -SVM to overcome the s e d r aw b a cks.  In[6], the c h aotic  phase space rec o ns truc tive   method was  use d  to re co nstru c t the sample spa c e  of gas co ncentration in  multivariate time   seri es an d th e Ga ussia n  p r ocess  re gre ssi on m odel   wa s u s e d  to  predi ct the  g a co ncentrat i on  arou nd the  work face. These method s provid e a good g u idan ce for g a data pre d icti on.   Ho wever,  th e ga s concentration  tim e  seri es  a non-station a ry  time  seri e s  with a strong  rand omn e ss whi c h co ntain s   m u lti-dime n s ion a in fo rm ation a nd  sin g le p r edi ction  method   can not  fit for information on ea ch d i mensi on.   The wavelet decompo sitio n  and recon s tru c tion  can  deco m po se  the multi-co mpone nt  sign al inform ation into a low-f r eq uen cy  approx imate  signal a nd a  set of high-f r equ en cy detail  sign als. Th e l o w-f r eq uen cy  sign al re act t he inh e re nt variation t r en d  of the inform ation while the   high-f r eq uen cy signal rea c t the stoch a stic distu r ba nc e influen ce o f  it. In  view of the differe nt  rule of the s e t w o  type s of  si gnal s differe nt m odel s a nd  p a ram e ters  can b e  utili ze d to   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  736 1  – 7368   7362 indep ende ntly predict th ese  signal [7]. Based on this idea,  this pape r prop osed a  gas  con c e n tration  pre d ictio n   combine  multi - predi ctor  ba sed  on  wav e let tran sfo r m. It make s a   combi ned  predictio n for the g a s con c entration  tim e  serie s   whil e differe nt p r edictio n mo d e l is  utilized  for these  different  si gnal s d e comp osed by  the  wavel e t d e com p o s ition  and   recon s tru c tio n . Base d o n   the re se arch  and  appli c at ion in th e II8 26  Coal  Fa ce of Luli ng  coal  mine of Huai bei Minin g  Group  Comp an y in Anhui Pr ovince, it sh o w s th at this  method  can t a ke  advantag e of different predi ctor an d effe ctively predict the ga s co nce n tration.   The  re st of th is p ape r i s  o r gani zed  a s  fo llows. Sectio n II analy s e s   corre s p ondin g  ba si theorie s an d method s. Th e wavelet de comp ositio n and re co nstruction alg o rit h m is de scrib ed in  se ction II-A  a nd the  Ma rko v  co rre ction   method fo r th e ARMA  mod e l is de sig n e d  in  se ction  II-B.  The p r op ose d  ga s con c en tration p r edi ct ion comb in e multi-predi cto r   ba se on wavelet  tran sfo r is presented in Section III. T he proposed prediction model is te sted by the g a s concentration  data and th result is  com pare d  with th at of ot her m odel s in Secti on IV. Section V includ es  the  con c lu sio n s o f  this paper.       2. Analy s is o f  Basic T h eo ries and Me thods   2.1. Wav e let Decomp ositi on and Re co nstru c tion   The e s sen c e  of the wave let deco m po sition an d re con s tru c tion i s  to divide a  set of  primitive se q uen ce contai ning comp reh ensive info rm ation into sev e ral g r ou ps of  sequ en ce s with   different  ch aracteri stics by  a g r oup  of  ba nd p a ss  filte r s [8]. In thi s   p aper,  The  Ma llat algo rithm  is  adopt a s  the  wavelet d e co mpositio n an d re con s tructi on metho d , let  12 {, , } N Yy y y be the   origin al se qu ence, whe r N is the sequ ence lengt h, the algo rithm  can b e  de scri bed a s  follow.     1 1 () ,0 , 1 , () jj jj aH a j J dG a                      (1)    () H and () G rep r e s ent  the low-pa ss filter and h i gh-p a ss filter.  1 j a and 1 j d  are th comp one nts  of the o r igin a l  sig nal in  ad jace nt freq ue ncy b and  un der th re sol u tion of  (1 ) 2 j    while  1 j a  re pre s ent the lo w-f r eque ncy a p p r oximate  com pone nt and  1 j d   rep r e s ent the  high- freque ncy d e tail com pon ent. Let  J  b e  the de co mpositio n le vel. We can  get  J detai l   comp one nts  12 ,, J dd d  and an approximate  compo nent   J a . For the length of the   decompo se seq uen ce i s  the half of tha t  of t he origin al one, bin a ry interpolatio n method  wa adapte d  in the recon s tru c ti on se que nce recon s tru c tin g  [9].    * *1 * () ,0 , 1 , () j jj j jj AH a j J DG G d              ( 2 )     * H and * G are th e d ual op erators of  H and G . Det a il seque nce s   12 ,, J DD D  and   approximate seq uen ce  J A  are the recon s tru c tion  seq uen ce s of   12 ,, J dd d and J a . They  have the  sam e  len g th  with  origin al  seq u ence. And  th e o r iginal   seq uen ce  ca n b e  re pre s e n ted  as  the sum of re con s tru c tion  seq uen ce s.     12 . J J YD D D A                              (3)    2.2. Markov   Corre ction  Metho d  (M CM)  The hig h -freq uen cy detail seq uen ce s can  be seen a s   strong ra ndomn e ss stationary   time se rie s  a nd ARMA  (A uto-Reg r e ssi ve and M o ving Avera g e )   model  ca n b e  appli ed to  the  predi ction  of  these  seq u ences.  Ho we ver, thes e hi gh-frequ en cy detail  se qu ences contai n a  greate r  am ou nt of ran dom  ingre d ient s, a nd t he hi ghe r level the wa velet decomp o sition  rea c h e s,  the st ron ger  the rand omn e ss of  the s e  detai l   seque nce s  whil e becom e. Although the ARMA  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Com b ine Mul t i-pre d icto r of Gas  Con c e n tration Pre d icti on Base d on  Wa velet…  (Wu Xiang 7363 model exhi bits a go od p e rf orma nce for  nearly  statio n a ry time se ri es, it can not  do better fo the   time seri es wi th strong ran domne ss tha n  statisti cal model. The spe c ific pe rform a nce i s  that most  predi cted p o i n ts have  g o o d   pre d ictio n   pre c isi on,  but  part of the p o ints a ppe ars large  pre d ict i on   deviation for  the mutation  characteri stics. Theref ore, considering  the singl e point reliability, a   deviation co rrection meth o d  base d  on the Markov  constraints mo del is pro p o s ed to corre c t the  result of the ARMR model. The method can  be described as follows. According to utility  evaluation of  the pre d icte d  output of the  ARMA m ode l, it decide s   wheth e r to  correct the  re sult.  The prediction value will be kept if evaluation re sult is consi s tent with the M a rkov predi cti o interval, otherwise it  will be corrected. Let  i S  be  the  stat e value  of the  data  pre d icte d by Ma rkov  model a nd  [, ] ii Lo w U p  be the  co rre spondi ng  cla s sificatio n   bo u ndary. Th state value of  the  predi ction val u e i Y  of the ARMR mod e l is  ' i S and the co rrecte d value  is  ˆ i Y . The co rrecting  method can b e  descri bed a s  follow.     ' ' ' ˆ ii i ii i i ii i Up S S YY S S Low S S                                  (4)    If the state value ' i S  is highe r than the state value  i S , the prediction value will be   corre c ted  to the maximu value of the  i n terval b oun d a ry. And if th e state val ue  ' i S  is lower than  the state valu i S , it will be corrected to the minimum v a l ue of the int e rval  boundary. Otherwi se,  it will not be corrected.  The pu rpo s is to che ck th e predi ction value of the detail sequ en ce and re con s truction   and timely  co rre ct the  rel a tive larg devi a tion.  With th e thre state s   segm entati on meth od  a n d   the state wi n dow p a ramet e r s W and the po ssi bility transi t ion matrix wi ndo w pa ram e ter c W , the   corre c tion  ste p s for the p r e d icted valu e of a detail se quen ce of the  gas con c entration time se ries 12 {, , , } N yy y can b e  de scri bed a s  follow.    Firstly, we tra n sform the de tail sequ en ce  which ha s a   c W  step si ze to  a state sequ e n ce  before  the tim e  N.  With the  boun dari e  an d , the items  of the detail  seque nce are   trans formed to  three s t ate 1 E , 2 E and 3 E ,where 1 1 s W Ni i s y W and  1 1 () s W Ni i s y W  Let  t s be the sta t e sequ en ce  of  t y where t s  = 12 {, , , } N ss s The tran sfo r mation Equati o n     1 2 3 0, , . t tt t Ey sE i f y Ey                      ( 5 )     Secon d ly, we can  get th e Ma rkov tra n si tion  proba bility matrix  depe nd  on t he  state  seq uen ce.   Thirdly, we g e t the deviation co rrectio n  equatio n and  the corre c ted  value 1 ˆ ˆ N y .     11 1 11 1 1 11 1 2 1 1 1 11 1 2 1 3 11 1 3 ˆˆ , ˆ , ˆ ˆ ˆ ˆ , ˆˆ , ˆ . nN N NN N NN N N N NN N N NN N ys s ss s E i f s s sE sE y s ss E s E ss s E                      ( 6 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  736 1  – 7368   7364 Whe r 1 ˆ N y is the predi cted val ue ba sed on  the ARMA model,  1 ˆ N s  is the correspon ding  state   value based  on the pred icted value  and  1 N s  is the state value base on the  state value   seq uen ce a n d  Markov tran sition proba bi lity matrix.      3. Gas Con c entra t ion Ti me Series Multi-predic to r Base d on Wav e let Transform   Firstly, we u s e the Mallat algorith m  to decom po se a nd re con s truct the gas time se rie s .   Then, the di fferent pre d i c tion mo dels are e s tabli s he d for the  low-frequ en cy app roxim a te   seq uen ce a n d  high -freq u e n cy detail  se quen ce s. At  last, the final  predi cted val ue wa cal c ul ated   by the  sum  of the results  of every p r edi ct ion mo del. Th e blo c k sch e m atic fo r the  workflo w  of t h e   combi ne mult i-predi ctor is  sho w n in Fig u re 1.       , m 1 D n D n A     Figure 1. Gas Con c entratio n  Multi-predi ctor  Com b inati on Predi ction  Frame w o r k Base d on  Wavelet Tran sform       Based o n  the  dyadic wavel e t decom po si tion and re co nstru c tion, th e gas  con c e n t ration  time s e ries 12 {, , , } N Yy y y ca n be obtain e d  as follows:     12 , J J YD D D A      Whe r e 11 , 1 1 , 2 1 , {, , , } N Dd d d 22 , 1 2 , 2 2 , {, , , } N Dd d d ,1 , 2 , {, , , } J JJ J N Dd d d a r e there  con s tru c ted   high-f r eq uen cy seq uen ce s of every l a yers an d ,1 , 2 , {, , , } J JJ J N Aa a a  is the  recon s tru c ted  low-frequ en cy seque nce o f  the  J  layer.   The high -fre q uen cy seq u e n ce s a c qui rin g  by  wavelet decompo sitio n  and re co nstruction   of the time seri es  ca n be se en a s  the stat ion a ry time se ries with  stro ng ra ndom n e ss,  whi c h refle c t the  lo cal muta tion  ch ara c te ristics  of  the d a ta. Therefore, we b u ild A R MA predi ction  model  and   correct th de viation of th e  predi ct ed va lue by  the  M a rkov  corre c ti on m e thod.  T h e   spe c ific  step s can be d e scribed a s  follows:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Com b ine Mul t i-pre d icto r of Gas  Con c e n tration Pre d icti on Base d on  Wa velet…  (Wu Xiang 7365 (1) Build the ARMA( p q ) model  for  j D  and  use the  existing  seq uen ce val u e s   to   estimate the  para m eters where  1, j Ji M   .  (2) With adaptive tes t ing for the ARMA ( p q ) mod e l a n d  AIC  criterio n meth od  app lied fo the orde r det ermin a tion of the model, the model pa ra meters  p  and  q  are obtai ne d.  (3) T he predi cted value  , ˆ j Nk d  of  , j Nk d  can be obtai ned by the ARMA( p q ) m odel.   (4) G r id meth od is ap plied  to param eter  opt imizatio n of the weight ed Markov co rre ction   method  whe r e the state  d i vided wi ndo [, ] s ss Wa b  and the p r oba bility cal c ulatio n wi nd ow  [, ] cc c Wa b  and the minimum cla s sification error ra te is applied  as the criteri on to obtain the   optimum pa ra meters  s W and c W (5) With the optimum parameters   s W and c W and the e quatio n (5 ), the  ga s co nce n tratio n   time seri es i s  transfo rme d  to the state se quen ce.   (6) The predi cted state  val ue  , j Nk s is e s timated de pen d o n  the p r e s ent  values of th e   state sequence and  the possi bility transi t ion matrix.  (7)Cal cul a te the state valu , ˆ j Nk s for the pre d i cted value , ˆ j Nk d  wi th equation (5 ).  (8) T he final correcte d pre d i cted value  , ˆ ˆ j Nk d  is obtained by the equ ation (6).   The lo w-freq uen cy detail  seq uen ce  with nonlin ea rity reflec t s  the bas i c characte ristics of   the gas  co ncentration tim e  se rie s . The r efore,  we u s e the SVM model for it s predi ction. T he  spe c ific  step s can be d e scribed a s  follows:  (1)  C-C meth od is ap plied  to get the opt imum delaye d  time and e m beddi ng di mensi on  of  ,1 , 2 , {, , , } . JJ J J N Aa a a   (2) Th e inp u t and  outp u vectors  of th e SVM mo de l is  obtain ed  throug h p h a s e spa c recon s tru c tio n  with the del ayed time an d embed ding  dimen s ion.   (3) T he pa ra meters of SVM are optimi z ed by the P S O(Parti c le  Swarm  Opti mization )   [10, 11].  (4) T he predi cted value  , J Nk a  of the detail se quen ce i s  obt ained by trai n ed SVM mod e [12].  The final  predicte d  valu e of the ga s co n c ent rati on time  seri es i s  obtai n ed by  sup e rim p o s in g the predi cte d  values of all  compo nent s.      4. Experiment Re sults a nd Discu ssi ons   We te st the p r opo se d mod e l with 86 0 g a con c e n trat ion sample comin g  from t he II826  Coal Fa ce of  Luling coal m i ne of Huaib e i  Mini ng Gro u p  Comp any in Anhui Provi n ce. We sel e c t   the first  720   data a s  th e e x perime n tal  sample s a nd t he la st 1 40 d a ta a s  the  predictive  sam p les.   Firstly, the ga s con c ent rati on time  seri e s  is  re co nstru c ted to th ree  seq uen ce wi th 3 level  sca l e   wavelet b a se  db3  by the  wavelet  de co mpositio n an d re co nstruct i on of the  ori g inal d a ta. T he  recon s tru c ted  sequ en ce s a r e sh own in F i gure 2.       Figure 2. Wa velet Decomp osition a nd Reco nstruc tio n  of the Origin al Gas  Con c e n tration Time  Series  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  736 1  – 7368   7366 We build the  ARMA model  for the high-f r equ en cy seq uen ce s D1, D2, and D3 while the   AIC crite r io n  method i s   use d  for  ord e r d e termi n a t ion. The n e w con s tru c te d mod e ls  are   ARMA(2 9),  ARMA(9 8 )  and A R MA(7 10 ). Th en  we  co rrect  the predi cted  value by th weig hted Markov co rre ctio meth od an obtai the  optimum pa rameters  s W and c W by the  grid   method whe r [ 1 , 100] s W and  [ 1 , 2 00] c W . The optimum pa ra meters obtain ed by the ARMA  model with  weighted Ma rkov corre c tion  method a r e show a s  the T able 1.       Table 1. Mod e l Paramete rs of Detail Se quen ce Reconstructe d Sequence   p q  Ws Wc  D1 2  64  197  D2 9  100  169  D3 7  10  72  193      We  cal c ulate  the larg est L y apunov exp onent  by  sm all data sets  for the lo w-freque ncy   approximate seq uen ce an d the result is  0.1 146 It indicates that the sequ ence has  cha o ti c h arac teris t ic. With the optimum delayed time  2 an d the emb e d d ing dim e n s i on  5 m obtaine d by C-C metho d , we re co nst r uct pha se   sp ace of the  se quen ce a nd  get the input  and  output vecto r s of the SVM model. With  radial b a si s f unctio n  as th e ke rnel fun c tion of the SVM  model, the pa ramete rs of S V M optimized  by the PSO  are  241 . 944 1 c 0. 01 0. 1   For co mpa r i s on, we  cho o se  fou r  eva l uation crite r i ons  MAE(M ean  A b sol u te  Error),  MAPE (Mean Absolute  Percentag e Error), RMS E   (R oot Mean Square E rror) and NRMSE   (No r mali ze d root mean squ a re e rro r).    Expressio n s of  these criteri o ns are sh ow  as follo w:                               (7)                             (8)                       (9)                 ( 1 0 )     Whe r is th index of th e d a ta,  is th e p r e d icte d  value  of the d a ta, i the true  value ,  is the   averag e valu e and is  is the total numbe r of the data.  In orde r to verify the pre c ision of the fi tted model, u s e the al go rithm propo sed  in this  pape r to  pre d ict the  la st  140  ga con c entration   val ues.  Tabl e 2  sh ows the  p r edi ction  erro r of  each se que n c e. It shows  that the high er level  the wavelet de co mpositio n an d recon s tru c t i on   rea c he s, the  stron g e r  the  rand omn e ss  and noi se of  these det ail seq uen ce s b e com e  an d the   lowe r the  pre c isi on of A R MA pre d ictio n  mod e get.  And Ma rkov con s traint correctio n  met hod   can  greatly correct th e de viation  of the  predi cted  val ue du e to  ran domne ss. Ho wever, fo r the  D3   seq uen ce  with small  ran d o mne ss, A R MA predi ct io n model  can  get a high  predictive p r e c i s ion  and M a rkov  corre c tion  m e thod  do n o have a  rem a rkabl e result. Experiment  result sho w  t hat  for the gas concentratio n  time serie s  with str ength v o latility, the c o mbinatio n of ARMA model   1 1 ˆ n ii i M AE y y n  1 ˆ 1 n ii i i yy MA P E ny 2 1 1 ˆ () n ii i RM S E y y n  2 1 1 ˆ () 1 () n ii i n i i yy NR M S E n yy  i ˆ i y ˆ i y n Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Com b ine Mul t i-pre d icto r of Gas  Con c e n tration Pre d icti on Base d on  Wa velet…  (Wu Xiang 7367 and the  Markov modificati on st rategie s   can ta ke  adv antage  of the  pre d ictive a b ility of the linear  model an d st atistical mo de l.      Table 2. Pred iction Error of  Wavelet De compo s ition S eque nce   Reconstructed  Sequence  Method  MAE  MAPE  RMSE  NRMSE  D1  ARMA  0.0303  31.4719  0.0632   0.2574     ARMA-MCM   0.0137  17.0502  0.0232   0.0944   D2  ARMA  0.014  3.8727   0.0295   0.1193     ARMA-MCM   0.0111  3.0899  0.0249   0.1006   D3  ARMA  0.0076  0.8507  0.0137   0.0431     ARMA-MCM   0.0078  0.864  0.0133   0.0418   A3  SVM  0.0131  0.0363   0.019   0.0349       Figure 3 sh ows the cha r t of the final pr e d icte d  value su pe rimpo s e d  up on every  sub s e que nce  and the a c tu al data. Fro m  the Figure,  It can b e  seen  that the final predi cted d a ta   of the propo sed method  ca n fit the  actual gas con c ent ration data  well.        Figure 3. Actual Value (th e  solid lin e) a nd M odel O u tput (the da sh ed line) of Ch ecking Sam p l e     To verify the   effectivene ss  of the p r o posed  meth od,  routine m e tho d are  u s ed  t o  p r edi ct  the ga co n c entration  sa mples for co mpari s o n . Th ese  metho d s incl ude  BP  neural n e two r predi ction  mo del, SVM p r e d iction  mo del , SVM predi ction m odel  ba sed  on  BP  (W-BP) an d S V predi ction  mo del b a sed  on  wavel e t d e compo s itio n  (W-SVM ). Th e  predi cted  re sults comp ari s on   sho w  a s  the Table 3.       Table 3. Co m pari s on of Dif f erent Predi ct ion Method  BP  SVM  W-BP  W-SVM  Multi-predictor  MAE  0.0372  0.0317  0.0282  0.0158   0.0131   MAPE  0.1035  0.0681  0.0778  0.0426   0.0363   RMSE  0.0477  0.0279  0.0389   0.023   0.019   NRMSE 0.0878   0.09  0.0716   0.0424   0.0349       In the BP neural  network predi ction  model,  we g e t the avera ge value of  ten time   indep ende nt  predi ction as the  final  pre d i cted  val ue. T he network hi dden laye r transfe r fun c tio n   is Sigmod fun c tion, the tran spo r t layer transfe r fun c tio n  is Purelin fu nction, the tra i ning alg o rith is variabl e le arnin g  rate m o mentum a n d  gradi ent  de scent algo rith m and the le arnin g  rate i s  0.1 .   In  the  SVM model, we chose  radial basi s   fun c tio n  a s  the  ke rnel fun c tion  and o p timize  the  para m eters  with the PSO  method. F r o m  Tabl e 3, it   can  be  se en  that the p r e c i s ion  of the  m u lti- 74 0 760 780 800 820 84 0 860 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 t / m i n (C H 4 )/ %     O r i g i n  dat a P r edi c t  dat a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  736 1  – 7368   7368 predi cto r  mod e l pro p o s ed i n  this pa per i s  obviou s ly  superi o r to  the  single - p r edi ctor model s, such   as BP a nd  SVM. And the predi ction  error i s   smal ler tha n  that  of the supe r po sition  of  the  predi cted val ues of the wavelet deco m positio n an d recon s tru c tion seq uen ces ba sed o n  the   singl e-p r edi ct or BP  or SVM. The  expe riment  re sult s sh ow that th e combi natio n of m u lti-scale  wavelet  de co mpositio n a n d  multi-pre d i c tor  ca n im p r ove the  p r e d iction  preci s ion a nd h a ve a   strong practi cability.        5. Conclusio n   This p ape d i scusse s the   multi-pre d ict o r combi nati on predi ctio n method f o r ga con c e n tration  and buil d s t he multi-p r e d i ctor p r edi ctio n model  with  wavelet tra n sform, Ma rkov  corre c tion   model, A R MA and  SVM. Acco rding  to t he the o reti cal analy s is and  experim ental  results, the fo llowing  con c l u sio n can b e  dra w n.   (1) The  wa velet de com positio n a n d  re con s tructi on  can  de comp ose th e ga con c e n tration  information i n to different  seq uen ce s.  Acco rdi ng to  the ch ara c te ristics of different  seq uen ce s, we apply different pre d ictio n  model s fo r di fferent se que nce s  a nd take advantag es of   each pre d icto r to effectively improve the  predi ction p r eci s ion.   (2) Fo r the  hi gh-frequ en cy detail  se que nce s   ha s a  st rong  rand om ness,  we  co mbine th ARMR mo del  and Markov  con s trai nts correctio n  method an d take  full advantage of the line a fitting ability o f  the ARMR model an d the statistical a b ility of Markov model.  (3) T he  singl e-p r edi ctor m odel s have  some di s adva n tage s, su ch  as a g r e a t volatility of  the result, susceptibl e  interfere n ce caused  by unce r taintie s  and un wa rra nted pre d icti on   pre c isi on. In this pap er, we  propo se d a multi- predi cto r  combi nation  predi ction m e thod ba sed  on  wavelet tran sform. Comp ared with the ro uti ne singl e-p r edi ctor mo de l BP and SVM, and wavel e t- based  single - predi cto r  mod e l W-BP a nd  W-SVM, Th e prop osed met hod imp r oved  the pre d ictio n   pre c isi on.       Referen ces   [1]  Z hou SN,  Lin   BQ. Coalb e d  g a s occurr enc and fl o w  th eor y. Be iji ng: C h i na C o a l  Ind u str y  P ubl ishi n g   Hous e. 199 9.  [2]  Che ng J, Bai JY, Qian JS, et  al. Short-term fore casti ng met hod of coa l min e  gas conc entr a tion b a se d   on chaotic time series.  Journ a l  of China U n iv ersity of Minin g  & T e chnolo g y .  2008; 3 7 (2): 2 31-2 35.   [3]  Z hang JY, C h e ng J, Ho u YH,  et al. F o recasti ng co almi ne  g a s conc entrati o n  bas ed  on a d aptive  ne uro- fuzzy  Inference sy stem.  Journ a l of Chi na Un i v ersity of Minin g  & T e chnol og y.  2007; 36( 4): 494- 498.   [4]  Cui X Y Zhao GQ.  Applicatio n of chaos forecast of  mi ne gas densit y   monitoring.   Jour nal  of  Lia o n i n g   Technic a l Un iv ersity.  2008; 2 7 : 184-1 86.   [5]  Qiao MY, Ma   XP, L a n  JY, et  al. T i me seri e s  short-T e rm gas pre d icti on  b a sed  on   w e ig h t ed LS-SVM.  Journ a l of Mini ng an d Safety Engi neer in g . 2011; 28( 2): 310 -314.   [6]  Don g  DW , Li S G, Chang   XT et al. Pre d ictio n  mo d e of gas  conce n tratio arou nd  w o rki n g face  usin g   multivariate time series.  Jour n a l of Mini ng a n d  Safety Engi n eeri ng.  20 12; 2 9 (1): 135- 13 9.  [7]  He GG, Ma  SF, Li Y. A stud y  on forecastin g for time series  based  on  w a velet  analy sis.  Act a   Autom a tica Sinica . 201 2; 29(1 ) : 1012-1 0 1 4 [8]  Aja y  SP, D e ve nder  S, Sun il  KS. Intelli gent  H y brid  W a vel e t Mode ls for S hort-T e rm Loa d F o rec a stin g .   IEEE Tran. on power system s . 2010; 8(3): 12 66-1 273.   [9]  Mallat SG. A theor y for mu lti  resol u tion s i gn al  dec omp o siti on: T he  w a v e l e t repres entati on. I EEE Tran.   on Pattern An a l ysis an d Mach ine Intel lig enc e . 1989; 11( 7): 674-6 93.   [10]  Kenn ed y J, En erhart RC.  Par t icle sw arm o p t i mi z a tio n .  Proc eedings  of IEEE In ternational Conferenc e   on Ne ural N e tw o r ks. Piscata w a y ,  NJ: IEEE Service C enter , 1995: 19 42-1 948.    [11]  Enerh a rt RC,  Shi Yu hui.  Pa rticle sw arm  o p timi z a ti on: de vel o p m ents, a pplic atio ns a n d reso urces.   Procee din g s of  the 20 01   Co n g ress on   Evol u t ionar y   Com p u t ation. Pisc ata w a y ,  NJ,  USA: IEEE Press .   200 1; 1: 81-86.    [12]  Vapn ik VN. T h e nature of stat istica l le arn i ng  theor y. Ne w  Y o rk: Spring er. 199 5.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.