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Carbon Research | 粗糙集机器学习在利用生物炭吸附四环素方面的预测能力

Carbon Research • 8 月前 • 264 次点击  


摘要

机器学习算法通过研究数据中的关系从而提供有用的输出。然而,过去的模型需要完整的数据集作为先决条件。在本研究中,基于粗糙集的机器学习被应用于处理现实世界的不完整数据集,以生成基于关键属性的生物炭吸附能力预测模型。预测模型由满足特定条件的“如果-那么”规则组成,用于分类属性。从完整和不完整数据集生成的规则都表现出较高的确定性、覆盖率和科学一致性。依据完整数据集模型,本研究确定了最佳热解条件、生物质特征和吸附条件,以最大限度地提高生物炭对四环素的吸附能力(>200 mg/g)。该研究表明,基于粗糙集的机器学习能够在现实世界中数据不完整的情况下,不损失关键特性地生成有效预测模型。即使数据集中存在缺失值,该方法也能生成有效的预测模型。总体而言,初步结果表明,将粗糙集机器学习应用于现实世界的不完整数据集以生成生物质和生物炭预测模型颇具前景。不过,在实际应用之前,粗糙集机器学习还需要进一步的改进和测试。

图文摘要


亮点
  • 这是首个可解释的基于人工智能的粗糙集模型,用于研究生物炭的四环素吸附能力。
  • 基于粗糙集的机器学习(RSML)使用不完整的实用数据集,避免了数据填补造成的偏差。
  • 不完整实用数据集更高的准确度和精确度揭示了该模型的独特性。

要点图例

图1 生物炭吸附四环素的RSML算法概述

图2 描述理想数据集的分布和密度的小提琴图

图3 描述实用数据集的分布和密度的提琴图

图4 理想数据集(a)和实用数据集(b)的皮尔逊相关矩

图5 理想数据集(a)和实用数据集(b)中,生物炭对四环素吸附所生成规则的强度(数据数量)与其覆盖范围之间的关系图



结论
利用理想数据集和实用数据集,本研究开发了两个基于规则的RSML模型用以估计生物炭的四环素吸附能力。两个模型都产生了科学上一致的决策规则,但实用数据集模型的性能更好。使用理想数据集训练的模型表明,Tpy、C、O/C、(O+N)/C 和溶液pH是Qe>200 mg/g的关键因素。然而,使用实用数据集开发的模型除上述属性外,还需要生物炭属性才能达到相同目的。利用实用数据集训练的模型表明,300℃的热解温度且四环素和生物炭之比介于1与2之间,才能达到大于200 mg/g的吸附能力。该研究展示了一种可解释的RSML工具,可以使用没有填补实用数据集估算生物炭的吸附能力,从而最小化决策过程中的偏差和方差。
文章链接:https://doi.org/10.1007/s44246-024-00129-w




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