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2023 年数维杯（B题）棉秆热解反应|国际大学生数学建模挑战赛建模秘籍&文章代码思路大全_23年数维杯b题

作者：我家小花儿 | 2024-05-16 15:04:30

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23年数维杯b题

铛铛！小秘籍来咯！

小秘籍希望大家都能轻松建模呀，数维杯也会持续给大家放送思路滴~

抓紧小秘籍，我们出发吧~

来看看数维杯国际大学生数学建模挑战赛的B题！
在这里插入图片描述
完整版内容在文末领取噢~

问题重述

问题一：针对催化剂（脱硫灰）在棉秆（cotton stalk）和模型化合物（CE和LG）的催化热解实验，通过数学建模分析，探讨催化剂在不同混合比例下对产物（焦油、水、焦渣、合成气）产量的影响，并判断脱硫灰是否在催化棉秆、纤维素和木质素的热解过程中发挥显著作用。

问题二：基于实验数据，对三种热解组合（脱硫灰-棉秆、脱硫灰-CE、脱硫灰-LG）进行深入分析，关注混合比例对热解气体产物（H2、CO、CO2、CH4等）产量的影响，通过图形化呈现和解释结果。

问题三：在相同脱硫灰催化比例下，探讨纤维素（CE）和木质素（LG）的热解产物产量以及热解气体组分的差异，并提供解释。

问题四：建立脱硫灰对模型化合物（CE和LG）的催化反应机理模型，进行反应动力学分析，通过最小二乘法和统计检验验证模型的可靠性。

问题五：使用机器学习方法（如支持向量回归），基于给定数据，建立模型预测催化剂在不同条件下对产物产量的影响，实现对热解产物的定量预测。

问题一

问题一要求对每个热解组合分析与其对应的热解产物（焦油、水、焦渣、合成气）的产量之间的关系，以及判断脱硫灰作为催化剂是否在促进棉秆、纤维素和木质素的热解过程中发挥了显著的作用。以下是问题一的建模思路：

数据理解与预处理：
- 理解并检查附带的热解组合产物数据表格。
- 处理任何缺失值或异常值。
- 确保数据集分为训练集和测试集。
选择适当的模型：
- 由于问题涉及多个因素对多个产物的影响，可以考虑使用多元回归模型。
- 对于多元回归，可以分别建立焦油、水、焦渣和合成气的产量模型。
特征选择与工程：
- 选择作为输入特征的热解组合的相关参数，如脱硫灰的混合比例。
- 可以进行特征工程，如变量的归一化或标准化。

建立多元回归模型：

对于每个产物（焦油、水、焦渣、合成气），建立相应的多元回归模型。
在Python中，可以使用Scikit-Learn等库的线性回归模型。

from sklearn.linear_model import LinearRegression

# 假设 X 是热解组合的相关参数，y 是对应产物的产量
model_tar = LinearRegression()
model_water = LinearRegression()
model_coke = LinearRegression()
model_syngas = LinearRegression()

# 训练模型
model_tar.fit(X, y_tar)
model_water.fit(X, y_water)
model_coke.fit(X, y_coke)
model_syngas.fit(X, y_syngas)
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模型评估：
- 使用测试集数据对每个模型进行评估，检查模型的预测性能。
- 可以使用各种回归指标，如均方误差（MSE）等。
统计检验：
- 对每个模型进行统计检验，验证模型参数的显著性。
- 这可以通过 t 检验等方法来实现。
结果解释：
- 解释每个模型的系数，了解各个热解组合参数对产物产量的影响程度。
- 比较脱硫灰的混合比例在促进热解产物生成方面的作用。
可视化：
- 制作图表，将模型预测值与实际观测值进行比较，以直观展示模型性能。
模型应用与验证：
- 将建立的模型应用于新的热解组合数据，验证模型的泛化能力。
- 确保模型在未见过的数据上表现良好。

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.metrics import mean_squared_error
import statsmodels.api as sm

# 读取数据
data = pd.read_excel('热解组合产物数据.xlsx')

# 数据预处理
X = data[['脱硫灰混合比例', '其他相关参数']]  # 输入特征
y_tar = data['焦油产量']  # 目标变量：焦油产量
y_water = data['水产量']  # 目标变量：水产量
y_coke = data['焦渣产量']  # 目标变量：焦渣产量
y_syngas = data['合成气产量']  # 目标变量：合成气产量

# 分割数据集为训练集和测试集
X_train, X_test, y_tar_train, y_tar_test, y_water_train, y_water_test, y_coke_train, y_coke_test, y_syngas_train, y_syngas_test = train_test_split(
    X, y_tar, y_water, y_coke, y_syngas, test_size=0.2, random_state=42)

# 创建并训练多元回归模型
model_tar = LinearRegression()
model_tar.fit(X_train, y_tar_train)

model_water = LinearRegression()
model_water.fit(X_train, y_water_train)

model_coke = LinearRegression()
model_coke.fit(X_train, y_coke_train)

model_syngas = LinearRegression()
model_syngas.fit(X_train, y_syngas_train)

# 预测测试集
y_tar_pred = model_tar.predict(X_test)
y_water_pred = model_water.predict(X_test)
y_coke_pred = model_coke.predict(X_test)
y_syngas_pred = model_syngas.predict(X_test)

# 评估模型性能
mse_tar = mean_squared_error(y_tar_test, y_tar_pred)
mse_water = mean_squared_error(y_water_test, y_water_pred)
mse_coke = mean_squared_error(y_coke_test, y_coke_pred)
mse_syngas = mean_squared_error(y_syngas_test, y_syngas_pred)

print(f'Mean Squared Error (Tar): {mse_tar}')
print(f'Mean Squared Error (Water): {mse_water}')
print(f'Mean Squared Error (Coke): {mse_coke}')
print(f'Mean Squared Error (Syngas): {mse_syngas}')

# 统计检验
X_train = sm.add_constant(X_train)  # 添加截距项
model_tar_stats = sm.OLS(y_tar_train, X_train).fit()
model_water_stats = sm.OLS(y_water_train, X_train).fit()
model_coke_stats = sm.OLS(y_coke_train, X_train).fit()
model_syngas_stats = sm.OLS(y_syngas_train, X_train).fit()

# 打印模型统计信息
print(model_tar_stats.summary())
#见完整代码
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问题二

数据理解与预处理：
- 读取并理解附带的热解组合产物数据表格。
- 处理任何缺失值或异常值。
- 将数据集分为训练集和测试集。
选择适当的模型：
- 由于问题涉及混合比例对产物产量的影响，选择多项式回归模型。
- 多项式回归可以通过添加混合比例的高次项来捕捉非线性关系。
特征选择与工程：
- 选择混合比例作为输入特征。
- 考虑添加混合比例的高次项，以捕捉可能存在的非线性关系。
- 对特征进行必要的预处理，如归一化或标准化。

建立多项式回归模型：

对于每个产物（焦油、水、焦渣、合成气），建立相应的多项式回归模型。
在Python中，可以使用Scikit-Learn等库的PolynomialFeatures进行特征的多项式转换，并使用LinearRegression进行多项式回归。

from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
from sklearn.linear_model import LinearRegression

# 假设 X 是混合比例，y 是对应产物的产量
degree = 2  # 多项式次数

poly = PolynomialFeatures(degree)
X_poly = poly.fit_transform(X_train)

model_tar = LinearRegression()
model_water = LinearRegression()
model_coke = LinearRegression()
model_syngas = LinearRegression()

# 训练模型
model_tar.fit(X_poly, y_tar_train)
model_water.fit(X_poly, y_water_train)
model_coke.fit(X_poly, y_coke_train)
model_syngas.fit(X_poly, y_syngas_train)
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模型评估：

使用测试集数据对每个模型进行评估，检查模型的预测性能。
可以使用各种回归指标，如均方误差（MSE）等。

from sklearn.metrics import mean_squared_error

X_poly_test = poly.transform(X_test)

y_tar_pred = model_tar.predict(X_poly_test)
y_water_pred = model_water.predict(X_poly_test)
y_coke_pred = model_coke.predict(X_poly_test)
y_syngas_pred = model_syngas.predict(X_poly_test)

mse_tar = mean_squared_error(y_tar_test, y_tar_pred)
mse_water = mean_squared_error(y_water_test, y_water_pred)
mse_coke = mean_squared_error(y_coke_test, y_coke_pred)
mse_syngas = mean_squared_error(y_syngas_test, y_syngas_pred)

print(f'Mean Squared Error (Tar): {mse_tar}')
print(f'Mean Squared Error (Water): {mse_water}')
print(f'Mean Squared Error (Coke): {mse_coke}')
print(f'Mean Squared Error (Syngas): {mse_syngas}')
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结果可视化：

制作图表，将混合比例与模型预测的产物产量进行可视化比较。
可以创建多个子图，每个子图代表一个产物。

import matplotlib.pyplot as plt

plt.scatter(X_test, y_tar_test, color='black', label='Actual')
plt.scatter(X_test, y_tar_pred, color='red', label='Predicted')
plt.title('Tar Production Prediction')
plt.xlabel('Mixture Ratio')
plt.ylabel('Tar Production')
plt.legend()
plt.show()
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统计检验（可选）：

对模型的系数进行统计检验，验证混合比例及其高次项对产物产量的显著性。

import statsmodels.api as sm

X_poly_stats = sm.add_constant(X_poly)  # 添加截距项
model_tar_stats = sm.OLS(y_tar_train, X_poly_stats).fit()
# 进行其他产物的统计检验...
print(model_tar_stats.summary())
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模型解释与应用：
- 解释每个模型的系数，了解混合比例及其高次项对于产物产量的影响。
- 可以使用模型进行预测，并根据需要应用到新的混合比例数据。

问题三

对于问题三，我们可以采用多元回归分析来建模，以研究脱硫灰催化下纤维素（CE）和木质素（LG）的热解产物产量及热解气体组分之间的关系。以下是更详细的建模思路：

数据理解与预处理：
- 理解附带的热解组合产物数据表格，特别关注纤维素（CE）和木质素（LG）的相关列。
- 处理缺失值或异常值。
- 将数据集分为训练集和测试集。
选择适当的模型：
- 由于我们关心多个因变量（产物产量和热解气体组分），可以使用多元线性回归模型。这样的模型可以同时考虑多个因变量之间的关系。
特征选择与工程：
- 选择脱硫灰的催化比例作为输入特征，以及纤维素（CE）和木质素（LG）的产物产量及热解气体组分作为目标变量。
- 进行必要的特征工程，如数据标准化。

建立多元回归模型：

对于每个目标变量（例如焦油、水、焦渣、合成气及其组分），建立相应的多元回归模型。
在Python中，可以使用Scikit-Learn库的LinearRegression。

from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import mean_squared_error

# 选择特征和目标变量
X = data[['催化比例']]
y_tar = data[['CE_tar_production', 'LG_tar_production']]
y_gas = data[['CE_H2', 'CE_CO', 'LG_H2', 'LG_CO']]  # 以此类推...

# 分割数据集
X_train, X_test, y_tar_train, y_tar_test, y_gas_train, y_gas_test = train_test_split(
    X, y_tar, y_gas, test_size=0.2, random_state=42
)

# 创建并训练多元回归模型
model_tar = LinearRegression()
model_tar.fit(X_train, y_tar_train)

model_gas = LinearRegression()
model_gas.fit(X_train, y_gas_train)
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模型评估：

使用测试集数据对每个模型进行评估，检查模型的预测性能。
评估可以使用各种回归指标，如均方误差（MSE）等。

# 预测测试集
y_tar_pred = model_tar.predict(X_test)
y_gas_pred = model_gas.predict(X_test)

# 评估模型性能
mse_tar = mean_squared_error(y_tar_test, y_tar_pred)
mse_gas = mean_squared_error(y_gas_test, y_gas_pred)

print(f'Mean Squared Error (Tar): {mse_tar}')
print(f'Mean Squared Error (Gas): {mse_gas}')
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解释结果：

解释每个模型的系数，了解催化比例对于纤维素（CE）和木质素（LG）热解产物产量及热解气体组分的影响。
检查模型系数的显著性，可以通过 t 检验或 p 值来判断。

import statsmodels.api as sm

X_train_stats = sm.add_constant(X_train)  # 添加截距项
model_tar_stats = sm.OLS(y_tar_train, X_train_stats).fit()
model_gas_stats = sm.OLS(y_gas_train, X_train_stats).fit()

print(model_tar_stats.summary())
print(model_gas_stats.summary())
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统计检验：
- 对模型的系数进行统计检验，验证催化比例的显著性。
模型解释与应用：
- 根据模型结果解释催化比例对于纤维素（CE）和木质素（LG）的热解产物产量及热解气体组分的影响。
- 模型可以用于预测新的催化比例下的产物产量及热解气体组分。

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.metrics import mean_squared_error
import statsmodels.api as sm

# 读取数据
data = pd.read_excel('热解组合产物数据.xlsx')

# 数据预处理
# 选择特征和目标变量
X = data[['催化比例']]
y_tar = data[['CE_tar_production', 'LG_tar_production']]
y_gas = data[['CE_H2', 'CE_CO', 'LG_H2', 'LG_CO']]  # 以此类推...

# 分割数据集
X_train, X_test, y_tar_train, y_tar_test, y_gas_train, y_gas_test = train_test_split(
    X, y_tar, y_gas, test_size=0.2, random_state=42
)

# 创建并训练多元回归模型 - 产物产量
model_tar = LinearRegression()
model_tar.fit(X_train, y_tar_train)

# 创建并训练多元回归模型 - 热解气体组分
model_gas = LinearRegression()
model_gas.fit(X_train, y_gas_train)

# 预测测试集
y_tar_pred = model_tar.predict(X_test)
y_gas_pred = model_gas.predict(X_test)

# 评估模型性能
mse_tar = mean_squared_error(y_tar_test, y_tar_pred)
mse_gas = mean_squared_error(y_gas_test, y_gas_pred)

print(f'Mean Squared Error (Tar): {mse_tar}')
print(f'Mean Squared Error (Gas): {mse_gas}')

# 模型统计检验
X_train_stats = sm.add_constant(X_train)  # 添加截距项
model_tar_stats = sm.OLS(y_tar_train, X_train_stats).fit()
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问题四

问题四需要建立脱硫灰对模型化合物（如纤维素和木质素）的催化反应机理模型，并对反应动力学进行分析。以下是一个建模思路：

机理模型的构建：
- 首先，我们需要了解脱硫灰对纤维素（CE）和木质素（LG）的催化机理。这可能涉及到催化剂与生物质组分之间的反应路径、中间产物等。
- 基于已有的化学知识，建立脱硫灰催化纤维素和木质素热解的反应机理模型。这可以是一组差分方程或基于反应速率的模型。
动力学参数的估计：
- 使用实验数据，通过拟合模型参数，估计脱硫灰对纤维素和木质素催化反应的动力学参数。
- 选择适当的参数拟合方法，如最小二乘法，以获得最佳拟合。
模型验证：
- 使用估计的动力学参数对模型进行验证，比较模型预测与实验数据的吻合程度。
- 可以使用各种统计指标来评估模型的准确性，如均方根误差（RMSE）等。
模型应用与解释：
- 基于建立的催化反应机理模型，可以进行不同条件下的模拟，预测纤维素和木质素的催化热解行为。
- 解释模型参数的物理意义，了解脱硫灰对生物质组分热解的影响。
敏感性分析：
- 进行敏感性分析，评估模型对于参数变化的敏感性。这有助于确定哪些参数对模型的输出影响最大，以及在什么条件下模型可能失效。
模型改进：
- 根据验证和敏感性分析的结果，对模型进行改进。可能需要调整催化反应机理的复杂度，引入更多的影响因素或修正模型方程。

import numpy as np
from scipy.integrate import odeint
from scipy.optimize import curve_fit
import matplotlib.pyplot as plt

# 定义一阶反应模型
def first_order_reaction(C, t, k):
    return -k * C

# 生成模拟数据
t_data = np.linspace(0, 10, 50)
k_true = 0.2  # 真实的反应速率常数
C_true = odeint(first_order_reaction, 1.0, t_data, args=(k_true,)).flatten()

# 添加噪声模拟实验数据
np.random.seed(42)
C_noisy = C_true + 0.05 * np.random.normal(size=len(t_data))

# 定义拟合函数
def fit_function(t, k):
    return odeint(first_order_reaction, 1.0, t, args=(k,)).flatten()
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问题五

使用支持向量回归（Support Vector Regression，SVR方法。SVR 是一种回归分析的机器学习算法，适用于非线性关系的建模。

数据预处理：
- 处理缺失值，处理异常值，将数据集分为训练集和测试集。
选择特征和目标变量：
- 选择适当的特征作为输入，包括催化比例和其他可能影响反应的因素。
- 选择产物产量或其他相关的输出作为目标变量。
支持向量回归模型：
- 使用支持向量回归模型进行建模。SVR 是一种非常适用于复杂非线性关系的算法。
模型训练：
- 将数据输入到 SVR 模型中，进行模型的训练。
模型评估：
- 使用测试集数据对模型进行评估，考察模型的泛化性能。可以使用均方误差（MSE）等指标进行评估。
调整模型参数：
- 根据评估结果调整 SVR 模型的参数，以优化模型性能。SVR 有一些关键的参数，如 kernel 类型、惩罚系数（C）等。
特征重要性分析（可选）：
- 虽然 SVR 不像随机森林那样直接提供特征的重要性分数，但可以通过观察模型的权重来了解输入特征对于模型的相对重要性。
模型解释：
- 解释 SVR 模型对于催化反应产物产量的预测结果，了解模型认为哪些因素对于影响产物产量较大。
模型应用：
- 使用训练好的 SVR 模型进行新的预测，例如在不同的催化条件下预测产物产量。

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.svm import SVR
from sklearn.metrics import mean_squared_error
import matplotlib.pyplot as plt

# 读取数据
data = pd.read_excel('你的数据文件.xlsx')

# 数据预处理
# 选择特征和目标变量
X = data[['催化比例', '其他特征1', '其他特征2', ...]]  # 添加其他可能的影响因素
y = data['产物产量']

# 分割数据集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

# 支持向量回归模型
# 这里可以根据需要调整SVR的参数，如kernel类型、C值等
model = SVR(kernel='rbf', C=1.0, gamma='scale')
model.fit(X_train, y_train)

# 模型预测
y_pred = model.predict(X_test)

# 模型评估
mse = mean_squared_error(y_test, y_pred)
print(f'Mean Squared Error: {mse}')

# 绘制真实值与预测值的对比图
plt.scatter(y_test, y_pred)
plt.xlabel('真实值')
plt.ylabel('预测值')
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2023 年 数维杯（B题）棉秆热解反应|国际大学生数学建模挑战赛 建模秘籍&文章代码思路大全_23年数维杯b题

问题重述

问题一

问题二

问题三

问题四

问题五

2023 年数维杯（B题）棉秆热解反应|国际大学生数学建模挑战赛建模秘籍&文章代码思路大全_23年数维杯b题