[发明专利]一种基于单分类器的风、浪要素数据质量控制方法在审
申请号: | 202011367107.1 | 申请日: | 2020-11-27 |
公开(公告)号: | CN112464139A | 公开(公告)日: | 2021-03-09 |
发明(设计)人: | 李飞;高志一;林波;屈远;刘思晗 | 申请(专利权)人: | 国家海洋环境预报中心 |
主分类号: | G06F17/10 | 分类号: | G06F17/10;G06F17/13;G01D21/02 |
代理公司: | 北京知呱呱知识产权代理有限公司 11577 | 代理人: | 杜立军 |
地址: | 100081*** | 国省代码: | 北京;11 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 基于 分类 要素 数据 质量 控制 方法 | ||
1.一种基于单分类器的风、浪要素数据质量控制方法,包括风、浪要素传感器和浮标,其特征在于:所述浮标和风、浪要素传感器测得风、浪的观测数据,将其与风-浪作用不变量理论曲线进行比对,通过两者之间的曲线偏离度判断数据的质量,其中,海面风和浪之间通过观测资料表明其存在以下不变性关系:
其中和分别为无因次波高和周期,α为经验系数,具体为0.062;
其中g、Hs和U*分别为重力加速度、有效波高和摩擦风速;其中Ts为有效周期;
海-气界面过程处于局地平衡态,具备良好的不变性,上述不变性关系为正常风、浪的数据点分布位置,即观测的风、浪数据点应均匀紧密的分布在该理论曲线附近,反之则违背了风-浪不变性关系,可以判定其为异常值,由于我国实际风速观测中少有摩擦风速U*数据,而多为10米高风速U10的数据,且h米高风速Uh与U*呈非线性正相关关系,可写为:
U*=f(h)·Uh (2)
其中h为风速观测高度,而式(2)中的正相关关系会因各测点地理因素不同而不同,因此,式(1)中的α会随着风速观测高度和测点地理情况不同而不同,令α=g(h),即有:
本方法将指定观测点历史风-浪数据对数化、无因次化,在训练阶段,以单分类模型代替理论曲线,设在N维空间中的超球面,半径为R,球心为a,该控件中的样本点为{xi,i=1,2,…,M},我们可以得到:
(xi-a)(xi-a)T≤R2 (4)
由于我们要使超球面的半径最小,因此由(4)式得到:
F(R,a)=R2 (5)
并使其半径最小;
引入拉格朗日算子,构建一个拉格朗日函数:
其中的拉格朗日算子αi≥0,对(6)式进行求偏导,并令其导数为0,可以得到以下条件:
将(7)、(8)带入(6)中可以得到:
至此,我们可以通过二次规划算法得到最优的αi使(9)式最小,在此种情况下,待验数据点较多时将会对空间区域描述的性能带来较大损失,因此,我们引入松弛因子εi,将(4)式更改为:
(xi-a)(xi-a)T≤R2+εi
εi≥0 (10)
引入一个常数C作为惩罚系数,可以控制超球面发生误接受与误拒绝的概率:
构建拉格朗日函数:
对其求偏导,并令导数为0,可得:
0≤αi≤C (13)
将(13)代回(12)中,可得:
通过二次规划算法得到最优的αi使上式最小,以满足半径最小的目的,从而得到质量控制模型;
在质量控制时,将经过对数化、无因次化的待验数据(Z)以及质控模型通过下式进行检测:
若待验数据满足上式时接受该数据,否则质疑该数据,从而生成已验数据,之后可对已验数据进行人工纠错,并将最后获得的模型更新,利用更新之后的模型对后续待验数据进行质量控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于单分类器的风、浪要素数据质量控制方法,其特征在于:所述不变性关系的理论基础上通过单分类器算法即可有效判别风、浪要素观测数据中的异常值。
3.根据权利要求1所述的一种基于单分类器的风、浪要素数据质量控制方法,其特征在于:所述摩擦风速U*数据在实际风速观测中较为少见,多用10米高风速U10数据进行替代计算,且h米高风速Uh与U*呈如下非线性正相关关系:
U*=f(h)·Uh
其中h为风速观测高度,而U*=f(h)·Uh的正相关关系会因各测点地理因素不同而不同,因此,权利要求1中的α会随着风速观测高度和测点地理情况不同而不同,令α=g(h),即有:
通过基于一分类支持向量机算法学习指定观测点历史风-浪相互作用关系,可以从统计学角度模拟指定测点的风-浪相互作用关系,从而建立质量控制模型。
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